生物質(zhì)炭基肥提升水稻產(chǎn)量及其營養(yǎng)品質(zhì)的田間示范研究

摘 要：施用生物質(zhì)炭能夠顯著改善土壤肥力、增加作物產(chǎn)量的效應(yīng)已被廣泛報(bào)道，但目前關(guān)于生物質(zhì)炭基肥對(duì)水稻田間應(yīng)用的產(chǎn)量和品質(zhì)綜合效應(yīng)的研究較少。研究選取南京市溧水區(qū)南京石燕農(nóng)地合作社為試驗(yàn)地點(diǎn)，開展不同生物質(zhì)炭基肥施用的水稻田間試驗(yàn)，以常規(guī)復(fù)合肥（CF）為對(duì)照，設(shè)置高鉀炭基肥（HPBF）、高氮炭基肥（HNBF）、稻殼炭基尿素（RHBU）、稻秸炭基尿素（RSBU）處理，同時(shí)配施炭基生物富硒液體肥，探討施用不同生物質(zhì)炭基肥對(duì)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)、病害、肥料利用率的影響。研究結(jié)果表明，與常規(guī)復(fù)合肥相比，生物質(zhì)炭基肥處理下水稻病害情況顯著降低；稻殼炭基尿素處理下產(chǎn)量略有下降，但其他炭基肥處理下產(chǎn)量略有增加。生物質(zhì)炭基肥在保證產(chǎn)量的情況下，能減少肥料的投入，達(dá)到減肥的效果；高氮炭基肥處理和稻秸炭基尿素處理提高了肥料投入產(chǎn)出比，降低了稻田肥料投入。除稻秸炭基尿素處理外，其他炭基肥料處理明顯提高了大米中有益微量元素Fe和Zn的含量，以高氮炭基肥處理提升效果最好。炭基生物富硒液體肥，以低投入實(shí)現(xiàn)大米中硒含量和粗蛋白含量的提升。生物質(zhì)炭基肥減少了養(yǎng)分的投入，維持水稻正常產(chǎn)量或略有增產(chǎn)，降低水稻植株的病害感染率，提高了大米的品質(zhì)，有著較好的生態(tài)效益及巨大的市場潛力。

關(guān)鍵詞：水稻生產(chǎn)；健康農(nóng)業(yè)；炭基肥；生物富硒

中圖分類號(hào)：S511 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909（2024）2-134-6

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.02.032

0 引言

農(nóng)作物廢棄物熱解炭化為生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，一方面能循環(huán)利用農(nóng)業(yè)廢棄物、畜禽糞便等生物質(zhì)資源，另一方面能通過生物質(zhì)炭還田提升土壤肥力、提高環(huán)境質(zhì)量，達(dá)到農(nóng)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目的。農(nóng)作物殘余物炭化的生物質(zhì)炭富含有機(jī)活性物質(zhì)，施用在土壤中有利于提高土壤硒的有效性、促進(jìn)植物對(duì)硒的吸收和轉(zhuǎn)化。

