生物炭施用對早稻產(chǎn)量形成的影響

范龍 單雙呂 張恒棟 陳佳娜 趙春容 曹放波 王玉梅 黃敏 鄒應斌

（湖南農(nóng)業(yè)大學南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙410128；第一作者：1806889961@qq.com；*通訊作者：ybzou123@126.com）

生物炭施用對早稻產(chǎn)量形成的影響

范龍 單雙呂 張恒棟 陳佳娜 趙春容 曹放波 王玉梅 黃敏 鄒應斌*

（湖南農(nóng)業(yè)大學南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙410128；第一作者：1806889961@qq.com；*通訊作者：ybzou123@126.com）

為探明生物炭施用對早稻產(chǎn)量形成的影響，以中早39為材料，于2015年和2016年早季在湖南省瀏陽市永安鎮(zhèn)開展大田試驗，在不同施氮水平下（N0，0 kg N/hm2；N1，90 kg/hm2；N2，150 kg N/hm2）對施炭（C1，20 t/hm2）和不施炭（C0，0 t/hm2）處理早稻的產(chǎn)量、產(chǎn)量構成、干物質生產(chǎn)和收獲指數(shù)進行了比較。結果表明，除2015年N1水平外，C1處理的產(chǎn)量均低于C0處理，其中，2016年C1處理的平均產(chǎn)量比C0處理低12.85%；2015年和2016年C1處理的千粒重分別比C0處理低2.46%～4.12%和2.55%～3.76%；齊穗后C1處理干物質生產(chǎn)量高于C0處理，但其收獲指數(shù)低于C0處理，2015年和2016年C1處理與C0處理的收獲指數(shù)最大相差5.33個和4.00個百分點。由此可見，施用生物炭顯著降低了早稻千粒重和收獲指數(shù)，進而導致早稻減產(chǎn)。

生物炭；早稻；產(chǎn)量；粒重；收獲指數(shù)

我國生物質能資源豐富，其中每年水稻秸稈生物量就有1.8億t左右，約占農(nóng)業(yè)秸稈資源總量的27%[1]。然而，如此豐富的生物質能資源卻沒能得到合理的開發(fā)與利用，大部分被就地焚燒或丟棄，不僅造成資源浪費，而且增加溫室氣體排放及污染生態(tài)環(huán)境。

近年來，生物炭的研究為農(nóng)業(yè)秸稈資源的利用提供了新途徑。生物炭是指將農(nóng)業(yè)廢棄物，如作物秸稈、木屑等放在低氧或無氧的高溫下熱解而成[2-3]。大部分研究結果表明，生物炭具有改善土壤結構和理化性狀[4-6]，提高作物對養(yǎng)分的吸收利用[7-8]，促進作物生長[6-9]等正向效應；但也有研究顯示，在不施氮的條件下生物炭施用對作物生長具有負面效應。如，Wang等[10]研究得出，在無氮肥條件下生物炭對水稻生物量和籽粒產(chǎn)量無明顯影響甚至有減產(chǎn)可能；Asai[11]研究結果表明，在無氮或低氮的土壤添加生物炭會導致水稻葉片SPAD值降低及產(chǎn)量減少。本文采用大田試驗，研究了不同施氮水平下生物炭施用對早稻產(chǎn)量形成的影響，以期為生物炭在水稻生產(chǎn)上的應用提供理論依據(jù)和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2015-2016年在湖南省瀏陽市平頭村永安農(nóng)技站試驗田進行。供試水稻品種為中早39。水稻田土壤為潮泥土，供試土壤0～20 cm土層基本性質為：pH值6.3，有機質43.85 g/kg，全氮1.75 g/kg，堿解氮211.01 mg/kg，全磷0.52 g/kg，全鉀10.15 g/kg，速效鉀81.08 mg/kg，有效磷7.11 mg/kg。

供試生物炭是稻殼生物炭，基本性狀為：pH值10.4，含碳量512 g/kg，含氮量7.8 g/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區(qū)設計，氮肥為主區(qū)因素，生物炭作副區(qū)因素。氮肥（純N）設3個水平：N0，不施氮肥；N1，90 kg/hm2；N2，150 kg/hm2。施炭量設2個水平：C0，不施炭；C1，20 t/hm2。每個處理設3次重復，每副區(qū)面積為20 m2（5 m×4 m）。

