崔月峰孙国才王桂艳王 健蒋昆炜黄文佳卢铁钢

(铁岭市农业科学院,辽宁 铁岭 112616)

生物炭是农林废弃物等生物质在缺氧条件下热裂解形成的富碳产物[1],具有孔隙丰富、比表面积大、理化性质稳定的特点,还田后有利于改善土壤肥力、提升养分利用效率、增强水稻叶片光合能力以及促进水稻地上部干物质积累和增加产量[2～6],对水稻生产的可持续发展具有重要意义。 但也有研究发现生物炭施入稻田会固定土壤氮素,降低氮素吸收,导致产量降低[7～8]。 生物炭对作物生长发育和产量的效应与土壤类型、环境条件以及生物炭种类、施用量、施用年限等诸多因素有关,存在较大的不确定性[9～11]。 水稻是我国的主要粮食作物,也是单产较高的粮食作物[12],穗型是水稻的重要形态特征之一,徐正进等按穗颈弯曲度划分为直立穗型、半直立穗型和弯曲穗型[13],近年来直立和半直立穗型品种的种植面积逐年扩大,为进一步提高单产水平起到了重要作用[14]。 但当前关于生物炭的研究多集中在生物炭种类、施用年限、环境条件等方面,针对不同穗型品种的北方粳稻研究还很少。 因此,本试验选择直立穗型和半直立穗型粳稻品种作为试材,研究不同生物炭施用量对不同穗型粳稻物质生产和产量的影响,为生物炭在北方粳稻生产应用上提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻品种为直立穗型品种北粳1 号和半直立穗型品种铁粳11,生物炭由辽宁生物炭工程技术研究中心将水稻秸秆在400～500 ℃热解缺氧条件下生产,生物炭主要理化性质为氮含量1.33%,磷含量0.61%,钾含量2.45%,碳含量58.97%,pH 值9.14。

1.2 试验设计

试验于2020～2021年在铁岭市农业科学院内水稻试验田进行,0～20 cm 土层营养指标全氮含量1.43 g/kg,全磷含量0.71 g/kg,全钾含量18.36 g/kg,速效氮含量121.62 mg/kg,速效磷含量19.25 mg/kg,速效钾含量85.29 mg/kg,有机质含量14.24 g/kg,pH 值6.21。 采用裂区设计,生物炭作为主区,品种作为副区,试验设3个处理,①不施生物炭(CK);②施入生物炭7.5 t/hm2;③施入生物炭15 t/hm2。 每处理重复3 次,小区面积30 m2。生物炭在水稻移栽前一次性施入,均匀分散到土壤表面混匀,氮肥为基肥∶蘖肥∶穗肥=5 ∶3 ∶2 施入46%尿素456.5 kg/hm2,磷肥做基肥一次性施入12%过磷酸钙875 kg/hm2,钾肥为基肥∶穗肥= 1 ∶1 施入52%硫酸钾202 kg/hm2,其他栽培管理措施按照常规生产技术管理。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质积累

在水稻抽穗期和成熟期每小区取代表性植株5 穴。将叶片、茎和穗分开后在鼓风烘箱中烘干(105 ℃下杀青30 min,80 ℃下烘干),称干重。

1.3.2 产量及构成因素

每小区实割6 m2,凉干后按照标准含水量计算产量;每小区调查10 穴测定有效穗,以平均每穴穗数为标准,在每小区取代表性植株4 穴,测定其每穗总粒数、结实率、千粒重等性状。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 进行整理试验数据。 采用DPS 7.05 软件对不同处理间差异进行方差分析,所有试验数据均以平均值形式表达。

2 结果与分析

2.1 不同生物炭施量对不同穗型粳稻干物质积累的影响

表1显示了不同生物炭施量下北粳1 号和铁粳11 营养和生殖器官的干物质积累。

表1 不同生物炭施量下植株干物质积累

在抽穗期,与不施生物炭相比,施用7.5 t/hm2生物炭使北粳1 号的叶、穗和总干物质重分别显著增加9.2%、6.3%和7.9%,而对茎干物重没有显著影响,施用15 t/hm2生物炭使北粳1 号的叶、茎、穗和总干物质重分别显著增加20.7%、11.7%、9.1%和13.6%;在成熟期,施用7.5 t/hm2生物炭使北粳1 号的叶、茎、穗和总干物质重分别显著增加6.5%、7.1%和6.3%,对茎干物重没有显著影响;施用15 t/hm2生物炭使北粳1 号的叶、茎、穗和总干物质重分别显著增加15.8%、6.4%、10.1%和10.0%。

在抽穗期,与不施生物炭相比,施用7.5 t/hm2生物炭使铁粳11 的叶、茎和总干物质重分别显著增加12.9%、10.2%和10.3%,而对穗干物重没有显著影响,施用15 t/hm2生物炭使铁粳11 的叶、茎、穗和总干物质重分别显著增加17.6%、14.4%、17.3%和15.9%;在成熟期,施用7.5 t/hm2生物炭使铁粳11 的叶、穗和总干物质重分别显著增加8.4%、7.6%和8.1%,施用15 t/hm2生物炭使铁粳11 的叶、茎、穗和总干物质重分别显著增加9.8%、11.9%、13.5%和12.4%。

可见,无论是直立穗型品种北粳1 号还是半直立穗型品种铁粳11,在施用7.5 t/hm2和15 t/hm2生物炭后都能使抽穗期和成熟期的植株各器官干物重有所增加,且施用15 t/hm2生物炭量对提升干物质重更具优势。

