陶思敏 娄运生 邢钰媛 王坤 刘健 苏磊 汤丽玲

摘要：夜间增温幅度大于白天是气候变暖的显著特征之一。为探明夜间增温下施用生物炭和硅肥对稻田土壤有机质、氮磷钾养分状况的影响，进行田间模拟试验。田间模拟试验于2019年在南京信息工程大学农业气象试验站进行。供试土壤为潴育型水稻土，供试水稻品种为南粳5055。田间试验采用3因素3水平正交试验设计，夜间增温设3个水平（常温对照、5 mm铝箔膜覆盖、11 mm铝箔膜覆盖），生物炭设3个水平（不施加、施7.5 t/hm2、施17.5 t/hm2），硅肥设3个水平（不施加、施200 kg/hm2钢渣粉、施200 kg/hm2矿粉）。结果表明，夜间增温会降低稻田土壤平均有机质、速效钾含量及非根际土铵态氮含量，提高土壤有效磷含量;施生物炭和硅肥可整体上缓解夜间增温对土壤养分含量的不利影响，有利于保持稻田土壤养分肥力和水稻可持续生产。

关键词：夜间增温;生物炭;硅肥;土壤养分;稻田

中图分类号： S511.06;S153.6  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）15-0198-09

收稿日期：2020-11-21

基金项目：中国地质调查局地质调查项目（编号：DD20190305）;国家自然科学基金（编号：41875177、41375159）。

作者简介：陶思敏（1995—），女，山东泰安人，硕士研究生，主要从事农业气象研究。E-mail：taosimin1212@163.com。

通信作者：娄运生，博士，教授，主要从事生态环境气象、全球变化生态学研究，E-mail：yunshlou@163.com;苏 磊，硕士，工程师，主要从事地球化学研究，E-mail：sulei@mail.cgs.gov.cn。

气候变暖是全球气候变化的主要特征之一。过去130年，全球地表平均温度已经上升了 0.85 ℃[1]。气候变暖存在显著的昼夜不对称性，即夜间增温幅度大于白天[2]。增温对植物地上部的影响，已有较多研究[3]。夜間增温抑制水稻光合特性，降低蒸腾速率和气孔导度，显著降低叶片净光合速率。夜间增温导致低纬度地区水稻分蘖数减少，生育期缩短，有效穗数和穗粒数减少，籽粒产量下降[4-8]。但是，有关增温对土壤养分变化有何影响关注较少。

生物炭具有多孔性、强吸附性和高度难降解性。生物炭可增加稻田土壤的比表面积[9-10]，增强持水保肥性[11-12]，改善土壤酸碱性[13]，促进养分吸收[14]，减少温室气体排放[15]，对水稻生长指标，如株高、有效分蘖数、叶面积指数、千粒质量等均有促进作用[16-19]。

硅是地壳中含量最丰富的元素之一，也是对水稻生长发育有重要作用的元素[20]。水稻是典型的喜硅作物，而土壤供给是水稻所需硅素的主要来源[21-23]。研究表明，硅可以提高水稻茎秆抗倒伏能力[24]，增强水稻抗旱性[25]，促进水稻的生长发育[26]，增强水稻抗病虫害能力[27]。施硅可以提高叶面积指数、穗数、结实率、千粒质量[28]。施用硅肥可以提高有效磷和有效硅含量，促进土壤团粒结构的形成[29]。施硅是保持土壤养分均衡、实现水稻高产的重要措施[30]。

目前有关增温、生物炭或施硅单因素或双因素对土壤养分的影响已有相关研究[31-33]，但3个因素对稻田土壤养分的耦合影响，尚缺少研究。因此，本研究通过田间试验，探讨夜间增温下施加生物炭和硅肥对稻田土壤养分的影响，以期为应对气候变化背景下水稻可持续生产及稻田土壤养分肥力变化，为深入开展气候变化对农田地上、地下生态系统的影响研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验在南京信息工程大学农业气象试验站（32.0°N，118.8°E）进行，时间为2019年5—10月。该站地处亚热带湿润气候区，雨热同季，年均降水量>1 000 mm，年均气温为15.6 ℃。供试土壤为潴育型水稻土，灰马肝土属，土壤质地为壤质黏土，全碳、全氮、黏粒含量分别为19.40、1.45、26.10 g/kg，pH值为 6.2，土水比为1 g ∶1 mL。供试生物炭为稻壳生物炭（天津亚德尔生物质科技股份有限公司），含碳量约为50%，pH值为 10.18，土水比为1 g ∶10 mL。供试硅肥为钢渣粉、矿粉，钢渣粉pH值为 8.09，矿粉pH 值为9.22，土水比为1 g ∶10 mL。供试水稻品种为南粳5055，育苗时间为2019年5月10日，移栽时间为2019年6月14日。

