夜間增溫下生物炭配施硅肥對(duì)水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

周欣　婁運(yùn)生　杜澤云　高安妮　郭峻泓　潘德豐

摘要：通過田間模擬增溫試驗(yàn)，研究生物碳配施硅肥對(duì)夜間增溫下江蘇沿江地區(qū)單季稻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。采用3因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，用鋁箔反光膜夜間覆蓋水稻植株冠層模擬夜間增溫（19：00至次日06：00），增溫設(shè)3水平，即W0（常溫對(duì)照，不覆蓋鋁箔膜）、W1（覆蓋5 mm鋁箔膜）和W2（覆蓋11 mm鋁箔膜）；生物炭施用量設(shè)3水平，即B0（對(duì)照，不施生物炭）、B1（施10 t/hm²生物炭）和B2（施25 t/hm²生物炭）；硅肥施用量設(shè)3水平，即Si0（對(duì)照，不施硅）、Si1（鋼渣粉，200 kg/hm²SiO₂）和Si2（礦粉，200 kg/hm²SiO₂）。結(jié)果表明，夜間增溫明顯降低水稻株高，提高葉面積指數(shù)（LAI）和葉綠素含量（SPAD值），顯著降低水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和產(chǎn)量，減產(chǎn)率19.66%～28.73%。施生物炭顯著提高有效穗數(shù)，結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量，提高蛋白質(zhì)含量。施硅明顯提高水稻每穗粒數(shù)和蛋白質(zhì)含量。從產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)效益綜合來(lái)看，試驗(yàn)最佳處理組合為W1B2Si2，即夜間增溫下稻田施用25 t/hm²生物炭和200 kg/hm²礦粉，可明顯提高產(chǎn)量、改善品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：夜間增溫；生物炭；硅肥；水稻；產(chǎn)量；品質(zhì)

中圖分類號(hào)：S511.06文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002-1302（2023）11-0080-07

氣候變暖是氣候變化的顯著特征之一，將加劇糧食生產(chǎn)的不確定性，威脅國(guó)家糧食安全［1］。氣候變暖表現(xiàn)為晝夜不對(duì)稱增溫，即夜間氣溫增幅大于白天［2-3］。氣候變暖引起土壤濕度、溫度及養(yǎng)分狀況等變化，使作物生育期縮短，干物質(zhì)積累量下降，影響作物產(chǎn)量及品質(zhì)［4-7］。通過模擬增溫試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)能降低水稻植株葉片凈光合速率，提高灌漿期熒光耗散量，增強(qiáng)呼吸作用，降低干物質(zhì)積累和產(chǎn)量［8-9］。模擬增溫對(duì)水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的不同影響，可能與不同種植制度、區(qū)域氣候條件、供試品種及增溫方式等有關(guān)［10-12］。

優(yōu)化調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和制度、改良土壤和合理施肥，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)對(duì)和適應(yīng)氣候變化的重要措施［13］。硅是水稻、小麥等禾谷類作物生長(zhǎng)有益元素［14-15］。長(zhǎng)江中下游地區(qū)稻麥輪作農(nóng)田土壤有效硅含量普遍較低［16］。施硅可促進(jìn)水稻植株葉片增厚，降低蒸騰失水，促進(jìn)養(yǎng)分吸收，提高光合和抗逆能力，增加產(chǎn)量，改善品質(zhì)［17-20］。生物炭是一種富含穩(wěn)定有機(jī)碳、具有多孔結(jié)構(gòu)的土壤改良劑。施生物炭可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，增加土壤含水量，降低容重，改善通氣性，提高土壤肥力，優(yōu)化根系形態(tài)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，增加干物質(zhì)積累和收獲指數(shù)，提高產(chǎn)量，改善品質(zhì)［21-27］。

氣候變暖影響水稻生產(chǎn)，施生物炭或硅肥可改良土壤，促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，但能否緩解增溫對(duì)長(zhǎng)江下游地區(qū)水稻生產(chǎn)不利影響，鮮見相關(guān)報(bào)道。本研究通過大田模擬增溫試驗(yàn)，探析夜間增溫下生物炭配施硅對(duì)水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，為區(qū)域水稻生產(chǎn)應(yīng)對(duì)氣候變化及保障糧食安全提供參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

