生物炭复配天然矿物对稻田土壤还原性物质的影响

傅玺豪，朱建强，范先鹏，张志毅，何绍华，倪承凡，吴茂前

（1.湖北省农业科学院 植保土肥研究所/国家农业环境潜江观测实验站/湖北省农业面源污染防治工程技术研究中心/农业农村部潜江农业环境与耕地保育科学观测实验站，湖北 武汉 430064；2.长江大学 农学院，湖北 荆州 434000；3.武汉市汉南区农业技术推广服务中心，湖北 武汉 430090）

秸秆富含作物生长所需的氮磷钾等养分，秸秆还田是提升农田土壤肥力、改善土壤养分含量及有效性的重要措施[1]。秸秆还田已经成为当前农业形势下最优、最现实的农用模式[2]。然而，稻田淹水厌氧状态下，秸秆腐解过程会形成各种还原性物质，阻碍水稻根系呼吸和养分吸收，进而使水稻幼苗发育迟缓，影响水稻生长及产量[3]。因此，研究秸秆还田过程中土壤氧化还原条件的变化及其调理措施，对秸秆科学还田和农业绿色发展具有重要意义。

稻田土壤淹水后，其有机质和还田的秸秆发生厌氧分解，土壤由氧化态向还原态转化，并形成各类还原性物质。研究表明，水稻秸秆添加使滨海盐渍型水稻土的残渣态铁向水溶态铁和弱酸态铁转化，并且直接还田处理比腐熟还田和炭化还田处理的增加幅度更大[4]。金鑫等[3]的研究表明，秸秆还田降低了土壤Eh（氧化还原电位）、pH 值和水稻根系活力，水稻移栽后21～28 d，土壤还原性物质总量、活性还原性物质和水溶性亚铁离子（Fe2+）含量显著增加。王红妮等[5-6]的研究表明，油菜秸秆还田后，水稻苗期的土壤Eh 随秸秆还田量的增加而显著降低，土壤pH 值、还原性物质总量及Fe2+含量显著增加，水稻根系活力显著下降。此外，稻田翻压紫云英和小麦秸秆后，同样出现土壤还原性物质总量、活性还原性物质、Fe2+和亚锰离子（Mn2+）含量显著增加，土壤Eh显著降低的现象[7-8]。

生物炭、硅酸盐、磷酸盐、氧化钙等材料有助于改善土壤pH 值，进而影响氧化还原状况，提高生产力[9-11]。但是由于生物炭成本较高[12]，而无机材料大量施用易造成二次污染[10]等问题，限制了其在大田应用推广。将生物炭与无机材料复配，不仅能够提高土壤改良效果，同时能够降低改良剂的成本。例如，生物炭与粉煤灰、白云石粉等无机材料复配后，能够显著提升其改善土壤理化性质的功能[13]。

本研究通过将玉米秸秆生物炭、烟草秸秆生物炭与一种天然矿物材料按不同比值组成复配调理剂，研究其对秸秆还田后稻田土壤还原性物质的消减效果和潜力及对水稻产量的影响，提出具有高效调理土壤氧化还原状况的调理剂配方，以期为秸秆还田技术推广和粮食丰产增效提供参考。

1 材料和方法

1.1 供试土壤

盆栽试验土壤源自湖北省潜江市浩口镇柳州村（E 112°42′43.93″、N 30°22′10.45″），土壤类型为潜育型稻田土，发育于青灰泥田、灰青泥田。将土壤运回盆栽场自然风干，剔出根系和碎石等，过2 cm筛混匀。供试土壤pH值7.97，有机质20.95 g/kg，全氮1.3 g/kg，全磷0.7 g/kg，速效磷21.13 mg/kg，速效钾246.11 mg/kg。

