生物炭與尿素混合施肥模式對節水灌溉水稻生長及產量的影響研究

孫愛華，華 信，葉曉思，詹煥楨，李英海，朱士江,3,4

(1.三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443000；2. 三峽大學農業水土資源可持續利用研究所，湖北 宜昌 443000；3.東北農業大學 農業部農業水資源高效利用重點實驗室，哈爾濱 150030；4. 水資源安全保障湖北省協同創新中心，武漢 430072)

0 引 言

生物炭是由農林廢棄物在完全或者部分缺氧條件下經高溫裂解生成的一種具有含碳量高，結構穩定，孔隙率大，吸附力強等特性的有機質[1]。大量研究表明，生物炭不僅能夠起到固炭減排的作用[2-4]，還能夠改良土壤、提高水肥利用率[5-7]。王丹丹等[8]通過小區定位試驗研究發現，施加生物炭可以降低土壤容重，提高土壤田間持水量和土壤導水性能，而且得到土壤的持水性能與生物炭摻量呈正相關。高德才等[9]通過土柱淋溶試驗研究發現，當炭土質量比達4%以上時，可以顯著減少土壤NH+4、NO-3和總氮的淋失，減少量分別為12.50%～42.86%、3.23%～11.87%、4.62%～10.62%。

近年來，許多國內外學者研究證明施加生物炭能夠促進作物的生長，提高作物的產量。勾芒芒等[10]采用室內盆栽試驗定量分析法研究發現，在沙土中施加生物炭可以提高番茄產量，當每1 kg干土施加40 g生物炭時番茄增產170%。李中陽等[11]通過田間小區試驗研究發現，施加生物炭顯著增加了冬小麥的莖蘗數、有效穗數和產量，當生物炭施用量為40 t/hm2時對冬小麥產量和根系生長的促進作用最為顯著。我國作為一個農業大國每年產出農業秸稈高達7億t，生物炭技術的發展不僅有利于實現廢棄物資源化，而且還能夠改善土壤肥力、提高水肥利用率，達到農作物增產的效果。因此，本文通過盆栽試驗，重點探究不同灌溉模式下，生物炭與肥料混施對水稻生長、產量以及灌溉水利用效率的影響，為生物炭技術的發展提供一些基礎數據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于湖北省宜昌市三峽大學水文氣象站內(30°43′25″N，111°18′11″E)，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫16.9 ℃，多年平均降雨量1 215 mm，無霜期250～300 d，年平均輻射量421.5 kJ/cm2，年平均日照時數1 538～1 883 h，日照率40%。供試土壤來自三峽大學周邊遺棄農田，土壤為黃棕壤，干容重為1.32 g/cm3，土壤有機質含量少，pH值6～7，飽和含水量為31.13%(質量比)。盆栽桶為PVC圓桶，桶口直徑和桶底直徑分別為40、30 cm，桶高45 cm，自桶底向上依次鋪上2 cm厚的細沙，2 cm厚的小石子，3 cm厚的大石子和供試土壤。水稻秧苗由宜昌當地農民提供，品種為雜交稻“Y兩優6號”，于2015年5月20日選擇長勢大致相同的秧苗移栽桶中，每桶3穴，每穴1～2株，9月10日收割，生育期113 d。

1.2 試驗設計

試驗為灌溉模式和氮肥管理兩因素試驗，主處理為3種灌溉模式，常規灌溉A和控制灌溉B、C，副處理為3種氮肥管理，常規肥(N)為對照，生物炭與尿素混施(BN)、控釋肥(CN)，各水肥管理詳見表1。試驗9個處理，每個處理重復3次，一共27個測桶。

表1 水稻生育期水肥管理指標

注: 表中帶%的表示無水層,占土壤飽和含水率θs比例,水分處理:下限～上限,所測含水量為土層下0～10 cm。

常規肥為普通尿素肥，按基肥∶蘗肥∶穗肥=5∶3∶2施放，生物炭為江蘇溧竹環保科技有限公司生產的秸稈生物炭，在泡田前將生物炭以20 t/hm2與基肥尿素混合后施入土壤，用小鐵鍬翻耕，基肥、蘗肥、穗肥的施肥比例與常規施肥模式一樣，控釋肥為山東金正大生態工程有限公司生產(N-P2O5-K2O 22%-8%-15%)，控釋肥作為基肥一次性施放。3種肥料管理模式下，水稻整個生育期施加的肥料折合純氮220 kg/hm2,折合純鉀120 kg/hm2，折合純磷90 kg/hm2，鉀肥和磷肥均作為基肥一次性施放。

