减氮配施生物炭对水稻生长发育、干物质积累及产量的影响

2020-08-20柳瑞高阳李恩琳田纪辉蔡昆争

生态环境学报 2020年5期

柳瑞，高阳，李恩琳，田纪辉，蔡昆争 *

1. 华南农业大学资源环境学院，广东广州 510642；2. 农业部华南热带农业环境重点实验室，广东广州 510642；3. 广东省生态循环农业重点实验室，广东广州 510642

水稻是中国最重要的粮食作物，保证水稻的稳产高产对于保障国家粮食安全具有重要意义（赵丽萍等，2013）。目前中国氮肥用量占全球30%，而水稻生产消耗的氮肥则占世界水稻氮肥总用量的37%；此外中国氮肥利用率偏低，仅有30%—35%，明显低于世界平均水平46%（邢晓鸣等，2015）。大量的不合理施用氮肥带来了一系列的生态环境问题。例如资源浪费、环境污染、土壤肥力下降，温室气体增多等一系列问题（杨慧等，2014）。研究表明，中国粮食生产中过量的化肥施用提高了物质成本，并造成了能源浪费，施入土壤的养分通过径流、淋溶等方式进入地下水、河流等水域，造成环境污染和水体富营养化（曹志洪，2003）；不合理施肥显著改变耕作层土壤理化性质，造成土壤酸化、板结、肥力下降（赖力等，2009）；过量施用的氮肥经过氧化还原反应、硝化反硝化作用氨气、氮气、氮氧化物的形态进入大气，也会加速全球变暖进程（朱兆良，2003）。过量施氮也会造成水稻倒伏、贪青晚熟、病虫害发生加重以及稻米品质下降等不良后果。因此，在保障粮食安全的同时，减少氮肥施用已经成为中国农业生产及生态环境方面一个迫切需要解决的重大问题。

生物炭具有发达的孔隙结构，表面具有丰富的含氧官能团，有较强的碱性，可用作改良土壤理化性质，改善土壤养分有效性（Glaser et al.，2002），并且生物炭自身含有大量的有机质和丰富的养分元素，可以直接为作物生长提供养分，促进作物生长发育（袁金华等，2011）。

农田施用生物炭可以显著提高土壤质量，减少养分损失，并且与肥料混施可提高作物产量（何绪生等，2010）。有研究表明，生物炭施用能促进作物生长，提高玉米、小麦、花生等作物的干物质重量和产量（邱海燕等，2017；李帅霖等，2018）。张伟明等（2015）研究发现，生物炭在常规施肥量减少的情况下能提高大豆的产量和增加大豆的蛋白质和脂肪含量。但生物炭在化肥减施情况下是否可以促进水稻植株的生长发育、稳定产量仍需研究证实。本研究针对水稻生产中不合理施氮的现状，研究减量施氮条件下配施秸秆生物炭对水稻生长发育及产量性状的影响，进而为化肥减量化和生物炭的农业生产利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验地点位于华南农业大学校内试验农场（113°21′E，23°9′N），属亚热带季风湿润气候。年平均气温21.9 ℃，年平均降雨量1647.5 mm。试验开始前土壤基本性质如下：pH=5.88，有机质36.36 g·kg−1，全氮 2.65 g·kg−1，全磷 0.58 g·kg−1，全钾 11.07 g·kg−1，铵态氮 2.7 mg·kg−1，硝态氮 4.96 mg·kg−1，有效磷 31.0 mg·kg−1，速效钾 73.42 mg·kg−1，pH=5.88，EC 0.16 dS·m−1，CEC 5.25，C/N 10.63。

1.2 供试材料

供试水稻品种为华航 31号，由华南农业大学农学院提供，该品种综合性状好，耐寒性强，抗稻瘟病，丰产性突出，熟色好，米质优。所用生物炭为稻秆生物炭，由辽宁金和福农业开发有限公司生产，制备温度为 600 ℃。生物炭基本性质如下：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 试验设计

