夜間增溫下施用生物炭和硅肥對稻田土壤養分含量的影響

陶思敏 婁運生 邢鈺媛 王坤 劉健 蘇磊 湯麗玲

摘要：夜間增溫幅度大于白天是氣候變暖的顯著特征之一。為探明夜間增溫下施用生物炭和硅肥對稻田土壤有機質、氮磷鉀養分狀況的影響，進行田間模擬試驗。田間模擬試驗于2019年在南京信息工程大學農業氣象試驗站進行。供試土壤為潴育型水稻土，供試水稻品種為南粳5055。田間試驗采用3因素3水平正交試驗設計，夜間增溫設3個水平（常溫對照、5 mm鋁箔膜覆蓋、11 mm鋁箔膜覆蓋），生物炭設3個水平（不施加、施7.5 t/hm2、施17.5 t/hm2），硅肥設3個水平（不施加、施200 kg/hm2鋼渣粉、施200 kg/hm2礦粉）。結果表明，夜間增溫會降低稻田土壤平均有機質、速效鉀含量及非根際土銨態氮含量，提高土壤有效磷含量;施生物炭和硅肥可整體上緩解夜間增溫對土壤養分含量的不利影響，有利于保持稻田土壤養分肥力和水稻可持續生產。

關鍵詞：夜間增溫;生物炭;硅肥;土壤養分;稻田

中圖分類號： S511.06;S153.6? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）15-0198-09

收稿日期：2020-11-21

基金項目：中國地質調查局地質調查項目（編號：DD20190305）;國家自然科學基金（編號：41875177、41375159）。

作者簡介：陶思敏（1995—），女，山東泰安人，碩士研究生，主要從事農業氣象研究。E-mail：taosimin1212@163.com。

通信作者：婁運生，博士，教授，主要從事生態環境氣象、全球變化生態學研究，E-mail：yunshlou@163.com;蘇 磊，碩士，工程師，主要從事地球化學研究，E-mail：sulei@mail.cgs.gov.cn。

氣候變暖是全球氣候變化的主要特征之一。過去130年，全球地表平均溫度已經上升了 0.85 ℃[1]。氣候變暖存在顯著的晝夜不對稱性，即夜間增溫幅度大于白天[2]。增溫對植物地上部的影響，已有較多研究[3]。夜間增溫抑制水稻光合特性，降低蒸騰速率和氣孔導度，顯著降低葉片凈光合速率。夜間增溫導致低緯度地區水稻分蘗數減少，生育期縮短，有效穗數和穗粒數減少，籽粒產量下降[4-8]。但是，有關增溫對土壤養分變化有何影響關注較少。

生物炭具有多孔性、強吸附性和高度難降解性。生物炭可增加稻田土壤的比表面積[9-10]，增強持水保肥性[11-12]，改善土壤酸堿性[13]，促進養分吸收[14]，減少溫室氣體排放[15]，對水稻生長指標，如株高、有效分蘗數、葉面積指數、千粒質量等均有促進作用[16-19]。

硅是地殼中含量最豐富的元素之一，也是對水稻生長發育有重要作用的元素[20]。水稻是典型的喜硅作物，而土壤供給是水稻所需硅素的主要來源[21-23]。研究表明，硅可以提高水稻莖稈抗倒伏能力[24]，增強水稻抗旱性[25]，促進水稻的生長發育[26]，增強水稻抗病蟲害能力[27]。施硅可以提高葉面積指數、穗數、結實率、千粒質量[28]。施用硅肥可以提高有效磷和有效硅含量，促進土壤團粒結構的形成[29]。施硅是保持土壤養分均衡、實現水稻高產的重要措施[30]。