1.3 測定項目與方法

水稻生育期測定項目有土壤含水率、水層深度、灌水量、水稻莖蘗數、株高、葉面積指數(LAI)、葉綠素(SPAD)以及產量。

自秧苗移栽后每天上午9∶00和下午5∶00進行灌溉水分控制，有水層時采用水尺測量水層深度，無水層時采用便攜式土壤水分速測儀測定土壤含水率，灌水采用1 L量杯，每次灌溉量記錄下來，下雨后及時進行排水。水稻的生長動態從移栽后的第16 d開始觀測，之后每隔8 d觀測一次莖蘗數和株高，抽穗前株高為土面到最高葉尖的高度，抽穗后株高為土面至穗頂的高度。葉面積指數和葉綠素在水稻的每個生育期測量一次，葉面積指數采用長寬系數法[12]測定，每個對照組選擇具有代表性的三株進行測量，葉綠素采用SPAD502型葉綠素儀測量，從返青期到乳熟期每個時期觀測一次，每次每個對照組隨機選取5片完全展開的葉劍，分別測量葉劍的上部、中部、下部。最后將每桶收獲的稻谷分別進行裝袋，烘干測定產量。

1.4 數據處理

文章采用Microsoft Excel 2007軟件進行數據處理與繪圖，運用SPSS 19.0軟件進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 莖蘗數消長動態

從圖1可以發現，各處理水稻莖蘗變化特征基本相似，都表現為隨著生育期的推進，水稻的莖蘗數呈現先增長后降低的趨勢。T1、T2處理在生育期的第48 d水稻莖蘗數達到峰值后，在生育期的72 d又出現一個峰值，T4、T5、T6處理和T7、T8、T9處理水稻莖蘗均呈現單峰曲線，在生育期48 d莖蘗數達到最高，這說明生物炭與常規肥料的協同作用與控釋肥的功效具有一定的相似性，而在常規肥管理模式下之所以出現雙峰曲線，這可能是由于穗肥的施加，作物對肥料的吸收表現一定的急劇性，進一步的促進水稻的分蘗。

從肥料管理模式下分析水稻莖蘗變化可以發現，CN管理模式下水稻在生育前期的分蘗速度大于N管理模式和BN管理模式，在生育期的第48 d三種肥料管理模式下水稻的莖蘗數達到峰值，N管理模式下水稻莖蘗數最多為每穴15.33個，BN管理模式下水稻莖蘗數最多為每穴17.67個，CN管理模式下水稻莖蘗數最多為每穴20.78個，到生育末期，水稻莖蘗變化趨于平穩，表現為：T4處理>T5處理>T7處理>T8處理>T1和T6處理>T2處理>T9處理>T3處理。從有效分蘗率上看，BN管理模式下水稻的平均有效分蘗率最高，為73.42%，N管理模式下次之，為72.07%，CN管理模式下最低，為58.60%。

從灌溉方式上看，3種施肥模式水稻莖蘗數均表現為常規灌溉A>控制灌溉B>控制灌溉C。N管理模式下，灌溉模式A水稻最高莖蘗量比灌溉模式B和灌溉模式C分別高6.98%和15%；BN管理模式下，灌溉模式A水稻最高莖蘗量比灌溉模式B和灌溉模式C分別高5.3%和8.21%；CN管理模式下，灌溉模式A水稻最高莖蘗量比灌溉模式B和灌溉模式C分別高8.12%和23.84%，從水分虧缺對水稻莖蘗量的影響程度來看，適當充足的水分管理更能促進水稻的分蘗，相比 T1、T2、T3處理間和T7、T8、T9處理間，T4、T5、T6處理間水稻莖蘗數相差最近，說明BN管理在一定程度上能夠彌補水分虧缺對水稻莖蘗產生的負面影響。

2.2 株 高

株高是水稻生長的重要指標之一，水稻株高受水稻品種的遺傳性、種植區日照、溫度、栽培技術以及水肥調控等因素綜合影響。由圖2可以看出，在3種施肥管理模式下，灌溉模式A和灌溉模式B水稻株高曲線幾乎重合，而灌溉模式C水稻株高則與灌溉模式A和灌溉模式B相差較遠，這說明適當的水分虧缺不會影響水稻的株高，但隨著水分脅迫的加劇，會對株高產生一定的影響。從相同灌溉模式不同氮肥管理上看，各處理間水稻株高的最終高度相差不明顯。

2.3 葉面積指數

葉片是水稻進行光合作用制造有機物的主要場所，葉面積指數的大小反映水稻同化量，也在一定程度上決定產量的大小。分析不同水肥處理水稻LAI的變化規律可以發現(如圖3)，3種氮肥管理模式下，水稻LAI變化特征基本相似，都是呈現先增加后減小的趨勢。BN管理模式和CN管理模式水稻LAI在拔節孕穗期達到最大，N管理模式水稻LAI在抽穗開花期達到最大，比BN和CN管理模式晚了10 d左右。BN施肥模式水稻LAI最大值為9.53，CN施肥模式水稻LAI最大值為10.02，分別比N施肥模式最大值高31%和37.45%。相比常規肥管理，生物炭與尿素混施和控釋肥促進了水稻的分蘗和葉片的生長，提高了水稻葉面積指數。