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在低溫限氧條件下發(fā)生熱裂解作用而產(chǎn)生的高度芳香化的固態(tài)難溶物質(zhì)［1］。生物質(zhì)炭不僅具有改良土壤、增加土壤肥力、提高土壤pH值等特性，還具有較好的固碳作用［2-6］。生物質(zhì)炭基肥是以生物質(zhì)炭作為載體，添加一定比例的化學(xué)肥料進(jìn)行混合或者造粒得到的新型肥料。生物質(zhì)炭基肥可以代替化肥施入農(nóng)田，在節(jié)約成本的同時(shí)能夠提高肥料利用率。已有研究表明，施用生物質(zhì)炭基肥可以提高土壤質(zhì)量、促進(jìn)植物生長及提升土壤生產(chǎn)力［7-9］。同時(shí)，施用生物質(zhì)炭基肥能夠顯著提高水稻的氮素偏生產(chǎn)力、氮素收獲指數(shù)和氮素稻谷生產(chǎn)率，有效降低氮素的損失，促進(jìn)光合產(chǎn)物向籽粒輸送，從而提高水稻的產(chǎn)量和稻米的品質(zhì)［10-11］。此外，生物質(zhì)炭基肥的施用能夠在保證產(chǎn)量的前提下，減少肥料的投入，從而達(dá)到減量施肥的效果［12］。葉面噴施作為一種經(jīng)濟(jì)有效的施肥方法，是將液體肥料均勻地噴施在植物葉面，植物通過葉面表皮將肥料中的養(yǎng)分吸收和利用，液面噴施硒肥對(duì)水稻籽粒中硒含量的提升具有明顯的效果［13-15］?；诖?，研究通過水稻田間示范試驗(yàn)，將生物質(zhì)炭基肥代替化肥與噴施炭基生物富硒液體肥相結(jié)合，探討炭基富硒生產(chǎn)技術(shù)對(duì)水稻生長、產(chǎn)量、大米品質(zhì)及生態(tài)環(huán)境的影響，為進(jìn)一步推廣炭基富硒生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)、擴(kuò)大炭基富硒水稻生產(chǎn)規(guī)模、發(fā)展基于健康稻米的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)示范田位于江蘇省南京市溧水區(qū)晶橋鎮(zhèn)芝山村曹莊富硒生態(tài)園區(qū)（北緯31°49′、東經(jīng)119°11′），該地區(qū)屬北亞熱帶的過渡地帶，年均降水量為1 077.4 mm，年平均蒸發(fā)量為1 038 mm，年均日照時(shí)數(shù)為2 106.6 h，無霜期約為232 d，年均氣溫為15.5 ℃。供試土壤為潴育型水稻土，粉砂壤土。耕作制度為稻麥輪作。試驗(yàn)稻田耕層土壤基本性質(zhì)：pH值（土水比為1∶5）5.75，有機(jī)質(zhì)含量24.2 g/kg，全氮含量1.52 g/kg，速效磷含量13.17 mg/kg，速效鉀含量146.4 mg/kg。

1.2 生物質(zhì)炭基肥及炭基生物富硒液體肥

生物質(zhì)炭基肥由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所與四川施利旺農(nóng)業(yè)科技開發(fā)公司合作研制生產(chǎn)。高鉀炭基肥，養(yǎng)分45%［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）＝17∶4∶24］；高氮炭基肥，養(yǎng)分35%［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）＝22∶5∶8］；稻殼炭基尿素，養(yǎng)分27%［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）＝27∶0∶0］；稻秸炭基尿素，養(yǎng)分27%［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）＝27∶0∶0］。炭基生物富硒液體肥由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所研制和提供，為深褐色略具咖啡味的濃稠液體，可溶性有機(jī)質(zhì)含量10%，pH值 6.5～7.0，養(yǎng)分≥30%。

1.3 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試常規(guī)復(fù)合肥養(yǎng)分為42%［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）＝18∶8∶16］，采用大田田塊示范試驗(yàn)，共設(shè)置5個(gè)處理，包括常規(guī)復(fù)合肥（CF）、高鉀炭基肥（HPBF）、高氮炭基肥（HNBF）、稻殼炭基尿素（RHBU）、稻秸炭基尿素（RSBU）處理。各處理基肥施用量為600 kg/hm2，追肥施用尿素37.5 kg/hm2、常規(guī)復(fù)合肥225 kg/hm2，稻殼炭基尿素和稻秸炭基尿素處理另施磷酸二氫鉀90 kg/hm2。

炭基生物富硒液體肥田間示范，每667 m2用6 mL原液稀釋500倍，利用無人機(jī)噴施于水稻葉面。在水稻揚(yáng)花后開始噴施，共噴施 2次，間隔時(shí)間為14 d。所有田塊均噴施，以常規(guī)生產(chǎn)（不施炭基肥）稻田為對(duì)照。