田間模擬增溫試驗(yàn)于2021年6—10月在南京市浦口區(qū)教學(xué)科研試驗(yàn)站（32.0°N，118.8°E）進(jìn)行。該站地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫15.6 ℃，年均降水量1 100 mm。供試土壤為灰馬肝土，屬潴育型水稻土，土壤有機(jī)碳含量19.5 g/kg，全氮含量 1.5 g/kg，土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，黏粒含量 26.1 g/kg，pH值6.2（1 ∶1土水比）。供試水稻品種為南粳5055，適宜在江蘇省沿江及蘇南地區(qū)種植。供試氮磷鉀肥料為高濃度復(fù)合肥（15%-15%-15%）。供試硅肥為鋼渣和礦粉，其有效硅（SiO₂）含量分別為14.2%和32.3%。供試生物炭為稻殼生物炭，有機(jī)碳含量50%。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用3因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，3因素為夜間增溫（A）、生物炭施用量（B）和硅肥施用量（C）。夜間增溫設(shè) 3水平，即W0（常溫對(duì)照，不覆蓋鋁箔膜）、W1（覆蓋5 mm鋁箔膜）和W2（覆蓋11 mm鋁箔膜）。生物炭設(shè)3水平，即B0（不施生物炭）、B1（10 t/hm²生物炭）和B2（25 t/hm²生物炭）。硅肥設(shè)3水平，即Si0（不施硅）、Si1（鋼渣硅肥）和Si2（礦粉硅肥），用量均為200 kg/hm²。夜間增溫采用開放式被動(dòng)增溫方法，即在水稻生育期內(nèi)于小區(qū)四周架設(shè)高度可調(diào)的鋼架以固定鋁箔反光膜，夜間（19：00至06：00）用鋁箔膜覆蓋植株冠層，根據(jù)水稻生育進(jìn)程及時(shí)調(diào)整鋁箔膜高度，使鋁箔膜與冠層間距保持30 cm左右。在惡劣天氣如降雨或大風(fēng)天氣時(shí)不覆蓋鋁箔膜，以避免覆蓋鋁箔膜阻擋降雨及大風(fēng)造成增溫設(shè)施破壞（風(fēng)速>10 m/s）。采用溫度記錄儀自動(dòng)記載水稻冠層溫度。

供試水稻種子經(jīng)消毒、浸種處理，2021年5月10日播入苗床育苗，6月12日大田移栽。水稻移栽前試驗(yàn)田耕作整地，每小區(qū)施入氮磷鉀復(fù)合肥（N、P₂O₅、K₂O含量均為15%）315 g作為基肥，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)將生物炭和硅肥隨基肥施入土壤。小區(qū)面積為 2 m×2 m=4 m²，隨機(jī)排列。除曬田和成熟后期外，通過自動(dòng)灌溉使田間水層保持5 cm左右。田間病蟲害防治和除草采用常規(guī)田間管理。

1.3測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1水稻植株生長(zhǎng)、生理指標(biāo)測(cè)定在水稻主要生育期每周測(cè)定植株生長(zhǎng)、生理指標(biāo)，包括株高、葉綠素含量及葉面積指數(shù)等。各小區(qū)選取3株代表性植株分別測(cè)量株高。葉片葉綠素含量（SPAD值）用葉綠素儀測(cè)定。葉面積指數(shù)用植物冠層分析儀（LP-80）測(cè)定，各小區(qū)選取3個(gè)分散位點(diǎn)，分別測(cè)定葉面積指數(shù)并取平均值。

1.3.2水稻產(chǎn)量和品質(zhì)測(cè)定水稻成熟時(shí)，在各小區(qū)中間選取0.25 m²（0.5 m×0.5 m）長(zhǎng)勢(shì)均勻區(qū)域進(jìn)行收割，測(cè)定有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、空秕飽數(shù)和結(jié)實(shí)率。常規(guī)風(fēng)干晾曬后，用脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒，測(cè)定千粒質(zhì)量和產(chǎn)量。

