基于生物炭添加的控制灌排对水稻抗倒伏能力及产量的影响

2020-06-12于敏荣邵光成孟佳佳汤树海

中国农村水利水电 2020年5期

雷蕾，于敏荣，高军，邵光成，孟佳佳，汤树海

(1.河海大学农业工程学院，南京 210098；2.南京市六合区水务局，南京 211500；3.南京水利水文自动化研究所，南京 210012； 4.淮安市水利局规划办，江苏淮安 223005；5.涟水县水利科学研究站，江苏淮安 223400)

0 引言

水稻在中国具有重要的地位，是主要粮食作物[1,2]，也是最大的耗水作物，因此提高水稻产量和减少水稻用水量，不仅对于促进农业高效优质生产意义重大，而且有利于缓解我国水资源短缺问题。尽管水稻节水灌溉可以提高水肥利用效率，实现作物高产稳产，改善稻米品质[3,4]，但由于在南方，水稻生长期适逢雨季，经常性的暴雨引起的过量排水已经成为制约雨水和灌溉水利用效率提高的重要原因。因此，将节水灌溉和控制排水结合的控制灌排近年来成为我国南方地区稻田水分管理的一种主要形式，通过合理控制灌排，有助于提高降雨利用效率，减少稻田氮磷损失，揭示控制灌排对作物生长发育及产量的作用效应，对南方水稻优质、高效、可持续生产和改善南方水田区水环境具有重要的理论与现实意义。

生物炭作为一种土壤改良剂，广泛应用于农业生产与环境等领域[5]。生物炭(Biochar)一般指生物质如木材、农作物废弃物、植物组织或动物骨骼等在完全或部分缺氧和相对温度“较低”(<700 ℃)条件下热裂解而形成的固态产物[6]。大量研究表明，施用生物炭不仅可以使得土壤理化指标得到改善、土壤含水量提高，而且提高了土壤肥力，有利于农作物生长发育，最终提高产量[7-9]。现有研究表明生物炭施加量对生长指标，如株高、有效分蘖、叶面积指数、千粒重等有较大影响；而灌水模式则对产量指标，如结实率、干重、平均每穗粒数等影响更明显[10]。倒伏是制约水稻高产、稳产和优产的主要因素之一，一般致使水稻减产10%甚至更大损失[11]。近年来的研究发现，合理利用灌溉排水，可以有效调节生物炭固水保肥的特性。控制灌排对进行生物炭处理的作物生长有何影响？作物抗倒伏能力如何响应?作物产量指标是否受显著影响？等等以上问题都有待于进一步研究。水稻的灌溉排水问题，实际上是如何控制稻田水位变化的问题，即农田水位调控的问题。农田水位调控是指通过灌溉排水措施保持田面适当水深或维持田间地下水位适当埋深的策略。因此，本文在水稻控制灌溉的基础上进行控制灌排，人为地增加蓄水上限，降低灌水下限，同时面对生物炭和控制灌排共同作用下作物水分利用过程，研究不同生育期水稻的株高及其他生长指标响应来表征不同水位控制及生物炭处理下的水稻生长指标变化，并对水稻抗倒伏相关指标和产量展开分析，将成为南方水稻优质高效生产的必要要求。

1 材料与方法

1.1 试验站概况

本研究于2016年6-10月在涟水水利科学研究站新建测坑内进行试验，测坑面积为3 m ×3 m。试验区位于涟水县朱码镇境内(119°16′E，33°50′N)，属于亚热带季风气候，年平均气温14.4 ℃，降雨量时间分布不均，多年平均降雨量979.1 mm，年蒸发量1 385.4 mm，日照时数2 280 h，平均无霜期240 d。测坑无遮雨棚，水稻生长期降水量以及蒸发量等气象数据由试验区小型气象站提供。测坑内土壤质地为壤土，0～30 cm土层土壤田间持水率为27.9%(质量含水率)，土壤容重为1.42 g/cm3，pH为6.82，有机质质量分数为2.19%，全氮为0.98 g/kg，全磷为1.12 g/kg。