1.2 正交试验设计

采用3因素3水平正交试验设计，3个因素为夜间增温（W）、施生物炭（B）、施硅（Si）。夜间增温设3水平，即W0（常温对照）、W1（5 mm铝箔膜覆盖）、 W2（11 mm铝箔膜覆盖）。生物炭设3个水平，即B0（不添加）、B1（施入7.5 t/hm2）、B2（施入17.5 t/hm2）。移栽前称取生物炭3、7 kg各3份，在翻耕农田时使生物炭与土壤均匀混合。硅肥设3个水平，即 Si0（不施硅）、Si1（施钢渣）和、Si2（施矿粉），钢渣粉和矿粉施用量均为200 kg/hm2。移栽前称取钢渣硅肥634 g、矿粉硅肥278 g各3份，在翻耕农田时播撒。每个小区施高浓度复合肥（N、P2O5、K2O含量均为15%）315 g作为基肥。采用被动增温法模拟夜间增温，在小区四周架设不锈钢架，夜间（19：00至翌日06：00）将铝箔反光膜置于钢架上方，覆盖水稻冠层，根据水稻生长进程调整铝箔膜高度，使铝箔膜与水稻冠层间距始终保持在0.3 m左右。为防止铝箔膜覆盖影响降水接纳及增温设施被大风破坏，在雨雪天及风速大于10 m/s时不覆盖铝箔膜。小区面积为2×2=4 m2，共9个小区。

采用根袋法区分水稻根际土和非根际土。在水稻移栽时每个小区选4株长势良好的水稻幼苗分别移入根袋植于田间，于水稻关键生育期（拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期）各采集1株根袋中的水稻，根袋内土样即为根际土，同时采集根袋外土样即为非根际土。将采集的土样装入塑料自封袋带回实验室，挑去植物根系残体、枯枝落叶和石块，之后将土样自然风干，磨碎过筛，置于塑料自封袋保存备用。

1.3 测定分析方法

土壤铵态氮含量采用靛酚蓝比色法测定;硝态氮含量采用紫外分光光度法测定;有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用醋酸铵提取-火焰光度法测定;有机质含量采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定[34-36]。

1.4 数据处理

数据汇总和极差分析使用Microsoft Excel 2019软件，图表绘制使用Origin 8.0软件，单因素方差分析使用SPSS 26.0软件。

2 结果与分析

2.1 根际土养分变化

2.1.1 铵态氮含量变化

由图1可知，各处理根际土铵态氮含量全生育期变化趋势大体表现为上升趋势，其中，除W1B1Si2和W1B2Si0处理外，铵态氮含量均在灌浆期达最大值，各处理全生育期铵态氮含量平均值以W1B2Si0处理最低，W0B1Si1处理最高。

2.1.2 硝态氮含量变化

由图1可知，各处理根际土硝态氮含量的变化大体表现为升—降—升趋势，在开花期明显下降，灌浆期有略微回升。各处理根际土硝态氮平均含量在孕穗期达到最大值，约为32.4 mg/kg;平均含量最小值出现在开花期，约为24.8 mg/kg。全生育期硝态氮含量平均值呈现W2B0Si2处理平均值最低，而W1B2Si0处理平均值最高。

2.1.3 有效磷含量变化

由图1可知，各处理根际土有效磷含量全生育期变化趋势较平缓，灌浆期有下降趋势。W2B0Si2和W0B1Si1处理的根际土有效磷含量在拔节期达最大值，W0B0Si0、W1B2Si0和W2B1Si0处理在孕穗期达到最大值，其他处理在开花期达最大值;各处理的有效磷平均含量在灌浆期达最小值。全生育期有效磷含量平均值呈现W0B0Si0处理平均值最低，W2B0Si2处理平均值最高。

2.1.4 速效钾含量变化

由图1可知，各处理根际土速效钾含量的变化表现为先升后降的趋势，在开花期明显上升，灌浆期下降。除W0B0Si0和W2B0Si2处理外，各处理速效钾含量在开花期达最大值，全生育期W2B2Si1处理速效钾含量平均值最低，W0B1Si1處理平均值最高。

2.1.5 有机质含量变化

由图1可知，各处理根际土有机质含量变化表现为先升后降的趋势，在开花期明显上升，灌浆期有下降趋势。各处理有机质含量均在开花期达最大值;除W0B2Si2和W1B2Si0处理外，各处理下有机质含量最小值均出现在灌浆期。全生育期平均值呈现W0B0Si0处理平均值最低，W0B1Si1处理平均值最高。

