秸秆不同还田方式对北方粳稻物质生产和产量的影响
2019-09-10 07:22崔月峰卢铁钢孙国才王桂艳王健黄文佳
福建农业学报 2019年6期
崔月峰 卢铁钢 孙国才 王桂艳 王健 黄文佳
摘 要：【目的】研究秸秆直接还田和秸秆炭化（即生物炭）还田对北方粳稻物质生产和产量的影响。【方法】以北方超级粳稻沈农265为试材，采用育苗移栽的种植方式，设置常规生产、秸秆直接还田（6 t·hm-2）、低量生物炭还田（2 t·hm-2）和高量生物炭还田（40 t·hm-2）等4个处理，分析沈农265的物质生产及产量差异变化。【结果】与常规生产相比，秸秆直接还田后粳稻干物质积累不足，叶输出率和贡献率分别显著降低了41.19%和34.69%，每穗实粒数、千粒重和有效穗数都呈现出负向效应，致使产量下降;高量生物炭还田下干物质积累有下降趋势，叶和茎鞘输出率分别显著降低了21.41%和17.43%，每穗实粒数下降;低量生物炭还田使干物质积累量增加，叶贡献率显著提高11.68%，水稻每穗实粒数、千粒重和有效穗数产生正向效应，有提高产量的潜力。【结论】适宜的秸秆生物炭还田（2 t·hm-2），有利于促进北方稻区的水稻生产。
关键词：秸秆;生物炭;粳稻;物质生产
中图分类号：S 511文献标识码：A文章编号：1008-0384（2019）06-630-08
Abstract：【Objective】Effect of various means to utilize straws after rice harvest on production and yield of Japonica rice in northern China was evaluated for optimal farm waste management. 【Method】Seedlings of Shennong 265 were transplanted for the experimental cultivation using the conventional fertilization method， a direct straw reclamation in soil at a rate of 6 t·hm-2， the application of straw biochar at a rate of 2 t·hm-2， or the application of straw biochar at a rate of 40 t·hm-2. Rice production and grain yield at harvest were recorded for analysis. 【Result】Adding the cut straws directly back to the field lowered the dry matter accumulation in the grains in the following season that significantly decreased the material output and contribution rates by the leaves by 41.19% and 34.69%， respectively. The grain count per panicle， 1 000-grain weight， panicle number， and grain yield of the rice plants were all negatively affected under the direct straw addition method. The biochar application at the higher rate also reduced dry matter accumulation in the grains with significantly decreased material output by the leaves （21.41% reduction） and stems/sheaths （17.43% reduction）. The grain count per panicle was lower than the conventional method as well. On the other hand， when the biochar application was implemented at a lower rate， i.e.， 2 t·hm-2 rather than 40 t·hm-2， the dry matters increased 11.68% on the material contribution rate by the leaves， along with the positive effects observed on the grain count per panicle， 1 000-grain weight， panicle number， and yield of the rice grown by using the method. 【Conclusion】The waste utilization by adding straw biochar at 2 t·hm-2 to the soil appeared plausible for rice production in northern China.