供試水稻品種為南粳46號(hào)。水稻于2020年5月初進(jìn)行育苗，6月10日移栽，11月9日收獲。不同生物質(zhì)炭水稻示范田田間管理按照?qǐng)@區(qū)常規(guī)管理生產(chǎn)方式進(jìn)行。

1.4 樣品采集和測(cè)定

1.4.1 土壤樣品

播種前按“S”形采樣法對(duì)每個(gè)采樣區(qū)的土壤進(jìn)行鉆土取樣，并混合均勻。將土樣放入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，去除肉眼可見的動(dòng)植物殘?bào)w及石塊，自然風(fēng)干磨細(xì)，過0.85 mm和0.15mm孔徑篩備用。用電位法測(cè)定土壤pH值，水土比為5∶1；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮-硫酸滴定法測(cè)定；土壤速效磷含量采用氟化銨鹽酸浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效鉀含量采用醋酸銨-火焰光度計(jì)法測(cè)定［16］。

1.4.2 水稻樣品

在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，選擇長勢(shì)一致的水稻植株并做好標(biāo)記，移栽后第10、18、25、32、40、49、56、66、75天記錄其莖蘗數(shù)；移栽后第22、32、43、55、66天記錄其株高和葉綠素含量，水稻葉片中的葉綠素含量（SPAD值）用SPAD502便攜式葉綠素儀測(cè)定。有效穗數(shù)測(cè)定方法：各小區(qū)隨機(jī)取2 m2的水稻并做好標(biāo)記，做3次重復(fù)，收獲前統(tǒng)計(jì)有效穗數(shù)。單穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率的測(cè)定方法：各小區(qū)收獲后，隨機(jī)選擇3穴水稻穗，脫粒，計(jì)算單穗粒、結(jié)實(shí)率。千粒重測(cè)定方法：用百分之一天平稱量各小區(qū)隨機(jī)數(shù)取1 000粒谷粒，得到千粒重。單位面積產(chǎn)量測(cè)定方法：每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取2 m2的水稻，做3次重復(fù)，根據(jù)單打單收實(shí)測(cè)結(jié)果預(yù)估667 m2產(chǎn)量。

1.4.3 籽粒樣品

采用硫酸-過氧化氫消煮法測(cè)定養(yǎng)分含量，采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定籽粒中全氮含量，采用釩鉬黃比色法測(cè)定籽粒中全磷含量，采用火焰光度計(jì)測(cè)定籽粒中全鉀含量。籽粒養(yǎng)分量是每千克籽粒中氮磷鉀含量分別換算成氮、五氧化二磷、氧化鉀含量的總量。

1.4.4 大米樣品

采用凱氏定氮法測(cè)定大米中蛋白質(zhì)含量，采用硝酸-高氯酸消煮法測(cè)定大米中微量元素含量，采用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定大米中鐵和鋅含量，采用氫化物-原子熒光光譜法測(cè)定大米中硒含量。

1.5 水稻病害統(tǒng)計(jì)方法

水稻成熟收獲前，對(duì)不同處理的田塊隨機(jī)選取2 m2的水稻，做3次重復(fù)，進(jìn)行穗頸瘟和稻曲病發(fā)病情況的統(tǒng)計(jì)。

1.6 養(yǎng)分偏生產(chǎn)力、養(yǎng)分強(qiáng)度的計(jì)算

養(yǎng)分偏生產(chǎn)力、養(yǎng)分強(qiáng)度的計(jì)算公式見式（1）和式（2）。

養(yǎng)分偏生產(chǎn)力（kg/kg）=施肥區(qū)水稻產(chǎn)量/該區(qū)總養(yǎng)分投入量" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

養(yǎng)分強(qiáng)度（kg/t）=每公頃總養(yǎng)分投入量/每公頃總產(chǎn)量" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

