本文是一篇农业论文，本研究选用江苏省代表性常规粳稻品种南粳9108和淮稻5号作为试验材料，在盆钵栽培条件下观察了水稻产量等农艺性状、氮素利用、稻米品质、土壤特性及温室气体甲烷排放的影响。
1 引言
1.1 氮肥与生物炭对水稻产量形成的影响
1.1.1 对水稻生长发育的影响
生物炭对水稻的生长具有促进作用[16]。水稻在土壤中的生长是一个复杂的过程，生物炭施入土壤后会与水稻根系直接接触。根系在水稻的机械支撑、水分和养分的吸收、化学物质的生物合成和储存等方面起着至关重要的作用。氮肥配施生物炭对土壤的改善有利于根系穿透土壤颗粒，通过促进水稻根系的生长发育，改善水分和养分的吸收，提高叶片光合作用等方式，改善水稻农艺性状，并最终提高水稻产量。 大量研究表明，生物炭能有效改善根系形态指标，如平均根直径、总根长、总根表面积和总根体积[17]，这有利于根系的生长发育和形态建成[18]，促进根系保护组织和输导组织的良好发育，利于生理功能协调和均衡发展。张凤哲[19]等研究发现生物炭能明显提升根系的总吸收面积和活跃吸收面积，进一步增强水稻根系伤流速率强度和活力，营造出有利于养分吸收的生理状态，从而促进水稻根系对氮肥的高效吸收与利用使水稻增产[20]。同时，生物炭还能延缓水稻在生育后期根系的衰老[21]。水稻根系形态生理的改善一方面得益于生物炭与肥料配施降低了土壤容重、增加了土壤孔隙度和持水能力[17]，从而缓解了土壤板结。另一方面生物炭与肥料配施调节了土壤pH值和铵态氮含量[22]、诱导增大根细胞膜与土壤之间的电位差，增加营养物质运输的自由能来促进水稻养分吸收[23]。此外，生物炭为微生物提供了有利的微环境可促进菌根真菌等微生物的根系定植，进而间接对水稻根系产生影响[24]。但也有研究认为，生物炭的应用对水稻的根长、根面积、根干重和根直径、根冠比、根系生物量均无显著影响[25]。这可能是因为不同地区气候条件、土壤类型、土壤肥力状况、生物炭性质、用量以及水稻所处生育时期等方面存在差异[26]。
1.2 氮肥与生物炭对稻米品质的影响
水稻作为全球重要的粮食作物，其籽粒品质直接影响着人类的生活质量。合理施用氮肥可显著改善水稻的碾磨、外观和营养品质，其中施用量对营养品质具有决定性作用[26]。水稻籽粒的主要成分是淀粉，淀粉又分为直链淀粉和支链淀粉，米饭的质地和食用品质主要取决于直链淀粉与支链淀粉的含量及其比例[52]。稻米的蒸煮特性与其淀粉组成密切相关，高直链淀粉品种表现出较低的黏性和较硬的质地，而富含支链淀粉的品种则呈现更显著的黏稠特性[53]，人们更喜爱直链淀粉中等偏低的稻米。张继宁[54]等研究指出，不同的氮肥施用量会导致稻米淀粉结构的差异，进而影响其食用品质。一般来说，增加氮肥的用量会使直链淀粉含量增加[55]。研究表明，氮肥施用量的增加通常会导致水稻直链淀粉含量上升，但该效应因品种遗传差异而存在变异性[56]。然而，后续研究指出，在特定条件下增加氮肥施用量反而可能引起直链淀粉含量上升。李运祥团队[57]的研究指出，氮肥施用量的提升会导致稻米直链淀粉含量下降，从而改变直链与支链淀粉的组成比例。需要强调的是，由于水稻品种遗传特性的差异，上述效应存在显著的基因型依赖性。
Zhou等[58]研究表明，适度施氮可增大淀粉颗粒粒径并提高表面光滑度，同时改变淀粉分子结构，增加短支链比例、降低长支链比例和结晶度，提高无定形区含量。这些结构变化显著提升了淀粉的峰值黏度和热黏度，降低了回生温度和糊化温度，从而改善了水稻蒸煮品质。稻米淀粉的糊化特性显著影响蒸煮和食味品质。淀粉糊化特性是指淀粉悬浊液在加热-保温-冷却过程中表现出的黏度变化特征，该特性主要受直链淀粉分子量和支链淀粉分支结构的调控[58]。采用快速黏度分析仪（RVA）可有效评估糊化特性，该指标对直链淀粉含量相近品种的食味品质鉴别尤为敏感[59]。不同遗传背景的水稻品种在快速黏度分析（RVA）中表现出显著差异，其中峰值黏度反映淀粉颗粒膨胀能力，热浆黏度指示高温稳定性，崩解值体现耐剪切性，最终黏度显示冷却后重组程度，回生值表征淀粉回生特性，糊化温度则反映糊化起始温度[59]。研究表明，在不同的氮水平下，峰值黏度、崩解值和糊化温度呈现出显著差异，具体而言，峰值黏度和崩解值随着氮含量的增加而降低，相反地糊化温度则随氮含量的增加而升高[60]。
2 材料与方法
2.1 供试材料与栽培概况
试验于2023-2024年在扬州大学农学院实验农场盆栽场进行。2023年供试水稻品种为南粳9108和淮稻5号。2024年选用优质食味水稻南粳9108作为供试水稻。每年于5月14日播种，于6月13日人工移栽至盆钵中。试验选用直径为28 cm、高度为30 cm的盆钵，每个盆钵内装入14 kg过筛土，每盆3穴，双本栽插。水稻移栽前土壤有机碳8.31 g kg–1、速效磷20.4 mg kg–1、速效钾120.0 mg kg–1，土壤全氮含量为1.12 g kg–1。移栽前每盆统一施用0.5 g磷酸二氢钾。其他管理措施按当地常规管理方式进行。
