生物炭與肥料對水稻抗倒伏和氮素利用率影響的研究進展

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，其穩定的產量和較高的品質對于解決我國人民溫飽問題以及提高農戶經濟效益具有重要意義。然而如今水稻倒伏現象愈發嚴重，并且氮肥過量施用導致水稻氮素利用率低、減產等。文章總結了生物炭與肥料的現有研究，綜述了生物炭和肥料對水稻生長發育、氮素利用率以及抗倒伏的影響，以供參考。

關鍵詞：水稻；抗倒伏；生物炭；肥料；氮素利用率

文章編號：1005-2690（2023）07-0021-03 ? ? ? 中國圖書分類號：S511.06 ? ? ? 文獻標志碼：B

水稻是我國谷物單位面積產量最高的糧食作物，倒伏對水稻產量及品質的影響較大[1]。水稻生長過程中，受氮肥過量施用、品種莖稈特性以及不良天氣的影響，導致水稻出現倒伏現象。倒伏會影響水稻的光合作用，也是制約機械化收獲的一個重要因素，制約農戶經濟效益提升，威脅國家糧食安全[2]。因此，解決水稻倒伏問題對于提高水稻產量有著重要意義。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。

氮素是植物生長發育的必要元素，我國氮肥消費量占世界氮肥總量的30％，在追求持續高產的過程中，大量氮肥被持續投入到生態系統中，引起溫室效應、土壤板結、農業污染、富營養化等環境問題，嚴重制約水稻產業轉向高效綠色發展之路[3]。提高氮肥利用率已經成為人們關注的焦點，減少氮肥用量成為現階段重要的研究課題。

1 生物炭和硅肥對水稻抗倒伏的研究現狀

1.1 生物炭對水稻抗倒伏的研究現狀

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

不同生物炭對水稻抗倒伏的研究有一定差異。已有較多關于稻殼炭、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報道?；ㄉ鷼な且环N便宜、易得的工業固體廢棄物，在飼料和功能性材料萃取中僅占很小一部分，大多數都被焚毀或廢棄?；ㄉ鷼ぴ谘鯕庀拗苹騾捬醐h境中高溫裂解，形成富炭且穩定的生物炭[13]，因為其孔隙率高、比表面積大、吸附能力強[14]，被廣泛應用于環境修復、土壤改良和炭固定等方面[15]，在農業生產和環境保護中發揮著積極作用。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，縮短莖基節間長度，還可以提高莖內徑、莖壁厚以及莖稈抗倒伏能力[16]。

1.2 生物炭與肥料配施對作物生長發育影響的研究

已有許多關于生物炭與肥料配施對作物生長發育影響的研究。張偉明等（2015）[17]研究結果顯示，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，減少結莢期的蒸騰量，降低光合物質消耗。呂貝貝等（2020）[18]通過玉米盆栽試驗發現，混合施用生物炭（1.25、5、20 g/kg）與化肥（0.27 g/kg）能促進玉米對氮素的吸收，并增加玉米的根長和根表面積，提高土壤有機碳含量，從而使玉米高效增產。劉領等（2016）[19]通過烤煙盆栽試驗發現，在傳統氮肥施用量下，施用生物炭7.2 g/kg可以明顯增加葉綠素總量和類胡蘿卜素含量，提高根系活力，同時在加入生物炭的情況下降低10％～20％的氮素，對煙葉的葉綠素和類胡蘿卜素含量、凈光合速率均無明顯影響。謝亞萍等（2017）[20]通過大田試驗得出，生物炭與NPK復合肥、微生物肥料配施可使水稻產量增加，并提高氮素利用率。王耀鋒等（2015）[21]通過盆栽試驗證明，水洗生物炭與化肥配施能夠提高水稻秸稈產量（33.1％）、水稻籽粒產量（18.4％）以及氮素利用率，還能提高土壤養分供應。