1.2 试验设计

供试水稻品种为当地高产品种两优9918。水稻于5月26日泡种，5月29日育秧，6月25日移植，10月29日收割。水稻移植密度皆为15 cm×22 cm，每穴3根籽苗。水稻生长期共施3次肥，基肥为复合肥(N∶P2O5∶K2O 为15∶15∶15)，施肥量为900 kg/hm2，追肥2次均为尿素(含氮量为46.4%)，追肥量为300 kg/hm2。供试秸秆生物炭为玉米秸秆在约450 ℃微氧环境下炭化而成，其pH值为10.15、全碳量为358.7 g/kg、全氮量为6.56 g/kg、有效磷为0.69 g/kg、速效钾为4.93 g/kg。生物炭施加比例以每千克干土施加生物炭的量计，根据土体重量计算生物炭重量，再将生物炭与土壤充分混匀。

试验设水位控制和生物炭施加2因素。具体水位控制指标与生物炭处理如表1所示。分蘖期时，水位控制为轻旱控排(W1)水平下，当田间水位低于-20 cm时灌水到2 cm，田间水位超过10 cm时排水至允许蓄水水位10 cm，水位控制为重旱控排(W2)水平下，当田间水位低于-30 cm时灌水到2 cm，田间水位超过20 cm时排水至允许蓄水水位20 cm。拔节孕穗期至乳熟期，水位控制为轻旱控排(W1)水平下，田间水位低于-20 cm时灌水到5 cm，田间水位超过20 cm时排水至允许蓄水水位20 cm，水位控制为重旱控排(W2)水平下，田间水位低于-30 cm时灌水到5 cm，田间水位超过30 cm时排水至允许蓄水水位30 cm；黄熟期不留水层，自然落干。本文的对照是参照当地的水稻灌排制度而设计的处理W1B0。每个处理重复3次共12个测坑，各测坑随机布置。除水位控制及生物炭处理外，其他农技措施均相同。

表1 不同水位控制指标及生物炭处理 cm

注：生物炭施加设2种模式，B0：无生物炭施加，B1:50 g/kg(以每千克干土施加生物炭的质量计)。W1、W2指两种水位控制水平，以农田水位状况作为田间水分控制指标，单位为cm，负值表示田间地下水埋深，正值表示田面水层深度，-I～J～K, I为灌水适宜下限，J为灌水适宜上限，K为降雨时允许蓄水深度。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 水位及水量观测

每日上午08∶00-09∶00测定稻田内水位深度，水层深度通过钢尺读数。当天的观测值低于或接近下限值(差值≤10 mm(水层)或50 mm(地下水))时，按处理要求进行灌溉。①若田面有水层，记录灌水前后水层深度，两者之差即灌水量。②若田面无水层，记录灌水量。

地表进行排水时，记录排水前后的水层深度，深度之差即为排水量。田间渗漏量利用田间测筒进行测定。

1.3.2 土壤水分观测

田面无水层阶段，应每2 d定时(早上9点之前)观测表层(0～20 cm)的土壤含水量。

1.3.3 生长发育、抗倒伏相关指标观测

株高：水稻移栽前测量一次株高。从分蘖期开始，每个测坑每隔5 d定点观测5穴株高，控水处理的在控水前后各加测一次。测量作物地面以上的长度(不包括根部)：扬花之前为田面至最高叶尖的高度，扬花后为田面至穗顶(不计芒)的高度。

根据近年来的试验结果，水稻黄熟期前后倒伏几率最大。故在黄熟期每个测坑随机选取3穴，每穴选择3个茎秆，共9个重复。取样时齐土割掉地上部分备用。

节间长度、节间干质量和单位长度节间干质量：将主茎依据节点剪断，基部第一伸长节间称为第一节间(Ⅰ)，向上依次为第二节间(Ⅱ)、第三节间(Ⅲ)。用钢尺测量各节间长度。将各节间茎秆放置于烘箱中，105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干直至质量恒定，称重各节间茎秆干质量。单位长度节间干质量=节间干质量/节间长度。

节间外径和茎壁厚度：将节间自中部截断，用游标卡尺量测茎秆长轴外径和短轴外径(带叶鞘)，取平均值即为节间外径。测定长轴、短轴和茎壁4个交点的厚度，取平均值作为茎壁厚度。

