收稿日期：2024-06-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32101303）；江蘇現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專(zhuān)項(xiàng)[JATS（2023）253]；揚(yáng)州市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（YZ2023046）；揚(yáng)州市生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（YZ2023244）

作者簡(jiǎn)介：馬林杰（1993-），男，安徽阜陽(yáng)人，博士，助理研究員，主要從事生態(tài)農(nóng)業(yè)研究。（E-mail）20212411@jaas.ac.cn

通訊作者：寇祥明，（E-mail）kouxiangming@163.com

摘要： 為了明確稻蝦共作模式下促進(jìn)水稻增產(chǎn)、氮肥利用率提高和土壤肥力提升的適宜的秸稈還田方式，本研究設(shè)置了5個(gè)處理[無(wú)秸稈還田和無(wú)氮肥施用（CK）、無(wú)秸稈還田（NS）、秸稈還田（S）、低量生物炭還田（LB）和高量生物炭還田（HB）]，對(duì)比研究秸稈還田及生物炭還田處理在水稻產(chǎn)量、水稻生長(zhǎng)、氮肥利用率和土壤肥力指標(biāo)上的差異。結(jié)果表明，與NS處理相比，僅LB處理和HB處理顯著增加了水稻不同生育時(shí)期的莖蘗數(shù)、葉片SPAD值、葉面積指數(shù)、成穗率、地上部生物量、氮吸收量和產(chǎn)量，但LB處理和HB處理之間差異不顯著。與NS處理和S處理相比，水稻氮肥利用率指標(biāo)在LB處理和HB處理下均顯著提高，但LB處理和HB處理在氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥籽粒生產(chǎn)效率、氮肥干物質(zhì)生產(chǎn)效率上無(wú)顯著差異。整體上看，LB處理和HB處理較NS處理顯著提高氧化還原電位、pH、陽(yáng)離子交換量、有機(jī)碳含量和氮磷鉀有效性，但兩者在土壤氧化還原電位和pH上差異不顯著。綜合各處理在水稻產(chǎn)量、氮肥利用率和土壤肥力上的表現(xiàn)，本研究認(rèn)為，稻蝦共作模式下低量生物炭還田（7.5 t/hm 2）是促進(jìn)水稻高產(chǎn)、氮肥利用率提高和土壤肥力提升的適宜的秸稈還田方式。

關(guān)鍵詞： 稻蝦共作；生物炭；水稻；產(chǎn)量；氮肥利用率；土壤肥力

中圖分類(lèi)號(hào)： S314；S365"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A"" 文章編號(hào)： 000-4440（2024）09-1623-10

Effects of straw and biochar returning on rice yield， nitrogen use efficiency and soil fertility in a rice-crayfish integrated system

MA Linjie ZHANG Chengxin QIN Baoli YANG Jun YANG Ting XU Rong "WANG Shouhong ，ZHANG Jiahong KOU Xiangming CHEN Xuanqing WANG Zhan ZHANG Xuhui 4

（1.Jiangsu Lixiahe District Institute of Agricultural Sciences， Yangzhou 225007， China;2.Yangzhou Yingu Agricultural Ecological Development Co.， Ltd.， Yangzhou 225119， China;3.Yangzhou Meteorological Bureau， Yangzhou 225000， China;4.Jiangsu Provincial Climate Center， Nanjing 210009， China）

Abstract： In order to clarify the optimum straw returning mode for improving rice yield， nitrogen use efficiency and soil fertility under the rice-crayfish integrated system， a field experiment was conducted to investigate the differences in the indicators of rice growth and yield， rice nitrogen use efficiency as well as soil fertility between straw returning treatment and biochar returning treatment. There were five treatments， including no straw returning and no nitrogen fertilizer application （CK）， no straw returning （NS）， straw returning （S）， biochar returning at low rate （LB） and biochar returning at high rate （HB）. The results showed that the tiller number， leaf SPAD value and leaf area index at different rice growth stages as well as the percentage of productive tillers， aboveground biomass， nitrogen uptake and grain yield were only significantly increased under LB and HB treatments compared with NS treatment. But there were no significant differences in these indicators between LB and HB treatments. Indicators of rice nitrogen use efficiency were significantly increased under LB and HB treatments compared with NS and S treatments， but there were no significant differences in nitrogen partial factor productivity， nitrogen use efficiency for grain production and nitrogen use efficiency for dry matter production between LB and HB treatments. On the whole， LB and HB treatments resulted in the marked increases in soil redox potential， pH， cation exchange capacity， organic carbon content and availabilities of nitrogen， phosphorus and potassium compared with NS treatment. But there were no significant differences in soil redox potential and pH between LB and HB treatments. Therefore， by integrating the performances of various treatments on rice yield， nitrogen use efficiency and soil fertility， the optimum straw returning mode under the rice-crayfish integrated system is applying biochar at low rate （7.5 t/hm 2）， which can improve rice yield， nitrogen use efficiency and soil fertility.