2.2 不同生物炭施量对粳稻产量及构成因素的影响

表2表明,与不施生物炭相比,施用7.5 t/hm2生物炭对北粳1 号的有效穗、结实率和千粒重没有显著影响,但使每穗总粒数和产量分别显著增加7.7%和6.6%;施用15 t/hm2生物炭对北粳1 号的有效穗和千粒重没有显著影响,但使每穗总粒数、结实率和产量分别显著增加9.8%、4.7%和11.2%。

表2 不同生物炭施量下产量及其构成因素

与不施生物炭相比,施用7.5 t/hm2生物炭对铁粳11的有效穗、每穗总粒数、千粒重和产量都没有显著影响,施用15 t/hm2生物炭对铁粳11 的有效穗、每穗总粒数分别显著增加6.0% 和6.1%,进而使得产量显著增加7.4%。

可见施用7.5 t/hm2生物炭可以显著增加北粳1 号的每穗总粒数和产量,但对铁粳11 的产量及其构成因素没有显著影响;施用15 t/hm2生物炭时,北粳1 号的每穗总粒数、结实率明显升高,导致产量显著增加,而铁粳11产量的显著增加是因为有效穗数和每穗总粒数的明显优势。

3 结论与讨论

水稻产量形成的关键是花后干物质生产、积累、转运与分配[15],穗型差异会影响群体光分布、消光系数和物质生产,对产量有着至关重要的影响[16],生物炭对直立穗型品种北粳1 号和半直立穗型品种铁粳11 的物质生产及产量的影响也存在差异性。 有研究认为施用生物炭能够提高水稻PSⅡ反应中心的光能转换效率、潜在活性和开放比例,提高灌浆期叶片的光合功能[5],有效促进水稻干物质的生产积累[17～18]。 本研究表明,无论是直立穗型品种北粳1 号还是半直立穗型品种铁粳11,在施用7.5 t/hm2和15 t/hm2生物炭后都能使抽穗期和成熟期的植株各器官干物重有所增加,且施用15 t/hm2生物炭量对提升干物质重更具优势。 在水稻进入抽穗期时,施用7.5 t/hm2生物炭使北粳1 号和铁粳11 的总干物质量分别显著增加7.9%、10.3%,施用15 t/hm2生物炭使北粳1 号和铁粳11的总干物质量分别显著增加13.6%、15.9%;到成熟期时,施用7.5 t/hm2生物炭使北粳1 号和铁粳11 的总干物质量分别显著增加6.3%、8.1%,施用15 t/hm2生物炭使北粳1 号和铁粳11 的总干物质量分别显著增加10.0%、12.4%。 生物炭促使水稻干物质生产积累量增加的原因可能是由于生物炭比表面积大、孔隙多,施入土壤后能作为养分增效载体,对 NH4+、NO3-等离子具有良好的吸附缓释性,为水稻生长持续供应营养养分,进而促进干物质生产积累[19～21],同时生物炭本身含有的有机小分子物质可能参与某些内源激素合成,调控植株内源激素含量,有利于促进水稻生长[22]。

生物炭对作物的产量影响受生物炭本身特性、施用量、作物和土壤类型以及田间管理等多方面因素的影响。Jeffery 等系统分析了生物炭与作物产量之间的相关性,发现施用生物炭的平均增产幅度约为10%,但在-28%～39%之间的范围波动[23]。 Zhang 等研究认为施用生物炭能在2年内持续提高水稻产量,增产率为 8%～12%[24]。Asai 等研究认为,增加生物炭用量使得水稻产量随之增加,但当施用量达16 t/hm2时,水稻因氮素缺乏而使产量不再增加[25]。 张伟明等研究发现施用生物炭显著增加水稻有效穗数、穗粒数和结实率,增产25.3%[26]。 本研究发现,施用7.5 t/hm2生物炭可以显著增加北粳1号的每穗总粒数和产量分别达7.7%和6.6%,但对铁粳11 的产量及其构成因素没有显著影响;施用15 t/hm2生物炭时,北粳1 号的每穗总粒数、结实率显著升高9.8%和4.7%,导致产量显著增加11.2%。 而铁粳11 产量的显著增加是因为有效穗数和每穗总粒数的显著增加6.0%和6.1%,进而使得产量显著增加7.4%,这与刘磊等发现生物炭有增加早稻有效穗数和每穗粒数的趋势一致,即提高总颖花数,使水稻库容量增大,更有利于光合产物输出到籽粒中[27]。 施用生物炭对直立穗型品种北粳1 号和半直立穗型品种铁粳11都具有增产效应,可能是由于生物炭的特殊微孔结构,为微生物栖息和繁殖提供了良好的生存环境,增强土壤微生物功能作用[28],同时能够吸附养分离子和其它有机物质,降低养分流失,提高根际土壤酶活性,增加土壤的有机碳含量和碱解氮含量,促进水稻对氮素养分的吸收,从而使产量增加[4,29～30]。 但直立穗型品种北粳1 号比半直立穗型品种铁粳11 对生物炭的响应更为敏感,无论是施用7.5 t/hm2还是15 t/hm2生物炭都能够显著提高北粳1 号产量,而铁粳11 的产量只有在施用15 t/hm2生物炭时才能出现显著的提升效应,这可能与不同穗型品种本身群体冠层光分布的差异性有关[31]。