榮飛龍,蔡正午,覃莎莎,張 凱,吳立群,陽樹英,肖智華,任 勃,林元山,陳法霖,*

1 洞庭湖區(qū)農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)健康湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,長沙 410128 2 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830052 3 湖南金健種業(yè)科技有限公司,長沙 410128 4 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,長沙 410128

生物炭是生物質(zhì)材料在無氧或缺氧的條件下經(jīng)250℃以上高溫?zé)峤馓炕]發(fā)性油和氣后產(chǎn)生的富含碳素的固態(tài)物質(zhì)[1]。由于其高度羧酸酯化和芳香化的結(jié)構(gòu)、較高的pH值、鹽基離子含量以及孔隙度和比表面積等特殊性質(zhì)[2-3],生物炭具有提高酸性農(nóng)田土壤pH值[4-5]、改善土壤質(zhì)量和養(yǎng)分循環(huán)[6-7]、減少土壤養(yǎng)分淋失[8-9]、提高作物肥料利用率[10-11]等功能,在促進(jìn)作物生長發(fā)育和提高產(chǎn)量[10-12]等方面具有積極效應(yīng)。

大量研究已證實(shí)添加生物炭具有促進(jìn)作物生長和增產(chǎn)作用[13- 15],但關(guān)于這些效應(yīng)如何隨生物炭添加量的變化而變化,以及這些效應(yīng)可持續(xù)多長時間等問題仍有待進(jìn)一步研究。研究顯示酸性紅壤添加生物炭對油菜和甘薯的增產(chǎn)效應(yīng)隨添加量增加而增強(qiáng)[16-17]；酸性土壤中蘿卜產(chǎn)量的增加也與生物炭施用量增高有關(guān),且施用量為100 t/hm2時的增產(chǎn)效果最好[18]；生物炭施用梯度為10、20 t/hm2及40 t/hm2時,水稻產(chǎn)量增幅隨添加量增加逐漸上升[19-20]。但也有研究發(fā)現(xiàn)增產(chǎn)效應(yīng)并非隨添加量增加而持續(xù)增加,即當(dāng)添加量達(dá)到一定量后,其增產(chǎn)效應(yīng)開始降低或產(chǎn)生抑制作用[14, 21]。明確酸性稻田水稻產(chǎn)量對生物炭梯度一次性添加的持續(xù)響應(yīng)有助于明確適合南方酸性稻田的最佳施用量。農(nóng)田施用生物炭促進(jìn)增產(chǎn)的持續(xù)時間是另一研究重點(diǎn)。然而目前大多研究只揭示了生物炭的短期效應(yīng)(1—2年),揭示其長期影響的研究較少[22]。Jin等[16]研究發(fā)現(xiàn)酸性紅壤生物炭一次性添加對油菜的增產(chǎn)效果可持續(xù)5年,但增產(chǎn)效果逐年下降；Cornelissen等[23]發(fā)現(xiàn)施用可可殼生物炭對玉米的增產(chǎn)效應(yīng)能維持5季,但從第3季開始增產(chǎn)效果逐季下降；此外,有研究在肥力較高稻田進(jìn)行多年生物炭添加試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)生物炭對水稻產(chǎn)量沒有顯著影響[24]。但是關(guān)于酸性稻田一次性添加生物炭對水稻增產(chǎn)效應(yīng)的持續(xù)時間還鮮見報道。

本研究通過5年大田試驗(yàn)研究酸性稻田生物炭不同水平一次性添加對水稻生長及產(chǎn)量的長期影響。主要回答2個問題：(1)生物炭促進(jìn)水稻生長和增產(chǎn)的作用如何響應(yīng)生物炭添加量的變化？(2)生物炭一次性添加在促進(jìn)水稻生長和增產(chǎn)方面的效應(yīng)可持續(xù)多久？研究結(jié)果可揭示大田環(huán)境下生物炭添加對促進(jìn)酸性稻田水稻生長和產(chǎn)量的持續(xù)效應(yīng),為指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐中利用生物炭以實(shí)現(xiàn)稻田增產(chǎn)提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖南省長沙市長沙縣長安村(28°14′00″N,113°23′06″E)。屬于亞熱帶濕潤氣候,四季分明,氣候溫和,水熱充足,年平均氣溫16—20 ℃,日照時數(shù)為1600—1800 h,全年無霜期260—300 d。降水年際變化大,年均降水量1877.1 mm,集中于春夏兩季。土壤類型屬于第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的紅黃泥水稻土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)所用生物炭為稻殼炭,來源于湖南正恒農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司,最高熱處理溫度500 ℃,基本性質(zhì)為pH值9.21、有機(jī)碳163.9 g/kg、總氮1.7 g/kg、總磷2.14 g/kg、總鉀3.24 g/kg、堿解氮51.1 mg/kg、有效磷28.3 mg/kg、速效鉀176 mg/kg。