1.7 數(shù)據(jù)處理

利用 Excel 2010軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和圖表制作；用 SPSS 23.0軟件對(duì)各處理組進(jìn)行單因素方差分析和多重比較檢驗(yàn)，處理間的顯著性分析均在Plt; 0.05水平下。誤差棒為相應(yīng)處理重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理下水稻農(nóng)藝性狀動(dòng)態(tài)變化

不同施肥處理下水稻莖蘗數(shù)動(dòng)態(tài)變化如圖1所示。從圖1可以看出，移栽后10～32 d，各處理間水稻莖蘗數(shù)無顯著性差異；移栽32 d后水稻分蘗迅速增加，在49 d達(dá)到最高峰，各處理每穴平均莖蘗數(shù)在24～28枝范圍內(nèi)。其中，高氮炭基肥和高鉀炭基肥處理下平均莖蘗數(shù)能達(dá)到27.34枝和26.96枝，常規(guī)復(fù)合肥處理下平均莖蘗數(shù)為25.26枝，稻秸炭基尿素處理下平均莖蘗數(shù)為25.48枝，稻殼炭基尿素處理下平均莖蘗數(shù)為24.84枝。隨著水稻生長變化，無效分蘗逐漸枯死，在移栽75 d后，各處理間莖蘗數(shù)趨于穩(wěn)定。

不同施肥處理下水稻株高動(dòng)態(tài)變化如圖2所示。不同施肥處理對(duì)水稻株高的影響不完全一致，有的處理間存在顯著性差異，而有的則沒有。移栽后22 d，高氮炭基肥處理水稻以株高51.62 cm在各處理中最高；移栽后32 d，高鉀炭基肥處理水稻株高以56.26 cm在各處理中最高；移栽后43 d，高氮炭基肥處理水稻株高以69.46 cm在各處理中最高；移栽后55 d，高氮炭基肥處理水稻株高以89.56 cm在各處理中最高；移栽后66 d，高鉀炭基肥處理水稻株高以106.46 cm在各處理中最高。在整個(gè)觀測(cè)階段，高鉀炭基肥處理的水稻株高始終高于常規(guī)復(fù)合肥處理的水稻株高，而稻殼炭基尿素、稻秸炭基尿素處理的水稻株高始終低于常規(guī)復(fù)合肥處理的水稻株高。

不同施肥處理下水稻葉片葉綠素含量（SPAD值）動(dòng)態(tài)變化如圖3所示。葉綠素含量整體呈先升高后降低的趨勢(shì)，在移栽后43 d各處理水稻葉片葉綠素含量達(dá)到最高，此時(shí)氮素吸收利用達(dá)到最大值；在水稻移栽后觀測(cè)階段，稻殼炭基尿素處理的葉綠素含量前期高于常規(guī)復(fù)合肥，后期低于常規(guī)復(fù)合肥處理；高鉀炭基肥處理的葉綠素含量始終高于常規(guī)復(fù)合肥處理。

2.2 不同施肥處理下水稻的抗病性

不同施肥處理下水稻成熟期穗頸瘟和稻曲病發(fā)病率見表1。由表1可知，高氮炭基肥處理的發(fā)病率在各處理中最低，其次是高鉀炭基肥處理；與常規(guī)復(fù)合肥處理相比，高鉀炭基肥、高氮炭基肥、稻殼炭基尿素、稻秸炭基尿素處理的發(fā)病率明顯降低，穗頸瘟病株率分別降低39.1%、56.7%、27.5%、26.7%，穗頸瘟病穗率分別降低61.4%、75.0%、56.8%、40.9%，稻曲病病株率分別降低16.9%、46.6%、10.7%、4.5%，稻曲病病穗率分別降低18.1%、63.6%、27.2%、9.1%。