Key words： rice-crayfish integrated system;biochar;rice;yield;nitrogen use efficiency;soil fertility

中國(guó)水稻栽培面積和產(chǎn)量均位于世界前列，但受到較強(qiáng)的資源與環(huán)境約束。隨著農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革的深入，政府積極倡導(dǎo)種養(yǎng)結(jié)合，水稻結(jié)合克氏原螯蝦的“稻蝦共作”模式應(yīng)運(yùn)而生，該模式是一種以澇漬稻田為條件、種稻為中心、稻田養(yǎng)蝦為特點(diǎn)的生態(tài)種養(yǎng)模式，有效提高了農(nóng)田資源利用率和產(chǎn)出效益[1-2]。目前該模式生產(chǎn)面積為1.26×10 6 hm 2，僅占28%，未來(lái)發(fā)展空間巨大[1，3]。

毋庸置疑，稻蝦共作模式下克氏原螯蝦的排泄物和殘餌能夠成為水稻額外的養(yǎng)分來(lái)源[4-5]。然而，稻蝦共作模式中克氏原螯蝦的養(yǎng)殖要求淹水更深、淹水期更長(zhǎng)，這會(huì)對(duì)水稻生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響[6-7]。一方面，稻蝦共作模式下淹水程度加劇使得土壤厭氧環(huán)境增強(qiáng)、還原性物質(zhì)增加、氧化還原電位下降[1，4，8]，這會(huì)導(dǎo)致土壤潛育化風(fēng)險(xiǎn)加大，降低土壤供肥能力，甚至對(duì)水稻產(chǎn)生毒害作用[9-10]；另一方面，氮肥施用對(duì)水稻產(chǎn)量形成至關(guān)重要，中國(guó)水稻氮肥用量占世界總量的25%，但水稻氮肥利用率不足40%[11-12]。稻蝦共作模式下淹水程度加劇會(huì)進(jìn)一步造成氮肥淋溶損失，降低水稻氮肥利用率，對(duì)水稻產(chǎn)量形成產(chǎn)生不利影響[13-15]。水稻種植是稻蝦共作模式依存的先決條件，水稻穩(wěn)產(chǎn)才能實(shí)現(xiàn)該模式的健康發(fā)展。因此，如何優(yōu)化稻蝦共作模式下的農(nóng)田管理措施以實(shí)現(xiàn)土壤肥力提升、水稻氮肥利用率提高和水稻產(chǎn)量增加的研究亟待開(kāi)展。

水稻種植會(huì)產(chǎn)生豐富的秸稈資源，秸稈直接還田已成為常規(guī)水稻種植中常見(jiàn)的農(nóng)田管理措施。另外，作物秸稈可在高溫、低氧環(huán)境下裂解成具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、孔隙多、堿性強(qiáng)等特點(diǎn)的生物炭[16-17]。前人對(duì)常規(guī)水稻種植下秸稈及生物炭還田對(duì)土壤肥力、水稻氮肥利用率和產(chǎn)量的影響開(kāi)展了大量研究。研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)水稻種植下秸稈還田不僅能夠提升土壤氮磷鉀供應(yīng)能力，還能夠提高水稻氮肥利用率和產(chǎn)量[18-19]。生物炭還田也在常規(guī)水稻種植下對(duì)土壤肥力、水稻氮肥利用率和水稻產(chǎn)量產(chǎn)生積極影響，且大量研究結(jié)果表明生物炭還田對(duì)土壤和水稻的積極影響強(qiáng)于秸稈還田[19-21]。雖然已有關(guān)于稻蝦共作模式下秸稈還田影響土壤肥力、水稻氮肥利用率和產(chǎn)量的研究，但是缺乏關(guān)于秸稈還田與生物炭還田間的對(duì)比研究，導(dǎo)致該模式適宜的秸稈還田方式仍不明確。因此，本研究擬在稻蝦共作模式下開(kāi)展秸稈及生物炭還田對(duì)土壤肥力、水稻氮肥利用率和水稻產(chǎn)量影響的試驗(yàn)，探討該模式下提升土壤肥力、提高水稻氮肥利用率和增加水稻產(chǎn)量的秸稈還田方式，為稻蝦共作模式的健康發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與供試材料

