夜间增温下生物炭配施硅肥对水稻产量和品质的影响

周欣　娄运生　杜泽云　高安妮　郭峻泓　潘德丰

摘要：通过田间模拟增温试验，研究生物碳配施硅肥对夜间增温下江苏沿江地区单季稻产量和品质的影响。采用3因素3水平正交试验设计，用铝箔反光膜夜间覆盖水稻植株冠层模拟夜间增温（19：00至次日06：00），增温设3水平，即W0（常温对照，不覆盖铝箔膜）、W1（覆盖5 mm铝箔膜）和W2（覆盖11 mm铝箔膜）；生物炭施用量设3水平，即B0（对照，不施生物炭）、B1（施10 t/hm²生物炭）和B2（施25 t/hm²生物炭）；硅肥施用量设3水平，即Si0（对照，不施硅）、Si1（钢渣粉，200 kg/hm²SiO₂）和Si2（矿粉，200 kg/hm²SiO₂）。结果表明，夜间增温明显降低水稻株高，提高叶面积指数（LAI）和叶绿素含量（SPAD值），显著降低水稻有效穗数、每穗粒数和产量，减产率19.66%～28.73%。施生物炭显著提高有效穗数，结实率和产量，提高蛋白质含量。施硅明显提高水稻每穗粒数和蛋白质含量。从产量和营养效益综合来看，试验最佳处理组合为W1B2Si2，即夜间增温下稻田施用25 t/hm²生物炭和200 kg/hm²矿粉，可明显提高产量、改善品质。

关键词：夜间增温；生物炭；硅肥；水稻；产量；品质

中图分类号：S511.06文献标志码：A文章编号：1002-1302（2023）11-0080-07

气候变暖是气候变化的显著特征之一，将加剧粮食生产的不确定性，威胁国家粮食安全［1］。气候变暖表现为昼夜不对称增温，即夜间气温增幅大于白天［2-3］。气候变暖引起土壤湿度、温度及养分状况等变化，使作物生育期缩短，干物质积累量下降，影响作物产量及品质［4-7］。通过模拟增温试验发现能降低水稻植株叶片净光合速率，提高灌浆期荧光耗散量，增强呼吸作用，降低干物质积累和产量［8-9］。模拟增温对水稻产量和品质的不同影响，可能与不同种植制度、区域气候条件、供试品种及增温方式等有关［10-12］。

优化调整种植结构和制度、改良土壤和合理施肥，是农业生产应对和适应气候变化的重要措施［13］。硅是水稻、小麦等禾谷类作物生长有益元素［14-15］。长江中下游地区稻麦轮作农田土壤有效硅含量普遍较低［16］。施硅可促进水稻植株叶片增厚，降低蒸腾失水，促进养分吸收，提高光合和抗逆能力，增加产量，改善品质［17-20］。生物炭是一种富含稳定有机碳、具有多孔结构的土壤改良剂。施生物炭可提高土壤有机质含量，增加土壤含水量，降低容重，改善通气性，提高土壤肥力，优化根系形态结构，促进生长发育，增加干物质积累和收获指数，提高产量，改善品质［21-27］。

气候变暖影响水稻生产，施生物炭或硅肥可改良土壤，促进水稻生长，但能否缓解增温对长江下游地区水稻生产不利影响，鲜见相关报道。本研究通过大田模拟增温试验，探析夜间增温下生物炭配施硅对水稻产量和品质的影响，为区域水稻生产应对气候变化及保障粮食安全提供参考。

1材料与方法

1.1试验区概况

田间模拟增温试验于2021年6—10月在南京市浦口区教学科研试验站（32.0°N，118.8°E）进行。该站地处亚热带季风气候区，年均气温15.6 ℃，年均降水量1 100 mm。供试土壤为灰马肝土，属潴育型水稻土，土壤有机碳含量19.5 g/kg，全氮含量 1.5 g/kg，土壤质地为壤质黏土，黏粒含量 26.1 g/kg，pH值6.2（1 ∶1土水比）。供试水稻品种为南粳5055，适宜在江苏省沿江及苏南地区种植。供试氮磷钾肥料为高浓度复合肥（15%-15%-15%）。供试硅肥为钢渣和矿粉，其有效硅（SiO₂）含量分别为14.2%和32.3%。供试生物炭为稻壳生物炭，有机碳含量50%。

