• ISSN 1008-505X
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生物炭基肥与紫云英联合还田对红壤区早稻干物质累积和氮素利用特征的影响

谢志坚 吴佳 段金贵 喻成龙 郑琴 倪国荣 荣勤雷 赵尊康 周春火

引用本文:
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生物炭基肥与紫云英联合还田对红壤区早稻干物质累积和氮素利用特征的影响

    作者简介: 谢志坚E-mail:hoblecat@126.com;
    通讯作者: 周春火, E-mail:zchh3366@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划课题(2017YFD0200808);江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ180170);江西省自然科学基金项目(2020BAB203018)。

Effects of combining biochar-based fertilizer and milk vetch on dry matter accumulation and N use efficiencies of early rice in reddish paddy field of south China

    Corresponding author: ZHOU Chun-huo, E-mail:zchh3366@163.com
  • 摘要:   【目的】  探讨生物炭基肥与紫云英联合还田对提高水稻产量与氮素利用率的影响,为同时实现稻区秸秆循环利用和降低氮肥用量提供参考。  【方法】  采用盆栽实验,设计不施氮肥 (CK0)、施100%氮肥 (CK1)、减施20%氮肥后分别施炭基肥 (BF)、紫云英 (MV) 以及两者联合还田 (BF + MV) 5个处理。分析了早稻地上部干物质累积量、产量构成及氮素吸收利用。  【结果】  与CK1相比,减施20%氮肥后,紫云英和炭基肥单独或联合还田均可通过增加早稻千粒重和有效穗数而改善其产量构成;炭基肥单独或与紫云英联合还田不仅可有效提高早稻籽粒和地上部干物质量 (P > 0.05),而且分别显著提高了籽粒中氮素生理利用率11.8%与7.52% (P < 0.05);紫云英单独还田分别显著提高籽粒和地上部干物质量11.8%和7.62%,以及地上部氮素累积量10.9% (P < 0.05)。另外,由Pearson相关分析表明,减施20%氮肥条件下,紫云英还田与早稻千粒重和籽粒氮素累积量呈显著正相关关系,炭基肥还田与早稻地上部氮素生理利用率和干物质生产效率呈显著或极显著正相关关系。  【结论】  在确保红壤稻区早稻不减产的前提下,将秸秆炭化生产炭基肥与冬季豆科绿肥联合还田,既有利于提高作物秸秆资源利用率,又降低稻田氮肥用量,并提高氮素利用率,从而为水稻绿色生产开辟新途径和提供理论依据。
  • 图 1  各处理早稻地上部氮素累积量

    Figure 1.  Shoot N accumulation of early rice in each treatment

    表 1  供试土壤和紫云英基础性状

    Table 1.  Properties of the experimental soil and milk vetch

    项目
    Item
    有机碳 (g/kg)
    Organic C
    全氮(g/kg)
    Total N
    全磷 (g/kg)
    Total P
    全钾 (g/kg)
    Total K
    碱解氮 (mg/kg)
    Available N
    有效磷 (mg/kg)
    Olsen-P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    pH
    土壤Soil18.701.900.7213.086.412.8107.85.17
    紫云英
    Milk vetch
    405.2 32.6 3.4524.3
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    表 2  各试验处理施肥量 (g/pot)

    Table 2.  Applying amounts of biochar-based fertilizer, milk vetch and chemical fertilizers

    处理
    Treatment
    化肥养分Chemical nutrient炭基肥
    Biochar-based fertilizer
    紫云英鲜草
    Fresh milk vetch
    NP2O5K2O
    CK000.250.4000
    CK10.500.250.4000
    BF0.400.250.401.500
    MV0.400.250.40075
    BF + MV0.400.250.401.5075
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    表 3  各处理早稻地上部干物质量及产量构成

    Table 3.  Dry matter weight of shoot and the yield components of early rice in each treatment

