劉雅仙，安 寧，吳正超，楊勁峰，韓 巍，韓曉日

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院 / 土壤肥料資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng) 110866）

化肥投入量的增加，促進(jìn)了我國(guó)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展[1]。但近些年化肥的過(guò)量施用，特別是氮肥，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成許多負(fù)面的影響，例如，地表水富營(yíng)養(yǎng)化、地下水硝酸鹽累積、溫室氣體排放增加等[2]。農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的重要生物質(zhì)資源[3]，我國(guó)主要作物秸稈產(chǎn)量從2003 年的38231.1 萬(wàn)t增加到2022 年的65791.0 萬(wàn)t，其中2022 年的水稻秸稈產(chǎn)量為20849.0 萬(wàn)t，占當(dāng)年主要作物秸稈量的31.7%[4-5]。國(guó)內(nèi)外的研究表明，秸稈直接還田不僅可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力，而且可減少10%～20%的化肥用量，有效降低了環(huán)境污染[6-7]。但是，秸稈直接還田也會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面效應(yīng)，如病蟲(chóng)害加重[8]和后茬作物出苗率低[9]等。我國(guó)寒地水稻主要分布在東北地區(qū)(黑龍江省、吉林省和遼寧省)，該區(qū)域稻谷的播種面積占全國(guó)的17.5%[4]。對(duì)于北方寒地水稻來(lái)說(shuō)，冬季低溫還會(huì)進(jìn)一步限制土壤中秸稈的有效腐解[10-11]。近年來(lái)，由秸稈制成的生物炭在促進(jìn)作物生長(zhǎng)和化肥減量方面表現(xiàn)出一定的潛力。這主要是由于生物炭具有較高的有機(jī)碳含量、高比表面積以及高孔隙度等特質(zhì)[12]，可以提高土壤有機(jī)碳含量和持水能力，降低土壤養(yǎng)分的淋失[13]。

然而，施用秸稈及生物炭對(duì)作物產(chǎn)量方面的影響研究并沒(méi)有得到一致的結(jié)果，且隨著施用年限和施用量的增加，表現(xiàn)出不同的變化[14-15]。例如，李錄久等[16]通過(guò)3 年的連續(xù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3750 kg/hm2小麥秸稈還田下的水稻產(chǎn)量最高，較對(duì)照增產(chǎn)9.4%～14.9%，其次是4500 kg/hm2秸稈處理，較對(duì)照增產(chǎn)6.2%～10.3%。類(lèi)似地，在Tao 等[17]對(duì)黃淮海春玉米產(chǎn)量的研究中發(fā)現(xiàn)，50%秸稈還田處理較 100%秸稈處理平均增產(chǎn)817.1 kg/hm2。另外，張學(xué)艷等[18]通過(guò)水稻(沈農(nóng)9816) 盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，4 t/hm2生物炭處理的水稻籽粒產(chǎn)量比對(duì)照高7.2%～8.1%，而40 t/hm2生物炭處理產(chǎn)量比對(duì)照低9.3%～10.4%。當(dāng)利用秸稈或者生物炭替代部分化肥時(shí)，糧食作物產(chǎn)量和氮肥利用率的表現(xiàn)也不相同。例如，王嘉豪等[19]的研究表明，當(dāng)施用2 倍量秸稈替代31.9%的氮肥和63.2%的磷肥時(shí)，對(duì)晉南冬小麥的增產(chǎn)效應(yīng)要優(yōu)于半量秸稈和全量還田處理。史登林等[20]的研究認(rèn)為，當(dāng)季在黃壤上施用20% 生物炭氮(5 t/hm2)與80%化學(xué)氮肥可使水稻產(chǎn)量顯著提高13.4%，氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥表觀(guān)利用率分別顯著提升13.3%、46.3% 和 22.4%。而An 等[21]的研究表明，前三年施用1.5 t/hm2生物炭替代化肥時(shí)，水稻產(chǎn)量均顯著低于農(nóng)民傳統(tǒng)化肥處理，但隨著替代年限的增加，水稻產(chǎn)量逐漸高于農(nóng)民傳統(tǒng)化肥處理。

