生物炭是生物质材料在无氧或缺氧的条件下经250℃以上高温热解炭化除去挥发性油和气后产生的富含碳素的固态物质^[1]。由于其高度羧酸酯化和芳香化的结构、较高的pH值、盐基离子含量以及孔隙度和比表面积等特殊性质^[2-3], 生物炭具有提高酸性农田土壤pH值^[4-5]、改善土壤质量和养分循环^[6-7]、减少土壤养分淋失^[8-9]、提高作物肥料利用率^[10-11]等功能, 在促进作物生长发育和提高产量^[10-12]等方面具有积极效应。

大量研究已证实添加生物炭具有促进作物生长和增产作用^[13-15], 但关于这些效应如何随生物炭添加量的变化而变化, 以及这些效应可持续多长时间等问题仍有待进一步研究。研究显示酸性红壤添加生物炭对油菜和甘薯的增产效应随添加量增加而增强^[16-17]；酸性土壤中萝卜产量的增加也与生物炭施用量增高有关, 且施用量为100 t/hm²时的增产效果最好^[18]；生物炭施用梯度为10、20 t/hm²及40 t/hm²时, 水稻产量增幅随添加量增加逐渐上升^[19-20]。但也有研究发现增产效应并非随添加量增加而持续增加, 即当添加量达到一定量后, 其增产效应开始降低或产生抑制作用^{[14, 21]}。明确酸性稻田水稻产量对生物炭梯度一次性添加的持续响应有助于明确适合南方酸性稻田的最佳施用量。农田施用生物炭促进增产的持续时间是另一研究重点。然而目前大多研究只揭示了生物炭的短期效应(1—2年), 揭示其长期影响的研究较少^[22]。Jin等^[16]研究发现酸性红壤生物炭一次性添加对油菜的增产效果可持续5年, 但增产效果逐年下降；Cornelissen等^[23]发现施用可可壳生物炭对玉米的增产效应能维持5季, 但从第3季开始增产效果逐季下降；此外, 有研究在肥力较高稻田进行多年生物炭添加试验, 发现生物炭对水稻产量没有显著影响^[24]。但是关于酸性稻田一次性添加生物炭对水稻增产效应的持续时间还鲜见报道。

本研究通过5年大田试验研究酸性稻田生物炭不同水平一次性添加对水稻生长及产量的长期影响。主要回答2个问题：(1)生物炭促进水稻生长和增产的作用如何响应生物炭添加量的变化？(2)生物炭一次性添加在促进水稻生长和增产方面的效应可持续多久？研究结果可揭示大田环境下生物炭添加对促进酸性稻田水稻生长和产量的持续效应, 为指导生产实践中利用生物炭以实现稻田增产提供科技支撑。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验地点位于湖南省长沙市长沙县长安村(28°14′00″N, 113°23′06″E)。属于亚热带湿润气候, 四季分明, 气候温和, 水热充足, 年平均气温16—20 ℃, 日照时数为1600—1800 h, 全年无霜期260—300 d。降水年际变化大, 年均降水量1877.1 mm, 集中于春夏两季。土壤类型属于第四纪红色黏土发育的红黄泥水稻土。

1.2 试验设计

试验所用生物炭为稻壳炭, 来源于湖南正恒农业科技发展有限公司, 最高热处理温度500 ℃, 基本性质为pH值9.21、有机碳163.9 g/kg、总氮1.7 g/kg、总磷2.14 g/kg、总钾3.24 g/kg、碱解氮51.1 mg/kg、有效磷28.3 mg/kg、速效钾176 mg/kg。

选取土壤肥力中等的稻田(土壤基本性质见表 1), 采用单因素随机区组设计开展小区试验。沿稻田自然的肥力梯度排列4个区组, 每个区组设置6个小区(大小为4 m× 5 m), 小区间通过覆盖双层塑料膜的田埂相隔以防止串水串肥。6个小区分别施加不同量生物炭：0 t/hm²(对照, CK)、20 t/hm²(B20)、40 t/hm²(B40)、60 t/hm²(B60)、80 t/hm²(B80)和100 t/hm²(B100)。生物炭于2015年水稻移栽一周前一次性与当季基肥同时施入, 此后不再添加, 采用人工耙田, 耙田深度20 cm左右, 保证生物炭与土壤充分混匀。

