生物炭施用對(duì)節(jié)水灌溉稻田水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

馬創(chuàng)業(yè)

（昆山市水務(wù)工程建設(shè)管理處，江蘇 蘇州 215300）

0 引言

我國(guó)水稻種植面積巨大，其優(yōu)化種植、提高產(chǎn)量等問(wèn)題一直廣受關(guān)注。生物炭是生物有機(jī)物質(zhì)（也稱為生物質(zhì)）在厭氧或低氧環(huán)境下熱解而產(chǎn)生的固體副產(chǎn)物[1]。其因具有孔隙率大、高比表面積、較強(qiáng)的吸附能力[2]等良好特性，近年來(lái)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用中受到了廣泛關(guān)注。

生物炭對(duì)稻田水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量影響的已有研究大多針對(duì)淹水灌溉或者短期的干濕交替過(guò)程，較少全生育期無(wú)水層節(jié)水灌溉技術(shù)條件下的相關(guān)研究[3]。本研究創(chuàng)新性地將水稻秸稈生物炭的稻田利用與目前已較成熟的稻田無(wú)水層控制灌溉技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，通過(guò)對(duì)水稻全生育期的灌溉試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，分析梯度添加生物炭對(duì)節(jié)水灌溉模式稻田水稻生長(zhǎng)發(fā)育及相應(yīng)產(chǎn)量的影響，提出稻田節(jié)水高產(chǎn)的水碳管理模式，為實(shí)現(xiàn)節(jié)水型新農(nóng)業(yè)以優(yōu)化水稻種植環(huán)節(jié)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)場(chǎng)位于昆山市灌排試驗(yàn)基地（34°63′21″N，121°05′22″E）。試驗(yàn)地稻田采用稻麥輪作制，年降水量1 090.9 mm。依據(jù)不同生物炭施用量和灌溉管理模式共設(shè)置4 個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，具體設(shè)置為：在控制灌溉模式（CI）下設(shè)置0、20 t·ha-1、40 t·ha-1共3 個(gè)水稻秸稈生物炭添加量水平，在淹灌模式（FI）下添加40 t·ha-1水稻秸稈生物炭，對(duì)4 個(gè)處理分別命名為C0、C20、C40 和F40。本試驗(yàn)在基地內(nèi)部蒸滲儀田塊上進(jìn)行，蒸滲儀有長(zhǎng)寬分別為2.5 m 和2 m 的小區(qū)田塊共計(jì)12 個(gè)。對(duì)于CI 處理的稻田，僅在水稻返青期內(nèi)保持稻田內(nèi)5 mm～25 mm水層，其余時(shí)間除施藥施肥期外，控制稻田內(nèi)不留水層，以稻田水稻根際層土壤的含水量作為水稻不同時(shí)期對(duì)灌溉水需求程度的判別指標(biāo)，灌水的下限定為60%～80%土壤飽和含水量，上限為100%土壤飽和含水量[4]。對(duì)于FI 處理的稻田，除分蘗后期所進(jìn)行的排水曬田活動(dòng)期間外，其余時(shí)期均確保田面內(nèi)有30 mm～50 mm 的水層，達(dá)黃熟期后則不再灌水，使稻田自然落干直至水稻收獲。

水稻秸稈生物炭于水稻插秧前人工一次性施入稻田表層土壤（0～20 cm）內(nèi)。所使用的生物炭pH 值、有機(jī)碳含量和氮含量分別為10.1、42.6%和0.75%。化肥施用量和施肥時(shí)間根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣進(jìn)行，水稻生育期內(nèi)氮肥施肥日期及施肥量記錄表見表1。 年氮肥總投入量為273.0 kg·ha-1，所有處理均施用相同的磷鉀肥（54.0 kg·ha-1P2O5和76.5 kg·ha-1K2O）。

表1 水稻生育期內(nèi)氮肥施肥日期及施肥量記錄表

1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及采樣

在水稻整個(gè)生育期內(nèi)，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)10 個(gè)不同的位置設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，以間隔5～7 天為觀測(cè)頻率，記錄一次水稻分蘗數(shù)和株高。水稻成熟后，測(cè)量每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的水稻產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成（如有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗實(shí)粒數(shù)）。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選擇5 個(gè)點(diǎn)作為代表點(diǎn)，首先記錄每一小區(qū)水稻的有效穗數(shù)（10 粒以上的穗數(shù)），并計(jì)算每一小區(qū)的平均有效穗數(shù)。然后記錄每代表點(diǎn)的水稻穗實(shí)粒數(shù)和總粒數(shù)，每代表點(diǎn)總粒數(shù)除以有效穗數(shù)即為每穗粒數(shù)，每代表點(diǎn)的穗實(shí)粒數(shù)除以有效穗數(shù)即為每穗實(shí)粒數(shù)。

結(jié)實(shí)率是指每穗實(shí)粒數(shù)與每穗粒數(shù)之比，是水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。千粒重為隨機(jī)裝填的1 000 粒籽粒的風(fēng)干重量。實(shí)際產(chǎn)量（樣方產(chǎn)量）由樣地測(cè)得。