2.2 非根际土养分变化

2.2.1 铵态氮含量变化

由图2可知，各处理非根际土铵态氮含量全生育期变化趋势表现为先降后升的趋势。其中W0和W1处理在灌浆期达最大值，W2处理在开花期达最大值。各处理在全生育期铵态氮含量平均值以W0B0Si0处理最低，W0B2Si2处理最高。

2.2.2 硝态氮含量变化

由图2可知，各处理非根际土硝态氮含量变化表现为升—降—升趋势，在开花期明显下降，灌浆期略微回升。除W0B2Si2处理外，各处理非根际土硝态氮含量均在孕穗期达到最大值。全生育期硝态氮含量平均值呈现W2B1Si0处理最低，而W1B1Si2处理最高。

2.2.3 有效磷含量变化

由图2可知，各处理非根际土有效磷含量全生育期变化趋势较平缓，开花期有轻微上升趋势。除W0B0Si0和W2B2Si1处理外，各处理非根际土有效磷含量在开花期达最大值。全生育期有效磷含量平均值呈现W0B2Si2处理最低，W2B0Si2处理最高。

2.2.4 速效钾含量变化

由图2可知，各处理非根际土速效钾含量变化大体表现为先升后降趋势，在开花期明显上升，灌浆期下降。各处理非根际土速效钾含量均在发育后期（开花期和灌浆期）达最大值，最小值均出现在拔节期。全生育期平均值呈现W2B0Si2处理平均值最低，W0B1Si1处理平均值最高。

2.2.5 有机质含量变化

由图2可知，各处理非根际土有机质含量变化表现为先升后降趋势，在灌浆期明显下降。有机质含量最小值出现在灌浆期。全生育期速效钾含量平均值呈现W2B0Si2处理最低，W1B2Si0处理最高。

2.3 土壤养分含量极差和显著性分析

2.3.1 铵态氮含量分析

由表1、图3可知，3因素对铵态氮含量的影响程度不同。对于根际土，3因素影响程度表现为夜间增温>生物炭>硅肥。其中 5 mm 铝箔膜覆盖（W1）会降低根际土铵态氮含量;与W1处理相比，11 mm铝箔膜覆盖（W2）会增加根际土铵态氮含量，但仍低于W0处理下铵态氮含量;施入 7.5 t/hm2 生物炭（B1）会提高铵态氮含量，而施用 17.5 t/hm2 生物炭（B2）则有抑制作用;随施硅增加，根际土铵态氮含量升高，不同水平的硅肥对根际土铵态氮含量均有提升作用。根际土铵态氮含量达到最高的最佳因素组合为W0B1Si2。由表1可知，夜间增温对根际土铵态氮含量的影响达到显著水平（P<0.05），而施生物炭和硅肥均无显著影响（P>0.05）。对于非根际土，3因素的影响程度表现为生物炭>硅肥>夜间增温。其中夜间增温会降低非根际土铵态氮的含量，具有抑制作用;提高生物炭和硅肥施用量，均对非根际土的铵态氮含量起促进作用。非根际土铵态氮含量达到最高的最佳因素组合为W0B2Si2。根据方差分析结果可知，夜间增温、施生物炭和硅肥对非根际土铵态氮均无显著影响（P>0.05）。

2.3.2 硝态氮含量分析

由表2、图4可知，3因素对硝态氮含量的影响程度不同。对于根际土，3因素的影响程度表现为夜间增温>硅肥>生物炭。其中 5 mm 铝箔膜覆盖（W1）可以提升根际土硝态氮的含量，而11 mm铝箔膜覆盖（W2）会降低根际土硝态氮含量;随着生物炭施加量的增加，根际土硝态氮含量不断升高，不同水平的生物炭对根际土硝态氮含量均有提升作用;对于硅肥，施入200 kg/hm2钢渣粉（Si1）会降低硝态氮含量;与Si1处理相比，施入 200 kg/hm2 矿粉（Si2）则对根际土硝态氮含量有轻微提升作用，但仍低于Si0处理。根际土硝态氮含量达到最高的最佳因素组合为W1B2Si1。根据方差分析结果可知，夜间增温和施硅肥对根际土硝态氮含量的影响达到显著水平（P<0.05），而施生物炭则无显著影响（P>0.05）。