氮肥采用尿素，按照基肥占50%、分蘗肥占30%、穗肥占20%的比例施用；磷肥采用重過磷酸鈣，全部作基肥，用量75 kg/hm2（P2O5用量）；鉀肥采用氯化鉀，按基肥占50%、穗肥占50%的比例施用，用量為105 kg/ hm2（K2O用量）。為防止各處理竄肥竄水，施肥前田間各小區(qū)作田埂，并用黑色塑料薄膜包裹覆蓋。其他管理措施與當?shù)爻Ｒ?guī)管理同。

1.3 測定項目

1.3.1 干物質量

于齊穗期，在各處理小區(qū)選取10叢有代表性完整水稻植株，剪去根系，將莖、葉、穗分離，并放入烘箱內(nèi)于105℃殺青30 min，70℃烘干至恒質量，稱量即為齊穗期干物質量。成熟期干物質量即為水稻生物量。花后干物質生產(chǎn)量=成熟期生物量－齊穗期干物質量。

表1 生物炭施用對早稻產(chǎn)量的影響 （t/hm2）

表2 生物炭施用對早稻產(chǎn)量構成因素的影響

1.3.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素

于成熟期，在每試驗小區(qū)收割面積為5 m2的水稻脫粒，稱取200 g稻谷于烘箱70℃烘干至恒質量，計算籽粒含水量，將稻谷換算成含水量為14%的實收產(chǎn)量。

于成熟期，在試驗小區(qū)內(nèi)按對角線方向，選取有代表性植株10叢，采用手工脫粒，將籽粒與秸稈分離。秸稈放入烘箱105℃殺青30 min，70℃烘干至恒質量，稱重。籽粒采用水選方法分離出實粒和秕粒并計數(shù)，進一步考種，分別測定穗數(shù)、穗粒數(shù)、結實率、千粒重等指標。通過計算水稻籽粒產(chǎn)量與生物產(chǎn)量，算出收獲指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2003整理數(shù)據(jù)，Statistix 8.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，多重比較采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 生物炭施用對早稻產(chǎn)量的影響

由表1可知，2015年、2016年施用生物炭的早稻均出現(xiàn)減產(chǎn)現(xiàn)象，2015年在N2條件下，早稻減產(chǎn)0.37 t/hm2；2016年早稻平均減產(chǎn)12.85%，減產(chǎn)最多是在N0水平下，減產(chǎn)量為1.36 t/hm2，且2016年C1處理與C0處理間產(chǎn)量差異達顯著水平。

表3 生物炭施用對早稻干物質生產(chǎn)及收獲指數(shù)的影響

2.2 生物炭施用對早稻產(chǎn)量構成因素的影響

從表2可知，施用生物炭后，2015年在N2水平下，有效穗數(shù)表現(xiàn)為C1＞C0，C1比C0增加了26.08%；而2016年均是C0＞C1，減少幅度為3.33%～12.08%。2015年在N2水平下，穗粒數(shù)表現(xiàn)為C1＜C0；2016年均是C1＞C0，且在N2水平下，C1處理穗粒數(shù)增幅達最大，增加了13.20%。單位面積總穎花量在2年試驗中，C0與C1處理無顯著差異，2015年表現(xiàn)為C0＞C1（C1比C0減少0.06%），2016年則是C1＞C0（C1比C0增加2.09%）。結實率2015年表現(xiàn)為C1＞C0（C1比C0提高4.05%），2016年則為C1＜C0。生物炭施用導致了早稻籽粒粒重的減輕，其中，2015年減輕2.46%～4.12%，2016年減輕2.55%～3.76%，且均在N0水平下減幅最大，生物炭對千粒重的影響達到極顯著水平。

2.3 生物炭施用對干物質生產(chǎn)及收獲指數(shù)的影響

由表3可知，與C0處理相比，C1處理在2年的試驗中齊穗后干物質生產(chǎn)量、成熟期干物質量均顯著增加，而齊穗期干物質量則無明顯差異。2015年C1處理成熟期干物質量增長明顯，與C0處理的差異達到極顯著水平，干物質量平均增多10.92%。C1處理齊穗后干物質生產(chǎn)量呈增加趨勢，與C0處理差異未達到顯著水平。收獲指數(shù)是作物經(jīng)濟產(chǎn)物轉化、形成能力強弱的重要指標，2015年、2016年C1處理的收獲指數(shù)均低于C0，兩者間差值最大為5.33個百分點（2015年）和4.00個百分點（2016年），生物炭施用顯著降低了早稻收獲指數(shù)。

