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水稻是我国主要的粮食作物，保证水稻产量对稳定国内粮食价格和保障粮食安全具有战略意义[1]。我国人均耕地面积不足0.09hm2，低于世界平均水平的40%。因此，在有限的耕地面积下，提高粮食产量是保证粮食稳产和保障粮食安全的重要途经。移栽密度是构建水稻高产群体的重要手段，已被证明是提升产量的有效方式[2-3]。调整移栽密度能改变水稻分蘖数、干物质积累、冠层受光态势、光合作用效率等，可达到高产群体的特征[4-5]。除构建高产群体外，合理的水肥管理也是提高水稻产量的重要手段[6]。生物炭作为一种新兴土壤改良剂，已被证明能够提高土壤田间保水能力[7]、减少土壤养分淋失[8]、提高土壤肥力[9]，在提高作物产量上有巨大潜力。有研究表明，生物炭能提高氮磷钾偏生产力以及作物对氮素和钾素的吸收，显著提升产量高达16.7%[10-11]。
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目前，有关水稻移栽密度的报道，多集中于氮肥投入与品种间互作的方面，而与生物炭相结合进行的研究较少。因此，本研究以移栽密度和生物炭施用量互作为研究手段，以肥料利用率和水稻产量为研究对象，通过连续两个生长季测定与肥料利用率相关的土壤理化性质、水稻农艺性状及产量，探究移栽密度和施炭量二因素互作对稻田肥料利用率和水稻群体指标及产量的影响，筛选出水稻增产的最佳组合，以期为水稻高产移栽与生物炭应用相结合提供理论依据和生产指导。
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1 材料与方法
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1.1 试验设计
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田间试验于2018～2019年在辽宁省沈阳市苏家屯区八一镇三家子村兆鑫农场（N 41°34′， E 123°14′）进行，该地区作物生长季平均气温20.3℃，土壤为砂壤土；试验所用生物炭购自辽宁省金和福农业科技股份有限公司。试验中稻田土和生物炭的基础理化性质如表1所示。
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试验采用二因素裂区设计，以水稻的移栽密度为主因素，以生物炭的施用量为副因素。试验设置2个移栽密度，分别为30.0cm×23.3cm和30.0cm×20.0cm，约12.85×104 和18.36×104 穴/hm2，分别标记为M1和M2；4个施炭量水平，按0、 10、20和30t/hm2 一次性施入生物炭，分别标记为B0、B10、B20和B30。试验共计8个处理（表2），每个试验小区面积为100m2，小区重复次数为3次。各小区以田埂包裹聚乙烯塑料膜间隔，肥水单独管理。试验所用水稻品种为辽粳401，生育期158d左右，属中晚熟品种。试验小区按N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶0.7的比例施肥，分别为N 150kg/hm2、P2O5 75kg/hm2、K2O 105kg/hm2。于2018年5月22日插秧，10月24日收获；于2019年5月24日插秧，10月25日收获，插秧时采用每穴4苗定量移栽，所有秧苗均由辽宁省水稻研究所工厂化育苗提供，秧龄为3.5叶。其它管理水平同大田保持一致。
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1.2 测定指标与方法
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水稻生长阶段，将氧化还原电位仪（PRN-41， Fujiwara Scientific Co.Ltd.，Tokyo，Japan）铂电极埋于稻田5cm深处，测定稻田土氧化还原电位。收获后，取0～20cm原状稻田土，测定其土壤容重（BD），剩余土经风干、研磨，过2mm筛用于测定pH、阳离子交换量（CEC）和可溶性有机碳（DOC）。土壤pH使用pH测定仪（HI 2221Calibration check pH/OPR meter，Hanna Instruments， USA）进行测定；土壤CEC使用EDTA-乙酸铵盐交换法测定；土壤DOC使用TOC muti N/C 3100有机碳分析仪测定。不同阶段田间N2O使用密闭室取样法收集[12]，使用气相色谱仪（Agilent 7890A，Agilent Technologies，USA）测定N2O排放量。
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分别于水稻不同生育时期对其SPAD值和干物质积累进行测定。使用SPAD-502plus分别测定水稻主茎展开剑叶上、中、下部叶绿素含量，并对测定结果取平均值。干物质积累，取各处理中长势均匀的植株，经105℃杀青0.5h后，80℃烘干24h，称重。收获期，每个小区内取长势均匀的连续5穴，经自然风干后，对穗数、穗粒数、千粒重、结实率进行测定。每个小区采用5点取样法，每处面积为1m2，测定其产量。