試驗(yàn)于2022-2023年在江蘇省揚(yáng)州市揚(yáng)州銀谷農(nóng)業(yè)生態(tài)發(fā)展有限公司生產(chǎn)基地開(kāi)展。試驗(yàn)地點(diǎn)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，水稻生育期（6-10月）內(nèi)的總降雨量、日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫在2022年分別為381.3 mm、27.8 ℃、32.9 ℃和23.7 ℃，在2023年分別為1 077.2 mm、26.7 ℃、31.1 ℃和23.5 ℃。土壤類(lèi)型為由湖積母質(zhì)發(fā)育而來(lái)的勤黏土，質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，其中耕層（0～20 cm）土壤有機(jī)碳含量、全氮含量、堿解氮含量、有效磷含量和速效鉀含量分別為18.2 g/kg、1.86 g/kg、168.3 g/kg、16.4 g/kg和175.7 g/kg。供試水稻品種為豐優(yōu)香占，供試蝦品種為克氏原螯蝦。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在稻蝦共作模式下分別設(shè)置無(wú)秸稈還田和無(wú)氮肥施用處理（CK）、無(wú)秸稈還田處理（NS）、秸稈還田處理（S）、低量生物炭還田處理 （LB）和高量生物炭還田處理（HB），共5個(gè)處理，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。各試驗(yàn)小區(qū)面積均為100 m 2（10 m×10 m），在小區(qū)單側(cè)開(kāi)挖長(zhǎng)寬2.0 m、深1.2 m的溝。小區(qū)周?chē)鰧捄透呔鶠?.8 m的田埂，田埂四周采用聚乙烯塑料薄膜包裹。試驗(yàn)所用生物炭購(gòu)買(mǎi)于南京勤豐秸稈科技有限公司，由水稻秸稈在500 ℃下裂解1 h所得，其pH為8.9。其中，水稻秸稈的有機(jī)碳含量、全氮含量、全磷含量和全鉀含量分別為401.0 g/kg、5.7 g/kg、1.8 g/kg和18.5 g/kg；生物炭的有機(jī)碳含量、全氮含量、全磷含量和全鉀含量分別為534.0 g/kg、10.6 g/kg、2.6 g/kg和24.9 g/kg。水稻收獲后，在CK和NS處理小區(qū)水稻秸稈被移除，在S處理小區(qū)水稻秸稈被粉碎成5 cm長(zhǎng)度后借助旋耕機(jī)翻埋入耕層。在LB和HB處理小區(qū)，移除水稻秸稈后將對(duì)應(yīng)生物炭均勻撒于田面，借助旋耕機(jī)翻埋入耕層。基于試驗(yàn)地供試水稻品種的實(shí)際秸稈產(chǎn)量，S處理的秸稈還田量為10.0 t/hm 2；LB處理的生物炭還田量為7.5 t/hm 2，碳投入量與S處理相同；HB處理的生物炭還田量為15.0 t/hm 2，碳投入量是S處理的2倍。

水稻分別于2022年6月15日和2023年6月14日按照秧齡30 d、行株距30 cm×20 cm進(jìn)行移栽。除CK外，其他處理的水稻施氮（N）量均為150 kg/hm 2。所有處理的水稻施磷（P2O5）量和施鉀（K2O）量分別為75 kg/hm 2和120 kg/hm 2。試驗(yàn)中所用的氮肥、磷肥、鉀肥分別為尿素（純氮含量為46.4%）、過(guò)磷酸鈣（P2O5含量為12.0%）和氯化鉀（K2O含量為62.0%）。其中，70%氮肥和100%磷肥、100%鉀肥均于水稻移栽前作為基肥施用，其余30%的氮肥于水稻分蘗期作為追肥施用?？耸显r于水稻移栽后按照1尾 5 g的規(guī)格和1 hm 2 6×10 4尾的密度進(jìn)行蝦苗投放，于水稻生長(zhǎng)期間按照750 kg/hm 2的總量投喂由江蘇富裕達(dá)糧食制品股份有限公司生產(chǎn)的克氏原螯蝦專(zhuān)用飼料（粗蛋白含量為30%），并于水稻收獲前進(jìn)行捕撈。田間水分管理如下：水稻移栽后保持5 cm水位，拔節(jié)后維持20 cm水位，抽穗后維持40 cm水位，收獲前7 d開(kāi)始放水?dāng)R田。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與測(cè)定方法