參照GB/T 17891—2017《優(yōu)質(zhì)稻谷》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定稻米加工品質(zhì)，采用壟谷機(jī)脫殼得到糙米，將糙米用全智能精米機(jī)進(jìn)行拋光處理，用孔徑2.5 mm不銹鋼篩網(wǎng)去除不完整精米，得到整精米，分別計(jì)算糙米率、精米率和整精米率。參照GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量的測(cè)定》《雙波長(zhǎng)測(cè)定支鏈淀粉、直鏈淀粉含量》、GB 5009.5—2016《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》測(cè)定稻米直鏈淀粉含量、支鏈淀粉含量、總淀粉含量及蛋白質(zhì)含量。

1.3.3環(huán)境因子測(cè)定溫度、降水和日照時(shí)數(shù)等氣象數(shù)據(jù)，由試驗(yàn)田氣象觀測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)記錄。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)和極差分析，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行方差分析和多重比較，利用Origin 2020軟件進(jìn)行繪圖。

2結(jié)果與分析

2.1夜間增溫效果

與對(duì)照（W0）相比，夜間增溫（W1、W2）下，夜間植株冠層平均溫度分別升高0.12、0.04 ℃，最大值分別升高0.55、0.46 ℃，最小值分別升高0.09、0.05 ℃（表1）。

2.2不同處理對(duì)水稻生長(zhǎng)、生理指標(biāo)的影響

2.2.1株高方差分析結(jié)果（表2）表明，在水稻關(guān)鍵生育期（拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期）中，夜間增溫在灌漿期對(duì)水稻株高有顯著影響（P<0.05），在成熟期對(duì)株高有極顯著影響（P<0.01）；生物炭施用量在灌漿期和成熟期對(duì)株高有顯著影響（P<0.05）；硅肥施用量在成熟期有顯著影響（P<0.05）。極差分析結(jié)果（表3）表明，與W0相比，W1和W2分別降低5.11%和4.28%；與B0相比，B1和B2分別增加3.89%和4.51%；與Si0相比，Si1和Si2分別增加1.65%和3.83%。3因素對(duì)水稻株高的影響程度為夜間增溫>生物炭施用量>硅肥施用量。其中，W0B2Si2處理的水稻株高均值最大，即夜間不增溫、施用25 t/hm²生物炭 200 kg/hm²和礦粉可明顯增加株高（圖1）。

2.2.2葉面積指數(shù)（LAI）方差分析結(jié)果（表2）表明，在水稻關(guān)鍵生育期中，夜間增溫在灌漿期對(duì)水稻LAI有顯著影響（P<0.05），生物炭施用量在灌漿期對(duì)水稻LAI有極顯著影響（P<0.01），硅肥施用量在灌漿期對(duì)水稻也有極顯著影響（P<0.01）。極差分析結(jié)果（表3）表明，與W0相比，W1和W2分別增加0.58%和0.29%；與B0相比，B1和B2分別增加8.64%和12.96%；與Si0相比，Si1增加0.85%，Si2降低6.78%。3因素對(duì)水稻LAI影響程度為生物炭施用量>硅肥施用量>夜間增溫。其中，W1B2Si1處理的葉面積指數(shù)均值最大，即夜間覆蓋5 mm膜、施25 t/hm²生物炭和200 kg/hm²鋼渣粉，可明顯提高水稻葉面積指數(shù)（圖1）。

2.2.3葉綠素含量（SPAD）方差分析結(jié)果（表2）表明，夜間增溫在拔節(jié)期對(duì)水稻SPAD有顯著影響（P<0.05），生物炭和硅肥施用量對(duì)水稻SPAD影響不顯著（P>0.05）。極差分析結(jié)果（表3）表明，與W0相比，W1和W2分別增加1.52%和0.66%；與B0相比，B1和B2分別降低1.49%和2.22%；與Si0相比，Si1和Si2分別降低0.46%和3.48%。3因素對(duì)水稻SPAD影響程度為硅肥施用量>生物炭施用量>夜間增溫。其中，W1B0Si0處理的葉綠素含量均值最高，即夜間覆蓋5 mm反光膜、不施生物炭和硅肥條件下，水稻葉綠素含量最高（圖1）。