穗长、穗鲜质量和单株鲜质量：用钢尺量测穗长并用天平测定鲜质量，剪去地面以下的部分称重，即得单株鲜质量。

茎秆抗折力(F)：参考文献[12]，鉴于水稻倒伏的主要形式是茎秆的基部倒伏[13]，故选取基部第二节间作为测试样本。将茎秆(含叶鞘)放置水平，固定两端使其成为简支梁，中间部位悬空，使用电子万能试验机(CMT6104)，在茎秆中心位置放置压力应变传感器(20 N)，施加自上而下的竖向压力，传感器以0.1 mm/s的速度向下移动，伴随传感器向下移动，茎秆压力和挠度不断增大，压力达到最大值时茎秆发生屈服破坏，此时的最大压力即茎秆最大抗折力(N)。

弯曲力矩(BM)：第二节间基部至穗顶长度×第二节间基部至穗顶鲜质量×0.001×9.8，N·cm。

倒伏指数(LI)：LI=BM/F×100。参考濑古秀生的方法计算，具体参见文献[14]。

累积破坏能量(D)：水稻茎秆从开始受力直至发生破坏，中心位移量以及压力乘积之和就是茎秆累积破坏能量。计算机软件自动采集施加压力及传感器位移量，采集间隔为0.1 s。根据既定破坏时间，计算此前每个0.1 s内压力与位移的乘积，累加即得累积破坏能量。

1.3.4 考种

水稻收获期，在每个测坑中选取5穴具有代表性的植株，晾干后观测每穗粒数、有效穗数和千粒重，计算空秕率。对所有水稻植株进行收割、脱粒、晾干、称重，最终计算产量。

1.4 数据处理与方法

采用Microsoft Excel 2016绘制表格，利用SPSS 22.0软件依据最小极差法(LSD)对本文数据进行显著性分析(α=0.05)，运用Origin 2017软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻生长指标的影响

2.1.1 生物炭和控制灌排对水稻株高的影响

水稻分蘖期是水稻形成产量的重要时期，分蘖期水稻株高增速较快。由图1(a)可知，W2B1在分蘖期末期株高最高，其次是W1B1、W2B0、W1B0。W1B0、W1B1、W2B0、W2B1的增长速率分别1.94、2.14、2.16、2.25 cm/d。前期各处理差异不明显，后期相同水位控制下，生物炭在分蘖期对水稻株高的促进作用比较明显，原因主要是生物炭有利于提高根系下扎深度，促进根系纵向生长，可以吸收更多土壤中的养分[15]。没有生物炭或相同生物炭施加情况下，淹水深度越高，更有利于植株生长，相关研究结果也表明，短时间淹水能促进植株乙烯的合成，有利于茎秆的延长生长，能减轻涝胁迫的影响，导致该时期水稻株高增长较快[16,17]。

图1 不同处理下水稻各生育期株高变化Fig.1 Plant height changes at different growth stages of rice under different treatments

由图1(b)可知，在拔节孕穗期W1B1水稻株高最高，其次是W2B1、W2B0、W1B0。增速按从大到小排序依次是W1B1、W2B0、W2B1、W1B0，分别是1.81，1.66，1.64，1.52 cm/d。各处理末期株高与株高增速均高于W1B0处理。W1B0与W1B1相比，W1B1比W1B0高16.6 cm，结合W2B0与W2B1相比可以得出，生物炭在拔节孕穗期对水稻株高亦具有明显促进作用，W1B0与W2B0，W1B1与W2B1相比表明控制灌排W2水平有利于植株生长，7月29日左右株高增长速度加快，但随着受涝时间的延长，水位过高不利于生长，株高增长趋于缓慢[18]，与W2B0、W2B1株高增速均低于W1B1株高增速规律一致，但仍高于W1B0对照株高增速。

由图1(c)可知，各处理在抽穗开花期增长速度较缓慢，株高趋于稳定，主要是由于水稻从营养生长转向生殖生长，最终呈现稳定趋势，株高增长趋于缓慢。株高从高到低排序依次是：W2B1、W1B1、W2B0、W1B0。W1B1株高比W1B0高8.47%，W2B1比W2B0高2.97%，可以看出低水位情况下生物炭施加对株高的促进作用更明显。W2B0株高较W1B0高9.2 cm，W2B1株高较W1B1高2.2 cm，可看出控制灌排W2水平可以显著增加株高高度，而控制灌排W2水平对株高的促进作用并未因施加生物炭而得到加强。