田间试验采用随机区组设计，设置6个处理：对照（不施氮，CK），常规施氮（180 kg·hm−2，N100）、减氮20%（144 kg·hm−2，N80）、减氮20%配施生物炭（N80+BC），减氮40%（108 kg·hm−2，N60）、减氮40%配施生物炭（N60+BC）。氮肥为尿素，施用量为纯量。每个处理3个重复，共18个小区，小区规格为3 m×5 m=15 m2。

试验时间为2018年3月3日—2018年11月11日，分早晚稻进行试验。早稻为3月3日—7月1日，晚稻8月9日—11月11日。在育苗一个月后移栽，一穴两苗，株行距均为20 cm。生物炭仅在早稻水稻移栽前 15 d混入土壤，添加量为 15 t·hm−2。所有处理在早晚稻均施用相同纯量磷肥（75 kg·hm−2）和钾肥（120 kg·hm−2），氮肥和钾肥在移栽前和分蘖期各施 50%，磷肥作为基肥一次性施入，其它生产管理按常规进行。在每季水稻生长的分蘖期、抽穗期和成熟期取样测定相关植株指标。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 株高、分蘖

水稻移栽10 d后，在每个试验小区连续标记10穴水稻植株，每隔10 d记录1次株高和分蘖数，株高为自茎基部至顶叶顶部。

1.4.2 叶绿素荧光参数、叶绿素含量

在水稻生长的分蘖期、抽穗期和成熟期，使用叶绿素荧光仪 OS-30p测定叶片的叶绿素荧光参数，测定前暗处理20 min，每个重复小区随机选取4穴测量。使用叶绿素计SPAD-502Plus测定叶片的叶绿素含量，每个重复小区随机选取10穴的剑叶测定。

1.4.3 地上部干物质积累

分别在水稻分蘖期、抽穗期和成熟期，每个试验小区随机取3穴水稻植株，带回实验室对植株地上部样品进行烘干称质量。

1.4.4 产量性状

成熟期随机选取各个试验小区的水稻植株，进行考种，调查有效穗数、实粒数、千粒质量、结实率，并田间实地测定各小区的实际产量。

1.5 数据处理与统计分析

采用Excel和Origin 17完成相关数据的计算和图表制作；单因素方差分析用于分析不同处理间的差异，显著性采用 LSD法进行检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 生物炭和氮肥减施对水稻株高、分蘖的影响

由图1可知，无论是2018年早稻还是晚稻，不同处理水稻生长的趋势表现出一致性，即前期快速增长，后期缓慢稳定。自移栽后30 d开始，施氮或配施生物炭处理的株高均显著高于对照不施氮肥处理，早稻增加幅度为1.45%—13.78%，晚稻增加幅度为 8.20%—21.93%。与常规施氮（N100）相比，氮肥减施20%、40%（N80，N60）或配施生物炭（N80+BC，N60+BC）对株高没有显著影响。

由图2可知，早稻水稻分蘖数在移栽后30 d达到峰值，晚稻分蘖数在移栽后20 d达到峰值，之后由于无效分蘖的消失开始呈下降趋势。在整个生长期，对照不施氮肥处理（CK）的分蘖数始终低于其它处理。生长后期减量施氮或配施生物炭的分蘖数有所下降。早稻移栽后 70 d，与常规施氮相比，早稻氮肥减施20%、40%的分蘖数降低12.26%、11.76%，配施生物炭处理则降低5.56%、6.59%，降低幅度较小；晚稻移栽后70 d，与常规施氮相比，晚稻氮肥减施20%、40%的分蘖数降低22.31%、11.43%，配施生物炭降低 12.87%、11.01%，降低幅度收窄。与单纯减氮相比，配施生物炭后早稻分蘖数分别升高4.85%、6.35%，晚稻升高0.38%、8.37%。

图1 生物炭和氮肥减施对水稻株高的影响Fig. 1 Effects of nitrogen fertilizer reduction and biochar application on plant height of rice

