引言

　　水稻覆膜能夠有效控制雜草生長(zhǎng)，減少除草劑施用，提高肥料利用率，是一項(xiàng)具有增產(chǎn)增效、資源高效利用、綠色生態(tài)環(huán)保效果優(yōu)良的技術(shù)。近些年來(lái)，隨著生物可降解膜的出現(xiàn)和覆膜機(jī)的應(yīng)用，覆膜種植越來(lái)越受到歡迎。前期研究表明，覆膜會(huì)影響土壤養(yǎng)分的可持續(xù)利用，不利于土壤的可持續(xù)利用。隨著人們生態(tài)環(huán)境安全意識(shí)的加強(qiáng)，對(duì)水稻綠色栽培生產(chǎn)也有了更高的要求，既要保證作物持續(xù)增產(chǎn)又要能保持良好的生態(tài)環(huán)境。而提高土壤養(yǎng)分和肥料利用效率，科學(xué)利用新型肥料是關(guān)鍵因素。生物炭基肥是一種以生物炭為載體，與傳統(tǒng)肥料復(fù)合而成的新型緩釋肥料，具有一定的保肥增效、固氮減排、增產(chǎn)提質(zhì)功能。為緩解和改善覆膜帶來(lái)的不利影響，完善水稻覆膜種植技術(shù)，研究覆膜機(jī)插種植施用炭基肥對(duì)水稻綠色栽培生產(chǎn)具有重要意義。

　　多項(xiàng)研究表明，施用炭基肥及炭基肥增施能夠促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，提高其產(chǎn)量。石呂等發(fā)現(xiàn)施用生物炭能夠通過(guò)提高穗數(shù)、結(jié)實(shí)率來(lái)增加水稻產(chǎn)量和干物質(zhì)積累。王耀鋒等研究表明生物炭處理顯著提高稻谷產(chǎn)量 16.7%～18.4%，單獨(dú)施用或與肥料增施均提高水稻對(duì)養(yǎng)分的吸收。施用生物炭顯著改善土壤結(jié)構(gòu)養(yǎng)分，提高水稻地上部氮素積累量，促進(jìn)水稻對(duì)氮素的吸收，提高氮素利用效率。ROY 等研究表明，與常規(guī)肥料相比，施用生物炭肥料的氮表觀利用效率比常規(guī)肥料高 11.7～29.5%。徐彬等研究指出減氮增施生物炭能夠顯著增加水稻產(chǎn)量，提高氮肥利用效率和促進(jìn)水稻對(duì)氮素的積累。段建軍等研究結(jié)果表明減氮增施生物炭顯著影響貴州黃壤稻田水稻地上部氮素積累量和氮素利用效率，水稻氮素積累量隨生物炭用量增加先增后減。生物質(zhì)炭基肥在水稻生產(chǎn)中的應(yīng)用有大量研究，但有關(guān)覆膜稻田施用炭基肥如何影響稻田環(huán)境和水稻產(chǎn)量則鮮有報(bào)道。因此，本研究通過(guò)兩年的大田試驗(yàn)，設(shè)置炭基肥與炭基肥增施生物炭處理，研究其對(duì)覆膜水稻關(guān)鍵生長(zhǎng)期氮素積累和吸收利用、產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響，為覆膜水稻肥料高效利用及施用提供理論依據(jù)，以期為水稻綠色高效生產(chǎn)提供新方式。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

　　試驗(yàn)于 2021 年和 2022 年在中國(guó)水稻研究所富陽(yáng)試驗(yàn)基地進(jìn)行。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔高度 300.5m。2021 年平均溫度 18.7℃，年降雨量 1739.5mm，年日照時(shí)數(shù) 1691.7h。2022 年平均溫度 18.25℃，年降雨量 1177mm，年日照時(shí)數(shù) 1733.5h。試驗(yàn)點(diǎn)常年連作水稻，冬閑。0-20cm 土壤基本理化特性：全氮 2.48g/kg，有機(jī)質(zhì) 49.78g/kg，pH 值 6.26，有效磷 16.87mg/kg，速效鉀 146.83mg/kg。

