高 悅，張愛(ài)平，杜章留，劉汝亮，洪 瑜，胡世民，楊正禮**

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優(yōu)化施氮條件下添加生物炭對(duì)寧夏灌區(qū)土壤條件和水稻生長(zhǎng)的影響*

高 悅1，張愛(ài)平1，杜章留1，劉汝亮2，洪 瑜2，胡世民1，楊正禮1**

（1．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2．寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750000）

以水稻品種寧粳43號(hào)為材料，在寧夏灌區(qū)就施用氮肥和添加生物炭進(jìn)行田間裂區(qū)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)不施氮（N0，0kg·hm?2）、優(yōu)化施氮（N1，240kg·hm?2）和常規(guī)施氮（N2，300kg·hm?2）3個(gè)氮肥水平以及4個(gè)生物炭水平（C0，0kg·hm?2；C1，4500kg·hm?2；C2，9000kg·hm?2；C3，13500kg·hm?2），共12個(gè)處理。在水稻收獲期利用土鉆取樣，測(cè)定土壤基本性質(zhì)；在分蘗期、拔節(jié)期、灌漿期隨機(jī)取植株樣，分別對(duì)水稻總根長(zhǎng)、根系表面積、根尖數(shù)等根系生長(zhǎng)指標(biāo)和根冠比、植株地上生物量等水稻生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定；成熟期采用五點(diǎn)取樣法對(duì)各處理水稻產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)定，以探究不同施氮水平下添加生物炭對(duì)土壤條件和水稻生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，（1）施加氮肥無(wú)法改善土壤養(yǎng)分狀況，而生物炭的添加可以增加土壤養(yǎng)分含量；（2）施用氮肥和添加生物炭均能促進(jìn)水稻根系生長(zhǎng)，且優(yōu)化施氮水平與常規(guī)施氮處理間不存在顯著差異；（3）優(yōu)化施氮與常規(guī)施氮處理間水稻產(chǎn)量無(wú)顯著性差異，而生物炭添加可以增加水稻產(chǎn)量，其中優(yōu)化施氮處理中，9000kg·hm?2的生物炭添加水平增加了15.5%的理論產(chǎn)量。因此，生物炭的添加可改善土壤養(yǎng)分狀況，促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，進(jìn)而增加水稻產(chǎn)量，可配合施用生物炭對(duì)寧夏稻田進(jìn)行氮肥減量。

氮肥減量；生物炭；土壤條件；水稻根系；水稻產(chǎn)量

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必要元素。在追求持續(xù)高產(chǎn)的過(guò)程中，大量氮肥被持續(xù)投入到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，引起溫室效應(yīng)、水體富營(yíng)養(yǎng)化、土壤板結(jié)等嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題[1]。張福鎖等[2]研究表明，稻田尿素有效利用率僅30%～40%。喬俊等[3]研究發(fā)現(xiàn)，減少氮肥施用量可以有效減少太湖地區(qū)田面水中總氮的含量。劉紅江等[4]研究表明，減少10%的氮肥施用量，仍可以保證水稻產(chǎn)量。趙士誠(chéng)等[5]田間試驗(yàn)得出氮肥減量后可以減少氮素的田間損失。因此，減少氮肥用量成為現(xiàn)階段重要的研究課題。

經(jīng)樹(shù)木、草類以及作物殘留物在缺氧條件下加熱分解得到的生物炭，在提高貧瘠土壤的土壤肥力[6]，改善土壤理化性質(zhì)[7]，增加作物產(chǎn)量[8]等方面得到了廣泛的研究。Zheng等[9]試驗(yàn)研究表明，生物炭可以通過(guò)其強(qiáng)大的吸附能力增加氮素利用率，減少氮素?fù)p失。Bruun等[10]發(fā)現(xiàn)2%的生物炭可以顯著增加植物根密度，進(jìn)而增加養(yǎng)分的吸收利用效率。程效義等[11]研究表明生物炭通過(guò)改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)根系生長(zhǎng)，進(jìn)而促進(jìn)根系對(duì)氮素的吸收和籽粒氮素的積累。因此，結(jié)合生物炭添加，減少氮肥的施用，在保證作物生長(zhǎng)方面具有積極意義。