1.2 试验设计

盆栽试验于2020 年6—10 月在国家农业环境潜江观测实验站（湖北省潜江市浩口镇）进行。土壤调理剂包括生物炭Ⅰ（BⅠ）、生物炭Ⅱ（BⅡ）和天然矿物（S）。BⅠ是由玉米秸秆经室温升至450 ℃，炭化8 h获得；BⅡ是由烟草秸秆经380 ℃炭化2 h获得；天然矿物主要成分包括方解石（50%）、黑云母（25%）、磷灰石（12%）和稀有元素（13%）。生物炭和天然矿物粉碎后过0.85 mm筛备用。

共设置10 个处理，每个处理3 次重复，具体如表1 所示。按比例单独称取相应土壤调理剂、小麦秸秆和风干土，混匀后装盆，采用直径20 cm、高30 cm陶瓷盆承装土壤，每盆装风干土5 kg，N、P2O5、K2O 施用量分别为0.25、0.1、0.15 g/kg。氮肥分底肥40%、分蘖肥30%、穗肥30%施用，磷肥和钾肥全部作底肥施用。2020 年6 月23 日，选择长势良好且一致的秧苗进行移栽，每盆1穴水稻，供试水稻品种为晶两优1377。

表1 调理剂复配比值Tab.1 Proportion of conditioning agents

1.3 取样与测定方法

水稻移栽0、7、14、28、53 d 后（苗期—分蘖期）分别采集0～20 cm 土壤和根系附近水溶液样品。根系附近水溶液采用荷兰Rhizon 土壤水分取样器（19.21.25F）进行收集：水稻移栽时将水分取样器置于水稻秧苗根系附近，用针筒注射器进一步提取水分取样器中的水样。土壤样品用于分析还原性物质总量、活性还原性物质、Fe2+、Mn2+含量，根系附近水溶液用于分析Fe2+、Mn2+含量和pH值。

土壤还原性物质利用Al2（SO4）3浸提，还原性物质总量采用重铬酸钾氧化法测定，活性还原性物质含量采用高锰酸钾滴定法测定；Fe2+含量采用邻菲罗啉比色法测定；Mn2+含量采用高碘酸钾比色法测定[14]。根系附近水溶液用于分析Fe2+、Mn2+含量，均采用新加坡PerkinElmer 公司的PinAAcle 900T 石墨炉-火焰原子吸收光谱仪测定。

水稻成熟后，利用不锈钢剪刀对水稻进行齐地收割，分析有效穗、千粒质量、结实率、实粒质量、秸秆质量等指标。

1.4 数据处理

应用SPSS 17.0 进行单因素方差分析和LSD多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同调理剂对稻田土壤还原性物质的影响

由图1 可看出，在水稻移栽后0～53 d，CK 处理还原性物质总量在1.23～4.28 cmol/kg，并呈缓慢升高趋势；RS处理还原性物质总量在0.93～5.96 cmol/kg，平均含量比CK 提高1.18 cmol/kg。S5BⅠ5、S3BⅠ7、S0BⅠ10处理移栽后0～53 d 土壤还原性物质总量平均值分别比RS 降低0.17、0.20、0.13 cmol/kg，其中S0BⅠ10移栽后14 d 左右土壤还原性物质总量显著低于RS（P＜0.05）。说明玉米秸秆生物炭及其与天然矿物复配在水稻生长前期能显著抑制土壤还原性物质产生。烟草秸秆生物炭及其与天然矿物复配对土壤还原性物质总量的削减效果较差，在水稻苗期—分蘖期土壤还原性物质总量与RS 相比无显著差异。

图1 不同调理剂对稻田土壤还原性物质总量的影响Fig.1 Effect of different soil conditioning agents on the content of paddy soil total reducing substances

土壤活性还原性物质变化趋势如图2 所示，水稻移栽0～53 d 内CK 处理活性还原性物质呈现先升高再降低的变化趋势，介于0.56～2.44 cmol/kg；RS处理活性还原性物质平均含量比CK 提高1.83 cmol/kg，其中RS 处理在移栽7—28 d 显著高于CK。玉米秸秆生物炭、烟草秸秆生物炭及其与天然矿物复配均能够降低土壤活性还原性物质。水稻移栽后7～28 d 不同调理剂对活性还原性物质的抑制作用较显著。其中，S5BⅠ5、S3BⅠ7、S0BⅠ10处理活性还原性物质平均含量比RS处理降低0.23～0.60 cmol/kg，S5BⅠ5、S3BⅠ7对活性还原性物质的抑制效果优于其他处理。