2.3 不同施肥處理下水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量形成要素的變化

不同施肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響見表2。各施肥處理間產(chǎn)量無顯著性差異，其中稻秸炭基尿素處理最高。對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成要素來說，各施肥處理間的有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率存在一定差異，高鉀炭基肥、高氮炭基肥、稻殼炭基尿素、稻秸炭基尿素處理的有效穗數(shù)與常規(guī)復(fù)合肥處理的有效穗數(shù)相比分別提高了23.1%、2.2%、11.7%、33.4%。與常規(guī)復(fù)合肥處理的結(jié)實(shí)率相比，高鉀炭基肥、高氮炭基肥、稻殼炭基尿素處理的結(jié)實(shí)率分別提高了2.2%、6.0%、1.1%，稻秸炭基尿素處理的結(jié)實(shí)率降低7.8%。而各處理間穗粒數(shù)和千粒重?zé)o顯著性差異。

2.4 不同施肥處理對(duì)水稻生產(chǎn)養(yǎng)分效率及籽粒中養(yǎng)分含量的影響

不同施肥處理下水稻生產(chǎn)的養(yǎng)分效率見表3。與常規(guī)復(fù)合肥處理相比，除高鉀炭基肥處理外，總養(yǎng)分投入均有所降低（高氮炭基肥處理降幅最多），養(yǎng)分偏生產(chǎn)力均有所提高。而從養(yǎng)分強(qiáng)度來計(jì)算肥料投入，與常規(guī)復(fù)合肥處理相比，高氮炭基肥、稻殼炭基尿素、稻秸炭基尿素處理總養(yǎng)分投入分別降低了13.2%、3.0%和6.3%。

不同施肥處理籽粒中養(yǎng)分含量和總養(yǎng)分量見表4。與常規(guī)復(fù)合肥處理相比，高鉀炭基肥、高氮炭基肥、稻殼炭基尿素處理籽粒中氮和磷含量都有不同程度提高，其中高鉀炭基肥、高氮炭基肥、稻殼炭基尿素處理籽粒中氮含量分別提高13.6%、19.4%、2.9%，籽粒中磷含量分別提高17.6%、35.3%、5.9%；稻秸炭基尿素處理籽粒中氮含量提高6.8%，籽粒中磷含量相同。高鉀炭基肥、高氮炭基肥、稻殼炭基尿素、稻秸炭基尿素處理的籽粒中養(yǎng)分與常規(guī)復(fù)合肥處理相比分別提高了14.5%、22.4%、2.4%、3.0%，高鉀炭基肥、高氮炭基肥處理提高幅度較大。

2.5 不同施肥處理對(duì)大米中營養(yǎng)成分的影響

不同施肥處理對(duì)大米營養(yǎng)成分的影響見表5。各處理大米中蛋白質(zhì)、硒含量無顯著性差異，高鉀炭基肥、高氮炭基肥、稻殼炭基尿素、稻秸炭基尿素處理的大米中蛋白質(zhì)含量與常規(guī)復(fù)合肥處理相比分別提高了13.2%、18.9%、2.3%、6.5%，高鉀炭基肥、高氮炭基肥處理提高幅度較大。與常規(guī)復(fù)合肥處理相比，高鉀炭基肥、高氮炭基肥、稻殼炭基尿素處理的大米中鐵、鋅的含量有所提高，稻秸炭基尿素處理有所降低。與未噴施炭基生物富硒液體肥處理相比，噴施炭基生物富硒液體肥處理下大米中硒含量提升效果顯著。

