生物质炭基肥提升水稻产量及其营养品质的田间示范研究

摘 要：施用生物质炭能够显著改善土壤肥力、增加作物产量的效应已被广泛报道，但目前关于生物质炭基肥对水稻田间应用的产量和品质综合效应的研究较少。研究选取南京市溧水区南京石燕农地合作社为试验地点，开展不同生物质炭基肥施用的水稻田间试验，以常规复合肥（CF）为对照，设置高钾炭基肥（HPBF）、高氮炭基肥（HNBF）、稻壳炭基尿素（RHBU）、稻秸炭基尿素（RSBU）处理，同时配施炭基生物富硒液体肥，探讨施用不同生物质炭基肥对水稻产量、品质、病害、肥料利用率的影响。研究结果表明，与常规复合肥相比，生物质炭基肥处理下水稻病害情况显著降低；稻壳炭基尿素处理下产量略有下降，但其他炭基肥处理下产量略有增加。生物质炭基肥在保证产量的情况下，能减少肥料的投入，达到减肥的效果；高氮炭基肥处理和稻秸炭基尿素处理提高了肥料投入产出比，降低了稻田肥料投入。除稻秸炭基尿素处理外，其他炭基肥料处理明显提高了大米中有益微量元素Fe和Zn的含量，以高氮炭基肥处理提升效果最好。炭基生物富硒液体肥，以低投入实现大米中硒含量和粗蛋白含量的提升。生物质炭基肥减少了养分的投入，维持水稻正常产量或略有增产，降低水稻植株的病害感染率，提高了大米的品质，有着较好的生态效益及巨大的市场潜力。

关键词：水稻生产；健康农业；炭基肥；生物富硒

中图分类号：S511 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）2-134-6

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.02.032

0 引言

农作物废弃物热解炭化为生物质炭在农业中的应用，一方面能循环利用农业废弃物、畜禽粪便等生物质资源，另一方面能通过生物质炭还田提升土壤肥力、提高环境质量，达到农作物高产优质的目的。农作物残余物炭化的生物质炭富含有机活性物质，施用在土壤中有利于提高土壤硒的有效性、促进植物对硒的吸收和转化。

生物质炭是生物质在低温限氧条件下发生热裂解作用而产生的高度芳香化的固态难溶物质［1］。生物质炭不仅具有改良土壤、增加土壤肥力、提高土壤pH值等特性，还具有较好的固碳作用［2-6］。生物质炭基肥是以生物质炭作为载体，添加一定比例的化学肥料进行混合或者造粒得到的新型肥料。生物质炭基肥可以代替化肥施入农田，在节约成本的同时能够提高肥料利用率。已有研究表明，施用生物质炭基肥可以提高土壤质量、促进植物生长及提升土壤生产力［7-9］。同时，施用生物质炭基肥能够显著提高水稻的氮素偏生产力、氮素收获指数和氮素稻谷生产率，有效降低氮素的损失，促进光合产物向籽粒输送，从而提高水稻的产量和稻米的品质［10-11］。此外，生物质炭基肥的施用能够在保证产量的前提下，减少肥料的投入，从而达到减量施肥的效果［12］。叶面喷施作为一种经济有效的施肥方法，是将液体肥料均匀地喷施在植物叶面，植物通过叶面表皮将肥料中的养分吸收和利用，液面喷施硒肥对水稻籽粒中硒含量的提升具有明显的效果［13-15］。基于此，研究通过水稻田间示范试验，将生物质炭基肥代替化肥与喷施炭基生物富硒液体肥相结合，探讨炭基富硒生产技术对水稻生长、产量、大米品质及生态环境的影响，为进一步推广炭基富硒生态农业技术、扩大炭基富硒水稻生产规模、发展基于健康稻米的农业经济提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验示范田位于江苏省南京市溧水区晶桥镇芝山村曹庄富硒生态园区（北纬31°49′、东经119°11′），该地区属北亚热带的过渡地带，年均降水量为1 077.4 mm，年平均蒸发量为1 038 mm，年均日照时数为2 106.6 h，无霜期约为232 d，年均气温为15.5 ℃。供试土壤为潴育型水稻土，粉砂壤土。耕作制度为稻麦轮作。试验稻田耕层土壤基本性质：pH值（土水比为1∶5）5.75，有机质含量24.2 g/kg，全氮含量1.52 g/kg，速效磷含量13.17 mg/kg，速效钾含量146.4 mg/kg。

