減氮配施生物炭對水稻生長發(fā)育、干物質積累及產量的影響

柳瑞 ，高陽 ，李恩琳 ，田紀輝 ，蔡昆爭 *

1. 華南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣東 廣州 510642；2. 農業(yè)部華南熱帶農業(yè)環(huán)境重點實驗室，廣東 廣州 510642；3. 廣東省生態(tài)循環(huán)農業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510642

水稻是中國最重要的糧食作物，保證水稻的穩(wěn)產高產對于保障國家糧食安全具有重要意義（趙麗萍等，2013）。目前中國氮肥用量占全球30%，而水稻生產消耗的氮肥則占世界水稻氮肥總用量的37%；此外中國氮肥利用率偏低，僅有30%—35%，明顯低于世界平均水平46%（邢曉鳴等，2015）。大量的不合理施用氮肥帶來了一系列的生態(tài)環(huán)境問題。例如資源浪費、環(huán)境污染、土壤肥力下降，溫室氣體增多等一系列問題（楊慧等，2014）。研究表明，中國糧食生產中過量的化肥施用提高了物質成本，并造成了能源浪費，施入土壤的養(yǎng)分通過徑流、淋溶等方式進入地下水、河流等水域，造成環(huán)境污染和水體富營養(yǎng)化（曹志洪，2003）；不合理施肥顯著改變耕作層土壤理化性質，造成土壤酸化、板結、肥力下降（賴力等，2009）；過量施用的氮肥經過氧化還原反應、硝化反硝化作用氨氣、氮氣、氮氧化物的形態(tài)進入大氣，也會加速全球變暖進程（朱兆良，2003）。過量施氮也會造成水稻倒伏、貪青晚熟、病蟲害發(fā)生加重以及稻米品質下降等不良后果。因此，在保障糧食安全的同時，減少氮肥施用已經成為中國農業(yè)生產及生態(tài)環(huán)境方面一個迫切需要解決的重大問題。

生物炭具有發(fā)達的孔隙結構，表面具有豐富的含氧官能團，有較強的堿性，可用作改良土壤理化性質，改善土壤養(yǎng)分有效性（Glaser et al.，2002），并且生物炭自身含有大量的有機質和豐富的養(yǎng)分元素，可以直接為作物生長提供養(yǎng)分，促進作物生長發(fā)育（袁金華等，2011）。

農田施用生物炭可以顯著提高土壤質量，減少養(yǎng)分損失，并且與肥料混施可提高作物產量（何緒生等，2010）。有研究表明，生物炭施用能促進作物生長，提高玉米、小麥、花生等作物的干物質重量和產量（邱海燕等，2017；李帥霖等，2018）。張偉明等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，生物炭在常規(guī)施肥量減少的情況下能提高大豆的產量和增加大豆的蛋白質和脂肪含量。但生物炭在化肥減施情況下是否可以促進水稻植株的生長發(fā)育、穩(wěn)定產量仍需研究證實。本研究針對水稻生產中不合理施氮的現(xiàn)狀，研究減量施氮條件下配施秸稈生物炭對水稻生長發(fā)育及產量性狀的影響，進而為化肥減量化和生物炭的農業(yè)生產利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

試驗地點位于華南農業(yè)大學校內試驗農場（113°21′E，23°9′N），屬亞熱帶季風濕潤氣候。年平均氣溫21.9 ℃，年平均降雨量1647.5 mm。試驗開始前土壤基本性質如下：pH=5.88，有機質36.36 g·kg?1，全氮 2.65 g·kg?1，全磷 0.58 g·kg?1，全鉀 11.07 g·kg?1，銨態(tài)氮 2.7 mg·kg?1，硝態(tài)氮 4.96 mg·kg?1，有效磷 31.0 mg·kg?1，速 效鉀 73.42 mg·kg?1，pH=5.88，EC 0.16 dS·m?1，CEC 5.25，C/N 10.63。

1.2 供試材料

供試水稻品種為華航 31號，由華南農業(yè)大學農學院提供，該品種綜合性狀好，耐寒性強，抗稻瘟病，豐產性突出，熟色好，米質優(yōu)。所用生物炭為稻稈生物炭，由遼寧金和福農業(yè)開發(fā)有限公司生產，制備溫度為 600 ℃。生物炭基本性質如下：pH=9.04，C% 50.55，H% 1.786，N% 1.89，S% 0.171，C/N 26.79，C/H 28.3。