本试验开展于2015—2019年。2015和2016年进行一季中稻栽培, 供试品种为广两优143(杂交稻)。5月初播种, 5月下旬移栽至各试验小区(插植密度为20 cm× 26.7 cm, 每蔸插2—3株基本苗), 9月中下旬收获。中稻每个生育期施纯氮181 kg/hm²、P₂O₅ 90 kg/hm²、K₂O 153 kg/hm²。氮肥采用复合肥作基肥、尿素作追肥按基肥:分蘖肥:穗肥=5:3:2施用。磷肥采用复合肥作基肥一次性施用。钾肥采用复合肥作基肥、氯化钾(含K₂O 60.0%)作追肥按基肥:穗肥=6:4施用。2017年进行一季晚稻栽培, 供试品种为玉针香(常规稻), 6月18日播种, 7月12日移栽(插植密度为20 cm× 20 cm, 每蔸插4—5株基本苗), 10月10日收获。2018年进行一季晚稻栽培, 供试品种为桃优香占(杂交稻), 6月20日播种, 7月12日移栽(插植密度为20 cm× 20 cm, 每蔸插2—3株基本苗), 10月11日收获。2019年进行一季晚稻栽培, 供试品种为泰优553(杂交稻), 6月20日播种, 7月15日移栽(插植密度为20 cm× 20 cm, 每蔸插2—3株基本苗), 10月15日收获。晚稻每个生育期施纯氮150 kg/hm²、P₂O₅ 75 kg/hm²、K₂O 100 kg/hm²。氮肥采用复合肥和有机肥作基肥、尿素作追肥按基肥:分蘖肥:穗肥=5:2:3施用。磷肥采用复合肥和有机肥作基肥一次性施用。钾肥采用复合肥和有机肥作基肥、氯化钾作追肥按基肥:穗肥=4:1施用。其他稻田水分及病虫害管理按当地大田管理进行。

1.3 指标测定 1.3.1 叶面积指数及粒叶比

水稻齐穗期于每小区选取代表性水稻植株5蔸, 按长宽系数法测定叶面积。用颖花数/叶面积、实粒数/叶面积、粒重/叶面积来计算粒叶比^[25]。颖花数、实粒数、粒重分别指总颖花数、总实粒数、总粒重, 叶面积为齐穗期叶面积。

1.3.2 叶绿素含量

水稻齐穗期于每小区选代表性剑叶和倒4叶各20片, 用SPAD-502Plus手持叶绿素仪(Minolta, 日本)测定各叶片的SPAD值, 测定部位为叶片中部及中部上下2 cm处, 避开叶脉, 以3处测定的平均值表示该叶片叶绿素的相对含量。

1.3.3 干物质积累

于齐穗期和成熟期分别采样测定干物质积累。齐穗期时, 每个小区选取生长均匀并且有代表性的水稻植株5蔸, 分部位装袋, 于105 ℃杀青30 min后, 经80 ℃烘干至恒重后称重, 计算单蔸茎、叶、穗及群体地上部干物质积累量。成熟期时, 每个小区选取3个1 m²的测产样方, 收割稻株地上部分进行鲜样称重, 取部分样蔸测定含水量后换算群体地上部干重。

1.3.4 产量及产量构成

每小区收获3个1 m²样方的稻谷, 每个样方取部分稻谷测定含水量, 最后以13.5%的含水量折算稻谷产量。收获时记录各样方有效穗数。每个小区选取5蔸代表性植株测定每穗粒数、结实率及千粒重。

