田间老化生物炭对高水分胁迫地区喷灌水稻系统中苄嘧磺隆环境行为的影响

《Frontiers in Agronomy》：Field-aging biochar influence on bensulfuron-methyl behavior in rice under sprinkler irrigation in high water stress regions

　　

水稻种植中苄嘧磺隆（bensulfuron-methyl, BM）的大量使用，加上其对水生生物的高毒性及在水体中的频繁检出，引发了显著的环境担忧。本研究在半干旱地中海条件下，评估了新鲜和老化的生物炭对BM在不同灌溉（淹水和喷灌）和耕作（常规耕作和免耕）制度下水稻种植中的吸附–解吸、消散和淋溶的影响。开展了一项为期两年的田间试验，比较了以下处理：常规耕作下的长期淹水灌溉（PFT）、常规耕作下的喷灌（ST）、免耕下的喷灌（S0T），以及每种处理分别添加圣栎修剪生物炭（PFT-BHO、ST-BHO和S0T-BHO）。随后利用从这些田间处理中采集的土壤，在实验室条件下评估了BM的吸附–解吸、消散和淋溶。在所有三种改良处理中，生物炭仅在第一年施用，从而可以评估其在第一年以及第二年（生物炭在田间条件下老化后）的效果。与传统的淹水系统相比，喷灌降低了BM的吸附能力并增加了其持久性。因此，喷灌管理的实施增加了BM的持久性，将其半衰期延长至68天，而淹水条件下约为30天，这可能有利于田间条件下的杂草防除。生物炭通过提高土壤pH持续降低了BM的吸附并增强了解吸，尽管这种效应在第二年较弱。此外，BHO在第一年和第二年均降低了BM的持久性，这与土壤脱氢酶活性的增加有关。此外，BHO的添加减少了BM的淋溶损失，而淋溶损失在喷灌管理下更高。因此，使用BHO可能是减少水稻作物水资源中BM污染的有效策略，特别是在喷灌等节水管理措施下，然而这一假设需要在田间条件下加以证实。

气候变化对农业系统构成严重威胁，水稻（*Oryza sativa* L.）作为全球重要口粮，其生产在传统淹水灌溉和常规耕作下面临水资源短缺和可持续性挑战。地中海地区如西班牙、意大利等欧洲主要水稻生产国，水资源稀缺问题尤为突出，亟需发展节水灌溉如喷灌，并配套免耕和有机改良剂施用。然而，农艺措施会改变土壤性质，进而影响除草剂的环境行为。苄嘧磺隆（bensulfuron-methyl, BM）是稻田广泛使用的磺酰脲类除草剂，对水生生物高毒，且在水中频繁检出。已有研究缺乏关于不同灌溉和耕作制度下BM归趋的系统评估，特别是生物炭田间老化对其影响的研究更少。为此，研究人员开展两年田间试验，评估新鲜和田间老化圣栎修剪生物炭（holm-oak pruning biochar, BHO）对BM在淹水/喷灌、常规耕作/免耕制度下吸附-解吸、消散和淋溶的影响，以探索减少BM环境污染的可持续策略。

研究于2018—2019年在西班牙西南部巴达霍斯省（Badajoz）的稻田进行，属半干旱地中海气候。共设六个处理：永久淹水灌溉+常规耕作（PFT）、喷灌+常规耕作（ST）、喷灌+免耕（S0T），以及各自第一年添加BHO的处理（PFT-BHO、ST-BHO、S0T-BHO）。生物炭仅第一年施用，第二年即为田间老化。实验室利用采集的土壤样品进行批量平衡吸附-解吸实验、需氧/厌氧培养消散实验和PVC土柱淋溶实验，并用高效液相色谱（HPLC）测定BM浓度。数据采用方差分析和相关性分析。