1.3 試驗設計

田間試驗采用隨機區(qū)組設計，設置6個處理：對照（不施氮，CK），常規(guī)施氮（180 kg·hm?2，N100）、減氮20%（144 kg·hm?2，N80）、減氮20%配施生物炭（N80+BC），減氮40%（108 kg·hm?2，N60）、減氮40%配施生物炭（N60+BC）。氮肥為尿素，施用量為純量。每個處理3個重復，共18個小區(qū)，小區(qū)規(guī)格為3 m×5 m=15 m2。

試驗時間為2018年3月3日—2018年11月11日，分早晚稻進行試驗。早稻為3月3日—7月1日，晚稻8月9日—11月11日。在育苗一個月后移栽，一穴兩苗，株行距均為20 cm。生物炭僅在早稻水稻移栽前 15 d混入土壤，添加量為 15 t·hm?2。所有處理在早晚稻均施用相同純量磷肥（75 kg·hm?2）和鉀肥（120 kg·hm?2），氮肥和鉀肥在移栽前和分蘗期各施 50%，磷肥作為基肥一次性施入，其它生產管理按常規(guī)進行。在每季水稻生長的分蘗期、抽穗期和成熟期取樣測定相關植株指標。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 株高、分蘗

水稻移栽10 d后，在每個試驗小區(qū)連續(xù)標記10穴水稻植株，每隔10 d記錄1次株高和分蘗數，株高為自莖基部至頂葉頂部。

1.4.2 葉綠素熒光參數、葉綠素含量

在水稻生長的分蘗期、抽穗期和成熟期，使用葉綠素熒光儀 OS-30p測定葉片的葉綠素熒光參數，測定前暗處理20 min，每個重復小區(qū)隨機選取4穴測量。使用葉綠素計SPAD-502Plus測定葉片的葉綠素含量，每個重復小區(qū)隨機選取10穴的劍葉測定。

1.4.3 地上部干物質積累

分別在水稻分蘗期、抽穗期和成熟期，每個試驗小區(qū)隨機取3穴水稻植株，帶回實驗室對植株地上部樣品進行烘干稱質量。

1.4.4 產量性狀

成熟期隨機選取各個試驗小區(qū)的水稻植株，進行考種，調查有效穗數、實粒數、千粒質量、結實率，并田間實地測定各小區(qū)的實際產量。

1.5 數據處理與統(tǒng)計分析

采用Excel和Origin 17完成相關數據的計算和圖表制作；單因素方差分析用于分析不同處理間的差異，顯著性采用 LSD法進行檢驗（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 生物炭和氮肥減施對水稻株高、分蘗的影響

由圖1可知，無論是2018年早稻還是晚稻，不同處理水稻生長的趨勢表現(xiàn)出一致性，即前期快速增長，后期緩慢穩(wěn)定。自移栽后30 d開始，施氮或配施生物炭處理的株高均顯著高于對照不施氮肥處理，早稻增加幅度為1.45%—13.78%，晚稻增加幅度為 8.20%—21.93%。與常規(guī)施氮（N100）相比，氮肥減施20%、40%（N80，N60）或配施生物炭（N80+BC，N60+BC）對株高沒有顯著影響。

由圖2可知，早稻水稻分蘗數在移栽后30 d達到峰值，晚稻分蘗數在移栽后20 d達到峰值，之后由于無效分蘗的消失開始呈下降趨勢。在整個生長期，對照不施氮肥處理（CK）的分蘗數始終低于其它處理。生長后期減量施氮或配施生物炭的分蘗數有所下降。早稻移栽后 70 d，與常規(guī)施氮相比，早稻氮肥減施20%、40%的分蘗數降低12.26%、11.76%，配施生物炭處理則降低5.56%、6.59%，降低幅度較小；晚稻移栽后70 d，與常規(guī)施氮相比，晚稻氮肥減施20%、40%的分蘗數降低22.31%、11.43%，配施生物炭降低 12.87%、11.01%，降低幅度收窄。與單純減氮相比，配施生物炭后早稻分蘗數分別升高4.85%、6.35%，晚稻升高0.38%、8.37%。

圖1 生物炭和氮肥減施對水稻株高的影響Fig. 1 Effects of nitrogen fertilizer reduction and biochar application on plant height of rice

圖2 生物炭和氮肥減施對水稻分蘗數的影響Fig. 2 Effects of nitrogen fertilizer reduction and biochar application on rice tillers