1.3.1 水稻莖蘗動(dòng)態(tài)、葉片SPAD值和葉面積指數(shù)的測(cè)定 從水稻移栽后第5 d開(kāi)始，在各小區(qū)定點(diǎn)選取20穴長(zhǎng)勢(shì)一致的水稻，每7 d調(diào)查1次水稻莖蘗數(shù)，直至分蘗盛期。之后，再分別于水稻拔節(jié)期、抽穗期和成熟期調(diào)查1次水稻莖蘗數(shù)。另外，依據(jù)每穴水稻的平均莖蘗數(shù)在每小區(qū)選取3 穴代表性水稻，利用SPAD-502型葉綠素含量測(cè)定儀測(cè)定水稻倒一葉SPAD值，利用比葉重法測(cè)定葉面積[22]，并計(jì)算葉面積指數(shù)。

1.3.2 水稻地上部生物量、氮吸收量和產(chǎn)量的測(cè)定 首先，于水稻成熟期，依據(jù)每穴水稻的平均莖蘗數(shù)在每小區(qū)選取3穴代表性水稻，按照葉片、莖鞘和穗進(jìn)行分離，并置于烘箱內(nèi)在105 ℃下殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，稱(chēng)重后計(jì)算水稻地上部生物量。之后，將水稻樣品粉碎后采用H2SO4-H2O2法進(jìn)行消煮，并采用CleverChem 380型流動(dòng)分析儀測(cè)定植株氮含量[23]。最后，結(jié)合水稻各部位干物質(zhì)重和氮含量計(jì)算水稻氮吸收量。另外，于水稻成熟期在每小區(qū)隨機(jī)選取3點(diǎn)（每點(diǎn)20穴），調(diào)查水稻有效穗數(shù)，并依據(jù)每穴水稻的平均有效穗數(shù)選取10穴水稻考察產(chǎn)量構(gòu)成因素（穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重）。每小區(qū)連續(xù)收割100穴水稻，脫粒、去雜、稱(chēng)重后依據(jù)13.5%的標(biāo)準(zhǔn)含水量換算為實(shí)際產(chǎn)量。

1.3.3 水稻氮肥利用率的測(cè)定 水稻氮肥利用率各參數(shù)計(jì)算公式如下[22，24-25]：氮肥偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量；氮肥農(nóng)學(xué)效率=（施氮區(qū)產(chǎn)量-無(wú)氮區(qū)產(chǎn)量）/施氮量；氮肥表觀利用率=（施氮區(qū)氮吸收量-無(wú)氮區(qū)氮吸收量）/施氮量×100%；氮肥生理利用率=（施氮區(qū)產(chǎn)量-無(wú)氮區(qū)產(chǎn)量）/（施氮區(qū)氮吸收量-無(wú)氮區(qū)氮吸收量）；氮肥貢獻(xiàn)率=（施氮區(qū)產(chǎn)量-無(wú)氮區(qū)產(chǎn)量）/施氮區(qū)產(chǎn)量×100%；氮肥籽粒生產(chǎn)效率=產(chǎn)量/氮吸收量；氮肥干物質(zhì)生產(chǎn)效率=地上部生物量/氮吸收量。

1.3.4 土壤肥力指標(biāo)的測(cè)定 于水稻收獲后，在各小區(qū)利用TR-901型土壤氧化還原電位（ORP）計(jì)原位測(cè)定土壤氧化還原電位，利用環(huán)刀法原位測(cè)定土壤容重。另外，利用5點(diǎn)采樣法在各小區(qū)采集耕層土壤（0～20 cm）樣品，去雜混勻后風(fēng)干。其中，過(guò)2.00 mm篩的土壤用于測(cè)定土壤pH（pH計(jì)，土水比1.0∶2.5）和堿解氮含量（堿解擴(kuò)散法），過(guò)1.00 mm篩的土壤用于測(cè)定土壤陽(yáng)離子交換量（采用乙酸銨法測(cè)定）和速效鉀含量（采用乙酸銨-火焰光度計(jì)法測(cè)定），過(guò)0.85 mm篩的土壤用于測(cè)定土壤有效磷含量（采用碳酸氫鈉法測(cè)定），過(guò)0.15 mm篩的土壤用于測(cè)定土壤有機(jī)碳含量（采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法測(cè)定）、全氮含量（采用開(kāi)氏消煮法測(cè)定）、全磷含量（采用碳酸鈉熔融法測(cè)定）和全鉀含量（采用氫氧化鈉熔融法測(cè)定）[23]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Microsoft Excel 2021軟件和SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，運(yùn)用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行數(shù)據(jù)的差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

