崔月峰孫國才王桂艷王 健蔣昆煒黃文佳盧鐵鋼

(鐵嶺市農(nóng)業(yè)科學院,遼寧 鐵嶺 112616)

生物炭是農(nóng)林廢棄物等生物質在缺氧條件下熱裂解形成的富碳產(chǎn)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(chǎn)量[2～6],對水稻生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。 但也有研究發(fā)現(xiàn)生物炭施入稻田會固定土壤氮素,降低氮素吸收,導致產(chǎn)量降低[7～8]。 生物炭對作物生長發(fā)育和產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)和產(chǎn)量的影響,為生物炭在北方粳稻生產(chǎn)應用上提供依據(jù)。

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(chǎn),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(nóng)業(yè)科學院內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量;每小區(qū)調(diào)查10 穴測定有效穗,以平均每穴穗數(shù)為標準,在每小區(qū)取代表性植株4 穴,測定其每穗總粒數(shù)、結實率、千粒重等性狀。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 進行整理試驗數(shù)據(jù)。 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(shù)據(jù)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(chǎn)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(shù)和產(chǎn)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(shù)、結實率和產(chǎn)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(chǎn)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(shù)、千粒重和產(chǎn)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(shù)分別顯著增加6.0% 和6.1%,進而使得產(chǎn)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(shù)和產(chǎn)量,但對鐵粳11 的產(chǎn)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(shù)、結實率明顯升高,導致產(chǎn)量顯著增加,而鐵粳11產(chǎn)量的顯著增加是因為有效穗數(shù)和每穗總粒數(shù)的明顯優(yōu)勢。

3 結論與討論

水稻產(chǎn)量形成的關鍵是花后干物質生產(chǎn)、積累、轉運與分配[15],穗型差異會影響群體光分布、消光系數(shù)和物質生產(chǎn),對產(chǎn)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(chǎn)及產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)源激素合成,調(diào)控植株內(nèi)源激素含量,有利于促進水稻生長[22]。

生物炭對作物的產(chǎn)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(chǎn)量之間的相關性,發(fā)現(xiàn)施用生物炭的平均增產(chǎn)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(nèi)持續(xù)提高水稻產(chǎn)量,增產(chǎn)率為 8%～12%[24]。Asai 等研究認為,增加生物炭用量使得水稻產(chǎn)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(chǎn)量不再增加[25]。 張偉明等研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭顯著增加水稻有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和結實率,增產(chǎn)25.3%[26]。 本研究發(fā)現(xiàn),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(shù)和產(chǎn)量分別達7.7%和6.6%,但對鐵粳11 的產(chǎn)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(shù)、結實率顯著升高9.8%和4.7%,導致產(chǎn)量顯著增加11.2%。 而鐵粳11 產(chǎn)量的顯著增加是因為有效穗數(shù)和每穗總粒數(shù)的顯著增加6.0%和6.1%,進而使得產(chǎn)量顯著增加7.4%,這與劉磊等發(fā)現(xiàn)生物炭有增加早稻有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)的趨勢一致,即提高總穎花數(shù),使水稻庫容量增大,更有利于光合產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量,而鐵粳11 的產(chǎn)量只有在施用15 t/hm2生物炭時才能出現(xiàn)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]。