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1.3 数据处理
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所有数据使用SPSS 20.0进行统计与分析，并使用Origin 9.2进行作图。
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2 结果与分析
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2.1 稻田土壤性质
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不同移栽密度和施炭量下，水稻收获后稻田土壤理化性质测定结果如表3所示。2018年，相同施炭量处理的土壤pH、Eh、CEC、BD及DOC受移栽密度影响不显著。相同移栽密度处理的土壤pH和DOC随施炭量提高而升高，Eh随施炭量提高而降低，CEC和BD受施炭量影响不显著。其中，B30处理较B0处理pH分别提高6.9%（M1） 和7.1%（M2），Eh分别降低30.4%（M1） 和26.9%（M2）。随施炭量增大，土壤DOC含量分别提高4.2%、 9.5%、18.0%（M1）和4.7%、8.7%、18.52%（M2）。各处理稻田土pH、CEC和BD在年际间变化不显著，Eh降低明显，施炭处理的DOC显著降低至趋近于未施炭处理的DOC。
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2.2 N2O排放量
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由不同移栽密度和施炭量对田间N2O排放量变化分析（图1）可知，2018年N2O排放量在水稻的不同生育时期中存在一次峰值，出现在排水晒田、控制无效分蘖时期。在相同移栽密度下，提高施炭量可以降低N2O排放量。同B0相比，B10、B20和B30处理N2O排放量峰值分别降低9.0%、26.3%、 39.5%（M1）和6.8%、28.9%、39.7%（M2）。在相同施炭量下，高移栽密度B0、B10、B20、B30处理N2O排放量峰值较低移栽密度分别降低4.9%、 2.7%、8.5%、5.4%，且各处理间差异不显著。2019年，相同移栽密度下的各施炭处理N2O排放量峰值减少量，较2018年有所降低，但处理间无显著性差异。
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注：表中数据为平均值 ± 标准差。同列同一年度数据后不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
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图1 施炭量、移栽密度对稻田N2O排放量周期性变化的影响
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注：左侧为M1密度处理，右侧为M2密度处理。
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2.3 SPAD值和干物质积累
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不同移栽密度和施炭量下，水稻叶片不同生育时期SPAD值的分析结果如表4所示。2018年，相同移栽密度下，水稻分蘖期和孕穗期的叶片SPAD值随施炭量提高而增大，但处理间无显著性差异； 灌浆期的SPAD值随施炭量提高而显著增大，其中B30处理较B0处理分别提高2.74（M1）和2.44（M2）。相同施炭量下，高移栽密度处理的水稻叶片SPAD值显著低于低移栽密度处理。2019年，各处理的SPAD值在所有生育时期总体变化趋势与2018年相同，但施炭处理叶片的SPAD值较未施炭处理提高较小。
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在移栽密度和施炭量二因素影响下水稻不同时期干物质积累测定结果如图2所示。2018年，相同移栽密度下的水稻干物质积累随生育时期的进行而显著提高；不同施炭量处理水稻干物质积累在水稻生长前期无显著性差异，在水稻生长后期高炭量处理干物质积累显著高于不施炭处理。相同施炭量下，高移栽密度处理水稻干物质积累显著高于低移栽密度处理。所有处理的不同时期干物质积累在年际间变化较小，2019年总体变化趋势与2018年相同，但水稻生长后期各施炭处理间水稻干物质积累无显著性差异。
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2.4 水稻产量构成因素