生物炭與氮肥的配施可增加玉米百粒重6.03%[11]，也有研究表明生物炭配施氮肥能增加土壤碳氮儲(chǔ)量和微生物量，提高土壤肥力[12]，Steiner等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在添加生物炭的基礎(chǔ)上，減少10%的化肥用量仍可以保證作物的產(chǎn)量。寧夏灌區(qū)是中國(guó)重要的水稻產(chǎn)區(qū)，但由于過(guò)度施肥引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題已得到廣泛關(guān)注，但結(jié)合添加生物炭的研究報(bào)道較少。本研究針對(duì)寧夏灌區(qū)水稻品種寧粳43號(hào)進(jìn)行裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，探究在減氮的基礎(chǔ)上添加生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分、水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，以期為稻田氮肥減量條件下保持土壤良好特性和水稻產(chǎn)量提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在寧夏回族自治區(qū)青銅峽市葉升鎮(zhèn)正鑫源現(xiàn)代農(nóng)業(yè)公司試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)位于東經(jīng)106°11'35"E，北緯38°07'26"N。黃河在該地區(qū)蜿蜒經(jīng)過(guò)，灌溉條件優(yōu)越，使該區(qū)成為北方水稻種植區(qū)之一。研究區(qū)為溫帶大陸性半干旱氣候，平均海拔1100m，年均降水量241.9mm左右，年平均氣溫10℃，日照時(shí)數(shù)3230h，無(wú)霜期201.1d。土壤類型為灌淤土，耕層深度約25cm，主要種植小麥、玉米、水稻等作物，兩年三熟制，主要種植模式為水稻?小麥輪作或小麥?玉米輪作。

供試土壤（0?20cm）基本理化性質(zhì)為pH 8.00，全氮0.8g·kg?1，全磷0.6g·kg?1，土壤有機(jī)質(zhì)含量12.73g·kg?1，堿解氮71.53mg·kg?1，速效磷22.80mg·kg?1，速效鉀121.33mg·kg?1。試驗(yàn)使用的生物炭由山東某集團(tuán)生產(chǎn)，經(jīng)240～360℃高溫厭氧裂解制成，為稻殼生物炭，即稻殼在高溫缺氧條件下碳化生成，其基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用生物炭的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，設(shè)置3個(gè)施氮處理和4個(gè)生物炭水平，分別為C0（0kg·hm?2）、C1（4500kg·hm?2）、C2（9000kg·hm?2）、C3（13500kg·hm?2），N0（0kg·hm?2）、N1（240kg·hm?2，優(yōu)化施氮）、N2（300kg·hm?2，常規(guī)施氮）。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，即共36個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)面積為65m2（13m×5m）。表2給出了各試驗(yàn)處理的養(yǎng)分情況和生物炭用量。試驗(yàn)于2017年5月20日開(kāi)始，選用水稻品種為寧粳43號(hào)。于2017年4月28日育秧，5月29日插秧，9月28日收獲。氮肥分3次施入，其中50%與磷肥、鉀肥、生物炭在上茬秋季水稻收獲后作為基肥均勻撒施地表后旋耕，旋耕深度15～20cm，30%和20%的氮肥分別在秧苗期（6月7日）和拔節(jié)期各追施一次（撒施）。所施氮肥為尿素（N，46%），磷肥為重過(guò)磷酸鈣（P2O5，46%），鉀肥為氯化鉀（K2O，60%）。

表2 各處理生物炭和化肥用量（kg·hm?2）

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 樣品采集方法

在水稻收獲期，隨機(jī)在小區(qū)內(nèi)選擇取樣點(diǎn)，利用土鉆取0?20cm的耕層土壤，裝入自封袋后帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后磨碎過(guò)2mm篩，對(duì)土壤理化特性進(jìn)行測(cè)定。

