基于生物炭添加的控制灌排對水稻抗倒伏能力及產(chǎn)量的影響

雷 蕾，于敏榮，高 軍，邵光成，孟佳佳，湯樹海

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，南京 210098；2.南京市六合區(qū)水務(wù)局，南京 211500；3.南京水利水文自動化研究所，南京 210012； 4.淮安市水利局規(guī)劃辦，江蘇 淮安 223005；5.漣水縣水利科學(xué)研究站，江蘇 淮安 223400)

0 引 言

水稻在中國具有重要的地位，是主要糧食作物[1,2]，也是最大的耗水作物，因此提高水稻產(chǎn)量和減少水稻用水量，不僅對于促進(jìn)農(nóng)業(yè)高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)意義重大，而且有利于緩解我國水資源短缺問題。盡管水稻節(jié)水灌溉可以提高水肥利用效率，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，改善稻米品質(zhì)[3,4]，但由于在南方，水稻生長期適逢雨季，經(jīng)常性的暴雨引起的過量排水已經(jīng)成為制約雨水和灌溉水利用效率提高的重要原因。因此，將節(jié)水灌溉和控制排水結(jié)合的控制灌排近年來成為我國南方地區(qū)稻田水分管理的一種主要形式，通過合理控制灌排，有助于提高降雨利用效率，減少稻田氮磷損失，揭示控制灌排對作物生長發(fā)育及產(chǎn)量的作用效應(yīng)，對南方水稻優(yōu)質(zhì)、高效、可持續(xù)生產(chǎn)和改善南方水田區(qū)水環(huán)境具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

生物炭作為一種土壤改良劑，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境等領(lǐng)域[5]。生物炭(Biochar)一般指生物質(zhì)如木材、農(nóng)作物廢棄物、植物組織或動物骨骼等在完全或部分缺氧和相對溫度“較低”(<700 ℃)條件下熱裂解而形成的固態(tài)產(chǎn)物[6]。大量研究表明，施用生物炭不僅可以使得土壤理化指標(biāo)得到改善、土壤含水量提高，而且提高了土壤肥力，有利于農(nóng)作物生長發(fā)育，最終提高產(chǎn)量[7-9]?，F(xiàn)有研究表明生物炭施加量對生長指標(biāo)，如株高、有效分蘗、葉面積指數(shù)、千粒重等有較大影響；而灌水模式則對產(chǎn)量指標(biāo)，如結(jié)實(shí)率、干重、平均每穗粒數(shù)等影響更明顯[10]。倒伏是制約水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和優(yōu)產(chǎn)的主要因素之一，一般致使水稻減產(chǎn)10%甚至更大損失[11]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，合理利用灌溉排水，可以有效調(diào)節(jié)生物炭固水保肥的特性?？刂乒嗯艑M(jìn)行生物炭處理的作物生長有何影響？作物抗倒伏能力如何響應(yīng)?作物產(chǎn)量指標(biāo)是否受顯著影響？等等以上問題都有待于進(jìn)一步研究。水稻的灌溉排水問題，實(shí)際上是如何控制稻田水位變化的問題，即農(nóng)田水位調(diào)控的問題。農(nóng)田水位調(diào)控是指通過灌溉排水措施保持田面適當(dāng)水深或維持田間地下水位適當(dāng)埋深的策略。因此，本文在水稻控制灌溉的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制灌排，人為地增加蓄水上限，降低灌水下限，同時面對生物炭和控制灌排共同作用下作物水分利用過程，研究不同生育期水稻的株高及其他生長指標(biāo)響應(yīng)來表征不同水位控制及生物炭處理下的水稻生長指標(biāo)變化，并對水稻抗倒伏相關(guān)指標(biāo)和產(chǎn)量展開分析，將成為南方水稻優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)的必要要求。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)站概況

本研究于2016年6-10月在漣水水利科學(xué)研究站新建測坑內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，測坑面積為3 m ×3 m。試驗(yàn)區(qū)位于漣水縣朱碼鎮(zhèn)境內(nèi)(119°16′E，33°50′N)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.4 ℃，降雨量時間分布不均，多年平均降雨量979.1 mm，年蒸發(fā)量1 385.4 mm，日照時數(shù)2 280 h，平均無霜期240 d。測坑無遮雨棚，水稻生長期降水量以及蒸發(fā)量等氣象數(shù)據(jù)由試驗(yàn)區(qū)小型氣象站提供。測坑內(nèi)土壤質(zhì)地為壤土，0～30 cm土層土壤田間持水率為27.9%(質(zhì)量含水率)，土壤容重為1.42 g/cm3，pH為6.82，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.19%，全氮為0.98 g/kg，全磷為1.12 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