Key words： straw; biochar; Japonica rice; material production
0 引言
【研究意義】长期以来，大量秸秆资源被焚烧、丢弃，没有得到充分合理利用，不仅造成了生物质资源的极大浪费，也加剧了温室效应和环境污染。因此探讨秸秆高效利用的新途径是关系到资源、环境以及农业可持续发展的重点之一。秸秆直接还田具有培肥地力、增加水稻产量的作用[1]，然而我国北方冷凉稻田由于冷水灌溉及寒冷的气候因素导致了较低的土壤温度，秸秆直接还田后存在腐解困难、引起水稻飘苗等问题[2]。随着秸秆热裂解炭化技术的进步和产业模式的发展，深入研究、合理利用秸秆生物炭还田技术，对北方粳稻高产、高效、可持续发展具有重大意义。【前人研究进展】秸秆直接还田后能够改善土壤结构和理化性状，提高养分循环利用率，优化农田生态环境，避免资源浪费和环境污染[3]。但是在数量把握不当或翻压质量不好的情况下，秸秆直接还田反而会表现出化感、争氮、病虫害和僵苗等的负面影响，导致作物减产[4-5]。秸秆炭化还田后能够快速提升土壤稳定性碳库储量，改善养分利用，提高水稻叶片光合效率，增加水稻地上部干物质积累量和产量[2，6-7]，但生物炭的增产效果与其施用量、土壤类型和环境条件等诸多因素有关，具有较大的不确定性[8]。【本研究切入点】当前关于秸秆炭化还田的研究多集中在温暖湿润的热带或亚热带地区，针对北方冷凉地区稻田的研究还很少。而我国东北地区恰恰是优质粳稻主产区，农业比重大、秸秆资源多，在该区域开展生物炭对粳稻物质生产的影响研究对于完善和深化理解生物炭的农学效应具有重要价值。【拟解决的关键问题】本试验选择具有代表性的北方超级粳稻沈农265作为试材，采用育苗移栽的种植方式，研究秸秆直接还田和秸秆生物炭低量及大量还田对不同生育时期下粳稻物质生产和产量的影响，为秸秆生物炭在北方粳稻生产中的应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试品种为北方超级粳稻沈农265，主茎叶片数为15，具有株型紧凑、分蘖力较强、穗型直立的特性。供试用秸秆粉碎成0.5～1.0 cm的小段，生物炭由辽宁生物炭工程技术研究中心将秸秆在400～500℃热解缺氧条件下生产，约1/3秸秆变成粒径1.5～2.0 mm的生物炭，秸秆和生物炭主要理化性质见表1。
1.2 试验设计
试验设在铁岭市农业科学院内水稻试验田，土壤耕层0～20 cm土层营养指标为全氮1.06 g·kg-1，全磷0.85 g·kg-1，全钾17.24 g·kg-1，速效氮93.64 mg·kg-1，速效磷38.28 mg·kg-1，速效钾75.06 mg·kg-1，有机碳10.73 g·kg-1，pH值6.36。试验设4个处理，①常规生产（对照）：当地常规施肥（46%尿素456.5 kg·hm-2、12%过磷酸钙875 kg·hm-2和52%硫酸钾202 kg·hm-2），记做CK;②秸秆直接还田：在CK基础上施入秸秆6 t·hm-2，记做S;③低量生物炭还田：在CK基础上施入生物炭2 t·hm-2（按秸秆可以转化为30%生物炭计算），计做C1;④高量生物炭还田：在CK基础上施入生物炭40 t·hm-2，记做C2。
试验于2013、2014年进行。采用育苗移栽的种植方式，2013年4月18日播种、5月28日移栽、10月8日收获，2014年4月14日播種、5月27日移栽、10月9日收获，插秧规格30 cm×13.3 cm，每穴3苗，随机区组排列设计，每处理重复3次，共计12个小区，小区面积21 m2。各小区单独打埂，均配有上水、排水渠道，单灌、单排。氮肥分基肥∶蘖肥∶穗肥=5∶3∶2施入，秸秆和生物炭在水稻移栽前100%一次施入，均匀分散到土壤表面，然后旋耕混匀，过磷酸钙做基肥100%一次施入，硫酸钾做基肥和穗肥各施50%。其他栽培管理措施按常规水稻大田生产规程管理。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 干物质积累