2.1.2 生物炭和控制水位对水稻茎秆形态性状的影响

不同生物炭与控制灌排处理下的水稻茎秆形态性状表明(表2)，W1B1处理各节节间长度较W1B0处理分别显著减少了17.1%、19.6%和19.3%；W1B0各节节间长度比W2B0分别小1.24、0.69、0.96 cm，而且两处理之间差异显著(p<0.05)，说明控制灌排W2水平有助于茎干的伸长生长。与处理W1B0相比，W1B1处理的各节节间茎壁厚度分别显著增大了42.9%、44.3%和39.7%；相比W2B0处理，水位控制处理为W1水平下的W1B0各节茎壁厚度也显著增大，而且两者之间差异显著(p<0.05)。施加生物炭的W1B1处理与W1B0处理相比，其各节节间外径显著增大(p<0.05)；而水位控制W1的各节节间外径则较水位控制W2分别显著增加了8.4%、5.9%和13.4%(p<0.05)。综上，生物炭处理可以显著降低茎间长度，增加茎壁厚度，增大节间外径，控制灌排W2水平则使各节节间长度显著增长，减小茎壁厚度和节间外径。

由表3可知，对于基部节间干质量，W1B1处理较W1B0处理各节分别增大了44.4%、43.9%、17.4%，而且处理之间差异显著。控制灌排处理下，W2B0和W1B0处理，W2B1和W1B1处理之间除第三节外，第一节、第二节的节间干质量差异均不显著(p<0.05)。对于单位长度节间干质量，W1B1处理较W1B0各节分别显著增大了71.8%、39.5%、46.7%；相较于传统水位处理，控制灌排W2水平处理下各节单位长度节间干质量均显著下降(p<0.05)。综上，生物炭处理对基部节间干物质量和单位长度节间干质量均有极显著影响，控制灌排则只对单位长度节间干质量有极显著影响，对第二节基部节间干物质量有显著影响，而生物炭和控制灌排交互作用除对第二节基部节间干物质量无显著影响，其他均为极显著影响。

表2 不同处理下水稻茎秆形态Tab.2 Stem morphology of rice under different treatments

注：*表示差异显著(0.01

表3 不同处理下的基部节间干质量与单位长度节间干质量Tab.3 The basal internode dry mass and internode dry mass per unit length under different treatments

2.1.3 生物炭和控制水位对茎秆力学性状及抗倒伏能力的影响

抗折力(BR)是水稻在自上而下垂直作用力下发生折断时茎秆能够承受的最大压力，是用来评价茎秆抗倒伏能力的重要指标之一；弯曲力矩(BM)是衡量茎秆抗倒伏能力的另一关键指标，其与抗折力的比值表征倒伏指数；倒伏指数(LI)是表示水稻抗倒伏能力的一个综合直观指标，倒伏指数越低，水稻越不易倒伏，即其茎秆抗倒伏能力越强。不同处理下BR、BM、LI等水稻茎秆力学指标如表4所示。

表4 不同处理下茎秆力学性状及抗倒伏能力Tab.4 Mechanical properties and lodging resistance of stem under different treatments

由表4发现，施加生物炭处理下的W1B1的抗折力和弯曲力矩分别较W1B0处理显著增加了14.2%和9.3%；水位控制为W2水平下水稻植株茎秆抗折力和弯曲力矩则较水位处理W1显著降低了8.9%和13.9%(p<0.05)；弯曲力矩由株高和地上部分鲜质量共同决定。与W1B0处理鲜质量(17.56 g/株)相比，W1B1处理鲜质量(19.43 g/株)显著增加了10.65%，W2B0处理鲜质量(15.23 g/株)则显著降低了13.3%，这表明地上部分鲜质量的不同引起了各处理弯曲力矩的差异。