因此，為明確長(zhǎng)期秸稈及其生物炭還田替代部分化肥對(duì)水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，本試驗(yàn)依托開(kāi)始于2013 年的水稻秸稈生物炭長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，選取不同量水稻秸稈及其生物炭替代化肥的處理。通過(guò)測(cè)定水稻主要生育期的生長(zhǎng)指標(biāo)、水稻籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素，分析連續(xù)多年利用秸稈及其生物炭替代化肥后影響水稻產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素，進(jìn)而探討并比較不同秸稈還田方式及還田量替代部分化肥對(duì)寒地水稻生長(zhǎng)、產(chǎn)量和氮肥利用率的影響，為東北寒地水稻秸稈資源科學(xué)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)位于遼寧省沈陽(yáng)市沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)后山棕壤肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)科研基地(40°48′N(xiāo)，123°32′E)，該區(qū)域?yàn)闇貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量736 mm，年平均氣溫為7.5℃，無(wú)霜期148～180 天。供試土壤為發(fā)育于棕壤上的淹育型水稻土，土壤容重為1.45 g/cm3，pH 為6.05，有機(jī)質(zhì)含量為16.2 g/kg，全氮含量為0.90 g/kg，全磷含量為0.62 g/kg，全鉀含量為18.1 g/kg，堿解氮含量為86.5 mg/kg，速效磷含量為11.6 mg/kg，速效鉀含量為115.0 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和田間管理

試驗(yàn)按照等養(yǎng)分原則進(jìn)行施肥，選取長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中的5 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積為2 m2(1 m×2 m)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。具體為：1) 單施化肥處理(NPK)，僅施氮、磷和鉀化肥；2) 低量生物炭處理(LB)，減量氮磷鉀化肥，加施1.5 t/hm2生物炭；3)高量生物炭處理(HB)，減量氮磷鉀化肥，加施3.0 t/hm2生物炭；4)低量秸稈處理(LS)，減量氮磷鉀化肥，加施4.5 t/hm2秸稈；5)高量秸稈處理(HS)，減量氮磷鉀化肥，加施9.0 t/hm2秸稈。在施肥前測(cè)定水稻秸稈和生物炭中的氮、磷、鉀養(yǎng)分含量，然后根據(jù)施用量將其分別計(jì)入總的氮、磷、鉀施肥量，即處理2)～5)中的生物炭或秸稈帶入的氮磷鉀養(yǎng)分與施入化肥的氮磷鉀養(yǎng)分之和等于處理1)的氮磷鉀養(yǎng)分。2021 年，各處理具體化肥施用量見(jiàn)表1。本試驗(yàn)中秸稈和生物炭施用量的設(shè)置，主要是根據(jù)當(dāng)?shù)亟斩捜窟€田投入量約為9.0 t/hm2，而4.5 t/hm2為秸稈半量還田的投入量?？紤]到等量秸稈制成生物炭的比例一般為3∶1，因此，生物炭處理對(duì)應(yīng)高量和低量的施用量設(shè)置為3.0 和1.5 t/hm2。生物炭由遼寧金和福農(nóng)業(yè)科技股份有限公司提供，是以水稻秸稈為原料，在450℃下熱裂解6 h制作而成。生物炭的主要養(yǎng)分含量為：C 62.4%、N 0.76%、P 0.37%、K 1.65%。秸稈的主要養(yǎng)分含量為：C 38.8%、N 0.86%、P 0.15%、K 0.87%。氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為過(guò)磷酸鈣(含P2O512%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。將50% 氮肥和全部磷、鉀肥作基肥，另50%氮肥用作抽穗期追肥。每年將秸稈粉碎至3～4 cm 后翻入土壤。生物炭均勻覆蓋在土壤表面后，立即翻入土壤，避開(kāi)大風(fēng)天氣。水稻秧苗于每年5 月底移栽，10 月底收獲。供試水稻品種為‘沈農(nóng)9816’，每個(gè)小區(qū)3 壟，每壟13 穴，每穴3 株。每個(gè)小區(qū)自動(dòng)蓄水的水量要達(dá)到土壤表面6 cm 左右，并在收獲前12 天停止蓄水。

表1 化學(xué)肥料施用量Table 1 Application amount of chemical fertilizers

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 植株生理指標(biāo) 莖蘗數(shù)調(diào)查：自水稻分蘗開(kāi)始，每隔10 天在各小區(qū)選取有代表性的植株3 穴，采用人工計(jì)數(shù)法記錄水稻分蘗數(shù)(取均值)，直至莖蘗數(shù)不發(fā)生變化為止。

