生物炭与矿物肥料配施对旱直播条件下水稻品种生长及养分动态的影响

《Frontiers in Plant Science》：Effect of biochar and mineral fertilizer integration on growth and nutrient dynamics of rice varieties under dry direct-seeded conditions

　　

摘要

引言：人口快速增长导致粮食需求日益增加，亟需既能提高作物产量又能保护土壤健康的农业方法。生物炭已成为一种有效的土壤改良剂，可提高土壤肥力和养分保持能力，同时提升作物生产力。

方法：本研究在巴加莫约灌溉项目（Bagamoyo irrigation project）2025年种植季期间，考察了施用生物炭的养分管理对旱直播水稻（direct-seeded rice）生长表现的影响。研究采用裂区设计（split-plot design），设置三次重复，并利用裂区方差分析（split-plot ANOVA）和线性混合效应模型（linear mixed effect model），评估玉米秸秆生物炭与氮磷钾（NPK）肥料配施对三个水稻品种（TXD 306、TANRICE 1和KHAODUCKMALL）在多季节条件下的效应，采用p<0.05的均值分离和Tukey HSD检验。

结果：研究结果表明，生物炭施用是唯一对收获期株高产生统计学显著影响的因素（p = 0.0135），而包括品种及其互作在内的所有其他因素均未表现出显著影响。样品区分的最重要因子为铁（Fe）和锌（Zn），其次为全氮（TN）和钾（K）。主成分分析（PCA）结果表明，第一主成分（PC1）通过其与Fe、Zn和TN的强关联解释了大部分变异，而第二主成分（PC2）主要与磷（P）、K和锰（Mn）相关。双标图（biplot）显示三个明显聚类，研究人员以95%置信椭圆加以识别。50%生物炭配施50%NPK处理优于对照和单施化肥处理，表现为植株更高，尽管各品种间的植株响应存在微小差异。

讨论：研究结果表明，与对照处理相比，生物炭与矿物肥料配施产生了更高的分蘖产量。上述结果表明，在易受干旱影响的旱直播条件下，生物炭与无机肥料配施可促进水稻生长和生产力，同时改善土壤肥力管理。

论文解读：生物炭与矿物肥料配施对旱直播水稻生长及养分动态的影响

**研究背景与意义**

全球人口持续增长，预计到2050年将达到97亿，粮食需求随之大幅增加，全球农业生产需提高近60%才能满足未来需求。水稻是全球半数以上人口的主粮作物，保障其可持续生产对粮食安全至关重要。然而，传统集约化种植方式过度依赖化学肥料，导致土壤退化、养分失衡、微生物活性下降及环境污染等问题。化学肥料成本高昂，也加重了小农户的经济负担。在此背景下，生物炭作为一种富含碳的土壤改良剂受到广泛关注。生物炭通过热解过程将作物秸秆等有机生物质转化为稳定性碳材料，可改善土壤理化性质，提高养分保持能力和水分有效性。已有研究表明，施用生物炭可使水稻增产约10%。然而，现有研究多关注生物炭的总体作物响应，对不同水稻品种在养分吸收和生长模式方面的差异认识不足，且生物炭与化肥配施的优化比例尚不明确。因此，亟需开展针对性研究，评估生物炭在田间条件下对不同水稻品种生长的影响，为坦桑尼亚等地区的可持续水稻生产提供科学依据。

**研究目的与关键方法**

本研究旨在评估生物炭与氮磷钾（NPK）肥料不同配施比例对旱直播水稻生长和产量的影响，并探讨不同水稻品种的响应差异。田间试验于2025年6月22日至11月5日在坦桑尼亚巴加莫约灌溉项目（Bagamoyo Irrigation Project）实施，该地区属热带气候，设有两个雨季。试验采用裂区设计，三次重复，主区为三个水稻品种：TXD 306、TANRICE 1和KHAODUCKMALL，副区为五种养分管理处理：T1（绝对对照，不施生物炭和肥料）、T2（100%生物炭）、T3（100%推荐NPK肥）、T4（50%生物炭+50%NPK）、T5（75%生物炭+25%NPK）。每小区面积12 m2（4 m × 3 m），株行距20 cm × 20 cm。玉米秸秆生物炭通过传统鼓式窑慢速热解制备，最高碳化温度约450°C，持续3小时。100%生物炭处理施用量为10 t ha?1，50%和75%处理分别施用5 t ha?1和7 t ha?1。数据采用裂区方差分析（ANOVA）和线性混合效应模型进行分析，以季节作为随机变量，以品种和养分处理作为固定效应，采用Tukey HSD检验进行均值分离（p<0.05），并运用主成分分析（PCA）进行多变量可视化。

