收稿日期：2024-06-12

基金項目：國家自然科學基金項目（32101303）；江蘇現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系專項[JATS（2023）253]；揚州市重點研發(fā)計劃項目（YZ2023046）；揚州市生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室項目（YZ2023244）

作者簡介：馬林杰（1993-），男，安徽阜陽人，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，本研究設置了5個處理[無秸稈還田和無氮肥施用（CK）、無秸稈還田（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、氮肥利用率和土壤肥力指標上的差異。結果表明，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、氮肥干物質生產(chǎn)效率上無顯著差異。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、陽離子交換量、有機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)，本研究認為，稻蝦共作模式下低量生物炭還田（7.5 t/hm 2）是促進水稻高產(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

中圖分類號： S314；S365"" 文獻標識碼： A"" 文章編號： 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

中國水稻栽培面積和產(chǎn)量均位于世界前列，但受到較強的資源與環(huán)境約束。隨著農(nóng)業(yè)供給側改革的深入，政府積極倡導種養(yǎng)結合，水稻結合克氏原螯蝦的“稻蝦共作”模式應運而生，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，這會對水稻生長產(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、還原性物質增加、氧化還原電位下降[1，4，8]，這會導致土壤潛育化風險加大，降低土壤供肥能力，甚至對水稻產(chǎn)生毒害作用[9-10]；另一方面，氮肥施用對水稻產(chǎn)量形成至關重要，中國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進一步造成氮肥淋溶損失，降低水稻氮肥利用率，對水稻產(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展。

水稻種植會產(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)境下裂解成具有結構穩(wěn)定、孔隙多、堿性強等特點的生物炭[16-17]。前人對常規(guī)水稻種植下秸稈及生物炭還田對土壤肥力、水稻氮肥利用率和產(chǎn)量的影響開展了大量研究。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，且大量研究結果表明生物炭還田對土壤和水稻的積極影響強于秸稈還田[19-21]。雖然已有關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，但是缺乏關于秸稈還田與生物炭還田間的對比研究，導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展秸稈及生物炭還田對土壤肥力、水稻氮肥利用率和水稻產(chǎn)量影響的試驗，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)展提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試材料

試驗于2022-2023年在江蘇省揚州市揚州銀谷農(nóng)業(yè)生態(tài)發(fā)展有限公司生產(chǎn)基地開展。試驗地點屬亞熱帶季風氣候區(qū)，水稻生育期（6-10月）內的總降雨量、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 ℃。土壤類型為由湖積母質發(fā)育而來的勤黏土，質地為壤質黏土，其中耕層（0～20 cm）土壤有機碳含量、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 試驗設計

在稻蝦共作模式下分別設置無秸稈還田和無氮肥施用處理（CK）、無秸稈還田處理（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個處理，重復3次，隨機區(qū)組排列。各試驗小區(qū)面積均為100 m 2（10 m×10 m），在小區(qū)單側開挖長寬2.0 m、深1.2 m的溝。小區(qū)周圍做寬和高均為0.8 m的田埂，田埂四周采用聚乙烯塑料薄膜包裹。試驗所用生物炭購買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長度后借助旋耕機翻埋入耕層。在LB和HB處理小區(qū)，移除水稻秸稈后將對應生物炭均勻撒于田面，借助旋耕機翻埋入耕層?；谠囼灥毓┰囁酒贩N的實際秸稈產(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。試驗中所用的氮肥、磷肥、鉀肥分別為尿素（純氮含量為46.4%）、過磷酸鈣（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。克氏原螯蝦于水稻移栽后按照1尾 5 g的規(guī)格和1 hm 2 6×10 4尾的密度進行蝦苗投放，于水稻生長期間按照750 kg/hm 2的總量投喂由江蘇富裕達糧食制品股份有限公司生產(chǎn)的克氏原螯蝦專用飼料（粗蛋白含量為30%），并于水稻收獲前進行捕撈。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開始放水擱田。

1.3 測定項目與測定方法

1.3.1 水稻莖蘗動態(tài)、葉片SPAD值和葉面積指數(shù)的測定 從水稻移栽后第5 d開始，在各小區(qū)定點選取20穴長勢一致的水稻，每7 d調查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型葉綠素含量測定儀測定水稻倒一葉SPAD值，利用比葉重法測定葉面積[22]，并計算葉面積指數(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、莖鞘和穗進行分離，并置于烘箱內在105 ℃下殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，稱重后計算水稻地上部生物量。之后，將水稻樣品粉碎后采用H2SO4-H2O2法進行消煮，并采用CleverChem 380型流動分析儀測定植株氮含量[23]。最后，結合水稻各部位干物質重和氮含量計算水稻氮吸收量。另外，于水稻成熟期在每小區(qū)隨機選取3點（每點20穴），調查水稻有效穗數(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)量構成因素（穗粒數(shù)、結實率和千粒重）。每小區(qū)連續(xù)收割100穴水稻，脫粒、去雜、稱重后依據(jù)13.5%的標準含水量換算為實際產(chǎn)量。