葉綠素含量測(cè)定：水稻葉片完全展開(kāi)后，分別在其主要生育期(分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、乳熟期、蠟熟期、成熟期)，于每小區(qū)隨機(jī)選取3 株水稻上的劍葉，使用手持式葉綠素儀CCM-200 (Opti-Sciences，USA)測(cè)定葉片中部，讀取CCI (葉綠素含量指數(shù)，chlorophyll content index)作為葉片葉綠素含量的參考值。

株高測(cè)定：在水稻主要生育期(分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、乳熟期、蠟熟期、成熟期)，分別于每小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的3 穴，用卷尺測(cè)量株高。

1.3.2 籽粒產(chǎn)量及氮肥利用率 在水稻成熟后，各小區(qū)全部收獲，收割后脫粒稱(chēng)重，用谷物水分測(cè)定儀測(cè)定籽粒含水率，按照14% 含水率折算籽粒產(chǎn)量。在每個(gè)小區(qū)中，隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的3 穴，風(fēng)干后進(jìn)行考種。首先，計(jì)算3 穴的有效穗數(shù)，換算為單位面積有效穗數(shù)，其中總粒數(shù)5 粒以下(含5 粒) 的為無(wú)效穗；其次，選擇3 穴中有代表性的2 個(gè)穗(取均值)，統(tǒng)計(jì)每穗的實(shí)粒數(shù)和空癟粒數(shù)，根據(jù)實(shí)粒數(shù)和穗粒數(shù)計(jì)算結(jié)實(shí)率；最后，在3 穴中隨機(jī)選取籽粒樣品1000 粒稱(chēng)取千粒重(空癟粒不計(jì))，測(cè)3 次重復(fù)取均值，且重復(fù)間誤差不得大于0.5 g。氮肥利用率以氮肥偏生產(chǎn)力來(lái)表示，計(jì)算公式為：氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)=產(chǎn)量(kg/hm2)/施氮量(kg/hm2)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 19.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用方差分析(ANOVA) 中的最小顯著性法(LSD) 對(duì)各處理數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。利用SigmaPlot 12.5 軟件繪制水稻分蘗數(shù)、葉綠素含量、株高動(dòng)態(tài)變化圖和增值圖。分蘗數(shù)、葉綠素含量和株高增值是指秸稈或生物炭替代部分化肥處理(LB、HB、LS、HS)分別與單施化肥處理(NPK)之間的差值。生長(zhǎng)指標(biāo)、產(chǎn)量構(gòu)成因素分別與產(chǎn)量之間的相互關(guān)系采用Pearson 相關(guān)性分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻秸稈和秸稈生物炭還田量對(duì)水稻形態(tài)特征的影響

2.1.1 水稻秸稈和秸稈生物炭還田量對(duì)水稻莖蘗數(shù)的影響 在替代等養(yǎng)分化肥條件下，水稻秸稈和秸稈生物炭還田量對(duì)水稻植株分蘗能力的影響存在差異(圖1)。在分蘗初期和分蘗中期，低量生物炭(LB)與低量秸稈處理(LS)之間，高量生物炭(HB)與高量秸稈處理(HS)之間，分蘗數(shù)均無(wú)顯著差異(圖1a)。在分蘗末期，LB 處理的分蘗數(shù)較LS 處理高13.9%(P<0.05)，HS 處理較HB 處理高12.6% (P<0.05)。同一有機(jī)物料相比，LB 處理在分蘗初期、中期和末期的分蘗數(shù)比HB 處理分別顯著增加25.0%、24.4%、46.3% (P<0.05)；LS 比HS 處理分別顯著增加34.2%、18.4%、14.0% (P<0.05)?？傮w上，低量LB、LS 處理分蘗數(shù)顯著高于高量HB、HS 處理，整個(gè)分蘗期平均提高27.1% (P＜0.05)。LB、LS 處理水稻分蘗數(shù)增值在中期和末期為正值，表現(xiàn)為增加(圖1b)；而HB、HS 處理增值為負(fù)值，表現(xiàn)為減少，其中LS 處理的增值在分蘗末期顯著低于LB 處理60.7% (P<0.05)。由此可知，相比單施化肥處理(NPK)，低量生物炭或低量秸稈處理能夠有效提高水稻分蘗數(shù)，高量生物炭或秸稈處理則降低分蘗數(shù)，且低量生物炭處理增加分蘗數(shù)的效果在末期顯著優(yōu)于低量秸稈處理(P<0.05)。

圖1 不同量秸稈和生物炭施用下的水稻分蘗動(dòng)態(tài)變化和增值Fig.1 The dynamics and increment of rice tiller number under different straw and biochar addition rates

