施用生物炭對黃壤稻田水稻品質及氮肥利用效率的影響

郭琴波，王小利?，段建軍，皮義均，林仕芳

(1 貴州大學農學院，貴陽 550025；2 貴州大學煙草學院，貴陽 550025)

水稻是全球的主要糧食作物之一，提高并穩定水稻單產對保障國家糧食安全具有重要意義[1]。我國每年產生的農作物秸稈量已達8.55 億t[2]。除飼料化、肥料化外，當前農作物秸稈的使用方式還有將其制備成應用于工農業的生物炭，這也是節能減排、資源化利用[3]及綠色發展的重要途徑[4]。生物炭是生物質在低氧環境下，通過高溫裂解碳化而成，具有比表面積大、多孔的特點，含有羥基、羧基、羰基等官能團，可作為一種新型的吸附劑去除或減少污染物[5，6]。有研究表明，施加生物炭能顯著增加土壤孔隙度[7]和有機質含量，提高耕作土壤中的營養元素總量和可利用態含量，可減少土壤營養元素淋失，這對提升土壤肥力有積極影響，從而提高作物產量[8，9]及植物對氮的吸收率[10]。向偉等[11]研究發現，無機氮減少30%配施生物炭可提高氮肥利用率，降低N2O 排放量，增加水稻產量。劉磊等[12]研究表明，一次性施用20 t/hm2生物炭后第4 年，早稻產量依然顯著提高，而晚稻產量無顯著變化。目前關于生物炭對作物品質影響的研究已有很多，但對稻米品質影響的研究甚少[13]。

生物炭應用于土壤改良能產生多方面的效益[14]，但不同量的生物炭還田對貴州黃壤性稻田土的影響有待深入研究。本文基于大田試驗，以貴州黃壤稻田土壤種植的水稻中浙優8 號為研究對象，對其籽粒產量、稻米品質、養分吸收及氮肥利用率等方面進行研究，進而綜合評估增施生物炭的效果，為貴州黃壤稻田高產高效栽培提供技術支撐和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗田位于思南縣塘頭鎮沙都村(108°11′35″E，27°45′35″N)，屬中亞熱帶季風濕潤氣候，以溶蝕堆積階地平壩和壟崗谷地為主，年均溫度為17.5 ℃，年均降水量為1 200 mm。試驗地海拔600 m 左右，土壤為黃壤，其基礎性質為:pH 5.86，含有機質29.62 g/kg、全氮1.39 g/kg、堿解氮133.00 mg/kg、有效磷37.16 mg/kg、速效鉀182.07 mg/kg。種植模式為單季水稻。

1.2 試驗設計和試驗材料

試驗共設5 個處理:CK.不施肥；B0.常規施肥；B1.4.0 t/hm2生物炭＋常規施肥；B2.8.0 t/hm2生物炭＋常規施肥；B3.12.0 t/hm2生物炭＋常規施肥；B4.16.0 t/hm2生物炭＋常規施肥。生物炭和磷肥作基肥一次性施用，鉀肥分基肥和保花肥各50%施用，氮肥作基肥、分蘗肥、保花肥、促花肥施用，比例為5∶2∶2∶1。重復3 次，共15 個小區，小區面積為30 m2，隨機區組排列，田間管理方式與當地大田相同。

供試物料為水稻秸稈生物炭(B)，為水稻秸稈在450 ℃下炭化制備，由南京勤豐眾成生物質新材料有限公司提供。生物炭基本性質:灰分29.10%，有機碳667.22 g/kg，全氮、全磷和全鉀含量依次為5.99、1.99 和7.15 g/kg。

氮肥為尿素(N 含量46.2%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O5含量16.0%)，鉀肥為氯化鉀(K2O 含量60%)。供試水稻品種中浙優8 號，平均生育期為158.7 d。

