移栽密度和施用生物炭對水稻產量的影響

梁傳斌，李建國，沈 楓，劉 博，韓 勇，姚繼攀

（遼寧省水稻研究所，遼寧 沈陽 110101）

水稻是我國主要的糧食作物，保證水稻產量對穩定國內糧食價格和保障糧食安全具有戰略意義［1］。我國人均耕地面積不足0.09 hm2，低于世界平均水平的40%。因此，在有限的耕地面積下，提高糧食產量是保證糧食穩產和保障糧食安全的重要途經。移栽密度是構建水稻高產群體的重要手段，已被證明是提升產量的有效方式［2-3］。調整移栽密度能改變水稻分蘗數、干物質積累、冠層受光態勢、光合作用效率等，可達到高產群體的特征［4-5］。除構建高產群體外，合理的水肥管理也是提高水稻產量的重要手段［6］。生物炭作為一種新興土壤改良劑，已被證明能夠提高土壤田間保水能力［7］、減少土壤養分淋失［8］、提高土壤肥力［9］，在提高作物產量上有巨大潛力。有研究表明，生物炭能提高氮磷鉀偏生產力以及作物對氮素和鉀素的吸收，顯著提升產量高達16.7%［10-11］。

目前，有關水稻移栽密度的報道，多集中于氮肥投入與品種間互作的方面，而與生物炭相結合進行的研究較少。因此，本研究以移栽密度和生物炭施用量互作為研究手段，以肥料利用率和水稻產量為研究對象，通過連續兩個生長季測定與肥料利用率相關的土壤理化性質、水稻農藝性狀及產量，探究移栽密度和施炭量二因素互作對稻田肥料利用率和水稻群體指標及產量的影響，篩選出水稻增產的最佳組合，以期為水稻高產移栽與生物炭應用相結合提供理論依據和生產指導。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

田間試驗于2018～2019年在遼寧省沈陽市蘇家屯區八一鎮三家子村兆鑫農場（N 41°34′，E 123°14′）進行，該地區作物生長季平均氣溫20.3℃，土壤為砂壤土；試驗所用生物炭購自遼寧省金和福農業科技股份有限公司。試驗中稻田土和生物炭的基礎理化性質如表1所示。

試驗采用二因素裂區設計，以水稻的移栽密度為主因素，以生物炭的施用量為副因素。試驗設置2個移栽密度，分別為30.0 cm×23.3 cm和30.0 cm×20.0 cm，約12.85×104和18.36×104穴/hm2，分別標記為M1和M2；4個施炭量水平，按0、10、20和30 t/hm2一 次 性 施 入 生 物 炭，分 別 標記 為B0、B10、B20和B30。試 驗 共 計8個 處 理（表2），每個試驗小區面積為100 m2，小區重復次數為3次。各小區以田埂包裹聚乙烯塑料膜間隔，肥水單獨管理。試驗所用水稻品種為遼粳401，生育期158 d左右，屬中晚熟品種。試驗小區按N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶0.7的比例施肥，分別為N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2。于2018年5月22日插秧，10月24日收獲；于2019年5月24日插秧，10月25日收獲，插秧時采用每穴4苗定量移栽，所有秧苗均由遼寧省水稻研究所工廠化育苗提供，秧齡為3.5葉。其它管理水平同大田保持一致。

表1 稻田土及生物炭理化性質

表2 試驗處理標記

1.2 測定指標與方法

水稻生長階段，將氧化還原電位儀（PRN-41，Fujiwara Scientific Co. Ltd.，Tokyo，Japan）鉑 電 極埋于稻田5 cm深處，測定稻田土氧化還原電位。收獲后，取0～20 cm原狀稻田土，測定其土壤容重（BD），剩余土經風干、研磨，過2 mm篩用于測定pH、陽離子交換量（CEC）和可溶性有機碳（DOC）。土壤pH使用pH測定儀（HI 2221 Calibration check pH/OPR meter，Hanna Instruments，USA）進行測定；土壤CEC使用EDTA-乙酸銨鹽交換法測定；土壤DOC使用TOC muti N/C 3100有機碳分析儀測定。不同階段田間N2O使用密閉室取樣法收集［12］，使用氣相色譜儀（Agilent 7890A，Agilent Technologies，USA）測定N2O排放量。