3 結論與討論

目前，有關生物炭影響作物產(chǎn)量形成的研究，國內(nèi)外專家學者持有不同觀點。張愛平等[7]研究表明，常規(guī)施氮量（300 kg/hm2）下，稻田施以9 000 kg/hm2生物炭可以增產(chǎn)44.89%，而不施氮情況下生物炭對產(chǎn)量影響不顯著；劉汝亮等[8]的研究得出，加施生物炭1 350 kg/ hm2，與只施氮肥相比，水稻增產(chǎn)764 kg/hm2；張偉明等[9]研究表明，生物炭能提高水稻產(chǎn)量，以每kg干土加入20 g生物炭處理產(chǎn)量最大，比對照增產(chǎn)33.21%；而陳盈等[10]盆栽試驗得出，生物炭會抑制水稻有效分蘗發(fā)生，與對照相比，施生物炭16 t/hm2的處理穗數(shù)顯著減少，產(chǎn)量也最低；曲晶晶等[13]在湖南長沙和江西進賢地區(qū)的研究結果表明，在不施氮肥條件下，生物炭對早稻、晚稻產(chǎn)量均無顯著影響；張斌等[14]在四川的試驗得出，20 t/hm2和40 t/hm2用量的生物炭對水稻產(chǎn)量無影響。本試驗結果表明，施生物炭的處理產(chǎn)量均低于未施生物炭處理（2015年N1水平除外），早稻減產(chǎn)，2016年減產(chǎn)顯著，減產(chǎn)達12.85%。通過分析產(chǎn)量構成因素發(fā)現(xiàn)，施生物炭的處理早稻籽粒重極顯著降低，收獲指數(shù)減少，進而減產(chǎn)。本試驗結果發(fā)現(xiàn)，齊穗后干物質生產(chǎn)量均是C1＞C0，可能跟生物炭對土壤N等營養(yǎng)元素有吸附、緩釋作用有關，水稻生育后期生物炭持續(xù)供應N素等元素促進其營養(yǎng)生長，但N素過多易使水稻貪青遲熟且會導致籽粒灌漿結實受到阻礙。同一品種粒重差異由灌漿速度決定，且平均灌漿速度是關鍵因素[15]。王成璦等[16]研究認為，N素過量會降低籽粒灌漿速度，減慢籽粒充實進程。花后生物炭可持續(xù)為植株供應N素，易造成植株N素過剩，營養(yǎng)生長旺盛，源/庫減小，加深營養(yǎng)器官與籽粒部分對同化物競爭[17]，且水稻體內(nèi)N素過多會影響籽粒灌漿途徑中部分關鍵酶活性[18]，進而影響籽粒的淀粉形成。這些均可能是導致早稻粒重減輕的原因。大部分施炭增產(chǎn)的研究結果表明，生物炭主要是增加每叢穗數(shù)、穗粒數(shù)[7-8]，并延長灌漿結實時間，提高水稻結實率[9]，最終提高水稻產(chǎn)量。本試驗結論不同于張愛平等得出的施炭增產(chǎn)觀點，可能跟炭質種類、土壤類型、作物品種和氣候條件等因素有關。生物炭是性質穩(wěn)定、很難降解的物質，施入稻田能長期穩(wěn)定存在，可能對水稻存在年際效應，對此仍需要進行長期定位試驗來進一步驗證。

[1] 吳家梅，紀雄輝，彭華，等.南方雙季稻田稻草還田的碳匯效應[J].應用生態(tài)學報，2011，22（12）：3 196-3 202.

[2]張千豐，王光華.生物炭理化性質及對土壤改良效果的研究進展[J].土壤與作物，2012，1（4）：219-226.

[3]劉玉學，王耀鋒，呂豪豪，等.生物質炭化還田對稻田溫室氣體排放及土壤理化性質的影響 [J].應用生態(tài)學報，2013，24（8）：2 166-2 172.

[4] Van Zwieten L,Kimber S,Morris S,et al.Effect of biochar from slow pyrolysis of paper mill waste on agromic performance and soil fertility[J].Plant Soil,2010,327（1-2）:235-246.