对于非根际土，3因素的影响程度表现为夜间增温>硅肥>生物炭。其中5 mm铝箔膜覆盖（W1）可以提升非根际土硝态氮的含量，然而，11 mm  铝箔膜覆盖（W2） 会降低非根际土硝态氮含量;随着生物炭施加量的增加，非根际土硝态氮含量不断升高，不同水平的生物炭对非根际土硝态氮含量均有提升作用;对于硅肥，施入200 kg/hm2钢渣粉（Si1）会略微降低硝态氮含量，而施入200 kg/hm2矿粉（Si2）则会提升非根际土硝态氮含量。非根际土硝态氮含量达到最高的最佳因素组合为W1B2Si2。根据方差分析结果可知，夜间增温对非根际土硝态氮含量的影响达到显著水平（P<0.05），而施生物炭和硅肥均无显著影响（P>0.05）。

2.3.3 有效磷含量分析

由表3、图5可知，3因素对有效磷含量的影响程度不同。对于根际土，3因素的影响程度表现为夜间增温>生物炭>硅肥。其中 5 mm 铝箔膜覆盖（W1）可以提升根际土有效磷的含量，与W1相比，11 mm铝箔膜覆盖（W2）会降低根际土有效磷含量，但相较于W0仍有很大提升;随着生物炭施用量的增加，对根际土有效磷含量的抑制作用逐渐增强;对于硅肥，施入200 kg/hm2钢渣粉（Si1）对根际土有效磷含量有提升作用，施用 200 kg/hm2 矿粉（Si2）较Si1处理有进一步的提升效果。根际土有效磷含量达到最高的最佳因素组合为W1B0Si2。根据方差分析结果可知，夜间增温对根际土有效磷含量的影响达到显著水平（P<0.05），而施生物炭和硅肥均无显著影响（P>0.05）。

对于非根际土，3因素的影响程度表现为夜间增温>生物炭>硅肥。其中5 mm铝箔膜覆盖（W1）和11 mm铝箔膜覆盖（W2）均可以提升非根际土有效磷的含量;随着生物炭施加量的增加，非根际土有效磷含量不断降低，不同水平的生物炭对非根际土有效磷含量均有抑制作用;对于硅肥，施入200 kg/hm2钢渣粉（Si1）会降低有效磷含量，相比于Si1处理，施入200 kg/hm2矿粉（Si2）对有效磷含量起到轻微提升作用，但仍低于Si0处理。非根际土有效磷含量达到最高的最佳因素组合为W2B0Si0。根据方差分析结果可知，夜间增温对非根际土有效磷含量的影响达到显著水平（P<0.05），而施生物炭和硅肥均无显著影响（P>0.05）。

2.3.4 速效钾含量分析

由表4、图6可知，3因素对速效钾含量的影响程度不同。对于根际土，3因素的影响程度表现为生物炭>夜间增温>硅肥。其中 5 mm 铝箔膜覆盖（W1）和11 mm铝箔膜覆盖（W2）均可以抑制根际土速效钾的含量;对于生物炭，施入7.5（B1）、17.5 t/hm2（B2）均会降低根际土速效钾含量;施入200 kg/hm2钢渣粉（Si1）会提升速效钾含量，与Si1处理相比，施入200 kg/hm2矿粉（Si2）则对根际土速效钾含量有轻微抑制作用，仍然高于Si0处理。根际土速效钾含量达到最高的最佳因素组合为W0B0Si1。根据方差分析结果可知，夜间增温、施生物炭和硅肥均对根际土速效钾含量无显著影响（P>0.05）。

对于非根际土，3因素的影响程度表现为夜间增温>硅肥>生物炭。其中夜间增温会降低非根际土速效钾的含量，具有抑制作用;随着生物炭施加量的增加，非根际土速效钾含量不断升高，不同水平的生物炭对速效钾含量均有提升作用;对于硅肥，施入200 kg/hm2钢渣粉（Si1）会提升非根际土速效钾含量，与Si1处理相比，施入200 kg/hm2矿粉（Si2）则对速效钾含量有明显抑制作用，但Si2处理仍略微高于Si0处理。非根际土速效钾含量达到最高的最佳因素组合为W0B2Si1。根据方差分析结果可知，夜间增温和施硅肥对非根际土速效钾含量的影响达到显著水平（P<0.05），而施生物炭则无显著影响（P>0.05）。

2.3.5 有机质含量分析

由表5、图7可知，3因素对有机质含量的影响程度不同。对于根际土，3因素的影响程度表现为生物炭>硅肥>夜间增温。其中 5 mm 铝箔膜覆盖（W1）和11 mm铝箔膜覆盖（W2）均可以抑制根际土有机质的含量;对于生物炭，施入 7.5 t/hm2（B1）会提升有机质含量，与B1处理相比，施入17.5 t/hm2（B2）对根际土有机质含量有轻微抑制作用，但仍远高于B0处理;对于硅肥，施入200 kg/hm2钢渣粉（Si1）和200 kg/hm2矿粉（Si2）均会提升根际土有机质含量。根际土有机质含量达到最高的最佳因素组合为W0B1Si2。根据方差分析结果可知，夜间增温、施生物炭和硅肥对根际土有机质含量的影响均达到显著水平（P<0.05），其中施生物炭达到极显著水平（P<0.01）。