　　1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

　　1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　2021 年大田試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。試驗(yàn)采用兩個(gè)品種，每個(gè)品種設(shè)置 3 個(gè)處理：CK，覆膜機(jī)插種植，不施氮;T1，覆膜機(jī)插種植，施用緩釋肥(質(zhì)量比，N:P₂O₅:K₂O=26:10:15)，施用量為 750kg/hm²，純氮量 195kg/hm²;T2，覆膜機(jī)插種植，施用炭基肥(質(zhì)量比，N:P₂O₅:K₂O=10:4:8)，施用量為 1950kg/hm²，純氮量 195kg/hm²。每個(gè)小區(qū)磷鉀肥用量相同。每個(gè)處理 3 次重復(fù)，共 18 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積 91.65m²(長(zhǎng) × 寬 = 23.5m×3.9m)。

　　2022 年大田試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。試驗(yàn)采用兩個(gè)品種，每個(gè)品種設(shè)置 4 個(gè)處理：CK，覆膜機(jī)插種植，不施氮;T2，覆膜機(jī)插種植，施用炭基肥(質(zhì)量比 N:P₂O₅:K₂O=10:4:8，施用量為 1950kg/hm²，純氮量 195kg/hm²;T3，覆膜機(jī)插種植，施用 1950kg/hm² 炭基肥 + 6t/hm² 生物炭，純氮量 195kg/hm²;T4，覆膜機(jī)插種植，施用 1950kg/hm² 炭基肥 + 12t/hm² 生物炭，純氮量 195kg/hm²;磷鉀肥施用量補(bǔ)到每個(gè)小區(qū)相同用量。每個(gè)處理 3 次重復(fù)，共 24 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積 91.65m²(長(zhǎng) × 寬 = 23.5m×3.9m)。

　　1.2.2 田間種植與管理

　　供試品種為甬優(yōu) 538(YY538)和浙禾香 2 號(hào)(ZHX2)。甬優(yōu) 538 由寧波市種子有限公司選育，為秈粳雜交稻(偏粳)，全生育期 160d 左右。浙禾香 2 號(hào)由嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院選育，為優(yōu)質(zhì)粳型常規(guī)水稻，全生育期 165d 左右，兩個(gè)品種品質(zhì)較優(yōu)、生育期相近。生物降解地膜為巴斯夫(中國(guó))公司生產(chǎn)，幅寬 1.8m，厚度 0.01mm，覆膜后約 45d 開(kāi)始降解，最終生成 CO₂和 H₂O。2021 年 5 月 25 日播種，6 月 17 日移栽，不同處理 10 月 28 日～11 月 7 日收獲。2022 年 5 月 18 日播種，6 月 13 日移栽，不同處理 10 月 26 日～11 月 4 日收獲。用帶有覆膜機(jī)的洋馬插秧機(jī)機(jī)插，機(jī)插行株距為 30cm×18cm，每穴 2～3 本，栽插密度每畝 1.24 萬(wàn)叢。小區(qū)之間筑寬 30cm 田埂，并用塑料薄膜包裹。單區(qū)單灌，防止串水串肥。覆膜處理返青后采用覆膜濕潤(rùn)栽培水分管理，保持田面沒(méi)有水層，灌溉溝中有水，保證田間土壤含水量基本為飽和狀態(tài)。兩種肥料均有緩釋效果，能夠在水稻全生育期釋放完養(yǎng)分，各處理肥料按照試驗(yàn)方案一次性施用，移栽前一次性施肥。其他田間管理按大面積生產(chǎn)田進(jìn)行。

　　1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

　　1.3.1 莖蘗動(dòng)態(tài)

　　每個(gè)處理 3 個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)選取代表性水稻 10 叢，每 7d 定位調(diào)查記載移栽后的植株分蘗數(shù)。