分別在水稻分蘗期、拔節(jié)期、灌漿期按隨機(jī)取樣的方法，在距水稻根部15cm處挖取斷面，并取垂直深度為20cm，獲得完整的根系和植株樣品；將根系附著土壤洗凈后，裝入低溫儲(chǔ)存箱，帶回實(shí)驗(yàn)室冷凍保存（?25℃），對(duì)植物根系形態(tài)指標(biāo)和地上生物量進(jìn)行測(cè)定。

在水稻成熟期采用五點(diǎn)取樣法，在小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇5個(gè)1m2的樣方，將秸稈和籽粒分開(kāi)，在烘箱中70℃殺青20min后，105℃下烘干至恒重，進(jìn)一步測(cè)定考種指標(biāo)，并進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。

1.3.2 樣品測(cè)定方法

土壤樣品的檢測(cè)方法按照《土壤農(nóng)化分析》[14]進(jìn)行，土壤全氮用半微量開(kāi)氏法；全磷采用HClO4-H2SO4法；土壤總有機(jī)碳（TOC）測(cè)定方法采用外加熱法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；速效磷采用0.5mol·L?1NaHCO3，用分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定；速效鉀采用火焰光度計(jì)法；根系的指標(biāo)測(cè)定及分析采用WinRHIZO(Pro2005c)根系掃描儀及其數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行掃描和數(shù)據(jù)提取。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Origin9.0作圖，并用SPSS22.0進(jìn)行方差分析，采用LSD Duncan多重檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)化施氮條件下添加生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

表3給出了不同氮肥施用水平下添加生物炭水稻土壤總氮、總磷和土壤有機(jī)質(zhì)含量的差異性分析。由表可知，氮肥的施用和生物炭的添加對(duì)稻田土壤中總氮、總磷含量均無(wú)顯著性影響。對(duì)于土壤總氮，在同一施氮條件下，生物炭的添加對(duì)土壤總氮含量具有增加作用，但差異不顯著，以N0水平為例，C3處理總氮含量高于C0處理8.7%，C2處理高于C0處理6.8%，C1處理高于C0處理4.7%；同一生物炭條件下，不同施氮量對(duì)土壤總氮的影響甚微。

由表3可見(jiàn)，生物炭的添加對(duì)土壤TOC含量影響較為明顯。在所有處理中，土壤TOC含量以C3N0處理最高（25.55g·kg?1），以C0N1處理最低（11.22g·kg?1），二者相差2.28倍。同一施氮處理中，生物炭的添加可以增加稻田土壤TOC含量。在N0水平下，C1、C2、C3處理分別顯著增加土壤TOC含量61.5%、86.5%、100.7%（P<0.05）；N1水平下，C1、C2、C3處理分別增加土壤TOC含量37.9%、64.2%、44.1%；N2水平下，C1、C2、C3處理分別增加土壤TOC含量37.8%、54.5%、71.2%，其中C2、C3處理下達(dá)到顯著增加水平（P<0.05）。然而，同一生物炭水平下，優(yōu)化施氮（N1）處理TOC含量降低，C0水平下N0、N2中TOC含量分別高于N1處理13.4%、18.5%，C1水平下分別高33.0%、18.5%，C2水平下分別高28.8%、11.5%，C3水平下分別高58%、40.8%。由此可見(jiàn)，生物炭的添加可以增加土壤有機(jī)碳含量，并且氮肥的施用量也會(huì)影響土壤有機(jī)碳含量。

表3 不同處理土壤TN、TP、TOC含量的比較（g·kg?1）

注：同列字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著性；數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)差。下同。

Note：The letters in the same row indicate the significant differences among treatments at 0.05 level.The data is mean ± standard deviation. The same as below.