对于非根际土，3因素的影响程度表现为生物炭>夜间增温>硅肥。其中5 mm铝箔膜覆盖（W1）可以提升非根际土有机质的含量，然而，11 mm 铝箔膜覆盖（W2）会降低非根际土有机质含量;对于生物炭，随着施用量的增加，均对非根际土的有机质含量起促进作用;对于硅肥，与Si0处理相比， Si1处理会略微抑制非根际土有机质含量， 而与Si1处理相比，Si2处理会对有机质含量起提升作用，且Si2处理高于Si0处理。非根际土有机质含量达到最高的最佳因素组合为W1B2Si2。根据方差分析结果可知，夜间增温和施硅肥对非根际土有机质含量均无显著影响（P>0.05），施生物炭对非根际土有机质含量的影响达到显著水平（P<0.05）。

3 讨论与结论

土壤养分含量是表征土壤理化性质的关键指标[37-38]。夜间增温、施生物炭和施硅肥直接或间接影响土壤养分含量，进而影响水稻生长发育和產量形成。土壤铵态氮、硝态氮、有效磷、速效钾和有机质含量是表征土壤养分的典型参数，可反映土壤养分含量状况[39]。

土壤养分对温度变化较为敏感。水稻表现为喜铵性，在5 mm铝箔膜覆盖增温下，可以促进植物对铵态氮的吸收，从而降低土壤铵态氮含量;而在11 mm铝箔膜覆盖情况下，水稻根系对根际土铵态氮的吸收可能受抑制，根际土铵态氮含量较高。5 mm 铝箔膜覆盖增温可能有利于土壤氮转化，促进硝化作用，硝态氮含量增加;硝态氮不易被土壤胶体吸附，随夜间增温作用增强（11 mm铝箔膜覆盖），在土壤中的移动性增强造成流失，高温下发生一定程度的分解，因此，随夜间增温水平提高，硝态氮含量呈先升后降趋势。对于有效磷，夜间增温导致土壤磷的矿化速率升高，生成更多有效磷，然后磷的矿化速率趋于平稳，有效磷的含量呈现先增长后基本稳定的趋势。夜间增温可能增强土壤微生物活性，促进有机质分解，11 mm铝箔膜覆盖下有机质含量明显降低。

施用生物炭B1处理可不同程度地提高土壤铵态氮、硝态氮和有机质含量。原因可能在于，生物炭对NH3和NH+4具有较强吸附作用，减少氨挥发等氮损失。生物炭可提高土壤原有机碳的稳定性，减少土壤有机碳矿化量，使土壤有机碳含量增加。施用生物炭降低土壤有效磷含量，可能在于施加生物炭可调节土壤酸碱度，对土壤磷吸附性增强，使有效磷含量降低。生物炭孔隙结构为土壤微生物提供了良好的栖息环境，增加了养分有效性，促进水稻对磷的吸收，土壤有效磷含量呈下降或先下降后基本稳定的趋势。

施硅可使土壤中铵态氮含量和有机质含量基本不变或逐步上升，原因可能是硅肥有效保留了土壤中的氮元素，可以缓解土壤氮流失现象;施硅会直接为土壤引入有机碳源，一定程度上直接增加了土壤的有机质含量。施硅Si1处理会降低非根际土有效磷含量，原因可能在于，施硅促进了植物对磷的吸收利用，提高了土壤磷有效性，土壤有效磷含量下降。随硅肥的施用，土壤中速效钾含量呈先升后降的趋势，其中下降的原因可能是硅肥直接为土壤引入了活性有机物质，可以作为土壤微生物的养分，增加土壤微生物数量，加速水稻对钾的吸收进程，导致土壤中速效钾含量降低。

夜间增温会降低水稻关键生育期土壤速效钾、有机质含量及非根际土铵态氮的平均含量，提高非根际土有效磷含量，11 mm铝箔膜覆盖下硝态氮含量明显降低。夜间增温对铵态氮、硝态氮、有效磷、速效钾和有机质含量影响均达显著水平。施生物炭和硅肥可改善土壤养分状况，缓解夜间增温对土壤养分含量的不利影响。未来可进一步探讨夜间增温下施生物炭和硅肥对水稻土中各类酶活性、微生物多样性的影响。

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