表1 各處理肥料及生物炭施用量Table 1 The application amount of fertilizer and biochar

1.3 測定項目和分析方法

于9 月初水稻成熟后采樣分析和測產。水稻樣品采集時隨機選擇6 穴(約40 株)水稻地上部，測定穗數、穗粒數、千粒質量和結實率等指標，再于105 ℃下殺青30 min，于60 ℃下恒溫烘至恒重，測定干物質量。將樣品粉碎后采用H2SO4—H2O2聯合消煮，凱氏定氮儀測定全氮含量，并計算植株氮素積累量；各小區全部收獲稱量實際鮮產量，取100 g稻谷烘干后測定實際含水量，計算水稻干產量。測定各處理稻谷糙米率、粒長、整精米率及稻米堊白粒率、蛋白質含量、直鏈淀粉含量、膠稠度等指標。

1.4 相關參數計算

氮肥利用率計算公式[15－17]:

植株氮素積累量(kg/hm2)＝植株N 含量(%)×生物量(kg/hm2)/100

氮肥偏生產力(PFPN，kg/kg)＝施氮處理稻谷產量/施氮量

氮肥農學效率(AEN，kg/kg)＝(施氮處理稻谷產量－不施氮處理稻谷產量)/施氮量

氮肥表觀利用率(REN，%)＝(施氮處理地上部吸氮總量－不施氮處理地上部吸氮總量)/施氮量×100

氮素收獲指數(NHI，%)＝成熟期植株穗部氮積累量/植株氮素積累總量×100

1.5 數據處理

采用Excel 2016 和SPSS 21.0 軟件進行數據處理和統計分析，多重比較采用LSD 法，顯著水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 施用生物炭對水稻產量的影響

2.1.1 對水稻干物質積累量的影響

水稻的地上部干物質積累量直接反映水稻的產量。由表2 可知，生物炭不同施用量對水稻籽粒產量、秸稈干質量和收獲指數的影響明顯。與CK 相比施用生物炭各處理的水稻籽粒產量均有所提高，B0、B1、B2 和B3 處理的水稻籽粒干質量增幅為6.0%～40.0%，B1 和B3 處理增產效果最好，CK 與B0 處理水稻籽粒產量差異不顯著，B1、B2 和B3 處理間水稻籽粒產量差異不顯著；B1、B2 和B3 處理水稻籽粒產量比CK 和B0 2 個處理顯著提高。B0～B 4處理的秸稈干質量較CK依次顯著增加80.4%、54.3%、80.4%和58.7%，但是4 個施肥處理間差異不顯著。

表2 各處理水稻地上部干物質積累量及收獲指數Table 2 Dry matter accumulation and harest index of rice shoot under each treatement

收獲指數以CK 最高。與B0 處理相比，B1、B2和B3 3 個處理收獲指數均顯著上升，其增幅依次分別是27.8%、16.2%和25.4%。

2.1.2 對水稻產量構成因子的影響

水稻籽粒產量由收獲期單位面積有效穗數、每穗粒數和千粒質量決定，而每穗粒數受總粒數和結實率影響。由表3 可知，不同施用量生物炭對水稻理論產量、千粒質量、有效穗數和結實率影響顯著，但是對穗粒數影響不顯著。與CK 比，施肥各處理的理論產量、單位面積有效穗數和千粒質量均顯著增加，增幅依次分別為21.6%～54.9%、32.0%～35.0%和4.3%～7.4%。與B0 處理相比，B1 處理理論產量顯著提高，但4 個施肥處理間單位面積有效穗數、穗粒數和千粒質量差異均不顯著。B1、B2、B3和CK 的結實率均顯著高于B0 處理。水稻的理論產量、有效穗數、每穗粒數、結實率和千粒質量均隨生物炭用量的增加先增后減，并均以B1 處理最高。由此可見，常規施肥條件下適量增施生物炭可提高水稻的有效穗數、穗粒數、結實率和千粒質量，從而提高水稻產量。

表3 各處理水稻理論產量及產量構成因素Table 3 Theoretical yield and yield components of rice under different treatments