    处理
    Treatment
    千粒重 (g)
    1000-grain weight
    每穴有效穗数
    Effective panicle number per hole
    每穗实粒数
    Full grains per panicle
    干物质量Dry matter weight (g/pot)
    秸秆Straw籽粒Grain地上部Shoot
    CK020.0 ± 0.75 c7.33 ± 0.58 c101.7 ± 6.77 c14.4 ± 0.54 b12.3 ± 0.87 c26.6 ± 1.37 c
    CK121.9 ± 0.15 b11.0 ± 0.01 b 108.5 ± 3.15 ab20.8 ± 0.51 a21.1 ± 1.25 b42.0 ± 1.68 b
    BF22.9 ± 0.23 a 11.3 ± 0.58 ab105.7 ± 1.03 b21.6 ± 1.36 a21.4 ± 2.81 b42.9 ± 4.17 b
    MV23.6 ± 0.44 a 11.3 ± 0.58 ab112.0 ± 3.92 a21.6 ± 0.57 a23.6 ± 0.44 a45.2 ± 0.35 a
    BF + MV22.8 ± 0.33 a11.7 ± 0.58 a106.3 ± 3.28 b21.3 ± 0.41 a21.8 ± 1.38 b 43.1 ± 1.74 ab
    FF-values
    15.9**6.36*5.27*50.4**24.0**33.8**
    注(Note):CK0—不施氮肥 No N fertilizer;CK1—100% 氮肥 Applying 100% N fertilizer;BF—80% 氮肥 + 生物炭基肥 Reducing 20% of chemical N rate + biochar-based fertilizer;MV—80% 氮肥 + 紫云英 Reducing 20% of chemical N rate + milk vetch;BF + MV—80% 氮肥 + 生物炭基肥 + 紫云英 Reducing 20% of chemical N rate + biochar-based fertilizer + milk vetch. 表中数据为平均值 ± 标准误差 Data were expressed as mean ± SE (n = 3);同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column are significant difference among treatments (P < 0.05);*—P < 0.05;**—P < 0.01.
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    表 4  各处理早稻氮素生理利用率和干物质生产效率

    Table 4.  Nitrogen physiological efficiency and dry matter production efficiency of early rice in each treatment

    处理
    Treatment
    氮素生理利用率 (kg/kg)
    Physiological efficiency of N
    氮素干物质生产效率 (kg/kg)
    Dry matter production efficiency of N
    秸秆Straw籽粒Grain地上部Shoot秸秆Straw籽粒Grain地上部Shoot
    CK050.1 ± 1.40 a42.7 ± 1.50 a92.8 ± 2.04 a
    CK1 79.4 ± 8.35 ab61.2 ± 2.66 b 67.7 ± 3.68 bc40.7 ± 1.35 b41.2 ± 1.01 a 81.9 ± 1.53 bc
    BF81.2 ± 2.11 a68.4 ± 7.93 a73.0 ± 2.76 a42.7 ± 0.72 b42.1 ± 2.99 a84.8 ± 3.12 b
    MV76.3 ± 8.29 b60.5 ± 3.96 b65.8 ± 4.66 c38.0 ± 0.51 c41.5 ± 1.52 a79.5 ± 1.48 c
    BF + MV 79.9 ± 4.21 ab65.8 ± 7.71 a 71.0 ± 2.09 ab41.1 ± 0.98 b42.1 ± 2.11 a 83.2 ± 2.58 bc
    FF-values
    7.43*5.69*5.34*57.9**0.28ns15.2**
    注(Note):CK0—不施氮肥 No N fertilizer; CK1—100% 氮肥 Applying 100% N fertilizer; BF—80% 氮肥 + 生物炭基肥 Reducing 20% of chemical N rate + biochar-based fertilizer; MV—80% 氮肥 + 紫云英 Reducing 20% of chemical N rate + milk vetch;BF + MV—80% 氮肥 + 生物炭基肥 + 紫云英 Reducing 20% of chemical N rate + biochar-based fertilizer + milk vetch. 同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05); *—P < 0.05;**—P < 0.01; ns—不显著 Not significant.
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    表 5  炭基肥、紫云英还田与产量构成、干物质量、氮累积和利用效率的相关系数 (n = 9)

    Table 5.  Pearson correlation coefficients among the biochar-based fertilizer (BF), milk vetch (MV) and the yield components, dry matter wieght, N accumulation and use efficiencies of early rice