供試水稻品種為當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)品種兩優(yōu)9918。水稻于5月26日泡種，5月29日育秧，6月25日移植，10月29日收割。水稻移植密度皆為15 cm×22 cm，每穴3根籽苗。水稻生長期共施3次肥，基肥為復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O 為15∶15∶15)，施肥量為900 kg/hm2，追肥2次均為尿素(含氮量為46.4%)，追肥量為300 kg/hm2。供試秸稈生物炭為玉米秸稈在約450 ℃微氧環(huán)境下炭化而成，其pH值為10.15、全碳量為358.7 g/kg、全氮量為6.56 g/kg、有效磷為0.69 g/kg、速效鉀為4.93 g/kg。生物炭施加比例以每千克干土施加生物炭的量計，根據(jù)土體重量計算生物炭重量，再將生物炭與土壤充分混勻。

試驗(yàn)設(shè)水位控制和生物炭施加2因素。具體水位控制指標(biāo)與生物炭處理如表1所示。分蘗期時，水位控制為輕旱控排(W1)水平下，當(dāng)田間水位低于-20 cm時灌水到2 cm，田間水位超過10 cm時排水至允許蓄水水位10 cm，水位控制為重旱控排(W2)水平下，當(dāng)田間水位低于-30 cm時灌水到2 cm，田間水位超過20 cm時排水至允許蓄水水位20 cm。拔節(jié)孕穗期至乳熟期，水位控制為輕旱控排(W1)水平下，田間水位低于-20 cm時灌水到5 cm，田間水位超過20 cm時排水至允許蓄水水位20 cm，水位控制為重旱控排(W2)水平下，田間水位低于-30 cm時灌水到5 cm，田間水位超過30 cm時排水至允許蓄水水位30 cm；黃熟期不留水層，自然落干。本文的對照是參照當(dāng)?shù)氐乃竟嗯胖贫榷O(shè)計的處理W1B0。每個處理重復(fù)3次共12個測坑，各測坑隨機(jī)布置。除水位控制及生物炭處理外，其他農(nóng)技措施均相同。

表1 不同水位控制指標(biāo)及生物炭處理 cm

注：生物炭施加設(shè)2種模式，B0：無生物炭施加，B1:50 g/kg(以每千克干土施加生物炭的質(zhì)量計)。W1、W2指兩種水位控制水平，以農(nóng)田水位狀況作為田間水分控制指標(biāo)，單位為cm，負(fù)值表示田間地下水埋深，正值表示田面水層深度，-I～J～K, I為灌水適宜下限，J為灌水適宜上限，K為降雨時允許蓄水深度。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 水位及水量觀測

每日上午08∶00-09∶00測定稻田內(nèi)水位深度，水層深度通過鋼尺讀數(shù)。當(dāng)天的觀測值低于或接近下限值(差值≤10 mm(水層)或50 mm(地下水))時，按處理要求進(jìn)行灌溉。①若田面有水層，記錄灌水前后水層深度，兩者之差即灌水量。②若田面無水層，記錄灌水量。

地表進(jìn)行排水時，記錄排水前后的水層深度，深度之差即為排水量。田間滲漏量利用田間測筒進(jìn)行測定。

1.3.2 土壤水分觀測

田面無水層階段，應(yīng)每2 d定時(早上9點(diǎn)之前)觀測表層(0～20 cm)的土壤含水量。

1.3.3 生長發(fā)育、抗倒伏相關(guān)指標(biāo)觀測

株高：水稻移栽前測量一次株高。從分蘗期開始，每個測坑每隔5 d定點(diǎn)觀測5穴株高，控水處理的在控水前后各加測一次。測量作物地面以上的長度(不包括根部)：揚(yáng)花之前為田面至最高葉尖的高度，揚(yáng)花后為田面至穗頂(不計芒)的高度。

根據(jù)近年來的試驗(yàn)結(jié)果，水稻黃熟期前后倒伏幾率最大。故在黃熟期每個測坑隨機(jī)選取3穴，每穴選擇3個莖稈，共9個重復(fù)。取樣時齊土割掉地上部分備用。

