崔月峰孫國才王桂艷王 健蔣昆煒黃文佳盧鐵鋼

(鐵嶺市農業(yè)科學院,遼寧 鐵嶺 112616)

生物炭是農林廢棄物等生物質在缺氧條件下熱裂解形成的富碳產物[1],具有孔隙豐富、比表面積大、理化性質穩(wěn)定的特點,還田后有利于改善土壤肥力、提升養(yǎng)分利用效率、增強水稻葉片光合能力以及促進水稻地上部干物質積累和增加產量[2～6],對水稻生產的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。 但也有研究發(fā)現生物炭施入稻田會固定土壤氮素,降低氮素吸收,導致產量降低[7～8]。 生物炭對作物生長發(fā)育和產量的效應與土壤類型、環(huán)境條件以及生物炭種類、施用量、施用年限等諸多因素有關,存在較大的不確定性[9～11]。 水稻是我國的主要糧食作物,也是單產較高的糧食作物[12],穗型是水稻的重要形態(tài)特征之一,徐正進等按穗頸彎曲度劃分為直立穗型、半直立穗型和彎曲穗型[13],近年來直立和半直立穗型品種的種植面積逐年擴大,為進一步提高單產水平起到了重要作用[14]。 但當前關于生物炭的研究多集中在生物炭種類、施用年限、環(huán)境條件等方面,針對不同穗型品種的北方粳稻研究還很少。 因此,本試驗選擇直立穗型和半直立穗型粳稻品種作為試材,研究不同生物炭施用量對不同穗型粳稻物質生產和產量的影響,為生物炭在北方粳稻生產應用上提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻品種為直立穗型品種北粳1 號和半直立穗型品種鐵粳11,生物炭由遼寧生物炭工程技術研究中心將水稻秸稈在400～500 ℃熱解缺氧條件下生產,生物炭主要理化性質為氮含量1.33%,磷含量0.61%,鉀含量2.45%,碳含量58.97%,pH 值9.14。

1.2 試驗設計

試驗于2020～2021年在鐵嶺市農業(yè)科學院內水稻試驗田進行,0～20 cm 土層營養(yǎng)指標全氮含量1.43 g/kg,全磷含量0.71 g/kg,全鉀含量18.36 g/kg,速效氮含量121.62 mg/kg,速效磷含量19.25 mg/kg,速效鉀含量85.29 mg/kg,有機質含量14.24 g/kg,pH 值6.21。 采用裂區(qū)設計,生物炭作為主區(qū),品種作為副區(qū),試驗設3個處理,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。 每處理重復3 次,小區(qū)面積30 m2。生物炭在水稻移栽前一次性施入,均勻分散到土壤表面混勻,氮肥為基肥∶蘗肥∶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%過磷酸鈣875 kg/hm2,鉀肥為基肥∶穗肥= 1 ∶1 施入52%硫酸鉀202 kg/hm2,其他栽培管理措施按照常規(guī)生產技術管理。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 干物質積累

在水稻抽穗期和成熟期每小區(qū)取代表性植株5 穴。將葉片、莖和穗分開后在鼓風烘箱中烘干(105 ℃下殺青30 min,80 ℃下烘干),稱干重。

1.3.2 產量及構成因素

每小區(qū)實割6 m2,涼干后按照標準含水量計算產量;每小區(qū)調查10 穴測定有效穗,以平均每穴穗數為標準,在每小區(qū)取代表性植株4 穴,測定其每穗總粒數、結實率、千粒重等性狀。

1.4 數據統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 進行整理試驗數據。 采用DPS 7.05 軟件對不同處理間差異進行方差分析,所有試驗數據均以平均值形式表達。

2 結果與分析

2.1 不同生物炭施量對不同穗型粳稻干物質積累的影響

表1顯示了不同生物炭施量下北粳1 號和鐵粳11 營養(yǎng)和生殖器官的干物質積累。

表1 不同生物炭施量下植株干物質積累

在抽穗期,與不施生物炭相比,施用7.5 t/hm2生物炭使北粳1 號的葉、穗和總干物質重分別顯著增加9.2%、6.3%和7.9%,而對莖干物重沒有顯著影響,施用15 t/hm2生物炭使北粳1 號的葉、莖、穗和總干物質重分別顯著增加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 號的葉、莖、穗和總干物質重分別顯著增加6.5%、7.1%和6.3%,對莖干物重沒有顯著影響;施用15 t/hm2生物炭使北粳1 號的葉、莖、穗和總干物質重分別顯著增加15.8%、6.4%、10.1%和10.0%。

在抽穗期,與不施生物炭相比,施用7.5 t/hm2生物炭使鐵粳11 的葉、莖和總干物質重分別顯著增加12.9%、10.2%和10.3%,而對穗干物重沒有顯著影響,施用15 t/hm2生物炭使鐵粳11 的葉、莖、穗和總干物質重分別顯著增加17.6%、14.4%、17.3%和15.9%;在成熟期,施用7.5 t/hm2生物炭使鐵粳11 的葉、穗和總干物質重分別顯著增加8.4%、7.6%和8.1%,施用15 t/hm2生物炭使鐵粳11 的葉、莖、穗和總干物質重分別顯著增加9.8%、11.9%、13.5%和12.4%。

可見,無論是直立穗型品種北粳1 號還是半直立穗型品種鐵粳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生物炭量對提升干物質重更具優(yōu)勢。

