生物炭施用对节水灌溉稻田水稻生长及产量的影响

马创业

（昆山市水务工程建设管理处，江苏 苏州 215300）

0 引言

我国水稻种植面积巨大，其优化种植、提高产量等问题一直广受关注。生物炭是生物有机物质（也称为生物质）在厌氧或低氧环境下热解而产生的固体副产物[1]。其因具有孔隙率大、高比表面积、较强的吸附能力[2]等良好特性，近年来在农业生产利用中受到了广泛关注。

生物炭对稻田水稻生长及产量影响的已有研究大多针对淹水灌溉或者短期的干湿交替过程，较少全生育期无水层节水灌溉技术条件下的相关研究[3]。本研究创新性地将水稻秸秆生物炭的稻田利用与目前已较成熟的稻田无水层控制灌溉技术进行有效结合，通过对水稻全生育期的灌溉试验监测，分析梯度添加生物炭对节水灌溉模式稻田水稻生长发育及相应产量的影响，提出稻田节水高产的水碳管理模式，为实现节水型新农业以优化水稻种植环节提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验场位于昆山市灌排试验基地（34°63′21″N，121°05′22″E）。试验地稻田采用稻麦轮作制，年降水量1 090.9 mm。依据不同生物炭施用量和灌溉管理模式共设置4 个处理，每个处理设置3 个重复，具体设置为：在控制灌溉模式（CI）下设置0、20 t·ha-1、40 t·ha-1共3 个水稻秸秆生物炭添加量水平，在淹灌模式（FI）下添加40 t·ha-1水稻秸秆生物炭，对4 个处理分别命名为C0、C20、C40 和F40。本试验在基地内部蒸渗仪田块上进行，蒸渗仪有长宽分别为2.5 m 和2 m 的小区田块共计12 个。对于CI 处理的稻田，仅在水稻返青期内保持稻田内5 mm～25 mm水层，其余时间除施药施肥期外，控制稻田内不留水层，以稻田水稻根际层土壤的含水量作为水稻不同时期对灌溉水需求程度的判别指标，灌水的下限定为60%～80%土壤饱和含水量，上限为100%土壤饱和含水量[4]。对于FI 处理的稻田，除分蘖后期所进行的排水晒田活动期间外，其余时期均确保田面内有30 mm～50 mm 的水层，达黄熟期后则不再灌水，使稻田自然落干直至水稻收获。

水稻秸秆生物炭于水稻插秧前人工一次性施入稻田表层土壤（0～20 cm）内。所使用的生物炭pH 值、有机碳含量和氮含量分别为10.1、42.6%和0.75%。化肥施用量和施肥时间根据当地农户习惯进行，水稻生育期内氮肥施肥日期及施肥量记录表见表1。 年氮肥总投入量为273.0 kg·ha-1，所有处理均施用相同的磷钾肥（54.0 kg·ha-1P2O5和76.5 kg·ha-1K2O）。

表1 水稻生育期内氮肥施肥日期及施肥量记录表

1.2 现场测量及采样

在水稻整个生育期内，在每个试验小区内10 个不同的位置设置观测点，以间隔5～7 天为观测频率，记录一次水稻分蘖数和株高。水稻成熟后，测量每个试验小区的水稻产量和产量构成（如有效穗数、穗粒数、穗实粒数）。每个试验小区选择5 个点作为代表点，首先记录每一小区水稻的有效穗数（10 粒以上的穗数），并计算每一小区的平均有效穗数。然后记录每代表点的水稻穗实粒数和总粒数，每代表点总粒数除以有效穗数即为每穗粒数，每代表点的穗实粒数除以有效穗数即为每穗实粒数。