[5]張晗芝，黃云，劉鋼，等.生物炭對玉米苗期生長、養(yǎng)分吸收及土壤化學性狀的影響 [J].生態(tài)環(huán)境學報，2010，19（11）：2 713-2 717.

[6]張明月.生物炭對土壤性質及作物生長的影響研究[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學，2012.

[7]張愛平，劉汝亮，高霽，等.生物炭對寧夏引黃灌區(qū)水稻產(chǎn)量及氮素利用率的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2015，21（5）：1 352-1 360.

[8]劉汝亮，張愛平，李友宏，等.生物炭對引黃灌區(qū)水稻產(chǎn)量和氮素淋失的影響[J].水土保持學報，2016，30（2）：208-212.

[9]張偉明，孟軍，王嘉宇，等.生物炭對水稻根系形態(tài)與生理特性及產(chǎn)量的影響[J].作物學報，2013，39（8）：1 445-1 451.

[10]Wang J Y,Pan X J,Liu Y L,et al.Effects of biochar amendment in two soils on greenhouse gas emissions and crop production[J].Plant Soil,2012,360:287-298.

[11]Asai H,Samson B K,Stephan H M,et al.Biochar amendment techniques for upland riceproduction in northern Laos[J].Field Crop Res, 2009,111:81-84.

[12]陳盈.生物炭對水稻產(chǎn)量及土壤微生物的影響 [A].中國作物學會.2014年全國青年作物栽培與生理學術研討會論文集 [C].北京：中國作物學會，2014.

[13]曲晶晶，鄭金偉，鄭聚鋒，等.小麥秸稈生物質炭對水稻產(chǎn)量及晚稻氮素利用率的影響 [J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2012，28（3）：288-293.

[14]張斌，劉曉雨，潘根興，等.施用生物質炭后稻田土壤性質、水稻產(chǎn)量和痕量溫室氣體排放的變化 [J].中國農(nóng)業(yè)科學，2012，45（23）：4 844-4 853.

[15]劉霞，王慶成，劉開昌，等.粒重對氮素的響應及其與子粒灌漿參數(shù)的相關與通徑分析[J].玉米科學，2010，18（1）：90-95.

[16]劉麗霞，劉宛，閔國春，等.氮素水平對不同穗型水稻品種籽粒灌漿特性的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2011，39（2）：117-119.

[17]王成璦，趙磊，趙秀哲，等.氮肥用量對水稻不同穗位與粒位籽粒灌漿速率的影響[J].農(nóng)學學報，2016，6（2）：8-21.

[18]張志興，陳軍，李忠，等.水稻籽粒灌漿過程中蛋白質表達特性及其對氮肥運籌的響應[J].生態(tài)學報，2012，32（10）：3 209-3 224.

Effects of Biochar Addition on Yield Formation in Early Rice

FAN Long,SHAN Shuanglv,ZHANG Hengdong,CHEN Jiana,ZHAO Chunrong,CAO Fangbo,WANG Yumei,HUANG Min,ZOU Yinbin*
（Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops/Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China;1st author: 1806889961@qq.com;*Corresponding author:ybzou123@126.com）

In order to clear the effects of biochar addition on yield formation in early rice,a field experiment was conducted with

Zhongzao 39 as material in early season in 2015 and 2016.The grain yield,yield components,dry matter production and harvest index were compared between with biochar（C1,20 t/hm2）and without biochar addition（C0,0 t/hm2）under three nitrogen levels（N0,0 kg N/hm2;N1,90 kg N/hm2;N2,150 kg N/hm2）.The results showed that C1 treatment produced lower grain yield than did C0 treatment except N1 level in 2015.The average grain yield under C1 treatment was 12.85%lower than that of C0 treatment in 2016.C1 treatment had lower 1000-grain weight than C0 treatment by 2.46%～4.12%and 2.55%～3.76%in 2015 and 2016,respectively.C1 treatment had higher dry matter production after heading than C0 treatment,while harvest index was lower in C1 treatment than in C0 treatment.The maximum difference in harvest index between C1 treatment and C0 treatment was 5.33 percentage and 4.00 percentage in 2015 and 2016,respectively.These results indicated that biochar addition could decrease 1 000 grain weight and harvest index, and consequently reduce the grain yield of early rice.

biochar;early rice;grain yield;grain weight;harvest index

S511.06

A

1006-8082（2017）04-0107-05

2017－06－19

國家自然科學基金地方科學基金項目（31460332）