2.2 施用生物炭對稻米品質的影響

由表4 可知，不同施用量的生物炭對糙米率、堊白度、堊白粒率、膠稠度和蛋白質含量有明顯影響，但對精米率、粒長和直鏈淀粉含量無明顯影響。與CK 相比，各施肥處理稻米蛋白質含量均顯著增加，增幅為6.6%～8.2%。與CK 比，常規施肥處理稻米的膠稠度增加了1.9%，而B1、B2 處理分別降低了0.8%和3.1%，B3 處理增加了4.9%，但均未達顯著水平。與CK 相比，常規施肥(B0)處理的糙米率、堊白度和堊白粒率顯著提高，但精米率、粒長和直鏈淀粉含量差異不顯著。與常規施肥(B0)相比，增施生物炭各處理稻米的膠稠度、蛋白質含量、精米率、粒長和直鏈淀粉含量均差異不顯著，但B1 處理的堊白度和堊白粒率顯著降低，B3 處理的糙米率顯著降低。所以，常規施肥下適量增施生物炭對稻米品質有改善效果。

表4 不同處理稻米品質比較Table 4 The comparison of rice quality under different treatments

2.3 施用生物炭對水稻地上部氮素積累的影響

由圖1 可知，施用生物炭對籽粒和秸稈的氮素積累量有明顯的影響。與CK 相比，各施肥處理的地上部氮素累積量顯著增加，B0～B3 處理水稻秸稈氮素累積量依次是CK 的2.2、1.9、2.0 和2.0 倍，水稻籽粒氮素累積量的增長率依次為8.3%、55.9%、47.7% 和54.0%。B0、B1、B2 和B3 4 個處理間的水稻秸稈氮素累積量差異未達顯著水平。與B0 處理相比，3 個增施生物炭處理的水稻籽粒氮素累積量顯著增加，但3 個處理間差異不顯著。水稻地上部氮素累積量表現為B3>B2>B1>B0>CK；CK、B0、B1、B2 和B3 的籽粒氮素累積量與秸稈氮素累積量比值依次分別為2.0、1.0、1.7、1.6 和1.6。因此，增施生物炭可有效提高水稻地上部氮素積累量。

圖1 各處理水稻籽粒及秸稈氮素積累量Fig.1 Nitrogen accumulation in rice grains and straw under each treatment

2.4 施用生物炭對肥料利用的影響

氮肥偏生產力(PFPN)、氮肥農學效率(AEN)、氮肥表觀利用率(REN)和氮素收獲指數(NHI)是氮肥利用率的重要指標。由表5 可知，施用生物炭對氮肥偏生產力、氮肥表觀利用率、氮肥農學效率和氮素收獲指數有明顯影響。氮肥偏生產力、氮肥農學效率和氮肥表觀利用率隨生物炭施用量增加呈先增后減的趨勢；氮素收獲指數呈先減后增再減的趨勢。與B0 處理相比，B1 處理水稻的氮肥偏生產力和氮肥表觀利用率分別增加了14.2%和20.6%，差異顯著，增施生物炭各處理的氮肥農學效率顯著增加2.2～3.2 倍；但B3 處理的氮肥偏生產力顯著下降；增施生物炭各處理的氮素收獲指數顯著上升，其增幅為20.2%～24.8%。所以，合理增施生物炭有利于提高氮肥利用率。

表5 施用生物炭處理的氮肥利用率Table 5 Nitrogen use efficiency of biochar treatment

3 討論

3.1 施用生物炭對水稻產量及品質的影響

多數研究表明，施用生物炭有利于提高作物產量[18]。本研究中，不同施用量的生物炭均能有效提高水稻產量，與常規施肥相比，施用生物炭處理秸稈干物質積累降低，水稻地上部總生物量均增加。榮飛龍等[19]綜合5 年試驗結果表明，酸性稻田增施生物炭有利于改善水稻群體質量，并促進水稻增產，且增產效果隨生物炭施用量增加而增加；酸性稻田一次性增施生物炭后，其增產效果能穩定維持3 年；高炭量增施(100 t/hm2和80 t/hm2)比低中炭量增施能更明顯促進水稻生長和增產，且持續增產潛力較好。張愛平等[20]研究發現，常規施肥條件下，增施生物炭可顯著增加水稻籽粒產量，促進晚稻地上部干物質積累[21，22]，這與本研究結果一致。施用生物炭對水稻產量的影響主要是通過對水稻千粒質量、每穴穗數、每穗粒數和結實率的影響而實現[23－26]。