倒伏指数是衡量水稻倒伏性能的综合指标，其数值越小，水稻发生倒伏的概率越低，即抗倒伏能力越强。茎秆累积破坏能量(DE)是评判水稻茎秆抗倒伏能力的重要指标，体现了茎秆抵抗持续变形的能力和外力作用下的耐受力。研究表明，相同水位处理下，施加生物炭可使水稻植株茎倒伏指数显著下降，如W1B1处理较W1B0处理降低4.3%，W2B1处理较W2B0处理下降5.8%；而无生物炭或相同生物炭施加情况下，控制灌排W2处理则使水稻植株茎倒伏指数显著增大，意味着控制灌排W2处理会使水稻发生潜在倒伏的概率增大。至于累积破坏能量，相同水位下施加生物炭处理可使其显著增大，而控制灌排W2处理则使其显著减小。综上，生物炭施加及控制灌排处理均极显著影响抗折力、弯曲力矩、倒伏指数和累积破坏能量，而在生物炭与控制灌排交互作用下，以上指标差异不显著(p>0.01)，可以推测，生物炭施加和控制灌排之间的耦合作用不明显。

2.2 生物炭和控制水位对水稻穗长、空秕率及产量的影响

如表5所示，施加生物炭和水位控制均对水稻穗长有极其显著的影响(p<0.01)，生物炭施加与水位控制交互作用对水稻穗长有显著影响(p<0.05)。在两种控制灌排下，生物炭施加均显著增加了穗长。相同条件下，控制灌排W2处理对穗长具有显著促进作用，其中W2B0处理比W1B0高出7.1%，当施加生物炭的W2B1处理则比W1B1高出10.4%。相比处理W1B0，水位控制对水稻穗长的促进作用明显强于生物炭对水稻穗长的影响。

表5 不同处理下水稻的穗长、空秕率、产量与千粒重Tab.5 Panicle length, empty chaff rate, yield and 1000-grain weight of rice under different treatments

在两种水位控制情况下，生物炭施加对空秕率的下降影响不显著。在不施加生物炭和施加生物炭情况下，控制灌排W2处理均显著减少稻谷的空秕率，同时，施加生物炭对水稻空秕率有显著的影响，通过方差分析发现，控制灌排对水稻空秕率的影响为极显著(p<0.01)，但是控制灌排和生物炭交互作用后对水稻空秕率则没有显著影响。

施加生物炭对水稻产量有极显著的影响(p<0.01)，控制灌排对水稻产量有极其显著影响(p<0.01)，但水位控制和生物炭交互作用对水稻产量无显著影响。在控制灌排为W1条件下，W1B0产量与W1B1存在显著差异，W1B1处理比W1B0处理高出6.66%。在水位控制为W2条件下，施加生物炭W2B1处理的产量显著高于W2B0处理。在不施加生物炭和施加生物炭的情况下，控制灌排W2处理均显著提高了水稻产量，其中W2B0比W1B0高出8.40%，当施加生物炭处理W2B1比W1B1高出6.73%。研究发现，相比处理W1B0，控制灌排对水稻产量的影响强于生物炭。

在两种水位控制情况下，生物炭施加对千粒重的影响均不显著。在不施加生物炭和施加生物炭的条件下，控制灌排W2处理均显著增加了千粒重，其中W2B0处理比W1B0高了3.5%，W2B1比W1B1高了3.6%。相比处理W1B0，控制灌排W2处理比生物炭添加更有利于增大千粒重。方差分析发现，生物炭施加对水稻千粒重无显著的影响(p>0.05)，控制灌排对水稻千粒重存在极其显著影响(p<0.01)，而控制灌排和生物炭交互作用对水稻千粒重无显著影响(p>0.05)。