目前有關增溫、生物炭或施硅單因素或雙因素對土壤養分的影響已有相關研究[31-33]，但3個因素對稻田土壤養分的耦合影響，尚缺少研究。因此，本研究通過田間試驗，探討夜間增溫下施加生物炭和硅肥對稻田土壤養分的影響，以期為應對氣候變化背景下水稻可持續生產及稻田土壤養分肥力變化，為深入開展氣候變化對農田地上、地下生態系統的影響研究提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗在南京信息工程大學農業氣象試驗站（32.0°N，118.8°E）進行，時間為2019年5—10月。該站地處亞熱帶濕潤氣候區，雨熱同季，年均降水量>1 000 mm，年均氣溫為15.6 ℃。供試土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬，土壤質地為壤質黏土，全碳、全氮、黏粒含量分別為19.40、1.45、26.10 g/kg，pH值為 6.2，土水比為1 g ∶1 mL。供試生物炭為稻殼生物炭（天津亞德爾生物質科技股份有限公司），含碳量約為50%，pH值為 10.18，土水比為1 g ∶10 mL。供試硅肥為鋼渣粉、礦粉，鋼渣粉pH值為 8.09，礦粉pH 值為9.22，土水比為1 g ∶10 mL。供試水稻品種為南粳5055，育苗時間為2019年5月10日，移栽時間為2019年6月14日。

1.2 正交試驗設計

采用3因素3水平正交試驗設計，3個因素為夜間增溫（W）、施生物炭（B）、施硅（Si）。夜間增溫設3水平，即W0（常溫對照）、W1（5 mm鋁箔膜覆蓋）、 W2（11 mm鋁箔膜覆蓋）。生物炭設3個水平，即B0（不添加）、B1（施入7.5 t/hm2）、B2（施入17.5 t/hm2）。移栽前稱取生物炭3、7 kg各3份，在翻耕農田時使生物炭與土壤均勻混合。硅肥設3個水平，即 Si0（不施硅）、Si1（施鋼渣）和、Si2（施礦粉），鋼渣粉和礦粉施用量均為200 kg/hm2。移栽前稱取鋼渣硅肥634 g、礦粉硅肥278 g各3份，在翻耕農田時播撒。每個小區施高濃度復合肥（N、P2O5、K2O含量均為15%）315 g作為基肥。采用被動增溫法模擬夜間增溫，在小區四周架設不銹鋼架，夜間（19：00至翌日06：00）將鋁箔反光膜置于鋼架上方，覆蓋水稻冠層，根據水稻生長進程調整鋁箔膜高度，使鋁箔膜與水稻冠層間距始終保持在0.3 m左右。為防止鋁箔膜覆蓋影響降水接納及增溫設施被大風破壞，在雨雪天及風速大于10 m/s時不覆蓋鋁箔膜。小區面積為2×2=4 m2，共9個小區。

采用根袋法區分水稻根際土和非根際土。在水稻移栽時每個小區選4株長勢良好的水稻幼苗分別移入根袋植于田間，于水稻關鍵生育期（拔節期、孕穗期、開花期、灌漿期）各采集1株根袋中的水稻，根袋內土樣即為根際土，同時采集根袋外土樣即為非根際土。將采集的土樣裝入塑料自封袋帶回實驗室，挑去植物根系殘體、枯枝落葉和石塊，之后將土樣自然風干，磨碎過篩，置于塑料自封袋保存備用。

1.3 測定分析方法

土壤銨態氮含量采用靛酚藍比色法測定;硝態氮含量采用紫外分光光度法測定;有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定;速效鉀含量采用醋酸銨提取-火焰光度法測定;有機質含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定[34-36]。

1.4 數據處理

數據匯總和極差分析使用Microsoft Excel 2019軟件，圖表繪制使用Origin 8.0軟件，單因素方差分析使用SPSS 26.0軟件。

2 結果與分析

2.1 根際土養分變化

2.1.1 銨態氮含量變化

由圖1可知，各處理根際土銨態氮含量全生育期變化趨勢大體表現為上升趨勢，其中，除W1B1Si2和W1B2Si0處理外，銨態氮含量均在灌漿期達最大值，各處理全生育期銨態氮含量平均值以W1B2Si0處理最低，W0B1Si1處理最高。