選取土壤肥力中等的稻田(土壤基本性質(zhì)見表1),采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計開展小區(qū)試驗(yàn)。沿稻田自然的肥力梯度排列4個區(qū)組,每個區(qū)組設(shè)置6個小區(qū)(大小為 4 m× 5 m),小區(qū)間通過覆蓋雙層塑料膜的田埂相隔以防止串水串肥。6個小區(qū)分別施加不同量生物炭：0 t/hm2(對照,CK)、20 t/hm2(B20)、40 t/hm2(B40)、60 t/hm2(B60)、80 t/hm2(B80)和100 t/hm2(B100)。生物炭于2015年水稻移栽一周前一次性與當(dāng)季基肥同時施入,此后不再添加,采用人工耙田,耙田深度20 cm左右,保證生物炭與土壤充分混勻。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本性質(zhì)

本試驗(yàn)開展于2015—2019年。2015和2016年進(jìn)行一季中稻栽培,供試品種為廣兩優(yōu)143(雜交稻)。5月初播種,5月下旬移栽至各試驗(yàn)小區(qū)(插植密度為20 cm× 26.7 cm,每蔸插2—3株基本苗),9月中下旬收獲。中稻每個生育期施純氮181 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 153 kg/hm2。氮肥采用復(fù)合肥作基肥、尿素作追肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶3∶2施用。磷肥采用復(fù)合肥作基肥一次性施用。鉀肥采用復(fù)合肥作基肥、氯化鉀(含K2O 60.0%)作追肥按基肥∶穗肥=6∶4施用。2017年進(jìn)行一季晚稻栽培,供試品種為玉針香(常規(guī)稻),6月18日播種,7月12日移栽(插植密度為20 cm× 20 cm,每蔸插4—5株基本苗),10月10日收獲。2018年進(jìn)行一季晚稻栽培,供試品種為桃優(yōu)香占(雜交稻),6月20日播種,7月12日移栽(插植密度為20 cm× 20 cm,每蔸插2—3株基本苗),10月11日收獲。2019年進(jìn)行一季晚稻栽培,供試品種為泰優(yōu)553(雜交稻),6月20日播種,7月15日移栽(插植密度為20 cm× 20 cm,每蔸插2—3株基本苗),10月15日收獲。晚稻每個生育期施純氮150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2。氮肥采用復(fù)合肥和有機(jī)肥作基肥、尿素作追肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3施用。磷肥采用復(fù)合肥和有機(jī)肥作基肥一次性施用。鉀肥采用復(fù)合肥和有機(jī)肥作基肥、氯化鉀作追肥按基肥∶穗肥=4∶1施用。其他稻田水分及病蟲害管理按當(dāng)?shù)卮筇锕芾磉M(jìn)行。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1葉面積指數(shù)及粒葉比

水稻齊穗期于每小區(qū)選取代表性水稻植株5蔸,按長寬系數(shù)法測定葉面積。用穎花數(shù)/葉面積、實(shí)粒數(shù)/葉面積、粒重/葉面積來計算粒葉比[25]。穎花數(shù)、實(shí)粒數(shù)、粒重分別指總穎花數(shù)、總實(shí)粒數(shù)、總粒重,葉面積為齊穗期葉面積。

1.3.2葉綠素含量

水稻齊穗期于每小區(qū)選代表性劍葉和倒4葉各20 片,用SPAD- 502Plus手持葉綠素儀(Minolta,日本)測定各葉片的SPAD值,測定部位為葉片中部及中部上下2 cm處,避開葉脈,以3 處測定的平均值表示該葉片葉綠素的相對含量。