由圖1可見(jiàn)，生物炭的添加可以增加土壤堿解氮的含量，而氮肥的施入對(duì)堿解氮含量的影響甚微。在N0處理中，各生物炭添加水平并沒(méi)有引起堿解氮含量的顯著性變化，與C0水平相比，C1水平增加6.36%，C2水平降低1.5%，C3水平增加5.1%；在N1、N2處理中，C2水平的堿解氮含量顯著高于C0水平，其中N1處理含量高5.5%（P<0.05），N2處理高10.2%（P<0.05），其它處理間無(wú)顯著差異。同一生物炭水平下，不同氮處理間的堿解氮含量無(wú)顯著性差異。因此，氮肥的添加未對(duì)土壤中堿解氮含量產(chǎn)生顯著影響，而生物炭的添加在N1、N2處理中會(huì)引起土壤堿解氮含量的變化，這可能是由于生物炭的吸附性和生物炭自身養(yǎng)分含量引起的。

生物炭的添加可以增加土壤速效磷含量。在N0處理中，隨著生物炭施入量的增加速效磷含量增加，與C0水平相比，C3水平顯著增加了47.2%（P<0.05），C2水平增加19.9%（P<0.05）。在N1處理中，各生物炭水平間不存在顯著差異，但與C0水平相比添加生物炭處理中速效磷含量增加。在N2處理中，生物炭的添加顯著增加了速效磷的含量，其中C1水平增加了65.1%（P<0.05），C2水平增加了1倍（P<0.05），C3水平增加了62.6%（P<0.05）。同一生物炭水平中，3個(gè)施氮處理不存在顯著差異。由此可見(jiàn)，生物炭的添加能夠增加土壤速效磷含量，但氮肥的施入對(duì)土壤速效磷含量無(wú)顯著影響。

圖1 不同處理土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量的比較

注：小寫(xiě)字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著性。短線為標(biāo)準(zhǔn)差。下同。

Note: Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level. The bars are standard deviations. The same as below.

生物炭的添加可以顯著增加土壤速效鉀含量，而氮肥的施入會(huì)降低土壤速效鉀含量，可能與植物的吸收有關(guān)。N0處理下，C1處理與C0處理相比，速效鉀含量增加32.97%（P<0.05），C2、C3處理中速效鉀含量增加50%（P<0.05）。在N1處理下，雖然生物炭添加引起速效鉀含量的增加作用不如N0處理，但與C0處理相比，9000kg·hm?2和13500kg·hm?2生物炭的施入分別顯著增加速效鉀含量15.9%、52.55%（P<0.05）。N2處理中，與C0處理相比，C3處理顯著增加土壤速效鉀含量51.02%（P<0.05）。同一生物炭水平下，氮肥的增加對(duì)土壤速效鉀含量有降低作用，其中C1水平下，N1處理、N2處理與不施氮的N0處理相比，土壤速效鉀含量分別顯著降低38.33mg·kg?1、31.33mg·kg?1（P<0.05）；C2水平下，分別顯著降低47.33mg·kg?1、69.33mg·kg?1（P<0.05）?？梢?jiàn)，生物炭的添加能夠顯著增加土壤速效鉀含量，而氮肥的添加可能是由于植物吸收作用增加而使土壤速效鉀含量降低。

綜上可知，同一施氮水平下，生物炭的添加對(duì)3種活性養(yǎng)分的含量均有不同程度的增加作用，且隨著生物炭添加量的增加活性養(yǎng)分含量增加，以速效鉀含量的增加作用最為明顯。雖然不施氮肥條件下，添加生物炭處理土壤速效磷、速效鉀含量最高，但是否不施氮能夠完全滿足植物生長(zhǎng)的要求是不確定的，因此從植物根系入手，分析在不同施氮水平下添加生物炭研究植物生長(zhǎng)的狀態(tài)。

2.2 優(yōu)化施氮條件下添加生物炭對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響

2.2.1 根系指標(biāo)