在2022年和2023年，稻蝦共作模式下水稻實(shí)際產(chǎn)量及除千粒重外的其他產(chǎn)量構(gòu)成因素均在不同處理間出現(xiàn)顯著差異（表1）。與NS處理的水稻實(shí)際產(chǎn)量相比，S處理在2年內(nèi)未出現(xiàn)顯著增加，而LB和HB處理在2年內(nèi)均顯著增加（P＜0.05），但LB和HB處理間無(wú)顯著差異。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，LB和HB處理的水稻穗數(shù)和結(jié)實(shí)率在2年內(nèi)均顯著高于NS處理（P＜0.05）。

2.2 水稻莖蘗動(dòng)態(tài)

稻蝦共作模式下，水稻分蘗盛期、拔節(jié)期和抽穗期的莖蘗數(shù)及最終的成穗率均在處理間呈現(xiàn)顯著差異，2年趨勢(shì)基本一致（表2）。在分蘗盛期，秸稈和生物炭還田處理的水稻莖蘗數(shù)均顯著高于NS處理。在拔節(jié)期和抽穗期， 水稻莖蘗數(shù)僅在LB和HB處理下較NS處理顯著增加，但LB和HB處理之間無(wú)顯著差異。另外，最終的成穗率也僅在LB和HB處理下較NS處理顯著提高，其中LB和HB處理在2年內(nèi)分別平均提高了7.14%和6.61%，但LB和HB處理之間無(wú)顯著差異。

2.3 水稻葉片SPAD值和葉面積指數(shù)

稻蝦共作模式下，與NS處理相比，水稻拔節(jié)期、抽穗期和成熟期S處理的水稻葉片SPAD值及葉面積指數(shù)均無(wú)顯著變化， LB和HB處理的葉片SPAD值及葉面積指數(shù)顯著增加，但LB和HB處理之間無(wú)顯著差異，2年趨勢(shì)基本一致（表3）。與NS處理的葉片SPAD值相比，2年內(nèi)LB和HB處理在拔節(jié)期的SPAD值分別平均增加10.67%和14.35%，在抽穗期分別平均增加12.86%和17.74%，在成熟期分別平均增加21.11%和27.18%。另外，與NS處理的葉面積指數(shù)相比，2年內(nèi)LB和HB處理在拔節(jié)期分別平均增加12.62%和17.72%，在抽穗期分別平均增加12.84%和17.40%，在成熟期分別平均增加13.72%和17.26%。

2.4 水稻成熟期地上部生物量和氮素吸收量

由圖 可知，稻蝦共作模式下，水稻成熟期地上部生物量及氮吸收量均在處理間呈現(xiàn)顯著差異，其中LB和HB處理相對(duì)較高，S和NS處理其次，2年趨勢(shì)基本一致。與NS處理相比，S處理的水稻地上部生物量并未出現(xiàn)顯著增加，而LB和HB處理在2年內(nèi)分別平均顯著增加了18.65%和24.60%，但LB和HB處理間無(wú)顯著差異。另外，與NS處理相比，S處理的水稻氮吸收量未出現(xiàn)顯著增加，而LB和HB處理在2年內(nèi)分別平均顯著增加了18.20%和23.93%，但LB和HB處理間無(wú)顯著差異。