　　1.3.2 干物質(zhì)積累

　　在分蘗期、穗分化期、齊穗期和成熟期四個(gè)時(shí)期，以平均莖蘗數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，每小區(qū)取代表性植株 3 叢，植株連根拔出，清洗，去根。把葉片、莖鞘、穗(齊穗期和成熟期)分開(kāi)裝袋烘干至恒重后稱量記錄，3 次重復(fù)。

　　1.3.3 莖、葉、穗部氮含量

　　于水稻分蘗期、穗分化期、齊穗期和成熟期取樣，按照莖蘗平均數(shù)取 4 叢，3 次重復(fù)。分莖、葉、穗部分別烘干，粉碎，過(guò)篩備用。取適量樣品采用濃 H₂SO₄-H₂O₂消煮，消煮好的樣品使用全自動(dòng)凱氏定氮儀(FOSS，KjeltecTM8400)測(cè)定氮含量。

　　1.3.4 考種與測(cè)產(chǎn)

　　于成熟期每個(gè)小區(qū)調(diào)查 30 叢有效穗數(shù)，并計(jì)算平均有效穗數(shù)，以平均有效穗數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，在小區(qū)不同區(qū)域取株高、穗型有代表性的 3 叢，測(cè)定其每穗總粒數(shù)和每穗實(shí)粒數(shù)，3 次重復(fù)。實(shí)割測(cè)產(chǎn)：每個(gè)小區(qū)選定 100 叢實(shí)割，單打單收和曬干后，測(cè)定稻谷質(zhì)量和含水率，然后折算成標(biāo)準(zhǔn)含水量 14.5% 記為實(shí)收產(chǎn)量，并從測(cè)產(chǎn)的樣本中取樣，測(cè)定千粒重，3 次重復(fù)。

　　1.3.5 氮肥參數(shù)計(jì)算公式

　　地上部植株吸氮量(kg/hm²)=∑(莖、葉、穗部干物質(zhì)量)×(莖、葉、穗含氮量);

　　氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)= 施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量 / 氮肥施用量;

　　氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率(kg/kg)= 施氮區(qū)地上部植株干物質(zhì)總量 / 成熟期地上部植株氮素積累量;

　　氮素稻谷生產(chǎn)效率(kg/kg)= 籽粒產(chǎn)量 / 成熟期地上部氮素積累量;

　　氮肥農(nóng)學(xué)利用效率(kg/kg)=(施氮處理籽粒產(chǎn)量−不施氮處理籽粒產(chǎn)量)/ 總施氮量;

　　氮肥吸收利用率 =(施肥處理成熟期地上部吸氮總量−未施肥處理成熟期地上部吸氮總量)/ 總施氮量。

　　上述參數(shù)公式依據(jù)張福鎖等和徐富賢等提出方法計(jì)算。

　　1.4 數(shù)據(jù)處理

　　運(yùn)用 Microsoft Excel 2013、SigmaPlot 10.0(Systat Software, Inc., London, UK)整理原始數(shù)據(jù)和作圖。利用 R 語(yǔ)言(R 4.1.1)分析包(Stats,Agricolae)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(One-way ANOVA)，采用 LSD 法進(jìn)行處理間的多重比較。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 炭基肥對(duì)覆膜水稻莖蘗動(dòng)態(tài)的影響

　　覆膜水稻莖蘗高峰都在移栽后 35～42d，炭基肥與炭基肥增施生物炭促進(jìn)水稻的早期分蘗，提高了有效分蘗數(shù)。不同品種受炭基肥及炭基肥增施生物炭處理的影響不同。在 2021 年，與 CK 相比，甬優(yōu) 538 的 T2 和 T1 處理的莖蘗生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)顯著差異。浙禾香 2 號(hào)的 T2 與 T1 處理均提高了水稻高峰苗數(shù)和有效分蘗數(shù)。在 2022 年，兩個(gè)品種高峰苗數(shù)表現(xiàn)為 T4>T3>T2>CK。與單純施炭基肥(T2)相比，甬優(yōu) 538 炭基肥增施 6t/hm² 生物炭(T3 處理)的有效穗數(shù)與之無(wú)差異，炭基肥增施 12t/hm² 生物炭(T4)處理每叢增加了 1～2 個(gè)有效穗數(shù)。浙禾香 2 號(hào) T3 和 T4 處理都能顯著增加有效穗數(shù)。說(shuō)明炭基肥主要促進(jìn)優(yōu)質(zhì)常規(guī)粳稻浙禾香 2 號(hào)分蘗，而對(duì)甬優(yōu) 538 無(wú)明顯作用，增施生物炭則有利于兩個(gè)品種有效穗數(shù)的增加。