圖1 不同水肥處理水稻莖蘗數

圖2 不同水肥處理水稻株高

圖3 不同水肥處理水稻LAI

從灌溉方式上看，3種氮肥管理水平水稻LAI均呈現灌溉模式A>灌溉模式B>灌溉模式C，灌溉模式A與灌溉模式B水稻LAI相差不明顯，灌溉模式A與灌溉模式C水稻LAI相差較為明顯，說明適當的水分脅迫對水稻LAI影響不大，但水分脅迫的加劇，對水稻LAI影響較大。

2.4 葉綠素(SPAD)指標

葉綠素作為影響植物光合作用的重要指標之一，對作物的生長起著十分重要的作用。分析不同水肥管理模式下SPAD的變化規律可以發現，常規肥管理模式下，水稻在分蘗前期至灌漿結實期SPAD值變化較大，而在生物炭與尿素混施和控釋肥這兩種施肥模式下，水稻SPAD值變化規律較為相似，具體表現為水稻在分蘗前期至灌漿結實期對氮素吸收相對平穩，SPAD值波動較小，這可能是由于生物炭作為尿素的載體，對肥效的釋放有一定的緩釋作用，這與何緒生[13]得到的結論相吻合。從不同灌溉方式上看，常規灌溉SPAD值總體上要大于控制灌溉，而且大部分表現為隨著水分脅迫的加劇SPAD值逐漸減小，這說明在水分充足的條件下更加有利于水稻的光合作用。

2.5 水稻的產量及灌溉水分生產率

表3為不同水肥處理水稻的產量、灌水量以及灌溉水分生產率指標。

圖4 不同水肥處理水稻SPAD

從表3中可以發現，灌溉模式A水稻的產量最高，3種氮肥管理水稻產量分別為8 033.15、8 984.42、8 594.44 kg/hm2，灌溉模式B次之，灌溉模式C最低，隨著水分脅迫的加劇產量降低越明顯。常規肥管理模式下，灌溉模式A和B分別較灌溉模式C增產4.43%和3.19%；生物炭與尿素混施管理模式下，灌溉模式A和B分別較灌溉模式C增產6.49%和5.26%；控釋肥管理模式下，灌溉模式A和B分別較灌溉模式C增產6.12%和4.35%，生物炭與尿素混施水稻產量增幅最大，可見充足的水分和生物炭與尿素混合施肥模式更加有利于水稻的增產。

從灌水量和灌溉水分生產率上看，灌溉模式A的灌水量顯著大于灌溉模式B和灌溉模式C(P<0.05)，在灌溉水分生產率上，3種氮肥管理模式下均表現為灌溉模式C>灌溉模式B>灌溉模式A，生物炭與尿素混合施肥模式下3種灌溉水平水稻灌溉水分生產率最高，為1.88 kg/m3,常規施肥模式次之，為1.75 kg/m3，控釋肥施肥模式最低，為1.65 kg/m3。

表2 不同水肥處理水稻產量及灌溉水分生產率

3 結論與討論

(1)生物炭與尿素混合施肥模式促進了水稻地上部分的生長，提高了水稻有效分蘗率，水稻的產量以及灌溉水分生產率分別較常規施肥模式增加11.15%和7.26%，控釋肥施肥模式一定程度促進水稻地上部分的生長，提高了水稻的產量，但水稻有效分蘗率和灌溉水分生產率較常規施肥低。

(2)與灌溉模式A相比，灌溉模式B水稻的地上部分生長受到了輕微的抑制，水稻產量略有下降，但灌水量顯著降低(P<0.05),水稻灌溉水分生產率得到大幅度提高，平均提高0.7 kg/m3；灌溉模式C灌水量最少，灌溉水分生產率最高，但水稻地上部分的生長明顯受到抑制，水稻減產也比較明顯。

(3)控釋肥管理模式和生物炭與尿素混施模式水稻生育期莖蘗動態、葉面積指數、葉綠素變化規律較為相似，這可能是由于生物炭作為了肥料的載體，對氮素的釋放具有緩釋作用，這與控釋肥的功效較為相似。

農業試驗研究需要結合作物品種、肥分、氣象等因素進行長期觀察分析，本文研究結果是根據盆栽試驗所得，可能與大田試驗存在一定的差異，這也是本次試驗研究的局限性，此次研究成果將為下次大田試驗作技術支撐和數據對比。

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