结实率是指每穗实粒数与每穗粒数之比，是水稻产量的关键因素。千粒重为随机装填的1 000 粒籽粒的风干重量。实际产量（样方产量）由样地测得。

灌水量根据水表读数。灌溉用水效率（YWURir）表示单位灌溉用水量的水稻生产率，由下式计算得出：

式中，Y——水稻产量，kg·ha-1；IR——灌溉水量，mm。

1.3 数据分析

本研究中所有数据均使用Excel、IBMSPSS 23.0进行处理及统计分析，并绘制相关图表[5]；使用单因素方差（one-way ANOVA）分析了生物炭施用水平及灌溉方式对水稻生长及产量等的影响。使用最小显著性差异检验方法（LSD）检验处理间差异的显著性[6]。

2 结果与分析

2.1 生物炭添加对节水灌溉水稻生长的影响

本试验的水稻全生育期分蘖数随移栽后天数的动态变化特征见图1。由图可知，不同处理下的水稻分蘖数、株高等在各个时期并不相同，但其随移栽后天数的变化特征是比较一致的。在水稻分蘖期（移栽后前40 天），水稻分蘖数迅速增加并达到峰值，此后由于分蘖末期晒田等措施导致无效分蘖的逐渐消亡（移栽后40～60 天），水稻分蘖数有明显的减少。分蘖末期之后水稻分蘖数再无明显变化，保持基本稳定，这与理论上水稻的生育周期发展情况相符。

图1 不同处理下水稻茎蘖、株高随种植天数的变化图

在控制灌溉（CI）处理下，添加生物炭增加了水稻分蘖数，但结果不显著。C20、C40 处理全生育期平均分蘖数较C0 处理分别增加了3.69% 和1.06%。同时研究还发现，淹水灌溉稻田平均分蘖数显著高于控制灌溉稻田。目前关于生物炭对水稻分蘖数影响的研究结果不一致。研究结果存在差异的原因可能是生物炭原料、热解温度和颗粒大小等生产参数以及稻田土壤类型、田间管理方式的差异，也可能是由于某些生物炭的潜在毒性[7]。

不同处理的水稻株高随移栽后天数的动态变化基本呈现“S”型趋势（如图1 所示）。移栽后水稻株高逐渐增加（移栽后前50 天），并在拔节孕穗期达到最大增速时期（移栽后50～70 天），移栽后70 天水稻进入乳熟期，株高基本趋于稳定没有明显增长。生育前期（移栽后35 天内）各处理间水稻株高差异不大。随生育期延续，各处理间差异逐渐增大。生育后期，C20 及C40 处理的株高较C0 处理一直更高，株高优势基本保持在3.03 cm～8.91 cm和0.52 cm～5.89 cm之内。在控制灌溉（C40）处理下，添加生物炭显著增加了水稻株高，如表2 所示。C0、C20、C40 处理水稻全生育期株高增量分别为50.5 cm、49.5 cm、53.30 cm。高量生物炭施用增加了水稻全生育期株高增量，增加率达5.54%。除此之外，本研究还发现灌溉模式的不同对水稻株高也有影响，控制灌溉C40 处理下的水稻株高全生育期增量（53.30 cm）明显低于淹灌F40 处理（62.00 cm），全生育期内F40 处理的株高优势保持在0.50 cm～11.44 cm 内，在水稻移栽35 天后株高优势尤为明显且差异愈发增大。

表2 水稻全生育期平均分蘖数和株高

现有的研究均已证明，土壤中添加生物炭确实可以促进相应作物的生长发育，并提高其产量[8]。本研究结果表明，在稻田中添加水稻秸秆生物炭促进了水稻株高的增长，C40 处理组水稻株高显著高于C0 和C20 处理组水稻，平均增高6.31%和5.50%，这与目前的相关研究结论一致。