1.2 生物质炭基肥及炭基生物富硒液体肥

生物质炭基肥由南京农业大学农业资源与生态环境研究所与四川施利旺农业科技开发公司合作研制生产。高钾炭基肥，养分45%［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）＝17∶4∶24］；高氮炭基肥，养分35%［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）＝22∶5∶8］；稻壳炭基尿素，养分27%［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）＝27∶0∶0］；稻秸炭基尿素，养分27%［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）＝27∶0∶0］。炭基生物富硒液体肥由南京农业大学农业资源与生态环境研究所研制和提供，为深褐色略具咖啡味的浓稠液体，可溶性有机质含量10%，pH值 6.5～7.0，养分≥30%。

1.3 田间试验设计

供试常规复合肥养分为42%［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）＝18∶8∶16］，采用大田田块示范试验，共设置5个处理，包括常规复合肥（CF）、高钾炭基肥（HPBF）、高氮炭基肥（HNBF）、稻壳炭基尿素（RHBU）、稻秸炭基尿素（RSBU）处理。各处理基肥施用量为600 kg/hm2，追肥施用尿素37.5 kg/hm2、常规复合肥225 kg/hm2，稻壳炭基尿素和稻秸炭基尿素处理另施磷酸二氢钾90 kg/hm2。

炭基生物富硒液体肥田间示范，每667 m2用6 mL原液稀释500倍，利用无人机喷施于水稻叶面。在水稻扬花后开始喷施，共喷施 2次，间隔时间为14 d。所有田块均喷施，以常规生产（不施炭基肥）稻田为对照。

供试水稻品种为南粳46号。水稻于2020年5月初进行育苗，6月10日移栽，11月9日收获。不同生物质炭水稻示范田田间管理按照园区常规管理生产方式进行。

1.4 样品采集和测定

1.4.1 土壤样品

播种前按“S”形采样法对每个采样区的土壤进行钻土取样，并混合均匀。将土样放入自封袋带回实验室，去除肉眼可见的动植物残体及石块，自然风干磨细，过0.85 mm和0.15mm孔径筛备用。用电位法测定土壤pH值，水土比为5∶1；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤全氮含量采用半微量凯氏定氮-硫酸滴定法测定；土壤速效磷含量采用氟化铵盐酸浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量采用醋酸铵-火焰光度计法测定［16］。

1.4.2 水稻样品

在每个试验区内，选择长势一致的水稻植株并做好标记，移栽后第10、18、25、32、40、49、56、66、75天记录其茎蘖数；移栽后第22、32、43、55、66天记录其株高和叶绿素含量，水稻叶片中的叶绿素含量（SPAD值）用SPAD502便携式叶绿素仪测定。有效穗数测定方法：各小区随机取2 m2的水稻并做好标记，做3次重复，收获前统计有效穗数。单穗粒数、结实率的测定方法：各小区收获后，随机选择3穴水稻穗，脱粒，计算单穗粒、结实率。千粒重测定方法：用百分之一天平称量各小区随机数取1 000粒谷粒，得到千粒重。单位面积产量测定方法：每个小区随机取2 m2的水稻，做3次重复，根据单打单收实测结果预估667 m2产量。

1.4.3 籽粒样品

采用硫酸-过氧化氢消煮法测定养分含量，采用靛酚蓝比色法测定籽粒中全氮含量，采用钒钼黄比色法测定籽粒中全磷含量，采用火焰光度计测定籽粒中全钾含量。籽粒养分量是每千克籽粒中氮磷钾含量分别换算成氮、五氧化二磷、氧化钾含量的总量。