2.1.2 水稻秸稈和秸稈生物炭還田量對(duì)水稻葉綠素含量(CCI 值)的影響 秸稈和生物炭還田替代部分化肥施用影響著水稻各主要生育期的葉綠素含量(圖2)。分蘗期LB 處理的葉綠素CCI 值顯著高于LS 處理9.9% (P<0.05)，而抽穗期、乳熟期、蠟熟期的CCI 值分別顯著低于LS 處理13.5%、9.9%、10.8%(P<0.05) (圖2a)。在拔節(jié)期和成熟期，LS 與LB 處理間CCI 值均無(wú)顯著差異，具體來(lái)說(shuō)，從拔節(jié)期到成熟期，LS 較LB 處理CCI 值平均增加 11.5%。而HB與HS 處理相比，盡管前期HS 與HB 處理均無(wú)顯著差異，而成熟期HS 處理的CCI 值顯著高于HB 處理(13.3%，P<0.05)。生物炭或秸稈的不同還田量之間相比較，在分蘗期，LB 處理的CCI 值顯著高于HB 處理(32.1%，P<0.05)，LS 處理顯著高于HS 處理(19.2%，P<0.05)，LB、LS 處理CCI 值平均提高25.7%；而從拔節(jié)期到成熟期，無(wú)論是LB 與HB 處理之間還是LS 與HS 處理之間的葉綠素CCI 值均未表現(xiàn)出顯著差異，另外，抽穗期與拔節(jié)期相比，NPK、LB、HB、LS 和HS 處理CCI 值分別提高76.0%、77.0%、59.4%、78.2%和55.6%。在水稻生長(zhǎng)中后期，秸稈和生物炭各處理的葉綠素含量要優(yōu)于單施化肥處理(圖2b)，尤其在成熟期，LB、HB、LS 和HS 處理的葉綠素CCI 增值均為正值，其中HB 處理的葉綠素CCI 增值顯著低于HS 處理(97.7%，P<0.05)。

圖2 不同量秸稈和生物炭施用下的水稻葉片CCI 值動(dòng)態(tài)變化和增值Fig.2 The dynamics and increment of rice leaf CCI values under different straw and biochar addition rates

2.1.3 水稻秸稈和秸稈生物炭還田量對(duì)水稻株高的影響 秸稈和生物炭不同替代量影響水稻各主要生育期的株高(圖3)。盡管在分蘗期，LB 與LS 處理間及HB 與HS 處理間的株高均未表現(xiàn)出顯著差異(圖3a)，但LB 處理的株高顯著高于HB 處理(11.9%，P<0.05)，LS 處理顯著高于HS 處理(8.9%，P<0.05)，LB、LS 處理株高平均提高10.4%，且LB 比LS 處理高5.9%，表明低量生物炭或低量秸稈替代等養(yǎng)分的化肥，在水稻生長(zhǎng)前期可以顯著促進(jìn)其生長(zhǎng)。從拔節(jié)期到乳熟期，LS 處理的株高較LB 處理平均增加了3.3% (P<0.05)，HS 處理較HB 處理平均增加4.3%(P<0.05)。在蠟熟期和成熟期，LS 處理的株高均顯著高于LB、HS 處理，平均提高了5.2、4.4 個(gè)百分點(diǎn)(P<0.05)，總體來(lái)說(shuō)，從拔節(jié)期到成熟期，LS 較LB 處理株高平均增加4.0%。在水稻株高增值方面(圖3b)，拔節(jié)期的LB 處理顯著低于LS 處理(84.0%，P<0.05)，并且隨著水稻生育期的推進(jìn)，LS、HS 處理的株高增值為正值，且蠟熟期與成熟期的HS 處理顯著低于LS 處理，平均降低了87.6% (P<0.05)，而LB、HB 處理為負(fù)值，即相較于單施化肥，利用秸稈替代部分化肥對(duì)株高的促進(jìn)作用要優(yōu)于生物炭。

圖3 不同量秸稈和生物炭施用下的水稻株高動(dòng)態(tài)變化和增值Fig.3 The dynamics and increment of rice plant height under different straw and biochar addition rates

2.2 水稻秸稈和秸稈生物炭還田量對(duì)水稻產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成及氮肥偏生產(chǎn)力的影響

