目前国内外围绕生物炭对作物生长与产量的影响已开展一些研究^[1-5]。然而，对于生物炭不同施加方式可能产生的环境及农业效应尚鲜有报道。生物炭在土壤中的空间分布随添加方式、施用深度、施用量和耕作方式而改变，而且生物炭施入土壤后，受降雨和生物物理扰动等影响，沿土壤剖面迁移，改变其在土壤中的空间分布^[6]。大田试验中往往是将生物炭翻入于土壤耕作层中^[7-9]，土柱试验最为常见的施加方式则是将生物炭与土柱土壤充分混合施加^[10]。笔者认为将等量的生物炭施加在浅表层土（约0~3 cm）可以更有效地提高生物炭对土壤表层及田面水的养分的固持作用。而且以往对于生物炭与土壤混合施加（混施）和仅施加于浅表层（表施）的对比研究不多。因此，为考察生物炭与土壤混施与表施这两种施加方式对水稻生长有何影响，本试验将在同样实验条件下对比考察前述2种生物炭施加方式对水稻生长的影响。

基于本试验的科学假设，笔者认为将有限的生物炭集中施加在浅表层土（约0~3 cm）中的表施处理，可以在接近土水界面形成一个受生物炭强烈影响的“缓冲层”，大大强化生物炭对田面水养分含量的扰动，特别是对氨氮的固持效果更为显著，这将有利于增加稻田氮素利用效率，进而对产量可能产生影响。同时，此前的研究更多局限于单一类型的生物炭在农田中的施用，对多个变量条件下考察生物炭对作物生长与产量的影响的报道比较有限。为此，本研究将从多个维度考察不同生物炭基质材料和不同烧制温度在不同施加方式的条件下对水稻生长和产量构成的影响，为更加深入了解生物炭对稻田的综合效应提供新的思考角度，为指导生物炭田间应用实践提供理论依据。

水稻土柱试验供试水稻品种为武运粳23号，试验用土取自江苏省宜兴市周铁镇，在15 hm²的稻田选择6个采样点，采集0~20、20~40 cm和40~60 cm的土层。将采集来的供试土壤进行自然风干，剔除石子等杂质，过筛备用。将每层中的土壤按照与田间条件相同的顺序和堆积密度装土柱中。土壤性质如下：pH值为6.38（土水比1:2.5），有机质含量2.28%，TN、TP、TK含量分别为1.56、0.96、4.12 g·kg^-1。试验选取小麦秸秆、木质锯末2种生物质材料，分别在2种处理温度（500、700 ℃）下制备的小麦秸秆生物炭（WBC）和木质锯末生物炭（SBC）（对应命名为WBC500、WBC700、SBC500和SBC700），使用之前过2 mm筛。生物炭的理化性质如表 1所示。土柱容器使用PVC材料定制，具体尺寸为：内径30 cm，高度50 cm，底部设有排水孔，为水稻烤田时所用。

表 1　供试生物炭理化性质 Table 1　Physical and chemical properties of biochar

表选项

本试验设置0.5%生物炭施加量（W/W）；生物炭施加方式为混施与表施。生物炭混施即将耕层土壤加入0.5%（W/W）的生物炭并充分混合，而生物炭表施则是将同等质量的生物炭与土柱表层0~3 cm的土壤均匀混合后装入土柱中备用。所有土柱施氮量一致，皆为240 kg N·hm^-2。基肥、蘖肥和穗肥总氮用量配比为4:4:2。试验全部处理均施加磷钾肥，且在基肥时一次性施入，磷肥（P₂O₅）、钾肥（K₂O）具体用量分别为96、192 kg·hm^-2。日常水稻水层保持在3~5 cm，灌溉水为自来水。本研究采用土柱试验，共设置9组处理（表 2），每个处理3个重复。每个土柱装入35 kg的水稻土，土柱土壤厚度约为50 cm。所有施加生物炭的处理，皆为生物炭与土壤按比例统一混合后装入土柱。于2015年6月22日插秧（3穴·盆^-1，3株·穴^-1），同年9月31日收获。

