生物炭和氮肥配施对粳稻产量形成、氮肥当季效应及其后效的影响

何大卫，赵艳泽，高继平*，隋阳辉，辛 威，易 军，张文忠*

（1 沈阳农业大学水稻研究所/北方粳稻育种栽培技术国家地方联合工程实验室/农业农村部东北水稻生物学与遗传育种重点实验室，辽宁沈阳 110161；2 辽宁省农业科学院玉米研究所，辽宁沈阳 110161；3 东北农业大学农学院，黑龙江哈尔滨 150030；4 四川省农业科学院植物保护研究所，四川成都 610066）

水稻是我国的主要粮食作物之一，保障水稻的高产稳产对我国的粮食安全具有重要意义。氮素是水稻生长发育的重要限制性元素，对水稻的生长发育以及产量的提高起着举足轻重的作用[1–4]。然而，不合理的施用氮肥不但造成了肥料资源的浪费，还导致了土壤酸化、水体富营养化及温室气体排放加剧，严重破坏了生态平衡和安全[5–7]。生物炭是一种良好的土壤改良剂，将生物炭施入稻田可以改良土壤的理化性质，促进水稻的穗粒形成，提高养分的吸收效率[8–10]。因此，生物炭有望在协同提高作物产量和资源高效利用方面开辟新途径。

生物炭是生物有机质在缺氧或限氧条件下，经高温裂解后生成的一种稳定性强、含碳量高的固态产物，其具有多微孔、比表面积大、吸附力强、富含碳等理化特性[11–13]。农用生物炭一般是以秸秆等农田废弃物为原料制成。将秸秆炭化后还田比直接还田增产潜力更大，秸秆炭化还田后能够促进水稻全生长期的养分吸收，更有利于干物质的积累，从而获得更高的产量[14]。农田中施入生物炭不但能有效改善土壤结构、增加作物产量，还可以提高氮肥利用率[15]。不同温度制备的生物炭对氮素的吸附能力不同，700°C下制备的生物炭有利于土壤真菌和细菌定植，进而增加了氮素的气态挥发，而400°C下制备的生物炭则抑制了氮素的挥发，有效缓解了稻田氮素的损失[16]。当前，施用生物炭对作物产量形成和氮素利用影响机理的研究多集中在生物炭对土壤氮素的影响方面[10,15,17–21]，而关于生物炭施入条件下北方粳稻对养分的吸收与利用的研究较为鲜见，且生物炭施入后增产还是减产结果不一致，其对产量形成的影响机制仍不明确。本试验以轻简化、精准施氮[3,22–23]为背景，在生物炭施入的前提下设置了两个施氮处理，探究不同氮肥水平下，生物炭对粳稻的产量形成与氮素吸收和利用效率的长期效应，明确生物炭对粳稻产量形成的影响机制，揭示生物炭在粳稻主要生育进程对氮素的同化作用，为实现北方粳稻产量与氮效率协同提高提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地点

本试验以辽宁省主栽品种‘沈农265’为供试材料，该品种由沈阳农业大学水稻研究所选育，主茎叶片数15，伸长节间数5，全生育期157 天，株型紧凑，分蘖力中等，直立穗型，属于粳型超级稻。

本试验所用的生物炭为玉米秸秆炭，由辽宁省生物炭工程技术研究中心自主研制生产，在400℃条件下裂解后，经晾晒，过2 mm标准筛得到的大小一致的颗粒生物炭，其基础理化性质：全氮6.40 g/kg、全碳 274.4 g/kg、碱解氮 110 mg/kg、速效磷780 mg/kg、速效钾 20.9 g/kg、电导率 (EC) 17.9 mS/cm、pH 9.90。试验区位于沈阳农业大学水稻研究所生物炭长期定位试验基地，试验始于2019年，所用生物炭均在第一年一次性施入，第二年及以后不再施入。该地区属于温带大陆性季风气候，土质为棕壤土，地势平坦，肥力中等。土壤本底值为：容重 1.32 g/cm3，pH 6.30、全氮 0.88 g/kg、有机质13.85 g/kg、碱解氮 57.5 mg/kg、速效磷 16.7 mg/kg、速效钾 65.6 mg/kg。

2019—2020年试验采用生物炭基质、保温拱棚旱育苗方式进行育秧。2019年4月16日浸种，4月19日催芽，4月21日播种，5月26日插秧，10月10日收获；2020年4月15日浸种，4月18日催芽，4月20日播种，5月25日插秧，10月8日收获。栽插规格为30 cm ×13.3 cm，每穴2苗。各小区单独排灌，其他管理措施按照常规生产田进行。