不同量的生物炭或秸稈替代部分化肥影響寒地水稻產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成和氮肥偏生產(chǎn)力(表2)。HB 處理的有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率均顯著低于NPK 處理，分別降低16.9%和5.2% (P<0.05)，而LB、LS 和HS 處理的有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率與NPK 處理相比，并沒(méi)有表現(xiàn)出顯著差異。LB、HB、LS 和HS 處理的穗粒數(shù)比NPK 處理分別顯著提高了9.7%、13.2%、7.6% 和25.7% (P<0.05)。與NPK 處理相比，生物炭和秸稈處理均提高了水稻千粒重，其中LB 和LS 處理的千粒重顯著高于NPK 處理，分別提高3.7%和2.7% (P<0.05)。與NPK 處理相比，LB、LS 和HS 處理的籽粒產(chǎn)量分別提高6.5% (P<0.05)、6.2% (P<0.05)和1.1%，而HB 處理的產(chǎn)量顯著降低(-20.3%，P<0.05)，且LB 與LS 處理間無(wú)顯著差異。另外，LB、LS 和HS 處理的氮肥偏生產(chǎn)力較NPK 處理分別顯著提高了11.7%、26.7%和49.0% (P<0.05)，僅HB 處理較NPK 處理顯著降低了11.7% (P<0.05)。

表2 水稻產(chǎn)量構(gòu)成及氮肥偏生產(chǎn)力Table 2 Rice yield components and partial factor productivity of nitrogen fertilizer (PFPN)

2.3 水稻秸稈和秸稈生物炭還田條件下水稻生長(zhǎng)指標(biāo)、產(chǎn)量構(gòu)成與產(chǎn)量之間的相互關(guān)系

2.3.1 水稻生長(zhǎng)指標(biāo)與產(chǎn)量之間的相互關(guān)系 相關(guān)性分析結(jié)果(表3)顯示，不同量生物炭處理的水稻分蘗數(shù)與籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)出密切的正相關(guān)關(guān)系(r=0.872**，P<0.01)，即分蘗數(shù)的增加促進(jìn)了生物炭處理產(chǎn)量的提高，而葉綠素CCI 值、株高與產(chǎn)量之間的關(guān)系并不顯著。在本研究中，LB 處理在分蘗末期的分蘗數(shù)顯著大于NPK 和HB 處理，增加的比例分別是25.2%和46.3%。秸稈還田處理中，水稻株高與籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.688*，P<0.05)，而分蘗數(shù)、葉綠素CCI 值與產(chǎn)量之間并沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的關(guān)系。在本研究中，在成熟期LS 處理的株高顯著大于NPK 和HS 處理，分別增加5.2%和4.7%。總體而言，低量生物炭和低量秸稈處理分別促進(jìn)了水稻分蘗數(shù)和株高，進(jìn)而提高了水稻籽粒產(chǎn)量。

表3 生物炭和秸稈處理水稻籽粒產(chǎn)量與生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 3 The correlation of growth index with grain yield under biochar and straw treatments

2.3.2 水稻產(chǎn)量構(gòu)成與產(chǎn)量之間的相互關(guān)系 不同量生物炭處理的水稻籽粒結(jié)實(shí)率(r=0.956**，P<0.01)、有效穗數(shù)(r=0.699*，P<0.05)均與產(chǎn)量表現(xiàn)出密切的正相關(guān)關(guān)系(表4)，即結(jié)實(shí)率和有效穗數(shù)的提高促進(jìn)了生物炭處理產(chǎn)量的提高，而千粒重、穗粒數(shù)與產(chǎn)量之間并未表現(xiàn)出顯著相關(guān)。在本研究中，與NPK、HB 處理相比，LB 處理結(jié)實(shí)率分別增加0.8%、6.3%，有效穗數(shù)分別增加2.1%、22.9%。秸稈處理中，僅千粒重與產(chǎn)量表現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.736*，P<0.05)，而有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率與產(chǎn)量之間未表現(xiàn)出顯著相關(guān)。與NPK、HS 處理相比，LS 處理的千粒重分別增加2.7%、1.7%。說(shuō)明低量生物炭處理增加產(chǎn)量的主要原因是提高了水稻有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率，而低量秸稈處理主要是提高了千粒重。

表4 生物炭和秸稈處理水稻籽粒產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成的相關(guān)系數(shù)Table 4 The correlation of yield components with grain yield under biochar and straw treatments