表 2　试验处理 Table 2　The experimental treatments

表选项

分别于水稻生长的5个关键生育期：分蘖期（7月16日）、拔节期（8月10日）、抽穗期（9月26日）、灌浆期（10月9日）和成熟期（10月30日），对其株高、叶绿素含量SPAD（Soil Plant Analysis Development）、归一化植被指数NDVI（Normalized Different Vegetation Index）进行测量，其中SPAD的测定以水稻的旗叶为测量对象。株高的测试用直尺直接测量植株高度。使用由美国Trimble公司生产GreenSeeker手持式光谱仪测试水稻5个生育期的NDVI，采用日本Minolta公司的SPAD-502叶绿素仪测试水稻SPAD值，两个指标测试时间皆为晴天的9：00—11：00。基础土壤全氮采用硫酸催化消解-硼酸吸收滴定，全磷采用酸消解-钼锑抗比色法，全钾采用酸消解-火焰光度计比色法。

水稻成熟后，取其地上部分，分离籽粒与植株秆。水稻籽粒自然风干，冷却后称量每个土柱实际所得籽粒重量；测定每个土柱水稻穗数、每穗总粒数与瘪粒数、千粒重等产量性状指标。

使用Microsoft Excel 2013和SPSS 20.0进行数据统计与分析，用OriginPro 8.0进行绘图。

由表 3可知，各处理株高在分蘖期、拔节期、抽穗期呈现较高的增长水平，灌浆期和成熟期株高增幅不大甚至略有下降。施加生物炭处理与对照CKU相比，株高整体上高于CKU，在灌浆期和成熟期表现较为明显。表施处理与其对应的混施处理相比，整体来说株高在分蘖期和拔节期表施处理小于混施处理，而在抽穗期、灌浆期和成熟期表施处理的水稻株高超过混施。除了WBC700-B在各个关键生长期的株高均低于SBC700-B以外，小麦秸秆生物炭对水稻株高的促进作用在后3个关键生长期均优于木质锯末生物炭处理，不同温度制备的生物炭，500 ℃比700 ℃制备的生物炭对水稻株高的促进作用更明显，增加了0.75%~8.84%。不同生物炭施加方式、基质材料和制备温度之间对水稻的株高在统计上均不显著。

表 3　施加生物炭对水稻株高在不同关键生长期的影响（cm） Table 3　Effects of applying biochar on rice plant height at the different key growth periods(cm)

表选项

由表 4可知整体趋势是在分蘖期、拔节期和抽穗期SPAD先上升，在灌浆期和成熟期，SPAD显著下降。在水稻的抽穗期，生物炭处理的SPAD值较CKU增加2.25%~8.63%。整体而言，表施处理较对应混施处理SPAD值较小，不同温度制备的生物炭处理中，500 ℃生物炭处理SPAD值高于700 ℃生物炭处理。其中WBC500高出WBC500-B处理的1.34% ~57.22%，WBC700高出WBC700-B处理3.01%~43.96%。不同原料制备的生物炭处理之间SPAD值变化没有明显的规律。

表 4　施加生物炭对水稻SPAD在不同关键生长期的影响 Table 4　Effects of applying biochar on rice SPAD at the different key growth periods

表选项

由表 5可知，NDVI在水稻的分蘖期和拔节期之间增长很快，拔节期直到灌浆期较为平缓，增幅不大甚至有所下降，成熟期则普遍呈现下降趋势。生物炭混施处理NDVI普遍高于对照CKU，高出幅度4.01%~21.71%。表施处理则普遍低于施肥对照CKU。因此，表施处理NDVI普遍小于混施处理。不同温度制备的生物炭处理在NDVI方面表现为混施条件下，WBC500和SBC500的NDVI分别高于WBC700和SBC700；表施条件下的不同温度制备的生物炭处理则不具有这一规律。不同原材料制备的生物炭，即小麦秸秆生物炭和锯末生物炭之间NDVI指数不存在明显规律性。

表 5　施加生物炭对水稻NDVI在不同关键生长期的影响 Table 5　Effects of applying biochar on rice NDVI at the different key growth periods

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水稻产量的构成因子直接影响水稻产量。如表 6所示，不同生物炭处理及其施加方式均显著增加了水稻结实率，较对照CKU增幅4.88%~8.39%，其中SBC500-B增幅最高，SBC700-B最低。WBC500、WBC700和SBC500结实率均低于与其对应的表施处理。混施处理的千粒重均高于CKU，除了SBC700其他处理增幅均不显著。生物炭表施处理与其对应的混施处理相比，对水稻的穗粒数与千粒重的影响差异不显著。不同基质材料和温度制备的生物炭处理之间也没有一定的规律性。