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移栽密度和施炭量对水稻产量构成因素影响的分析结果如表5所示。2018年，相同移栽密度下不同施炭量处理水稻的穗粒数、千粒重及结实率差异不显著；有效穗数随施炭量增大而略微增加，其中B30处理较B0处理水稻有效穗数分别提高17.1穗/m2（M1）和16.5穗/m2（M2）。在相同施炭量下，高移栽密度处理较低移栽密度处理有效穗数显著提升，穗粒数显著降低，千粒重和结实率无显著变化。2019年，各个处理的有效穗数、穗粒数、千粒重和结实率较2018年均有所减少，但处理间的变化趋势与2018年相同。
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图2 施炭量、移栽密度对不同生育时期水稻干物质积累的影响
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注：左侧为M1处理，右侧为M2处理。同一时间不同字母表示相同移栽密度的水稻干物质积累在不同施炭量处理间差异显著（P<0.05）。
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2.5 水稻产量
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水稻产量结果分析如图3所示。2018年，相同移栽密度下的水稻产量随施炭量增大而显著提升。其中M1B30和M2B30处理产量最高，分别为9.7和10.7t/hm2，较M1B0和M2B0处理产量分别提升5.7%和5.2%。相同施炭量下的高移栽密度处理水稻产量显著高于低移栽密度处理，提高约10.8%。 2019年，各处理的水稻产量较2018年无显著性变化，且处理间产量变化趋势与2018年一致。综合两年的试验结果进行相关性分析，结果显示移栽密度是影响水稻产量的主要因素（表6）。其中，移栽密度与有效穗数呈极显著正相关（P<0.01）关系，有效穗数与产量呈极显著正相关（P<0.01） 关系。
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图3 不同施炭量、移栽密度对水稻产量和收获指数的影响
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注：左为2018年水稻产量，右为2019年水稻产量。同一施炭水平不同字母表示各处理间差异显著（P<0.05）
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注：* 表示 P<0.05；** 表示 P<0.01。
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3 讨论
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适宜的移栽密度是构建水稻高产群体的重要因素之一[13]，不同的栽培模式下水稻获得高产时所需的移栽密度不同[14]。常规种植方式下， 16.65×104～21.45×104 穴/hm2 时水稻产量最高； 而水稻强化栽培体系下，12.00×104 穴/hm2 时水稻产量最高[15-16]。本研究中，M1处理较M2处理相比，土壤pH、Eh、CEC、BD、DOC均无显著性差异；M1处理N2O排放量略低于M2处理，但处理间差异不显著，表明两种移栽密度下氮肥利用效率相近[17]。M2处理水稻叶片SPAD值和单株干物质积累均低于M1处理；M2处理群体干物质积累显著高于M1处理。在水稻生长过程中，提高氮肥供应量，可显著提高水稻叶片SPAD值和干物质积累[18]。相同氮肥供应量下，M1处理单株可获得氮素高于M2处理，导致本研究中M1处理单株干物质积累大于M2处理。但低移栽密度的肥料利用率较低[18]，使M1处理群体干物质积累显著低于M2处理。M1密度下各处理产量显著低于M2密度下各处理产量。通过对比M1和M2两种移栽密度下水稻产量构成因素，发现高移栽密度使穗粒数显著降低，但有效穗数显著提高，这与赵荣德[19]的研究结果一致。说明水稻的4个产量构成因素中，单位面积的有效穗数是影响辽粳401产量的主要因素。欧阳杰等[20]和王寅等[21]研究表明，提高移栽密度可以提高约10.9%的水稻分蘖成穗率，从而提高水稻产量。秦俭等[22]研究发现提高移栽密度可显著提高氮肥农学利用率和氮肥偏生产力，使水稻茎蘖数和干物质积累增加，提高水稻产量。
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生物炭是表面疏松多孔的富碳物质，可以改善土壤理化性质，为作物的生长提供适宜的土壤环境，从而有利于提高产量[23-24]。稻田土的理化性质结果显示，施入生物炭的当年对稻田土CEC和BD影响较小，而对pH、DOC及Eh影响较大。 Mukherjee等[25] 将pH为9.4的生物炭加入土壤中，发现土壤pH显著提高0.4个单位，所产生的石灰效应可增大土壤中有效态P、K、Mg、Ca，使植物可吸收的矿物营养元素含量显著提高[26]。一方面，P、K等元素可随土壤水溶液被水稻根系吸收[18]，促进生长；另一方面，Mg元素可促进叶绿素合成，使水稻在生长发育后期光合作用效率提升[11，27]。本研究表明，生物炭能增加中后期水稻干物质积累，且干物质积累量随施入量增大而提高。生物炭的石灰效应是一个缓慢的过程，因此本研究中施炭和不施炭处理的土壤有效矿物营养元素含量对水稻生长前期的影响差异不显著，对水稻生长后期的影响呈现显著差异，致使分蘖期B0、 B10、B20、B30处理间干物质积累差异不显著。