3 討論

3.1 水稻秸稈和秸稈生物炭替代部分化肥對(duì)寒地水稻生長(zhǎng)的影響

連續(xù)多年施用不同量秸稈及其生物炭替代部分化肥對(duì)寒地水稻生長(zhǎng)具有明顯影響。在本研究中，低量生物炭和低量秸稈替代化肥處理較高量處理更有利于促進(jìn)水稻有效分蘗，且在分蘗末期，低量生物炭處理的分蘗數(shù)顯著高于低量秸稈處理(圖1a)，這與前人研究結(jié)果相似。如在鄭悅[22]的研究中，生物炭處理的水稻莖數(shù)增長(zhǎng)情況優(yōu)于秸稈處理，其中施用低量生物炭(7.5 t/hm2)較高量生物炭(12.0 t/hm2)更有利于有效分蘗數(shù)的增加。劉丹等[23]的研究表明，添加5 t/hm2的生物炭能夠增加水稻的分蘗數(shù)，而當(dāng)生物炭添加量為10～15 t/hm2時(shí)，水稻分蘗數(shù)表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。低量生物炭替代化肥處理之所以能夠促進(jìn)水稻分蘗，可能是由于低量生物炭有助于根系的生長(zhǎng)，進(jìn)而提高了水稻分蘗。例如，An 等[21]、Feng等[24]和安寧等[25]研究表明，添加低量生物炭后土壤孔隙度顯著增加，有利于根系生長(zhǎng)，而高量生物炭可能會(huì)降低土壤大孔隙度和孔隙的通氣導(dǎo)水能力；另一方面，秸稈腐解前期產(chǎn)生的有機(jī)酸，會(huì)抑制水稻苗期的根系生長(zhǎng)以及分蘗能力[26-27]。且隨著秸稈還田量的增加，也會(huì)固定及消耗更多的氮素，間接影響根系活力[28]。

Mostafa 等[29]認(rèn)為，CCI 值與葉片氮素含量有明顯的線(xiàn)性相關(guān)，CCI 值可以反映水稻葉片氮素吸收及土壤供氮能力。植株缺氮會(huì)發(fā)生葉片變黃、植株矮小等情況[30-31]。本研究顯示，在水稻生育中后期(拔節(jié)期至成熟期)，秸稈和生物炭各處理的葉綠素含量要優(yōu)于單施化肥處理，尤其在成熟期，LB、HB、LS 和HS 處理的葉綠素CCI 增量均為正值，即利用秸稈及其生物炭替代化肥可使水稻生長(zhǎng)后期保持一定的氮素供應(yīng)(圖2b)。秸稈替代部分化肥處理之所以能夠滿(mǎn)足水稻后期的氮素需求，這可能是由于連續(xù)多年施用秸稈后，秸稈本身氮素的活性部分被當(dāng)季農(nóng)作物吸收利用，而相對(duì)穩(wěn)定的部分會(huì)儲(chǔ)存在土壤中，并逐年累積[32-34]。而對(duì)于生物炭處理來(lái)說(shuō)，在化肥用量減少的條件下，各生物炭處理水稻葉綠素CCI 值與單施化肥處理相比略有增加，并沒(méi)有表現(xiàn)出顯著下降趨勢(shì)，這可能與生物炭對(duì)養(yǎng)分的吸附作用有關(guān)。在土壤中連續(xù)多年施用生物炭可以有效減少氮素淋失，有助于氮素的供應(yīng)和保留[35-36]。值得注意的是，在水稻生長(zhǎng)中后期，LS 和HS 處理的葉綠素CCI 值均優(yōu)于NPK、LB 和HB 處理，且HS 處理的葉綠素CCI 增值在成熟期顯著高于HB 處理(圖2)。這與隋陽(yáng)輝等[37]研究結(jié)果相似，即在施氮肥條件下，秸稈直接還田處理的水稻葉片SPAD 值(葉綠素含量)高于秸稈炭化還田處理。