　　2.2 炭基肥對(duì)覆膜水稻干物質(zhì)積累量的影響

　　2021 年，與 CK 相比，T1、T2 顯著增加了覆膜水稻各時(shí)期的干物質(zhì)積累。浙禾香 2 號(hào)，T2 相比 T1，分蘗期、穗分化期、齊穗期和成熟期干物質(zhì)積累分別增加 29.69%、21.92%、11.00% 和 20.20%(P<0.05)。對(duì)于甬優(yōu) 538，與緩釋肥(T1)相比，炭基肥(T2)增加了覆膜水稻齊穗期干物質(zhì)積累(16.18%)和成熟期干物質(zhì)積累(5.40%)，水稻生長(zhǎng)前期無(wú)顯著差異;2022 年結(jié)果表明，與 CK 相比，T2 顯著增加了覆膜水稻各時(shí)期干物質(zhì)積累量。與 T2 相比，浙禾香 2 號(hào)炭基肥增施 6t/hm² 生物炭(T3)顯著增加覆膜水稻穗分化期干物質(zhì)積累量(24.71%)，其他時(shí)期未達(dá)到顯著水平。炭基肥增施 12t/hm² 生物炭(T4)顯著增加覆膜水稻穗分化期干物質(zhì)積累(46.91%)、齊穗期干物質(zhì)積累(36.41%)和成熟期干物質(zhì)積累(18.22%)。與 T2 處理相比，甬優(yōu) 538 炭基肥增施 6t/hm² 生物炭(T3)在各時(shí)期無(wú)顯著差異。炭基肥增施 12t/hm² 生物炭(T4)后，覆膜水稻穗分化期干物質(zhì)積累增加 32.68%，成熟期干物質(zhì)積累增加 9.28%。說(shuō)明浙禾香 2 號(hào)和甬優(yōu) 538 施用炭基肥和增施生物炭作用時(shí)期各有差異，優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻浙禾香 2 號(hào)干物質(zhì)積累效果明顯，秈粳雜交稻甬優(yōu) 538 在后期作用更顯著。

　　2.3 炭基肥對(duì)覆膜水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

　　炭基肥及炭基肥增施生物炭處理均能顯著提高覆膜水稻產(chǎn)量，但對(duì)不同品種產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響有所不同。2021 年，與 CK 相比，T1、T2 顯著增加水稻產(chǎn)量，提高有效穗數(shù)。與 T1 相比，浙禾香 2 號(hào) T2 處理的有效穗數(shù)增加 13.07%，產(chǎn)量提高 4.65%。與施用緩釋肥(T1)相比，甬優(yōu) 538 炭基肥(T2)每穗粒數(shù)提高 19.50%，產(chǎn)量提高 3.84%，但千粒重降低 6.62%，結(jié)實(shí)率和有效穗數(shù)無(wú)顯著差異。2022 年研究結(jié)果表明，與 CK 相比，T2 顯著增加了水稻產(chǎn)量和有效穗數(shù)，但浙禾香 2 號(hào)結(jié)實(shí)率顯著下降，甬優(yōu) 538 顯著降低了每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，其他產(chǎn)量構(gòu)成因素?zé)o顯著差別。與 T2 相比，浙禾香 2 號(hào)炭基肥增施 6t/hm² 生物炭(T3)，有效穗數(shù)顯著增加了 16.10%，其他因子未達(dá)到顯著水平。

