秸秆及其生物炭还田对水稻养分吸收分配和产量的影响

李金烨，陈 洁，吴建富，倪国荣，谢凯柳，周春火，荣勤雷，赵小敏

（1.江西农业大学 国土资源与环境学院，江西 南昌 330045；2.农业农村部鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西 南昌 330045；3.江西省农业废弃物资源化利用与面源污染防控产教融合重点创新中心，江西 南昌 330045；4.教育部作物生理生态与遗传育种重点实验室，江西 南昌 330045）

【研究意义】水稻作为我国第一大粮食作物，在全球粮食生产和消费中也具有举足轻重的地位[1]。施肥是影响水稻高产和稳产的关键因素之一。近年来，不合理施用化肥不仅造成了肥料资源的浪费，还会引起土壤酸化、肥力下降、土壤盐渍化等土壤质量退化问题，制约了农业的可持续发展[2-3]。大量研究表明，施用有机物料有助于改善土壤理化性质，对促进作物生长发育和产量提升具有积极作用[4-5]。【前人研究进展】秸秆和秸秆生物炭含有丰富的碳、氮、磷、钾和中微量元素，还田后对培肥土壤、提高化肥利用率、促进植物养分吸收等方面具有重要意义。与秸秆不还田相比，长期秸秆还田配施化肥显著提高土壤有机碳、全氮以及速效磷含量[6]。并且秸秆还田有助于提高水稻植株氮磷钾养分含量，尤其是氮含量，从而不同程度地提高了植株氮磷钾养分累积量[7]。其原因可能是秸秆还田可为水稻中后期提供良好的土壤环境，促进水稻中后期生长发育[8-9]。与秸秆还田类似，生物炭还田也有利于改善土壤质量[10]，促进土壤养分固持[11]，并对水稻增产具有积极效应[12]。张爱平等[13]研究表明，氮肥配施生物炭显著提高土壤全氮、全磷、速效钾含量以及水稻产量。与秸秆还田一致，生物炭对植株养分的吸收积累也具有促进作用[14-15]。【本研究切入点】由此可见，化肥配施秸秆或生物炭可显著增加土壤养分含量，提高作物产量。秸秆和秸秆生物炭还田带入的土壤外源碳、钾等养分不可避免会改变土壤养分转化，从而影响作物对养分的吸收和分配，但目前关于秸秆或秸秆生物炭还田引起的土壤养分变化与水稻生长发育和产量形成的协同调控机制尚不清晰。此外，由于秸秆及其制备的生物炭性质存在较大差异，但是关于它们之间如何影响水稻养分吸收分配及产量形成的差异研究报道较少。【拟解决的关键问题】本研究拟利用盆栽试验，通过分析比较秸秆和秸秆生物炭还田对土壤肥力、水稻养分吸收分配以及产量构成因素的影响差异，以期揭示不同还田措施影响水稻产量的主导因素，从而为科学合理施用秸秆及其生物炭提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自第四纪红色黏土母质发育而成的红壤性稻田土壤耕作层（0～20 cm）。土壤采集后，剔除石块与植物残体，自然风干后碾磨并过2 mm 筛备用。供试土壤养分含量：有机质25.86 g∕kg、全氮1.9 g∕kg、碱解氮164.50 mg∕kg、有效磷8.82 mg∕kg、速效钾339.73 mg∕kg、pH 值5.13。水稻品种为广泰A，2021 年4 月8 日播种育秧（湿润育秧），2021 年5 月6 日进行水稻秧苗移栽。秸秆为水稻秸秆。生物炭由水稻秸秆于550 ℃下经马弗炉热解2 h烧制，冷却后，碾磨并过0.15 mm 筛后储存于密封袋中备用。秸秆和生物炭养分含量见表1。

表1 供试材料养分含量Tab.1 Nutrient contents of the materials tested in the experiment g·kg-1

