生物炭對(duì)不同穗型粳稻物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量的影響

崔月峰孫國(guó)才王桂艷王 健蔣昆煒黃文佳盧鐵鋼

(鐵嶺市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,遼寧 鐵嶺 112616)

生物炭是農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在缺氧條件下熱裂解形成的富碳產(chǎn)物[1],具有孔隙豐富、比表面積大、理化性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn),還田后有利于改善土壤肥力、提升養(yǎng)分利用效率、增強(qiáng)水稻葉片光合能力以及促進(jìn)水稻地上部干物質(zhì)積累和增加產(chǎn)量[2～6],對(duì)水稻生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。 但也有研究發(fā)現(xiàn)生物炭施入稻田會(huì)固定土壤氮素,降低氮素吸收,導(dǎo)致產(chǎn)量降低[7～8]。 生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的效應(yīng)與土壤類型、環(huán)境條件以及生物炭種類、施用量、施用年限等諸多因素有關(guān),存在較大的不確定性[9～11]。 水稻是我國(guó)的主要糧食作物,也是單產(chǎn)較高的糧食作物[12],穗型是水稻的重要形態(tài)特征之一,徐正進(jìn)等按穗頸彎曲度劃分為直立穗型、半直立穗型和彎曲穗型[13],近年來(lái)直立和半直立穗型品種的種植面積逐年擴(kuò)大,為進(jìn)一步提高單產(chǎn)水平起到了重要作用[14]。 但當(dāng)前關(guān)于生物炭的研究多集中在生物炭種類、施用年限、環(huán)境條件等方面,針對(duì)不同穗型品種的北方粳稻研究還很少。 因此,本試驗(yàn)選擇直立穗型和半直立穗型粳稻品種作為試材,研究不同生物炭施用量對(duì)不同穗型粳稻物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量的影響,為生物炭在北方粳稻生產(chǎn)應(yīng)用上提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試水稻品種為直立穗型品種北粳1 號(hào)和半直立穗型品種鐵粳11,生物炭由遼寧生物炭工程技術(shù)研究中心將水稻秸稈在400～500 ℃熱解缺氧條件下生產(chǎn),生物炭主要理化性質(zhì)為氮含量1.33%,磷含量0.61%,鉀含量2.45%,碳含量58.97%,pH 值9.14。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020～2021年在鐵嶺市農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)水稻試驗(yàn)田進(jìn)行,0～20 cm 土層營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)全氮含量1.43 g/kg,全磷含量0.71 g/kg,全鉀含量18.36 g/kg,速效氮含量121.62 mg/kg,速效磷含量19.25 mg/kg,速效鉀含量85.29 mg/kg,有機(jī)質(zhì)含量14.24 g/kg,pH 值6.21。 采用裂區(qū)設(shè)計(jì),生物炭作為主區(qū),品種作為副區(qū),試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理,①不施生物炭(CK);②施入生物炭7.5 t/hm2;③施入生物炭15 t/hm2。 每處理重復(fù)3 次,小區(qū)面積30 m2。生物炭在水稻移栽前一次性施入,均勻分散到土壤表面混勻,氮肥為基肥∶蘗肥∶穗肥=5 ∶3 ∶2 施入46%尿素456.5 kg/hm2,磷肥做基肥一次性施入12%過磷酸鈣875 kg/hm2,鉀肥為基肥∶穗肥= 1 ∶1 施入52%硫酸鉀202 kg/hm2,其他栽培管理措施按照常規(guī)生產(chǎn)技術(shù)管理。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 干物質(zhì)積累

在水稻抽穗期和成熟期每小區(qū)取代表性植株5 穴。將葉片、莖和穗分開后在鼓風(fēng)烘箱中烘干(105 ℃下殺青30 min,80 ℃下烘干),稱干重。

1.3.2 產(chǎn)量及構(gòu)成因素

每小區(qū)實(shí)割6 m2,涼干后按照標(biāo)準(zhǔn)含水量計(jì)算產(chǎn)量;每小區(qū)調(diào)查10 穴測(cè)定有效穗,以平均每穴穗數(shù)為標(biāo)準(zhǔn),在每小區(qū)取代表性植株4 穴,測(cè)定其每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重等性狀。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 進(jìn)行整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 采用DPS 7.05 軟件對(duì)不同處理間差異進(jìn)行方差分析,所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均以平均值形式表達(dá)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭施量對(duì)不同穗型粳稻干物質(zhì)積累的影響