2.3不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

表4表明，水稻有效穗數(shù)最大的處理為W1B2Si0，最小的為W1B0Si1，2個(gè)處理相差101個(gè)。每穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量最大的處理均為W1B1Si2，最小的處理為W1B0Si1和W0B2Si2，分別相差69粒和3.04 g。結(jié)實(shí)率最高的處理為W2B1Si0，最低的處理為W1B2Si0，兩者分別為94.44%、82.25%，相差12.19百分點(diǎn)。產(chǎn)量最高的處理為W1B2Si0，最低的處理為W2B1Si0，兩者相差13.69 t/hm²。

水稻產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成方差分析結(jié)果（表5）表明，夜間增溫對(duì)水稻結(jié)實(shí)率的影響極顯著（P<0.01），生物炭施用量對(duì)水稻有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量的影響均達(dá)顯著水平（P<0.05），硅肥施用量對(duì)水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成無(wú)顯著影響（P>0.05）。

3因素對(duì)有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和產(chǎn)量的影響程度均為生物炭施用量>硅肥施用量>夜間增溫；對(duì)千粒質(zhì)量和結(jié)實(shí)率的影響程度為夜間增溫>生物炭施用量>硅肥施用量（圖2）。

2.4不同處理對(duì)稻米品質(zhì)的影響

由表6可見，與常溫對(duì)照相比，夜間增溫可改善水稻糙米率、精米率和整精米率，提高支鏈淀粉含量，降低直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量。加工品質(zhì)（糙米率、精米率和整精米）最好的處理是W2B0Si2，但直鏈淀粉含量最低；加工品質(zhì)（糙米率、精米率、整精米）最差的處理是W0B2Si2，但蛋白質(zhì)含量卻最高。加工品質(zhì)（糙米率、精米率和整精米率）最大值和最小值分別相差4.40、8.36、8.32百分點(diǎn)，營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)（直鏈淀粉、支鏈淀粉、蛋白質(zhì)含量）最大值和最小值分別相差9.61、15.69、1.75百分點(diǎn)。夜間增溫、生物炭施用量和硅肥施用量對(duì)加工品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)均無(wú)顯著影響（P>0.05）（表7）。

由極差分析結(jié)果可知，3因素對(duì)糙米率、精米率和整精米率的影響程度均為生物炭施用量>夜間增溫>硅肥施用量。對(duì)直鏈淀粉含量的影響程度為夜間增溫>硅肥施用量>生物炭施用量，對(duì)支鏈淀粉含量的影響程度為夜間增溫>硅肥施用量>生物炭施用量，對(duì)蛋白質(zhì)含量的影響程度為生物炭施用量>硅肥施用量>夜間增溫（圖3）。

3討論

3.1不同處理對(duì)水稻生長(zhǎng)、生理指標(biāo)的影響

水稻植株生長(zhǎng)狀況、葉面積指數(shù)（LAI）和葉綠素含量（SPAD）是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)［28］。夜間增溫、硅肥施用量和生物炭施用量對(duì)水稻株高和LAI均有明顯影響（表2）。夜間增溫顯著降低水稻灌漿期、成熟期株高，顯著提高灌漿期LAI和拔節(jié)期SPAD（表2）。增溫加快水稻生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程，提高LAI和SPAD值，但株高降低，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響。原因可能在于夜間增溫降低了水稻植株葉片光合速率，而促進(jìn)夜間呼吸作用，不利于光合產(chǎn)物的積累［29-30］。生物炭施用量明顯提高水稻株高，增加葉面積指數(shù)。原因在于，施用生物炭可提高土壤膠體吸附固持能力，減少養(yǎng)分損失，提高土壤酶活性，改善土壤肥力，促進(jìn)植株生長(zhǎng)［31-34］。硅肥施用量顯著提高水稻灌漿-成熟期LAI和株高，可能在于水稻對(duì)硅的吸收大部分發(fā)生于孕穗-成熟期［35］。