　　炭基肥增施 12t/hm² 生物炭(T4)顯著增加覆膜水稻產(chǎn)量(7.97%)和有效穗數(shù)(24.49%)，降低千粒重(10.47%)。炭基肥增施 12t/hm² 生物炭(T4)顯著增加覆膜水稻產(chǎn)量(15.06%)、有效穗數(shù)(8.78%)和結(jié)實(shí)率(4.54%)，其他產(chǎn)量構(gòu)成因素未達(dá)到顯著水平。施用炭基肥均增加兩水稻品種產(chǎn)量，但對(duì)兩品種中產(chǎn)量構(gòu)成影響不同。與 T1 相比，浙禾香 2 號(hào)增加穗粒數(shù)和千粒重，甬優(yōu)增加穗粒數(shù)但降低了千粒重，這可能是由于甬優(yōu) 538 每穗粒數(shù)增加較多導(dǎo)致。增施生物炭進(jìn)一步優(yōu)化了覆膜水稻增產(chǎn)因子。兩個(gè)品種中增施生物炭進(jìn)一步增加了穗數(shù)，但其他因子在不同處理中表現(xiàn)存在差異。浙禾香 2 號(hào)通過(guò)增加穗數(shù)和每穗粒數(shù)增產(chǎn)，甬優(yōu) 538 則通過(guò)增加穗數(shù)和結(jié)實(shí)率增產(chǎn)。生物炭施用量會(huì)對(duì)產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成產(chǎn)生差異，其中炭基肥增施 12t/hm² 生物炭增產(chǎn)效果最好。

　　2.4 炭基肥對(duì)覆膜水稻氮素積累量的影響

　　施用炭基肥和炭基肥增施生物炭能夠顯著增加覆膜水稻各生長(zhǎng)關(guān)鍵時(shí)期的氮素積累量，且氮素積累量隨炭基肥增施生物炭量的增加而提高。2021 年與 CK 相比，緩釋肥(T1)、炭基肥(T2)處理顯著增加各時(shí)期的氮素積累量。對(duì)浙禾香 2 號(hào)而言，T2 較 T1 顯著增加分蘗期氮素積累量(25.93%)和穗分化期氮素積累量(31.68%)，其他時(shí)期雖有增加但差異沒(méi)有達(dá)到顯著水平。對(duì)于甬優(yōu) 538 中，T2 較 T1 齊穗期的氮素積累增加 4.87%，成熟期氮素積累增加 9.92%;2022 年 T2 相比 CK 顯著增加各時(shí)期氮素積累總量。與 T2 相比，浙禾香 2 號(hào)炭基肥增施 6t/hm² 生物炭(T3)齊穗期氮素積累量顯著增加 16.49%，其他時(shí)期未達(dá)到顯著水平。炭基肥增施 12t/hm² 生物炭(T4)顯著增加覆膜水稻穗分化期氮素積累(26.50%)、齊穗期氮素積累(40.52%)和成熟期氮素積累(40.59%)。甬優(yōu) 538 炭基肥增施 6t/hm² 生物炭(T3)顯著增加成熟期氮素積累(6.51%)，其他時(shí)期無(wú)顯著差異。炭基肥增施 12t/hm² 生物炭(T4)顯著增加覆膜水稻穗分化期氮素積累(18.35%)、齊穗期氮素積累(11.87%)和成熟期氮素積累(13.92%)。說(shuō)明增施生物炭對(duì)覆膜水稻關(guān)鍵時(shí)期氮素積累效果顯著，尤其是炭基肥增施 12t/hm² 生物炭在覆膜水稻穗分化期、齊穗期和成熟期達(dá)極顯著水平。

　　2.5 炭基肥對(duì)覆膜水稻氮素利用效率的影響

　　炭基肥及炭基肥增施生物炭的施用顯著影響水稻的氮素利用，施用炭基肥有利于提高氮素利用率，炭基肥特別是增施生物炭對(duì)氮肥利用率提高效果顯著。2021 年結(jié)果表明，與 CK 相比，T1、T2 顯著降低覆膜水稻氮素干物質(zhì)生產(chǎn)率和氮素稻谷生產(chǎn)率。對(duì)浙禾香 2 號(hào)而言，相比 T1，T2 氮素干物質(zhì)生產(chǎn)率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥吸收利用效率分別顯著增加 13.58%、4.72%、20.50% 和 5.20%，氮素稻谷生產(chǎn)率則無(wú)顯著差異。甬優(yōu) 538 中，T2 與 T1 相比氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥吸收利用效率分別增加了 3.83%，22.27% 和 8.47%，其他指標(biāo)無(wú)顯著差異;2022 年結(jié)果表明相比 CK，T2 降低氮素干物質(zhì)生產(chǎn)率和氮素稻谷生產(chǎn)率。