1.3.3干物質(zhì)積累

于齊穗期和成熟期分別采樣測定干物質(zhì)積累。齊穗期時,每個小區(qū)選取生長均勻并且有代表性的水稻植株5蔸,分部位裝袋,于105 ℃殺青30 min后,經(jīng)80 ℃烘干至恒重后稱重,計算單蔸莖、葉、穗及群體地上部干物質(zhì)積累量。成熟期時,每個小區(qū)選取3個1 m2的測產(chǎn)樣方,收割稻株地上部分進(jìn)行鮮樣稱重,取部分樣蔸測定含水量后換算群體地上部干重。

1.3.4產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

每小區(qū)收獲3個1 m2樣方的稻谷,每個樣方取部分稻谷測定含水量,最后以13.5%的含水量折算稻谷產(chǎn)量。收獲時記錄各樣方有效穗數(shù)。每個小區(qū)選取5蔸代表性植株測定每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率及千粒重。

1.4 統(tǒng)計分析

采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)進(jìn)行處理間差異比較,采用Duncan法進(jìn)行多重比較。采用Pearson相關(guān)分析水稻產(chǎn)量與各生育性狀指標(biāo)間、土壤肥力指標(biāo)之間的相關(guān)性。所用軟件為SPSS 22.0(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面積指數(shù)及粒葉比

添加生物炭顯著提高水稻群體的葉面積指數(shù)(Leaf area index,LAI),且LAI隨生物炭添加量的增加而增加。試驗(yàn)前3年,高炭量處理B100和B80的LAI均顯著高于CK,其增幅也高于B60、B40和B20；試驗(yàn)第4年處理間差異不顯著；試驗(yàn)第5年B100處理的LAI顯著高于CK,表明高炭量添加在促進(jìn)葉片生長,提高水稻葉面積指數(shù)方面的作用效果及持續(xù)效應(yīng)更好(圖1)。

圖1 不同生物炭處理水稻齊穗期群體葉面積指數(shù) Fig.1 Leaf area index of rice at full heading stage with different biochar treatmentsCK：為未添加生物炭處理,soil without biochar amendment；B20：生物炭施用量為20 t/hm2的處理,soil with biochar amendment at the rate of 20 t/hm2；B40：生物炭施用量為40 t/hm2的處理,soil with biochar amendment at the rate of 40 t/hm2；B60：生物炭施用量為60 t/hm2的處理,soil with biochar amendment at the rate of 60 t/hm2；B80：生物炭施用量為80 t/hm2的處理,soil with biochar amendment at the rate of 80 t/hm2；B100：生物炭施用量為100 t/hm2的處理,soil with biochar amendment at the rate of 100 t/hm2;NS和*表示方差分析的結(jié)果,NS(no significance)表示P> 0.05,*表示P< 0.05,**表示P< 0.01,***表示P<0.001；不同的小寫字母表示處理間差異顯著(P < 0.05)

不同處理間的總穎花數(shù)/葉面積、總實(shí)粒數(shù)/葉面積以及總粒重/葉面積在5年試驗(yàn)間均無顯著差異(表2,P>0.05)。

表2 不同生物炭處理的水稻粒葉比

2.2 葉綠素含量

生物炭添加第1年,當(dāng)添加量達(dá)到或超過60 t/hm2,水稻齊穗期劍葉的葉綠素含量顯著低于對照(P<0.05),但從第2年開始,其負(fù)面影響消失。后4季添加生物炭對劍葉葉綠素含量的影響均不顯著(圖2)。這可能是由于生物炭含碳量較高,高量添加導(dǎo)致初期土壤碳氮比過高,影響了水稻對土壤氮素的吸收。

添加生物炭顯著提高水稻齊穗期倒4葉的葉綠素含量,且隨生物炭添加量增加表現(xiàn)為增加趨勢。添加生物炭對水稻倒4葉SPAD的增效具有較強(qiáng)的持續(xù)性。試驗(yàn)第2年至第4年,B100、B80和B40處理倒4葉的SPAD值均顯著高于對照,且在第5年仍有增加趨勢(圖2)。

圖2 不同生物炭處理的水稻齊穗期葉片葉綠素含量Fig.2 Leaf chlorophyll content of rice at heading stage with different biochar treatmentsSPAD：指用SPAD(Soil and Plant Analyzer Development)方法測量的葉綠素濃度