1.2 试验设计

本试验采用二因素随机区组设计，设3个生物炭施用量，即 0 t/hm2(B0)、15 t/hm2( B15)、45 t/hm2(B45)和 3 个氮肥水平 (纯氮量)，即 0 kg/hm2(N0)、180 kg/hm2(N180)、225 kg/hm2(N225)，共计 9 个处理，每个处理3次重复，共27个小区，每个小区面积为15 m2(3 m×5 m)。移栽前水耙地，搅浆均匀，每个小区采用黑色硬质塑料挡板作为围墙打入地下深度25 cm，隔水隔肥。

供试基蘖氮肥为尿素(含N 46%)，穗氮肥为硫酸铵 (含 N 21%)，磷肥为过磷酸钙 (P2O512%)，钾肥为氯化钾(K2O 60%)。氮肥运筹按基肥∶蘖肥∶穗肥为3.6∶2.4∶4比例施用。基肥在移栽前一天施入，蘖肥和穗肥分别在第9叶(60%叶龄指数)和第12叶(80%叶龄指数)施入。磷肥施用量937.5 kg/hm2，钾肥施用量187.5 kg/hm2，其中，磷肥作基肥一次性全部施入，钾肥等分为基肥和穗肥，与氮肥一起施用。

1.3 测定项目

1.3.1 生物炭pH和EC值 生物炭样品自然风干粉碎，过2 mm标准筛，按生物炭∶水1∶15浸泡于蒸馏水中，采用复合玻璃电极(Ohaus SC310，德国)测定pH。便携式电导仪(雷磁 DDBJ-350)测定EC值。

1.3.2 生物炭养分含量 将自然风干的生物炭粉碎，过2 mm标准筛，称取20 mg样品用锡纸压片，用元素分析仪 (Vario Macro Cube，Elementar，德国)测定样品的全碳、全氮含量[24]。碱解氮、速效磷、速效钾含量参照鲍士旦[25]的方法测定。

1.3.3 茎蘖动态测定 移栽后5天，各小区选取长势一致、有代表性的植株10穴进行定点调查。每5天调查一次分蘖数，记录其茎蘖的消长动态，直至茎蘖数不再发生变化为止。

1.3.4 干物质积累测定 于水稻分蘖始期、分蘖盛期、孕穗期、灌浆期、成熟期取样，以取样前所调查的各小区的平均分蘖数为基准进行取样，每小区选取长势一致的植株3穴，分别按茎、叶、鞘、穗4部分进行分解，随即置于烘箱105℃杀青30 min后，降至80℃烘干至恒重，分别记录每穴植株各器官的重量。

1.3.5 植株氮素含量测定 将植株按茎、叶、鞘、穗分样，经105℃杀青30 min后80℃烘干至恒重。研磨后过0.15 mm标准筛，各器官样品充分混匀后分别取80 mg用锡纸压片，用元素分析仪(Vario Macro Cube，Elementar，德国)测定含氮量[24]。

1.3.6 土壤养分测定 在分蘖始期、分蘖盛期、孕穗期、灌浆期，每小区采用“五点取样法”，取20 cm深耕层土。土壤全氮、碱解氮含量参照鲍士旦[25]的方法测定。

1.3.7 产量测定 水稻成熟后，每小区选取分蘖数为该小区平均分蘖数的长势一致的植株5穴，自然风干后进行室内考种，包括有效穗数、每穗实粒数、秕粒数、结实率、千粒重等产量性状。其余的植株混收，将各小区全部收获后，测定每小区的实际产量。

1.4 参数计算

地上部氮素积累量(kg/hm2)为植株茎、叶、鞘、穗氮积累量的总和；

氮素吸收利用率=(成熟期施氮区植株总吸氮量−成熟期不施氮区植株总吸氮量)/施氮量×100%；

氮素生理利用率(kg/kg)=(施氮区籽粒产量−不施氮区籽粒产量)/(施氮区地上部氮素积累量−不施氮区地上部氮素积累量)；

氮素农学利用率(kg/kg)=(施氮区籽粒产量−不施氮区籽粒产量)/施氮量；

1.5 统计与分析

运用Excel 2010软件录入数据、制作图表；用SPSS 19.0软件进行均值计算及方差分析；采用Duncan法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 粳稻主要生育期土壤氮素含量的变化

由图1可知，炭、氮组合不同处理对粳稻各生育时期土壤全氮含量影响不同，但整体表现为土壤全氮含量随施炭量增加而增加，2年趋势基本一致。在同一施氮水平下，分蘖始期各处理土壤全氮含量无明显差异；在分蘖盛期，N180B15、N180B45处理的土壤全氮含量分别比N180B0处理平均提高了18.6%和20.0%；在孕穗期，N225B15、N225B45处理的土壤全氮含量分别比N225B0处理平均提高了12.2%和13.5%；在灌浆期各处理间差异不明显。