2.1.2 硝態氮含量變化

由圖1可知，各處理根際土硝態氮含量的變化大體表現為升—降—升趨勢，在開花期明顯下降，灌漿期有略微回升。各處理根際土硝態氮平均含量在孕穗期達到最大值，約為32.4 mg/kg;平均含量最小值出現在開花期，約為24.8 mg/kg。全生育期硝態氮含量平均值呈現W2B0Si2處理平均值最低，而W1B2Si0處理平均值最高。

2.1.3 有效磷含量變化

由圖1可知，各處理根際土有效磷含量全生育期變化趨勢較平緩，灌漿期有下降趨勢。W2B0Si2和W0B1Si1處理的根際土有效磷含量在拔節期達最大值，W0B0Si0、W1B2Si0和W2B1Si0處理在孕穗期達到最大值，其他處理在開花期達最大值;各處理的有效磷平均含量在灌漿期達最小值。全生育期有效磷含量平均值呈現W0B0Si0處理平均值最低，W2B0Si2處理平均值最高。

2.1.4 速效鉀含量變化

由圖1可知，各處理根際土速效鉀含量的變化表現為先升后降的趨勢，在開花期明顯上升，灌漿期下降。除W0B0Si0和W2B0Si2處理外，各處理速效鉀含量在開花期達最大值，全生育期W2B2Si1處理速效鉀含量平均值最低，W0B1Si1處理平均值最高。

2.1.5 有機質含量變化

由圖1可知，各處理根際土有機質含量變化表現為先升后降的趨勢，在開花期明顯上升，灌漿期有下降趨勢。各處理有機質含量均在開花期達最大值;除W0B2Si2和W1B2Si0處理外，各處理下有機質含量最小值均出現在灌漿期。全生育期平均值呈現W0B0Si0處理平均值最低，W0B1Si1處理平均值最高。

2.2 非根際土養分變化

2.2.1 銨態氮含量變化

由圖2可知，各處理非根際土銨態氮含量全生育期變化趨勢表現為先降后升的趨勢。其中W0和W1處理在灌漿期達最大值，W2處理在開花期達最大值。各處理在全生育期銨態氮含量平均值以W0B0Si0處理最低，W0B2Si2處理最高。

2.2.2 硝態氮含量變化

由圖2可知，各處理非根際土硝態氮含量變化表現為升—降—升趨勢，在開花期明顯下降，灌漿期略微回升。除W0B2Si2處理外，各處理非根際土硝態氮含量均在孕穗期達到最大值。全生育期硝態氮含量平均值呈現W2B1Si0處理最低，而W1B1Si2處理最高。

2.2.3 有效磷含量變化

由圖2可知，各處理非根際土有效磷含量全生育期變化趨勢較平緩，開花期有輕微上升趨勢。除W0B0Si0和W2B2Si1處理外，各處理非根際土有效磷含量在開花期達最大值。全生育期有效磷含量平均值呈現W0B2Si2處理最低，W2B0Si2處理最高。

2.2.4 速效鉀含量變化

由圖2可知，各處理非根際土速效鉀含量變化大體表現為先升后降趨勢，在開花期明顯上升，灌漿期下降。各處理非根際土速效鉀含量均在發育后期（開花期和灌漿期）達最大值，最小值均出現在拔節期。全生育期平均值呈現W2B0Si2處理平均值最低，W0B1Si1處理平均值最高。

2.2.5 有機質含量變化

由圖2可知，各處理非根際土有機質含量變化表現為先升后降趨勢，在灌漿期明顯下降。有機質含量最小值出現在灌漿期。全生育期速效鉀含量平均值呈現W2B0Si2處理最低，W1B2Si0處理最高。