2.2 生物炭和氮肥減施對水稻葉片最大光化學量子效率和葉綠素含量的影響

由表1可知，氮肥和生物炭施用均不同程度提高早稻分蘗期和晚稻分蘗期、成熟期、成熟期葉片葉綠素熒光參數Fv/Fm。與常規(guī)施氮（N100）相比，氮肥減施或配施生物炭對早稻不同生育期葉片F(xiàn)v/Fm值無顯著影響。與單純減氮20%、40%（N80、N60）相比，配施生物炭（N80+BC、N60+BC）顯著增加早稻分蘗期的葉片F(xiàn)v/Fm，增加幅度分別為10.80%和5.64%，而抽穗期和成熟期則差異不明顯。對于晚稻，與常規(guī)施氮相比，除了成熟期減氮40%配施生物炭（N60+BC）的Fv/Fm值顯著增加5.12%外，其它處理影響不顯著。在同等施氮條件下，減氮 20%配施生物炭（N80+BC）處理的分蘗期葉片F(xiàn)v/Fm值顯著高于單純減氮（N80）處理，增加幅度為8.17%。

氮肥和生物炭施用與對照不施氮肥相比均不同程度提高水稻葉片的葉綠素含量（SPAD值）。與常規(guī)施氮（N100）相比，除了減氮20%（N80）顯著降低早稻抽穗期葉綠素含量3.22%外，其它處理在早稻和晚稻不同生育期葉綠素含量均沒有顯著影響。

2.3 生物炭和氮肥減施對水稻地上部干物質積累的影響

由表2可知，氮肥或配施生物炭處理增加水稻地上部干物質積累量，在早稻分蘗期、抽穗期和晚稻成熟期，常規(guī)施氮和配施生物炭處理的效果顯著。但與常規(guī)施氮相比，氮肥減施或配施生物炭對早稻和晚稻不同生育期干物質積累均沒有顯著影響。結果還表明，在施用等量氮肥的基礎上配施生物炭在一定程度上能增加干物質積累，如減氮20%配施生物炭（N144+C）在早稻分蘗期和晚稻成熟期的地上部干物質質量顯著高于單純減氮 20%（N144），增加幅度分別為40.33%和20.43%。

2.4 生物炭和氮肥減施對水稻產量性狀的影響

由表3可知，與不施氮對照相比，除了早稻每穗粒數和千粒質量外，施用氮肥或配施生物炭均顯著增加每穴穗數、每穗粒數、結實率、千粒質量和實際產量。而與常規(guī)施氮相比，氮肥減施20%和40%配施生物炭（N80+BC，N60+BC）處理早稻分別比常規(guī)氮肥處理（N100）處理增加實際產量11.61%和18.07%，其它處理對產量性狀影響差異不大。在同氮素水平下配施生物炭與單純施氮相比有增加產量的趨勢，如早稻減氮 20%和 40%配施生物炭（N80+C，N60+C）比單純的減氮20%和40%的實際產量增加13.3%和15.8%，差異顯著。

表1 生物炭和氮肥減施對水稻葉片最大光化學量子效率和葉綠素含量的影響Table 1 Effects of nitrogen fertilizer reduction and biochar application on the maximal PSⅡ efficiency and chlorophyll content of rice leaves

表2 生物炭和氮肥減施對水稻地上部干物質積累的影響Table 2 Effects of nitrogen fertilizer reduction and biochar application on aboveground dry matter accumulation of rice g·hill?1

3 討論

氮是影響水稻生長發(fā)育和產量形成的關鍵因素（郭立等，2007）。研究發(fā)現(xiàn)，施氮量不超過180 kg·hm?2時，水稻分蘗數隨施氮量的升高而增加（于艷敏等，2012），配施生物炭可顯著增加水稻的有效分蘗（陳芳等，2019）。在本研究中，與常規(guī)施氮相比，晚稻單純減氮顯著降低水稻分蘗數的11.43%—22.31%，降低幅度顯著高于配施生物炭處理的11.01%—12.87%，尤其與單純施氮40%相比，配施生物炭提高水稻分蘗數8.37%，可能是由于生物炭促進水稻在生長期的養(yǎng)分吸收，提高了有效分蘗數（周勁松等，2016）。

表3 生物炭和氮肥減施對水稻產量性狀的影響Table 3 Effects of nitrogen fertilizer reduction and biochar application on yield traits of rice

