生物炭与肥料对水稻抗倒伏和氮素利用率影响的研究进展

2023-05-21吴俊诺吴云艳

种子科技 2023年7期

吴俊诺吴云艳

摘要：水稻是最重要的粮食作物之一，全球1/2以上人口以大米为主食，其稳定的产量和较高的品质对于解决我国人民温饱问题以及提高农户经济效益具有重要意义。然而如今水稻倒伏现象愈发严重，并且氮肥过量施用导致水稻氮素利用率低、减产等。文章总结了生物炭与肥料的现有研究，综述了生物炭和肥料对水稻生长发育、氮素利用率以及抗倒伏的影响，以供参考。

关键词：水稻；抗倒伏；生物炭；肥料；氮素利用率

文章编号：1005-2690（2023）07-0021-03 中国图书分类号：S511.06 文献标志码：B

水稻是我国谷物单位面积产量最高的粮食作物，倒伏对水稻产量及品质的影响较大[1]。水稻生长过程中，受氮肥过量施用、品种茎秆特性以及不良天气的影响，导致水稻出现倒伏现象。倒伏会影响水稻的光合作用，也是制约机械化收获的一个重要因素，制约农户经济效益提升，威胁国家粮食安全[2]。因此，解决水稻倒伏问题对于提高水稻产量有着重要意义。已有研究显示，生物炭与一些肥料能够显著提高作物产量、抗倒性以及抗病能力，不同肥料的影响各不相同。

氮素是植物生长发育的必要元素，我国氮肥消费量占世界氮肥总量的30％，在追求持续高产的过程中，大量氮肥被持续投入到生态系统中，引起温室效应、土壤板结、农业污染、富营养化等环境问题，严重制约水稻产业转向高效绿色发展之路[3]。提高氮肥利用率已经成为人们关注的焦点，减少氮肥用量成为现阶段重要的研究课题。

1 生物炭和硅肥对水稻抗倒伏的研究现状

1.1 生物炭对水稻抗倒伏的研究现状

生物炭是将秸秆、杂草、稻壳、木屑等生物质原料混合，用泥土将其覆盖，然后燃烧，在燃烧过程中会产生一个简单的高温、低氧环境，在此环境下生成的一种固体物质[4]。生物炭热解后含有丰富的炭，结构比较稳定[5]，具有较大的比表面积和孔隙结构，可以为微生物提供较好的生长、发育和代谢条件，从而提高土壤肥力[6]，可用于农业生产。同时，生物炭可以有效吸收土壤中的营养物质，降低养分损失[7]，使土壤的物理特性发生变化，在提高肥料利用率、改善作物茎秆特性、提高作物产量等方面发挥着积极作用[8-9]。生物炭还能提高水稻抗倒伏性，杨青川等（2021）[10]田间试验结果表明，施用生物炭20 t/hm2和40 t/hm2能明顯提高植株的抗折性。

不同生物炭对水稻抗倒伏的研究有一定差异。已有较多关于稻壳炭、小麦秸秆炭、水稻秸秆炭和玉米秸秆炭等生物炭在水稻抗倒伏方面的研究[11-12]，但花生壳生物炭在水稻抗倒伏方面的研究少见报道。花生壳是一种便宜、易得的工业固体废弃物，在饲料和功能性材料萃取中仅占很小一部分，大多数都被焚毁或废弃。花生壳在氧气限制或厌氧环境中高温裂解，形成富炭且稳定的生物炭[13]，因为其孔隙率高、比表面积大、吸附能力强[14]，被广泛应用于环境修复、土壤改良和炭固定等方面[15]，在农业生产和环境保护中发挥着积极作用。研究表明，花生壳生物炭处理水稻能够有效提高水稻茎基的基性，缩短茎基节间长度，还可以提高茎内径、茎壁厚以及茎秆抗倒伏能力[16]。