表1顯示了不同生物炭施量下北粳1 號(hào)和鐵粳11 營(yíng)養(yǎng)和生殖器官的干物質(zhì)積累。

表1 不同生物炭施量下植株干物質(zhì)積累

在抽穗期,與不施生物炭相比,施用7.5 t/hm2生物炭使北粳1 號(hào)的葉、穗和總干物質(zhì)重分別顯著增加9.2%、6.3%和7.9%,而對(duì)莖干物重沒有顯著影響,施用15 t/hm2生物炭使北粳1 號(hào)的葉、莖、穗和總干物質(zhì)重分別顯著增加20.7%、11.7%、9.1%和13.6%;在成熟期,施用7.5 t/hm2生物炭使北粳1 號(hào)的葉、莖、穗和總干物質(zhì)重分別顯著增加6.5%、7.1%和6.3%,對(duì)莖干物重沒有顯著影響;施用15 t/hm2生物炭使北粳1 號(hào)的葉、莖、穗和總干物質(zhì)重分別顯著增加15.8%、6.4%、10.1%和10.0%。

在抽穗期,與不施生物炭相比,施用7.5 t/hm2生物炭使鐵粳11 的葉、莖和總干物質(zhì)重分別顯著增加12.9%、10.2%和10.3%,而對(duì)穗干物重沒有顯著影響,施用15 t/hm2生物炭使鐵粳11 的葉、莖、穗和總干物質(zhì)重分別顯著增加17.6%、14.4%、17.3%和15.9%;在成熟期,施用7.5 t/hm2生物炭使鐵粳11 的葉、穗和總干物質(zhì)重分別顯著增加8.4%、7.6%和8.1%,施用15 t/hm2生物炭使鐵粳11 的葉、莖、穗和總干物質(zhì)重分別顯著增加9.8%、11.9%、13.5%和12.4%。

可見,無(wú)論是直立穗型品種北粳1 號(hào)還是半直立穗型品種鐵粳11,在施用7.5 t/hm2和15 t/hm2生物炭后都能使抽穗期和成熟期的植株各器官干物重有所增加,且施用15 t/hm2生物炭量對(duì)提升干物質(zhì)重更具優(yōu)勢(shì)。

2.2 不同生物炭施量對(duì)粳稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

表2表明,與不施生物炭相比,施用7.5 t/hm2生物炭對(duì)北粳1 號(hào)的有效穗、結(jié)實(shí)率和千粒重沒有顯著影響,但使每穗總粒數(shù)和產(chǎn)量分別顯著增加7.7%和6.6%;施用15 t/hm2生物炭對(duì)北粳1 號(hào)的有效穗和千粒重沒有顯著影響,但使每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量分別顯著增加9.8%、4.7%和11.2%。

表2 不同生物炭施量下產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

與不施生物炭相比,施用7.5 t/hm2生物炭對(duì)鐵粳11的有效穗、每穗總粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量都沒有顯著影響,施用15 t/hm2生物炭對(duì)鐵粳11 的有效穗、每穗總粒數(shù)分別顯著增加6.0% 和6.1%,進(jìn)而使得產(chǎn)量顯著增加7.4%。

可見施用7.5 t/hm2生物炭可以顯著增加北粳1 號(hào)的每穗總粒數(shù)和產(chǎn)量,但對(duì)鐵粳11 的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素沒有顯著影響;施用15 t/hm2生物炭時(shí),北粳1 號(hào)的每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率明顯升高,導(dǎo)致產(chǎn)量顯著增加,而鐵粳11產(chǎn)量的顯著增加是因?yàn)橛行霐?shù)和每穗總粒數(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論與討論