**吸附-解吸实验**

所有处理中，BM吸附等温线均符合Freundlich方程，且为非线性的L型。未改良土壤中，淹水处理（PFT）的吸附容量（K_f）显著高于喷灌处理（ST），2018年高2.61倍，2019年高2.11倍，这与土壤pH差异有关，pH升高使BM阴离子形态增多，降低吸附。喷灌处理解吸率高于淹水处理，且与pH正相关。施用BHO后，所有改良处理的BM吸附降低、解吸增加，原因是BHO提高了土壤pH，且新鲜生物炭效果强于老化生物炭。第二年老化生物炭的比表面积增加，导致吸附容量较第一年有所回升，但总体仍低于未改良土壤。

**消散实验**

BM消散符合一级动力学。未改良土壤中，淹水条件（PFT）下半衰期（t_1/2）为28.4天（2018）和31.2天（2019），显著短于喷灌处理ST（51.1和59.9天）和S0T（56.1和67.9天），说明喷灌增加BM持久性。所有BHO改良处理均降低了BM半衰期，且与脱氢酶活性（dehydrogenase activity, DHA）增加相关，表明生物炭刺激微生物降解。例如2018年PFT-BHO的t_1/2为23.6天，较PFT缩短16.9%；ST-BHO为47.6天，较ST缩短6.9%。尽管喷灌下BM持久性更长，但半衰期未超过水稻生育期，不会造成残留累积风险。

**淋溶实验**

土柱淋溶结果显示，淹水处理（PFT）BM开始淋溶的孔隙体积小于1，初始移动性高；但总淋溶率较低（1.24%—1.49%）。喷灌处理的总淋溶率较高（ST为5.19%和4.50%，S0T为4.27%和10.5%），这与吸附容量低、解吸率高有关。BHO添加显著降低了喷灌处理（ST-BHO和S0T-BHO）的BM淋溶总量，第一年分别减少1.4倍和2.2倍，第二年减少1.3倍和1.6倍。淹水处理中添加BHO反而使淋溶量略有增加（第一年），可能因原处理淋溶基数低。柱内残留BM的分布与吸附-解吸特性显著相关。

**讨论与结论**

讨论强调了土壤pH、有机碳、微生物活性及生物炭老化对BM归趋的调控作用。pH升高降低吸附并促进解吸；水溶性有机碳（WSOC）增加可能提高解吸的可逆性；脱氢酶活性增加加速降解；老化生物炭比表面积增大和pH下降减弱了其对吸附的影响。综合而言，喷灌替代淹水可提高BM的持久性，有利于杂草防除，但增加了淋溶风险。BHO的施用通过提高pH和微生物活性降低BM持久性，并减少淋溶损失，尤其在喷灌条件下。因此，喷灌结合BHO施用是提高水稻可持续性并减轻BM水污染的潜在策略。

研究结论原文翻译如下：本研究表明，苄嘧磺隆在稻田土壤中的环境归趋受土壤性质（尤其是土壤pH）强烈影响，而这些性质又因喷灌和有/无圣栎生物炭的施用而改变，并且这些效应还受到生物炭田间老化程度的进一步调节。与传统的淹水灌溉相比，喷灌降低了BM的吸附能力并增加了其持久性，这可能有利于田间杂草防除，但需要田间验证。此外，BHO的施用通过提高土壤pH持续降低了BM的吸附并促进了解吸。而且，可能是由于BHO施用后刺激了土壤微生物活性，所有水稻种植系统中BM的持久性均略有降低。最后，尽管喷灌导致更多BM从土壤中淋溶，但在添加BHO的土壤中观察到除草剂淋溶减少，尽管这种效应在喷灌条件下更为明显。因此，喷灌与BHO施用相结合可代表一种有前景的水稻可持续农艺策略，具有改善土壤健康和减轻BM对水资源污染的潜力，特别是在半干旱水稻种植区，适应气候变化挑战尤为重要。然而，尽管本研究提供了关于这些替代作物管理策略在实验室条件下对BM行为影响的有价值信息，仍需在田间条件下进一步研究以确认这些发现，并评估其对除草剂有效性和杂草防除的影响。