1.4 统计分析

采用双因素方差分析(Two-way ANOVA)进行处理间差异比较, 采用Duncan法进行多重比较。采用Pearson相关分析水稻产量与各生育性状指标间、土壤肥力指标之间的相关性。所用软件为SPSS 22.0(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)。

2 结果与分析 2.1 叶面积指数及粒叶比

添加生物炭显著提高水稻群体的叶面积指数(Leaf area index, LAI), 且LAI随生物炭添加量的增加而增加。试验前3年, 高炭量处理B100和B80的LAI均显著高于CK, 其增幅也高于B60、B40和B20；试验第4年处理间差异不显著；试验第5年B100处理的LAI显著高于CK, 表明高炭量添加在促进叶片生长, 提高水稻叶面积指数方面的作用效果及持续效应更好(图 1)。

不同处理间的总颖花数/叶面积、总实粒数/叶面积以及总粒重/叶面积在5年试验间均无显著差异(表 2, P>0.05)。

2.2 叶绿素含量

生物炭添加第1年, 当添加量达到或超过60 t/hm², 水稻齐穗期剑叶的叶绿素含量显著低于对照(P < 0.05), 但从第2年开始, 其负面影响消失。后4季添加生物炭对剑叶叶绿素含量的影响均不显著(图 2)。这可能是由于生物炭含碳量较高, 高量添加导致初期土壤碳氮比过高, 影响了水稻对土壤氮素的吸收。

添加生物炭显著提高水稻齐穗期倒4叶的叶绿素含量, 且随生物炭添加量增加表现为增加趋势。添加生物炭对水稻倒4叶SPAD的增效具有较强的持续性。试验第2年至第4年, B100、B80和B40处理倒4叶的SPAD值均显著高于对照, 且在第5年仍有增加趋势(图 2)。

2.3 干物质积累

添加生物炭有利于提高水稻地上部的干物质积累, 随生物炭添加量增加水稻的干物质积累呈现出增加趋势(表 3)。5年间, 水稻齐穗期茎鞘重均随生物炭添加量增加而显著增加；除第4年没达到显著水平, 其余年份, 齐穗期水稻叶重的变化规律与茎鞘重一致；穗重也呈现出相似的规律, 但仅在第5年达到显著水平。无论是齐穗期还是成熟期, 水稻地上部总干物质积累均随生物炭添加量增加而增加。

2.4 产量及产量构成因素

添加生物炭显著促进稻田增产, 且稻谷产量随生物炭添加量的增加而增加。第1年, 添加量≥60 t/hm²显著促进稻田增产, 增幅达17.0%—23.7%；第2年, 添加量≥40 t/hm²的显著增幅达15.5%—32.4%；第3年, 添加量为20—100 t/hm²的显著增幅为9.6%—21.8%；第4年, 水稻仍呈现增产趋势, 但各处理间无显著差异, 且水稻增幅开始减弱；第5年, 仅100 t/hm²添加量仍显著增产, 增幅为15.7%(图 3)。

高炭量添加的增产效果优于低炭量添加, 不同生物炭添加量的处理与对照的累积产量增幅随时间推移呈现出不同规律, 但均在第3年后表现为递减趋势。从试验第1年至第5年, 与对照稻田相比, B100处理的累积产量增幅在第2年达到峰值之后递减, 依次为23.7%、27.8%、25.9%、22.30%、20.6%；B80处理的累积产量增幅依次下降, 分别为21.7%、20.8%、20.2%、16.3%、14.4%；B60、B40和B20处理累积产量增幅的峰值均出现在第3年, B60的累积产量增幅依次为17.0%、18.1%、18.8%、13.8%、11.6%；B40的累积产量增幅依次为9.8%、12.5%、13.6%、11.0%、10.3%；B20的依次为5.9%、5.5%、6.8%、5.4%、4.6%(图 3)。

添加生物炭显著影响水稻的产量构成因素, 虽然不同年份发生显著变化的产量构成因素存在差异, 但每穗粒数的变化最显著。添加生物炭显著增加水稻的每穗粒数, 除第3年没达到显著水平, 其余年份B100、B80及B60与对照的差异均达到显著或极显著水平(表 4)。