    变异来源
    Variables
    千粒重
    1000-grain weight
    有效穗数
    Effective panicle No.
    每穗实粒数
    Grain No. per panicle
    干物质量
    Dry matter wieght
    氮累积量
    N accumulation
    氮生理利用率
    PEN
    氮生产效率
    NUEB
    秸秆Straw
    BF 0.21ns0.01ns0.72* 0.76*
    MV0.15ns0.33ns0.11ns–0.57ns
    籽粒Grain
    BF 0.10ns0.19ns–0.59ns –0.25ns –0.60ns 0.87**0.21ns
    MV0.77* 0.20ns0.64ns0.60ns0.80**–0.48ns –0.05ns
    地上部Shoot
    BF –0.12ns –0.46ns 0.81**0.68*
    MV0.51ns0.79* –0.51ns –0.65ns
    注(Note):PEN—Physiological efficiency of N;NUEB—N using efficiency for production;*—P < 0.05;**—P < 0.01;ns—不显著 Not significant.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-27
  • 网络出版日期:  2020-10-19
  • 刊出日期:  2020-09-25

生物炭基肥与紫云英联合还田对红壤区早稻干物质累积和氮素利用特征的影响

    作者简介:谢志坚E-mail:hoblecat@126.com
    通讯作者: 周春火, zchh3366@163.com
  • 1. 江西农业大学国土资源与环境学院/江西省农业废弃物资源化利用与面源污染防控产教融合重点创新中心,江西南昌 330045
  • 2. 杭州市生态环境局萧山分局,浙江杭州 311200
  • 3. 万年县农业农村局,江西上饶 335500
  • 基金项目: 国家重点研发计划课题(2017YFD0200808);江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ180170);江西省自然科学基金项目(2020BAB203018)。
  • 摘要:   【目的】  探讨生物炭基肥与紫云英联合还田对提高水稻产量与氮素利用率的影响,为同时实现稻区秸秆循环利用和降低氮肥用量提供参考。  【方法】  采用盆栽实验,设计不施氮肥 (CK0)、施100%氮肥 (CK1)、减施20%氮肥后分别施炭基肥 (BF)、紫云英 (MV) 以及两者联合还田 (BF + MV) 5个处理。分析了早稻地上部干物质累积量、产量构成及氮素吸收利用。  【结果】  与CK1相比,减施20%氮肥后,紫云英和炭基肥单独或联合还田均可通过增加早稻千粒重和有效穗数而改善其产量构成;炭基肥单独或与紫云英联合还田不仅可有效提高早稻籽粒和地上部干物质量 (P > 0.05),而且分别显著提高了籽粒中氮素生理利用率11.8%与7.52% (P < 0.05);紫云英单独还田分别显著提高籽粒和地上部干物质量11.8%和7.62%,以及地上部氮素累积量10.9% (P < 0.05)。另外,由Pearson相关分析表明,减施20%氮肥条件下,紫云英还田与早稻千粒重和籽粒氮素累积量呈显著正相关关系,炭基肥还田与早稻地上部氮素生理利用率和干物质生产效率呈显著或极显著正相关关系。  【结论】  在确保红壤稻区早稻不减产的前提下,将秸秆炭化生产炭基肥与冬季豆科绿肥联合还田,既有利于提高作物秸秆资源利用率,又降低稻田氮肥用量,并提高氮素利用率,从而为水稻绿色生产开辟新途径和提供理论依据。

    English Abstract

    • 水稻是我国主要粮食作物之一,每年水稻种植面积和稻谷产量分别约占全球水稻播种面积和稻谷产量的18%和28%[1],是我国约65%人口的主粮[2]。化肥是保障粮食安全和农产品有效供给必不可少的农用物资,对粮食增产的贡献率达56.8%[3]。氮是水稻生长发育必需营养元素,直接影响水稻生理生化代谢、群体构建和养分吸收运输与利用及其产量[4]。我国人多地少的基本国情导致的“高投入、高产出、高环境风险、低效益”的集约化生产模式[5],虽保障了粮食安全,却也带来严重的资源环境问题。2015年农业部制定《到2020年化肥使用量零增长行动方案》,提倡化肥减量增效提质,鼓励增施有机肥,提高氮肥利用率。因此,在减肥大背景下,探索能同步保证水稻产量和提高氮素利用率的施肥方案,对促进农业绿色发展具有重要理论和实践指导价值。