图2 生物炭和氮肥减施对水稻分蘖数的影响Fig. 2 Effects of nitrogen fertilizer reduction and biochar application on rice tillers

2.2 生物炭和氮肥减施对水稻叶片最大光化学量子效率和叶绿素含量的影响

由表1可知，氮肥和生物炭施用均不同程度提高早稻分蘖期和晚稻分蘖期、成熟期、成熟期叶片叶绿素荧光参数Fv/Fm。与常规施氮（N100）相比，氮肥减施或配施生物炭对早稻不同生育期叶片Fv/Fm值无显著影响。与单纯减氮20%、40%（N80、N60）相比，配施生物炭（N80+BC、N60+BC）显著增加早稻分蘖期的叶片Fv/Fm，增加幅度分别为10.80%和5.64%，而抽穗期和成熟期则差异不明显。对于晚稻，与常规施氮相比，除了成熟期减氮40%配施生物炭（N60+BC）的Fv/Fm值显著增加5.12%外，其它处理影响不显著。在同等施氮条件下，减氮 20%配施生物炭（N80+BC）处理的分蘖期叶片Fv/Fm值显著高于单纯减氮（N80）处理，增加幅度为8.17%。

氮肥和生物炭施用与对照不施氮肥相比均不同程度提高水稻叶片的叶绿素含量（SPAD值）。与常规施氮（N100）相比，除了减氮20%（N80）显著降低早稻抽穗期叶绿素含量3.22%外，其它处理在早稻和晚稻不同生育期叶绿素含量均没有显著影响。

2.3 生物炭和氮肥减施对水稻地上部干物质积累的影响

由表2可知，氮肥或配施生物炭处理增加水稻地上部干物质积累量，在早稻分蘖期、抽穗期和晚稻成熟期，常规施氮和配施生物炭处理的效果显著。但与常规施氮相比，氮肥减施或配施生物炭对早稻和晚稻不同生育期干物质积累均没有显著影响。结果还表明，在施用等量氮肥的基础上配施生物炭在一定程度上能增加干物质积累，如减氮20%配施生物炭（N144+C）在早稻分蘖期和晚稻成熟期的地上部干物质质量显著高于单纯减氮 20%（N144），增加幅度分别为40.33%和20.43%。

2.4 生物炭和氮肥减施对水稻产量性状的影响

由表3可知，与不施氮对照相比，除了早稻每穗粒数和千粒质量外，施用氮肥或配施生物炭均显著增加每穴穗数、每穗粒数、结实率、千粒质量和实际产量。而与常规施氮相比，氮肥减施20%和40%配施生物炭（N80+BC，N60+BC）处理早稻分别比常规氮肥处理（N100）处理增加实际产量11.61%和18.07%，其它处理对产量性状影响差异不大。在同氮素水平下配施生物炭与单纯施氮相比有增加产量的趋势，如早稻减氮 20%和 40%配施生物炭（N80+C，N60+C）比单纯的减氮20%和40%的实际产量增加13.3%和15.8%，差异显著。

表1 生物炭和氮肥减施对水稻叶片最大光化学量子效率和叶绿素含量的影响Table 1 Effects of nitrogen fertilizer reduction and biochar application on the maximal PSⅡ efficiency and chlorophyll content of rice leaves

表2 生物炭和氮肥减施对水稻地上部干物质积累的影响Table 2 Effects of nitrogen fertilizer reduction and biochar application on aboveground dry matter accumulation of rice g·hill−1

3 讨论

氮是影响水稻生长发育和产量形成的关键因素（郭立等，2007）。研究发现，施氮量不超过180 kg·hm−2时，水稻分蘖数随施氮量的升高而增加（于艳敏等，2012），配施生物炭可显著增加水稻的有效分蘖（陈芳等，2019）。在本研究中，与常规施氮相比，晚稻单纯减氮显著降低水稻分蘖数的11.43%—22.31%，降低幅度显著高于配施生物炭处理的11.01%—12.87%，尤其与单纯施氮40%相比，配施生物炭提高水稻分蘖数8.37%，可能是由于生物炭促进水稻在生长期的养分吸收，提高了有效分蘖数（周劲松等，2016）。