植物體的氮素主要來(lái)源于根系的吸收作用，生長(zhǎng)能力強(qiáng)的根系有利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育[15]。因此，選擇3個(gè)水稻生長(zhǎng)關(guān)鍵時(shí)期，即分蘗期、拔節(jié)期、灌漿期，進(jìn)行根系生長(zhǎng)的分析。如圖2所示，N0處理中的4個(gè)生物炭水平中，水稻各個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期的總根長(zhǎng)、根系表面積、根尖數(shù)等生長(zhǎng)指標(biāo)均表現(xiàn)為最低，可見(jiàn)，不施氮在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)無(wú)法保證作物的正常生長(zhǎng)。

由圖2可見(jiàn)，在水稻分蘗期，氮肥與生物炭的添加均促進(jìn)了水稻根系的生長(zhǎng)。在N0處理中，與C0水平相比，C2、C3、C1水平的根長(zhǎng)分別高出88.1%、49.3%、48.7%；在N1處理中，根長(zhǎng)分別高出85.4%、45.1%、23.8%；N2處理中，分別高出74.7%、58.1%、32.0%。因此，生物炭的添加對(duì)水稻分蘗期根系的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用，以C2水平最優(yōu)。同一施碳水平下，施加氮肥對(duì)水稻根系生長(zhǎng)同樣具有促進(jìn)作用。C0水平下，與N0處理相比，N1、N2處理根長(zhǎng)分別增加1.25倍和1.17倍；C1水平下，分別增加0.87倍、1.31倍；C2水平下，分別增加1.19倍、0.92倍。由圖還可見(jiàn)，優(yōu)化施氮的所有處理水稻根長(zhǎng)均顯著高于不施氮處理，且與常規(guī)施氮處理（300kg·hm?2）不存在顯著差異。可見(jiàn)，優(yōu)化施氮處理下9000kg·hm?2的C2水平對(duì)水稻分蘗期根系生長(zhǎng)最具促進(jìn)作用，C3水平的促進(jìn)作用減小。

圖2 不同處理根系指標(biāo)的比較

在水稻拔節(jié)期，生物炭的添加能夠抑制根系的生長(zhǎng)，而氮肥的添加能夠促進(jìn)根系的生長(zhǎng)。在N0處理中，與C0水平相比，C1、C2、C3水平根長(zhǎng)分別降低35.9%、21.6%、27.6%；N1處理中，分別降低41.1%、26.5%、8.5%；N2處理中，與C0水平相比，C1水平增加44.6%，C2、C3水平分別降低8.3%、11.0%。可見(jiàn)，施氮量增加的情況下，生物炭的添加對(duì)水稻根系的生長(zhǎng)起負(fù)向作用。在同一施碳水平中，氮肥的添加有利于根系的生長(zhǎng)。在C0水平中，與N0處理相比，N1、N2處理水稻根長(zhǎng)分別增加93.5%、77.8%；C1水平中，分別增加0.78倍、3.01倍；C2水平中，分別增加81.5%、107.9%；C3水平中，分別增加1.44倍、1.18倍。

在水稻灌漿期，各處理對(duì)水稻根長(zhǎng)的影響與分蘗期相似。在同一施氮處理中，生物炭的添加有利于灌漿期根系的生長(zhǎng)。N0處理中，與C0水平相比，C1、C2、C3水平下根系長(zhǎng)度分別增加0.38倍、1.31倍、1.16倍；N1處理中，分別增加0.40倍、1.42倍、1.01倍；N2處理中，C1水平下降低34.1%，C2、C3水平下分別增加35.5%、6.1%。在同一生物炭水平中，氮肥的添加能夠增加灌漿期根系長(zhǎng)度。在C0水平中，與N0處理相比，N1、N2處理根系長(zhǎng)度分別增加1.06倍、2.56倍；C1水平中，分別增加1.07倍、0.69倍；C2水平中，分別增加1.16倍、1.09倍；C3水平中，N1、N2處理分別增加0.91倍、0.74倍。因此，在水稻灌漿期，施氮與生物炭的添加均有利于水稻根系的生長(zhǎng)。

