生物炭與肥料對(duì)水稻抗倒伏和氮素利用率影響的研究進(jìn)展

吳俊諾 吳云艷

摘 ? ?要：水稻是最重要的糧食作物之一，全球1/2以上人口以大米為主食，其穩(wěn)定的產(chǎn)量和較高的品質(zhì)對(duì)于解決我國(guó)人民溫飽問(wèn)題以及提高農(nóng)戶(hù)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。然而如今水稻倒伏現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，并且氮肥過(guò)量施用導(dǎo)致水稻氮素利用率低、減產(chǎn)等。文章總結(jié)了生物炭與肥料的現(xiàn)有研究，綜述了生物炭和肥料對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育、氮素利用率以及抗倒伏的影響，以供參考。

關(guān)鍵詞：水稻；抗倒伏；生物炭；肥料；氮素利用率

文章編號(hào)：1005-2690（2023）07-0021-03 ? ? ? 中國(guó)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：S511.06 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

水稻是我國(guó)谷物單位面積產(chǎn)量最高的糧食作物，倒伏對(duì)水稻產(chǎn)量及品質(zhì)的影響較大[1]。水稻生長(zhǎng)過(guò)程中，受氮肥過(guò)量施用、品種莖稈特性以及不良天氣的影響，導(dǎo)致水稻出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象。倒伏會(huì)影響水稻的光合作用，也是制約機(jī)械化收獲的一個(gè)重要因素，制約農(nóng)戶(hù)經(jīng)濟(jì)效益提升，威脅國(guó)家糧食安全[2]。因此，解決水稻倒伏問(wèn)題對(duì)于提高水稻產(chǎn)量有著重要意義。已有研究顯示，生物炭與一些肥料能夠顯著提高作物產(chǎn)量、抗倒性以及抗病能力，不同肥料的影響各不相同。

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必要元素，我國(guó)氮肥消費(fèi)量占世界氮肥總量的30％，在追求持續(xù)高產(chǎn)的過(guò)程中，大量氮肥被持續(xù)投入到生態(tài)系統(tǒng)中，引起溫室效應(yīng)、土壤板結(jié)、農(nóng)業(yè)污染、富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重制約水稻產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向高效綠色發(fā)展之路[3]。提高氮肥利用率已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，減少氮肥用量成為現(xiàn)階段重要的研究課題。

1 生物炭和硅肥對(duì)水稻抗倒伏的研究現(xiàn)狀

1.1 生物炭對(duì)水稻抗倒伏的研究現(xiàn)狀

生物炭是將秸稈、雜草、稻殼、木屑等生物質(zhì)原料混合，用泥土將其覆蓋，然后燃燒，在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)簡(jiǎn)單的高溫、低氧環(huán)境，在此環(huán)境下生成的一種固體物質(zhì)[4]。生物炭熱解后含有豐富的炭，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定[5]，具有較大的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，可以為微生物提供較好的生長(zhǎng)、發(fā)育和代謝條件，從而提高土壤肥力[6]，可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。同時(shí)，生物炭可以有效吸收土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降低養(yǎng)分損失[7]，使土壤的物理特性發(fā)生變化，在提高肥料利用率、改善作物莖稈特性、提高作物產(chǎn)量等方面發(fā)揮著積極作用[8-9]。生物炭還能提高水稻抗倒伏性，楊青川等（2021）[10]田間試驗(yàn)結(jié)果表明，施用生物炭20 t/hm2和40 t/hm2能明顯提高植株的抗折性。

不同生物炭對(duì)水稻抗倒伏的研究有一定差異。已有較多關(guān)于稻殼炭、小麥秸稈炭、水稻秸稈炭和玉米秸稈炭等生物炭在水稻抗倒伏方面的研究[11-12]，但花生殼生物炭在水稻抗倒伏方面的研究少見(jiàn)報(bào)道?；ㄉ鷼な且环N便宜、易得的工業(yè)固體廢棄物，在飼料和功能性材料萃取中僅占很小一部分，大多數(shù)都被焚毀或廢棄?；ㄉ鷼ぴ谘鯕庀拗苹騾捬醐h(huán)境中高溫裂解，形成富炭且穩(wěn)定的生物炭[13]，因?yàn)槠淇紫堵矢摺⒈缺砻娣e大、吸附能力強(qiáng)[14]，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)、土壤改良和炭固定等方面[15]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮著積極作用。研究表明，花生殼生物炭處理水稻能夠有效提高水稻莖基的基性，縮短莖基節(jié)間長(zhǎng)度，還可以提高莖內(nèi)徑、莖壁厚以及莖稈抗倒伏能力[16]。