      2015年我国可回收农作物秸秆资源量达9亿t (水稻秸秆约占21.9%),焚烧或随意废弃造成资源浪费和环境污染严重[6],传统的直接还田又增加后茬作物病虫害和产生还原性有害物质等不利影响[7]。生物炭是农林废弃生物质在无氧或缺氧下经亚高温 (< 700℃) 裂解形成孔隙结构发达、比表面大的富炭物质[8],与有机或无机肥配施可改善土壤性状和补充养分,提高作物产量及氮素利用率[9],而且其表面电荷和官能团保留的氮素也可被生物利用[10],但其质地较轻、呈粉末状且矿质养分量少。生物炭基肥是以生物炭为基质,与有机/无机物质合理配伍,采用化学或物理方法复混造粒制成的生态环保型肥料,有利于改善土壤生物学性状,提高作物产量与品质和氮素利用率[9, 11]

      将紫云英纳入早稻–晚稻种植体系可减小水稻产量变异系数,提高产量可持续指数以及系统的生态功能服务价值[12-13],而且其作为绿肥在替代部分氮肥、提高水稻产量与氮肥利用率及降低稻田氨挥发损失等方面也具有积极作用[14-15]。与紫云英或水稻秸秆单独还田相比,两者联合还田更有利于土壤中有效养分的全面提升,增加微生物量氮、可溶性有机碳氮含量与双季水稻产量,尤其对早稻产量的贡献更大[16]。生物炭基肥符合我国农业绿色可持续发展要求,其与紫云英联合还田可同时解决秸秆禁烧与还田难和冬闲田面积广与氮肥投入大等难题,但关于炭基肥与紫云英联合还田如何影响早稻产量及其构成与氮素利用率的研究鲜见报道。因此,探索生物炭基肥与紫云英联合还田对水稻干物质累积、产量形成和氮素吸收利用的影响,可为探寻水稻绿色生产新途径提供理论依据和实践指导。

      • 盆栽试验在江西农业大学生态园盆栽场内进行 (28°45′48.3″N,115°50′6.5″E)。供试紫云英和土壤均采自江西农业大学农业科技园内双季稻田,水稻土由第四纪红壤发育而来。采集耕层土壤 (0—20 cm),人工去除动、植物残体和石砾等杂物,自然风干后过2 mm筛备用。土壤和紫云英地上部基础性状见表1。供试生物炭基肥 (N–P2O5–K2O为24–8–10,含生物炭25%) 由辽宁金和福农业科技股份有限公司提供,是以玉米秸秆生物炭为基质,添加化肥复混圆盘造粒制成的生态环保型缓释肥。供试化学氮、磷和钾肥分别为尿素 (N 46%)、钙镁磷肥 (P2O5 12%) 和KCl (K2O 60%)。供试早稻品种为中嘉早17。

        表 1  供试土壤和紫云英基础性状

        Table 1.  Properties of the experimental soil and milk vetch

        项目
        Item
        有机碳 (g/kg)
        Organic C
        全氮(g/kg)
        Total N
        全磷 (g/kg)
        Total P
        全钾 (g/kg)
        Total K
        碱解氮 (mg/kg)
        Available N
        有效磷 (mg/kg)
        Olsen-P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        pH
        土壤Soil18.701.900.7213.086.412.8107.85.17
        紫云英
        Milk vetch
        405.2 32.6 3.4524.3
      • 试验设5个处理:1) 不施氮肥 (CK0);2) 100%氮肥 (CK1);3) 80%氮肥 + 生物炭基肥 (BF);4) 80%氮肥 + 紫云英 (MV);5) 80%氮肥 + 生物炭基肥 + 紫云英 (BF + MV)。每个处理3次重复,随机排列。各处理施肥量见表2

        表 2  各试验处理施肥量 (g/pot)

        Table 2.  Applying amounts of biochar-based fertilizer, milk vetch and chemical fertilizers

        处理
        Treatment
        化肥养分Chemical nutrient炭基肥
        Biochar-based fertilizer
        紫云英鲜草
        Fresh milk vetch
        NP2O5K2O
        CK000.250.4000
        CK10.500.250.4000
        BF0.400.250.401.500
        MV0.400.250.40075
        BF + MV0.400.250.401.5075