2.3 土壤養分含量極差和顯著性分析

2.3.1 銨態氮含量分析

由表1、圖3可知，3因素對銨態氮含量的影響程度不同。對于根際土，3因素影響程度表現為夜間增溫>生物炭>硅肥。其中 5 mm 鋁箔膜覆蓋（W1）會降低根際土銨態氮含量;與W1處理相比，11 mm鋁箔膜覆蓋（W2）會增加根際土銨態氮含量，但仍低于W0處理下銨態氮含量;施入 7.5 t/hm2 生物炭（B1）會提高銨態氮含量，而施用 17.5 t/hm2 生物炭（B2）則有抑制作用;隨施硅增加，根際土銨態氮含量升高，不同水平的硅肥對根際土銨態氮含量均有提升作用。根際土銨態氮含量達到最高的最佳因素組合為W0B1Si2。由表1可知，夜間增溫對根際土銨態氮含量的影響達到顯著水平（P<0.05），而施生物炭和硅肥均無顯著影響（P>0.05）。對于非根際土，3因素的影響程度表現為生物炭>硅肥>夜間增溫。其中夜間增溫會降低非根際土銨態氮的含量，具有抑制作用;提高生物炭和硅肥施用量，均對非根際土的銨態氮含量起促進作用。非根際土銨態氮含量達到最高的最佳因素組合為W0B2Si2。根據方差分析結果可知，夜間增溫、施生物炭和硅肥對非根際土銨態氮均無顯著影響（P>0.05）。

2.3.2 硝態氮含量分析

由表2、圖4可知，3因素對硝態氮含量的影響程度不同。對于根際土，3因素的影響程度表現為夜間增溫>硅肥>生物炭。其中 5 mm 鋁箔膜覆蓋（W1）可以提升根際土硝態氮的含量，而11 mm鋁箔膜覆蓋（W2）會降低根際土硝態氮含量;隨著生物炭施加量的增加，根際土硝態氮含量不斷升高，不同水平的生物炭對根際土硝態氮含量均有提升作用;對于硅肥，施入200 kg/hm2鋼渣粉（Si1）會降低硝態氮含量;與Si1處理相比，施入 200 kg/hm2 礦粉（Si2）則對根際土硝態氮含量有輕微提升作用，但仍低于Si0處理。根際土硝態氮含量達到最高的最佳因素組合為W1B2Si1。根據方差分析結果可知，夜間增溫和施硅肥對根際土硝態氮含量的影響達到顯著水平（P<0.05），而施生物炭則無顯著影響（P>0.05）。

對于非根際土，3因素的影響程度表現為夜間增溫>硅肥>生物炭。其中5 mm鋁箔膜覆蓋（W1）可以提升非根際土硝態氮的含量，然而，11 mm? 鋁箔膜覆蓋（W2） 會降低非根際土硝態氮含量;隨著生物炭施加量的增加，非根際土硝態氮含量不斷升高，不同水平的生物炭對非根際土硝態氮含量均有提升作用;對于硅肥，施入200 kg/hm2鋼渣粉（Si1）會略微降低硝態氮含量，而施入200 kg/hm2礦粉（Si2）則會提升非根際土硝態氮含量。非根際土硝態氮含量達到最高的最佳因素組合為W1B2Si2。根據方差分析結果可知，夜間增溫對非根際土硝態氮含量的影響達到顯著水平（P<0.05），而施生物炭和硅肥均無顯著影響（P>0.05）。

2.3.3 有效磷含量分析

由表3、圖5可知，3因素對有效磷含量的影響程度不同。對于根際土，3因素的影響程度表現為夜間增溫>生物炭>硅肥。其中 5 mm 鋁箔膜覆蓋（W1）可以提升根際土有效磷的含量，與W1相比，11 mm鋁箔膜覆蓋（W2）會降低根際土有效磷含量，但相較于W0仍有很大提升;隨著生物炭施用量的增加，對根際土有效磷含量的抑制作用逐漸增強;對于硅肥，施入200 kg/hm2鋼渣粉（Si1）對根際土有效磷含量有提升作用，施用 200 kg/hm2 礦粉（Si2）較Si1處理有進一步的提升效果。根際土有效磷含量達到最高的最佳因素組合為W1B0Si2。根據方差分析結果可知，夜間增溫對根際土有效磷含量的影響達到顯著水平（P<0.05），而施生物炭和硅肥均無顯著影響（P>0.05）。