1.2 试验设计

试验采用盆栽模拟田间管理条件下进行。将已过筛处理的供试土壤，按每盆装10 kg土壤重量装入长、宽、高分别为30，20，20 cm方形容器中。设3个处理：单施化肥（NPK）、化肥配施秸秆（NPK+S）、化肥配施生物炭（NPK+B）。每个处理3次重复，随机排列，各处理化学肥料用量为N 150 kg∕hm2，P2O575 kg∕hm2，K2O 150 kg∕hm2。生物炭与秸秆用量均为盆栽土壤重量的1%。氮、磷、钾肥料类型分别为尿素（N 46%）、钙镁磷肥（P2O512%）、氯化钾（K2O 60%）。氮、磷、钾肥和秸秆、生物炭均作为基肥，在移栽前一周一次性施入土壤并搅拌混匀。每盆种植水稻1 穴，每穴3 棵秧苗。为防止光照条件存在较大差异，定期更换不同处理间盆栽的放置位置，其他按常规种植管理进行。

1.3 指标测定与方法

水稻成熟后，采集植株和土壤样品。植株分为根、茎、叶和穗4部分，洗净后于105 ℃下杀青0.5 h，再放置于65 ℃下烘至恒重，粉碎，用于植物养分含量的测定。有机碳（SOC）和全氮（TN）测定采用元素分析仪[Elementar vario MACRO cube（德国）]测定；土壤其他养分含量测定均参照《土壤农化分析》的常规方法测定[16]，土壤速效磷（Available P）含量测定采用钼锑抗比色分光光度法（NaHCO3浸提）测定，土壤速效钾（Available K）含量测定采用火焰光度法（NH4OAc 浸提）测定，pH 值采用水浸提电位法（土水质量比为1∶2.5）测定，土壤碱解氮含量测定采用碱解扩散法测定。

每盆水稻收获后，统计每株水稻有效穗数（株）、穗粒数（粒）、千粒重（g）、成穗率（%）、结实率（%）、产量（g·pot-1）以及水稻植株根、茎、叶、穗的生物质量（g）。植株全氮、全磷含量利用H2SO4-H2O2消煮-流动分析仪测定，植株全钾含量的测定利用H2SO4-H2O2消煮，采用火焰光度计法。

1.4 数据处理

采用Excel 2018、SPSS Statistics 25.0 进行数据处理和统计分析，并利用Duncan’s 法进行显著性检验（P<0.05）。利用R（4.1.1）分析软件，使用“plspm”程序包进行偏最小二乘法路径回归分析（PLS-PM）。采用Origin 2021进行作图。

2 结果与分析

2.1 秸秆和秸秆生物炭还田对水稻成熟期土壤化学性质的影响

不同处理水稻成熟期土壤化学性质变化如表2所示，与NPK处理相比，NPK+B处理和NPK+S处理均可显著提高SOC、TN 和AK 含量（P<0.05），而各处理间碱解氮无显著变化（P>0.05）。NPK+B 处理中SOC和TN含量分别较NPK+S处理提高34.74%和8.95%。NPK+B和NPK+S处理速效钾含量分别较NPK处理提高153.25%和147.22%；但NPK+S 处理土壤有效磷含量显著高于NPK+B 和NPK 处理（P<0.05）。秸秆还田处理土壤pH较单施化肥无显著变化，而施加生物炭可显著提高土壤pH（P<0.05）。

表2 不同处理对土壤化学性质的影响Tab.2 Contents of soil chemical properties in different treatments

2.2 秸秆和秸秆生物炭还田对水稻分蘖的影响

图1 显示，不同处理下水稻分蘖数的消长动态总体趋势均呈现先升高后降低，最终趋于平稳。水稻分蘖前期NPK+B 处理分蘖数最高；分蘖中期各处理分蘖总数非常接近，但分蘖后期各处理分蘖总数有较大差异。不同处理最高分蘖数出现在移栽后40～45 d。较NPK 处理，NPK+B 处理和NPK+S 处理到达最高分蘖数可提前5 d，而最大分蘖数呈NPK 处理>NPK+B 处理>NPK+S 处理趋势。