        将盛花期紫云英地上部鲜草剪为3 cm小段,于早稻移栽前5 天与风干土壤充分混匀后装入PVC盆 (20 cm × 22 cm)。炭基肥和所有化肥与土壤充分混匀后于早稻移栽前1 天基施。每盆装土7.5 kg,沿盆壁缓慢浇水,使土壤充分湿润并达到田间最大持水量,静置约15天。

        选择生长健壮、长势一致的水稻秧苗 (秧龄约25 天),在2019年4月底移栽,每盆定植1穴,每穴2株秧苗。水稻生长期间持续维持约3 cm水层,收获前约15 天自然落干,于2019年7月中旬收获。其他日常管理同水稻高效生产大田。

      • 水稻成熟期采集植株样品,测定有效穗数、每穗实粒数、千粒重等性状后,将植株地上部分成茎叶和籽粒两部分,105℃杀青30 min、70℃烘干、称重、粉碎并过0.25 mm筛。采用H2SO4–H2O2消煮靛酚蓝比色法测定植株含氮量[17]

      • 氮素生理利用率 (kg/kg) = (施氮区地上部生物量 – 未施氮区地上部生物量)/(施氮区地上部氮累积量 – 未施氮区地上部氮累积量)

        氮素干物质生产效率 (kg/kg) = 植株地上部干物质累积量/植株地上部氮累积量

        数据统计分析用SAS 8.1统计软件,由于氮素利用率数据不满足正态分布条件,先进行反正弦转换后,再进行ANOVA方差分析,各处理平均数比较采用LSD法 (P < 0.05为差异显著);采用Pearson Correlation进行相关分析;分别使用SigmaPlot 10.0和MS Excel 绘制图表。

      • 表3表明,与施100%氮肥 (CK1) 相比,减施20%氮肥后,炭基肥和紫云英单独或联合还田改善了部分早稻产量构成因子,提高地上部干物质量。紫云英和炭基肥单独或联合还田分别平均提高早稻千粒重、有效穗4.11%~7.76%、2.73%~6.36%;紫云英单独还田 (MV) 分别显著提高籽粒和地上部干物质量11.8%和7.62% (P < 0.05);炭基肥单独 (BF) 或与紫云英联合 (BF + MV) 还田分别平均增加籽粒干物质量1.42%与3.32%,以及地上部干物质量2.14%与2.62%,但差异均不显著 (P > 0.05)。

        表 3  各处理早稻地上部干物质量及产量构成

        Table 3.  Dry matter weight of shoot and the yield components of early rice in each treatment

        处理
        Treatment
        千粒重 (g)
        1000-grain weight
        每穴有效穗数
        Effective panicle number per hole
        每穗实粒数
        Full grains per panicle
        干物质量Dry matter weight (g/pot)
        秸秆Straw籽粒Grain地上部Shoot
        CK020.0 ± 0.75 c7.33 ± 0.58 c101.7 ± 6.77 c14.4 ± 0.54 b12.3 ± 0.87 c26.6 ± 1.37 c
        CK121.9 ± 0.15 b11.0 ± 0.01 b 108.5 ± 3.15 ab20.8 ± 0.51 a21.1 ± 1.25 b42.0 ± 1.68 b
        BF22.9 ± 0.23 a 11.3 ± 0.58 ab105.7 ± 1.03 b21.6 ± 1.36 a21.4 ± 2.81 b42.9 ± 4.17 b
        MV23.6 ± 0.44 a 11.3 ± 0.58 ab112.0 ± 3.92 a21.6 ± 0.57 a23.6 ± 0.44 a45.2 ± 0.35 a
        BF + MV22.8 ± 0.33 a11.7 ± 0.58 a106.3 ± 3.28 b21.3 ± 0.41 a21.8 ± 1.38 b 43.1 ± 1.74 ab
        FF-values
        15.9**6.36*5.27*50.4**24.0**33.8**
        注(Note):CK0—不施氮肥 No N fertilizer;CK1—100% 氮肥 Applying 100% N fertilizer;BF—80% 氮肥 + 生物炭基肥 Reducing 20% of chemical N rate + biochar-based fertilizer;MV—80% 氮肥 + 紫云英 Reducing 20% of chemical N rate + milk vetch;BF + MV—80% 氮肥 + 生物炭基肥 + 紫云英 Reducing 20% of chemical N rate + biochar-based fertilizer + milk vetch. 表中数据为平均值 ± 标准误差 Data were expressed as mean ± SE (n = 3);同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column are significant difference among treatments (P < 0.05);*—P < 0.05;**—P < 0.01.