表 6　施加生物炭对水稻产量构成因子的影响 Table 6　Effects of applying biochar on rice yield-components traits

表选项

由图 1可知，与对照CKU相比不同生物炭处理及其施加方式均显著增加了水稻的产量，增幅9.81%~36.25%。可以发现，生物炭混施处理与施肥对照CKU相比增产10.28%~18.38%，平均增产约13.54%。表施处理除了SBC500-B比CKU仅增产9.81%以外，其他3个表施处理增产24.57%~36.25%，平均增产31.42%。生物炭表施比混施更能促进水稻增产。WBC500-B、WBC700-B和SBC700-B与其对应的生物炭混施处理WBC500、WBC700和SBC700相比产量均显著增加，产量分别提高了21.00%、12.15%和19.06%。除了SBC500-B和SBC700-B差异显著，其他不同温度制备的生物炭之间对水稻产量的影响差异不显著。

图 1 施加生物炭对水稻产量的影响 Figure 1　Effects of applying biochar on rice yields

图选项

收获指数（HI）为水稻实际所得的籽粒重量与其地上部生物量的比例。由图 2可知，不同生物炭处理与CKU相比均不同程度地增加了水稻的收获指数，增幅2.58%~10.56%。除了SBC700-B处理，其他处理均没有显著差异，也即表施处理和混熟处理对收获指数的影响没有显著差异。

图 2 施加生物炭对水稻收获指数的影响 Figure 2　Effects of applying biochar on rice harvest index

图选项

偏生产力（partial fertilizer productivity，PFP）是指某一特定肥料下的作物产量与施肥量的比值，是反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的重要指标。由图 3可知，在等量施肥的情况下，添加生物炭处理的氮磷钾偏生产力高于对照CKU。施加生物炭处理氮肥偏生产力56.44~70.03 kg·kg^-1，磷肥偏生产力141.11~175.08 kg·kg^-1，钾肥偏生产力70.56~87.54 kg·kg^-1，均高于对照CKU，其中SBC700-B肥料偏生产力最高，SBC500-B最低。生物炭表施处理中除了SBC500-B，肥料偏生产力均高于相应生物炭混施处理。不同温度制备的生物炭处理之间的规律与产量相似。

图 3 施加生物炭对氮肥偏生产力（a），磷肥偏生产力（b）及钾肥偏生产力（c）的影响 Figure 3　Effects of applying biochar on(a) PFPN, (b) PFPP and(c) PFPK

图选项

本试验结果表明，不同生物炭处理及其施加方式均促进了水稻增产，这与之前的一些研究报道的结果类似^[11-13]。施加生物炭的处理结实率与对照相比均有显著提高，但是有效穗数、穗粒数和千粒重并没有明显差异。郑悦等^[14]在盐碱地条件下不同施加生物炭量对水稻穗部性状及产量研究中也发现施加生物炭处理的结实率高于对照。生物炭自身含有丰富的N、P、K、Ca、Mg等营养元素，并在一定的条件下释放自身的养分，供水稻生长利用，提高土壤养分含量。有报道表明，生物炭以1%炭土质量比施入土壤后，氨氮、硝氮淋溶量减少15%以上^[15]，提高了可吸收利用营养元素的有效性^[16]。生物质炭对养分具有固持作用^[17]，促进植物对营养元素的吸收，提高肥料的利用率。与此同时，被吸附的氮素在水稻生长过程中可以缓慢释放^[18]。虽然不同处理穗肥施氮量相同，但这种缓释作用可能提高了水稻抽穗期土壤的供氮能力，并可合理分配氮素释放，保证水稻各生育时期所需的营养，同时也可有效减少施肥前期的氮素流失，这样在水稻生长后期能保证较充足的氮素供应，因此水稻产量增加。SPAD值与叶绿素含量呈极显著正相关，即SPAD值能够反映水稻叶片光合作用制造有机物的能力^[19]，从而影响到水稻的生物量与产量。NDVI与水稻的叶面积指数、生物量呈正相关关系^[20]。施加生物炭提高水稻株高，在分蘖、拔节、抽穗期SPAD和NDVI略有增加，可能是施加生物炭有利于叶片持绿并且能提高光合作用效率^[21]。提高水稻叶片中叶绿素含量高和持绿时间，使得水稻在生长后期能充分进行光合作用，提高水稻产量。

