孫愛(ài)華，華 信，葉曉思，詹煥楨，李英海，朱士江,3

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌443000；2. 三峽大學(xué)農(nóng)業(yè)水土資源可持續(xù)利用研究所，湖北 宜昌 443000； 3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030)

0 引 言

生物炭是在完全或者部分缺氧的條件下，由農(nóng)林廢棄物、城市生活垃圾等有機(jī)質(zhì)經(jīng)高溫裂解生成[1]。生物炭施入土壤不僅能夠起到固炭減排的作用[2-4]，而且還能改善土壤的理化性質(zhì)[5,6]，使之更適合農(nóng)作物的生長(zhǎng)[7-9]。大量的研究表明，生物炭可以作為肥料增效載體，與肥料混施能增加土壤對(duì)肥料的吸附能力，提高肥料的利用效率[10]。鐘雪梅等[11]采用土壤淋溶和室內(nèi)盆栽方法發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)竹炭包膜處理后的尿素比未經(jīng)過(guò)包膜處理尿素氮素利用率提高了10%～25%。表面積大、吸附能力強(qiáng)、孔隙率大等特征決定了生物炭不僅能夠提高土壤的保肥能力，還能增加田間土壤的持水能力[12]。顏永豪等[13]分別給塿土，黃綿土，風(fēng)沙土添加不同比例生物炭后，3種土壤的田間持水量分別平均增加2.77%，3.09%，4.17%。本文通過(guò)盆栽試驗(yàn)，意在探究土壤施加生物炭對(duì)節(jié)水灌溉水稻地上部分的生長(zhǎng)、產(chǎn)量及水分利用率方面的影響，以期為生物炭在農(nóng)田節(jié)水灌溉上的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年在三峽大學(xué)水文氣象站內(nèi)進(jìn)行，試區(qū)(30°43′25″N,111°18′ 11″E)位于中亞熱帶與北亞熱帶的過(guò)渡地帶，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫16.9℃，多年平均降雨量1 215 mm，無(wú)霜期250～300 d，年平均日照時(shí)數(shù)1 538～1 883 h，日照率40%。試驗(yàn)桶采用塑料圓通，桶口直徑40cm，桶底直徑30 cm，桶高45 cm，每個(gè)塑料桶供試面積約0.126 m2。自桶底向上依次鋪上2 cm的細(xì)沙，2 cm的小石子，3 cm的大石子和供試土壤，供試土壤為黃棕壤，質(zhì)地黏重，有機(jī)質(zhì)量少，pH值6～7，土壤飽和含水量31.13%(質(zhì)量比)。水稻品種為雜交稻“Y兩優(yōu)6號(hào)”，選擇長(zhǎng)勢(shì)大致相同的秧苗于5月20日插秧，每桶3穴，每穴1～2株，9月10收割，生育期113 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為灌溉模式和生物炭?jī)梢蛩卦囼?yàn)。主處理為2種灌溉模式，即常規(guī)灌溉和控制灌溉。副處理為施加生物炭(按20 t/hm2施放，記作C20)和不施加生物炭(C0)。灌溉控水指標(biāo)詳見(jiàn)表1，生物炭施放方法跟李中陽(yáng)[8]等人的研究相似。試驗(yàn)為4個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共12測(cè)桶。

生物炭制造原料為植物秸稈，江蘇溧竹環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)。肥料采用尿素肥(含氮量為46.2%)，按基肥∶蘗肥∶穗肥=5∶3∶2施放，鉀肥和磷肥作為基肥一次施放，水稻的整個(gè)生育期施加的肥料折合純氮220 kg/hm2,折合純鉀120 kg/hm2，折合純磷90 kg/hm2。

表1 水稻生育期灌溉控水指標(biāo)

注: 表中C0代表不施加生物炭,C20代表施加生物炭.水分處理:下限～上限。表中帶%的表示無(wú)水層,占土壤飽和含水率比例, 所測(cè)土壤含水量為土層下0～10 cm范圍內(nèi)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