1.2试验设计

采用3因素3水平正交试验设计，3因素为夜间增温（A）、生物炭施用量（B）和硅肥施用量（C）。夜间增温设 3水平，即W0（常温对照，不覆盖铝箔膜）、W1（覆盖5 mm铝箔膜）和W2（覆盖11 mm铝箔膜）。生物炭设3水平，即B0（不施生物炭）、B1（10 t/hm²生物炭）和B2（25 t/hm²生物炭）。硅肥设3水平，即Si0（不施硅）、Si1（钢渣硅肥）和Si2（礦粉硅肥），用量均为200 kg/hm²。夜间增温采用开放式被动增温方法，即在水稻生育期内于小区四周架设高度可调的钢架以固定铝箔反光膜，夜间（19：00至06：00）用铝箔膜覆盖植株冠层，根据水稻生育进程及时调整铝箔膜高度，使铝箔膜与冠层间距保持30 cm左右。在恶劣天气如降雨或大风天气时不覆盖铝箔膜，以避免覆盖铝箔膜阻挡降雨及大风造成增温设施破坏（风速>10 m/s）。采用温度记录仪自动记载水稻冠层温度。

供试水稻种子经消毒、浸种处理，2021年5月10日播入苗床育苗，6月12日大田移栽。水稻移栽前试验田耕作整地，每小区施入氮磷钾复合肥（N、P₂O₅、K₂O含量均为15%）315 g作为基肥，按照试验设计将生物炭和硅肥随基肥施入土壤。小区面积为 2 m×2 m=4 m²，随机排列。除晒田和成熟后期外，通过自动灌溉使田间水层保持5 cm左右。田间病虫害防治和除草采用常规田间管理。

1.3测定指标与方法

1.3.1水稻植株生长、生理指标测定在水稻主要生育期每周测定植株生长、生理指标，包括株高、叶绿素含量及叶面积指数等。各小区选取3株代表性植株分别测量株高。叶片叶绿素含量（SPAD值）用叶绿素仪测定。叶面积指数用植物冠层分析仪（LP-80）测定，各小区选取3个分散位点，分别测定叶面积指数并取平均值。

1.3.2水稻产量和品质测定水稻成熟时，在各小区中间选取0.25 m²（0.5 m×0.5 m）长势均匀区域进行收割，测定有效穗数、每穗粒数、空秕饱数和结实率。常规风干晾晒后，用脱粒机进行脱粒，测定千粒质量和产量。

参照GB/T 17891—2017《优质稻谷》国家标准测定稻米加工品质，采用垄谷机脱壳得到糙米，将糙米用全智能精米机进行抛光处理，用孔径2.5 mm不锈钢筛网去除不完整精米，得到整精米，分别计算糙米率、精米率和整精米率。参照GB/T 15683—2008《大米直链淀粉含量的测定》《双波长测定支链淀粉、直链淀粉含量》、GB 5009.5—2016《食品中蛋白质的测定》测定稻米直链淀粉含量、支链淀粉含量、总淀粉含量及蛋白质含量。

1.3.3环境因子测定温度、降水和日照时数等气象数据，由试验田气象观测系统自动记录。

1.4数据处理

采用Microsoft Excel 2019处理试验数据和极差分析，采用SPSS 22.0软件进行方差分析和多重比较，利用Origin 2020軟件进行绘图。

2结果与分析

2.1夜间增温效果

与对照（W0）相比，夜间增温（W1、W2）下，夜间植株冠层平均温度分别升高0.12、0.04 ℃，最大值分别升高0.55、0.46 ℃，最小值分别升高0.09、0.05 ℃（表1）。

2.2不同处理对水稻生长、生理指标的影响

2.2.1株高方差分析结果（表2）表明，在水稻关键生育期（拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期）中，夜间增温在灌浆期对水稻株高有显著影响（P<0.05），在成熟期对株高有极显著影响（P<0.01）；生物炭施用量在灌浆期和成熟期对株高有显著影响（P<0.05）；硅肥施用量在成熟期有显著影响（P<0.05）。极差分析结果（表3）表明，与W0相比，W1和W2分别降低5.11%和4.28%；与B0相比，B1和B2分别增加3.89%和4.51%；与Si0相比，Si1和Si2分别增加1.65%和3.83%。3因素对水稻株高的影响程度为夜间增温>生物炭施用量>硅肥施用量。其中，W0B2Si2处理的水稻株高均值最大，即夜间不增温、施用25 t/hm²生物炭 200 kg/hm²和矿粉可明显增加株高（图1）。

