夜間增溫下生物炭配施硅肥對水稻產量和品質的影響

周欣　婁運生　杜澤云　高安妮　郭峻泓　潘德豐

摘要：通過田間模擬增溫試驗，研究生物碳配施硅肥對夜間增溫下江蘇沿江地區單季稻產量和品質的影響。采用3因素3水平正交試驗設計，用鋁箔反光膜夜間覆蓋水稻植株冠層模擬夜間增溫（19：00至次日06：00），增溫設3水平，即W0（常溫對照，不覆蓋鋁箔膜）、W1（覆蓋5 mm鋁箔膜）和W2（覆蓋11 mm鋁箔膜）；生物炭施用量設3水平，即B0（對照，不施生物炭）、B1（施10 t/hm²生物炭）和B2（施25 t/hm²生物炭）；硅肥施用量設3水平，即Si0（對照，不施硅）、Si1（鋼渣粉，200 kg/hm²SiO₂）和Si2（礦粉，200 kg/hm²SiO₂）。結果表明，夜間增溫明顯降低水稻株高，提高葉面積指數（LAI）和葉綠素含量（SPAD值），顯著降低水稻有效穗數、每穗粒數和產量，減產率19.66%～28.73%。施生物炭顯著提高有效穗數，結實率和產量，提高蛋白質含量。施硅明顯提高水稻每穗粒數和蛋白質含量。從產量和營養效益綜合來看，試驗最佳處理組合為W1B2Si2，即夜間增溫下稻田施用25 t/hm²生物炭和200 kg/hm²礦粉，可明顯提高產量、改善品質。

關鍵詞：夜間增溫；生物炭；硅肥；水稻；產量；品質

中圖分類號：S511.06文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2023）11-0080-07

氣候變暖是氣候變化的顯著特征之一，將加劇糧食生產的不確定性，威脅國家糧食安全［1］。氣候變暖表現為晝夜不對稱增溫，即夜間氣溫增幅大于白天［2-3］。氣候變暖引起土壤濕度、溫度及養分狀況等變化，使作物生育期縮短，干物質積累量下降，影響作物產量及品質［4-7］。通過模擬增溫試驗發現能降低水稻植株葉片凈光合速率，提高灌漿期熒光耗散量，增強呼吸作用，降低干物質積累和產量［8-9］。模擬增溫對水稻產量和品質的不同影響，可能與不同種植制度、區域氣候條件、供試品種及增溫方式等有關［10-12］。

優化調整種植結構和制度、改良土壤和合理施肥，是農業生產應對和適應氣候變化的重要措施［13］。硅是水稻、小麥等禾谷類作物生長有益元素［14-15］。長江中下游地區稻麥輪作農田土壤有效硅含量普遍較低［16］。施硅可促進水稻植株葉片增厚，降低蒸騰失水，促進養分吸收，提高光合和抗逆能力，增加產量，改善品質［17-20］。生物炭是一種富含穩定有機碳、具有多孔結構的土壤改良劑。施生物炭可提高土壤有機質含量，增加土壤含水量，降低容重，改善通氣性，提高土壤肥力，優化根系形態結構，促進生長發育，增加干物質積累和收獲指數，提高產量，改善品質［21-27］。

氣候變暖影響水稻生產，施生物炭或硅肥可改良土壤，促進水稻生長，但能否緩解增溫對長江下游地區水稻生產不利影響，鮮見相關報道。本研究通過大田模擬增溫試驗，探析夜間增溫下生物炭配施硅對水稻產量和品質的影響，為區域水稻生產應對氣候變化及保障糧食安全提供參考。

1材料與方法

1.1試驗區概況

田間模擬增溫試驗于2021年6—10月在南京市浦口區教學科研試驗站（32.0°N，118.8°E）進行。該站地處亞熱帶季風氣候區，年均氣溫15.6 ℃，年均降水量1 100 mm。供試土壤為灰馬肝土，屬潴育型水稻土，土壤有機碳含量19.5 g/kg，全氮含量 1.5 g/kg，土壤質地為壤質黏土，黏粒含量 26.1 g/kg，pH值6.2（1 ∶1土水比）。供試水稻品種為南粳5055，適宜在江蘇省沿江及蘇南地區種植。供試氮磷鉀肥料為高濃度復合肥（15%-15%-15%）。供試硅肥為鋼渣和礦粉，其有效硅（SiO₂）含量分別為14.2%和32.3%。供試生物炭為稻殼生物炭，有機碳含量50%。