2.3 干物質(zhì)積累

添加生物炭有利于提高水稻地上部的干物質(zhì)積累,隨生物炭添加量增加水稻的干物質(zhì)積累呈現(xiàn)出增加趨勢(表3)。5年間,水稻齊穗期莖鞘重均隨生物炭添加量增加而顯著增加；除第4年沒達(dá)到顯著水平,其余年份,齊穗期水稻葉重的變化規(guī)律與莖鞘重一致；穗重也呈現(xiàn)出相似的規(guī)律,但僅在第5年達(dá)到顯著水平。無論是齊穗期還是成熟期,水稻地上部總干物質(zhì)積累均隨生物炭添加量增加而增加。

表3 不同生物炭處理水稻莖鞘、葉及收獲期地上部干物質(zhì)積累量

2.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

添加生物炭顯著促進(jìn)稻田增產(chǎn),且稻谷產(chǎn)量隨生物炭添加量的增加而增加。第1年,添加量≥60 t/hm2顯著促進(jìn)稻田增產(chǎn),增幅達(dá)17.0%—23.7%；第2年,添加量≥40 t/hm2的顯著增幅達(dá)15.5%—32.4%；第3年,添加量為20—100 t/hm2的顯著增幅為9.6%—21.8%；第4年,水稻仍呈現(xiàn)增產(chǎn)趨勢,但各處理間無顯著差異,且水稻增幅開始減弱；第5年,僅100 t/hm2添加量仍顯著增產(chǎn),增幅為15.7%(圖3)。

圖3 不同生物炭處理稻谷產(chǎn)量及累計產(chǎn)量增幅Fig.3 Grain yield and accumulative yield increases of different amount of biochar amendment

高炭量添加的增產(chǎn)效果優(yōu)于低炭量添加,不同生物炭添加量的處理與對照的累積產(chǎn)量增幅隨時間推移呈現(xiàn)出不同規(guī)律,但均在第3年后表現(xiàn)為遞減趨勢。從試驗(yàn)第1年至第5年,與對照稻田相比,B100處理的累積產(chǎn)量增幅在第2年達(dá)到峰值之后遞減,依次為23.7%、27.8%、25.9%、22.30%、20.6%；B80處理的累積產(chǎn)量增幅依次下降,分別為21.7%、20.8%、20.2%、16.3%、14.4%；B60、B40和B20處理累積產(chǎn)量增幅的峰值均出現(xiàn)在第3年,B60的累積產(chǎn)量增幅依次為17.0%、18.1%、18.8%、13.8%、11.6%；B40的累積產(chǎn)量增幅依次為9.8%、12.5%、13.6%、11.0%、10.3%；B20的依次為5.9%、5.5%、6.8%、5.4%、4.6%(圖3)。

添加生物炭顯著影響水稻的產(chǎn)量構(gòu)成因素,雖然不同年份發(fā)生顯著變化的產(chǎn)量構(gòu)成因素存在差異,但每穗粒數(shù)的變化最顯著。添加生物炭顯著增加水稻的每穗粒數(shù),除第3年沒達(dá)到顯著水平,其余年份B100、B80及B60與對照的差異均達(dá)到顯著或極顯著水平(表4)。

表4 不同生物炭處理水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素

2.5 產(chǎn)量與其他生育指標(biāo)的關(guān)系

生物炭影響下,水稻產(chǎn)量與齊穗期時群體葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累(單蔸莖鞘、葉及地上部總重)以及倒4葉SPAD均呈顯著正相關(guān)。生物炭影響下水稻產(chǎn)量的增加主要與產(chǎn)量構(gòu)成中每穗粒數(shù)的增多有關(guān)(圖4)。

圖4 稻谷產(chǎn)量與生長指標(biāo)的關(guān)系Fig.4 Relationship between grain yield and growth indicator

3 討論

農(nóng)田施用生物炭對不同作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的良好效應(yīng)已被大量研究證實(shí)[16,26]。不同研究中生物炭的添加量從低于1 t/hm2到超過100 t/hm2不等,與對照相比,施用生物炭促進(jìn)產(chǎn)量增加的百分比從低于10%到超過200%[14,27]。如此高的變異可能與不同作物、土壤類型、生物炭原料及施用量的變化有關(guān)。本研究選取土壤肥力中等的酸性稻田,在正常施肥基礎(chǔ)上開展生物炭梯度增施試驗(yàn),生物炭一次性添加量為0—100 t/hm2,結(jié)果表明與對照相比,生物炭處理單季最高產(chǎn)量增幅達(dá)32.4%,五年累積產(chǎn)量增幅為4.6%—20.6%。