節(jié)間長度、節(jié)間干質(zhì)量和單位長度節(jié)間干質(zhì)量：將主莖依據(jù)節(jié)點(diǎn)剪斷，基部第一伸長節(jié)間稱為第一節(jié)間(Ⅰ)，向上依次為第二節(jié)間(Ⅱ)、第三節(jié)間(Ⅲ)。用鋼尺測量各節(jié)間長度。將各節(jié)間莖稈放置于烘箱中，105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干直至質(zhì)量恒定，稱重各節(jié)間莖稈干質(zhì)量。單位長度節(jié)間干質(zhì)量=節(jié)間干質(zhì)量/節(jié)間長度。

節(jié)間外徑和莖壁厚度：將節(jié)間自中部截斷，用游標(biāo)卡尺量測莖稈長軸外徑和短軸外徑(帶葉鞘)，取平均值即為節(jié)間外徑。測定長軸、短軸和莖壁4個交點(diǎn)的厚度，取平均值作為莖壁厚度。

穗長、穗鮮質(zhì)量和單株鮮質(zhì)量：用鋼尺量測穗長并用天平測定鮮質(zhì)量，剪去地面以下的部分稱重，即得單株鮮質(zhì)量。

莖稈抗折力(F)：參考文獻(xiàn)[12]，鑒于水稻倒伏的主要形式是莖稈的基部倒伏[13]，故選取基部第二節(jié)間作為測試樣本。將莖稈(含葉鞘)放置水平，固定兩端使其成為簡支梁，中間部位懸空，使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)(CMT6104)，在莖稈中心位置放置壓力應(yīng)變傳感器(20 N)，施加自上而下的豎向壓力，傳感器以0.1 mm/s的速度向下移動，伴隨傳感器向下移動，莖稈壓力和撓度不斷增大，壓力達(dá)到最大值時莖稈發(fā)生屈服破壞，此時的最大壓力即莖稈最大抗折力(N)。

彎曲力矩(BM)：第二節(jié)間基部至穗頂長度×第二節(jié)間基部至穗頂鮮質(zhì)量×0.001×9.8，N·cm。

倒伏指數(shù)(LI)：LI=BM/F×100。參考瀨古秀生的方法計算，具體參見文獻(xiàn)[14]。

累積破壞能量(D)：水稻莖稈從開始受力直至發(fā)生破壞，中心位移量以及壓力乘積之和就是莖稈累積破壞能量。計算機(jī)軟件自動采集施加壓力及傳感器位移量，采集間隔為0.1 s。根據(jù)既定破壞時間，計算此前每個0.1 s內(nèi)壓力與位移的乘積，累加即得累積破壞能量。

1.3.4 考 種

水稻收獲期，在每個測坑中選取5穴具有代表性的植株，晾干后觀測每穗粒數(shù)、有效穗數(shù)和千粒重，計算空秕率。對所有水稻植株進(jìn)行收割、脫粒、晾干、稱重，最終計算產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與方法

采用Microsoft Excel 2016繪制表格，利用SPSS 22.0軟件依據(jù)最小極差法(LSD)對本文數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析(α=0.05)，運(yùn)用Origin 2017軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對水稻生長指標(biāo)的影響

2.1.1 生物炭和控制灌排對水稻株高的影響

水稻分蘗期是水稻形成產(chǎn)量的重要時期，分蘗期水稻株高增速較快。由圖1(a)可知，W2B1在分蘗期末期株高最高，其次是W1B1、W2B0、W1B0。W1B0、W1B1、W2B0、W2B1的增長速率分別1.94、2.14、2.16、2.25 cm/d。前期各處理差異不明顯，后期相同水位控制下，生物炭在分蘗期對水稻株高的促進(jìn)作用比較明顯，原因主要是生物炭有利于提高根系下扎深度，促進(jìn)根系縱向生長，可以吸收更多土壤中的養(yǎng)分[15]。沒有生物炭或相同生物炭施加情況下，淹水深度越高，更有利于植株生長，相關(guān)研究結(jié)果也表明，短時間淹水能促進(jìn)植株乙烯的合成，有利于莖稈的延長生長，能減輕澇脅迫的影響，導(dǎo)致該時期水稻株高增長較快[16,17]。

圖1 不同處理下水稻各生育期株高變化Fig.1 Plant height changes at different growth stages of rice under different treatments