1.2 生物炭與肥料配施對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究

已有許多關(guān)于生物炭與肥料配施對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究。張偉明等（2015）[17]研究結(jié)果顯示，配合施用生物炭（0、1.5 t/hm2）與肥料（60、82.5、105、127.5 kg/hm2），可提高大豆株高、凈蒸騰速率，減少結(jié)莢期的蒸騰量，降低光合物質(zhì)消耗。呂貝貝等（2020）[18]通過(guò)玉米盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混合施用生物炭（1.25、5、20 g/kg）與化肥（0.27 g/kg）能促進(jìn)玉米對(duì)氮素的吸收，并增加玉米的根長(zhǎng)和根表面積，提高土壤有機(jī)碳含量，從而使玉米高效增產(chǎn)。劉領(lǐng)等（2016）[19]通過(guò)烤煙盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)氮肥施用量下，施用生物炭7.2 g/kg可以明顯增加葉綠素總量和類(lèi)胡蘿卜素含量，提高根系活力，同時(shí)在加入生物炭的情況下降低10％～20％的氮素，對(duì)煙葉的葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素含量、凈光合速率均無(wú)明顯影響。謝亞萍等（2017）[20]通過(guò)大田試驗(yàn)得出，生物炭與NPK復(fù)合肥、微生物肥料配施可使水稻產(chǎn)量增加，并提高氮素利用率。王耀鋒等（2015）[21]通過(guò)盆栽試驗(yàn)證明，水洗生物炭與化肥配施能夠提高水稻秸稈產(chǎn)量（33.1％）、水稻籽粒產(chǎn)量（18.4％）以及氮素利用率，還能提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)。

1.3 硅肥對(duì)水稻抗倒伏機(jī)理的研究

硅是植物生長(zhǎng)所必需的元素[22]，也是僅次于氮、磷和鉀的第四大養(yǎng)分。硅肥是一種中微量元素肥料[23]，對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成、生理形態(tài)及抗逆性有著重要影響。水稻是典型的喜硅作物[24]，其莖、葉中的硅含量高達(dá)15％～20％。已有研究表明，水稻無(wú)論在生長(zhǎng)期還是成熟期都需要硅[25]。曾仁杰（2021）[26]研究結(jié)果顯示，硅肥能顯著改善植株的生長(zhǎng)情況，增強(qiáng)植株的抗倒性，增加分蘗數(shù)、成穗率和產(chǎn)量。水稻細(xì)胞中可以積累大量硅，形成角質(zhì)-硅雙層結(jié)構(gòu)，使葉片直立，葉片與莖稈之間的夾角減小，植株緊湊[27]。此外，硅還可以通過(guò)調(diào)控土壤中的鹽離子吸收、增加滲透調(diào)控物質(zhì)的積累以及增強(qiáng)抗氧化酶等來(lái)降低水稻的生理?yè)p傷[28]。

硅肥可以提高水稻的單位面積分蘗，但不同施用方式及施用量對(duì)其生長(zhǎng)和各生育期的葉綠素含量均有顯著影響。隨著水稻生長(zhǎng)發(fā)育，土壤中有效硅水平降低，葉綠素含量呈遞減趨勢(shì)，在抽穗—花—乳熟期，葉面施用硅肥可以防止根系因后期吸收能力下降而造成營(yíng)養(yǎng)損失。張陽(yáng)等（2021）[29]通過(guò)大田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，葉面施用硅肥的水稻葉片顏色較綠，莖稈較粗，有較好的抗倒伏性。姜灝（2021）[30]的研究結(jié)果顯示，液體硅肥對(duì)水稻的有效穗數(shù)、千粒重均有顯著影響。在生產(chǎn)中，硅肥普遍應(yīng)用于土壤，而葉面硅肥對(duì)水稻產(chǎn)量的影響研究則很少。

1.4 生物炭與硅肥配施對(duì)水稻生長(zhǎng)影響的研究

生物炭與硅肥配施對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響研究較少，不同炭硅處理對(duì)作物影響不同。杜澤云（2022）[31]進(jìn)行大田模擬試驗(yàn)，結(jié)果顯示，生物炭配合硅肥能提高稻麥的每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率，提高產(chǎn)量，還能顯著提高植株高度、葉面積指數(shù)，并能提高葉綠素含量。吳云艷（2022）[32]指出，利用生物炭（7.5 t/hm2）和硅肥（45 t/hm2）、葉面噴施0.02％硅肥能明顯提高越光稻的抗倒性，提高水稻的有效穗數(shù)以及產(chǎn)量。靳雯佳（2020）[33]研究表明，稻殼和互花米草生物炭與硅肥配合施用后，稻谷中的砷含量減少7.9％～8.3％，說(shuō)明聯(lián)合施用生物炭和硅肥可以有效減輕稻谷的污染。