本研究表明，施用生物炭對稻米的品質指標有不同影響。在增施不同量生物炭處理下，精米率有增加也有減少，堊白不同程度的減少；與常規施肥相比，糙米率隨生物炭的施用量增加而減少，B1 處理對有效控制精米率、堊白粒率、堊白度和直鏈淀粉效果較好。整精米率是稻米品質的重要性狀，其高低直接影響稻米的出品率、品質和價格，優質稻谷國家標準己將整精米率作為稻谷定價等的主要指標之一[27]。陳夢云等[28]研究發現，秸稈還田能提高整精米率，但增加了稻米堊白，降低了稻米外觀品質和食味品質。可能與當地氣候條件和施用的物料有關。史登林等[29]研究表明，適量生物炭(5 t/hm2)配施氮肥(80%)對土壤微生物量碳、氮、稻谷產量和品質的提升效果最好，可作為貴州黃壤稻田水稻氮肥減施增效的較好選擇，與本研究結果相似。

3.2 施用生物炭對氮肥利用率的影響

植株對氮素的吸收累積是作物獲得高產的重要途徑[30]。施用生物炭可以促進干物質積累[15，16]。呂廣德等[17]對玉米整個生育期的研究表明，氮素積累量并未隨氮素施用量的增加而增加，而是在施用量為181 kg/hm2時達到最高，之后會下降。而本研究中水稻的氮素積累量隨生物炭的增加而增加的原因是由于生物炭自身的結構特點，其施入后會增大土壤孔隙度，促進根系生長，促進氮素吸收。

本研究發現，常規施肥的基礎上增施不同量的生物炭能不同程度地提高氮肥農學效率、氮素收獲指數，氮肥偏生產力和氮肥表觀利用率只有增施4 t/hm2生物炭時效果較好。當前國內的不合理施肥極容易造成水體污染、土壤板結等問題，而農作物自身對化肥的吸收利用率有限，生物炭基肥料能緊密結合生物質炭與化肥，使肥效得以緩釋并減少化肥流失，降低化肥的使用量并提高其利用率[31，32]。已有研究發現，炭基肥中的生物炭利用其表面較高的離子交換量和活躍的羧基、羥基等官能團，可將土壤和肥料中的氮素(NH4＋或NO3－)緊緊吸附在生物炭表面，減少氮素向下層土壤的淋溶與固定，且能有效防止氮素的氣態損失(氨揮發等)，提高氮素有效性[33]。韓曉日等[34]研究指出，連續施用生物炭能改善土壤物理結構，提高土壤pH 值、有機質和全氮含量，促進氮素的緩慢釋放，減少損失，提高氮肥利用效率。陳玉真等[35]研究發現，適量施用生物炭能提高肥料利用率，與本研究結果一致。

4 結論

施用生物炭對水稻有增產效果，且能提高稻米品質和水稻的氮肥利用率，以4.0 t/hm2生物炭＋常規施肥效果較好。4.0 t/hm2生物炭＋常規施肥與不施肥相比增產40.0%，與常規施肥相比增產32.1%；與常規施肥相比，稻米堊白度和堊白粒率分別顯著降低33.3%和44.4%，精米率和直鏈淀粉含量分別提高0.31%和0.4%。4.0 t/hm2生物炭＋常規施肥處理氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥表觀利用率和氮素收獲指數均增加，能有效提高氮肥利用率。