由圖1(b)可知，在拔節(jié)孕穗期W1B1水稻株高最高，其次是W2B1、W2B0、W1B0。增速按從大到小排序依次是W1B1、W2B0、W2B1、W1B0，分別是1.81，1.66，1.64，1.52 cm/d。各處理末期株高與株高增速均高于W1B0處理。W1B0與W1B1相比，W1B1比W1B0高16.6 cm，結(jié)合W2B0與W2B1相比可以得出，生物炭在拔節(jié)孕穗期對水稻株高亦具有明顯促進(jìn)作用，W1B0與W2B0，W1B1與W2B1相比表明控制灌排W2水平有利于植株生長，7月29日左右株高增長速度加快，但隨著受澇時間的延長，水位過高不利于生長，株高增長趨于緩慢[18]，與W2B0、W2B1株高增速均低于W1B1株高增速規(guī)律一致，但仍高于W1B0對照株高增速。

由圖1(c)可知，各處理在抽穗開花期增長速度較緩慢，株高趨于穩(wěn)定，主要是由于水稻從營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長，最終呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢，株高增長趨于緩慢。株高從高到低排序依次是：W2B1、W1B1、W2B0、W1B0。W1B1株高比W1B0高8.47%，W2B1比W2B0高2.97%，可以看出低水位情況下生物炭施加對株高的促進(jìn)作用更明顯。W2B0株高較W1B0高9.2 cm，W2B1株高較W1B1高2.2 cm，可看出控制灌排W2水平可以顯著增加株高高度，而控制灌排W2水平對株高的促進(jìn)作用并未因施加生物炭而得到加強(qiáng)。

2.1.2 生物炭和控制水位對水稻莖稈形態(tài)性狀的影響

不同生物炭與控制灌排處理下的水稻莖稈形態(tài)性狀表明(表2)，W1B1處理各節(jié)節(jié)間長度較W1B0處理分別顯著減少了17.1%、19.6%和19.3%；W1B0各節(jié)節(jié)間長度比W2B0分別小1.24、0.69、0.96 cm，而且兩處理之間差異顯著(p<0.05)，說明控制灌排W2水平有助于莖干的伸長生長。與處理W1B0相比，W1B1處理的各節(jié)節(jié)間莖壁厚度分別顯著增大了42.9%、44.3%和39.7%；相比W2B0處理，水位控制處理為W1水平下的W1B0各節(jié)莖壁厚度也顯著增大，而且兩者之間差異顯著(p<0.05)。施加生物炭的W1B1處理與W1B0處理相比，其各節(jié)節(jié)間外徑顯著增大(p<0.05)；而水位控制W1的各節(jié)節(jié)間外徑則較水位控制W2分別顯著增加了8.4%、5.9%和13.4%(p<0.05)。綜上，生物炭處理可以顯著降低莖間長度，增加莖壁厚度，增大節(jié)間外徑，控制灌排W2水平則使各節(jié)節(jié)間長度顯著增長，減小莖壁厚度和節(jié)間外徑。

由表3可知，對于基部節(jié)間干質(zhì)量，W1B1處理較W1B0處理各節(jié)分別增大了44.4%、43.9%、17.4%，而且處理之間差異顯著?？刂乒嗯盘幚硐拢琖2B0和W1B0處理，W2B1和W1B1處理之間除第三節(jié)外，第一節(jié)、第二節(jié)的節(jié)間干質(zhì)量差異均不顯著(p<0.05)。對于單位長度節(jié)間干質(zhì)量，W1B1處理較W1B0各節(jié)分別顯著增大了71.8%、39.5%、46.7%；相較于傳統(tǒng)水位處理，控制灌排W2水平處理下各節(jié)單位長度節(jié)間干質(zhì)量均顯著下降(p<0.05)。綜上，生物炭處理對基部節(jié)間干物質(zhì)量和單位長度節(jié)間干質(zhì)量均有極顯著影響，控制灌排則只對單位長度節(jié)間干質(zhì)量有極顯著影響，對第二節(jié)基部節(jié)間干物質(zhì)量有顯著影響，而生物炭和控制灌排交互作用除對第二節(jié)基部節(jié)間干物質(zhì)量無顯著影響，其他均為極顯著影響。

表2 不同處理下水稻莖稈形態(tài)Tab.2 Stem morphology of rice under different treatments

注：*表示差異顯著(0.01

表3 不同處理下的基部節(jié)間干質(zhì)量與單位長度節(jié)間干質(zhì)量Tab.3 The basal internode dry mass and internode dry mass per unit length under different treatments