(1)灌溉水分處理。每天上午9∶00和下午5∶00測(cè)量，有水層時(shí)采用水尺測(cè)量水層深度，無(wú)水層時(shí)采用便攜式土壤水分速測(cè)儀測(cè)定土壤水分，灌水采用1 L的量杯，每次灌溉量記錄下來(lái)，下雨后及時(shí)進(jìn)行排水。

(2)生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。從移栽后第16 d開(kāi)始，每隔8 d觀測(cè)一次水稻的莖蘗數(shù)和株高，抽穗前株高為土面到最高葉尖的高度，抽穗后株高為土面至穗頂?shù)母叨取Ｈ~面積指數(shù)采用長(zhǎng)×寬系數(shù)法[14]觀測(cè)，從返青期到乳熟期每個(gè)時(shí)期觀測(cè)一次，每個(gè)對(duì)照組選擇具有代表性的三株，測(cè)量葉片的長(zhǎng)度和寬度。葉綠素采用SPAD502型葉綠素儀測(cè)量，從返青期到乳熟期每個(gè)時(shí)期觀測(cè)一次，每次每個(gè)對(duì)照組隨機(jī)選取5片完全展開(kāi)的葉劍，分別測(cè)量葉劍的上部、中部、下部。

(3)考種與測(cè)產(chǎn)。在收割前考察有效穗數(shù)并實(shí)測(cè)每個(gè)處理產(chǎn)量。

文章圖表均采用Microsoft Excel 2007完成，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析用SPSS 19.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻莖蘗數(shù)及株高的消長(zhǎng)動(dòng)態(tài)

從圖1可以看出，不同處理水稻莖蘗動(dòng)態(tài)特征基本一致，都是隨著生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，移栽后的24～48 d是水稻分蘗最旺盛的時(shí)期，水稻的莖蘗數(shù)增長(zhǎng)最快，當(dāng)達(dá)到峰值之后，無(wú)效莖蘗的消亡大于新生莖蘗，水稻的莖蘗數(shù)總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

從灌溉方式上看，當(dāng)水稻分蘗進(jìn)入高峰期，常規(guī)灌溉處理水稻莖蘗數(shù)大于控制灌溉，通過(guò)T1與T2之間的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，施加生物炭處理下控制灌溉水稻莖蘗數(shù)最高為每穴16.78個(gè)，較常規(guī)灌溉降低了5.04%；通過(guò)T3與T4之間的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)生物炭處理下控制灌溉水稻莖蘗數(shù)最高為每穴14.33個(gè)，較常規(guī)灌溉降低了6.52%。從控制灌溉較常規(guī)灌溉在莖蘗量降低的百分比上看，施加生物炭有助于減輕控制灌溉對(duì)作物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的限制。到水稻生育末期，兩種灌溉方式莖蘗數(shù)差異較小。

水稻的生育前期施加生物炭與不施加生物炭水稻莖蘗數(shù)差異不大，說(shuō)明在水稻的生育前期，施加生物炭對(duì)水稻的莖蘗數(shù)影響不明顯。隨著生育期的推進(jìn)，在移栽32 d之后，施加生物炭和未施加生物炭之間的差異開(kāi)始顯現(xiàn)，施加生物炭處理水稻莖蘗數(shù)要明顯大于未施加生物炭處理。到生育末期，水稻的莖蘗變化逐漸趨于平穩(wěn)，最終表現(xiàn)為：T1處理>T2處理>T3處理>T4處理。分析不同處理水稻有效分蘗率可以看出，在施加生物炭處理?xiàng)l件下，T1和T2的平均有效分蘗率為76.48%；無(wú)生無(wú)炭處理?xiàng)l件下，T3和T4的平均有效分蘗率為73.08%。施加生物炭提高了水稻的有效分蘗率。

分析水稻的株高變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)(如圖2)，不同處理水稻的株高變化趨勢(shì)基本相同，從水稻的分蘗初期(移栽后16 d)到水稻的分蘗末期(移栽后56 d)是水稻株高增長(zhǎng)的快速期，在這個(gè)時(shí)期水稻植株增長(zhǎng)的高度占水稻整個(gè)生育期的53.05%～56.21% ，隨后水稻株高增長(zhǎng)有所放緩，當(dāng)進(jìn)入抽穗開(kāi)花期，水稻的株高由原來(lái)的葉尖改為穗頂，稻穗開(kāi)始生長(zhǎng)，株高增長(zhǎng)又進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)短暫的快速期(移栽后的72～80 d)，此后進(jìn)入乳黃期水稻株高變化較小趨于平緩。