3 讨论

3.1 生物炭和控制水位对水稻株高的影响

袁琴琴[19]认为生物炭在土壤改良剂运用过程中,不仅能够有效地减少土壤中养分的流失,而且能够有效地促进土壤中养分的停留，对土壤中养分的循环产生很重要的作用。在水稻分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期、灌浆结实期生物炭对株高均起促进作用。Zwieten等[20]以10 t/hm2的生物炭施用量为标准加入到酸性土壤中，结果发现小麦株高显著提高。刘世杰等[21]的研究也证明，施用生物炭的玉米其株高、茎粗较没有施用生物炭的处理分别增加了4.31～13.13和0.04～0.18 cm。于艳梅等[22]研究表明淹水深度逐渐增加，水稻株高增长幅度越大，淹水历时越长，水稻株高增幅越明显。本研究发现在生物炭添加及控制灌排W2条件下，水稻株高均得到显著提高，原因可能在于生物炭添加改善了土壤水分条件，有效促进了土壤养分的停留，而控制灌排使得降雨过后无需频繁排水，保留了土壤及水体中氮磷等营养元素，同时灌水下限的降低有助于根系呼吸，促进根系生长，地下水埋深越大，作物根系在土壤层生长越发旺盛，扎根深度越高，吸收养分能力越强，进而使株高增加，这与王晓红等[23]的研究结果一致。同时本研究也发现控制灌排W2处理对株高的促进作用并未因施加生物炭而得到加强，原因可能是生物炭施入土壤时间较短，相关耦合效果还需进一步实验研究。

3.2 生物炭和控制水位对水稻茎秆形态、力学性状及抗倒伏能力的影响

研究表明，水稻发生倒伏的敏感时期是齐穗后21～30 d，发生倒伏的敏感节位多在茎秆基部的2～3个节间[24-26]，植株的抗倒伏性与株高、重心、茎粗、节间长度、节间粗度、茎壁厚度、茎秆质量等茎秆物理性状以及茎秆横切面积、大小维管束数目和面积等茎秆组织解剖结构关系均十分密切。株高过高，特别是下部两个节间过长是倒伏的重要原因[27]。在齐穗后25 d，对株高、节间长度、节间粗度、茎壁厚度、节间干质量等茎秆物理性状和茎秆抗折力、弯曲力矩等力学特性进行测定与计算，并对它们与植株抗倒伏能力的关系进行研究与分析。研究表明，淹水深度过大会导致茎秆节间长度增加，茎粗减小，机械强度降低，易引起后期倒伏[28]；淹水深度过大会降低水稻抗倒伏能力[29,30]。彭世彰等[31]认为控制灌溉下水稻节间长度下降、基部茎秆壁厚增加，力学性能较常规灌溉更为优越。目前有关生物炭研究主要集中在土壤改良、作物增产、温室气体减排和调控土壤微环境等方面，而针对生物炭施加对水稻抗倒伏能力的影响的相关研究较少，针对生物炭与控制灌排对水稻抗倒伏能力的耦合影响，相关研究更是匮乏。本研究发现，生物炭添加有助于缩短节间长度，同时增大茎秆壁厚，使得节间外径变大，同时增大基部节间干质量，最终使水稻的抗倒伏能力得到提高。但在控制灌排W2条件下，水稻的倒伏指数升高，累积破坏能量下降，水稻抗倒伏能力呈现下降的趋势，这与郭相平等[13]研究发现的在节水模式下适当加大雨后蓄水深度不会增加倒伏风险的结论相反，原因可能是涝胁迫带来的拮抗倒伏的效果是有限的，同时也与受涝程度有关，可以推测，若淹水时间过长，水稻的抗倒伏能力仍呈下降趋势。同时本研究也发现生物炭及水位控制对水稻倒伏性能无显著耦合作用，可能是由于生物炭施加对抗倒伏能力的提高作用与控制灌排W2处理增大水稻倒伏性能的负效应存在抵消，具体机理及相关作用还需进一步实验验证。

3.3 生物炭和控制水位对水稻穗长、空秕率及产量的影响

李昌见等[5]研究表明生物炭能促进作物生长、提高作物产量。作物干物质的累积、分配与土壤水分分布关系紧密，封超年等[32]研究发现不同地下水埋深调控了小麦根系在土体的分布范围、下扎深度和功能，调节了光合生产能力，影响花后干物质积累量，使库容量和库的充实度发生差异，最终影响产量。本研究表明单独生物炭添加和控制灌排W2处理均显著提高了水稻产量，这与张伟明等[15]和郭枫等[33]的研究结果一致。其中水位控制对产量的影响更为明显。同时，本研究发现生物炭施加对增大作物千粒重的影响不显著，可能的原因在于生物炭的原料特性、理化性质、施用量、施用方式、土壤质地、环境条件等差异，因此，针对生物炭对于千粒重及产量的影响研究还需要更长期、深入具体的试验。