3.2不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

水稻產(chǎn)量是由單位面積穗數(shù)、每穗粒數(shù)、成粒率和粒質(zhì)量4個(gè)基本因素構(gòu)成。抽穗前有效穗的形成，抽穗后籽粒灌漿及灌漿飽滿度，是決定水稻產(chǎn)量的3個(gè)關(guān)鍵過程。夜間增溫雖然提高水稻千粒質(zhì)量和結(jié)實(shí)率，但降低有效穗數(shù)、穗粒數(shù)，所以處理間產(chǎn)量差異不顯著（圖2），可能是夜間溫度升高促進(jìn)植株呼吸作用，消耗較多的光合產(chǎn)物，導(dǎo)致水稻成穗率及有效穗數(shù)降低。此外，水稻分化穎花數(shù)與植株莖稈健壯程度密切相關(guān)，夜間增溫使日最低氣溫升高，植株生長(zhǎng)加快，莖稈細(xì)弱，葉片易早衰，光合速率下降，導(dǎo)致產(chǎn)量降低［36］。夜間增溫提高水稻結(jié)實(shí)率，原因在于，結(jié)實(shí)率對(duì)溫度較敏感，溫度升高可能促進(jìn)柱頭花粉萌發(fā)率，進(jìn)而提高結(jié)實(shí)率［37］。增溫提高土壤酶活性和有機(jī)氮釋放，促進(jìn)氮素吸收。植株氮含量與光合作用及物質(zhì)生產(chǎn)密切相關(guān)，影響結(jié)實(shí)率及千粒質(zhì)量［38］。生物炭施用量顯著提高水稻有效穗數(shù)（表5、圖2），原因可能在于施生物炭可改善土壤熱性質(zhì)，調(diào)節(jié)土壤溫度［39］。生物炭還可增加

土壤孔隙度，降低土壤容重，提高土壤有機(jī)碳含量和土壤微生物活性，促進(jìn)地下部生長(zhǎng)，提高養(yǎng)分吸收能力。施硅可促進(jìn)水稻氮素吸收，提高穗長(zhǎng)和小穗數(shù)，增加產(chǎn)量［40-42］。

3.3不同處理對(duì)稻米品質(zhì)的影響

與對(duì)照相比，夜間增溫對(duì)稻米加工品質(zhì)（糙米率、精米率和整精米率）有一定促進(jìn)作用（圖3），這與前人研究［43］不同，原因可能與模擬增溫方法及增溫幅度有關(guān)。本試驗(yàn)采用開放式被動(dòng)增溫方法，增溫幅度1 ℃左右，而后者采用開放式主動(dòng)增溫方法，增溫幅度5 ℃左右。水稻灌漿-成熟期溫度變化對(duì)稻米直鏈淀粉、支鏈淀粉含量及比率有顯著影響［44-45］。施用稻殼生物炭降低稻米的糙米率、精米率［46］。本試驗(yàn)中，施用稻殼生物炭降低水稻加工品質(zhì)，隨生物炭用量增加，降低效果越明顯（圖3），原因可能在于施用生物炭影響土壤理化性質(zhì)，如土壤熱性質(zhì)及養(yǎng)分有效性，進(jìn)而影響植株植株?duì)I養(yǎng)和生殖生長(zhǎng)［47-48］。施硅可調(diào)控水稻產(chǎn)量和品質(zhì)，但施用不同硅肥的效果有差異（圖3）。施用硅肥可改善稻米加工品質(zhì)（精米率和整精米率）、增加支鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量，但礦粉效果優(yōu)于鋼渣，可能在于礦粉有效硅含量較高，有利于水稻吸收利用［49］。

總體上，生物炭配施硅肥可改善夜間增溫對(duì)水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成的不利影響。稻米品質(zhì)與水稻品種及田間管理等有關(guān)，本研究供試品種只有1個(gè)，同時(shí)受天氣、氣候及土壤等因素綜合影響，還有待深入研究。

4結(jié)論

夜間增溫降低水稻株高和LAI，減少水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和產(chǎn)量。夜間增溫對(duì)水稻加工品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)有促進(jìn)作用。施生物炭和硅肥可促進(jìn)水稻每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，增加產(chǎn)量。生物炭可緩解增溫對(duì)水稻產(chǎn)量及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的不利影響。施硅可提高水稻加工品質(zhì)、支鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量。綜合考慮產(chǎn)量和品質(zhì)，試驗(yàn)最佳處理組合為W1B2Si2，即施用25 t/hm²生物炭和200 kg/hm²礦粉，可明顯減緩夜間增溫對(duì)水稻產(chǎn)量和品質(zhì)造成的不利影響。

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