图1 不同生物炭和氮水平组合处理稻田土壤氮素含量Fig. 1 Nitrogen content of paddy fields under different N level and biochar combinations

对碱解氮含量而言，炭、氮组合不同处理下粳稻各生育时期土壤碱解氮含量变化受施氮水平的调控，在N180水平下施用生物炭显著提高了分蘖盛期的土壤碱解氮含量，而在N225水平下则同时显著提高了分蘖盛期和孕穗期的土壤碱解氮含量，但灌浆期的土壤碱解氮含量出现了显著的下降(P＜0.05)。在分蘖始期，同一施氮水平下B0处理的土壤碱解氮含量均显著高于B15、B45处理，而在分蘖盛期，B15、B45处理均显著高于 B0处理 (P＜0.05)。N180B15、N180B45处理在分蘖盛期的土壤碱解氮含量较N180B0分别平均提高了3.2%和2.8%；N225B15、N225B45处理在分蘖盛期的土壤碱解氮含量较N225B0分别平均提高了5.4%和3.1%，在孕穗期分别提高了6.8%和4.2%，而到灌浆期，分别平均降低了5.8%和4.3%。

2.2 炭、氮组合处理粳稻茎蘖动态

如表1所示，炭、氮组合不同处理影响了施氮条件下分蘖的发生，且年际间趋势一致。施氮条件下，施用生物炭显著降低了最高分蘖数，但显著提高了有效分蘖数和成穗率(P<0.05)。在N180水平下，B15和B0的最高分蘖数无显著差异，但均显著高于B45；在N225水平下，最高分蘖数B0＞B15＞B45，处理间差异显著(P<0.05)。在N180水平下，相较于B0，B15、B45处理下的有效分蘖数分别提高了13.4%和6.7%；N225水平下，相较于B0，B15、B45处理下有效分蘖数分别提高了8.9%和3.2%。即施用生物炭显著提高了粳稻的有效分蘖数。成穗率表现为B45>B15>B0。在N180水平下，相较于B0，B15、B45处理的成穗率分别提高9.4%、25.8%；N225水平下，相较于B0，B15、B45处理的成穗率分别提高了18.1%、22.6%。与不施生物炭处理相比，施用生物炭后有效分蘖数越多，保蘖效果越好。综合来看，高炭量的保蘖效果不如低炭量，但由于显著降低了最高分蘖数，因而获得了较高的成穗率，而低炭量的保蘖效果更好，其成穗率虽然低于高炭量处理，但并未表现出显著差异，同时最高分蘖数降幅较小，保证了更多的分蘖最终能够成穗，提高了有效分蘖数。由此可见，无论氮肥水平高低，高炭量均抑制了分蘖的发生，低炭量均促进了分蘖成穗。

表1 不同生物炭和氮水平组合下的粳稻分蘖数Table 1 Tiller number of japonica rice under different N level and biochar combinations

2.3 炭、氮组合处理粳稻地上部氮素积累

由图2可知，炭、氮组合处理对粳稻各生育时期地上部氮素积累量影响显著。施氮条件下，粳稻分蘖始期氮素的积累量施用生物炭处理显著低于不施生物炭，但在分蘖盛期至灌浆期的氮积累量均高于不施生物炭处理(P<0.05)。施用生物炭的第一年(2019年)，在N180水平下，粳稻分蘖盛期至灌浆期的氮素积累量B15处理显著高于B45；N225水平下，B15和B45之间无显著差异。在2020年，B15和B45间无论施氮量高低，氮素积累量均无显著差异(P>0.05)。

图2 不同生物炭和氮水平组合下粳稻地上部氮素积累量Fig. 2 N accumulation in japonica rice shoot under different N level and biochar combinations

2.4 炭、氮组合处理粳稻产量及其构成因素

由表2可知，炭、氮组合处理对粳稻产量构成因素影响显著，且两年趋势基本一致。在施氮条件下，粳稻有效穗数、总颖花数、地上部干重和产量均随施炭量的增加呈先升高后降低趋势，在B15处理下达到最大，差异达显著水平(P<0.05)。就产量而言，N180B15处理比N180B0处理增产4.4%，N225B15处理比N225B0处理增产3.2%，而N180B45与N180B0处理、N225B45与N225B0处理的产量水平无显著差异。同一施氮水平下，B45与B0处理产量无显著差异，而B15处理产量均显著高于B45和B0处理，表现出明显的增产效应；在不同施氮水平下，氮肥减施后产量显著下降，而B15处理产量显著增加，达到了常规施氮条件下的产量水平。由此可见，炭、氮组合处理对产量构成因素具有显著的互作效应，特别是在减氮条件下的低炭量处理增产效果最显著(P<0.05)。