        减氮条件下,炭基肥减缓了紫云英还田对早稻的当季增产效应 (表3)。减施20%氮肥后,与紫云英单独还田相比,炭基肥单独或与紫云英联合还田对早稻秸秆干物质量和千粒重影响均不显著 (P > 0.05),但分别平均显著降低每穗实粒数5.63%和5.09%,籽粒产量9.32%和7.64% (P < 0.05),地上部干物质累积量分别平均降低5.09%和4.65%。

      • 与施100%氮肥比,减施20%氮肥后,炭基肥对早稻氮素吸收累积影响不显著 (P > 0.05),但紫云英还田增加地上部氮素累积量 (图1)。与施100%氮肥相比,减施20%氮肥后,紫云英单独还田增加早稻籽粒和地上部氮素累积量分别为13.9%和10.9%;而炭基肥与紫云英联合还田仅平均增加地上部氮素累积量1.00%,秸秆中氮素累积量平均增加3.45%。

        图  1  各处理早稻地上部氮素累积量

        Figure 1.  Shoot N accumulation of early rice in each treatment

        图1还可看出,减施20%氮肥后,与紫云英单独还田相比,炭基肥单独或与紫云英联合还田对秸秆氮素累积量的影响均不显著 (P > 0.05),但分别显著降低了籽粒氮素累积量16.1%和12.2%和地上部氮素累积量11.0%和8.97% (P < 0.05)。

      • 与施100%氮肥比,减施20%氮肥后,炭基肥单独或与紫云英联合还田提高早稻地上部氮素生理利用率和生产效率 (表4)。与施100%氮肥相比,减施20%氮肥,炭基肥单独或与紫云英联合还田均增加地上部 (籽粒+秸秆) 氮素生产效率和秸秆氮素生理利用率,但差异不显著 (P > 0.05);分别显著提高籽粒中氮素生理利用率11.8%和7.52% (P < 0.05) 和地上部 (籽粒 + 秸秆) 氮素生理利用率7.83%和4.87%。

        表 4  各处理早稻氮素生理利用率和干物质生产效率

        Table 4.  Nitrogen physiological efficiency and dry matter production efficiency of early rice in each treatment

        处理
        Treatment
        氮素生理利用率 (kg/kg)
        Physiological efficiency of N
        氮素干物质生产效率 (kg/kg)
        Dry matter production efficiency of N
        秸秆Straw籽粒Grain地上部Shoot秸秆Straw籽粒Grain地上部Shoot
        CK050.1 ± 1.40 a42.7 ± 1.50 a92.8 ± 2.04 a
        CK1 79.4 ± 8.35 ab61.2 ± 2.66 b 67.7 ± 3.68 bc40.7 ± 1.35 b41.2 ± 1.01 a 81.9 ± 1.53 bc
        BF81.2 ± 2.11 a68.4 ± 7.93 a73.0 ± 2.76 a42.7 ± 0.72 b42.1 ± 2.99 a84.8 ± 3.12 b
        MV76.3 ± 8.29 b60.5 ± 3.96 b65.8 ± 4.66 c38.0 ± 0.51 c41.5 ± 1.52 a79.5 ± 1.48 c
        BF + MV 79.9 ± 4.21 ab65.8 ± 7.71 a 71.0 ± 2.09 ab41.1 ± 0.98 b42.1 ± 2.11 a 83.2 ± 2.58 bc
        FF-values
        7.43*5.69*5.34*57.9**0.28ns15.2**
        注(Note):CK0—不施氮肥 No N fertilizer; CK1—100% 氮肥 Applying 100% N fertilizer; BF—80% 氮肥 + 生物炭基肥 Reducing 20% of chemical N rate + biochar-based fertilizer; MV—80% 氮肥 + 紫云英 Reducing 20% of chemical N rate + milk vetch;BF + MV—80% 氮肥 + 生物炭基肥 + 紫云英 Reducing 20% of chemical N rate + biochar-based fertilizer + milk vetch. 同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05); *—P < 0.05;**—P < 0.01; ns—不显著 Not significant.