水稻群體質(zhì)量的優(yōu)劣是水稻各產(chǎn)量構(gòu)成因素形成是否協(xié)調(diào)、水稻產(chǎn)量高低的決定因素[28],齊穗期水稻的群體葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累以及倒4葉葉綠素含量等均是表征水稻群體質(zhì)量的重要指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)施加生物炭顯著提高水稻群體的葉面積指數(shù)、倒4葉葉綠素含量、莖鞘及葉的干物質(zhì)積累以及每穗粒數(shù),且稻谷產(chǎn)量與上述指標(biāo)均呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)的關(guān)系,表明酸性稻田施加生物炭有利于提高水稻群體質(zhì)量,形成壯桿大穗群體,從而促進(jìn)增產(chǎn)。水稻籽粒產(chǎn)量中60%—80%來自于抽穗到成熟期的光合產(chǎn)物積累[28],齊穗期較大的葉面積指數(shù)意味著較高的群體光合能力；齊穗期較高的莖鞘重則為增加水稻每穗穎花數(shù),促進(jìn)灌漿,提高結(jié)實(shí)率等提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[28-29]；水稻倒4葉的葉綠素含量與根系活力顯著正相關(guān)[30],本研究中生物炭處理顯著提高水稻齊穗期時倒4葉的SPAD值,表明生物炭不僅能提高水稻生殖生長期時下部葉的光合能力,也間接說明生物炭對促進(jìn)水稻根系生長,提高生長后期的根系活力具有潛在作用。前人研究也表明農(nóng)田施用生物炭能提高水稻葉面積指數(shù)[31]、增加葉片光合能力[32],促進(jìn)水稻根系生長[33],增加干物質(zhì)積累量[34],有利于每穗粒數(shù)增加[31, 33],最終促進(jìn)水稻增產(chǎn)。

本研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭對水稻生長和產(chǎn)量的促進(jìn)作用隨添加量的增加而增強(qiáng),B100和B80的水稻群體質(zhì)量最好,產(chǎn)量最高。這與Chan等[18]在酸性旱地土壤上開展的研究結(jié)果一致,蘿卜產(chǎn)量隨生物炭施用量增加而增高,且施用量為100 t/hm2時的增產(chǎn)效果最好。Liu等[17]的研究也表明生物炭對酸性紅壤中油菜和甘薯產(chǎn)量的促進(jìn)作用隨添加量增加而增強(qiáng)。但是阿力木·阿布來提等[35]的研究顯示水稻產(chǎn)量隨生物炭施用量增加并未呈線性增加,而呈先增加后降低趨勢,可能與他們的土壤偏堿性有關(guān)。Haefele等[36]發(fā)現(xiàn)施用稻殼炭導(dǎo)致前3季水稻產(chǎn)量略有下降,但是他們試驗(yàn)地土壤肥力較高,表層土壤中原本含有較高的氮、磷、鉀等有效養(yǎng)分,添加高碳氮比的生物炭反而限制了氮的有效性,導(dǎo)致生物炭的作用難以發(fā)揮。Jeffery等[37]通過全球尺度的Meta分析發(fā)現(xiàn),添加生物炭對低營養(yǎng)、酸性土壤的增產(chǎn)效果尤為明顯,作物產(chǎn)量平均提高了25%。Jin等[16]連續(xù)5年的大田試驗(yàn)也表明在酸性土壤施用生物炭有利于提高土壤肥力,促進(jìn)油菜生長和增產(chǎn),油菜株高、生物量及產(chǎn)量均隨生物炭添加量增加而增加。

