生物炭在减氮条件下维持粳稻产量并提升稻米品质与淀粉功能特性

《Agronomy》：Biochar Enhances Rice Grain Quality and Starch Functionality While Maintaining Yield Under Reduced Nitrogen Input

　　

改善稻米品质同时降低氮肥投入是可持续水稻生产的关键挑战。尽管生物炭可提升土壤肥力与氮素利用效率（NUE），但其在减氮条件下对稻米品质及淀粉功能特性的影响尚不清楚。研究人员以粳稻为材料开展两年盆栽试验，设无生物炭（NB）与施生物炭（BI）两种条件，氮水平设为0.7N–1.1N。无生物炭时，产量随氮输入增加而上升，1.0N与1.1N间无显著差异；生物炭较对应无生物炭处理增产4.0%–13.3%，且BI-0.9N产量与NB-1.0N相当。减氮降低垩白、改善食味，但过度减氮降低整精米率；生物炭改善碾磨与食味品质，对外观品质影响有限。相较1.0N，1.1N提高蛋白含量、降低直链淀粉含量与淀粉黏度参数，0.9N呈相反趋势；生物炭进一步抬高淀粉黏度，峰值黏度与最终黏度在减氮下分别提升4.4%–30.2%与2.9%–38.9%，并改变淀粉热特性。相关分析显示碾磨品质与蛋白含量及淀粉溶解度相关，食味品质与峰值黏度及崩解值相关。研究表明，生物炭配施10%减氮（BI-0.9N）较常规施氮（NB-1.0N）在维持产量的同时改善稻米品质与淀粉功能特性，可作为粳稻节氮管理方案。

研究背景方面，长期水稻生产依赖大量氮肥投入以维持高产，但过量施氮降低氮素利用效率（NUE）并引发农业面源污染，同时劣化稻米食味与外观品质。随着消费需求转向优质粳稻，如何在减氮条件下兼顾产量与品质成为可持续生产的难点。生物炭（biochar）作为生物质热解所得的富碳稳定土壤改良剂，可改善养分保持与作物资源利用效率，但既往研究多聚焦产量与常规品质，生物炭与减氮耦合对淀粉糊化特性、热力学特性及颗粒结构的系统认识有限。鉴于此，研究人员假设适度减氮配施生物炭可通过优化籽粒组分与淀粉理化性质补偿减氮副作用，从而维持产量并提升品质，依托扬州大学农学院试验场开展两年盆栽试验进行验证。该研究发表于《Agronomy》。

关键技术方法上，研究人员于2023–2024年采用塑料盆钵（直径28 cm、高30 cm，装14 kg砂壤土）栽培粳稻品种南京9108（NJ9108）与淮稻5号（HD5），设无生物炭（NB）与玉米秸秆源生物炭（BI，600 ℃热解，施量约3.5 t ha^?1）两因素，氮水平含1.1N、1.0N、0.9N、0.8N、0.7N（1.0N=2.50 g N pot^?1，折合270 kg N ha^?1），2024年因HD5受穗分化期热害仅保留NJ9108作品质与淀粉分析。收获后籽粒陈化3个月，碾磨与外观品质按GB/T 17891-2017测定；食味用STA1B分析仪；直链淀粉采用碘比色法，蛋白采用凯氏定氮；淀粉糊化特性用快速黏度分析仪（RVA）测峰值、谷值、终值、崩解值与回生值；淀粉经碱性蛋白酶法提取，激光衍射测粒径，90 ℃离心法算膨胀力与溶解度；热力学特性用差示扫描量热仪（DSC）测起始温度（T_o）、峰值温度（T_p）、终止温度（T_c）、糊化焓（ΔH_gel）与回生焓（ΔH_ret）；统计采用R语言Ⅱ型方差分析、Tukey HSD、主成分分析（PCA）与随机森林。

研究结果部分，3.1节稻米产量表明，无生物炭时产量随氮增至1.0N后平台化，1.0N与1.1N无差异；生物炭各氮水平均增产，减氮区间（0.8N–0.9N）增幅更明显，BI-0.9N产量不亚于NB-1.0N，2024年BI-0.9N较NB-0.9N增产13.3%。3.2节碾磨与外观品质显示，无生物炭下碾磨品质随氮上升，0.9N与1.0N相当，过度减氮降整精米率；生物炭提升糙米率、精米率与整精米率，BI-0.9N整精米率堪比NB-1.0N；垩白率与垩白度随氮上升而增加，减氮改善外观，生物炭对垩白影响不显著。3.3节食味品质表明，高氮降低食味值、增硬降黏，0.9N优于1.0N，生物炭同氮下抬升食味值与黏性、降低硬度。3.4节理化与糊化特性显示，1.1N提蛋白降直链淀粉，0.9N反向；生物炭同氮下提凝胶稠度与蛋白、降直链淀粉；RVA参数两年趋势略异，但生物炭在减氮下普遍抬高峰值、谷值、终值黏度与崩解值、压低回生值，2024年峰值黏度增幅达26.8%–30.2%。3.5节淀粉结构理化与热特性表明，颗粒粒径分布单峰（5–7 μm为主），处理间差异小；减氮降溶解度与膨胀力，生物炭同氮下抬升二者；DSC中生物炭显著降低T_o（均值71.3→61.9 ℃），抬升ΔH_gel、ΔH_ret与回生率，BI-0.9N热参数最高。3.6节综合效应中PCA按氮水平分离明显，随机森林指出食味品质主要由峰值黏度与崩解值驱动，碾磨品质关联蛋白含量与淀粉溶解度。

讨论部分总结，生物炭借多孔结构、官能团与自身养分输入增强养分保持与根际供应，缓解减氮产量损失；1.0N至1.1N不增产说明常规氮近最优。品质形成对氮更敏感：高氮促蛋白积累、扰乱淀粉颗粒排布致垩白增加、抑制淀粉水合糊化而劣化食味；0.9N平衡淀粉—蛋白关系改善食味与黏度。生物炭同氮下进一步优化淀粉糊化行为与热稳定性，但未直接测酶活与合成通路。氮水平主导籽粒组分，生物炭在同氮下正向调控多项品质，BI-0.9N实现产量与品质协同。

结论部分翻译：无生物炭时产量随氮上升，过量氮不增产且劣化食味；适度减氮（0.9N）改善淀粉糊化与食味但微降产量与整精米率；生物炭同氮增产并缓减氮减产，改善碾磨与食味、对外观影响有限；氮主要通过蛋白与直链淀粉调控品质，生物炭改淀粉理化与糊化特性。本试验条件下，减氮10%配施生物炭维持产量同时提升品质与淀粉功能，具粳稻节氮管理潜力，仍需田间长期验证。