2.2 生物炭添加对节水灌溉稻田水稻产量的影响

由表3 可知，节水灌溉模式下，稻田添加水稻秸秆生物炭能够起到一定增产作用，且增产效果随着施用量的增加而增加。未添加生物炭的C0 处理稻田的实际产量明显较C20、C40 处理稻田更低（分别低约21.96%和36.78%）。研究还发现，添加了生物炭的稻田水稻的有效穗数、实粒数、结实率均高于未添加生物炭的稻田。其中，中量和高量生物炭施用显著提高了稻田水稻有效穗数，C20 和C40 稻田水稻有效穗数较C0 处理稻田分别增加了46.35%和48.23%（p＜0.05）。有效穗数、实粒数、结实率等的增加可能是生物炭施用促使稻田增产的主要原因。该结果与陈盈等的研究结果较为一致[9]，在本研究分析中还发现添加生物炭的稻田在水稻产量增加的同时，相应的实粒数、有效穗数、结实率也随之有一定增加。

表3 水稻产量及其产量构成

不同灌溉管理方式对水稻产量影响不大。C40、F40 处理水稻实际产量分别为7 401 kg·ha-1和7 399 kg·ha-1，较为相近。从主要产量构成来看，节水灌溉管理方式虽降低了水稻有效穗数，但增加了水稻实粒数。

2.3 节水灌溉条件下生物炭添加对稻田灌溉用水效率的影响

灌溉用水量和灌溉用水效率见表4。节水灌溉管理方式下，不同生物炭施用量稻田的灌溉用水量较为接近，但因各处理间产量的差异，各处理灌溉用水效率也有一定的区别[10]。灌溉用水效率随生物炭施用量的增加而增加。C40 处理灌溉用水效率高达1.282 kg/m3，较C20 和C0 处理分别提高了8.19%和30.02%。相关研究表明，生物炭本身所具有的疏水特性会在土壤表面形成临时降低水分渗透和水力导度的薄层，该薄层能起到减缓土壤水分蒸发的作用，有利于提高土壤水分含量；并且，生物炭还会影响土壤基质势并改变土壤水力特征，影响土壤和水的结合、土壤保水性及植物的有效水含量。

表4 不同处理稻田中水稻灌溉用水情况

与淹灌相比，节水灌溉在保持水稻高产的同时显著降低了灌溉用水量。C40 处理的全生育期灌溉用水量为577 mm，较F40 下降了41.54%。节水灌溉稻田灌溉用水量的显著减少有效地提高了灌溉用水效率。C40 处理的稻田灌溉用水效率较F40 处理平均提高了约70.93%。

3 结论

通过灌溉试验分析，研究了稻田梯度添加水稻秸秆生物炭对节水灌溉水稻生长发育、产量及稻田灌溉水利用效率的影响，主要结论如下：

1）水稻秸秆生物炭的稻田利用促进了节水灌溉稻田水稻的生长及发育，能够起到增加水稻分蘖数、提高株高的作用。与本试验中不添加生物炭的对照组相比，添加了中量（20 t·ha-1）生物炭的稻田平均分蘖数有一定增加（增加约3.69%）。添加了中量（20 t·ha-1）和高量（40 t·ha-1）生物炭的稻田水稻株高在全生育时期内均高于无生物炭的对照组水稻。且水稻秸秆生物炭的投入量越多，相应水稻的株高越高。

2）生物炭对节水灌溉稻田具有显著的增产作用，且该增产作用随生物炭投入量增加而增加。在本试验中，添加高量（40 t·ha-1）生物炭的稻田产量最高达到了7 401 kg·ha-1，比对照组增产约36.78%。且稻田添加生物炭使得水稻的实粒数、有效穗数及结实率得到了明显增加，这可能是添加生物炭使得节水灌溉水稻增产的主要原因。

3）节水灌溉稻田水稻产量与淹水灌溉稻田相当，但节水灌溉技术显著提高了稻田灌溉用水效率。C40处理较F40 处理用水量减少约41.54%，灌溉用水效率平均提高了70.93%。

生物炭作为一种良好的农业土壤改良剂，其在稻田中的利用问题一直以来广受关注，后续可以开展更多生物炭施用水平与无水层节水灌溉技术耦合对稻田水稻生长及产量影响的相关研究，提出最佳的节水增产水碳管理模式。