與其他研究結(jié)果不同的是，在本研究中各處理水稻CCI 值在拔節(jié)期出現(xiàn)了明顯下降趨勢(shì)(圖2a)，這可能與同期的高溫有關(guān)。根據(jù)前人研究結(jié)果[38]，高溫脅迫使水稻葉片的光合機(jī)構(gòu)受損，導(dǎo)致葉片葉綠素含量與光合速率降低。本研究于水稻抽穗期追肥，且最高氣溫相對(duì)下降，使得抽穗期的葉綠素CCI 值較拔節(jié)期呈升高趨勢(shì)，各處理分別提高了76.0% (NPK)、77.0% (LB)、59.4% (HB)、78.2%(LS)、55.6% (HS)。另外，在本研究中，水稻生長(zhǎng)中后期LS 和HS 處理的株高要高于NPK、LB 和HB處理(圖3)，可使水稻葉片更好地接收光能，促進(jìn)更多生物量形成[39]。這與林智文[40]的研究結(jié)果類(lèi)似，即無(wú)論是否配施氮肥，添加秸稈比添加生物炭更有利于增加成熟期的水稻株高，且在不施氮肥條件下達(dá)到顯著水平。但也有研究表明，在提高水稻株高方面，秸稈炭化還田方式優(yōu)于秸稈直接還田[41]。對(duì)于研究結(jié)果的差異，可能主要是水稻品種和土壤類(lèi)型的不同所導(dǎo)致的，這還需進(jìn)行更深入的研究論證。與此同時(shí)，不同量秸稈替代部分化肥后對(duì)水稻株高的影響也不同，具體表現(xiàn)為，在蠟熟期和成熟期LS處理株高增量顯著高于HS 處理(圖3b)，即施用低量秸稈替代部分化肥更有助于增加水稻株高。這與韓新忠等[42]的研究結(jié)果相似，即25%秸稈還田處理(1.5 t/hm2) 的水稻株高分別高于50%、75% 和100% 秸稈還田處理。因此，在連續(xù)多年替代條件下，水稻的生長(zhǎng)狀態(tài)與秸稈和生物炭的施用量密切相關(guān)。

3.2 水稻秸稈和秸稈生物炭替代部分化肥對(duì)寒地水稻產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力的影響

施用秸稈及其生物炭后，水稻產(chǎn)量的變化與生物炭或秸稈的施用量、施用年份密切相關(guān)。有些研究認(rèn)為，水稻籽粒產(chǎn)量隨著秸稈和生物炭施用量的增加而增加。如，胡瑤等[43]研究表明，與秸稈不還田處理相比，不同量秸稈直接還田處理水稻籽粒分別增加6.7% (1.5 t/hm2)、19.5% (3.0 t/hm2)、28.2% (4.5 t/hm2)。張愛(ài)平等[44]研究表明，水稻籽粒產(chǎn)量隨生物炭添加量(4.5～9.0 t/hm2)的增加而增高，增產(chǎn)率為15.3%～44.9%。但有些研究也認(rèn)為，隨生物炭和秸稈施用量的增加，作物產(chǎn)量并沒(méi)有隨之增加，有時(shí)還會(huì)表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，如Asai 等[45]研究表明，添加4 t/hm2生物炭的水稻產(chǎn)量在0.5～3.2 t/hm2，添加8 t/hm2生物炭的水稻產(chǎn)量在0.8～3.3 t/hm2間，而生物炭施用量達(dá)16 t/hm2時(shí)，產(chǎn)量不再增加且降低(0.7～2.7 t/hm2)。Zhang 等[46]連續(xù)4 年的試驗(yàn)表明，在低量(4.5 t/hm2)、中量(9.0 t/hm2) 和高量(13.5 t/hm2) 秸稈還田條件下，作物產(chǎn)量平均增幅分別為10.6%、22.8% 和22.5%。另外，一些研究認(rèn)為，施用生物炭與秸稈對(duì)水稻產(chǎn)量的影響也存在差異。如Liu 等[47]研究表明，盡管施用生物炭(10.5 t/hm2) 和秸稈(10.7 t/hm2)均可增加水稻籽粒產(chǎn)量，但是生物炭處理的增產(chǎn)效應(yīng)優(yōu)于秸稈處理(1.7%～8.5%)。同樣，Nan 等[48]的4 年水稻田間 試驗(yàn)表明，相較于不施生物炭或秸稈處理，生物炭處理(2.8 t/hm2)和秸稈處理(8.0 t/hm2)分別平均增產(chǎn)10.7%和9.6%。然而，在Nan 等[49]的研究中，施用秸稈的增產(chǎn)效應(yīng)要優(yōu)于生物炭，即連續(xù)3 年將8.0 t/hm2秸稈施入土壤，水稻產(chǎn)量分別提高10.4%、4.6%和15.4%，施用2.8 t/hm2生物炭分別增產(chǎn)8.0%、1.6%和7.3%。與此同時(shí)，隨著秸稈和生物炭施用年限的增加，作物產(chǎn)量也表現(xiàn)出年際間的不同變化。如Wang 等[50]的長(zhǎng)期(>10 年)秸稈直接還田試驗(yàn)結(jié)果顯示，農(nóng)作物產(chǎn)量平均提高 6.5%(10～14 年)、6.8% (15～19 年)、6.9% (20～24 年)和8.3% (25～30 年)。在Zhang 等[51]水稻與小麥輪作的6年田間試驗(yàn)中，生物炭處理(20 t/hm2、40 t/hm2)增加籽粒產(chǎn)量10%～16%，且4 年后呈現(xiàn)出顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。