對于非根際土，3因素的影響程度表現為夜間增溫>生物炭>硅肥。其中5 mm鋁箔膜覆蓋（W1）和11 mm鋁箔膜覆蓋（W2）均可以提升非根際土有效磷的含量;隨著生物炭施加量的增加，非根際土有效磷含量不斷降低，不同水平的生物炭對非根際土有效磷含量均有抑制作用;對于硅肥，施入200 kg/hm2鋼渣粉（Si1）會降低有效磷含量，相比于Si1處理，施入200 kg/hm2礦粉（Si2）對有效磷含量起到輕微提升作用，但仍低于Si0處理。非根際土有效磷含量達到最高的最佳因素組合為W2B0Si0。根據方差分析結果可知，夜間增溫對非根際土有效磷含量的影響達到顯著水平（P<0.05），而施生物炭和硅肥均無顯著影響（P>0.05）。

2.3.4 速效鉀含量分析

由表4、圖6可知，3因素對速效鉀含量的影響程度不同。對于根際土，3因素的影響程度表現為生物炭>夜間增溫>硅肥。其中 5 mm 鋁箔膜覆蓋（W1）和11 mm鋁箔膜覆蓋（W2）均可以抑制根際土速效鉀的含量;對于生物炭，施入7.5（B1）、17.5 t/hm2（B2）均會降低根際土速效鉀含量;施入200 kg/hm2鋼渣粉（Si1）會提升速效鉀含量，與Si1處理相比，施入200 kg/hm2礦粉（Si2）則對根際土速效鉀含量有輕微抑制作用，仍然高于Si0處理。根際土速效鉀含量達到最高的最佳因素組合為W0B0Si1。根據方差分析結果可知，夜間增溫、施生物炭和硅肥均對根際土速效鉀含量無顯著影響（P>0.05）。

對于非根際土，3因素的影響程度表現為夜間增溫>硅肥>生物炭。其中夜間增溫會降低非根際土速效鉀的含量，具有抑制作用;隨著生物炭施加量的增加，非根際土速效鉀含量不斷升高，不同水平的生物炭對速效鉀含量均有提升作用;對于硅肥，施入200 kg/hm2鋼渣粉（Si1）會提升非根際土速效鉀含量，與Si1處理相比，施入200 kg/hm2礦粉（Si2）則對速效鉀含量有明顯抑制作用，但Si2處理仍略微高于Si0處理。非根際土速效鉀含量達到最高的最佳因素組合為W0B2Si1。根據方差分析結果可知，夜間增溫和施硅肥對非根際土速效鉀含量的影響達到顯著水平（P<0.05），而施生物炭則無顯著影響（P>0.05）。

2.3.5 有機質含量分析

由表5、圖7可知，3因素對有機質含量的影響程度不同。對于根際土，3因素的影響程度表現為生物炭>硅肥>夜間增溫。其中 5 mm 鋁箔膜覆蓋（W1）和11 mm鋁箔膜覆蓋（W2）均可以抑制根際土有機質的含量;對于生物炭，施入 7.5 t/hm2（B1）會提升有機質含量，與B1處理相比，施入17.5 t/hm2（B2）對根際土有機質含量有輕微抑制作用，但仍遠高于B0處理;對于硅肥，施入200 kg/hm2鋼渣粉（Si1）和200 kg/hm2礦粉（Si2）均會提升根際土有機質含量。根際土有機質含量達到最高的最佳因素組合為W0B1Si2。根據方差分析結果可知，夜間增溫、施生物炭和硅肥對根際土有機質含量的影響均達到顯著水平（P<0.05），其中施生物炭達到極顯著水平（P<0.01）。