1.2 生物炭与肥料配施对作物生长发育影响的研究

已有许多关于生物炭与肥料配施对作物生长发育影响的研究。张伟明等（2015）[17]研究结果显示，配合施用生物炭（0、1.5 t/hm2）与肥料（60、82.5、105、127.5 kg/hm2），可提高大豆株高、净蒸腾速率，减少结荚期的蒸腾量，降低光合物质消耗。吕贝贝等（2020）[18]通过玉米盆栽试验发现，混合施用生物炭（1.25、5、20 g/kg）与化肥（0.27 g/kg）能促进玉米对氮素的吸收，并增加玉米的根长和根表面积，提高土壤有机碳含量，从而使玉米高效增产。刘领等（2016）[19]通过烤烟盆栽试验发现，在传统氮肥施用量下，施用生物炭7.2 g/kg可以明显增加叶绿素总量和类胡萝卜素含量，提高根系活力，同时在加入生物炭的情况下降低10％～20％的氮素，对烟叶的叶绿素和类胡萝卜素含量、净光合速率均无明显影响。谢亚萍等（2017）[20]通过大田试验得出，生物炭与NPK复合肥、微生物肥料配施可使水稻产量增加，并提高氮素利用率。王耀锋等（2015）[21]通过盆栽试验证明，水洗生物炭与化肥配施能够提高水稻秸秆产量（33.1％）、水稻籽粒产量（18.4％）以及氮素利用率，还能提高土壤养分供应。

1.3 硅肥对水稻抗倒伏机理的研究

硅是植物生长所必需的元素[22]，也是仅次于氮、磷和钾的第四大养分。硅肥是一种中微量元素肥料[23]，对水稻产量构成、生理形态及抗逆性有着重要影响。水稻是典型的喜硅作物[24]，其茎、叶中的硅含量高达15％～20％。已有研究表明，水稻无论在生长期还是成熟期都需要硅[25]。曾仁杰（2021）[26]研究结果显示，硅肥能显著改善植株的生长情况，增强植株的抗倒性，增加分蘖数、成穗率和产量。水稻细胞中可以积累大量硅，形成角质-硅双层结构，使叶片直立，叶片与茎秆之间的夹角减小，植株紧凑[27]。此外，硅还可以通过调控土壤中的盐离子吸收、增加渗透调控物质的积累以及增强抗氧化酶等来降低水稻的生理损伤[28]。

硅肥可以提高水稻的单位面积分蘖，但不同施用方式及施用量对其生长和各生育期的叶绿素含量均有显著影响。随着水稻生长发育，土壤中有效硅水平降低，叶绿素含量呈递减趋势，在抽穗—花—乳熟期，叶面施用硅肥可以防止根系因后期吸收能力下降而造成营养损失。张阳等（2021）[29]通过大田试验发现，叶面施用硅肥的水稻叶片颜色较绿，茎秆较粗，有较好的抗倒伏性。姜灏（2021）[30]的研究结果显示，液体硅肥对水稻的有效穗数、千粒重均有显著影响。在生产中，硅肥普遍应用于土壤，而叶面硅肥对水稻产量的影响研究则很少。

1.4 生物炭与硅肥配施对水稻生长影响的研究

生物炭与硅肥配施对水稻生长的影响研究较少，不同炭硅处理对作物影响不同。杜泽云（2022）[31]进行大田模拟试验，结果显示，生物炭配合硅肥能提高稻麦的每穗粒数、结实率，提高产量，还能显著提高植株高度、叶面积指数，并能提高葉绿素含量。吴云艳（2022）[32]指出，利用生物炭（7.5 t/hm2）和硅肥（45 t/hm2）、叶面喷施0.02％硅肥能明显提高越光稻的抗倒性，提高水稻的有效穗数以及产量。靳雯佳（2020）[33]研究表明，稻壳和互花米草生物炭与硅肥配合施用后，稻谷中的砷含量减少7.9％～8.3％，说明联合施用生物炭和硅肥可以有效减轻稻谷的污染。