2.1.3 生物炭和控制水位對莖稈力學(xué)性狀及抗倒伏能力的影響

抗折力(BR)是水稻在自上而下垂直作用力下發(fā)生折斷時莖稈能夠承受的最大壓力，是用來評價莖稈抗倒伏能力的重要指標(biāo)之一；彎曲力矩(BM)是衡量莖稈抗倒伏能力的另一關(guān)鍵指標(biāo)，其與抗折力的比值表征倒伏指數(shù)；倒伏指數(shù)(LI)是表示水稻抗倒伏能力的一個綜合直觀指標(biāo)，倒伏指數(shù)越低，水稻越不易倒伏，即其莖稈抗倒伏能力越強(qiáng)。不同處理下BR、BM、LI等水稻莖稈力學(xué)指標(biāo)如表4所示。

表4 不同處理下莖稈力學(xué)性狀及抗倒伏能力Tab.4 Mechanical properties and lodging resistance of stem under different treatments

由表4發(fā)現(xiàn)，施加生物炭處理下的W1B1的抗折力和彎曲力矩分別較W1B0處理顯著增加了14.2%和9.3%；水位控制為W2水平下水稻植株莖稈抗折力和彎曲力矩則較水位處理W1顯著降低了8.9%和13.9%(p<0.05)；彎曲力矩由株高和地上部分鮮質(zhì)量共同決定。與W1B0處理鮮質(zhì)量(17.56 g/株)相比，W1B1處理鮮質(zhì)量(19.43 g/株)顯著增加了10.65%，W2B0處理鮮質(zhì)量(15.23 g/株)則顯著降低了13.3%，這表明地上部分鮮質(zhì)量的不同引起了各處理彎曲力矩的差異。

倒伏指數(shù)是衡量水稻倒伏性能的綜合指標(biāo)，其數(shù)值越小，水稻發(fā)生倒伏的概率越低，即抗倒伏能力越強(qiáng)。莖稈累積破壞能量(DE)是評判水稻莖稈抗倒伏能力的重要指標(biāo)，體現(xiàn)了莖稈抵抗持續(xù)變形的能力和外力作用下的耐受力。研究表明，相同水位處理下，施加生物炭可使水稻植株莖倒伏指數(shù)顯著下降，如W1B1處理較W1B0處理降低4.3%，W2B1處理較W2B0處理下降5.8%；而無生物炭或相同生物炭施加情況下，控制灌排W2處理則使水稻植株莖倒伏指數(shù)顯著增大，意味著控制灌排W2處理會使水稻發(fā)生潛在倒伏的概率增大。至于累積破壞能量，相同水位下施加生物炭處理可使其顯著增大，而控制灌排W2處理則使其顯著減小。綜上，生物炭施加及控制灌排處理均極顯著影響抗折力、彎曲力矩、倒伏指數(shù)和累積破壞能量，而在生物炭與控制灌排交互作用下，以上指標(biāo)差異不顯著(p>0.01)，可以推測，生物炭施加和控制灌排之間的耦合作用不明顯。

2.2 生物炭和控制水位對水稻穗長、空秕率及產(chǎn)量的影響

如表5所示，施加生物炭和水位控制均對水稻穗長有極其顯著的影響(p<0.01)，生物炭施加與水位控制交互作用對水稻穗長有顯著影響(p<0.05)。在兩種控制灌排下，生物炭施加均顯著增加了穗長。相同條件下，控制灌排W2處理對穗長具有顯著促進(jìn)作用，其中W2B0處理比W1B0高出7.1%，當(dāng)施加生物炭的W2B1處理則比W1B1高出10.4%。相比處理W1B0，水位控制對水稻穗長的促進(jìn)作用明顯強(qiáng)于生物炭對水稻穗長的影響。

表5 不同處理下水稻的穗長、空秕率、產(chǎn)量與千粒重Tab.5 Panicle length, empty chaff rate, yield and 1000-grain weight of rice under different treatments

在兩種水位控制情況下，生物炭施加對空秕率的下降影響不顯著。在不施加生物炭和施加生物炭情況下，控制灌排W2處理均顯著減少稻谷的空秕率，同時，施加生物炭對水稻空秕率有顯著的影響，通過方差分析發(fā)現(xiàn)，控制灌排對水稻空秕率的影響為極顯著(p<0.01)，但是控制灌排和生物炭交互作用后對水稻空秕率則沒有顯著影響。

