施用生物炭对黄壤稻田水稻品质及氮肥利用效率的影响

郭琴波，王小利∗，段建军，皮义均，林仕芳

(1 贵州大学农学院，贵阳 550025；2 贵州大学烟草学院，贵阳 550025)

水稻是全球的主要粮食作物之一，提高并稳定水稻单产对保障国家粮食安全具有重要意义[1]。我国每年产生的农作物秸秆量已达8.55 亿t[2]。除饲料化、肥料化外，当前农作物秸秆的使用方式还有将其制备成应用于工农业的生物炭，这也是节能减排、资源化利用[3]及绿色发展的重要途径[4]。生物炭是生物质在低氧环境下，通过高温裂解碳化而成，具有比表面积大、多孔的特点，含有羟基、羧基、羰基等官能团，可作为一种新型的吸附剂去除或减少污染物[5，6]。有研究表明，施加生物炭能显著增加土壤孔隙度[7]和有机质含量，提高耕作土壤中的营养元素总量和可利用态含量，可减少土壤营养元素淋失，这对提升土壤肥力有积极影响，从而提高作物产量[8，9]及植物对氮的吸收率[10]。向伟等[11]研究发现，无机氮减少30%配施生物炭可提高氮肥利用率，降低N2O 排放量，增加水稻产量。刘磊等[12]研究表明，一次性施用20 t/hm2生物炭后第4 年，早稻产量依然显著提高，而晚稻产量无显著变化。目前关于生物炭对作物品质影响的研究已有很多，但对稻米品质影响的研究甚少[13]。

生物炭应用于土壤改良能产生多方面的效益[14]，但不同量的生物炭还田对贵州黄壤性稻田土的影响有待深入研究。本文基于大田试验，以贵州黄壤稻田土壤种植的水稻中浙优8 号为研究对象，对其籽粒产量、稻米品质、养分吸收及氮肥利用率等方面进行研究，进而综合评估增施生物炭的效果，为贵州黄壤稻田高产高效栽培提供技术支撑和理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验田位于思南县塘头镇沙都村(108°11′35″E，27°45′35″N)，属中亚热带季风湿润气候，以溶蚀堆积阶地平坝和垄岗谷地为主，年均温度为17.5 ℃，年均降水量为1 200 mm。试验地海拔600 m 左右，土壤为黄壤，其基础性质为:pH 5.86，含有机质29.62 g/kg、全氮1.39 g/kg、碱解氮133.00 mg/kg、有效磷37.16 mg/kg、速效钾182.07 mg/kg。种植模式为单季水稻。

1.2 试验设计和试验材料

试验共设5 个处理:CK.不施肥；B0.常规施肥；B1.4.0 t/hm2生物炭＋常规施肥；B2.8.0 t/hm2生物炭＋常规施肥；B3.12.0 t/hm2生物炭＋常规施肥；B4.16.0 t/hm2生物炭＋常规施肥。生物炭和磷肥作基肥一次性施用，钾肥分基肥和保花肥各50%施用，氮肥作基肥、分蘖肥、保花肥、促花肥施用，比例为5∶2∶2∶1。重复3 次，共15 个小区，小区面积为30 m2，随机区组排列，田间管理方式与当地大田相同。

供试物料为水稻秸秆生物炭(B)，为水稻秸秆在450 ℃下炭化制备，由南京勤丰众成生物质新材料有限公司提供。生物炭基本性质:灰分29.10%，有机碳667.22 g/kg，全氮、全磷和全钾含量依次为5.99、1.99 和7.15 g/kg。

氮肥为尿素(N 含量46.2%)，磷肥为过磷酸钙(P2O5含量16.0%)，钾肥为氯化钾(K2O 含量60%)。供试水稻品种中浙优8 号，平均生育期为158.7 d。

表1 各处理肥料及生物炭施用量Table 1 The application amount of fertilizer and biochar

1.3 测定项目和分析方法

于9 月初水稻成熟后采样分析和测产。水稻样品采集时随机选择6 穴(约40 株)水稻地上部，测定穗数、穗粒数、千粒质量和结实率等指标，再于105 ℃下杀青30 min，于60 ℃下恒温烘至恒重，测定干物质量。将样品粉碎后采用H2SO4—H2O2联合消煮，凯氏定氮仪测定全氮含量，并计算植株氮素积累量；各小区全部收获称量实际鲜产量，取100 g稻谷烘干后测定实际含水量，计算水稻干产量。测定各处理稻谷糙米率、粒长、整精米率及稻米垩白粒率、蛋白质含量、直链淀粉含量、胶稠度等指标。

1.4 相关参数计算

氮肥利用率计算公式[15－17]:

植株氮素积累量(kg/hm2)＝植株N 含量(%)×生物量(kg/hm2)/100

氮肥偏生产力(PFPN，kg/kg)＝施氮处理稻谷产量/施氮量

氮肥农学效率(AEN，kg/kg)＝(施氮处理稻谷产量－不施氮处理稻谷产量)/施氮量

氮肥表观利用率(REN，%)＝(施氮处理地上部吸氮总量－不施氮处理地上部吸氮总量)/施氮量×100

氮素收获指数(NHI，%)＝成熟期植株穗部氮积累量/植株氮素积累总量×100

1.5 数据处理

采用Excel 2016 和SPSS 21.0 软件进行数据处理和统计分析，多重比较采用LSD 法，显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 施用生物炭对水稻产量的影响