灌水量根據(jù)水表讀數(shù)。灌溉用水效率（YWURir）表示單位灌溉用水量的水稻生產(chǎn)率，由下式計(jì)算得出：

式中，Y——水稻產(chǎn)量，kg·ha-1；IR——灌溉水量，mm。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究中所有數(shù)據(jù)均使用Excel、IBMSPSS 23.0進(jìn)行處理及統(tǒng)計(jì)分析，并繪制相關(guān)圖表[5]；使用單因素方差（one-way ANOVA）分析了生物炭施用水平及灌溉方式對(duì)水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量等的影響。使用最小顯著性差異檢驗(yàn)方法（LSD）檢驗(yàn)處理間差異的顯著性[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭添加對(duì)節(jié)水灌溉水稻生長(zhǎng)的影響

本試驗(yàn)的水稻全生育期分蘗數(shù)隨移栽后天數(shù)的動(dòng)態(tài)變化特征見圖1。由圖可知，不同處理下的水稻分蘗數(shù)、株高等在各個(gè)時(shí)期并不相同，但其隨移栽后天數(shù)的變化特征是比較一致的。在水稻分蘗期（移栽后前40 天），水稻分蘗數(shù)迅速增加并達(dá)到峰值，此后由于分蘗末期曬田等措施導(dǎo)致無(wú)效分蘗的逐漸消亡（移栽后40～60 天），水稻分蘗數(shù)有明顯的減少。分蘗末期之后水稻分蘗數(shù)再無(wú)明顯變化，保持基本穩(wěn)定，這與理論上水稻的生育周期發(fā)展情況相符。

圖1 不同處理下水稻莖蘗、株高隨種植天數(shù)的變化圖

在控制灌溉（CI）處理下，添加生物炭增加了水稻分蘗數(shù)，但結(jié)果不顯著。C20、C40 處理全生育期平均分蘗數(shù)較C0 處理分別增加了3.69% 和1.06%。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，淹水灌溉稻田平均分蘗數(shù)顯著高于控制灌溉稻田。目前關(guān)于生物炭對(duì)水稻分蘗數(shù)影響的研究結(jié)果不一致。研究結(jié)果存在差異的原因可能是生物炭原料、熱解溫度和顆粒大小等生產(chǎn)參數(shù)以及稻田土壤類型、田間管理方式的差異，也可能是由于某些生物炭的潛在毒性[7]。

不同處理的水稻株高隨移栽后天數(shù)的動(dòng)態(tài)變化基本呈現(xiàn)“S”型趨勢(shì)（如圖1 所示）。移栽后水稻株高逐漸增加（移栽后前50 天），并在拔節(jié)孕穗期達(dá)到最大增速時(shí)期（移栽后50～70 天），移栽后70 天水稻進(jìn)入乳熟期，株高基本趨于穩(wěn)定沒有明顯增長(zhǎng)。生育前期（移栽后35 天內(nèi)）各處理間水稻株高差異不大。隨生育期延續(xù)，各處理間差異逐漸增大。生育后期，C20 及C40 處理的株高較C0 處理一直更高，株高優(yōu)勢(shì)基本保持在3.03 cm～8.91 cm和0.52 cm～5.89 cm之內(nèi)。在控制灌溉（C40）處理下，添加生物炭顯著增加了水稻株高，如表2 所示。C0、C20、C40 處理水稻全生育期株高增量分別為50.5 cm、49.5 cm、53.30 cm。高量生物炭施用增加了水稻全生育期株高增量，增加率達(dá)5.54%。除此之外，本研究還發(fā)現(xiàn)灌溉模式的不同對(duì)水稻株高也有影響，控制灌溉C40 處理下的水稻株高全生育期增量（53.30 cm）明顯低于淹灌F40 處理（62.00 cm），全生育期內(nèi)F40 處理的株高優(yōu)勢(shì)保持在0.50 cm～11.44 cm 內(nèi)，在水稻移栽35 天后株高優(yōu)勢(shì)尤為明顯且差異愈發(fā)增大。

表2 水稻全生育期平均分蘗數(shù)和株高

現(xiàn)有的研究均已證明，土壤中添加生物炭確實(shí)可以促進(jìn)相應(yīng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，并提高其產(chǎn)量[8]。本研究結(jié)果表明，在稻田中添加水稻秸稈生物炭促進(jìn)了水稻株高的增長(zhǎng)，C40 處理組水稻株高顯著高于C0 和C20 處理組水稻，平均增高6.31%和5.50%，這與目前的相關(guān)研究結(jié)論一致。