2.5 水稻氮肥利用率

稻蝦共作模式下，水稻氮肥利用率各指標(biāo)均在處理間呈現(xiàn)顯著差異，總體表現(xiàn)為HB處理gt;LB處理gt;S處理gt;NS處理，2年趨勢(shì)基本一致（表4）。與NS處理相比，氮肥偏生產(chǎn)力、籽粒生產(chǎn)效率和氮肥干物質(zhì)生產(chǎn)效率在S處理下未出現(xiàn)顯著提高，而在LB和HB處理下出現(xiàn)顯著提高，但LB和HB處理之間差異不顯著。2年內(nèi)，LB和HB處理相對(duì)于NS處理在氮肥偏生產(chǎn)力上分別提高了13.65%和18.20%，在氮肥籽粒生產(chǎn)效率上分別提高了6.51%和9.13%，在氮肥干物質(zhì)生產(chǎn)效率上分別提高了11.16%和15.14%。另外，氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥表觀利用率、氮肥生理利用率和氮肥貢獻(xiàn)率在S、LB和HB處理下均較NS處理顯著提高，且三者之間差異顯著，從高到低依次為HB處理gt;LB處理gt;S處理。2年內(nèi)，S、LB和HB處理相對(duì)于NS處理在氮肥農(nóng)學(xué)效率上分別提高了21.89%、76.31%和101.59%，在氮肥表觀利用率上分別提高了19.77%、67.47%和87.31%，在氮肥生理利用率上分別提高了15.72%、43.23%和55.92%，在氮肥貢獻(xiàn)率上分別提高了16.40%、54.69%和68.31%。

2.6 土壤容重、氧化還原電位、pH和陽(yáng)離子交換量

在進(jìn)行稻蝦共作模式的2年內(nèi)，土壤容重在S、LB和HB處理下均較NS處理有所下降，但僅在2023年HB處理下出現(xiàn)顯著降低（表5）。2年內(nèi)土壤氧化還原電位和pH在處理間從高到低表現(xiàn)為HB處理gt;LB處理gt;NS處理gt;S處理，陽(yáng)離子交換量在處理間從高到低表現(xiàn)為HB處理gt;LB處理gt;S處理gt;NS處理，與NS處理的上述指標(biāo)相比，S處理均未出現(xiàn)顯著差異（表 5）。土壤氧化還原電位和pH在LB處理下僅在2023年較NS處理顯著提高，而在HB處理下2年均較NS處理顯著提高，但LB和HB處理之間差異不顯著。LB和HB處理2年內(nèi)土壤陽(yáng)離子交換量均較NS處理顯著提高，且HB處理顯著高于LB處理。

2.7 土壤養(yǎng)分含量及其有效性

在進(jìn)行稻蝦共作模式的2年內(nèi)，土壤養(yǎng)分含量及其有效性指標(biāo)在處理間基本表現(xiàn)為HB處理gt;LB處理gt;S處理gt;NS處理的變化趨勢(shì)，且處理間差異隨年限延長(zhǎng)而增大（表 6）。在2023年，與NS處理相比，土壤有機(jī)碳含量在S處理下未出現(xiàn)顯著增加，而在LB和HB處理下分別顯著增加了11.31%和20.71%，其中HB處理顯著高于LB處理；與NS處理相比，土壤全氮含量、全磷含量和全鉀含量在S和LB處理下未出現(xiàn)顯著增加，而在HB處理下分別顯著增加6.12%、11.48%和6.94%。與土壤有機(jī)碳含量相似，在2023年S處理土壤碳氮比、堿解氮含量、有效磷含量和速效鉀含量與NS處理無(wú)顯著差異，而在LB和HB處理下均較NS處理顯著增加，其中HB處理顯著高于LB處理。在2023年，與NS處理相比，LB和HB處理的土壤碳氮比分別顯著增加了7.83%和14.04%，土壤堿解氮含量分別顯著增加了8.55%和17.97%，土壤有效磷含量分別顯著增加了12.88%和23.11%，土壤速效鉀含量分別顯著增加了9.78%和17.45%。

2.8 水稻產(chǎn)量及生長(zhǎng)指標(biāo)與土壤肥力指標(biāo)間的相關(guān)性

總體而言，稻蝦共作模式下，水稻產(chǎn)量及生長(zhǎng)指標(biāo)與土壤容重間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與其他土壤肥力指標(biāo)間存在正相關(guān)關(guān)系（表7）。其中，水稻實(shí)際產(chǎn)量、地上部生物量、成穗率和抽穗期葉片SPAD值與土壤容重呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，而與其他土壤肥力指標(biāo)呈顯著或極顯著正相關(guān)。另外，水稻抽穗期葉面積指數(shù)與土壤氧化還原電位和pH的相關(guān)性不顯著，但與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)，與陽(yáng)離子交換量、有機(jī)碳含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、碳氮比、堿解氮含量、有效磷含量和速效鉀含量呈顯著正相關(guān)。除此之外，水稻分蘗盛期莖蘗數(shù)僅與土壤全磷含量、全鉀含量和有效磷含量呈顯著正相關(guān)，而與其他土壤肥力指標(biāo)間的相關(guān)性不顯著。