2.1.1 对水稻干物质积累量的影响

水稻的地上部干物质积累量直接反映水稻的产量。由表2 可知，生物炭不同施用量对水稻籽粒产量、秸秆干质量和收获指数的影响明显。与CK 相比施用生物炭各处理的水稻籽粒产量均有所提高，B0、B1、B2 和B3 处理的水稻籽粒干质量增幅为6.0%～40.0%，B1 和B3 处理增产效果最好，CK 与B0 处理水稻籽粒产量差异不显著，B1、B2 和B3 处理间水稻籽粒产量差异不显著；B1、B2 和B3 处理水稻籽粒产量比CK 和B0 2 个处理显著提高。B0～B 4处理的秸秆干质量较CK依次显著增加80.4%、54.3%、80.4%和58.7%，但是4 个施肥处理间差异不显著。

表2 各处理水稻地上部干物质积累量及收获指数Table 2 Dry matter accumulation and harest index of rice shoot under each treatement

收获指数以CK 最高。与B0 处理相比，B1、B2和B3 3 个处理收获指数均显著上升，其增幅依次分别是27.8%、16.2%和25.4%。

2.1.2 对水稻产量构成因子的影响

水稻籽粒产量由收获期单位面积有效穗数、每穗粒数和千粒质量决定，而每穗粒数受总粒数和结实率影响。由表3 可知，不同施用量生物炭对水稻理论产量、千粒质量、有效穗数和结实率影响显著，但是对穗粒数影响不显著。与CK 比，施肥各处理的理论产量、单位面积有效穗数和千粒质量均显著增加，增幅依次分别为21.6%～54.9%、32.0%～35.0%和4.3%～7.4%。与B0 处理相比，B1 处理理论产量显著提高，但4 个施肥处理间单位面积有效穗数、穗粒数和千粒质量差异均不显著。B1、B2、B3和CK 的结实率均显著高于B0 处理。水稻的理论产量、有效穗数、每穗粒数、结实率和千粒质量均随生物炭用量的增加先增后减，并均以B1 处理最高。由此可见，常规施肥条件下适量增施生物炭可提高水稻的有效穗数、穗粒数、结实率和千粒质量，从而提高水稻产量。

表3 各处理水稻理论产量及产量构成因素Table 3 Theoretical yield and yield components of rice under different treatments

2.2 施用生物炭对稻米品质的影响

由表4 可知，不同施用量的生物炭对糙米率、垩白度、垩白粒率、胶稠度和蛋白质含量有明显影响，但对精米率、粒长和直链淀粉含量无明显影响。与CK 相比，各施肥处理稻米蛋白质含量均显著增加，增幅为6.6%～8.2%。与CK 比，常规施肥处理稻米的胶稠度增加了1.9%，而B1、B2 处理分别降低了0.8%和3.1%，B3 处理增加了4.9%，但均未达显著水平。与CK 相比，常规施肥(B0)处理的糙米率、垩白度和垩白粒率显著提高，但精米率、粒长和直链淀粉含量差异不显著。与常规施肥(B0)相比，增施生物炭各处理稻米的胶稠度、蛋白质含量、精米率、粒长和直链淀粉含量均差异不显著，但B1 处理的垩白度和垩白粒率显著降低，B3 处理的糙米率显著降低。所以，常规施肥下适量增施生物炭对稻米品质有改善效果。

表4 不同处理稻米品质比较Table 4 The comparison of rice quality under different treatments

2.3 施用生物炭对水稻地上部氮素积累的影响

由图1 可知，施用生物炭对籽粒和秸秆的氮素积累量有明显的影响。与CK 相比，各施肥处理的地上部氮素累积量显著增加，B0～B3 处理水稻秸秆氮素累积量依次是CK 的2.2、1.9、2.0 和2.0 倍，水稻籽粒氮素累积量的增长率依次为8.3%、55.9%、47.7% 和54.0%。B0、B1、B2 和B3 4 个处理间的水稻秸秆氮素累积量差异未达显著水平。与B0 处理相比，3 个增施生物炭处理的水稻籽粒氮素累积量显著增加，但3 个处理间差异不显著。水稻地上部氮素累积量表现为B3>B2>B1>B0>CK；CK、B0、B1、B2 和B3 的籽粒氮素累积量与秸秆氮素累积量比值依次分别为2.0、1.0、1.7、1.6 和1.6。因此，增施生物炭可有效提高水稻地上部氮素积累量。

图1 各处理水稻籽粒及秸秆氮素积累量Fig.1 Nitrogen accumulation in rice grains and straw under each treatment