        表4还可知,减施20%氮肥条件下,与紫云英单独还田相比,炭基肥单独或与紫云英联合还田不仅分别提高秸秆氮素生理利用率6.42%和4.72%,还分别显著提高籽粒氮素生理利用率提高13.1%和8.76%,从而显著提高地上部氮素生理利用率10.9%和7.90% (P < 0.05);分别提高地上部生产效率6.67%和4.65% (秸秆中氮素生产效率分别提高12.4%和8.16%)。

      • 表5可以看出,减施20%氮肥后,紫云英还田与早稻千粒重和籽粒氮素累积量呈显著正相关关系 (P < 0.05),但与地上部氮素生理利用率和干物质生产效率无显著相关关系 (P > 0.05);而炭基肥还田与地上部氮素生理利用率及其干物质生产效率呈显著或者极显著正相关关系 (P < 0.05或0.01),但与地上部干物质量和氮素累积量均无显著相关关系 (P > 0.05)。

        表 5  炭基肥、紫云英还田与产量构成、干物质量、氮累积和利用效率的相关系数 (n = 9)

        Table 5.  Pearson correlation coefficients among the biochar-based fertilizer (BF), milk vetch (MV) and the yield components, dry matter wieght, N accumulation and use efficiencies of early rice

        变异来源
        Variables
        千粒重
        1000-grain weight
        有效穗数
        Effective panicle No.
        每穗实粒数
        Grain No. per panicle
        干物质量
        Dry matter wieght
        氮累积量
        N accumulation
        氮生理利用率
        PEN
        氮生产效率
        NUEB
        秸秆Straw
        BF 0.21ns0.01ns0.72* 0.76*
        MV0.15ns0.33ns0.11ns–0.57ns
        籽粒Grain
        BF 0.10ns0.19ns–0.59ns –0.25ns –0.60ns 0.87**0.21ns
        MV0.77* 0.20ns0.64ns0.60ns0.80**–0.48ns –0.05ns
        地上部Shoot
        BF –0.12ns –0.46ns 0.81**0.68*
        MV0.51ns0.79* –0.51ns –0.65ns
        注(Note):PEN—Physiological efficiency of N;NUEB—N using efficiency for production;*—P < 0.05;**—P < 0.01;ns—不显著 Not significant.
      • 作物产量是产地土壤肥力状况、气候环境条件、施肥和栽培管理措施等多因素综合作用的最终体现[18],而且水稻产量与群体颖花数量呈直线正相关关系[19]。张洪程等[20]研究表明,促进和保持水稻植株生育前期旺盛稳健的分蘖能力有利于增加有效穗、每穗粒数和实粒数,形成良好的植株架构,促进“扩库容”和“促充实”,有利于“源”中干物质累积及其向“库”转运,进而有利于促进水稻高产。肥料是粮食作物的“粮食”,施肥是提高水稻产量的重要措施[21]。然而,长期过量且不合理施用氮肥既导致水稻等作物总产和单产增幅呈下降趋势,又显著降低肥料利用率,加剧氮素等养分损失及其环境风险[22-23],加强稻田养分管理是促进水稻增产和提高氮素等养分利用率的有效途径[24]。有机无机肥配施量兼顾了有机肥肥效持久性和化肥速效性的特点,既可提高水稻生育前期的分蘖能力,增加单位面积有效穗数与每穗粒数[25],还延缓水稻生育后期功能叶片中叶绿素和可溶性蛋白含量以及SOD活性的下降速度,降低MDA含量增加幅度,并提高了POD活性,从而延长叶片的寿命和功能期,提高并维持水稻产量的稳定性与可持续性[26]

        研究表明,紫云英配施氮肥显著提高早稻分蘖前及抽穗至灌浆这两个时期的干物质积累量和氮素利用率[27];而农作物秸秆等有机物含氨基酸和氨基糖等含氮物质,其在高温裂解过程中易凝聚形成杂环氮结构;施用生物炭及炭基肥可明显提高土壤有机氮含量和真菌细菌比值以及土壤微生物群落结构多样性,延长肥料养分在土壤中的存留时间和降低氮素淋失量,其替代部分化肥既可降低土壤容重、改善土壤孔隙结构和提高土壤持水能力,通过改变土壤氮素的持留特性及其形态转化过程来提高氮素有效性,为作物生长提供良好的环境[28-31],促进作物生长和叶片叶绿素含量、净光合速率和氮素向籽粒转运,进而改善产量构成因子,提高产量和氮素利用率[9, 32],具有显著的农业经济和环境生态效益价值。