在水稻分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期5个时期，每小区取代表性植株5穴。把叶片、茎鞘、穗分开，烘干（在鼓风烘箱中，105℃下杀青30 min，80℃下烘干），称干重。
1.3.2 产量及构成因素
每小区选6 m2实割，晒干换算成标准含水量后计算产量;每小区调查10穴测定有效穗，以每穴平均穗数为标准，在每小区取株高、穗型有代表性的4穴，测定其每穗总粒数、结实率、千粒重等性状。
1.3.3 有关参数计算方法
输出率（%）=[抽穗期叶（茎鞘）干重-成熟期叶（茎鞘）干重]/抽穗期叶（茎鞘）干重×100;贡献率（%）= [抽穗期叶（茎鞘）干重-成熟期叶（茎鞘）干重]/（成熟期穗干重-抽穗期穗干重）×100。
1.4 数据统计与分析
所有试验数据采用Microsoft Excel 2010进行整理。不同处理间采用DPS7.05软件对试验数据进行单因素方差分析，LSD多重比较判断处理间的差异显著性（P<0.05），所有测定结果数据均以平均值±标准差的形式表示。
2 结果与分析
2.1 叶干物质积累
叶片是截获光能并进行光合作用的主要器官，其干物质积累对水稻产量形成有着重要的影响。从图1可以看出，各处理下叶干物重在分蘖期到灌浆期都呈增加趋势，到成熟期出现下降趋势，这是由于灌浆期后叶内营养物质大量转移到穗的原因。与CK处理相比，分蘖期时S和C2处理的叶干物质重分别显著降低了28.14%、16.45%，C1处理增加2.16%，差异不显著;拔节期时S、C1、C2处理分别较CK增加了9.82%、19.12%、5.68%，其中C1显著高于CK和C2处理;抽穗期时S、C1、C2处理分别较CK增加了4.67%、14.92%、4.90%，其中C1显著高于CK处理;到灌浆期时，S、C1、C2处理分别较CK增加了-9.95%、3.80%、-8.78%，S和C2处理叶干物质显著降低，C1差异不显著;到成熟期时，S、C1、C2处理分别较CK增加了13.06%、11.10%、7.87%，S处理显著高于CK，其他处理间差异未达显著水平。可见通过秸秆和高量生物炭的施用对叶干物质重呈现分蘖期和灌浆期降低、其他时期增加的现象，而低量生物炭还田对叶干物质重在整个生育期都有正向效应，尤其是在拔节期和抽穗期具有显著的促进作用。
2.2 茎鞘干物质积累
图2显示，各处理下茎鞘干物质重在分蘖期到灌浆期几乎是呈直线增加趋势，但到成熟期极速下滑。与CK处理相比，分蘖期时S处理的茎鞘干物质重显著降低15.63%，C1、C2处理分别增加6.78%、8.26%，差异不显著;拔节期S、C1、C2处理分别较CK增加了11.93%、31.38%、9.79%，其中C1显著高于CK处理，S、C2处理与CK差异不显著;抽穗期S、C1、C2处理分别较CK增加了-2.99%、4.47%、5.53%，C2处理显著高于对照，S、C1处理未达显著水平;而到灌浆期，S和C2处理分别较CK降低了8.35%和6.77%，C1处理增加了4.53%，S与CK差异达显著水平，C1、C2与CK差异不显著;到成熟期时，S、C1、C2处理分别较CK增加了-3.88%、4.98%、7.37%，差异不显著。可见秸秆还田在分蘖期和灌浆期显著降低了茎鞘干物质量，低量生物炭还田在拔节期具有显著促进作用，而高量生物炭还田显著提高抽穗期茎鞘干物质量。
2.3 穗干物积累
从图3可以看出，随着生育进程，穗干物质重不断增加。抽穗期时S和C1处理分别较CK增加了8.97%、10.62%，差异不显著，而C2处理较CK显著增加了18.31%;到灌浆期时，S处理较