2.2 生物炭添加對(duì)節(jié)水灌溉稻田水稻產(chǎn)量的影響

由表3 可知，節(jié)水灌溉模式下，稻田添加水稻秸稈生物炭能夠起到一定增產(chǎn)作用，且增產(chǎn)效果隨著施用量的增加而增加。未添加生物炭的C0 處理稻田的實(shí)際產(chǎn)量明顯較C20、C40 處理稻田更低（分別低約21.96%和36.78%）。研究還發(fā)現(xiàn)，添加了生物炭的稻田水稻的有效穗數(shù)、實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率均高于未添加生物炭的稻田。其中，中量和高量生物炭施用顯著提高了稻田水稻有效穗數(shù)，C20 和C40 稻田水稻有效穗數(shù)較C0 處理稻田分別增加了46.35%和48.23%（p＜0.05）。有效穗數(shù)、實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率等的增加可能是生物炭施用促使稻田增產(chǎn)的主要原因。該結(jié)果與陳盈等的研究結(jié)果較為一致[9]，在本研究分析中還發(fā)現(xiàn)添加生物炭的稻田在水稻產(chǎn)量增加的同時(shí)，相應(yīng)的實(shí)粒數(shù)、有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率也隨之有一定增加。

表3 水稻產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成

不同灌溉管理方式對(duì)水稻產(chǎn)量影響不大。C40、F40 處理水稻實(shí)際產(chǎn)量分別為7 401 kg·ha-1和7 399 kg·ha-1，較為相近。從主要產(chǎn)量構(gòu)成來(lái)看，節(jié)水灌溉管理方式雖降低了水稻有效穗數(shù)，但增加了水稻實(shí)粒數(shù)。

2.3 節(jié)水灌溉條件下生物炭添加對(duì)稻田灌溉用水效率的影響

灌溉用水量和灌溉用水效率見表4。節(jié)水灌溉管理方式下，不同生物炭施用量稻田的灌溉用水量較為接近，但因各處理間產(chǎn)量的差異，各處理灌溉用水效率也有一定的區(qū)別[10]。灌溉用水效率隨生物炭施用量的增加而增加。C40 處理灌溉用水效率高達(dá)1.282 kg/m3，較C20 和C0 處理分別提高了8.19%和30.02%。相關(guān)研究表明，生物炭本身所具有的疏水特性會(huì)在土壤表面形成臨時(shí)降低水分滲透和水力導(dǎo)度的薄層，該薄層能起到減緩?fù)寥浪终舭l(fā)的作用，有利于提高土壤水分含量；并且，生物炭還會(huì)影響土壤基質(zhì)勢(shì)并改變土壤水力特征，影響土壤和水的結(jié)合、土壤保水性及植物的有效水含量。

表4 不同處理稻田中水稻灌溉用水情況

與淹灌相比，節(jié)水灌溉在保持水稻高產(chǎn)的同時(shí)顯著降低了灌溉用水量。C40 處理的全生育期灌溉用水量為577 mm，較F40 下降了41.54%。節(jié)水灌溉稻田灌溉用水量的顯著減少有效地提高了灌溉用水效率。C40 處理的稻田灌溉用水效率較F40 處理平均提高了約70.93%。

3 結(jié)論

通過(guò)灌溉試驗(yàn)分析，研究了稻田梯度添加水稻秸稈生物炭對(duì)節(jié)水灌溉水稻生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及稻田灌溉水利用效率的影響，主要結(jié)論如下：

1）水稻秸稈生物炭的稻田利用促進(jìn)了節(jié)水灌溉稻田水稻的生長(zhǎng)及發(fā)育，能夠起到增加水稻分蘗數(shù)、提高株高的作用。與本試驗(yàn)中不添加生物炭的對(duì)照組相比，添加了中量（20 t·ha-1）生物炭的稻田平均分蘗數(shù)有一定增加（增加約3.69%）。添加了中量（20 t·ha-1）和高量（40 t·ha-1）生物炭的稻田水稻株高在全生育時(shí)期內(nèi)均高于無(wú)生物炭的對(duì)照組水稻。且水稻秸稈生物炭的投入量越多，相應(yīng)水稻的株高越高。

2）生物炭對(duì)節(jié)水灌溉稻田具有顯著的增產(chǎn)作用，且該增產(chǎn)作用隨生物炭投入量增加而增加。在本試驗(yàn)中，添加高量（40 t·ha-1）生物炭的稻田產(chǎn)量最高達(dá)到了7 401 kg·ha-1，比對(duì)照組增產(chǎn)約36.78%。且稻田添加生物炭使得水稻的實(shí)粒數(shù)、有效穗數(shù)及結(jié)實(shí)率得到了明顯增加，這可能是添加生物炭使得節(jié)水灌溉水稻增產(chǎn)的主要原因。

3）節(jié)水灌溉稻田水稻產(chǎn)量與淹水灌溉稻田相當(dāng)，但節(jié)水灌溉技術(shù)顯著提高了稻田灌溉用水效率。C40處理較F40 處理用水量減少約41.54%，灌溉用水效率平均提高了70.93%。

生物炭作為一種良好的農(nóng)業(yè)土壤改良劑，其在稻田中的利用問(wèn)題一直以來(lái)廣受關(guān)注，后續(xù)可以開展更多生物炭施用水平與無(wú)水層節(jié)水灌溉技術(shù)耦合對(duì)稻田水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量影響的相關(guān)研究，提出最佳的節(jié)水增產(chǎn)水碳管理模式。