分別于水稻不同生育時期對其SPAD值和干物質積累進行測定。使用SPAD-502 plus分別測定水稻主莖展開劍葉上、中、下部葉綠素含量，并對測定結果取平均值。干物質積累，取各處理中長勢均勻的植株，經105℃殺青0.5 h后，80℃烘干24 h，稱重。收獲期，每個小區內取長勢均勻的連續5穴，經自然風干后，對穗數、穗粒數、千粒重、結實率進行測定。每個小區采用5點取樣法，每處面積為1 m2，測定其產量。

1.3 數據處理

所有數據使用SPSS 20.0進行統計與分析，并使用Origin 9.2進行作圖。

2 結果與分析

2.1 稻田土壤性質

不同移栽密度和施炭量下，水稻收獲后稻田土壤理化性質測定結果如表3所示。2018年，相同施炭量處理的土壤pH、Eh、CEC、BD及DOC受移栽密度影響不顯著。相同移栽密度處理的土壤pH和DOC隨施炭量提高而升高，Eh隨施炭量提高而降低，CEC和BD受施炭量影響不顯著。其中，B30處理較B0處理pH分別提高6.9%（M1）和7.1%（M2），Eh分別降低30.4%（M1）和26.9%（M2）。隨施炭量增大，土壤DOC含量分別提高4.2%、9.5%、18.0%（M1）和4.7%、8.7%、18.52%（M2）。各處理稻田土pH、CEC和BD在年際間變化不顯著，Eh降低明顯，施炭處理的DOC顯著降低至趨近于未施炭處理的DOC。

2.2 N2O排放量

由不同移栽密度和施炭量對田間N2O排放量變化分析（圖1）可知，2018年N2O排放量在水稻的不同生育時期中存在一次峰值，出現在排水曬田、控制無效分蘗時期。在相同移栽密度下，提高施炭量可以降低N2O排放量。同B0相比，B10、B20和B30處理N2O排放量峰值分別降低9.0%、26.3%、39.5%（M1）和6.8%、28.9%、39.7%（M2）。在相同施炭量下，高移栽密度B0、B10、B20、B30處理N2O排放量峰值較低移栽密度分別降低4.9%、2.7%、8.5%、5.4%，且各處理間差異不顯著。2019年，相同移栽密度下的各施炭處理N2O排放量峰值減少量，較2018年有所降低，但處理間無顯著性差異。

表3 施炭量、移栽密度對稻田土性質的影響

圖1 施炭量、移栽密度對稻田N2O排放量周期性變化的影響

2.3 SPAD值和干物質積累

不同移栽密度和施炭量下，水稻葉片不同生育時期SPAD值的分析結果如表4所示。2018年，相同移栽密度下，水稻分蘗期和孕穗期的葉片SPAD值隨施炭量提高而增大，但處理間無顯著性差異；灌漿期的SPAD值隨施炭量提高而顯著增大，其中B30處理較B0處理分別提高2.74（M1）和2.44（M2）。相同施炭量下，高移栽密度處理的水稻葉片SPAD值顯著低于低移栽密度處理。2019年，各處理的SPAD值在所有生育時期總體變化趨勢與2018年相同，但施炭處理葉片的SPAD值較未施炭處理提高較小。

表4 施炭量、移栽密度對不同生育時期水稻SPAD值的影響

在移栽密度和施炭量二因素影響下水稻不同時期干物質積累測定結果如圖2所示。2018年，相同移栽密度下的水稻干物質積累隨生育時期的進行而顯著提高；不同施炭量處理水稻干物質積累在水稻生長前期無顯著性差異，在水稻生長后期高炭量處理干物質積累顯著高于不施炭處理。相同施炭量下，高移栽密度處理水稻干物質積累顯著高于低移栽密度處理。所有處理的不同時期干物質積累在年際間變化較小，2019年總體變化趨勢與2018年相同，但水稻生長后期各施炭處理間水稻干物質積累無顯著性差異。