        本研究结果表明,与施100%氮肥相比,减施20%氮肥后,紫云英和生物炭基肥单独或两者联合还田提高早稻有效穗数与千粒重等产量构成因子和籽粒产量与地上部干物质量,生物碳基肥单独或与紫云英配合还田提高地上部氮素吸收累积量和氮素利用率,这与张伟明等[33]和喻成龙等[34]研究结果类似。一方面,水稻是典型的喜铵作物,土壤中铵态氮含量高低是影响水稻植株生长发育的重要因素[35]。研究表明,生物炭可通过影响土壤理化和生物学性状,直接或间接影响土壤氮素的硝化作用等氮素转化过程,能吸附固持酸性土壤中的铵态氮和硝态氮而减少氮素损失[36],但吸附或固持的氮对作物仍有效[10]。另外,根系是作物与外界环境发生物质、能量与信息交换的重要器官,而土壤物理、化学和生物学性状以及施肥等因素均可直接影响根系生长、分布与功能,从而影响植株地上部器官的生长发育和形态建成,最终影响作物产量形成[37]。紫云英绿肥和生物炭基肥还田后,在土壤微生物作用下发生腐解矿化并释放出养分,提高土壤氮素等有效养分数量,一定程度上优化水稻生育前期根系形态特征,延缓生育后期根系衰老进程和提高全生育期内根系活力和伤流速率并增强其生理功能,维持较适宜的根/冠值[33],而且生物炭能促进植物嫩叶和根中生长素等物质的生物合成以及植物细胞的扩增与细胞壁松弛等,从而提高水分与营养物质的吸收、跨膜运输及其在植株体内的运移,促进植株新陈代谢与生长[38-39],从而促进水稻吸收利用氮素养分和增产。

        本试验条件下,减施20%氮肥配施紫云英绿肥对早稻的增产效应优于生物炭基肥。喻成龙等利用傅里叶红外光谱和扫描电镜分析表明,供试生物炭基肥中含有大量羟基、羧基等官能团和丰富的孔隙结构[34],不仅可吸附固定土壤中的铵态氮和硝态氮[35],还可为有益微生物繁殖生长提供“温暖的小房间”,促进其利用土壤中的有效氮,可能发生“微生物掘氮效应”[40-41],从而导致土壤中有效氮含量短暂下降,水稻生育前期的氮素营养供应相对不足,影响其分蘖势与产量形成;而碳/氮值较低的豆科绿肥作物还田后,既可被土壤微生物分解矿化而释放出氮素等养分,还可能引起“激发效应”,促进土壤自身的有机氮矿化分解而释放氮素养分[42],提高土壤中的有效氮含量,促进水稻前期吸收利用氮素养分等,有利于植株维持较好的分蘖势,最终促进水稻产量增加。不同碳氮比的有机物料联合还田可改变单一物料还田后的腐解矿化和养分释放特征,进而影响土壤中养分有效性及其对土壤的培肥效应[43]。炭基肥在红壤稻田土壤中的养分释放特征如何?其与紫云英联合还田后,两者的养分释放规律如何以及相互作用关系怎样?对这些问题的研究,不仅能在理论上深入解析两者联合施用的减肥机理,还有利于指导水稻生产实践中炭基肥和紫云英的施用模式。

      • 与施100%氮肥相比,减施20%氮肥后,紫云英和炭基肥单独或两者联合还田均可增加早稻千粒重和有效穗数,改善早稻的产量构成,提高籽粒和地上部干物质量。减施20%氮肥条件下,配合紫云英还田对早稻地上部氮素累积量和产量增加的效果优于配合炭基肥,而配合炭基肥有利于提高地上部氮素生理利用率及干物质生产效率。

        紫云英还田与早稻千粒重和籽粒氮素累积量呈显著正相关关系;炭基肥还田与早稻地上部氮素生理利用率及其干物质生产效率呈显著或极显著正相关关系。

    参考文献 (43)

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