3 討論

在常規(guī)水稻種植條件下，前人研究發(fā)現(xiàn)生物炭還田的水稻增產(chǎn)效應(yīng)強(qiáng)于秸稈還田[19-21]。Shen等[20]研究發(fā)現(xiàn)在雙季稻種植制度下水稻秸稈生物炭還田的水稻產(chǎn)量顯著高于水稻秸稈還田。在稻蝦共作模式下，本研究也發(fā)現(xiàn)水稻秸稈還田的水稻增產(chǎn)效果并不明顯，而水稻秸稈生物炭還田顯著提高了水稻產(chǎn)量。水稻產(chǎn)量形成與其干物質(zhì)積累密切相關(guān)[26-32]。稻蝦共作模式下，水稻秸稈生物炭還田較水稻秸稈還田具有較高的水稻分蘗數(shù)、葉片SPAD值和葉面積指數(shù)，這會(huì)提升水稻群體的光合生產(chǎn)力，促進(jìn)水稻干物質(zhì)累積，其較高的地上部生物量恰好也證實(shí)了這一點(diǎn)。水稻氮肥利用率提高也對(duì)水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成具有積極影響[33-34]。陳偉[35]在常規(guī)水稻種植條件下發(fā)現(xiàn)水稻氮肥偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)效率和表觀利用率在水稻秸稈生物炭還田條件下分別較水稻秸稈還田提高5.98%、8.23%、20.57%，最終使得水稻地上部生物量和產(chǎn)量分別提高8.60%和5.28%。與前人研究結(jié)果相似，本研究發(fā)現(xiàn)在稻蝦共作模式下水稻秸稈生物炭還田較水稻秸稈還田具有更高的水稻氮肥利用率。

生物炭還田降低水稻氮肥損失是其提高水稻氮肥利用率的根本原因[36-37]。Huang等[36]研究發(fā)現(xiàn)，木薯秸稈生物炭還田較不還田使水稻氮肥損失率降低了9%～10%，水稻氮吸收量增加了23%～27%。稻蝦共作模式下土壤淹水時(shí)間較長(zhǎng)、淹水水位較高，氮肥容易從土壤快速移動(dòng)到田面水體中，導(dǎo)致氮肥損失加劇和氮肥利用率較低[38]。秸稈生物炭結(jié)構(gòu)中具有豐富的孔隙和表面官能團(tuán)，使得其具有較高的陽(yáng)離子吸附能力[16-17]。本研究發(fā)現(xiàn)稻蝦共作模式下水稻秸稈生物炭還田處理的土壤陽(yáng)離子交換量顯著高于水稻秸稈還田處理，這會(huì)增強(qiáng)土壤對(duì)銨態(tài)氮的吸附能力，進(jìn)而減少水稻氮肥的損失率，促進(jìn)水稻對(duì)氮素的吸收利用。水稻秸稈生物炭還田條件下土壤氮有效性較高（堿解氮含量較高），能夠很好地證實(shí)這一點(diǎn)。

土壤自身的肥力水平對(duì)水稻維持良好生長(zhǎng)及增產(chǎn)具有重要作用[39-40]。本研究發(fā)現(xiàn)，稻蝦共作模式下，水稻地上部生物量和產(chǎn)量均與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與其他土壤肥力指標(biāo)呈顯著或極顯著正相關(guān)。稻蝦共作模式下，水稻秸稈生物炭還田降低土壤容重的效果強(qiáng)于水稻秸稈還田，水稻秸稈生物炭還田可能會(huì)使土壤更疏松，促進(jìn)水稻根系生長(zhǎng)，進(jìn)而促進(jìn)水稻增產(chǎn)[21]。此外，水稻秸稈生物炭還田能夠提高土壤氧化還原電位，這可能會(huì)減輕土壤還原性物質(zhì)對(duì)水稻根系的毒害，促進(jìn)其對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而促進(jìn)水稻產(chǎn)量形成[41]。另外，稻蝦共作模式下，高量水稻秸稈生物炭還田不僅較水稻秸稈還田提高了土壤全氮和堿解氮含量，還提高了土壤全磷、有效磷、全鉀和速效鉀含量。這表明除了提升土壤氮素供應(yīng)能力之外，水稻秸稈生物炭還田還能夠提升稻蝦共作模式的土壤磷、鉀供應(yīng)能力，為水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成提供充足的磷素和鉀素。