2.4 水稻產量構成因素

移栽密度和施炭量對水稻產量構成因素影響的分析結果如表5所示。2018年，相同移栽密度下不同施炭量處理水稻的穗粒數、千粒重及結實率差異不顯著；有效穗數隨施炭量增大而略微增加，其中B30處理較B0處理水稻有效穗數分別提高17.1穗/m2（M1）和16.5穗/m2（M2）。在相同施炭量下，高移栽密度處理較低移栽密度處理有效穗數顯著提升，穗粒數顯著降低，千粒重和結實率無顯著變化。2019年，各個處理的有效穗數、穗粒數、千粒重和結實率較2018年均有所減少，但處理間的變化趨勢與2018年相同。

圖2 施炭量、移栽密度對不同生育時期水稻干物質積累的影響

2.5 水稻產量

水稻產量結果分析如圖3所示。2018年，相同移栽密度下的水稻產量隨施炭量增大而顯著提升。其中M1B30和M2B30處理產量最高，分別為9.7和10.7 t/hm2，較M1B0和M2B0處理產量分別提升5.7%和5.2%。相同施炭量下的高移栽密度處理水稻產量顯著高于低移栽密度處理，提高約10.8%。2019年，各處理的水稻產量較2018年無顯著性變化，且處理間產量變化趨勢與2018年一致。綜合兩年的試驗結果進行相關性分析，結果顯示移栽密度是影響水稻產量的主要因素（表6）。其中，移栽密度與有效穗數呈極顯著正相關（P<0.01）關系，有效穗數與產量呈極顯著正相關（P<0.01）關系。

圖3 不同施炭量、移栽密度對水稻產量和收獲指數的影響

表6 施炭量和移栽密度與水稻產量構成因子和水稻產量的相關分析

3 討論

適宜的移栽密度是構建水稻高產群體的重要因素之一［13］，不同的栽培模式下水稻獲得高產時所需的移栽密度不同［14］。常規種植方式下，16.65×104～21.45×104穴/hm2時水稻產量最高；而水稻強化栽培體系下，12.00×104穴/hm2時水稻產量最高［15-16］。本研究中，M1處理較M2處理相比，土壤pH、Eh、CEC、BD、DOC均無顯著性差異；M1處理N2O排放量略低于M2處理，但處理間差異不顯著，表明兩種移栽密度下氮肥利用效率相近［17］。M2處理水稻葉片SPAD值和單株干物質積累均低于M1處理；M2處理群體干物質積累顯著高于M1處理。在水稻生長過程中，提高氮肥供應量，可顯著提高水稻葉片SPAD值和干物質積累［18］。相同氮肥供應量下，M1處理單株可獲得氮素高于M2處理，導致本研究中M1處理單株干物質積累大于M2處理。但低移栽密度的肥料利用率較低［18］，使M1處理群體干物質積累顯著低于M2處理。M1密度下各處理產量顯著低于M2密度下各處理產量。通過對比M1和M2兩種移栽密度下水稻產量構成因素，發現高移栽密度使穗粒數顯著降低，但有效穗數顯著提高，這與趙榮德［19］的研究結果一致。說明水稻的4個產量構成因素中，單位面積的有效穗數是影響遼粳401產量的主要因素。歐陽杰等［20］和王寅等［21］研究表明，提高移栽密度可以提高約10.9%的水稻分蘗成穗率，從而提高水稻產量。秦儉等［22］研究發現提高移栽密度可顯著提高氮肥農學利用率和氮肥偏生產力，使水稻莖蘗數和干物質積累增加，提高水稻產量。