1.2試驗設計

采用3因素3水平正交試驗設計，3因素為夜間增溫（A）、生物炭施用量（B）和硅肥施用量（C）。夜間增溫設 3水平，即W0（常溫對照，不覆蓋鋁箔膜）、W1（覆蓋5 mm鋁箔膜）和W2（覆蓋11 mm鋁箔膜）。生物炭設3水平，即B0（不施生物炭）、B1（10 t/hm²生物炭）和B2（25 t/hm²生物炭）。硅肥設3水平，即Si0（不施硅）、Si1（鋼渣硅肥）和Si2（礦粉硅肥），用量均為200 kg/hm²。夜間增溫采用開放式被動增溫方法，即在水稻生育期內于小區四周架設高度可調的鋼架以固定鋁箔反光膜，夜間（19：00至06：00）用鋁箔膜覆蓋植株冠層，根據水稻生育進程及時調整鋁箔膜高度，使鋁箔膜與冠層間距保持30 cm左右。在惡劣天氣如降雨或大風天氣時不覆蓋鋁箔膜，以避免覆蓋鋁箔膜阻擋降雨及大風造成增溫設施破壞（風速>10 m/s）。采用溫度記錄儀自動記載水稻冠層溫度。

供試水稻種子經消毒、浸種處理，2021年5月10日播入苗床育苗，6月12日大田移栽。水稻移栽前試驗田耕作整地，每小區施入氮磷鉀復合肥（N、P₂O₅、K₂O含量均為15%）315 g作為基肥，按照試驗設計將生物炭和硅肥隨基肥施入土壤。小區面積為 2 m×2 m=4 m²，隨機排列。除曬田和成熟后期外，通過自動灌溉使田間水層保持5 cm左右。田間病蟲害防治和除草采用常規田間管理。

1.3測定指標與方法

1.3.1水稻植株生長、生理指標測定在水稻主要生育期每周測定植株生長、生理指標，包括株高、葉綠素含量及葉面積指數等。各小區選取3株代表性植株分別測量株高。葉片葉綠素含量（SPAD值）用葉綠素儀測定。葉面積指數用植物冠層分析儀（LP-80）測定，各小區選取3個分散位點，分別測定葉面積指數并取平均值。

1.3.2水稻產量和品質測定水稻成熟時，在各小區中間選取0.25 m²（0.5 m×0.5 m）長勢均勻區域進行收割，測定有效穗數、每穗粒數、空秕飽數和結實率。常規風干晾曬后，用脫粒機進行脫粒，測定千粒質量和產量。

參照GB/T 17891—2017《優質稻谷》國家標準測定稻米加工品質，采用壟谷機脫殼得到糙米，將糙米用全智能精米機進行拋光處理，用孔徑2.5 mm不銹鋼篩網去除不完整精米，得到整精米，分別計算糙米率、精米率和整精米率。參照GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量的測定》《雙波長測定支鏈淀粉、直鏈淀粉含量》、GB 5009.5—2016《食品中蛋白質的測定》測定稻米直鏈淀粉含量、支鏈淀粉含量、總淀粉含量及蛋白質含量。

1.3.3環境因子測定溫度、降水和日照時數等氣象數據，由試驗田氣象觀測系統自動記錄。

1.4數據處理

采用Microsoft Excel 2019處理試驗數據和極差分析，采用SPSS 22.0軟件進行方差分析和多重比較，利用Origin 2020軟件進行繪圖。

2結果與分析

2.1夜間增溫效果

與對照（W0）相比，夜間增溫（W1、W2）下，夜間植株冠層平均溫度分別升高0.12、0.04 ℃，最大值分別升高0.55、0.46 ℃，最小值分別升高0.09、0.05 ℃（表1）。

2.2不同處理對水稻生長、生理指標的影響

2.2.1株高方差分析結果（表2）表明，在水稻關鍵生育期（拔節期、抽穗期、灌漿期、成熟期）中，夜間增溫在灌漿期對水稻株高有顯著影響（P<0.05），在成熟期對株高有極顯著影響（P<0.01）；生物炭施用量在灌漿期和成熟期對株高有顯著影響（P<0.05）；硅肥施用量在成熟期有顯著影響（P<0.05）。極差分析結果（表3）表明，與W0相比，W1和W2分別降低5.11%和4.28%；與B0相比，B1和B2分別增加3.89%和4.51%；與Si0相比，Si1和Si2分別增加1.65%和3.83%。3因素對水稻株高的影響程度為夜間增溫>生物炭施用量>硅肥施用量。其中，W0B2Si2處理的水稻株高均值最大，即夜間不增溫、施用25 t/hm²生物炭 200 kg/hm²和礦粉可明顯增加株高（圖1）。