2.2 不同生物炭施量對粳稻產量及構成因素的影響

表2表明,與不施生物炭相比,施用7.5 t/hm2生物炭對北粳1 號的有效穗、結實率和千粒重沒有顯著影響,但使每穗總粒數和產量分別顯著增加7.7%和6.6%;施用15 t/hm2生物炭對北粳1 號的有效穗和千粒重沒有顯著影響,但使每穗總粒數、結實率和產量分別顯著增加9.8%、4.7%和11.2%。

表2 不同生物炭施量下產量及其構成因素

與不施生物炭相比,施用7.5 t/hm2生物炭對鐵粳11的有效穗、每穗總粒數、千粒重和產量都沒有顯著影響,施用15 t/hm2生物炭對鐵粳11 的有效穗、每穗總粒數分別顯著增加6.0% 和6.1%,進而使得產量顯著增加7.4%。

可見施用7.5 t/hm2生物炭可以顯著增加北粳1 號的每穗總粒數和產量,但對鐵粳11 的產量及其構成因素沒有顯著影響;施用15 t/hm2生物炭時,北粳1 號的每穗總粒數、結實率明顯升高,導致產量顯著增加,而鐵粳11產量的顯著增加是因為有效穗數和每穗總粒數的明顯優(yōu)勢。

3 結論與討論

水稻產量形成的關鍵是花后干物質生產、積累、轉運與分配[15],穗型差異會影響群體光分布、消光系數和物質生產,對產量有著至關重要的影響[16],生物炭對直立穗型品種北粳1 號和半直立穗型品種鐵粳11 的物質生產及產量的影響也存在差異性。 有研究認為施用生物炭能夠提高水稻PSⅡ反應中心的光能轉換效率、潛在活性和開放比例,提高灌漿期葉片的光合功能[5],有效促進水稻干物質的生產積累[17～18]。 本研究表明,無論是直立穗型品種北粳1 號還是半直立穗型品種鐵粳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生物炭量對提升干物質重更具優(yōu)勢。 在水稻進入抽穗期時,施用7.5 t/hm2生物炭使北粳1 號和鐵粳11 的總干物質量分別顯著增加7.9%、10.3%,施用15 t/hm2生物炭使北粳1 號和鐵粳11的總干物質量分別顯著增加13.6%、15.9%;到成熟期時,施用7.5 t/hm2生物炭使北粳1 號和鐵粳11 的總干物質量分別顯著增加6.3%、8.1%,施用15 t/hm2生物炭使北粳1 號和鐵粳11 的總干物質量分別顯著增加10.0%、12.4%。 生物炭促使水稻干物質生產積累量增加的原因可能是由于生物炭比表面積大、孔隙多,施入土壤后能作為養(yǎng)分增效載體,對 NH4+、NO3-等離子具有良好的吸附緩釋性,為水稻生長持續(xù)供應營養(yǎng)養(yǎng)分,進而促進干物質生產積累[19～21],同時生物炭本身含有的有機小分子物質可能參與某些內源激素合成,調控植株內源激素含量,有利于促進水稻生長[22]。

生物炭對作物的產量影響受生物炭本身特性、施用量、作物和土壤類型以及田間管理等多方面因素的影響。Jeffery 等系統(tǒng)分析了生物炭與作物產量之間的相關性,發(fā)現施用生物炭的平均增產幅度約為10%,但在-28%～39%之間的范圍波動[23]。 Zhang 等研究認為施用生物炭能在2年內持續(xù)提高水稻產量,增產率為 8%～12%[24]。Asai 等研究認為,增加生物炭用量使得水稻產量隨之增加,但當施用量達16 t/hm2時,水稻因氮素缺乏而使產量不再增加[25]。 張偉明等研究發(fā)現施用生物炭顯著增加水稻有效穗數、穗粒數和結實率,增產25.3%[26]。 本研究發(fā)現,施用7.5 t/hm2生物炭可以顯著增加北粳1號的每穗總粒數和產量分別達7.7%和6.6%,但對鐵粳11 的產量及其構成因素沒有顯著影響;施用15 t/hm2生物炭時,北粳1 號的每穗總粒數、結實率顯著升高9.8%和4.7%,導致產量顯著增加11.2%。 而鐵粳11 產量的顯著增加是因為有效穗數和每穗總粒數的顯著增加6.0%和6.1%,進而使得產量顯著增加7.4%,這與劉磊等發(fā)現生物炭有增加早稻有效穗數和每穗粒數的趨勢一致,即提高總穎花數,使水稻庫容量增大,更有利于光合產物輸出到籽粒中[27]。 施用生物炭對直立穗型品種北粳1 號和半直立穗型品種鐵粳11都具有增產效應,可能是由于生物炭的特殊微孔結構,為微生物棲息和繁殖提供了良好的生存環(huán)境,增強土壤微生物功能作用[28],同時能夠吸附養(yǎng)分離子和其它有機物質,降低養(yǎng)分流失,提高根際土壤酶活性,增加土壤的有機碳含量和堿解氮含量,促進水稻對氮素養(yǎng)分的吸收,從而使產量增加[4,29～30]。 但直立穗型品種北粳1 號比半直立穗型品種鐵粳11 對生物炭的響應更為敏感,無論是施用7.5 t/hm2還是15 t/hm2生物炭都能夠顯著提高北粳1 號產量,而鐵粳11 的產量只有在施用15 t/hm2生物炭時才能出現顯著的提升效應,這可能與不同穗型品種本身群體冠層光分布的差異性有關[31]。