水稻SPAD和葉片氮含量呈正相關，因此可利用SPAD診斷稻株的氮素營養(yǎng)豐缺狀況（李杰等，2017）。陳芳等（2019）研究表明，生物炭施用量為10 t·hm?2時對水稻SPAD無顯著影響，施用量為20 t·hm?2時可顯著提高水稻 SPAD。而本研究中，施用生物炭（15 t·hm?2）時對水稻SPAD無顯著影響。陳盈等（2016）研究表明施用生物炭提高了水稻齊穗期的Fv/Fm，促進水稻灌漿從而提高水稻每穗實粒數，使水稻增產。在本試驗中，水稻分蘗期N80+BC處理的Fv/Fm比N80增加8.17%。表明生物炭提高PSII反應中心的光能轉換效率，這可能是由于生物炭提高了水稻抗脅迫能力，增加水稻對K、Mg的吸收，促進水稻葉片保持良好的功能狀態(tài)（Oguntunde et al.，2010）。

近年來，許多研究表明施用生物炭可顯著促進作物生長發(fā)育。例如，施用生物炭可提高大豆株高、葉片凈光合速率及地上部干物質積累，促進大豆的養(yǎng)分吸收，并顯著提高大豆的產量和品質（張偉明等，2015；劉明等，2015）。屈忠義等（2016）研究表明，30 t·hm?2玉米秸稈生物炭可實現(xiàn)玉米增產和固碳減排，蔣健等（2015）發(fā)現(xiàn)秸稈生物炭可以促進玉米根系發(fā)育，延緩根系衰老，從而提高玉米產量性狀；秸稈生物炭顯著促進番茄生長發(fā)育，促進養(yǎng)分吸收，提高作物產量，當施用量為15 t·hm?2時，增幅最大（李昌見等，2014；勾芒芒等，2013），在本研究中，與單純減氮相比，減氮20%配施生物炭（N80+C）在早稻的分蘗期及晚稻的成熟期，都顯著提高了水稻地上部干物質積累。這可能是由于生物炭增加土壤中氮磷鉀總量，提高了速效養(yǎng)分的供給（Peng et al.，2011）。

由于長期過量施用氮肥，使中國土壤的氮素背景值較高，導致短期適量減氮并不會使作物減產（王道中等，2012；李錄久等，2013）。薛峰等（2009）研究發(fā)現(xiàn)，氮肥減量至常規(guī)施用量的50%對水稻生長發(fā)育和產量無顯著影響；李恩堯等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，減氮20%對玉米的產量無顯著影響。也有研究表明，適當減氮可以增加土壤速效養(yǎng)分含量，提高作物的養(yǎng)分利用效率，增加作物產量（馬星竹等，2016）。張偉明等（2015）的研究也表明，生物炭在減少化肥施用的情況下能顯著增加大豆的產量，改善大豆的品質。在本研究中，與常規(guī)施氮相比，減氮20%—40%對水稻產量無顯著影響。盡管如此，氮肥的作用卻是不可替代的，研究顯示長期減氮會因氮素產投不平衡而使作物產量減低（李恩堯等，2011）。因此關于減氮的幅度和作物生產力及產量的關系還需要長期評估。

Dong et al.（2015）研究發(fā)現(xiàn)氮肥配施生物炭可以顯著增高水稻產量，在本試驗研究中，與常規(guī)施氮相比，早稻減氮40%配施生物炭，顯著提高了水稻產量，幅度為18.07%，與單純減氮相比，配施生物炭能夠顯著增加早稻產量13.3%—15.8%，表明生物炭在化肥減量中起到積極的增產作用。這可能是由于生物炭減少了氮肥淋溶、揮發(fā)等損失，提高了氮肥利用率（陳海飛等，2014）。本研究表明，減氮配施生物炭以保證水稻產量穩(wěn)定，說明通過配施生物炭以達到氮肥減量化具有可行性，同時，生物炭不僅提高作物產量，還可以改良土壤理化性質，為植物提供良好生長環(huán)境的同時，緩解化肥徑流揮發(fā)等帶來的環(huán)境問題。

4 結論

與單純減氮相比，配施生物炭可促進水稻有效分蘗數增加，提升水稻分蘗期的最大光化學量子效率。減氮20%配施生物炭顯著促進晚稻地上部干物質積累，減氮40%配施生物炭顯著增加早稻產量。