图2 不同调理剂对稻田土壤活性还原性物质的影响Fig.2 Effect of different soil conditioning agents on the content of paddy soil active reducing substances

由图3 可知，土壤Fe2+含量在水稻移栽7 d 后快速升高，秸秆还田可提高土壤Fe2+增加幅度。RS 处理Fe2+平均含量比CK 提高194.22 mg/kg。但是S7B Ⅰ3、S3B Ⅰ7处理Fe2+平均含量分别为280.14、266.57 mg/kg，分 别 比RS 处 理 降 低98.84、110.41 mg/kg。其中，S3BⅠ7处理在水稻移栽后28、53 d 均显著低于RS处理。

图3 不同调理剂对稻田土壤Fe2+含量的影响Fig.3 Effect of different soil conditioning agents on the content of Fe2+in paddy soil

土壤Mn2+含量变化如图4所示，水稻移栽7 d后迅速提高，之后逐渐稳定在100 mg/kg 左右。整体上看，各处理之间土壤Mn2+含量差异不显著。

图4 不同调理剂对稻田土壤Mn2+含量的影响Fig.4 Effect of different soil conditioning agents on the content of Mn2+in paddy soil

对水稻移栽后0～53 d 后土壤还原性物质总量、活性还原性物质、Fe2+含量进行拟合发现，还原性物质总量和活性还原性物质含量符合抛物线方程，Fe2+含量适合线性方程，拟合方程见表2。由表2 可知，除CK 外，不同处理还原性物质总量在水稻移栽后30 d 左右达到峰值，其最大值介于5.30～6.89 cmol/kg。CK、RS 处理还原性物质总量峰值分别为4.58、6.32 cmol/kg，说明秸秆还田提高土壤还原性物质总量峰值；S3BⅠ7、S0BⅠ10处理有助于降低秸秆还田后土壤还原性物质总量，其还原性物质总量峰值低于6.00 cmol/kg；其余处理还原性物质峰值均高于6.10 cmol/kg。活性还原性物质除CK 外，各处理整体变化趋势与还原性物质总量变化类似，各处理活性还原性物质含量均在水稻移栽后30 d 左右达到峰值，其最大含量介于4.19～6.22 cmol/kg。其中，S5BⅠ5、S3BⅠ7、S0BⅠ10、S3BⅡ7处理活性还原性物质峰值约在5.00 cmol/kg，比RS处理降低约1 cmol/kg。

表2 不同处理稻田土壤还原性物质总量、活性还原性物质、Fe2+含量拟合方程Tab.2 Fitting equation for the content of paddy soil total reducing substances，active reducing substances and Fe2+in different treatments

水稻苗期—分蘖期土壤Fe2+含量符合线性方程，其斜率可以表征Fe2+变化的速率。CK、RS 处理线性方程斜率为8.19、18.96，说明秸秆还田提高了Fe2+产生速率。S3BⅠ7处理Fe2+斜率为12.87，比RS降低了6.09，说明该处理有助于抑制土壤Fe2+的产生。

2.2 不同调理剂对稻田土壤水溶液中铁锰含量的影响

由图5 可知，水稻移栽后0～53 d 土壤根系附近溶液Fe2+浓度整体较稳定，在100 μg/kg 左右波动。与RS 处理相比，玉米秸秆生物炭及其与天然矿物复配在水稻移栽后14～53 d 能够显著降低土壤溶液Fe2+含量，Fe2+降低量在29.78～54.60 μg/kg。除S3BⅡ7外，与RS 处理相比，烟草秸秆生物炭及其与天然矿物复配在水稻移栽后14～53 d 对土壤溶液Fe2+浓度降低幅度介于8.58～33.57 μg/kg，且在水稻移栽后53 d 时差异达到显著水平。以上表明，玉米秸秆生物炭与天然矿物复配对土壤还原性物质削减效果优于烟草秸秆生物炭与天然矿物复配。