生物炭是表面疏松多孔的富碳物質，可以改善土壤理化性質，為作物的生長提供適宜的土壤環境，從而有利于提高產量［23-24］。稻田土的理化性質結果顯示，施入生物炭的當年對稻田土CEC和BD影響較小，而對pH、DOC及Eh影響較大。Mukherjee等［25］將pH為9.4的生物炭加入土壤中，發現土壤pH顯著提高0.4個單位，所產生的石灰效應可增大土壤中有效態P、K、Mg、Ca，使植物可吸收的礦物營養元素含量顯著提高［26］。一方面，P、K等元素可隨土壤水溶液被水稻根系吸收［18］，促進生長；另一方面，Mg元素可促進葉綠素合成，使水稻在生長發育后期光合作用效率提升［11，27］。本研究表明，生物炭能增加中后期水稻干物質積累，且干物質積累量隨施入量增大而提高。生物炭的石灰效應是一個緩慢的過程，因此本研究中施炭和不施炭處理的土壤有效礦物營養元素含量對水稻生長前期的影響差異不顯著，對水稻生長后期的影響呈現顯著差異，致使分蘗期B0、B10、B20、B30處理間干物質積累差異不顯著。

土壤pH升高可導致土壤Eh值降低［28］，降低土壤氮素損失，減少N2O排放，提高氮肥利用效率［29］。N2O是稻田主要溫室氣體之一，氮肥投入量是影響N2O排放量主要因素。Zhang等［30］研究表明，低氮肥投入能降低稻田30%～60%的N2O排放量。本研究中N2O排放量在控水期隨施炭量增大而顯著降低，可能是部分N素被生物炭吸附，使土壤中可進行反硝化作用產生N2O的N素含量降低。被吸收的這部分N素，在水稻生長后期能緩慢釋放到土壤中［7，31］，被吸收利用，提高后期的肥料供應能力，保證各個生育時期的養分供應。持續的肥料供應，使水稻在抽穗期后保持較高的葉綠素含量和較強的光合能力，有利于增加生育后期的干物質積累。DOC是土壤活性組分，較高的DOC含量可提高土壤氮肥利用效率［32］。生物炭表面含有大量不穩定碳，可釋放到土壤水溶液中，提高土壤DOC含量，從而提高肥料利用效率。

產量分析結果顯示，適當提高生物炭施入量可提高水稻產量。生物炭吸附性較強，能在作物生長前期固持部分N、P、K等主要元素，并在后期重新釋放到土壤中，降低營養元素流失［33］。惠錦卓等［34］研究表明，以2%碳土質量比施入生物炭后，土壤中氮素淋失量減少49%。吳蔚君［35］研究顯示，施加生物炭使稻田氮肥利用率提升9.51%～14.57%，磷肥利用率提升6.35%～21.48%。同時，高施碳量較低施碳量可在前期固持更多養分，提高后期營養元素釋放量，供作物生長［36］。此外，生物炭多呈堿性，含有大量可溶性K、Ca、Na等鹽基離子，能顯著提高土壤鹽基離子飽和度、增加土壤肥力［22］、提高肥料利用效率。胡華英等［37］研究顯示，生物炭能增強土壤-α-葡萄糖苷酶、土壤-β-葡萄糖苷酶和脲酶活性，以及高土壤有效磷、速效鉀含量。

通過年際間各指標的變化情況可知，稻田土Eh和DOC降低，N2O排放量、水稻干物質積累和產量變化較小。一方面是因為生物炭在土壤中可發生礦化反應，表面官能團種類減少，降低了對土壤理化性質改善的作用效果；另一方面，生物炭表面孔隙結構被破壞，吸附性減弱，降低了對肥料的固持能力［38］。盡管，生物炭在短時期內通過改善土壤理化性質和提高肥料利用效率，使水稻產量提高。但隨著時間的延長，生物炭逐漸老化，其作用效果勢必減弱。因此，在今后試驗中，有必要對生物炭的合理施入間隔進行研究。

4 結論

本研究中，移栽密度和生物炭共同影響水稻群體產量。適當提高移栽密度，可以顯著增加水稻單位面積的有效穗數，對水稻群體產量的提高起到直接作用；適量的施用生物炭，能在短期內改善土壤理化性質，提高氮肥利用效率，間接保障了水稻的產量形成。綜合移栽密度和施炭量兩個因素，當移栽密度為18.36×104穴/hm2、施炭量為30 t/hm2時遼粳401產量最高。