稻壳生物炭作为植物硅的可持续来源：一项为期3年的研究

《Field Crops Research》：Rice husk biochar as a sustainable source of plant silicon: A 3-year study

水稻砷污染与硅营养调控机制研究。通过三年田间试验，比较未处理稻壳、稻壳生物炭和灰烬对水稻硅/砷循环及甲烷排放的影响。结果表明生物炭可持续提高稻株硅含量达23.6%，同时降低砷吸收系数0.08 mg g?1，抑制甲烷排放量34.7%，其效果可维持至第三年。稻壳因释放活性碳加剧土壤还原环境，导致孔隙水砷浓度升高1.8倍，而灰烬因硅晶体化失效。

　　水稻是主要粮食作物中唯一能够大量积累硅（Si）的作物，并且其种植通常在淹水条件下进行。硅对水稻具有重要的保护作用，可以增强其抵御生物和非生物胁迫的能力。然而，水稻残留物（如稻壳和稻秆）中所含的易溶性碳可能加剧土壤的还原性环境，从而增加砷（As）的可利用性并促进甲烷（CH?）的排放。因此，如何在不破坏土壤还原性条件的前提下，有效利用硅丰富的稻壳资源成为了一个值得探讨的问题。

在本研究中，科学家们对三种稻壳处理方式进行了比较分析：未经处理的稻壳、稻壳生物炭以及高温处理后的稻壳灰。这些处理方式分别被添加到水稻田土壤中，以评估它们对水稻硅含量、砷浓度以及甲烷排放的影响。实验采用的是为期三年的田间研究，旨在观察这些处理方式在不同时间点的效果，并判断其可持续性。

实验结果显示，这些处理方式对土壤和水稻的影响随着时间的推移而减弱，但通常在两年内仍保持显著效果。其中，稻壳生物炭表现最为突出，它不仅提高了稻米的产量，还降低了植株中的砷浓度。然而，其对稻米砷浓度的影响并不显著。相比之下，未经处理的稻壳虽然能够提供较多的硅，但同时也增加了土壤中砷的浓度和甲烷的排放量。而稻壳灰则未能有效提供硅，这可能是由于高温处理导致硅发生晶化，从而降低了其溶解性。

硅的积累对水稻的生长和品质具有双重影响。一方面，硅可以提高水稻的产量，另一方面，它还能改善稻米的品质，减少砷的吸收。这主要是因为硅和砷在化学性质上具有一定的相似性，特别是在稻田土壤的中性pH条件下，硅和砷都能通过水稻根部的硅转运蛋白被吸收。然而，在还原性条件下，砷更容易被转化为更具移动性的形式，如砷（III），从而增加其在植物体内的积累。此外，土壤中的微生物还能将砷（III）甲基化，形成如单甲基砷酸（MMA）和二甲基砷酸（DMA）等化合物，这些化合物同样会与硅竞争根部的吸收位点。

水稻根部周围的铁氧化物（如赤铁矿）能够有效吸附砷，降低其在土壤中的可利用性。然而，在淹水条件下，铁氧化物会发生还原溶解，释放出吸附的砷。这种情况下，硅的存在可以减缓铁氧化物的转化过程，从而维持其对砷的吸附能力。因此，硅的供应不仅能够提高水稻的产量，还可能减少砷的吸收，进而改善稻米的安全性。

尽管硅肥在农业生产中已有应用，但将硅丰富的水稻残留物重新投入农田被认为是一种更加可持续的方法。稻壳和稻秆中富含硅，这些残留物在收割时通常被移除，而非直接还田。这种做法可能会加剧硅的缺乏，影响水稻的正常生长。因此，对稻壳进行热处理，以提高其硅的可用性，同时减少易溶性碳的释放，成为了一种可能的解决方案。

稻壳的热处理方式多种多样，包括在有氧和无氧条件下的燃烧，从而产生不同类型的稻壳产物，如生物炭、炭黑和灰烬。这些产物在提高土壤硅含量的同时，也可能对土壤的化学性质产生影响。例如，高温处理可以减少易溶性碳的含量，从而降低土壤的还原性，减少砷的释放和甲烷的排放。然而，高温处理也可能导致硅发生晶化，降低其在土壤中的溶解度，进而影响其对水稻的供给能力。

因此，选择合适的热处理方式对于确保硅的有效供给至关重要。研究发现，稻壳生物炭在提高水稻硅含量的同时，能够有效减少砷的吸收和甲烷的排放。这表明，稻壳生物炭可能是一种理想的土壤改良材料。相比之下，稻壳灰由于硅的晶化，未能有效提供硅，而直接使用稻壳则可能因为其含有的易溶性碳而加剧土壤的还原性，增加砷的释放和甲烷的排放。

此外，研究还指出，稻壳生物炭的使用不仅能够改善土壤的化学性质，还可能对土壤的生物地球化学循环产生积极影响。例如，生物炭的添加可以增加土壤中的硅含量，同时减少砷的释放，这在水稻种植区域中具有重要的意义。这些区域通常具有较高的砷背景值，因此，通过改善土壤的硅供应，可以有效降低砷的生物有效性，从而减少其对水稻的毒害作用。

综上所述，稻壳的热处理方式对于其在水稻田中的应用具有重要的影响。稻壳生物炭因其在提高硅含量、减少砷吸收和降低甲烷排放方面的综合优势，被认为是一种更加可持续的土壤改良材料。然而，具体的热处理条件和方法仍需进一步研究，以确保其在不同土壤类型和环境条件下的适用性。同时，还需要关注热处理过程中可能产生的其他副产物及其对土壤和植物的影响，以全面评估稻壳生物炭的生态效益。