2.2.2葉面積指數（LAI）方差分析結果（表2）表明，在水稻關鍵生育期中，夜間增溫在灌漿期對水稻LAI有顯著影響（P<0.05），生物炭施用量在灌漿期對水稻LAI有極顯著影響（P<0.01），硅肥施用量在灌漿期對水稻也有極顯著影響（P<0.01）。極差分析結果（表3）表明，與W0相比，W1和W2分別增加0.58%和0.29%；與B0相比，B1和B2分別增加8.64%和12.96%；與Si0相比，Si1增加0.85%，Si2降低6.78%。3因素對水稻LAI影響程度為生物炭施用量>硅肥施用量>夜間增溫。其中，W1B2Si1處理的葉面積指數均值最大，即夜間覆蓋5 mm膜、施25 t/hm²生物炭和200 kg/hm²鋼渣粉，可明顯提高水稻葉面積指數（圖1）。

2.2.3葉綠素含量（SPAD）方差分析結果（表2）表明，夜間增溫在拔節期對水稻SPAD有顯著影響（P<0.05），生物炭和硅肥施用量對水稻SPAD影響不顯著（P>0.05）。極差分析結果（表3）表明，與W0相比，W1和W2分別增加1.52%和0.66%；與B0相比，B1和B2分別降低1.49%和2.22%；與Si0相比，Si1和Si2分別降低0.46%和3.48%。3因素對水稻SPAD影響程度為硅肥施用量>生物炭施用量>夜間增溫。其中，W1B0Si0處理的葉綠素含量均值最高，即夜間覆蓋5 mm反光膜、不施生物炭和硅肥條件下，水稻葉綠素含量最高（圖1）。

2.3不同處理對水稻產量及其構成因素的影響

表4表明，水稻有效穗數最大的處理為W1B2Si0，最小的為W1B0Si1，2個處理相差101個。每穗粒數和千粒質量最大的處理均為W1B1Si2，最小的處理為W1B0Si1和W0B2Si2，分別相差69粒和3.04 g。結實率最高的處理為W2B1Si0，最低的處理為W1B2Si0，兩者分別為94.44%、82.25%，相差12.19百分點。產量最高的處理為W1B2Si0，最低的處理為W2B1Si0，兩者相差13.69 t/hm²。

水稻產量和產量構成方差分析結果（表5）表明，夜間增溫對水稻結實率的影響極顯著（P<0.01），生物炭施用量對水稻有效穗數、結實率和產量的影響均達顯著水平（P<0.05），硅肥施用量對水稻產量及產量構成無顯著影響（P>0.05）。

3因素對有效穗數、每穗粒數和產量的影響程度均為生物炭施用量>硅肥施用量>夜間增溫；對千粒質量和結實率的影響程度為夜間增溫>生物炭施用量>硅肥施用量（圖2）。

2.4不同處理對稻米品質的影響

由表6可見，與常溫對照相比，夜間增溫可改善水稻糙米率、精米率和整精米率，提高支鏈淀粉含量，降低直鏈淀粉和蛋白質含量。加工品質（糙米率、精米率和整精米）最好的處理是W2B0Si2，但直鏈淀粉含量最低；加工品質（糙米率、精米率、整精米）最差的處理是W0B2Si2，但蛋白質含量卻最高。加工品質（糙米率、精米率和整精米率）最大值和最小值分別相差4.40、8.36、8.32百分點，營養品質（直鏈淀粉、支鏈淀粉、蛋白質含量）最大值和最小值分別相差9.61、15.69、1.75百分點。夜間增溫、生物炭施用量和硅肥施用量對加工品質和營養品質均無顯著影響（P>0.05）（表7）。

由極差分析結果可知，3因素對糙米率、精米率和整精米率的影響程度均為生物炭施用量>夜間增溫>硅肥施用量。對直鏈淀粉含量的影響程度為夜間增溫>硅肥施用量>生物炭施用量，對支鏈淀粉含量的影響程度為夜間增溫>硅肥施用量>生物炭施用量，對蛋白質含量的影響程度為生物炭施用量>硅肥施用量>夜間增溫（圖3）。