　　與 T2 相比，浙禾香 2 號(hào)炭基肥增施 6t/hm² 生物炭(T3)，覆膜水稻氮肥吸收利用效率顯著增加 8.64%，氮素稻谷生產(chǎn)率降低 10.04%，其他參數(shù)差異未達(dá)到顯著水平。炭基肥增施 12t/hm² 生物炭(T4)覆膜水稻氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥吸收利用效率顯著增加 7.84%、40.98% 和 25.09%，氮素干物質(zhì)生產(chǎn)率和氮素稻谷生產(chǎn)率分別降低 9.96% 和 18.57%;甬優(yōu) 538 炭基肥增施 6t/hm² 生物炭(T3)覆膜水稻氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥吸收利用效率顯著增加 40.23% 和 5.82%，氮素干物質(zhì)生產(chǎn)率降低 5.37%，其他參數(shù)無(wú)顯著差異。炭基肥增施 12t/hm² 生物炭(T4)覆膜水稻氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥吸收利用效率顯著增加 15.08%、96.37% 和 12.45%，氮素干物質(zhì)生產(chǎn)率降低 4.13%，氮素稻谷生產(chǎn)率差異不顯著。

　　3 討論

　　3.1 覆膜稻田施用炭基肥對(duì)水稻產(chǎn)量形成和干物質(zhì)積累的影響

　　水稻覆膜栽培結(jié)合炭基肥和生物炭研究鮮有報(bào)導(dǎo)，覆膜稻田施用炭基肥的研究還處于初步階段。多項(xiàng)研究表明稻田施用炭基肥和生物炭能夠促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，增加產(chǎn)量。Nan 等連續(xù) 3 年施用生物炭分別使水稻產(chǎn)量增加 8.0%、1.6% 和 7.3%。索猛利等認(rèn)為，相比對(duì)照處理，施用炭基肥顯著增加干物質(zhì)積累總量，增加產(chǎn)量。Bai 等分析表明，無(wú)論是單獨(dú)施用生物炭還是生物炭增施無(wú)機(jī)肥都能夠增加作物產(chǎn)量。Liu 等通過(guò) Meta 分析發(fā)現(xiàn)，在稻田中施用生物炭是一種有益的方法，它可以使水稻產(chǎn)量提高 10.73%。這與本研究結(jié)果一致，覆膜水稻施用生物炭基肥能夠增加水稻穗數(shù)，提高產(chǎn)量。在生物炭基肥的基礎(chǔ)上，增施生物炭又進(jìn)一步提高水稻干物質(zhì)積累和產(chǎn)量，且以 T4 產(chǎn)量最高，生物炭與氮肥組配的比例越大，產(chǎn)量越高。

　　覆膜稻田施用生物炭基肥增加產(chǎn)量主要由多個(gè)方面造成：一方面生物炭能夠改良土壤環(huán)境，其對(duì)酸性和鹽堿土壤具有良好的改善作用，且隨著生物炭含量的增加效果更好。Binh 等在有機(jī)碳含量高(3.05%)和低(0.54%)的兩種土壤進(jìn)行了盆栽試驗(yàn)，混合了 0%、1.5%、3%、6% 和 12% 的生物炭種植水稻，結(jié)果表明，在高有機(jī)碳含量土壤中，水稻生長(zhǎng)隨著生物炭比率的升高而增加，12% 的生物炭率導(dǎo)致了最大的總生物量，增加了 47%;而在低含碳量土壤中，3% 和 6% 的生物炭率顯示了最高的總生物量，增加了 44%。這主要可能是生物炭的施用提高了土壤的 pH 值，從而提高土壤可利用養(yǎng)分含量。Chu 等研究證明土壤中添加生物炭后，土壤 pH 值提高 0.09～0.10 個(gè)單位，土壤 NH₄⁺-N 提高 105%～116%。Selvarajh 等盆栽試驗(yàn)表明，在土壤中添加稻草生物炭 5～10t/hm² 可使土壤中的可交換的 NH₄⁺-N、NO₃⁻-N 明顯增加。由于稻草生物炭較高的吸附能力，增加土壤中氮的保留來(lái)提高水稻植株的養(yǎng)分吸收，導(dǎo)致干物質(zhì)產(chǎn)量的增加。