根系表面積與根尖數(shù)量均為根系生長(zhǎng)指標(biāo)，如圖2所示，與根長(zhǎng)的研究結(jié)果一致，即不施氮處理的水稻在各生長(zhǎng)期中，根系的生長(zhǎng)能力均較弱；在分蘗期，施氮處理中，9000kg·hm?2的C2水平最有利于根系生長(zhǎng)，且兩個(gè)施氮處理不存在顯著性差異；在拔節(jié)期，生物炭的添加對(duì)根系生長(zhǎng)有抑制作用，而高量氮的施入有利于根系的生長(zhǎng)；在灌漿期，氮肥與生物炭的添加均對(duì)水稻根系生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用。

2.2.2 植株生物量

根冠比是植株地下部分與地上部分干重或鮮重的比值，其大小反映了植株地下部分與地上部分的相關(guān)性，可代表植物的生物量分配。隨著水稻生育期的推進(jìn)，其根冠呈減小趨勢(shì)。如圖3a所示，水稻分蘗期，在C0、C1、C3水平下，氮肥的添加對(duì)根冠增加起促進(jìn)作用。C3水平下，與N0處理相比，N1、N2處理根冠比分別增加0.01和0.04。而在C2水平下，氮肥的添加對(duì)根冠比有降低效應(yīng)，與N0處理相比，N1處理下根冠比降低0.02，N2處理降低0.06。拔節(jié)期水稻根冠比大小表現(xiàn)為N0C0>N2C0>N0C1，其中同一氮肥處理中，生物炭的添加對(duì)根冠比有降低效應(yīng)，以N2處理為例，與C0水平相比，C1、C2、C3水平下的根冠比分別降低0.44、0.57、0.42。各生物炭添加水平中，僅C3水平下氮肥的增加帶來(lái)水稻根冠比增加，與N0處理相比，N1、N2處理根冠比增加0.02、0.01，其它生物炭添加水平下，氮肥的增加對(duì)根冠比起降低效應(yīng)。

如圖3b所示，各處理對(duì)地上部分生物量的影響主要表現(xiàn)為，不施氮處理中植株生物量低，而優(yōu)化施氮（240kg·hm?2）、常規(guī)施氮（300kg·hm?2）處理中植株生物量稍高，且3個(gè)處理間不存在顯著差異。在相同生物炭添加水平下，氮肥的施加有利于水稻地上生物量的積累，如在C2水平中，與N0處理相比，N1、N2處理水稻地上生物量分別增加5.13g、5.58g，且N1處理與N2處理不存在顯著差異。由圖可見(jiàn)，N1C2處理在水稻生長(zhǎng)3個(gè)時(shí)期均保持了較高的地上生物量，尤其在灌漿期，地上生物量達(dá)到最高值。

圖3 不同處理水稻根冠比、地上生物量的比較

2.3 優(yōu)化施氮條件下添加生物炭對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

表4是各處理水稻的測(cè)產(chǎn)結(jié)果。由表中可見(jiàn)，優(yōu)化施氮處理與常規(guī)施氮間產(chǎn)量不存在顯著差異。以C0水平為例，與N0處理相比，N1、N2處理分別是1.98倍、2.11倍。在N0、N1處理中，不同生物炭添加水平間水稻產(chǎn)量無(wú)顯著差異，以N1處理為例，與C0水平相比，C1、C2、C3水平下水稻產(chǎn)量分別增加5.6%、15.5%、9.8%。N2處理中，生物炭添加的增加主要發(fā)生在C3水平。

在各氮素添加水平中，生物炭的添加可以增加植株的株高、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)和千粒重。在N0處理中，與C0水平相比，C3水平顯著增加了株高（11.2%）、穗長(zhǎng)（8.5%）、穗粒數(shù)（35.3%），C2水平顯著增加了13.0%的千粒重；N1處理中，與C0水平相比，C3水平顯著增加了18.8%的株高和51.5%的穗粒數(shù)，C2水平顯著增加了6.1%的株高、11.5%的穗長(zhǎng)、62.0%的穗粒數(shù)以及9.8%的千粒重，C1水平顯著增加了24.7%的穗粒數(shù)；在N2處理中，與C0水平相比，C3處理顯著增加了12.1%的株高、14.7%的穗長(zhǎng)、49.8%的穗粒數(shù)，C1處理顯著增加了12.0%的千粒重。由表還可見(jiàn)，同一生物炭添加水平中，氮肥的添加可以增加各產(chǎn)量構(gòu)成因素，且N1、N2處理間不存在顯著差異。