在本研究中，連續(xù)多年化肥減量配施秸稈及其生物炭后，與單施化肥處理相比，低量生物炭和低量秸稈均能顯著增加水稻產(chǎn)量，高量生物炭處理產(chǎn)量顯著低于單施化肥處理(P<0.05)，而高量秸稈處理的水稻產(chǎn)量與單施化肥處理較為接近(表2)。結(jié)合相關(guān)分析結(jié)果可知，低量生物炭處理增加產(chǎn)量主要是由于水稻分蘗數(shù)、有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率的提高，而高量生物炭處理減產(chǎn)的主要原因是降低了水稻分蘗數(shù)、有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率(表3，表4)。施用高量生物炭之所以會(huì)降低水稻產(chǎn)量，可能主要是因?yàn)槭┯酶吡可锾窟M(jìn)一步增加了土壤碳氮比，降低氮素的有效性。同時(shí)，大量的生物炭顆粒會(huì)占據(jù)更多的大孔隙，降低稻田土壤孔隙的連通性，進(jìn)而限制水稻根系的生長(zhǎng)和氮素的有效供應(yīng)[25,35-36]。然而，化肥減量條件下，施用低量生物炭能使稻田土壤養(yǎng)分供應(yīng)更為適宜[21]，進(jìn)而減少無(wú)效分蘗對(duì)養(yǎng)分的消耗，提高有效分蘗數(shù)，起到保蘗成穗的作用[52]。在何大衛(wèi)等[52]的研究中，添加適量生物炭顯著增加了水稻的有效分蘗數(shù)與成穗率，提高了總穎花數(shù)，進(jìn)而達(dá)到高產(chǎn)。另外，株高和千粒重的增加是低量秸稈處理提高產(chǎn)量的主要原因，這主要是由于秸稈本身豐富的氮素可調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的供應(yīng)[53]，促進(jìn)根系生長(zhǎng)。增加秸稈還田量后，在翻耕時(shí)秸稈所占的體積相應(yīng)增加，從而使腐解率降低和氮素固定增加[26-27]。莊?；ǖ萚54]的研究顯示，由于秸稈腐解率的提高能夠使土壤總氮量增加，因此施用秸稈可通過(guò)提高水稻千粒重，即穗粒的飽滿(mǎn)度，進(jìn)而提高籽粒產(chǎn)量。而且，Zhao 等[55]、Chen 等[56]和劉浩等[57]認(rèn)為，在秸稈配施化肥條件下，株高在一定范圍內(nèi)(95～105 cm)有利于水稻葉片更多地利用光能，降低水稻倒伏風(fēng)險(xiǎn)，因此適當(dāng)?shù)闹旮吲c生物產(chǎn)量為線(xiàn)性相關(guān)[58]。在本研究中，除HB 處理外，LB、LS 和HS 處理的氮肥偏生產(chǎn)力均高于NPK 處理11.7%、26.7% 和49.0% (P<0.05)。這與解文孝等[59]和姜佰文等[60]的研究結(jié)果相似，即在棕壤土中施入6.3 t/hm2秸稈，水稻氮肥偏生產(chǎn)力提高了7.9%；黑土中施入2.5 和5.0 t/hm2生物炭提高了玉米氮肥偏生產(chǎn)力，平均增幅分別為5.1%和9.6%。因此，連續(xù)多年施用低量秸稈或者低量生物炭可作為寒地水稻增產(chǎn)增效的有效措施，盡管高量秸稈替代部分化肥較單施化肥處理的產(chǎn)量增幅并不明顯，但是氮肥利用率明顯提高。

4 結(jié)論

連續(xù)多年施用低量秸稈或低量生物炭替代等養(yǎng)分量的化肥，可以促進(jìn)寒地水稻分蘗和生長(zhǎng)，提高籽粒產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力。連續(xù)高量秸稈替代等養(yǎng)分量化肥的增產(chǎn)潛力有限，但可以較大幅度提高氮肥偏生產(chǎn)力，而高量生物炭替代等養(yǎng)分量化肥有降低產(chǎn)量的風(fēng)險(xiǎn)。