1.4.4 大米样品

采用凯氏定氮法测定大米中蛋白质含量，采用硝酸-高氯酸消煮法测定大米中微量元素含量，采用火焰原子吸收分光光度计测定大米中铁和锌含量，采用氢化物-原子荧光光谱法测定大米中硒含量。

1.5 水稻病害统计方法

水稻成熟收获前，对不同处理的田块随机选取2 m2的水稻，做3次重复，进行穗颈瘟和稻曲病发病情况的统计。

1.6 养分偏生产力、养分强度的计算

养分偏生产力、养分强度的计算公式见式（1）和式（2）。

养分偏生产力（kg/kg）=施肥区水稻产量/该区总养分投入量                                                         （1）

养分强度（kg/t）=每公顷总养分投入量/每公顷总产量                                                                     （2）

1.7 数据处理

利用 Excel 2010软件对试验数据进行统计和图表制作；用 SPSS 23.0软件对各处理组进行单因素方差分析和多重比较检验，处理间的显著性分析均在P< 0.05水平下。误差棒为相应处理重复的标准差。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下水稻农艺性状动态变化

不同施肥处理下水稻茎蘖数动态变化如图1所示。从图1可以看出，移栽后10～32 d，各处理间水稻茎蘖数无显著性差异；移栽32 d后水稻分蘖迅速增加，在49 d达到最高峰，各处理每穴平均茎蘖数在24～28枝范围内。其中，高氮炭基肥和高钾炭基肥处理下平均茎蘖数能达到27.34枝和26.96枝，常规复合肥处理下平均茎蘖数为25.26枝，稻秸炭基尿素处理下平均茎蘖数为25.48枝，稻壳炭基尿素处理下平均茎蘖数为24.84枝。随着水稻生长变化，无效分蘖逐渐枯死，在移栽75 d后，各处理间茎蘖数趋于稳定。

不同施肥处理下水稻株高动态变化如图2所示。不同施肥处理对水稻株高的影响不完全一致，有的处理间存在显著性差异，而有的则没有。移栽后22 d，高氮炭基肥处理水稻以株高51.62 cm在各处理中最高；移栽后32 d，高钾炭基肥处理水稻株高以56.26 cm在各处理中最高；移栽后43 d，高氮炭基肥处理水稻株高以69.46 cm在各处理中最高；移栽后55 d，高氮炭基肥处理水稻株高以89.56 cm在各处理中最高；移栽后66 d，高钾炭基肥处理水稻株高以106.46 cm在各处理中最高。在整个观测阶段，高钾炭基肥处理的水稻株高始终高于常规复合肥处理的水稻株高，而稻壳炭基尿素、稻秸炭基尿素处理的水稻株高始终低于常规复合肥处理的水稻株高。

不同施肥处理下水稻叶片叶绿素含量（SPAD值）动态变化如图3所示。叶绿素含量整体呈先升高后降低的趋势，在移栽后43 d各处理水稻叶片叶绿素含量达到最高，此时氮素吸收利用达到最大值；在水稻移栽后观测阶段，稻壳炭基尿素处理的叶绿素含量前期高于常规复合肥，后期低于常规复合肥处理；高钾炭基肥处理的叶绿素含量始终高于常规复合肥处理。

2.2 不同施肥处理下水稻的抗病性

不同施肥处理下水稻成熟期穗颈瘟和稻曲病发病率见表1。由表1可知，高氮炭基肥处理的发病率在各处理中最低，其次是高钾炭基肥处理；与常规复合肥处理相比，高钾炭基肥、高氮炭基肥、稻壳炭基尿素、稻秸炭基尿素处理的发病率明显降低，穗颈瘟病株率分别降低39.1%、56.7%、27.5%、26.7%，穗颈瘟病穗率分别降低61.4%、75.0%、56.8%、40.9%，稻曲病病株率分别降低16.9%、46.6%、10.7%、4.5%，稻曲病病穗率分别降低18.1%、63.6%、27.2%、9.1%。