1.3.3 水稻氮肥利用率的測定 水稻氮肥利用率各參數(shù)計算公式如下[22，24-25]：氮肥偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量；氮肥農(nóng)學效率=（施氮區(qū)產(chǎn)量-無氮區(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-無氮區(qū)產(chǎn)量）/（施氮區(qū)氮吸收量-無氮區(qū)氮吸收量）；氮肥貢獻率=（施氮區(qū)產(chǎn)量-無氮區(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；氮肥干物質生產(chǎn)效率=地上部生物量/氮吸收量。

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

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

利用Microsoft Excel 2021軟件和SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，運用最小顯著差異法（LSD）進行數(shù)據(jù)的差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 水稻產(chǎn)量及其構成因素

在2022年和2023年，稻蝦共作模式下水稻實際產(chǎn)量及除千粒重外的其他產(chǎn)量構成因素均在不同處理間出現(xiàn)顯著差異（表1）。與NS處理的水稻實際產(chǎn)量相比，S處理在2年內未出現(xiàn)顯著增加，而LB和HB處理在2年內均顯著增加（P＜0.05），但LB和HB處理間無顯著差異。進一步分析發(fā)現(xiàn)，LB和HB處理的水稻穗數(shù)和結實率在2年內均顯著高于NS處理（P＜0.05）。

2.2 水稻莖蘗動態(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年內分別平均提高了7.14%和6.61%，但LB和HB處理之間無顯著差異。

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處理之間無顯著差異，2年趨勢基本一致（表3）。與NS處理的葉片SPAD值相比，2年內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處理相對較高，S和NS處理其次，2年趨勢基本一致。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年內分別平均顯著增加了18.65%和24.60%，但LB和HB處理間無顯著差異。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年內分別平均顯著增加了18.20%和23.93%，但LB和HB處理間無顯著差異。

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，LB和HB處理相對于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%，在氮肥干物質生產(chǎn)效率上分別提高了11.16%和15.14%。另外，氮肥農(nóng)學效率、氮肥表觀利用率、氮肥生理利用率和氮肥貢獻率在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，S、LB和HB處理相對于NS處理在氮肥農(nóng)學效率上分別提高了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和陽離子交換量

在進行稻蝦共作模式的2年內，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年內土壤陽離子交換量均較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

在進行稻蝦共作模式的2年內，土壤養(yǎng)分含量及其有效性指標在處理間基本表現(xiàn)為HB處理gt;LB處理gt;S處理gt;NS處理的變化趨勢，且處理間差異隨年限延長而增大（表 6）。在2023年，與NS處理相比，土壤有機碳含量在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)量及生長指標與土壤肥力指標間的相關性

總體而言，稻蝦共作模式下，水稻產(chǎn)量及生長指標與土壤容重間存在負相關關系，而與其他土壤肥力指標間存在正相關關系（表7）。其中，水稻實際產(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相關，而與其他土壤肥力指標呈顯著或極顯著正相關。另外，水稻抽穗期葉面積指數(shù)與土壤氧化還原電位和pH的相關性不顯著，但與土壤容重呈顯著負相關，與陽離子交換量、有機碳含量、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。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，而與其他土壤肥力指標間的相關性不顯著。

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)效應強于秸稈還田[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)量形成與其干物質積累密切相關[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)，這會提升水稻群體的光合生產(chǎn)力，促進水稻干物質累積，其較高的地上部生物量恰好也證實了這一點。水稻氮肥利用率提高也對水稻生長及產(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間較長、淹水水位較高，氮肥容易從土壤快速移動到田面水體中，導致氮肥損失加劇和氮肥利用率較低[38]。秸稈生物炭結構中具有豐富的孔隙和表面官能團，使得其具有較高的陽離子吸附能力[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離子交換量顯著高于水稻秸稈還田處理，這會增強土壤對銨態(tài)氮的吸附能力，進而減少水稻氮肥的損失率，促進水稻對氮素的吸收利用。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），能夠很好地證實這一點。

土壤自身的肥力水平對水稻維持良好生長及增產(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相關，而與其他土壤肥力指標呈顯著或極顯著正相關。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于水稻秸稈還田，水稻秸稈生物炭還田可能會使土壤更疏松，促進水稻根系生長，進而促進水稻增產(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，這可能會減輕土壤還原性物質對水稻根系的毒害，促進其對土壤養(yǎng)分的吸收，進而促進水稻產(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、鉀供應能力，為水稻生長和產(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碳含量和結構穩(wěn)定性，這能夠快速增加土壤有機碳含量進而降低土壤容重[42]。水稻秸稈生物炭還田能夠通過降低土壤容重改善土壤通氣性，進而減少土壤還原性物質[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，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會提升土壤吸附性，使土壤具有較高的陽離子交換量[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，為土壤帶來了更高的氮磷鉀投入；另一方面是其改善了土壤容重、pH、陽離子交換量等與養(yǎng)分有效性相關的土壤理化性狀。

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、促進水稻生長、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果[20，43]。對水稻生長指標的分析發(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，這也可能間接導致兩者在水稻產(chǎn)量上差異不顯著。

4 結論

本研究結果表明，稻蝦共作模式下，水稻秸稈生物炭還田促進水稻生長和增產(chǎn)的效應強于水稻秸稈還田，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，這也間接促進了水稻生長和產(chǎn)量形成。但水稻秸稈生物炭還田促進水稻生長和增產(chǎn)的效應并未隨水稻秸稈生物炭還田量的增加而增強，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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（責任編輯：陳海霞）