1.3 硅肥對水稻抗倒伏機理的研究

硅是植物生長所必需的元素[22]，也是僅次于氮、磷和鉀的第四大養分。硅肥是一種中微量元素肥料[23]，對水稻產量構成、生理形態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15％～20％。已有研究表明，水稻無論在生長期還是成熟期都需要硅[25]。曾仁杰（2021）[26]研究結果顯示，硅肥能顯著改善植株的生長情況，增強植株的抗倒性，增加分蘗數、成穗率和產量。水稻細胞中可以積累大量硅，形成角質-硅雙層結構，使葉片直立，葉片與莖稈之間的夾角減小，植株緊湊[27]。此外，硅還可以通過調控土壤中的鹽離子吸收、增加滲透調控物質的積累以及增強抗氧化酶等來降低水稻的生理損傷[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其生長和各生育期的葉綠素含量均有顯著影響。隨著水稻生長發育，土壤中有效硅水平降低，葉綠素含量呈遞減趨勢，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養損失。張陽等（2021）[29]通過大田試驗發現，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]的研究結果顯示，液體硅肥對水稻的有效穗數、千粒重均有顯著影響。在生產中，硅肥普遍應用于土壤，而葉面硅肥對水稻產量的影響研究則很少。

1.4 生物炭與硅肥配施對水稻生長影響的研究

生物炭與硅肥配施對水稻生長的影響研究較少，不同炭硅處理對作物影響不同。杜澤云（2022）[31]進行大田模擬試驗，結果顯示，生物炭配合硅肥能提高稻麥的每穗粒數、結實率，提高產量，還能顯著提高植株高度、葉面積指數，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以及產量。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％，說明聯合施用生物炭和硅肥可以有效減輕稻谷的污染。

2 減氮對水稻生長影響的研究

2.1 減施氮肥對氮素利用率影響的研究

目前，我國水稻生產中存在施肥均勻性差、缺乏配套施肥設備、不合理施用氮肥等問題，導致水稻易倒伏、產量低、氮肥利用率低等[34]。武浩（2022）[35]的田間試驗表明，適當增加種植密度，雖然會降低水稻產量，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，氮素通過徑流、揮發、滲透等途徑損失。施用化肥大多采用人工或機械方法，需要大量人力，但產量卻不高，并且難以準確控制施肥深度和單位面積的施肥量，容易造成肥料浪費[36]。過量施用氮肥會使農產品品質降低，造成重金屬污染，加劇溫室效應，不僅提高了生產成本，也危及人們的健康[37]。樸鐘澤等（2003）的研究結果表明，在不施用氮肥的情況下，水稻生育后期（孕穗期到黃熟期）的氮素攝入量占全部氮素的60％左右；而在施用氮肥處理后，早期（從插秧到最高分蘗期）吸氮量幾乎達到50％。許玥等（2022）通過春玉米施用氮肥和種植密度試驗發現，密度為5.5萬株/hm2、氮肥施用量為180 kg/hm2處理下的春玉米產量最大（10 203 kg/hm2）、氮肥利用效率最高（37.5％）。所以，開展減施氮肥的研究對于提高土壤氮利用率具有重要意義。

2.2 生物炭對作物氮素利用率影響的研究

生物炭是一種土壤改良劑，對于增加共生生物固氮、提高植物對氮素的吸收以及減少土壤氮素淋失等方面具有顯著效果。大量研究結果顯示，施用生物炭對土壤的氮形態有明顯影響，也能有效提高氮素利用率。陳婧婷等（2020）研究發現，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學效率（最高為154.96％）、氮肥偏因素生產力（最高為64.87％）。張愛平等（2015）研究發現，生物炭與氮結合能明顯提高氮的農學效率和氮利用率，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，增加對氮素的吸收，降低氮素的淋溶。何大衛等（2021）研究發現，減施氮肥（180 kg/hm2）配合生物炭（15 t/hm2）條件下，水稻產量增加最為顯著，并能提高氮素利用率，增強稻田土壤肥力。莊曄（2022）研究發現，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構和水鹽環境，增加土壤肥力和氮素利用率，促進蓊菜生長。段建軍等（2022）的大田試驗得出，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，可獲得最高水稻產量，分別為7.80 t/hm2、8.57 t/hm2和8.03 t/hm2。

2.3 施用硅肥對水稻氮素吸收量影響的研究

有研究表明，施用硅肥對于提高氮素利用率有顯著影響。吳伊鑫（2021）通過水稻減氮田間試驗得出，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）試驗發現，在減施氮條件下，增施硅肥（75 kg/hm2）能促進植株對氮素的吸收，并提高干物質生產能力，提高氮素利用率，增加產量。

3 結束語

綜述現有研究結果發現，將生物炭與不同種類化肥通過適當比例配施，對于提高作物對養分的吸收能力有顯著影響。此外，配施生物炭與不同種類化肥還能改良土壤的理化性能，提高作物產量，促進作物生長發育，提高氮素利用率，降低氮素損失，提高水稻抗倒伏性。

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