2 减氮对水稻生长影响的研究

2.1 减施氮肥对氮素利用率影响的研究

目前，我国水稻生产中存在施肥均匀性差、缺乏配套施肥设备、不合理施用氮肥等问题，导致水稻易倒伏、产量低、氮肥利用率低等[34]。武浩（2022）[35]的田间试验表明，适当增加种植密度，虽然会降低水稻产量，但可以提高土壤氮元素利用率。目前施用氮肥以尿素、硫酸铵等速效肥料为主，氮素通过径流、挥发、渗透等途径损失。施用化肥大多采用人工或机械方法，需要大量人力，但产量却不高，并且难以准确控制施肥深度和单位面积的施肥量，容易造成肥料浪费[36]。过量施用氮肥会使农产品品质降低，造成重金属污染，加剧温室效应，不仅提高了生产成本，也危及人们的健康[37]。朴钟泽等（2003）的研究结果表明，在不施用氮肥的情况下，水稻生育后期（孕穗期到黄熟期）的氮素摄入量占全部氮素的60％左右；而在施用氮肥处理后，早期（从插秧到最高分蘖期）吸氮量几乎达到50％。许玥等（2022）通过春玉米施用氮肥和种植密度试验发现，密度为5.5万株/hm2、氮肥施用量为180 kg/hm2处理下的春玉米产量最大（10 203 kg/hm2）、氮肥利用效率最高（37.5％）。所以，开展减施氮肥的研究对于提高土壤氮利用率具有重要意义。

2.2 生物炭对作物氮素利用率影响的研究

生物炭是一种土壤改良剂，对于增加共生生物固氮、提高植物对氮素的吸收以及减少土壤氮素淋失等方面具有显著效果。大量研究结果显示，施用生物炭对土壤的氮形态有明显影响，也能有效提高氮素利用率。陈婧婷等（2020）研究发现，在施用生物炭30 g/kg后，甜菜的出苗率得到了明显改善，而在加入生物炭的情况下，降低氮肥用量10％、20％、30％、40％，可以明显提高氮肥的农学效率（最高为154.96％）、氮肥偏因素生产力（最高为64.87％）。张爱平等（2015）研究发现，生物炭与氮结合能明显提高氮的农学效率和氮利用率，并且随着生物炭添加量增加，二者都有显著提高。

生物炭与化肥配合施用，可以有效增加氮素的利用率，这是由于其具有较大的孔隙及比表面积，施用后可改善土壤的透气性，增加对氮素的吸收，降低氮素的淋溶。何大卫等（2021）研究发现，减施氮肥（180 kg/hm2）配合生物炭（15 t/hm2）条件下，水稻产量增加最为显著，并能提高氮素利用率，增强稻田土壤肥力。庄晔（2022）研究发现，配合施用生物炭（4％）与氮肥（150 mg/kg），可以在一定程度上改善盐渍土的土壤结构和水盐环境，增加土壤肥力和氮素利用率，促进蓊菜生长。段建军等（2022）的大田试验得出，氮肥平均减量21.79％配施生物炭量分别为5.44 t/hm2、6.15 t/hm2和4.75 t/hm2时，可获得最高水稻产量，分别为7.80 t/hm2、8.57 t/hm2和8.03 t/hm2。

2.3 施用硅肥对水稻氮素吸收量影响的研究

有研究表明，施用硅肥对于提高氮素利用率有显著影响。吴伊鑫（2021）通过水稻减氮田间试验得出，减氮施硅处理比正常施用氮硅处理的水稻氮素利用率提高效果更加显著。熊丽萍等（2019）研究显示，施用硅肥（750、1 500、2 250和3 000 kg/hm2）能够增加早、晚稻稻谷产量（2.2％～30.4％）以及稻籽粒氮素积累量（2.4％～47.3％）。朱从桦等（2018）试验发现，在减施氮条件下，增施硅肥（75 kg/hm2）能促进植株对氮素的吸收，并提高干物质生产能力，提高氮素利用率，增加产量。

3 结束语

综述现有研究结果发现，将生物炭与不同种类化肥通过适当比例配施，对于提高作物对养分的吸收能力有显著影响。此外，配施生物炭与不同种类化肥还能改良土壤的理化性能，提高作物产量，促进作物生长发育，提高氮素利用率，降低氮素损失，提高水稻抗倒伏性。

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