3 討論

水稻生長過程的農(nóng)藝性狀（莖蘗數(shù)、株高、葉綠素含量）在一定程度上能反映水稻的生長狀況。生物炭基肥能夠明顯改善作物生育性狀，其在提升水稻株高、促進(jìn)水稻有效分蘗、控制無效分蘗、提高葉片葉綠素含量等方面具有優(yōu)勢(shì)［17-19］。此試驗(yàn)中，兩種生物炭基尿素處理下的水稻莖蘗數(shù)和株高與常規(guī)復(fù)合肥處理下的基本一致，而葉綠素含量在前期優(yōu)于常規(guī)復(fù)合肥處理，在后期低于常規(guī)復(fù)合肥處理；兩種炭基肥處理下的水稻農(nóng)藝性狀（莖蘗數(shù)、株高、葉綠素含量）在各生長期均優(yōu)于常規(guī)復(fù)合肥處理。穗頸瘟和稻曲病是由真菌引起的水稻病害，嚴(yán)重制約水稻生長狀況和產(chǎn)量，降低稻米品質(zhì)，威脅食品安全［20-21］。近年來，由于氣候變化及高強(qiáng)度生產(chǎn)方式的影響，水稻病害情況加重。此試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同施肥處理下水稻發(fā)生不同程度的穗頸瘟和稻曲病侵染，但生物質(zhì)炭基肥處理的病穗率有明顯下降，僅稻秸炭基尿素處理降低幅度較小。炭基肥改善了植株健康和生長狀況，降低了水稻病害發(fā)病率，能促進(jìn)水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

施用生物質(zhì)炭基肥能提高植物對(duì)肥料的利用率，降低肥料養(yǎng)分的損失。相關(guān)研究表明，生物質(zhì)炭基肥能提高土壤中氮、磷、鉀的生物有效性，提高肥料的利用率，進(jìn)而提高籽粒對(duì)氮、磷、鉀的吸收，有利于氮、磷、鉀在植株籽粒中的累積［22-23］。此試驗(yàn)結(jié)果顯示，施用高氮炭基肥處理的籽粒中磷含量提高較明顯，這可能是由于生物質(zhì)炭基肥能顯著改善磷的生物有效性。蛋白質(zhì)含量決定大米的營養(yǎng)品質(zhì)和食用口感［24］。此試驗(yàn)結(jié)果顯示，炭基肥處理能明顯提高大米中蛋白質(zhì)的含量，其中在高氮炭基肥處理下，提高幅度達(dá)18.9%；高鉀炭基肥和高氮炭基肥處理的大米蛋白質(zhì)含量達(dá)到優(yōu)質(zhì)大米的標(biāo)準(zhǔn)（70～80 g/kg）。對(duì)大米中微量元素的測(cè)定結(jié)果顯示，高氮炭基肥、高鉀炭基肥、稻殼炭基尿素處理均明顯提高了大米中有益微量元素Fe和Zn的含量，而稻秸炭基尿素處理Fe和Zn含量有所降低。

外源硒的施用可以提高農(nóng)作物的硒含量。相關(guān)研究表明，葉面噴施硒肥可以顯著提高作物的硒含量［25-26］。噴施外源無機(jī)硒生產(chǎn)的兩種富硒大米 ，大米中有機(jī)硒總量顯著提高，無機(jī)硒總量則只比對(duì)照大米高 3～4倍［27］。在此試驗(yàn)中，未噴施炭基生物富硒液體肥的糙米硒含量≤0.03 mg/kg，未達(dá)到農(nóng)村農(nóng)業(yè)部富硒大米標(biāo)準(zhǔn)；與未噴施炭基生物富硒液體肥相比，噴施炭基生物富硒液體肥的大米硒含量提升效果顯著。

4 結(jié)束語

不同種類的生物質(zhì)炭基肥對(duì)水稻的產(chǎn)量、品質(zhì)、養(yǎng)分利用率均有影響；生物質(zhì)炭基肥相對(duì)于常規(guī)復(fù)合肥，改善作用較為顯著，綜合認(rèn)為高氮炭基肥改善效果最佳。采用炭基生物富硒植物營養(yǎng)調(diào)理技術(shù)，成本低，施用方便，不僅能顯著提高大米中硒的含量，而且能提升大米品質(zhì)。因此，炭基循環(huán)技術(shù)在炭基富硒健康水稻生產(chǎn)中具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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