3討論

3.1不同處理對水稻生長、生理指標的影響

水稻植株生長狀況、葉面積指數（LAI）和葉綠素含量（SPAD）是產量形成的基礎［28］。夜間增溫、硅肥施用量和生物炭施用量對水稻株高和LAI均有明顯影響（表2）。夜間增溫顯著降低水稻灌漿期、成熟期株高，顯著提高灌漿期LAI和拔節期SPAD（表2）。增溫加快水稻生長發育進程，提高LAI和SPAD值，但株高降低，進而對產量產生不利影響。原因可能在于夜間增溫降低了水稻植株葉片光合速率，而促進夜間呼吸作用，不利于光合產物的積累［29-30］。生物炭施用量明顯提高水稻株高，增加葉面積指數。原因在于，施用生物炭可提高土壤膠體吸附固持能力，減少養分損失，提高土壤酶活性，改善土壤肥力，促進植株生長［31-34］。硅肥施用量顯著提高水稻灌漿-成熟期LAI和株高，可能在于水稻對硅的吸收大部分發生于孕穗-成熟期［35］。

3.2不同處理對水稻產量及其構成因素的影響

水稻產量是由單位面積穗數、每穗粒數、成粒率和粒質量4個基本因素構成。抽穗前有效穗的形成，抽穗后籽粒灌漿及灌漿飽滿度，是決定水稻產量的3個關鍵過程。夜間增溫雖然提高水稻千粒質量和結實率，但降低有效穗數、穗粒數，所以處理間產量差異不顯著（圖2），可能是夜間溫度升高促進植株呼吸作用，消耗較多的光合產物，導致水稻成穗率及有效穗數降低。此外，水稻分化穎花數與植株莖稈健壯程度密切相關，夜間增溫使日最低氣溫升高，植株生長加快，莖稈細弱，葉片易早衰，光合速率下降，導致產量降低［36］。夜間增溫提高水稻結實率，原因在于，結實率對溫度較敏感，溫度升高可能促進柱頭花粉萌發率，進而提高結實率［37］。增溫提高土壤酶活性和有機氮釋放，促進氮素吸收。植株氮含量與光合作用及物質生產密切相關，影響結實率及千粒質量［38］。生物炭施用量顯著提高水稻有效穗數（表5、圖2），原因可能在于施生物炭可改善土壤熱性質，調節土壤溫度［39］。生物炭還可增加

土壤孔隙度，降低土壤容重，提高土壤有機碳含量和土壤微生物活性，促進地下部生長，提高養分吸收能力。施硅可促進水稻氮素吸收，提高穗長和小穗數，增加產量［40-42］。

3.3不同處理對稻米品質的影響

與對照相比，夜間增溫對稻米加工品質（糙米率、精米率和整精米率）有一定促進作用（圖3），這與前人研究［43］不同，原因可能與模擬增溫方法及增溫幅度有關。本試驗采用開放式被動增溫方法，增溫幅度1 ℃左右，而后者采用開放式主動增溫方法，增溫幅度5 ℃左右。水稻灌漿-成熟期溫度變化對稻米直鏈淀粉、支鏈淀粉含量及比率有顯著影響［44-45］。施用稻殼生物炭降低稻米的糙米率、精米率［46］。本試驗中，施用稻殼生物炭降低水稻加工品質，隨生物炭用量增加，降低效果越明顯（圖3），原因可能在于施用生物炭影響土壤理化性質，如土壤熱性質及養分有效性，進而影響植株植株營養和生殖生長［47-48］。施硅可調控水稻產量和品質，但施用不同硅肥的效果有差異（圖3）。施用硅肥可改善稻米加工品質（精米率和整精米率）、增加支鏈淀粉和蛋白質含量，但礦粉效果優于鋼渣，可能在于礦粉有效硅含量較高，有利于水稻吸收利用［49］。

總體上，生物炭配施硅肥可改善夜間增溫對水稻生長及產量形成的不利影響。稻米品質與水稻品種及田間管理等有關，本研究供試品種只有1個，同時受天氣、氣候及土壤等因素綜合影響，還有待深入研究。

4結論

夜間增溫降低水稻株高和LAI，減少水稻有效穗數、每穗粒數和產量。夜間增溫對水稻加工品質和營養品質有促進作用。施生物炭和硅肥可促進水稻每穗粒數和結實率，增加產量。生物炭可緩解增溫對水稻產量及營養品質的不利影響。施硅可提高水稻加工品質、支鏈淀粉和蛋白質含量。綜合考慮產量和品質，試驗最佳處理組合為W1B2Si2，即施用25 t/hm²生物炭和200 kg/hm²礦粉，可明顯減緩夜間增溫對水稻產量和品質造成的不利影響。

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