2.5 产量与其他生育指标的关系

生物炭影响下, 水稻产量与齐穗期时群体叶面积指数、干物质积累(单蔸茎鞘、叶及地上部总重)以及倒4叶SPAD均呈显著正相关。生物炭影响下水稻产量的增加主要与产量构成中每穗粒数的增多有关(图 4)。

3 讨论

农田施用生物炭对不同作物生长发育和产量的良好效应已被大量研究证实^{[16, 26]}。不同研究中生物炭的添加量从低于1 t/hm²到超过100 t/hm²不等, 与对照相比, 施用生物炭促进产量增加的百分比从低于10%到超过200%^{[14, 27]}。如此高的变异可能与不同作物、土壤类型、生物炭原料及施用量的变化有关。本研究选取土壤肥力中等的酸性稻田, 在正常施肥基础上开展生物炭梯度增施试验, 生物炭一次性添加量为0—100 t/hm², 结果表明与对照相比, 生物炭处理单季最高产量增幅达32.4%, 五年累积产量增幅为4.6%—20.6%。

水稻群体质量的优劣是水稻各产量构成因素形成是否协调、水稻产量高低的决定因素^[28], 齐穗期水稻的群体叶面积指数、干物质积累以及倒4叶叶绿素含量等均是表征水稻群体质量的重要指标。本研究发现施加生物炭显著提高水稻群体的叶面积指数、倒4叶叶绿素含量、茎鞘及叶的干物质积累以及每穗粒数, 且稻谷产量与上述指标均呈现出显著正相关的关系, 表明酸性稻田施加生物炭有利于提高水稻群体质量, 形成壮杆大穗群体, 从而促进增产。水稻籽粒产量中60%—80%来自于抽穗到成熟期的光合产物积累^[28], 齐穗期较大的叶面积指数意味着较高的群体光合能力；齐穗期较高的茎鞘重则为增加水稻每穗颖花数, 促进灌浆, 提高结实率等提供了物质基础^[28-29]；水稻倒4叶的叶绿素含量与根系活力显著正相关^[30], 本研究中生物炭处理显著提高水稻齐穗期时倒4叶的SPAD值, 表明生物炭不仅能提高水稻生殖生长期时下部叶的光合能力, 也间接说明生物炭对促进水稻根系生长, 提高生长后期的根系活力具有潜在作用。前人研究也表明农田施用生物炭能提高水稻叶面积指数^[31]、增加叶片光合能力^[32], 促进水稻根系生长^[33], 增加干物质积累量^[34], 有利于每穗粒数增加^{[31, 33]}, 最终促进水稻增产。

本研究发现添加生物炭对水稻生长和产量的促进作用随添加量的增加而增强, B100和B80的水稻群体质量最好, 产量最高。这与Chan等^[18]在酸性旱地土壤上开展的研究结果一致, 萝卜产量随生物炭施用量增加而增高, 且施用量为100 t/hm²时的增产效果最好。Liu等^[17]的研究也表明生物炭对酸性红壤中油菜和甘薯产量的促进作用随添加量增加而增强。但是阿力木·阿布来提等^[35]的研究显示水稻产量随生物炭施用量增加并未呈线性增加, 而呈先增加后降低趋势, 可能与他们的土壤偏碱性有关。Haefele等^[36]发现施用稻壳炭导致前3季水稻产量略有下降, 但是他们试验地土壤肥力较高, 表层土壤中原本含有较高的氮、磷、钾等有效养分, 添加高碳氮比的生物炭反而限制了氮的有效性, 导致生物炭的作用难以发挥。Jeffery等^[37]通过全球尺度的Meta分析发现, 添加生物炭对低营养、酸性土壤的增产效果尤为明显, 作物产量平均提高了25%。Jin等^[16]连续5年的大田试验也表明在酸性土壤施用生物炭有利于提高土壤肥力, 促进油菜生长和增产, 油菜株高、生物量及产量均随生物炭添加量增加而增加。