施加生物炭對水稻產(chǎn)量有極顯著的影響(p<0.01)，控制灌排對水稻產(chǎn)量有極其顯著影響(p<0.01)，但水位控制和生物炭交互作用對水稻產(chǎn)量無顯著影響。在控制灌排為W1條件下，W1B0產(chǎn)量與W1B1存在顯著差異，W1B1處理比W1B0處理高出6.66%。在水位控制為W2條件下，施加生物炭W2B1處理的產(chǎn)量顯著高于W2B0處理。在不施加生物炭和施加生物炭的情況下，控制灌排W2處理均顯著提高了水稻產(chǎn)量，其中W2B0比W1B0高出8.40%，當(dāng)施加生物炭處理W2B1比W1B1高出6.73%。研究發(fā)現(xiàn)，相比處理W1B0，控制灌排對水稻產(chǎn)量的影響強(qiáng)于生物炭。

在兩種水位控制情況下，生物炭施加對千粒重的影響均不顯著。在不施加生物炭和施加生物炭的條件下，控制灌排W2處理均顯著增加了千粒重，其中W2B0處理比W1B0高了3.5%，W2B1比W1B1高了3.6%。相比處理W1B0，控制灌排W2處理比生物炭添加更有利于增大千粒重。方差分析發(fā)現(xiàn)，生物炭施加對水稻千粒重?zé)o顯著的影響(p>0.05)，控制灌排對水稻千粒重存在極其顯著影響(p<0.01)，而控制灌排和生物炭交互作用對水稻千粒重?zé)o顯著影響(p>0.05)。

3 討 論

3.1 生物炭和控制水位對水稻株高的影響

袁琴琴[19]認(rèn)為生物炭在土壤改良劑運(yùn)用過程中,不僅能夠有效地減少土壤中養(yǎng)分的流失,而且能夠有效地促進(jìn)土壤中養(yǎng)分的停留，對土壤中養(yǎng)分的循環(huán)產(chǎn)生很重要的作用。在水稻分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、灌漿結(jié)實(shí)期生物炭對株高均起促進(jìn)作用。Zwieten等[20]以10 t/hm2的生物炭施用量為標(biāo)準(zhǔn)加入到酸性土壤中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小麥株高顯著提高。劉世杰等[21]的研究也證明，施用生物炭的玉米其株高、莖粗較沒有施用生物炭的處理分別增加了4.31～13.13和0.04～0.18 cm。于艷梅等[22]研究表明淹水深度逐漸增加，水稻株高增長幅度越大，淹水歷時越長，水稻株高增幅越明顯。本研究發(fā)現(xiàn)在生物炭添加及控制灌排W2條件下，水稻株高均得到顯著提高，原因可能在于生物炭添加改善了土壤水分條件，有效促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的停留，而控制灌排使得降雨過后無需頻繁排水，保留了土壤及水體中氮磷等營養(yǎng)元素，同時灌水下限的降低有助于根系呼吸，促進(jìn)根系生長，地下水埋深越大，作物根系在土壤層生長越發(fā)旺盛，扎根深度越高，吸收養(yǎng)分能力越強(qiáng)，進(jìn)而使株高增加，這與王曉紅等[23]的研究結(jié)果一致。同時本研究也發(fā)現(xiàn)控制灌排W2處理對株高的促進(jìn)作用并未因施加生物炭而得到加強(qiáng)，原因可能是生物炭施入土壤時間較短，相關(guān)耦合效果還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