图1 不同处理分蘖消长动态图Fig.1 Effects of different treatments on tiller numbers

2.3 秸秆和秸秆生物炭还田对水稻成熟期干物质量的影响

总体来看，不同处理水稻植株各部位干物质量由大到小顺序均表现为穗、茎、叶、根，NPK+B 处理地上部干物质量显著高于其余处理，NPK+S 处理次之，NPK 处理最低（表3）。较NPK 处理，NPK+B 处理的根、茎、叶、穗部位干物质量分别提高13.33%、16.52%、22.42%、79.63%，但仅穗部差异达到显著水平（P<0.05）；较NPK+S 处理，NPK+B 处理的根、茎、叶、穗部位干物质量分别提高43.57%、13.32%、19.33%、41.83%。NPK 和NPK+B 处理间根的干物质无显著差异，但均显著高于NPK+S处理（P<0.05）。可见，化肥配施秸秆和秸秆生物炭均显著提高地上部干物质量，尤其是穗部干物质量，其中化肥配施生物炭效果更佳。

表3 不同处理对水稻成熟期干物质量的影响Tab.3 Effects of different treatments on dry matter weight of rice plant in mature period g·盆-1

2.4 秸秆和秸秆生物炭对水稻成熟期植株养分含量和分配的影响

由图2 可知，较NPK 处理，NPK+B 处理显著提高水稻植株叶和穗部氮、磷养分含量，同时显著提高根、叶部钾养分含量（P<0.05）。对于各处理水稻植株氮含量，NPK+S处理提高了水稻地上部茎、叶、穗部氮素含量，其中茎、穗部氮含量显著高于NPK 和NPK+B 处理（P<0.05），分别增加了31.06%、55.88%和28.32%、14.21%；NPK+B 处理植株叶部氮素积累量高于NPK 处理，但低于NPK+S 处理。对于植株磷含量，NPK+B和NPK+S处理各部位磷养分含量均高于NPK处理；NPK+S处理水稻茎、叶部磷养分含量显著高于NPK+B 处理（P<0.05）。对于各处理水稻植株钾含量，NPK+B 和NPK+S 处理在根、叶部钾养分含量显著高于NPK 处理（P<0.05），但在穗部呈相反趋势；穗部NPK+B 和NPK+S 处理钾养分含量显著低于NPK处理（P<0.05）。

图2 不同处理对植株各部分养分含量的影响Fig.2 Changes of plant nutrient contents in each part under different treatments

秸秆和秸秆生物炭还田影响了养分在水稻各部位的分配（图3）。不同处理中，植株氮、磷养分分配均呈穗部>茎部>叶部>根部的趋势，而植株钾养分分配茎部占比均最高。较NPK 处理，NPK+B 和NPK+S处理促进氮、磷素向植株地上部转移；NPK+B 和NPK+S 处理穗的氮素累积分配比例明显增加，增幅分别为41.88%和28.53%，但减少了根的氮素养分分配比例。NPK+B 处理和NPK+S 处理茎、叶部钾分配比例均高于NPK处理，但穗部养分分配低于NPK处理。

图3 不同处理对水稻各部位养分分配的影响Fig.3 Responses of plant nutrient distribution in each part to different treatments

2.5 不同有机物料还田对水稻产量及其构成因素的影响

试验结果显示（表4），NPK+B 和NPK+S 处理每穗粒数、结实率、成穗率均显著高于NPK 处理（P<0.05），分别增加了40.33%、19.38%、17.68%和42.32%、10.93%、17.24%；有效穗数变化不显著（P<0.05）。水稻产量呈NPK+B 处理>NPK+S 处理>NPK 处理的趋势，处理之间均差异显著（P<0.05），其中相比于NPK 处理，NPK+B 和NPK+S 处理产量分别增加79.65%和26.67%。由此可见，生物炭和秸秆还田通过显著增加产量构成因素中的每穗粒数、结实率和成穗率，进而提高水稻产量。

表4 不同处理对水稻产量及其构成因素的影响Tab.4 Responses of rice yield and its components in different treatments