生物炭表施与混施相比，在株高、SPAD和NDVI的差异统计上不显著。表施处理在有效穗数和穗粒数方面略高于混施处理，其他构成因子也没有显著性差异。本研究结果表明，生物炭表施比起混施更能促进水稻增产，增产幅度普遍比混施高出12.15%~21.00%。一方面生物炭表施本身也是将生物炭施入土壤，同样能实现前述的促进养分吸收利用，改善土壤肥力，提高作物生产力等效用。另外一方面，生物炭表施使得表层土壤生物炭含量高，这能够更加有效地发挥其作用。而生物炭混施处理，将有限量的生物炭均匀混合在水稻生长的整个土壤体系中，分散了生物炭对特定耕作层特别是浅表层耕作土的影响强度。李帅霖等^[6]研究生物炭不同施加方式对土壤水分入渗和蒸发的影响，发现在土壤浅表层（0~10 cm）添加较高用量生物质炭相对于在耕层土壤（0~20 cm）施加生物炭更有利于强化黏性土壤的入渗特性。本研究在浅表层施加生物炭（表施），可能比生物炭混施更有利于改善土壤的入渗效果，考虑到施加的氮磷钾肥都易溶于水，表施能更有利于养分转移到水稻根部，从而促进水稻增产。

生物炭表层含量高有可能促进产量的增加。张娜等^[21]研究发现，对夏玉米而言高量的生物炭施用比低量生物炭施用增产6.6%。李东等^[22]研究表明不同添加量生物炭使小白菜地上部生物量增加约134%~277%，但是高生物炭施加量（3%~5%处理）小白菜地上部生物量小于低施加量（1.5%）处理。说明生物炭施加量和产量不一定是成正比关系。王忠江等^[23]研究表明沼肥表施后土壤的氨挥发主要集中在施肥后的前5 d，铵态氮和总氮主要集中在土壤表层0~5 cm，且铵态氮呈现先上升后下降的趋势。本研究施加氮肥是撒施，因此土壤表层氮素含量高，施加氮肥后氨氮浓度迅速升高。生物炭表施于水稻土表面即土壤表层生物炭含量高，能促进土壤表层氮的固持，降低氮素流失风险；同时，生物炭固定土壤中的N素，起到“缓释肥”的效果，在水稻生长后期缓慢释放，有助于水稻生长后期氮素供应。本试验通过改变施加方式发现表施或许对作物生长更有利这一现象，并初步推测其可能原因，而对于表施影响作物生长的内在机制尚需要未来开展进一步研究。

目前对于生物炭农田应用的环境效应，应该基于产量进行综合评估。单纯考察施加生物炭是否增加或减少温室气体排放、面源污染防控等是不全面的。我们更需关注的是单位作物产量导致的温室气体等的排放是否有所降低。对于水稻这类大田作物，脱离了产量影响评估的环境效应研究是缺少现实意义的。本研究表明，通过生物炭施加方式的不同选择，对产量可能造成一定的影响，而这种影响在某种程度上比其他选择（比如生物质炭烧制温度）带来的影响更为显著。本文虽然侧重产量和产量构成的描述，但是着眼点是希望为生物炭的环境效应评估提供更全面的视角，在未来考虑生物炭的环境效应时，需要考察产量的因素，以及与产量直接相关的施用措施（比如施加方式）的影响。

（1）施加生物炭一定程度上促进了水稻的生长。株高在水稻生长前期（分蘖期和拔节期）表施处理小于混施处理，而在中后期（即抽穗期、灌浆期、成熟期）表施处理则大于混施处理。

（2）生物炭施加显著提高了水稻结实率，增幅为4.88%~8.39%。表施处理水稻结实率均高于对应的混施处理。

（3）施用生物炭在不同施加方式条件下均促进了水稻增产，而表施处理较混施更能促进水稻增产。与对照CKU相比，表施处理的水稻增产普遍介于24.57%~36.25%，明显高于混施处理增产幅度（10.28%~18.38%）。

（4）施用生物炭在不同施加方式条件下，均不同程度增加了水稻收获指数，但表施和混施处理对收获指数影响无明显差异。

（5）施加生物炭提高了水稻氮磷钾偏生产力，其中表施生物炭处理的氮素偏生产力较混施处理提高了12.15%~21.00%。