表4 不同處理水稻測(cè)產(chǎn)結(jié)果的比較

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本研究表明，氮肥減量后土壤中總氮和堿解氮含量并沒(méi)有減小，這與多項(xiàng)研究結(jié)果相一致[16?17]。通過(guò)水稻產(chǎn)量分析，氮肥的添加主要通過(guò)增加穗粒數(shù)引起作物產(chǎn)量的增加，而優(yōu)化施氮處理與常規(guī)施氮間的水稻產(chǎn)量不存在顯著差異，主要原因是常規(guī)施氮處理中千粒重的降低。常規(guī)施氮條件下大量氮素通過(guò)淋失、揮發(fā)等途徑流失到環(huán)境中，并不會(huì)改善土壤養(yǎng)分的供應(yīng)狀況。趙士誠(chéng)等[5]推測(cè)玉米大田減氮試驗(yàn)中產(chǎn)量沒(méi)有降低的原因是土壤中養(yǎng)分可以滿足作物生長(zhǎng)，過(guò)量的氮素施入只能造成氮流失。Qiao等[18]研究認(rèn)為216kg·hm?2的氮肥用量既可以降低環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)，又可以提高作物產(chǎn)量。

氮肥的添加在水稻生長(zhǎng)各時(shí)期內(nèi)對(duì)根系和地上部分的生長(zhǎng)均具有促進(jìn)作用，且240kg·hm?2的施氮量與300kg·hm?2間不存在顯著差異，不少研究也得到了類似結(jié)論[19?20]。本研究中，在水稻不同生長(zhǎng)期，優(yōu)化施氮與常規(guī)施氮處理間根冠比不具有顯著性差異，但與生物炭的添加水平有關(guān)。水稻分蘗期，9000kg·hm?2的C2水平下隨著氮肥施加量的增加，根冠比降低，而在其它生物炭添加水平中根冠比增加。劉婷婷等[21]研究發(fā)現(xiàn)，隨著氮肥施用量的增加水稻根冠比降低。根冠比的降低說(shuō)明養(yǎng)分供應(yīng)充足，保證了地上部分的充分生長(zhǎng)從而表現(xiàn)為根系的生長(zhǎng)抑制。在水稻拔節(jié)期，除C3水平外，其它生物炭添加水平下施加氮肥均導(dǎo)致了根冠比的減小。生物炭對(duì)根冠比的影響可能與引起的養(yǎng)分變化有關(guān)。

生物炭的添加可以增加堿解氮、速效磷、速效鉀和土壤有機(jī)碳的含量，這與眾多的研究結(jié)果有著一致性[22?24]。生物炭自身灰分含量高，擁有較大比表面積（200～400m2·g?1）[25]、較高的C/N以及較強(qiáng)的離子吸附能力[26?27]，能夠增加土壤養(yǎng)分含量[26，28]，因此，也促進(jìn)了水稻根系和地上部生長(zhǎng)。本研究在同一氮肥施用處理中，C2水平下堿解氮、速效磷含量最高，且優(yōu)化施氮與常規(guī)施氮間不存在顯著差異。雖然生物炭添加水平越高，給予土壤灰分含量越多，但土壤中養(yǎng)分含量卻降低，Yao等[29]研究結(jié)果說(shuō)明過(guò)量的生物炭添加，使土壤中C/N過(guò)高，導(dǎo)致土壤微生物與作物競(jìng)爭(zhēng)氮素。