通過(guò)T1與T2的對(duì)比可以看出，在施加生物炭的條件下，從分蘗初后的整個(gè)生育期常規(guī)灌溉和控制灌溉水稻株高分別增加了88.00和89.00 cm；通過(guò)T3和T4處理的對(duì)比可以看出，在不施加生物炭條件下，從分蘗初后的整個(gè)生育期常規(guī)灌溉和控制灌溉水稻株高分別增加了86.37和83.40 cm。數(shù)據(jù)上看，由于生物炭的施加，在灌溉模式相同時(shí)，水稻株高有所增加，平均高出3.62 cm。而不同灌溉模式對(duì)株高的增加影響不明顯。

圖1 水稻的莖蘗變化動(dòng)態(tài)

圖2 水稻的株高變化動(dòng)態(tài)

2.2 水稻各生育期葉面積指數(shù)

從圖1和圖3可以發(fā)現(xiàn)，水稻LAI動(dòng)態(tài)變化規(guī)律與莖蘗變化規(guī)律有些相似，生育前期很小，隨著生育期的推進(jìn)，LAI逐漸增大，水稻的分蘗期莖蘗和葉片迅速增長(zhǎng)，LAI增長(zhǎng)最為迅速，到拔節(jié)孕穗期水稻LAI達(dá)到頂峰，此后水稻莖蘗和葉片消亡大于生長(zhǎng)，LAI逐漸下降。

分析水稻LAI變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)(如圖3)，在水稻的生育前期，生物炭對(duì)水稻LAI影響較小，到分蘗中期施加生物炭處理和無(wú)生物炭處理對(duì)LAI的影響差異開(kāi)始顯現(xiàn)，進(jìn)入分蘗末期施加生物炭處理水稻LAI顯著大于未施加生物炭處理(P<0.05)。LAI峰值出現(xiàn)在拔節(jié)孕穗期，T1和T2處理下葉面積指數(shù)最大值分別為9.53和8.77，分別較T3和T4處理提高了39.33%和44.96%。說(shuō)明施加生物炭處理促進(jìn)了水稻分蘗和葉片生長(zhǎng)，提高了水稻的葉面積指數(shù)。從不同的灌溉方式上看，常規(guī)灌溉和控制灌溉水稻LAI的差異在分蘗中期開(kāi)始顯現(xiàn)，說(shuō)明在水稻的分蘗中期，水稻對(duì)水的需求比較大，水分不足對(duì)水稻LAI影響較大。從圖3可以看出，在水稻的分蘗中期至拔節(jié)孕穗期，相比未施加生物炭，施加生物炭處理?xiàng)l件下控制灌溉較常規(guī)灌溉水稻LAI減少量更小，這可能是由于施加生物炭提高了土壤的持水能力，使水稻根可吸收的水多，促進(jìn)地上部分的生長(zhǎng)。

圖3 各生育期水稻LAI變化動(dòng)態(tài)

2.3 水稻各生育期葉綠素(SPAD)指標(biāo)

葉綠素是反映水稻光合作用強(qiáng)度重要指標(biāo)，分析整個(gè)生育期SPAD值可以發(fā)現(xiàn)(如圖4)，各處理SPAD值呈現(xiàn)低-高-低-高-低的變化規(guī)律，水稻在返青期，生長(zhǎng)較慢，光合作用相對(duì)較弱，SPAD值較低，當(dāng)進(jìn)入分蘗期，水稻的生長(zhǎng)進(jìn)入快速生長(zhǎng)時(shí)期，再加上蘗肥的施加，水稻的光合作用增強(qiáng)，SPAD值明顯增加，隨著生育期的推進(jìn)，到拔節(jié)孕穗期葉片的生長(zhǎng)不在占主導(dǎo)地位，SPAD值開(kāi)始下降，為了促進(jìn)稻穗的生長(zhǎng)發(fā)育，施入一定量的穗肥之后，SPAD值又有所增加，到生育末期，葉片光合作用越來(lái)越弱，SPAD值逐漸降低。