CK显著降低了12.67%，而C1、C2分别较CK降低0.05%、5.13%，差异不显著;到成熟期时，S和C2处理分别较CK降低了5.23%和3.68%，C1处理增加3.67%，但差异均不显著。可见秸秆还田在灌浆期显著降低了穗干物质量，低量生物炭还田对穗干物质量影响不大，而高量生物炭还田抽穗期能显著增加穗干物质量，但在灌浆后期表现出负面效应。
2.4 干物质增量
从表2可以看出，从抽穗期到成熟期叶干物质增量绝对值表现为C1处理最高，达7.24×102 kg·hm-2，显著高于S和C2处理，但与CK处理差异不显著;而S处理显著低于CK 40.16%，C2处理则与CK差异不显著;茎鞘干物质增量绝对值表现为S处理最高，为5.44×102 kg·hm-2，但各处理间差异均未达到显著水平;穗干物质增量则仍以C1处理最高达83.52×102 kg·hm-2，显著高于S和C2处理，但与CK差异不显著，而S和C2处理较CK分别显著降低8.37%和8.54%;在叶、茎鞘和穗的总干物质增加量上，表现为与穗增量趋势一致，C1处理显著高于S和C2处理，但与CK差异不显著，而S和C1处理较CK分别显著降低6.57%和7.21%。可见秸秆还田下抽穗到成熟期水稻叶和穗干物质增量呈显著降低趋势，而低量生物炭还田对叶和穗干物质增量影响不大，高量生物炭还田对叶干物质增量影响不大，但显著降低了穗干物质增量;就茎鞘干物质增量而言，各处理下都未表现出明显差异;从叶、茎鞘和穗总干物质增加量来看，其表现的趋势与穗干物质增加量保持一致。
2.5 输出率和产量贡献率
从表3可以看出，S、C1、C2处理的叶输出率分别较CK降低41.19%、2.11%、21.41%，S和C2显著低于CK，C1和CK差异不显著;S和C1处理的茎鞘输出率与CK差异不显著，而C2处理则显著低于CK达17.43%;从叶和茎鞘整体输出率来看，S和C2处理显著低于CK处理，分别降低18.34%和20.16%，而C1和CK差异不显著。可见秸秆和高量生物炭还田显著降低了叶及叶+茎鞘的输出率，而低量生物炭对叶及叶+茎鞘的输出率影响不大。秸秆和低量生物炭还田对茎鞘输出率影响不大，而高量生物炭则能显著降低茎鞘输出率。
从叶贡献率来看，表现为C1>CK>C2>S，C1较CK增加11.68%，C2与CK差异不显著，S较CK显著降低34.69%;茎鞘贡献率在各处理间差异较小，与CK相比均未达到显著水平;从叶和茎鞘整体贡献率来看，S和C2处理分别较CK显著降低12.08%、8.96%，而C1较CK增加5.30%，但差异不显著。可见秸秆还田显著降低了叶贡献率，而低量生物炭则有提高作用，高量生物炭影响不显著;秸秆、少量及高量生物炭还田对茎鞘贡献率影响不大，但秸秆和高量生物炭还田显著降低了叶+茎鞘的贡献率。
2.6 产量及其构成因素的差异
水稻产量的高低是每穗实粒数、千粒重和单位面积有效穗数三要素综合作用的结果，协调好各产量构成因子的关系是实现水稻高产的关键。从表4可知，秸秆和生物炭还田对穗长和着粒密度影响较小，但使每穗总粒数下降，范围在125.87～132.77个·穗-1，表现为C2
3 讨论与结论
前人研究表明，秸秆还田后秸秆释放出的养分和某些小分子物质对产量造成很大的影响，由于不同地域、耕作方式、土壤类型、水肥运筹和还田年限的不同，增产效果有所不同[9-11]。裴鹏刚等[12]认为秸秆还田对水稻生长发育的影响表现为前期水稻生长速率慢，后期水稻生长速率加快，分蘖发生慢而后劲足;李朝苏等[13]研究表明，秸秆还田能延长水稻开花期后绿叶的功能期，増加了光合产物积累量在产量形成中所占比例。Han等[14]试验表明秸秆还田量在3 t·hm-2时对水稻的增产作用最明显;叶文培等[15]研究表明，秸秆还田可以提髙水稻的分蘖数和地上部干物质积累量，使早稻产量显著増加10.0%～12.9%，朱利群等[16]研究表明，秸秆还田会使水稻穗粒数、千粒重和产量分别降低12.1%、5.7%和7.7%。