图5 不同调理剂对稻田土壤水溶液Fe2+含量的影响Fig.5 Effect of different soil conditioning agents on the content of Fe2+in paddy soil solution

对于土壤溶液中Mn2+浓度（图6）而言，2种生物炭及其与天然矿物复配处理的Mn2+浓度总体上与RS 处理间无显著性差异。不同时期各处理Mn2+浓度差异较大，但无明显规律。

图6 不同调理剂对稻田土壤水溶液Mn2+含量的影响Fig.6 Effect of different soil conditioning agents on the content of Mn2+in paddy soil solution

土壤水溶液pH 值见表3，整体上随着水稻生长呈先增加再逐渐降低的趋势。不同时期，RS处理pH值均低于CK处理，其平均值比CK处理降低了0.24。不同复配调理剂处理土壤水溶液平均pH 值均高于RS处理，比RS提高了0.06～0.29，其中S3BⅠ7提高了0.10。说明供试调理剂有助于提高土壤缓冲能力。

表3 不同调理剂对稻田土壤溶液pH值的影响Tab.3 Effect of different soil conditioning agents on the pH in paddy soil solution

2.3 不同调理剂对水稻产量及其构成因素的影响

不同调理剂对水稻产量及构成因素的影响见表4。CK、RS处理有效穗数分别为26.5、19.7个/穴，RS 比CK 有效穗数降低了6.8 个/穴。S3BⅠ7处理比CK 有效穗数降低了2.8 个/穴，但是比RS 有效穗数显著提高了4.0个/穴。说明玉米秸秆生物炭与天然矿物复配后能够提高水稻有效穗数。烟草秸秆生物炭及其与天然矿物复配后水稻有效穗数与RS 相近。各处理千粒质量均在20 g 左右，处理间无显著差异。RS、S0BⅡ10处理水稻结实率分别为91.7%、87.6%，高于其他处理；CK 结实率最低，仅为78.5%；其他处理水稻结实率均在80%左右。实粒质量和秸秆质量可以反映地上部干物质量，S5BⅠ5、S3BⅠ7实粒质量分别为64.2、64.4 g/穴，分别比RS 提高了12.2、12.4 g/穴，分别比CK 提高了6.6、6.8 g/穴。CK处理秸秆质量最高，达到51.5 g/穴，RS 处理秸秆质量最低，为34.4 g/穴。相比RS，2种生物炭及其与天然矿物复配后均提高秸秆质量。其中，S3BⅠ7秸秆质量显著高于RS，比RS处理提高了14.1 g/穴。

表4 不同调理剂对水稻产量及构成因素的影响Tab.4 Effect of different soil conditioning agents on rice yield and composition

2.4 水稻产量构成因素和土壤还原性物质主成分分析

对水稻产量构成因素和土壤还原性物质的主成分分析（PCA）见图7，RS、S5BⅡ5处理在水稻移栽后7～28 d 还原性物质总量、活性还原性物质、Fe2+含量较高，虽然水稻结实率较高，但是有效穗数偏低，最终限制水稻产量。S7BⅠ3、S5BⅠ5到作物产量构成因素和7～28 d 还原性物质的垂直距离接近，说明其对土壤还原性物质降低和作物增产均有一定效果。S7BⅡ3、S0BⅡ10、S3BⅡ7、S0BⅠ10处理在水稻苗期和盛蘖期还原性物质总量和活性还原性物质较高，限制水稻有效穗数、千粒质量，最终导致水稻产量下降。S3BⅠ7、CK 各时期还原性物质含量较低，有助于有效穗数增加和产量提升。

图7 水稻产量构成因素与不同时期土壤还原性物质的PCA分析Fig.7 The PCA analysis of rice yield components and soil reducing substances in different periods