2.4 施用生物炭对肥料利用的影响

氮肥偏生产力(PFPN)、氮肥农学效率(AEN)、氮肥表观利用率(REN)和氮素收获指数(NHI)是氮肥利用率的重要指标。由表5 可知，施用生物炭对氮肥偏生产力、氮肥表观利用率、氮肥农学效率和氮素收获指数有明显影响。氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥表观利用率随生物炭施用量增加呈先增后减的趋势；氮素收获指数呈先减后增再减的趋势。与B0 处理相比，B1 处理水稻的氮肥偏生产力和氮肥表观利用率分别增加了14.2%和20.6%，差异显著，增施生物炭各处理的氮肥农学效率显著增加2.2～3.2 倍；但B3 处理的氮肥偏生产力显著下降；增施生物炭各处理的氮素收获指数显著上升，其增幅为20.2%～24.8%。所以，合理增施生物炭有利于提高氮肥利用率。

表5 施用生物炭处理的氮肥利用率Table 5 Nitrogen use efficiency of biochar treatment

3 讨论

3.1 施用生物炭对水稻产量及品质的影响

多数研究表明，施用生物炭有利于提高作物产量[18]。本研究中，不同施用量的生物炭均能有效提高水稻产量，与常规施肥相比，施用生物炭处理秸秆干物质积累降低，水稻地上部总生物量均增加。荣飞龙等[19]综合5 年试验结果表明，酸性稻田增施生物炭有利于改善水稻群体质量，并促进水稻增产，且增产效果随生物炭施用量增加而增加；酸性稻田一次性增施生物炭后，其增产效果能稳定维持3 年；高炭量增施(100 t/hm2和80 t/hm2)比低中炭量增施能更明显促进水稻生长和增产，且持续增产潜力较好。张爱平等[20]研究发现，常规施肥条件下，增施生物炭可显著增加水稻籽粒产量，促进晚稻地上部干物质积累[21，22]，这与本研究结果一致。施用生物炭对水稻产量的影响主要是通过对水稻千粒质量、每穴穗数、每穗粒数和结实率的影响而实现[23－26]。

本研究表明，施用生物炭对稻米的品质指标有不同影响。在增施不同量生物炭处理下，精米率有增加也有减少，垩白不同程度的减少；与常规施肥相比，糙米率随生物炭的施用量增加而减少，B1 处理对有效控制精米率、垩白粒率、垩白度和直链淀粉效果较好。整精米率是稻米品质的重要性状，其高低直接影响稻米的出品率、品质和价格，优质稻谷国家标准己将整精米率作为稻谷定价等的主要指标之一[27]。陈梦云等[28]研究发现，秸秆还田能提高整精米率，但增加了稻米垩白，降低了稻米外观品质和食味品质。可能与当地气候条件和施用的物料有关。史登林等[29]研究表明，适量生物炭(5 t/hm2)配施氮肥(80%)对土壤微生物量碳、氮、稻谷产量和品质的提升效果最好，可作为贵州黄壤稻田水稻氮肥减施增效的较好选择，与本研究结果相似。

3.2 施用生物炭对氮肥利用率的影响

植株对氮素的吸收累积是作物获得高产的重要途径[30]。施用生物炭可以促进干物质积累[15，16]。吕广德等[17]对玉米整个生育期的研究表明，氮素积累量并未随氮素施用量的增加而增加，而是在施用量为181 kg/hm2时达到最高，之后会下降。而本研究中水稻的氮素积累量随生物炭的增加而增加的原因是由于生物炭自身的结构特点，其施入后会增大土壤孔隙度，促进根系生长，促进氮素吸收。

本研究发现，常规施肥的基础上增施不同量的生物炭能不同程度地提高氮肥农学效率、氮素收获指数，氮肥偏生产力和氮肥表观利用率只有增施4 t/hm2生物炭时效果较好。当前国内的不合理施肥极容易造成水体污染、土壤板结等问题，而农作物自身对化肥的吸收利用率有限，生物炭基肥料能紧密结合生物质炭与化肥，使肥效得以缓释并减少化肥流失，降低化肥的使用量并提高其利用率[31，32]。已有研究发现，炭基肥中的生物炭利用其表面较高的离子交换量和活跃的羧基、羟基等官能团，可将土壤和肥料中的氮素(NH4＋或NO3－)紧紧吸附在生物炭表面，减少氮素向下层土壤的淋溶与固定，且能有效防止氮素的气态损失(氨挥发等)，提高氮素有效性[33]。韩晓日等[34]研究指出，连续施用生物炭能改善土壤物理结构，提高土壤pH 值、有机质和全氮含量，促进氮素的缓慢释放，减少损失，提高氮肥利用效率。陈玉真等[35]研究发现，适量施用生物炭能提高肥料利用率，与本研究结果一致。

4 结论

施用生物炭对水稻有增产效果，且能提高稻米品质和水稻的氮肥利用率，以4.0 t/hm2生物炭＋常规施肥效果较好。4.0 t/hm2生物炭＋常规施肥与不施肥相比增产40.0%，与常规施肥相比增产32.1%；与常规施肥相比，稻米垩白度和垩白粒率分别显著降低33.3%和44.4%，精米率和直链淀粉含量分别提高0.31%和0.4%。4.0 t/hm2生物炭＋常规施肥处理氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥表观利用率和氮素收获指数均增加，能有效提高氮肥利用率。