通过不同生物炭处理与对照间单季及累积产量的增幅比较, 本研究发现尽管前3年不同生物炭处理随时间呈出不同趋势, 但是从第4年开始, 所有生物炭处理与对照的单季及累积产量增幅均呈现下降趋势, 表明生物炭对酸性稻田的增产效应可稳定维持3年, 之后开始下降。Jin等^[16]连续5年的大田试验也发现酸性土壤一次性添加生物炭对油菜的增产效果可持续数年, 但是呈现出逐年下降的趋势。Cornelissen等^[23]的研究也表明一次性添加可可壳生物炭能持续5季促进玉米增产, 增产效果在第2季达到高峰, 然后呈现逐年下降趋势。还有研究发现生物炭对作物的增产效果随年际推移而逐年增加, 如Major等^[38]发现, 施用生物炭第1年对玉米产量无显著影响, 但第2—4年玉米增产效果持续增高, 产量分别增加28%、30%和140%。

土壤中输入生物炭能够综合改善土壤水、肥、气、热等环境条件, 为水稻提供良好的生长环境^[32], 从而促进水稻生长发育, 改善水稻群体质量, 最终促使水稻持续增产。本研究中酸性稻田一次性添加生物炭对水稻生长和持续增产的良好效应可能与生物炭及研究区土壤特性有关。首先, 土壤酸性是影响酸性土壤中土壤肥力提升和作物产量增加的关键因子^[16]。本研究稻壳炭本身pH较高(9.21), 而土壤的pH值只有4.67, 添加生物炭有利于提高土壤pH值^[39-41], 降低酸性土壤中磷的固定, 提高磷素的生物有效性^[42-43]。其次, 本研究土壤肥力不高, 由于稻谷壳中的磷钾钙镁等矿质养分在经过高温热解后大部分仍保留在生物炭中, 施用生物炭可直接为水稻生长提供养分^[44-45]。同时, 生物炭比表面积较大, 孔隙及表面官能团丰富, 具有较强的吸附能力, 有利于增加土壤的阳离子交换量^[46], 吸附土壤水溶液中的N、P、K等有效养分^[47], 提高作物的养分利用率^[48]。隋阳辉等^[34]发现施用生物炭提高了氮肥利用率, 增加了水稻茎鞘和叶中的氮素含量, 促进了地上部干物质的积累。此外, 生物炭较小的容重和多孔结构也有利于改善土壤物理结构, 提高土壤透气性, 降低土壤容重, 促进水稻根系生长, 提高根系活力^[33]。陈盈等^[32]认为由于生物炭提高了水稻根系活力, 又为水稻生长提供了额外养分, 从而提高了水稻生长后期叶片的光合性能, 有利于促进水稻灌浆, 提高每穗实粒数, 促使水稻增产。最后, 由于生物炭富含有机碳且相对稳定, 分解速度慢, 对土壤有机质的固持和土壤肥力的提升具有长效作用^[48-49]。史思伟等^[50]也发现长期施用生物炭, 土壤物理结构的得到显著改善, 土壤有机质、土壤总氮及氮磷钾速效养分的含量均显著提高。Jin^[16]和许云翔^[51]等还发现生物炭对表征土壤肥力的土壤微生物量及土壤酶活性的提高同样具有积极的长效作用。因此, 施用生物炭对土壤理化性质的持续改善及土壤肥力的稳定维持或提高是促进作物生长和持续增产的可能原因。

4 结论

综合5年试验结果表明, 酸性稻田添加生物炭有利于改善水稻群体质量, 最终促进水稻增产, 且增产效果随着生物炭添加量增加而增加；酸性稻田一次性添加生物炭后, 其增产效果至少能稳定维持3年；高炭量添加(100 t/hm²和80 t/hm²)相比于低中炭量添加在促进水稻生长和增产方面的作用更明显, 且持续增产潜力较好。