2.2.2叶面积指数（LAI）方差分析结果（表2）表明，在水稻关键生育期中，夜间增温在灌浆期对水稻LAI有显著影响（P<0.05），生物炭施用量在灌浆期对水稻LAI有极显著影响（P<0.01），硅肥施用量在灌浆期对水稻也有极显著影响（P<0.01）。极差分析结果（表3）表明，与W0相比，W1和W2分别增加0.58%和0.29%；与B0相比，B1和B2分别增加8.64%和12.96%；与Si0相比，Si1增加0.85%，Si2降低6.78%。3因素对水稻LAI影响程度为生物炭施用量>硅肥施用量>夜间增温。其中，W1B2Si1处理的叶面积指数均值最大，即夜间覆盖5 mm膜、施25 t/hm²生物炭和200 kg/hm²钢渣粉，可明显提高水稻叶面积指数（图1）。

2.2.3叶绿素含量（SPAD）方差分析结果（表2）表明，夜间增温在拔节期对水稻SPAD有显著影响（P<0.05），生物炭和硅肥施用量对水稻SPAD影响不显著（P>0.05）。极差分析结果（表3）表明，与W0相比，W1和W2分别增加1.52%和0.66%；与B0相比，B1和B2分别降低1.49%和2.22%；与Si0相比，Si1和Si2分别降低0.46%和3.48%。3因素对水稻SPAD影响程度为硅肥施用量>生物炭施用量>夜间增温。其中，W1B0Si0处理的叶绿素含量均值最高，即夜间覆盖5 mm反光膜、不施生物炭和硅肥条件下，水稻叶绿素含量最高（图1）。

2.3不同处理对水稻产量及其构成因素的影响

表4表明，水稻有效穗数最大的处理为W1B2Si0，最小的为W1B0Si1，2个处理相差101个。每穗粒数和千粒质量最大的处理均为W1B1Si2，最小的处理为W1B0Si1和W0B2Si2，分别相差69粒和3.04 g。结实率最高的处理为W2B1Si0，最低的处理为W1B2Si0，两者分别为94.44%、82.25%，相差12.19百分点。产量最高的处理为W1B2Si0，最低的处理为W2B1Si0，两者相差13.69 t/hm²。

水稻产量和产量构成方差分析结果（表5）表明，夜间增温对水稻结实率的影响极显著（P<0.01），生物炭施用量对水稻有效穗数、结实率和产量的影响均达显著水平（P<0.05），硅肥施用量对水稻产量及产量构成无显著影响（P>0.05）。

3因素对有效穗数、每穗粒数和产量的影响程度均为生物炭施用量>硅肥施用量>夜间增温；对千粒质量和结实率的影响程度为夜间增温>生物炭施用量>硅肥施用量（图2）。

2.4不同处理对稻米品质的影响

由表6可见，与常温对照相比，夜间增温可改善水稻糙米率、精米率和整精米率，提高支链淀粉含量，降低直链淀粉和蛋白质含量。加工品质（糙米率、精米率和整精米）最好的处理是W2B0Si2，但直链淀粉含量最低；加工品质（糙米率、精米率、整精米）最差的处理是W0B2Si2，但蛋白质含量却最高。加工品质（糙米率、精米率和整精米率）最大值和最小值分别相差4.40、8.36、8.32百分点，营养品质（直链淀粉、支链淀粉、蛋白质含量）最大值和最小值分别相差9.61、15.69、1.75百分点。夜间增温、生物炭施用量和硅肥施用量对加工品质和营养品质均无显著影响（P>0.05）（表7）。

由极差分析结果可知，3因素对糙米率、精米率和整精米率的影响程度均为生物炭施用量>夜间增温>硅肥施用量。对直链淀粉含量的影响程度为夜间增温>硅肥施用量>生物炭施用量，对支链淀粉含量的影响程度为夜间增温>硅肥施用量>生物炭施用量，对蛋白质含量的影响程度为生物炭施用量>硅肥施用量>夜间增温（图3）。