进一步通过PLS-PM 模型分析了土壤养分、水稻养分分配对产量的影响（图4）。结果显示，施肥管理改变了土壤化学性质，并显著影响了植株各部位氮、磷、钾的养分分配；其中水稻植株氮、钾的养分分配是影响了产量构成因素变化的主导因素，并最终影响了水稻产量。不同处理对水稻产量的影响主要是通过增加土壤全氮、速效钾含量，从而改变植株各部位氮、钾素的养分分配，进而调控水稻产量构成因素；并且水稻产量构成因素中的每穗粒数、结实率、成穗率是影响产量变化的关键因子。

图4 土壤养分与产量的偏最小二乘路径模式（PLS-PM）示意图Fig.4 Directed graph of Partial Least Squares Path Modeling（PLS-PM）among soil nutrients and yield

3 讨论

3.1 秸秆和秸秆生物炭还田对水稻土壤养分的影响

秸秆和秸秆生物炭是土壤培肥的重要措施。研究表明，秸秆和生物炭还田可以增加土壤有机质、全氮以及速效钾含量，提高土壤供肥能力[17-19]。这与本研究结果基本一致，与NPK 处理相比，NPK+B 和NPK+S 处理均可显著提高土壤有机碳、全氮和速效钾含量，且均表现为NPK+B 处理>NPK+S 处理>NPK处理（表2）。土壤有机碳含量的增加，可能是秸秆还田后促进土壤大团聚体形成，提高对外源碳的富集能力和物理保护作用[20]；还可激发土壤微生物的活性，促进秸秆中碳在土壤中的积累，进而提高土壤中有机碳含量[21]。生物炭还田会造成土壤有机碳分解的负激发效应，调节微生物碳利用效率，进而促进土壤碳的积累和固存[22]。土壤全氮含量的增加，可能是因为秸秆和生物炭中碳氮比较高，施入秸秆和生物炭可促使土壤中微生物固氮，减少氮素损失[23]。在本研究中，化肥配施生物炭还田处理中土壤有机碳和全氮含量显著高于化肥配施秸秆还田处理。此外，秸秆中含有大量易分解碳，而生物炭的生物化学稳定性极强，其强吸附性和较高的碳氮比均能够促进土壤矿质氮素固定[24]。由于秸秆和秸秆制备的生物炭中含有较高的钾含量，还田后能够增加土壤速效钾含量[25]，并且生物炭施入土壤后还能明显提高土壤中有利于活化土壤矿物钾的硅酸盐细菌含量，从而提高土壤速效钾含量[26]。本试验中，NPK+S 处理土壤有效磷含量显著高于NPK+B 处理，可能是因为生物炭的添加提高了土壤磷吸附能力，致使土壤中游离态磷含量更低[27]。

3.2 秸秆和秸秆生物炭还田对水稻植株干物质积累与养分分配的影响

干物质量是作物高产的物质基础。本试验结果显示，较NPK 处理，NPK+B 和NPK+S 处理均显著提高了地上部干物质量，并且显著提高了植株穗部位干物质量，这与前人研究结果相似[28-29]。其原因可能是秸秆和生物炭还田后，一方面增加了土壤养分含量，为植株吸收营养元素提供物质来源[30]；另一方面，促使土壤养分释放平稳，并对土壤供肥特性与植株需肥规律之间的关系起了协调作用，改善了植株生育后期的土壤理化特性，有助于植株吸收养分[31]。充足的养分吸收保障了水稻干物质累积，并增加水稻抽穗后物质同化贡献率[32]。本研究中NPK+S 处理根部干物质积累量显著低于NPK 处理，但在穗部却恰恰相反，这可能是因为水稻生育前期秸秆腐解过程抑制了根系生长和水稻前期分蘖[33]，但在水稻生育中后期，秸秆腐解释放的养分有利于穗部发育和籽粒灌浆结实[34]。NPK+B 处理水稻穗部干物质量显著高于NPK+S 和NPK 处理，可能是因为生物炭还田能提高根系总吸收面积、活跃吸收面积和根系伤流速率[35]，缩短前期返青时间，有利于水稻生长后期籽粒充分灌浆[36]。