稻蝦共作模式下水稻秸稈生物炭還田較水稻秸稈還田更能降低土壤容重，原因可能是其具有較高的有機(jī)碳含量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這能夠快速增加土壤有機(jī)碳含量進(jìn)而降低土壤容重[42]。水稻秸稈生物炭還田能夠通過(guò)降低土壤容重改善土壤通氣性，進(jìn)而減少土壤還原性物質(zhì)[41]，這可能是其提高稻蝦共作模式下土壤氧化還原電位的主要原因。水稻秸稈生物炭本身堿性較強(qiáng)，這可能是其還田后使稻蝦共作模式土壤pH提高的主要原因，而其豐富的表面官能團(tuán)會(huì)提升土壤吸附性，使土壤具有較高的陽(yáng)離子交換量[17]。至于水稻秸稈生物炭還田較水稻秸稈還田能夠提高土壤氮磷鉀有效性的原因，一方面是水稻秸稈生物炭的氮磷鉀含量較高，為土壤帶來(lái)了更高的氮磷鉀投入；另一方面是其改善了土壤容重、pH、陽(yáng)離子交換量等與養(yǎng)分有效性相關(guān)的土壤理化性狀。

綜上所述，稻蝦共作模式下水稻秸稈生物炭還田在提升土肥力、促進(jìn)水稻生長(zhǎng)、增加水稻產(chǎn)量上優(yōu)于水稻秸稈還田。本研究還發(fā)現(xiàn)，稻蝦共作模式下，高量水稻秸稈生物炭還田（15.0 t/hm 2）的水稻產(chǎn)量并未較低量水稻秸稈生物炭還田（7.5 t/hm 2）出現(xiàn)顯著增加，前人在常規(guī)水稻種植模式下也得到相似的研究結(jié)果[20，43]。對(duì)水稻生長(zhǎng)指標(biāo)的分析發(fā)現(xiàn)，稻蝦共作模式下，高量水稻秸稈生物炭還田（15.0 t/hm 2）與低量水稻秸稈生物炭還田的水稻莖蘗數(shù)、成穗率、葉片SPAD值、葉面積指數(shù)及地上部生物量差異不顯著可能是其水稻產(chǎn)量差異不顯著最直接的原因。另外，從水稻氮素營(yíng)養(yǎng)狀況和氮肥利用率上分析發(fā)現(xiàn)，稻蝦共作模式下，高量水稻秸稈生物炭還田條件下水稻氮吸收量、氮肥偏生產(chǎn)力、籽粒生產(chǎn)效率和干物質(zhì)生產(chǎn)效率與低量水稻秸稈生物炭還田差異不顯著，這可能是導(dǎo)致兩者產(chǎn)量差異不顯著的另一直接原因。從土壤肥力指標(biāo)上分析發(fā)現(xiàn)，稻蝦共作模式下，雖然高量水稻秸稈生物炭還田較低量水稻秸稈生物炭還田提高了土壤氮磷鉀有效性，但土壤容重、氧化還原電位、pH、全氮含量、全磷含量、全鉀含量并未在兩者間出現(xiàn)顯著差異，這也可能間接導(dǎo)致兩者在水稻產(chǎn)量上差異不顯著。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，稻蝦共作模式下，水稻秸稈生物炭還田促進(jìn)水稻生長(zhǎng)和增產(chǎn)的效應(yīng)強(qiáng)于水稻秸稈還田，這可直接歸因于水稻秸稈生物炭還田較高的水稻氮肥利用率。另外，土壤容重、氧化還原電位、pH和陽(yáng)離子交換量在水稻秸稈生物炭還田下得到改善，土壤氮、磷、鉀有效性在水稻秸稈生物炭還田條件下得到提升，這也間接促進(jìn)了水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成。但水稻秸稈生物炭還田促進(jìn)水稻生長(zhǎng)和增產(chǎn)的效應(yīng)并未隨水稻秸稈生物炭還田量的增加而增強(qiáng)，在低量水稻秸稈生物炭還田（7.5 t/hm 2）和高量水稻秸稈生物炭還田（15.0 t/hm 2）間無(wú)顯著差異。因此，綜合考慮水稻產(chǎn)量、氮肥利用率和土壤肥力，本研究認(rèn)為低量水稻秸稈生物炭還田（7.5 t/hm 2）是稻蝦共作模式下促進(jìn)水稻增產(chǎn)、氮肥利用率提高和土壤肥力提升的適宜的秸稈還田方式。

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（責(zé)任編輯：陳海霞）