**主要研究结果**

**生物炭与品种对产量及产量构成因素的影响**

方差分析结果显示，生物炭施用对水稻产量有极显著影响（p = 0.0005），显著提高了各处理的产量；品种主效应未达显著水平（p = 0.0976），且品种与生物炭的交互效应不显著（p = 0.8076），表明各品种对生物炭的产量响应具有一致性。对收获期分蘖数，品种（p = 0.0428）和生物炭（p = 0.0203）均有显著影响，而交互效应不显著。株高仅受生物炭显著影响（p = 0.0135）。穗数受生物炭极显著影响（p = 0.0034）。叶面积指数（LAI）受品种（p = 0.0409）和生物炭（p = 0.0203）共同显著影响。品种对播种后30天干物质积累有显著影响（p = 0.0443），而生物炭在这一阶段无显著效应。各处理对达50%开花天数、收获指数、每穗粒数和穗长均无显著影响。

**营养籽粒变异性主成分分析**

主成分分析将多维数据集降维，第一主成分（PC1）解释了37.6%的变异，与Fe、Zn和TN密切相关；第二主成分（PC2）解释了18.3%的变异，主要与P、K和Mn相关。双标图显示三个样品聚类，以95%置信椭圆区分。向量长度表明Fe和Zn是区分样品的主要因子，TN和K为次要因子，说明水稻籽粒养分差异由多种大量和微量元素共同作用所致。

**生物炭与矿物肥料配施下株高动态**

所有品种在各处理下株高均持续增长，呈现S形生长曲线，30至90天播种后天数（DAS）期间快速生长，120 DAS达到最大。30至60 DAS期间，各品种生长发育一致，处理间无显著差异（p > 0.05）。处理效应在90 DAS开始增强并持续至120 DAS收获期。50%生物炭+50%NPK处理较对照和单施化肥处理产生更高植株，且各品种对处理的响应存在小幅差异。结果表明，整合养分管理对生殖生长和籽粒灌浆阶段的植株发育影响强于营养生长初期。

**生物炭处理下分蘖数动态**

水稻分蘖数遵循典型生理模式，前期快速增长，成熟期下降。分蘖数从30 DAS急剧增加至60 DAS达到峰值，随后下降至90 DAS，归因于自然分蘖死亡。75%生物炭+25%NPK处理和100%NPK处理在峰值期产生最多分蘖，60 DAS时约为每株16–17个分蘖，绝对对照最少。不同品种间分蘖能力存在显著差异，TXD 306在60 DAS表现出最高分蘖数，具备较强的营养生长潜力；TARI RIC1分蘖表现中等；KHAODUCKMALL分蘖数最低。

**生物炭处理下干物质动态**

干物质积累呈标准S形增长模式，30至120 DAS持续增加。30至60 DAS的早期营养生长阶段，各处理间无差异；处理效应在90至120 DAS的生殖生长和成熟期逐渐显现。120 DAS时，绝对对照干物质积累最低。100%NPK和50%NPK+生物炭处理在120 DAS产生最高干物质积累，表现出优异的生物量生产能力和籽粒灌浆性能。不同品种的干物质积累模式各异：TXD 306在整个生育期保持稳定积累，120 DAS达最大生物量；TARI RIC1在90至120 DAS间干物质迅速增加；KHAODUCKMALL生长稳定但成熟期干物质最低。

**讨论与结论**

研究发现，生物炭与无机肥料配施显著提高了旱直播水稻的生长和产量，其中50%生物炭+50%NPK处理表现最优。生物炭通过改善土壤理化性质、提高养分和水分的有效性来促进作物生长。品种间的早期生长差异被生物炭处理所补偿，最终产量无明显品种差异，表明生物炭改良的养分管理策略具有跨品种适用性。生物炭部分替代化肥可提高养分利用效率、减少化学肥料依赖，但本研究仅为一个生长季的数据，未来需开展多年多点试验以验证其长期农艺、经济和环境效益，特别是在小农生产体系中。