　　另一方面，覆膜水稻施用炭基肥主要提高水稻生物量來(lái)提高產(chǎn)量，但前人研究施用炭基肥和生物炭對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成有不同的影響。水稻產(chǎn)量由有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重構(gòu)成。Lü 等進(jìn)行 3 年的田間試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)施用 20t/hm² 和 40t/hm² 生物炭在前兩年分別增加了 2.56%～16.84% 和 6.15%～10.77% 的水稻產(chǎn)量。水稻產(chǎn)量增加主要是由于總生物量、穗數(shù)和每穗粒數(shù)增加。陳琳等發(fā)現(xiàn)炭基肥可以促進(jìn)氮素由水稻的營(yíng)養(yǎng)器官向籽粒運(yùn)輸和分配。炭基肥能夠控制水稻的無(wú)效分蘗，通過(guò)增加穗粒數(shù)提高稻谷產(chǎn)量。Danso 等研究指出與生物炭處理相比，對(duì)照處理的水稻產(chǎn)量較低。生物炭處理有效控制了水稻無(wú)效分蘗，提高莖蘗成穗率，促進(jìn)養(yǎng)分向籽粒輸送。這與本研究結(jié)果一致，在 2022 年試驗(yàn)中炭基肥增施生物炭處理顯著增加了水稻的有效穗數(shù)，通過(guò)提高水稻的有效穗數(shù)增加產(chǎn)量。但也有研究指出，施用炭基肥能夠促進(jìn)水稻產(chǎn)量的增加，主要提高結(jié)實(shí)率和千粒重，同時(shí)也提高氮肥利用率。金丹丹等研究表明炭基肥料提高了水稻的穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重。謝志堅(jiān)等減施 20% 氮肥后，炭基肥提高了水稻地上部干物質(zhì)量，增加了千粒重和有效穗數(shù)。

　　因此，生物炭基肥和生物炭能夠提高水稻干物質(zhì)量，從而提高產(chǎn)量，但不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成的影響不同。目前，生物炭和炭基肥在農(nóng)田上的應(yīng)用還存在一定的問(wèn)題。Yin 等研究指出，短期內(nèi)水稻施用生物炭并不能增加產(chǎn)量。田間施用 20t/hm² 生物炭后，其抽穗后的生物量產(chǎn)量和總生物量產(chǎn)量均提高了 7%～16%，但收獲指數(shù)降低了 4%～11%，導(dǎo)致水稻產(chǎn)量沒(méi)有增加。不同種類、施用量、施用方式對(duì)稻田環(huán)境和水稻的生長(zhǎng)影響不盡相同，長(zhǎng)期的作用效果還有待進(jìn)一步探索。本研究中僅設(shè)置了兩個(gè)梯度的生物炭的施用，最佳生物炭與氮肥組配的比例還有待下一步的研究。