2.2 处理设置
试验设计两个主处理，分别为施用生物炭（BI）和不施用生物炭（NB）。BI处理的生物炭施用量32.4 g/盆（相当于大田3 t hm-2），与水稻基肥混匀后一次性施入盆栽。生物炭为玉米秸秆生物炭，炭化温度为300~700°C，pH值9~10，碳含量、氮含量、全磷、全钾依次分别为723.1 g kg⁻¹、15.5 g kg⁻¹、2.15 g kg-1、26.54 g kg-1。
在BI和NB两个主处理下设置6种施氮量处理，分别是常规施氮处理（1.0N）、施氮量增加10%（常规施氮量的1.1倍，1.1N）、减氮10%（常规施氮量0.9倍，0.9N）、减氮20%（常规施氮量0.8倍，0.8N）、减氮30%（常规施氮量0.7倍，0.7N）和全生育期不施氮（0N）。共计12个处理组合，分别为1.1N、1.0N、0.9N、0.8N、0.7N、0N以及1.1N+BI、1.0N+BI、0.9N+BI、0.8N+BI、0.7N+BI、0N+BI。常规施氮量处理（1.0N）参考当地大田常规高产栽培施氮量，（270 kg hm-2），全生育期施用尿素（含氮率46%）5.4 g/盆。上述所有处理氮肥均按基肥、分蘖肥和穗肥5:1:4比例分期施用。每个处理设置30盆，共720盆。
2024年在2023年实验基础上仅选取1.0N、0.9N、0.8N、0N以及1.0N+BI、0.9N+BI、0.8N+BI、0N+BI进行重复。主要由于增氮10%处理产量增幅不显著且减氮30%处理产量下降太多。每个处理设置30盆，共240盆。
在为期两年的试验过程中，每次完成取样操作后，及时对盆钵的位置进行重新调整，以避免因光照、温度等环境因素的不均匀分布引发的偏差。
3 结果与分析..................... 16
3.1 氮肥配施生物炭对水稻产量与农艺性状的影响 ........................ 16
3.1.1 产量及其构成因素 ......................... 16
3.1.2 干物质重及收获指数 ........................ 19
4 讨论 ....................... 48
4.1 氮肥配施生物炭对水稻产量及农艺性状的影响 ........................ 48
4.2 氮肥配施生物炭对稻米品质的影响 ......................... 49
4.3 氮肥配施生物炭对土壤性状和甲烷排放的影响 ........................ 51
5 研究主要结论 ...................... 54
4 讨论
4.1 氮肥配施生物炭对水稻产量及农艺性状的影响
在农业生产中，氮是[101]土壤中限制植物生长的最重要的营养元素之一，为了维持作物高产，由于其对氮素的需求较高，在农业生产中持续施用氮肥对大多数农业土壤至关重要[102]。但过量施用氮肥的效果却不显著，甚至可能带来诸多不利影响。当氮肥施用量超过经济最佳阈值时，其增产效应显著减弱，表现为边际产量递减现象[44]。本研究中，发现的1.1N处理与1.0N处理相比，产量并无显著提升，这表明单纯增加施氮量并不一定能提高产量。
生物炭与氮肥的配施为解决这一问题提供了新的思路。许多研究表明氮肥配施生物炭对水稻增产有积极作用[103,104]。李姝航等[105]发现生物炭通过影响每穗粒数来提升水稻产量。本实验结果与之一致。除此之外本研究还发现减氮10%配施生物炭（0.9N+BI）处理可以达到与常规施氮（1.0N）处理相当的产量水平。这与刘慧等[106]发现的生物炭施加可一定程度补偿减氮造成减产一致。生物炭的施用能够改善水稻的株高、分蘖数和茎蘖成穗率等群体质量指标从而提高水稻产量[1][107]。在本研究中，0.9N+BI处理的株高和分蘖动态与1.0N处理相近，且成穗率显著提高，这表明生物炭通过优化群体结构，提高了水稻的成穗效率，从而在减氮条件下实现了与常规施氮相当的产量水平。然而，这一结论需结合不同研究的时空尺度与生态背景综合评估。南京土壤研究所的长期定位试验表明，连续12年施用生物炭会导致水稻减产，主要因土壤表层碱解氮含量显著增加，引发后期氮素过量供应，导致收获指数下降，在较低的肥料氮投入下施用生物炭有可能维持水稻生产[108]。在本试验中，0.9N+BI较0.9N产量的提升幅度明显高于1.1N+BI处理较1.1N产量的提升幅度。表明生物炭的物理吸附与化学缓释作用短期内可缓解氮素流失