表2 不同生物炭和氮水平组合下粳稻产量及其构成Table 2 Yieldand yieldcomponent of japonica rice under different Nlevel andbiochar combinations

2.5 炭、氮组合处理粳稻氮素吸收与利用效率

由表3可知，在同一施氮水平下，粳稻氮素吸收利用率随施炭量的增加呈现出先增加后降低的趋势，在B15水平下达到最高。而在同一施炭处理下，N180水平下氮素吸收利用率均显著高于N225水平(P<0.05)，即 N180B15>N225B15，N180B45>N225B45。进一步分析可知，与N180B0相比，N180B15、N180B45处理氮素吸收利用率分别平均提高了34.5%和26.8%；与N225B0相比，N225B15、N180B45处理氮素吸收利用率分别提高了8.3%和2.8%，可见在氮肥减施条件下，适量施用生物炭更有利于提高粳稻对氮素的吸收。

表3 不同生物炭和氮水平组合下粳稻氮素吸收与利用效率Table 3 Nitrogen uptake and utilization efficiency of japonica rice under different nitrogen level and biochar combinations

在相同施氮或施炭水平下，粳稻的氮素生理利用率均表现出随施炭量或施氮量增加而下降的趋势，且差异达显著水平(P＜0.05)。与N180B0相比，N180B15和N180B45处理的氮素生理利用率分别平均降低了13.3%和15.5%；与N225B0相比，N225B15和N225B45处理的氮素生理利用率分别平均降低了19.4%和23.0%。说明氮肥或生物炭施用过多均会导致氮素生理利用率降低。

在相同施炭水平下，粳稻的氮素农学利用率随施氮量增加而显著降低(P＜0.05)；在相同施氮水平下，粳稻的氮素农学利用率随施炭量增加而降低，但处理B15和B0之间差异多不显著。说明在氮肥减施的基础上，适量施用生物炭有利于提高粳稻的氮素农学利用率。

在相同施炭水平下，粳稻的氮素偏生产力随施氮量增加而显著下降(P＜0.05)；在相同施氮水平下，粳稻的氮素偏生产力随施炭量增加先升高后降低，在B15水平下达到最高，且差异达显著水平(P< 0.05)。与N180B0相比，N180B15处理的氮素偏生产力平均提高了4.6%；与N225B0相比，N225B15处理的氮素偏生产力提高了3.0%，表明在氮肥减施的基础上，适量施用生物炭可以提高肥料氮的投入产出效率。

3 讨论

3.1 生物炭对粳稻产量形成的影响

充足的有效穗数是粳稻获得高产的前提，生物炭可以促进水稻生长期的养分吸收[12]，进而提高有效穗数[15]。本试验结果表明，生物炭施入后，同一施氮水平下粳稻的有效穗数均显著增加，这可能是由于生物炭影响了粳稻的分蘖进程。茎蘖动态表明施用生物炭后，虽然减少了最高分蘖数，但提高了有效分蘖数，减少了无效分蘖对养分的消耗，提高了成穗率，起到了保蘖成穗的作用。粳稻的产量形成除受有效穗数影响外，还受到每穗粒数、结实率和千粒重的共同影响。王悦满等[26]研究发现生物炭的施用显著提高了结实率，而胡茜等[27]的研究结果则发现添加生物炭可以有效提高水稻的穗粒数，增加水稻地上部干物质量。在本试验中，除结实率外，施用生物炭对粳稻产量构成因素均有不同程度影响，且炭、氮两者存在显著互作效应。在孕穗期，生物炭促进了颖花分化，但其促进程度与施氮水平密切相关，相较于减氮水平，常规施氮水平下由于养分供应更加充足，其促花效果更为显著。霍中洋[28]认为，超高产水稻应是沿着“足额的穗数→较多的颖花数→巨大的库容量→超高产”这一主线推进的，因此能否达到高产，还要看库容的大小，即单位面积颖花数。单位面积颖花数是有效穗数和每穗粒数的乘积，单位面积颖花数越多越有利于产量的提高[26]，本试验结果表明，添加生物炭显著增加了同一施氮水平下的单位面积颖花数，这也是达到高产的根本原因。由此可见，在不同的施氮水平下，生物炭对产量形成的影响机制并不完全相同。在减氮条件下，生物炭的增产作用仅为增穗，而在常规施氮条件下，既增穗又增粒，说明炭、氮对植株氮素吸收和利用有显著的互作效应。