表3 生物炭和氮肥减施对水稻产量性状的影响Table 3 Effects of nitrogen fertilizer reduction and biochar application on yield traits of rice

水稻SPAD和叶片氮含量呈正相关，因此可利用SPAD诊断稻株的氮素营养丰缺状况（李杰等，2017）。陈芳等（2019）研究表明，生物炭施用量为10 t·hm−2时对水稻SPAD无显著影响，施用量为20 t·hm−2时可显著提高水稻 SPAD。而本研究中，施用生物炭（15 t·hm−2）时对水稻SPAD无显著影响。陈盈等（2016）研究表明施用生物炭提高了水稻齐穗期的Fv/Fm，促进水稻灌浆从而提高水稻每穗实粒数，使水稻增产。在本试验中，水稻分蘖期N80+BC处理的Fv/Fm比N80增加8.17%。表明生物炭提高PSII反应中心的光能转换效率，这可能是由于生物炭提高了水稻抗胁迫能力，增加水稻对K、Mg的吸收，促进水稻叶片保持良好的功能状态（Oguntunde et al.，2010）。

近年来，许多研究表明施用生物炭可显著促进作物生长发育。例如，施用生物炭可提高大豆株高、叶片净光合速率及地上部干物质积累，促进大豆的养分吸收，并显著提高大豆的产量和品质（张伟明等，2015；刘明等，2015）。屈忠义等（2016）研究表明，30 t·hm−2玉米秸秆生物炭可实现玉米增产和固碳减排，蒋健等（2015）发现秸秆生物炭可以促进玉米根系发育，延缓根系衰老，从而提高玉米产量性状；秸秆生物炭显著促进番茄生长发育，促进养分吸收，提高作物产量，当施用量为15 t·hm−2时，增幅最大（李昌见等，2014；勾芒芒等，2013），在本研究中，与单纯减氮相比，减氮20%配施生物炭（N80+C）在早稻的分蘖期及晚稻的成熟期，都显著提高了水稻地上部干物质积累。这可能是由于生物炭增加土壤中氮磷钾总量，提高了速效养分的供给（Peng et al.，2011）。

由于长期过量施用氮肥，使中国土壤的氮素背景值较高，导致短期适量减氮并不会使作物减产（王道中等，2012；李录久等，2013）。薛峰等（2009）研究发现，氮肥减量至常规施用量的50%对水稻生长发育和产量无显著影响；李恩尧等（2011）研究发现，减氮20%对玉米的产量无显著影响。也有研究表明，适当减氮可以增加土壤速效养分含量，提高作物的养分利用效率，增加作物产量（马星竹等，2016）。张伟明等（2015）的研究也表明，生物炭在减少化肥施用的情况下能显著增加大豆的产量，改善大豆的品质。在本研究中，与常规施氮相比，减氮20%—40%对水稻产量无显著影响。尽管如此，氮肥的作用却是不可替代的，研究显示长期减氮会因氮素产投不平衡而使作物产量减低（李恩尧等，2011）。因此关于减氮的幅度和作物生产力及产量的关系还需要长期评估。

Dong et al.（2015）研究发现氮肥配施生物炭可以显著增高水稻产量，在本试验研究中，与常规施氮相比，早稻减氮40%配施生物炭，显著提高了水稻产量，幅度为18.07%，与单纯减氮相比，配施生物炭能够显著增加早稻产量13.3%—15.8%，表明生物炭在化肥减量中起到积极的增产作用。这可能是由于生物炭减少了氮肥淋溶、挥发等损失，提高了氮肥利用率（陈海飞等，2014）。本研究表明，减氮配施生物炭以保证水稻产量稳定，说明通过配施生物炭以达到氮肥减量化具有可行性，同时，生物炭不仅提高作物产量，还可以改良土壤理化性质，为植物提供良好生长环境的同时，缓解化肥径流挥发等带来的环境问题。