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土壤pH升高可导致土壤Eh值降低[28]，降低土壤氮素损失，减少N2O排放，提高氮肥利用效率[29]。N2O是稻田主要温室气体之一，氮肥投入量是影响N2O排放量主要因素。Zhang等[30]研究表明，低氮肥投入能降低稻田30%～60%的N2O排放量。本研究中N2O排放量在控水期随施炭量增大而显著降低，可能是部分N素被生物炭吸附，使土壤中可进行反硝化作用产生N2O的N素含量降低。被吸收的这部分N素，在水稻生长后期能缓慢释放到土壤中[7，31]，被吸收利用，提高后期的肥料供应能力，保证各个生育时期的养分供应。持续的肥料供应，使水稻在抽穗期后保持较高的叶绿素含量和较强的光合能力，有利于增加生育后期的干物质积累。DOC是土壤活性组分，较高的DOC含量可提高土壤氮肥利用效率[32]。生物炭表面含有大量不稳定碳，可释放到土壤水溶液中，提高土壤DOC含量，从而提高肥料利用效率。
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产量分析结果显示，适当提高生物炭施入量可提高水稻产量。生物炭吸附性较强，能在作物生长前期固持部分N、P、K等主要元素，并在后期重新释放到土壤中，降低营养元素流失[33]。惠锦卓等[34] 研究表明，以2%碳土质量比施入生物炭后，土壤中氮素淋失量减少49%。吴蔚君[35] 研究显示，施加生物炭使稻田氮肥利用率提升9.51%～14.57%，磷肥利用率提升6.35%～21.48%。同时，高施碳量较低施碳量可在前期固持更多养分，提高后期营养元素释放量，供作物生长[36]。此外，生物炭多呈碱性，含有大量可溶性K、Ca、Na等盐基离子，能显著提高土壤盐基离子饱和度、增加土壤肥力[22]、提高肥料利用效率。胡华英等[37]研究显示，生物炭能增强土壤-α-葡萄糖苷酶、土壤-β-葡萄糖苷酶和脲酶活性，以及高土壤有效磷、速效钾含量。
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通过年际间各指标的变化情况可知，稻田土Eh和DOC降低，N2O排放量、水稻干物质积累和产量变化较小。一方面是因为生物炭在土壤中可发生矿化反应，表面官能团种类减少，降低了对土壤理化性质改善的作用效果；另一方面，生物炭表面孔隙结构被破坏，吸附性减弱，降低了对肥料的固持能力[38]。尽管，生物炭在短时期内通过改善土壤理化性质和提高肥料利用效率，使水稻产量提高。但随着时间的延长，生物炭逐渐老化，其作用效果势必减弱。因此，在今后试验中，有必要对生物炭的合理施入间隔进行研究。
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4 结论
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本研究中，移栽密度和生物炭共同影响水稻群体产量。适当提高移栽密度，可以显著增加水稻单位面积的有效穗数，对水稻群体产量的提高起到直接作用；适量的施用生物炭，能在短期内改善土壤理化性质，提高氮肥利用效率，间接保障了水稻的产量形成。综合移栽密度和施炭量两个因素，当移栽密度为18.36×104 穴/hm2、施炭量为30t/hm2 时辽粳401产量最高。
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摘要
为探究水稻移栽密度和施用生物炭二因素对水稻产量的影响，以辽粳 401 为供试品种，设置 2 个移栽密度（12.85×104 、18.36×104 穴/hm2 ）和 4 个生物炭施用量（0、10、20、30 t/hm2 ）的二因素裂区试验，通过连续调查两个生长季稻田土 pH、Eh、CEC、BD、DOC 及 N2O 排放量，探究不同移栽密度和施炭量下肥料利用效率， 测量 SPAD 值、水稻干物质积累、产量构成因子和实际产量，并分析不同移栽密度和施炭量组合对稻田土性质及水稻生长和产量的影响。结果表明：相同施炭量下，增加移栽密度对土壤 pH、Eh、CEC、BD、DOC 的影响不显著，N2O 的排放量减少，但处理间差异不显著；增加移栽密度可以提高水稻群体干物质积累和产量。相同移栽密度下增加施炭量，可显著提高土壤 DOC 含量和 pH，但对于 Eh、CEC、BD 无显著性影响；可显著降低 N2O 排放量和单株干物质积累，但增加了群体干物质积累；也可增加有效穗数和产量。其中，M1B30 和 M2B30 处理的产量较高，分别较 M1B0 和 M2B0 处理提高产量 5.7% 和 5.2%。研究表明，移栽密度是影响水稻产量的主要因素，生物炭能改善土壤理化性质，提高氮肥利用效率；高移栽密度下提高施炭量能显著提高水稻产量；综合移栽密度和施炭量二因素，当移栽密度为 18.36×104 穴/hm2 、施炭量为 30 t/hm2 时水稻产量最高。