3.2 生物炭和控制水位對水稻莖稈形態(tài)、力學(xué)性狀及抗倒伏能力的影響

研究表明，水稻發(fā)生倒伏的敏感時期是齊穗后21～30 d，發(fā)生倒伏的敏感節(jié)位多在莖稈基部的2～3個節(jié)間[24-26]，植株的抗倒伏性與株高、重心、莖粗、節(jié)間長度、節(jié)間粗度、莖壁厚度、莖稈質(zhì)量等莖稈物理性狀以及莖稈橫切面積、大小維管束數(shù)目和面積等莖稈組織解剖結(jié)構(gòu)關(guān)系均十分密切。株高過高，特別是下部兩個節(jié)間過長是倒伏的重要原因[27]。在齊穗后25 d，對株高、節(jié)間長度、節(jié)間粗度、莖壁厚度、節(jié)間干質(zhì)量等莖稈物理性狀和莖稈抗折力、彎曲力矩等力學(xué)特性進(jìn)行測定與計算，并對它們與植株抗倒伏能力的關(guān)系進(jìn)行研究與分析。研究表明，淹水深度過大會導(dǎo)致莖稈節(jié)間長度增加，莖粗減小，機(jī)械強(qiáng)度降低，易引起后期倒伏[28]；淹水深度過大會降低水稻抗倒伏能力[29,30]。彭世彰等[31]認(rèn)為控制灌溉下水稻節(jié)間長度下降、基部莖稈壁厚增加，力學(xué)性能較常規(guī)灌溉更為優(yōu)越。目前有關(guān)生物炭研究主要集中在土壤改良、作物增產(chǎn)、溫室氣體減排和調(diào)控土壤微環(huán)境等方面，而針對生物炭施加對水稻抗倒伏能力的影響的相關(guān)研究較少，針對生物炭與控制灌排對水稻抗倒伏能力的耦合影響，相關(guān)研究更是匱乏。本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭添加有助于縮短節(jié)間長度，同時增大莖稈壁厚，使得節(jié)間外徑變大，同時增大基部節(jié)間干質(zhì)量，最終使水稻的抗倒伏能力得到提高。但在控制灌排W2條件下，水稻的倒伏指數(shù)升高，累積破壞能量下降，水稻抗倒伏能力呈現(xiàn)下降的趨勢，這與郭相平等[13]研究發(fā)現(xiàn)的在節(jié)水模式下適當(dāng)加大雨后蓄水深度不會增加倒伏風(fēng)險的結(jié)論相反，原因可能是澇脅迫帶來的拮抗倒伏的效果是有限的，同時也與受澇程度有關(guān)，可以推測，若淹水時間過長，水稻的抗倒伏能力仍呈下降趨勢。同時本研究也發(fā)現(xiàn)生物炭及水位控制對水稻倒伏性能無顯著耦合作用，可能是由于生物炭施加對抗倒伏能力的提高作用與控制灌排W2處理增大水稻倒伏性能的負(fù)效應(yīng)存在抵消，具體機(jī)理及相關(guān)作用還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.3 生物炭和控制水位對水稻穗長、空秕率及產(chǎn)量的影響

李昌見等[5]研究表明生物炭能促進(jìn)作物生長、提高作物產(chǎn)量。作物干物質(zhì)的累積、分配與土壤水分分布關(guān)系緊密，封超年等[32]研究發(fā)現(xiàn)不同地下水埋深調(diào)控了小麥根系在土體的分布范圍、下扎深度和功能，調(diào)節(jié)了光合生產(chǎn)能力，影響花后干物質(zhì)積累量，使庫容量和庫的充實(shí)度發(fā)生差異，最終影響產(chǎn)量。本研究表明單獨(dú)生物炭添加和控制灌排W2處理均顯著提高了水稻產(chǎn)量，這與張偉明等[15]和郭楓等[33]的研究結(jié)果一致。其中水位控制對產(chǎn)量的影響更為明顯。同時，本研究發(fā)現(xiàn)生物炭施加對增大作物千粒重的影響不顯著，可能的原因在于生物炭的原料特性、理化性質(zhì)、施用量、施用方式、土壤質(zhì)地、環(huán)境條件等差異，因此，針對生物炭對于千粒重及產(chǎn)量的影響研究還需要更長期、深入具體的試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

(1)在生物炭添加及控制灌排W2處理下，水稻株高均得到顯著提高，而控制灌排W2對株高的促進(jìn)作用并未因施加生物炭而得到加強(qiáng)。

(2)生物炭添加可以縮短節(jié)間長度，增大莖稈壁厚和節(jié)間外徑，降低水稻的倒伏指數(shù)，提升累積破壞能量，顯著提升水稻抗倒伏能力。但在控制灌排W2條件下，水稻倒伏指數(shù)升高，累積破壞能量下降，水稻抗倒伏能力呈現(xiàn)下降的趨勢。

(3)控制灌排與生物炭添加均對水稻穗長和空秕率有顯著影響，其中控制灌排的影響更為明顯，生物炭添加和控制灌排W2單因素作用均顯著提高了水稻產(chǎn)量，但兩者交互作用卻對產(chǎn)量無顯著影響，表明控制灌排對生物炭提升產(chǎn)量的促進(jìn)效果不明顯，相關(guān)水炭耦合效果還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

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