通過不同生物炭處理與對照間單季及累積產(chǎn)量的增幅比較,本研究發(fā)現(xiàn)盡管前3年不同生物炭處理隨時間呈出不同趨勢,但是從第4年開始,所有生物炭處理與對照的單季及累積產(chǎn)量增幅均呈現(xiàn)下降趨勢,表明生物炭對酸性稻田的增產(chǎn)效應(yīng)可穩(wěn)定維持3年,之后開始下降。Jin等[16]連續(xù)5年的大田試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)酸性土壤一次性添加生物炭對油菜的增產(chǎn)效果可持續(xù)數(shù)年,但是呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢。Cornelissen等[23]的研究也表明一次性添加可可殼生物炭能持續(xù)5季促進(jìn)玉米增產(chǎn),增產(chǎn)效果在第2季達(dá)到高峰,然后呈現(xiàn)逐年下降趨勢。還有研究發(fā)現(xiàn)生物炭對作物的增產(chǎn)效果隨年際推移而逐年增加,如Major等[38]發(fā)現(xiàn),施用生物炭第1年對玉米產(chǎn)量無顯著影響,但第2—4年玉米增產(chǎn)效果持續(xù)增高,產(chǎn)量分別增加28%、30%和140%。

土壤中輸入生物炭能夠綜合改善土壤水、肥、氣、熱等環(huán)境條件,為水稻提供良好的生長環(huán)境[32],從而促進(jìn)水稻生長發(fā)育,改善水稻群體質(zhì)量,最終促使水稻持續(xù)增產(chǎn)。本研究中酸性稻田一次性添加生物炭對水稻生長和持續(xù)增產(chǎn)的良好效應(yīng)可能與生物炭及研究區(qū)土壤特性有關(guān)。首先,土壤酸性是影響酸性土壤中土壤肥力提升和作物產(chǎn)量增加的關(guān)鍵因子[16]。本研究稻殼炭本身pH較高(9.21),而土壤的pH值只有4.67,添加生物炭有利于提高土壤pH值[39-41],降低酸性土壤中磷的固定,提高磷素的生物有效性[42-43]。其次,本研究土壤肥力不高,由于稻谷殼中的磷鉀鈣鎂等礦質(zhì)養(yǎng)分在經(jīng)過高溫?zé)峤夂蟠蟛糠秩员Ａ粼谏锾恐?施用生物炭可直接為水稻生長提供養(yǎng)分[44-45]。同時,生物炭比表面積較大,孔隙及表面官能團(tuán)豐富,具有較強(qiáng)的吸附能力,有利于增加土壤的陽離子交換量[46],吸附土壤水溶液中的N、P、K等有效養(yǎng)分[47],提高作物的養(yǎng)分利用率[48]。隋陽輝等[34]發(fā)現(xiàn)施用生物炭提高了氮肥利用率,增加了水稻莖鞘和葉中的氮素含量,促進(jìn)了地上部干物質(zhì)的積累。此外,生物炭較小的容重和多孔結(jié)構(gòu)也有利于改善土壤物理結(jié)構(gòu),提高土壤透氣性,降低土壤容重,促進(jìn)水稻根系生長,提高根系活力[33]。陳盈等[32]認(rèn)為由于生物炭提高了水稻根系活力,又為水稻生長提供了額外養(yǎng)分,從而提高了水稻生長后期葉片的光合性能,有利于促進(jìn)水稻灌漿,提高每穗實(shí)粒數(shù),促使水稻增產(chǎn)。最后,由于生物炭富含有機(jī)碳且相對穩(wěn)定,分解速度慢,對土壤有機(jī)質(zhì)的固持和土壤肥力的提升具有長效作用[48-49]。史思偉等[50]也發(fā)現(xiàn)長期施用生物炭,土壤物理結(jié)構(gòu)的得到顯著改善,土壤有機(jī)質(zhì)、土壤總氮及氮磷鉀速效養(yǎng)分的含量均顯著提高。Jin[16]和許云翔[51]等還發(fā)現(xiàn)生物炭對表征土壤肥力的土壤微生物量及土壤酶活性的提高同樣具有積極的長效作用。因此,施用生物炭對土壤理化性質(zhì)的持續(xù)改善及土壤肥力的穩(wěn)定維持或提高是促進(jìn)作物生長和持續(xù)增產(chǎn)的可能原因。

4 結(jié)論

綜合5年試驗(yàn)結(jié)果表明,酸性稻田添加生物炭有利于改善水稻群體質(zhì)量,最終促進(jìn)水稻增產(chǎn),且增產(chǎn)效果隨著生物炭添加量增加而增加；酸性稻田一次性添加生物炭后,其增產(chǎn)效果至少能穩(wěn)定維持3年；高炭量添加(100 t/hm2和80 t/hm2)相比于低中炭量添加在促進(jìn)水稻生長和增產(chǎn)方面的作用更明顯,且持續(xù)增產(chǎn)潛力較好。