秸秆和生物炭中含有丰富的氮、磷和钾素，添加秸秆和生物炭对水稻植株各部位氮、磷和钾素积累量和分配比例有较大影响。前人研究结果表明，水稻生育后期籽粒的营养元素主要依靠营养器官的物质转运，植株穗部是氮、磷转运的主要器官，而叶部是钾转运的主要器官[37]。本研究发现，秸秆和生物炭还田均提高了植株叶、穗部氮、磷素积累量，并促进氮、磷素向植株地上部转移，这与张爱平等[13]、唐海明等[15]研究结果基本一致。这可能是因为一方面秸秆和生物炭还田提高了土壤养分含量；另一方面，秸秆和生物炭还田提升叶片氮素转运能力和穗部吸收能力，促进养分转移至植株中上部器官[38-39]。本试验结果中，NPK+B 和NPK+S 处理提高了根、叶部钾素的分配，而降低了穗部钾含量和分配，这是因为水稻茎秆是钾素积累和分配的主要部位，秸秆和生物炭还田有利于钾素向茎、叶部转移[40]；并且穗部钾仅参与籽粒代谢过程，其生理功能完成以后便从籽粒移出[41]，再由植株地上部向根部回流[42-43]。

3.3 秸秆和秸秆生物炭还田对水稻产量及其构成因素的影响

关于秸秆和秸秆生物炭还田对水稻产量的影响，目前虽已有大量报道，但结果不尽一致。李录久等[44]研究表明，秸秆还田配施氮肥，可增加水稻产量12.9%；而Zhao等[45]认为，与秸秆不还田相比，秸秆还田后第一、二年均未对水稻产量产生显著影响。荣飞龙等[12]和张爱平等[13]认为，生物炭还田能显著提高水稻产量。本研究发现，NPK+B 和NPK+S 处理均能显著提高水稻产量，且以NPK+B 处理的效果最佳。这可能是由于土壤肥力指数与水稻产量密切相关[46-47]，而添加秸秆和生物炭能影响土壤养分含量和植株养分的吸收利用，进而影响水稻产量[7,48]。另外，NPK+B 处理产量和结实率均显著高于NPK+S 处理是因为生物炭还田能显著提高水稻对钾的吸收，水稻后期充足的钾供应有利于碳水化合物向籽粒转运，为提高结实率和产量奠定生理基础[49]。这也解释了本研究中生物炭还田促进养分向地上部转移并提高植株地上部干物质量这一结果。对于产量构成因素的影响，许轲等[50]在黏土和沙土中的试验表明，秸秆还田能有效增加水稻的穗粒数和结实率，显著增加水稻产量；而配施生物炭可以增加水稻有效穗数、穗粒数、千粒重[51]。本研究中NPK+B 和NPK+S 处理水稻每穗粒数、结实率和成穗率均显著提高（表4）。PLS-PM模型分析结果显示，施肥管理改善了土壤肥力，影响了植株养分分配，特别是氮、钾养分分配，从而调控了产量构成因素和产量变化（图4）。因此，秸秆和秸秆生物炭还田主要是通过改变土壤养分状况，影响植株各部位氮、磷、钾养分分配，进而提高水稻产量构成因素中的每穗粒数、结实率和成穗率，最终增加水稻产量。

4 结论

秸秆和秸秆生物炭还田利用有利于土壤培肥和养分资源的高效利用。相较于单施化肥，化肥配施秸秆和生物炭均显著提高土壤有机碳、全氮和速效钾含量、水稻结实率以及作物产量，且生物炭还田效果优于秸秆还田。土壤养分的变化影响了氮、磷、钾养分在水稻植株各部位的分配，促进了氮、磷养分向地上部转移。秸秆和生物炭还田通过增加每穗粒数、提高结实率和成穗率进而提高水稻产量，而土壤肥力变化调控的植株氮、钾养分分配是影响水稻产量变化的主导因子。

致谢：江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ180232）和江西省富硒农业研究院重点委托项目（JXFX21-ZD06）同时对本研究给予了资助，谨致谢意！