圖4 各生育期水稻葉綠素變化動(dòng)態(tài)

分析施加生物炭處理和未施加生物炭處理對(duì)葉綠素的影響可以發(fā)現(xiàn)，T1、T2處理水稻在分蘗前期至灌漿結(jié)實(shí)期對(duì)氮素吸收相對(duì)平穩(wěn)，SPAD值波動(dòng)較小，可能是由于生物炭作為肥料的載體，對(duì)肥料的施放起到緩釋的作用。從不同灌溉方式上看，常規(guī)灌溉SPAD值要比控制灌溉高，說(shuō)明在水分充足的條件下更加有利于光合作用發(fā)生。

2.4 水稻的產(chǎn)量指標(biāo)及灌溉水生產(chǎn)率

分析生物炭處理對(duì)水稻產(chǎn)量、灌水量、灌溉水生產(chǎn)率的影響可以發(fā)現(xiàn)(如表1)，通過(guò)T1、T2處理與T3、T4處理對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，施加生物炭明顯提高了水稻的產(chǎn)量，T1和T2處理下水稻產(chǎn)量分別為8 984.42 kg/hm2和8 880.03 kg/hm2，分別較T3和T4處理提高了11.84%和11.88%。在灌溉水分生產(chǎn)率上，T1、T2處理分別比T3、T4增加了0.13 kg/m3和0.18 kg/m3。

從灌溉方式上來(lái)看，控制灌溉總灌水量為828.81 mm，較常規(guī)灌溉節(jié)水34.91%。與常規(guī)灌溉相比，控制灌溉水稻產(chǎn)量稍有降低，但在灌溉水分生產(chǎn)率上，控制灌溉顯著大于常規(guī)灌溉 (P<0.05)。在T2和T4處理?xiàng)l件下，控制灌溉水分生產(chǎn)率分別為2.12 kg/m3和1.94 kg/m3，分別較常規(guī)灌溉提高了51.42%和52.76%。

表2 不同處理?xiàng)l件下水稻產(chǎn)量及灌溉水分利用效率

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)葉綠素是反映水稻對(duì)氮素吸收狀況的一大體現(xiàn)，分析水稻生育期SPAD值可以發(fā)現(xiàn)，施加生物炭處理水稻吸收氮素較未施加生物炭處理平穩(wěn)，葉綠素的變化波動(dòng)也較小。

(2)與常規(guī)灌溉相比，控制灌溉水稻莖蘗、株高、葉面積指數(shù)、葉綠素在一定程度上受到水分虧缺的抑制，產(chǎn)量也略有降低，但灌水量有較大幅度降低，平均降低34.91%，灌溉水分生產(chǎn)率平均提高了0.69 kg/m3。

(3)土壤中施加生物炭促進(jìn)了水稻地上部分的生長(zhǎng)，提高了水稻的有效分蘗率，水稻的產(chǎn)量及灌溉水分生產(chǎn)率也明顯提高。與未施加生物炭處理相比，施加生物炭處理水稻產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)率平均提高了947 kg/hm2和0.16 kg/m3。

(4)與無(wú)生無(wú)炭處理相比，控制灌溉與生物炭聯(lián)合應(yīng)用在大幅度降低灌水量的同時(shí)，明顯地提高了水稻產(chǎn)量和灌溉水分生產(chǎn)率，T2處理灌溉水分生產(chǎn)率最高，為2.12 kg/m3。

農(nóng)業(yè)試驗(yàn)需要長(zhǎng)期的積累，因此，生物炭對(duì)水稻生長(zhǎng)特征及產(chǎn)量的影響應(yīng)該結(jié)合水稻品種、肥分、氣象等因素進(jìn)行長(zhǎng)期的試驗(yàn)分析，這也是本次研究的局限性，本文的研究成果可以為下一步的研究提供參考。

本文的撰寫(xiě)過(guò)程中得到三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心的鼎力支持，特此感謝。

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