基于生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分含量的作用和生物炭的多孔吸附性，利于根系的延伸生長(zhǎng)并延緩根系衰老[30]，Olmo等[31]以小麥為實(shí)驗(yàn)對(duì)象也得到了相似的結(jié)論。在水稻拔節(jié)期，生物炭添加對(duì)根長(zhǎng)、根表面積、根尖數(shù)的降低作用，與降低了該生長(zhǎng)期根冠比相吻合，生物炭的添加保證了充足的養(yǎng)分供應(yīng)地上部分的生長(zhǎng)，因此，根系的生長(zhǎng)受到抑制，這與張偉明[30]的研究結(jié)果相一致。在產(chǎn)量結(jié)果中，生物炭的添加增加了穗粒數(shù)和千粒重，從而增加了水稻產(chǎn)量，這與生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分和作物生長(zhǎng)的影響作用是分不開(kāi)的。

3.2 結(jié)論

（1）增施氮肥不會(huì)提高土壤養(yǎng)分含量，甚至由于加快作物的吸收而導(dǎo)致土壤速效鉀、速效磷等含量的降低。添加生物炭增加了土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀的含量，有利于作物生長(zhǎng)。

（2）優(yōu)化施氮對(duì)水稻根系生長(zhǎng)指標(biāo)的影響與常規(guī)施氮無(wú)顯著性差異，生物炭的添加有利于根系的生長(zhǎng)和地上生物量的積累，以9000kg·hm?2的C2水平最優(yōu)。

（3）優(yōu)化施氮處理中水稻產(chǎn)量沒(méi)有降低，且添加生物炭增加了千粒重和穗粒數(shù)從而使水稻產(chǎn)量增加，以9000kg·hm?2的生物炭添加水平最高。

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Effects of Biochar on Soil Conditions and Rice Growth in Ningxia Irrigated Area under Optimized Nitrogen Application Conditions

GAO Yue1, ZHANG Ai-ping1, DU Zhang-liu1, LIU Ru-liang2, HONG Yu2, HU Shi-min1, YANG Zheng-li1

(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China；2.Institute of Agricultural Resources and Environment, Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Yinchuan 750000)

Taking rice variety Ningjing43 as materials, the cracking test was carried out under nitrogen and biochar addition condition in Ningxia irrigation area. None nitrogen (0kg·ha?1), optimization of nitrogen (240kg·ha?1), routine nitrogen (300kg·ha?1) and three levels of biochar addition including C0(0kg·ha?1), C1(4500kg·ha?1), C2(9000kg·ha?1), C3(13500kg·ha?1), 12 treatments in total, were designed. Soil samples were collected in harvest stage of rice by soil-drills to determine basic properties. Plants samples were randomly selected in tillering stage, jointing stage and filling stage to measure the growth index such as root length, root surface area, root tips and root-shoot ratio, aboveground biomass. Rice production was tested in harvest stage through five-point sampling method. The 3 measurements aimed to study the effect of adding biochar under different nitrogen applications on soil conditions and rice growth in Ningxia irrigation area. The main results were as followed, (1) application of nitrogen fertilizer did not improve soil nutrient status, while biochar addition increased soil nutrient content. (2) Application of nitrogen fertilizer and addition of biochar both promoted root growth, and there was no significant difference between optimized nitrogen application and conventional nitrogen application. (3) There was no significant difference in rice yield between optimized nitrogen application and conventional nitrogen application, and biochar addition increased rice yield. 9000kg·ha?1of biochar addition in optimized nitrogen application increased the theoretical yield by 15.5%. Therefore, the addition of biochar improved soil nutrient status, promoted rice growth, and increased rice yield. And moreover, biochar addition can be applied to Ningxia rice fields in combination with nitrogen fertilizer reduction.

Nitrogen; Biochar; Soil condition; Rice roots; Rice production

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.05.007

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2019?02?19

。E-mail：yangzhengli@caas.cn

國(guó)家自然基金青年基金項(xiàng)目（31601834）

高悅（1994?），女，碩士生，從事農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境相關(guān)研究。E-mail：Gloria_gaoyue@163.com