水稻產(chǎn)量形成的關(guān)鍵是花后干物質(zhì)生產(chǎn)、積累、轉(zhuǎn)運(yùn)與分配[15],穗型差異會(huì)影響群體光分布、消光系數(shù)和物質(zhì)生產(chǎn),對(duì)產(chǎn)量有著至關(guān)重要的影響[16],生物炭對(duì)直立穗型品種北粳1 號(hào)和半直立穗型品種鐵粳11 的物質(zhì)生產(chǎn)及產(chǎn)量的影響也存在差異性。 有研究認(rèn)為施用生物炭能夠提高水稻PSⅡ反應(yīng)中心的光能轉(zhuǎn)換效率、潛在活性和開放比例,提高灌漿期葉片的光合功能[5],有效促進(jìn)水稻干物質(zhì)的生產(chǎn)積累[17～18]。 本研究表明,無(wú)論是直立穗型品種北粳1 號(hào)還是半直立穗型品種鐵粳11,在施用7.5 t/hm2和15 t/hm2生物炭后都能使抽穗期和成熟期的植株各器官干物重有所增加,且施用15 t/hm2生物炭量對(duì)提升干物質(zhì)重更具優(yōu)勢(shì)。 在水稻進(jìn)入抽穗期時(shí),施用7.5 t/hm2生物炭使北粳1 號(hào)和鐵粳11 的總干物質(zhì)量分別顯著增加7.9%、10.3%,施用15 t/hm2生物炭使北粳1 號(hào)和鐵粳11的總干物質(zhì)量分別顯著增加13.6%、15.9%;到成熟期時(shí),施用7.5 t/hm2生物炭使北粳1 號(hào)和鐵粳11 的總干物質(zhì)量分別顯著增加6.3%、8.1%,施用15 t/hm2生物炭使北粳1 號(hào)和鐵粳11 的總干物質(zhì)量分別顯著增加10.0%、12.4%。 生物炭促使水稻干物質(zhì)生產(chǎn)積累量增加的原因可能是由于生物炭比表面積大、孔隙多,施入土壤后能作為養(yǎng)分增效載體,對(duì) NH4+、NO3-等離子具有良好的吸附緩釋性,為水稻生長(zhǎng)持續(xù)供應(yīng)營(yíng)養(yǎng)養(yǎng)分,進(jìn)而促進(jìn)干物質(zhì)生產(chǎn)積累[19～21],同時(shí)生物炭本身含有的有機(jī)小分子物質(zhì)可能參與某些內(nèi)源激素合成,調(diào)控植株內(nèi)源激素含量,有利于促進(jìn)水稻生長(zhǎng)[22]。

生物炭對(duì)作物的產(chǎn)量影響受生物炭本身特性、施用量、作物和土壤類型以及田間管理等多方面因素的影響。Jeffery 等系統(tǒng)分析了生物炭與作物產(chǎn)量之間的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)施用生物炭的平均增產(chǎn)幅度約為10%,但在-28%～39%之間的范圍波動(dòng)[23]。 Zhang 等研究認(rèn)為施用生物炭能在2年內(nèi)持續(xù)提高水稻產(chǎn)量,增產(chǎn)率為 8%～12%[24]。Asai 等研究認(rèn)為,增加生物炭用量使得水稻產(chǎn)量隨之增加,但當(dāng)施用量達(dá)16 t/hm2時(shí),水稻因氮素缺乏而使產(chǎn)量不再增加[25]。 張偉明等研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭顯著增加水稻有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率,增產(chǎn)25.3%[26]。 本研究發(fā)現(xiàn),施用7.5 t/hm2生物炭可以顯著增加北粳1號(hào)的每穗總粒數(shù)和產(chǎn)量分別達(dá)7.7%和6.6%,但對(duì)鐵粳11 的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素沒有顯著影響;施用15 t/hm2生物炭時(shí),北粳1 號(hào)的每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率顯著升高9.8%和4.7%,導(dǎo)致產(chǎn)量顯著增加11.2%。 而鐵粳11 產(chǎn)量的顯著增加是因?yàn)橛行霐?shù)和每穗總粒數(shù)的顯著增加6.0%和6.1%,進(jìn)而使得產(chǎn)量顯著增加7.4%,這與劉磊等發(fā)現(xiàn)生物炭有增加早稻有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)的趨勢(shì)一致,即提高總穎花數(shù),使水稻庫(kù)容量增大,更有利于光合產(chǎn)物輸出到籽粒中[27]。 施用生物炭對(duì)直立穗型品種北粳1 號(hào)和半直立穗型品種鐵粳11都具有增產(chǎn)效應(yīng),可能是由于生物炭的特殊微孔結(jié)構(gòu),為微生物棲息和繁殖提供了良好的生存環(huán)境,增強(qiáng)土壤微生物功能作用[28],同時(shí)能夠吸附養(yǎng)分離子和其它有機(jī)物質(zhì),降低養(yǎng)分流失,提高根際土壤酶活性,增加土壤的有機(jī)碳含量和堿解氮含量,促進(jìn)水稻對(duì)氮素養(yǎng)分的吸收,從而使產(chǎn)量增加[4,29～30]。 但直立穗型品種北粳1 號(hào)比半直立穗型品種鐵粳11 對(duì)生物炭的響應(yīng)更為敏感,無(wú)論是施用7.5 t/hm2還是15 t/hm2生物炭都能夠顯著提高北粳1 號(hào)產(chǎn)量,而鐵粳11 的產(chǎn)量只有在施用15 t/hm2生物炭時(shí)才能出現(xiàn)顯著的提升效應(yīng),這可能與不同穗型品種本身群體冠層光分布的差異性有關(guān)[31]。