3.2 生物炭对粳稻氮素吸收与利用的影响

3.2.1 生物炭对稻田氮素含量的影响 生物炭的比表面积大，表面多微孔，能够减少氮损失[29]，对氮素具有固持作用[30–32]。本研究结果表明，生物炭的施用显著提高了减氮水平下分蘖盛期和常规施氮水平下孕穗期的土壤全氮含量，这可能是由于生物炭吸附固持的作用，从而减少了氮素的排放或淋失。土壤中的全氮并不都能被植株直接吸收利用，其中可以被植株直接吸收的部分称为速效氮，也叫碱解氮[27]。碱解氮包括无机态氮以及一部分植物体可直接吸收利用的有机态氮，是土壤供氮能力的直接体现，在本试验中生物炭在减氮水平下显著提高分蘖盛期的土壤碱解氮含量，而在常规施氮水平下则显著提高了分蘖盛期和孕穗期的土壤碱解氮含量，但在灌浆期，土壤碱解氮含量出现了明显的下降，这是由于粳稻灌浆期采用干湿交替进行灌溉，适宜的土壤温度、水分及C/N可能促进了土壤微生物快速繁殖，加速了土壤有机质矿化，此时粳稻灌浆也需要消耗大量氮素，因此导致了土壤碱解氮快速消耗。土壤解碱氮含量的变化与施肥、水分、温度等田间生态环境关系密切，影响因素也较多，相关机理有待进一步深入研究。

3.2.2 生物炭对粳稻地上部氮素积累的影响 生物炭的施用对粳稻地上部氮素积累的影响受到自身生长发育进程和土壤供氮能力的共同制约。本研究表明，施用生物炭显著提高了生育中后期粳稻地上部氮素积累量。在不施氮肥条件下，粳稻的氮素来源主要取决于土壤供应，而施用生物炭后改善了土壤结构和理化特性，从而有利于根系的生长和养分的吸收，氮素积累表现出随施炭量增加而增加。在减氮和常规施氮水平下，分蘖始期均表现为无炭处理下的氮素积累量最高，而从分蘖盛期开始，低炭和高炭处理下的地上部氮素积累量显著高于无炭处理，并随生育进程的加快，氮素积累量显著增加，说明生物炭的施用可以提高粳稻对养分的吸收量，延缓土壤养分的释放速率[33]。此外，生物炭与氮肥共施存在显著的互作效应，施炭第一年，当生物炭施用过量时，会产生与作物争氮现象，进而显著减少了粳稻地上部氮素积累总量，第二年这一现象得到了缓解。这可能是由于生物炭具有较高的C/N，过量的生物炭促使稻田中氮素被微生物固持，降低土壤氮素有效性因而影响粳稻对氮素的吸收。经过一个生长季的氮肥施用后，土壤碳氮平衡得到改善，因而第二年高炭量处理的不利效应消失[34]。

3.2.3 生物炭对粳稻氮素利用率的影响 施用生物炭可以促进作物对氮素的吸收，显著提高作物对氮素的利用率[26,31,35–40]。在本研究中，在无炭处理下，减施氮肥后的氮素吸收利用率显著下降，而施用生物炭后均显著提高，这可能是因为生物炭提高了土壤团聚体的稳定性及其对矿质养分的固持和缓释性能，促进了根系对速效氮的吸收，因而在氮肥减量后保证了作物的养分供应。而在常规施氮水平下，生物炭虽然也显著提高了氮素吸收利用率，但提高幅度较小，这可能是由于常规施氮水平下，氮素养分供给相对充足，根系的养分吸收相对饱和，因而未出现施用生物炭后氮素吸收利用率的大幅提高。此外，在相同施氮水平下，高炭处理的氮素生理利用率、农学利用率和氮素偏生产力均显著下降，这可能与高炭处理下“源库不协调”影响了氮素养分向籽粒转运相关[41]，导致过多养分存留在了茎鞘和叶片等营养器官中，造成了养分“奢侈吸收”[23]。

4 结论

适量的生物炭能够增强氮肥肥效，提高土壤碱解氮在分蘖成穗、颖花分化等关键时期的含量，促进粳稻对氮素的吸收和积累，增加单位面积颖花数、地上部干物质积累量和产量，并显著提高氮素的吸收利用率。高量生物炭在施用后的第一年会降低氮肥的肥效，特别是在减氮条件下，但这个副作用在施用后的第二年没有显现。综合考虑氮肥投入量和氮肥吸收利用效率，施氮180 kg/hm2同时配施15 t/hm2生物炭即可实现减氮增效目标。