Abstract
In order to investigate the effect of transplanting density and biochar application on soil physical and chemical properties and rice yield，a two-year experiment was carried out containing an interactive test of two levels of planting density（12.85×104 ，18.36×104 holes/hm2 ）and four levels of biochar application rate（0，10，20，30 t/hm2 ），with Liaogeng 401（Oryza Sativa，japonica rice）as the tested rice variety．The pH，Eh，CEC，BD， DOC and N2O emissions of paddy fields were studied to investigate the effects of transplanting density and biochar application on efficiency of fertilizer．The SPAD value，dry weight and yield composition factors and actual yields of rice were studied to investigate the effects of transplanting density and biochar application on the growth and yield of rice．The results showed that：On the condition of the same amount of biochar application，the transplanting density increase had no significant influence on the pH，Eh，CEC，BD and DOC of paddy soil，reduced the N2O emissions without significant difference among the treatments，and increased the dry weight and yield of rice．On the condition of the same transplanting density，the biochar application increase had no significant influence on the Eh，CEC and BD，increased the pH and DOC significantly，reduced the N2O emissions and the dry weight of single plant，and increased dry weight，productive panicle numbers and grain yields of rice． The yield of rice of M1B30 and M2B30 treatments significantly enhanced by 5.7% and 5.2%， respectively，compared to those of M1B0 and M2B0．The results indicated that the transplanting density of rice was the main factor affecting rice grain yield，and the application of biochar enhanced the fertilizer use efficiency by improving soil physical and chemical properties；Increasing the amount of carbon application under high transplanting density can significant increase rice yield ；by comprehensive consideration，maximum rice grain yield can be obtained with the planting density of 18.36×104 holes/hm2 and the biochar application of 30 t/hm2 in this research.
Keywords
rice ； transplanting density ； biochar ； yield ； fertilizer use efficiency