2 減氮對(duì)水稻生長(zhǎng)影響的研究

2.1 減施氮肥對(duì)氮素利用率影響的研究

目前，我國(guó)水稻生產(chǎn)中存在施肥均勻性差、缺乏配套施肥設(shè)備、不合理施用氮肥等問(wèn)題，導(dǎo)致水稻易倒伏、產(chǎn)量低、氮肥利用率低等[34]。武浩（2022）[35]的田間試驗(yàn)表明，適當(dāng)增加種植密度，雖然會(huì)降低水稻產(chǎn)量，但可以提高土壤氮元素利用率。目前施用氮肥以尿素、硫酸銨等速效肥料為主，氮素通過(guò)徑流、揮發(fā)、滲透等途徑損失。施用化肥大多采用人工或機(jī)械方法，需要大量人力，但產(chǎn)量卻不高，并且難以準(zhǔn)確控制施肥深度和單位面積的施肥量，容易造成肥料浪費(fèi)[36]。過(guò)量施用氮肥會(huì)使農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)降低，造成重金屬污染，加劇溫室效應(yīng)，不僅提高了生產(chǎn)成本，也危及人們的健康[37]。樸鐘澤等（2003）的研究結(jié)果表明，在不施用氮肥的情況下，水稻生育后期（孕穗期到黃熟期）的氮素?cái)z入量占全部氮素的60％左右；而在施用氮肥處理后，早期（從插秧到最高分蘗期）吸氮量幾乎達(dá)到50％。許玥等（2022）通過(guò)春玉米施用氮肥和種植密度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，密度為5.5萬(wàn)株/hm2、氮肥施用量為180 kg/hm2處理下的春玉米產(chǎn)量最大（10 203 kg/hm2）、氮肥利用效率最高（37.5％）。所以，開(kāi)展減施氮肥的研究對(duì)于提高土壤氮利用率具有重要意義。

2.2 生物炭對(duì)作物氮素利用率影響的研究

生物炭是一種土壤改良劑，對(duì)于增加共生生物固氮、提高植物對(duì)氮素的吸收以及減少土壤氮素淋失等方面具有顯著效果。大量研究結(jié)果顯示，施用生物炭對(duì)土壤的氮形態(tài)有明顯影響，也能有效提高氮素利用率。陳婧婷等（2020）研究發(fā)現(xiàn)，在施用生物炭30 g/kg后，甜菜的出苗率得到了明顯改善，而在加入生物炭的情況下，降低氮肥用量10％、20％、30％、40％，可以明顯提高氮肥的農(nóng)學(xué)效率（最高為154.96％）、氮肥偏因素生產(chǎn)力（最高為64.87％）。張愛(ài)平等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，生物炭與氮結(jié)合能明顯提高氮的農(nóng)學(xué)效率和氮利用率，并且隨著生物炭添加量增加，二者都有顯著提高。

生物炭與化肥配合施用，可以有效增加氮素的利用率，這是由于其具有較大的孔隙及比表面積，施用后可改善土壤的透氣性，增加對(duì)氮素的吸收，降低氮素的淋溶。何大衛(wèi)等（2021）研究發(fā)現(xiàn)，減施氮肥（180 kg/hm2）配合生物炭（15 t/hm2）條件下，水稻產(chǎn)量增加最為顯著，并能提高氮素利用率，增強(qiáng)稻田土壤肥力。莊曄（2022）研究發(fā)現(xiàn)，配合施用生物炭（4％）與氮肥（150 mg/kg），可以在一定程度上改善鹽漬土的土壤結(jié)構(gòu)和水鹽環(huán)境，增加土壤肥力和氮素利用率，促進(jìn)蓊菜生長(zhǎng)。段建軍等（2022）的大田試驗(yàn)得出，氮肥平均減量21.79％配施生物炭量分別為5.44 t/hm2、6.15 t/hm2和4.75 t/hm2時(shí)，可獲得最高水稻產(chǎn)量，分別為7.80 t/hm2、8.57 t/hm2和8.03 t/hm2。

2.3 施用硅肥對(duì)水稻氮素吸收量影響的研究

有研究表明，施用硅肥對(duì)于提高氮素利用率有顯著影響。吳伊鑫（2021）通過(guò)水稻減氮田間試驗(yàn)得出，減氮施硅處理比正常施用氮硅處理的水稻氮素利用率提高效果更加顯著。熊麗萍等（2019）研究顯示，施用硅肥（750、1 500、2 250和3 000 kg/hm2）能夠增加早、晚稻稻谷產(chǎn)量（2.2％～30.4％）以及稻籽粒氮素積累量（2.4％～47.3％）。朱從樺等（2018）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在減施氮條件下，增施硅肥（75 kg/hm2）能促進(jìn)植株對(duì)氮素的吸收，并提高干物質(zhì)生產(chǎn)能力，提高氮素利用率，增加產(chǎn)量。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜述現(xiàn)有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將生物炭與不同種類(lèi)化肥通過(guò)適當(dāng)比例配施，對(duì)于提高作物對(duì)養(yǎng)分的吸收能力有顯著影響。此外，配施生物炭與不同種類(lèi)化肥還能改良土壤的理化性能，提高作物產(chǎn)量，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高氮素利用率，降低氮素?fù)p失，提高水稻抗倒伏性。

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