3 结论与讨论

在淹水条件下，秸秆腐解需消耗大量化学氧来维持腐解过程，水体耗氧量增加。因此，相比秸秆不还田，秸秆还田后稻田水体化学耗氧量会提高1～3 倍[15]。此外，淹水条件下土壤通透性变差，秸秆腐解产生的有机酸降低了土壤pH 值，进而影响土壤中Fe2+、Mn2+和氢氧化物等的溶解度和微生物分解有机质的效率[16]。伴随着土壤中的氧化性有机酸大量转化为还原性有机酸[17]，土壤还原性物质显著提高[18]。本研究结果表明，秸秆还田条件下，水稻移栽后0～53 d 土壤还原性物质总量和活性还原性物质呈向下开口抛物线变化；土壤Fe2+含量呈线性逐渐增加趋势。这可能是由于水稻移栽后0～10、10～30 d 秸秆处于快速、中速腐解期，对土壤化学氧消耗较多；水稻移栽30 d 后，秸秆处于缓慢腐解期，腐解速率下降，对土壤化学氧消耗量降低[19]。因此，秸秆腐解过程是影响稻田土壤氧化还原状况的重要因素。

生物炭呈碱性且具有较强吸附性能，一方面降低交换性氢离子（H+）和交换性铝离子（Al3+）含量，提高土壤pH 值[20]；另一方面直接与Fe2+形成结合物，降低Fe2+浓度[21]，并通过间接增强土壤微生物活性和产氧量，促进Fe2+的氧化[22]。已有研究表明，供试天然矿物呈较强碱性，具有提高土壤pH 值、改善土壤微生物活性等作用[11，23]。本研究中，与RS 处理相比，玉米秸秆生物炭及其复配天然矿物在水稻移栽后14～53 d 均能够显著降低土壤溶液Fe2+含量，Fe2+降低量在29.78～54.60 μg/kg。水稻移栽后0～53 d中，S3BⅠ7处理还原性物质总量、活性还原性物质平均值分别比RS降低0.20、0.60 cmol/kg，Fe2+的变化速率比RS 降低6.09。同时，S3BⅠ7处理土壤孔隙水平均pH 值比RS 处理提高了0.10。总体来看，生物炭复配天然矿物能够有效降低土壤还原性物质总量、活性还原性物质含量及Fe2+的增加速率，其中玉米秸秆生物炭及其复配天然矿物效果更显著。

施用生物炭复配天然矿物通过降低土壤还原性物质的含量，能促进水稻对养分的吸收与利用，最终通过提高水稻产量构成因素成穗数、结实率、千粒质量，使水稻明显增产[24]。本研究中，与RS 处理相比，玉米秸秆生物炭复配天然矿物略微增加了水稻有效穗数、实粒质量、秸秆质量。其中，S3BⅠ7处理提升效果明显。S7BⅡ3、S0BⅡ10、S3BⅡ7处理在水稻苗期和盛蘖期还原性物质总量和活性还原性物质较高，这可能是因为低于400 ℃时生产的生物炭具有较低的pH 值、CEC（土壤阳离子交换总量）[25]。由于水稻生长极易受到Fe2+浓度的影响，本研究中，施用生物炭复配天然矿物显著降低了土壤活性还原性物质和土壤Fe2+含量，利于水稻生长，增加作物产量。

综合来看，秸秆还田会提高水稻生长发育前期土壤还原性物质总量、活性还原性物质含量，加快Fe2+的增加。施用由玉米秸秆、烟草秸秆碳化后的生物质炭与天然矿物按不同水平复配的土壤调理剂可以有效抑制土壤还原性物质和Fe2+增加速率，改善土壤溶液酸碱度，通过增加有效穗数从而提高作物产量，其中玉米秸秆生物炭效果优于烟草秸秆生物炭。综合考虑认为，S3BⅠ7处理为本研究筛选出的降低土壤还原性物质、促进作物生长的最佳配方。