對于非根際土，3因素的影響程度表現為生物炭>夜間增溫>硅肥。其中5 mm鋁箔膜覆蓋（W1）可以提升非根際土有機質的含量，然而，11 mm 鋁箔膜覆蓋（W2）會降低非根際土有機質含量;對于生物炭，隨著施用量的增加，均對非根際土的有機質含量起促進作用;對于硅肥，與Si0處理相比， Si1處理會略微抑制非根際土有機質含量， 而與Si1處理相比，Si2處理會對有機質含量起提升作用，且Si2處理高于Si0處理。非根際土有機質含量達到最高的最佳因素組合為W1B2Si2。根據方差分析結果可知，夜間增溫和施硅肥對非根際土有機質含量均無顯著影響（P>0.05），施生物炭對非根際土有機質含量的影響達到顯著水平（P<0.05）。

3 討論與結論

土壤養分含量是表征土壤理化性質的關鍵指標[37-38]。夜間增溫、施生物炭和施硅肥直接或間接影響土壤養分含量，進而影響水稻生長發育和產量形成。土壤銨態氮、硝態氮、有效磷、速效鉀和有機質含量是表征土壤養分的典型參數，可反映土壤養分含量狀況[39]。

土壤養分對溫度變化較為敏感。水稻表現為喜銨性，在5 mm鋁箔膜覆蓋增溫下，可以促進植物對銨態氮的吸收，從而降低土壤銨態氮含量;而在11 mm鋁箔膜覆蓋情況下，水稻根系對根際土銨態氮的吸收可能受抑制，根際土銨態氮含量較高。5 mm 鋁箔膜覆蓋增溫可能有利于土壤氮轉化，促進硝化作用，硝態氮含量增加;硝態氮不易被土壤膠體吸附，隨夜間增溫作用增強（11 mm鋁箔膜覆蓋），在土壤中的移動性增強造成流失，高溫下發生一定程度的分解，因此，隨夜間增溫水平提高，硝態氮含量呈先升后降趨勢。對于有效磷，夜間增溫導致土壤磷的礦化速率升高，生成更多有效磷，然后磷的礦化速率趨于平穩，有效磷的含量呈現先增長后基本穩定的趨勢。夜間增溫可能增強土壤微生物活性，促進有機質分解，11 mm鋁箔膜覆蓋下有機質含量明顯降低。

施用生物炭B1處理可不同程度地提高土壤銨態氮、硝態氮和有機質含量。原因可能在于，生物炭對NH3和NH+4具有較強吸附作用，減少氨揮發等氮損失。生物炭可提高土壤原有機碳的穩定性，減少土壤有機碳礦化量，使土壤有機碳含量增加。施用生物炭降低土壤有效磷含量，可能在于施加生物炭可調節土壤酸堿度，對土壤磷吸附性增強，使有效磷含量降低。生物炭孔隙結構為土壤微生物提供了良好的棲息環境，增加了養分有效性，促進水稻對磷的吸收，土壤有效磷含量呈下降或先下降后基本穩定的趨勢。

施硅可使土壤中銨態氮含量和有機質含量基本不變或逐步上升，原因可能是硅肥有效保留了土壤中的氮元素，可以緩解土壤氮流失現象;施硅會直接為土壤引入有機碳源，一定程度上直接增加了土壤的有機質含量。施硅Si1處理會降低非根際土有效磷含量，原因可能在于，施硅促進了植物對磷的吸收利用，提高了土壤磷有效性，土壤有效磷含量下降。隨硅肥的施用，土壤中速效鉀含量呈先升后降的趨勢，其中下降的原因可能是硅肥直接為土壤引入了活性有機物質，可以作為土壤微生物的養分，增加土壤微生物數量，加速水稻對鉀的吸收進程，導致土壤中速效鉀含量降低。

夜間增溫會降低水稻關鍵生育期土壤速效鉀、有機質含量及非根際土銨態氮的平均含量，提高非根際土有效磷含量，11 mm鋁箔膜覆蓋下硝態氮含量明顯降低。夜間增溫對銨態氮、硝態氮、有效磷、速效鉀和有機質含量影響均達顯著水平。施生物炭和硅肥可改善土壤養分狀況，緩解夜間增溫對土壤養分含量的不利影響。未來可進一步探討夜間增溫下施生物炭和硅肥對水稻土中各類酶活性、微生物多樣性的影響。

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