3讨论

3.1不同处理对水稻生长、生理指标的影响

水稻植株生长状况、叶面积指数（LAI）和叶绿素含量（SPAD）是产量形成的基础［28］。夜间增温、硅肥施用量和生物炭施用量对水稻株高和LAI均有明显影响（表2）。夜间增温显著降低水稻灌浆期、成熟期株高，显著提高灌浆期LAI和拔节期SPAD（表2）。增温加快水稻生长发育进程，提高LAI和SPAD值，但株高降低，进而对产量产生不利影响。原因可能在于夜间增温降低了水稻植株叶片光合速率，而促进夜间呼吸作用，不利于光合产物的积累［29-30］。生物炭施用量明显提高水稻株高，增加叶面积指数。原因在于，施用生物炭可提高土壤胶体吸附固持能力，减少养分损失，提高土壤酶活性，改善土壤肥力，促进植株生长［31-34］。硅肥施用量显著提高水稻灌浆-成熟期LAI和株高，可能在于水稻对硅的吸收大部分发生于孕穗-成熟期［35］。

3.2不同处理对水稻产量及其构成因素的影响

水稻产量是由单位面积穗数、每穗粒数、成粒率和粒质量4个基本因素构成。抽穗前有效穗的形成，抽穗后籽粒灌浆及灌浆饱满度，是决定水稻产量的3个关键过程。夜间增温虽然提高水稻千粒质量和结实率，但降低有效穗数、穗粒数，所以处理间产量差异不显著（图2），可能是夜间温度升高促进植株呼吸作用，消耗较多的光合产物，导致水稻成穗率及有效穗数降低。此外，水稻分化颖花数与植株茎秆健壮程度密切相关，夜间增温使日最低气温升高，植株生长加快，茎秆细弱，叶片易早衰，光合速率下降，导致产量降低［36］。夜间增温提高水稻结实率，原因在于，结实率对温度较敏感，温度升高可能促进柱头花粉萌发率，进而提高结实率［37］。增温提高土壤酶活性和有机氮释放，促进氮素吸收。植株氮含量与光合作用及物质生产密切相关，影响结实率及千粒质量［38］。生物炭施用量显著提高水稻有效穗数（表5、图2），原因可能在于施生物炭可改善土壤热性质，调节土壤温度［39］。生物炭还可增加

土壤孔隙度，降低土壤容重，提高土壤有机碳含量和土壤微生物活性，促进地下部生长，提高养分吸收能力。施硅可促进水稻氮素吸收，提高穗长和小穗数，增加产量［40-42］。

3.3不同处理对稻米品质的影响

与对照相比，夜间增温对稻米加工品质（糙米率、精米率和整精米率）有一定促进作用（图3），这与前人研究［43］不同，原因可能与模拟增温方法及增温幅度有关。本试验采用开放式被动增温方法，增温幅度1 ℃左右，而后者采用开放式主动增温方法，增温幅度5 ℃左右。水稻灌浆-成熟期温度变化对稻米直链淀粉、支链淀粉含量及比率有显著影响［44-45］。施用稻壳生物炭降低稻米的糙米率、精米率［46］。本试验中，施用稻壳生物炭降低水稻加工品质，随生物炭用量增加，降低效果越明显（图3），原因可能在于施用生物炭影响土壤理化性质，如土壤热性质及养分有效性，进而影响植株植株营养和生殖生长［47-48］。施硅可调控水稻产量和品质，但施用不同硅肥的效果有差异（图3）。施用硅肥可改善稻米加工品质（精米率和整精米率）、增加支链淀粉和蛋白质含量，但矿粉效果优于钢渣，可能在于矿粉有效硅含量较高，有利于水稻吸收利用［49］。

总体上，生物炭配施硅肥可改善夜间增温对水稻生长及产量形成的不利影响。稻米品质与水稻品种及田间管理等有关，本研究供试品种只有1个，同时受天气、气候及土壤等因素综合影响，还有待深入研究。

4結论

夜间增温降低水稻株高和LAI，减少水稻有效穗数、每穗粒数和产量。夜间增温对水稻加工品质和营养品质有促进作用。施生物炭和硅肥可促进水稻每穗粒数和结实率，增加产量。生物炭可缓解增温对水稻产量及营养品质的不利影响。施硅可提高水稻加工品质、支链淀粉和蛋白质含量。综合考虑产量和品质，试验最佳处理组合为W1B2Si2，即施用25 t/hm²生物炭和200 kg/hm²矿粉，可明显减缓夜间增温对水稻产量和品质造成的不利影响。

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