　　3.2 施用炭基肥對(duì)覆膜水稻氮素吸收利用和積累的影響

　　生物炭是一種有機(jī)物的熱解產(chǎn)物，在養(yǎng)分負(fù)荷和提高養(yǎng)分利用效率方面具有巨大潛力，因其在提高水稻生產(chǎn)力和稻田保氮方面的潛力而備受關(guān)注。本研究中覆膜水稻施用炭基肥和增施生物炭提高了氮素積累，施用炭基肥后氮素干物質(zhì)生產(chǎn)率降低了 10.76%～20.20%，氮素稻谷生產(chǎn)率降低 3.38%～21.60%，顯著提高了水稻氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥吸收利用率，這與前人多項(xiàng)研究相同。Kimanl 等研究結(jié)果表明，與沒(méi)有生物炭的處理相比，共同施用生物炭和氮肥能顯著提高稻谷 23.9% 的氮吸收率。Roy 等在高氮處理下，稻谷和秸稈對(duì)氮的吸收量明顯增加。施用生物炭肥料與施用常規(guī)肥料相比，氮的農(nóng)藝效率(AE)和表觀回收效率(ANR)分別增加 30.70% 和 29.50%。Jia 等研究指出，與尿素相比，生物炭基肥的應(yīng)用使 NUE 增加了約 20%，是一種有前途的控釋氮肥，能夠減少氮的損失和提高凈利用率。施用生物炭對(duì)水稻氮素吸收利用有明顯的促進(jìn)作用，增加水稻齊穗期和成熟期的氮素積累量。

　　多項(xiàng)研究表明稻田施用生物炭主要通過(guò)節(jié)流、擴(kuò)源、增效來(lái)提高氮素利用。一方面可能是施用炭基肥和生物炭有利于減少養(yǎng)分流失，Dong 等研究表明生物炭緩釋肥料能減少水稻分蘗階段的氮浸出和徑流損失，而為水稻拔節(jié)和成熟階段為其提供了更多的養(yǎng)分。生物炭多孔的特性能夠吸收 NH₃等溫室氣體，降低氮素的損失，提高氮的利用效率。喬志剛等研究表明生物質(zhì)炭基肥通過(guò)對(duì) NH₄⁺-N、NO₃⁻-N 的吸附延緩氮肥的損失，最終提高水稻的氮素利用效率。另一方面可能是施用炭基肥及生物炭能夠增強(qiáng)土壤養(yǎng)分的固持能力，增加了可吸收態(tài)養(yǎng)分含量。Chew 等研究證明，以生物炭為基礎(chǔ)的復(fù)合肥料處理在根部表皮細(xì)胞層產(chǎn)生了比根部表面更多的負(fù)電位，這種電位差可能是礦物營(yíng)養(yǎng)吸收的驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)養(yǎng)分吸收，增加養(yǎng)分利用效率。Roy 等研究表明生物炭肥料減緩 NH₄⁺的釋放，但 NO₃⁻的釋放與常規(guī)肥料相當(dāng)。施用生物炭肥料的氮表觀利用效率分別比常規(guī)肥料高 11.7%～29.5%，以此減少損失，提高養(yǎng)分利用效率(NUE)。而從氮代謝角度分析，施用生物炭提高了齊穗期水稻功能葉谷氨酰胺合成酶(GS)、葉硝酸還原酶(NR)、亞硝酸還原酶(NiR)活性及可溶性蛋白含量。

　　綜上，覆膜稻田施用生物炭基肥可以最大限度地減少氮的損失，主要是通過(guò)減少氮浸出流失和徑流等損失。同時(shí)，其良好的養(yǎng)分固存作用可保證水稻生長(zhǎng)后期養(yǎng)分生長(zhǎng)穩(wěn)定供應(yīng)，促進(jìn)成熟期水稻部的氮素積累，最終提高氮素利用效率。本研究只進(jìn)行了兩年試驗(yàn)，對(duì)如何優(yōu)化生物炭和炭基肥的種類、施用量和施用方式還不清楚，還需探索水稻生長(zhǎng)和稻田環(huán)境的長(zhǎng)期效應(yīng)。不斷完善覆膜栽培技術(shù)，結(jié)合其他先進(jìn)技術(shù)，發(fā)展更加先進(jìn)的覆膜插秧機(jī)降低種植成本，對(duì)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

熊家歡;張義凱;向鏡;陳惠哲;徐一成;王亞梁;王志剛;姚堅(jiān);張玉屏,中國(guó)水稻研究所水稻生物育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,202405