本试验结果表明，秸秆还田（6 t·hm-2）在水稻生育前期使叶和茎鞘干物质量分别显著降低了28.14%和15.63%，光合物质转换受到限制，在灌浆期显著降低了穗干物質量达12.67%，叶输出率和对产量贡献率分别显著降低了41.19%和34.69%，最终使每穗实粒数、千粒重和有效穗数降低，导致产量呈现下降趋势，可能是秸秆在淹水厌氧环境下降解容易产生大量硫化氢等有害气体，不利于水稻根系的生长，影响水稻的生长发育[17]。另外，秸秆中C/N值较高，使秸秆在土壤中腐化分解缓慢，促使微生物迅猛活动，并与作物生长进行氮养分的争夺，造成水稻前期缺氮，抑制水稻生长，干物质积累量低，但在生育中后期，随着秸秆的腐烂，被微生物固定的养分逐渐释放到土壤中，容易造成氮素供应过量，引起贪青晚熟，不利于水稻增产[18-19]。
生物炭的產量效应受生物炭本身特性、施用时间、作物和土壤类型、肥力特征以及农田施肥管理措施等多方面因素的综合影响。为了更准确地了解作物产量和生物炭施用之间的关系，Jeffer等[20]系统分析了施用生物炭与作物生产力之间的相关性，发现生物炭改良土壤后的平均增产幅度约为10%，但波动范围大（-28%～39%）。生物炭施用有利于水稻分蘖期与拔节期生长和吸收养分，外源输入生物炭（1.458 t·hm-2）比单施化肥产量增加9.78%[21]。张伟明等[22]试验表明，施用生物炭会使水稻产量增加，是由于每穴穗数、每穂粒数、结实率的提高;张爱平等[23]认为添加生物炭能增加水稻穗数和穗粒数，从而增加产量。本试验结果表明，低量生物炭（2 t·hm-2）对水稻叶和茎鞘干物质积累量在整个生育期都有正向效应，尤其是在拔节期和抽穗期分别显著增加叶干物重19.12%和14.92%，为后期提高叶片的群体光合势奠定基础，显著提高叶对产量的贡献率（11.68%），从而提高了水稻光合同化产物的直接供应能力来增强穗部物质积累量，获得适宜的穗数，显著提高结实率5.42%，并使实粒数和千粒重分别增加1.69%和2.70%，使穗、粒、重结构达到最优化组合，从而使产量有所增加，这可能是由于生物炭表面所具有的特殊微孔结构，一方面为微生物栖息和繁殖提供了一个良好的生存环境，提供了充足的能量与营养来源，减少微生物之间的生存竞争，增强土壤微生物功能作用[24]，另一方面能够吸附更多的养分离子和其他有机物质避免养分流失，提高土壤肥力和养分供给水平[25]，从而对水稻全生育期内土壤水、肥、气、热起到了良好的综合调控作用，同时可提高水稻PSⅡ反应中心的光能转换效率、潜在活性和开放比例，改善了水稻灌浆期叶片的光合功能[7]。
Asai等[26]研究发现，生物炭与氮肥配合施用，水稻产量随其用量的增加而增加，但当生物炭施用量达16 t·hm-2时，水稻因氮素缺乏而使产量不再增加。本试验在高量生物炭添加时（40 t·hm-2）由于在前期叶干物质积累不足（降低16.45%），叶输出率降低21.41%，后期穗干物质积累量降低，穗粒数显著降低，使产量有降低趋势，这与Deenik等[27]的研究结果一致，可能是由于大量生物炭施入土壤后引起了土壤N素的固定而降低N的有效性[28]，不利于水稻对N素的吸收利用，缩短了生育进程，导致产量降低。另外，由于生物炭呈碱性，高量生物炭施入使土壤pH大幅度提升，影响水稻根系的生长和对养分的吸收[29]，进而影响土壤微生物及作物生长，导致水稻减产。同时，生物炭具有较大的比表面积和吸附力，大量施入土壤后也可能与根系产生对养分的竞争性吸附作用，从而导致水稻生长受到限制。
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（责任编辑：张 梅）
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