摘要
东北黑土区作为世界三大黑土区之一，是我国重要的商品粮生产基地。水稻是我国重要的粮食作物，东北黑土区水稻种植总面积不足我国水稻种植总面积的20％，而其水稻种植灌溉用水量占比高达区域农业用水总量70％以上。同时东北黑土区秸秆资源丰富，大量秸秆被丢弃、焚烧及处于不合理利用状态，造成严重资源浪费和生态环境污染，秸秆炭化还田作为秸秆综合利用处理方式之一，不仅可以缓解农村地区化肥、燃料的短缺，而且还可以保护生态环境、减少资源浪费，同时提高生态环境土壤肥力和促进农业可持续发展。在水资源短缺、生态环境恶化的背景下，人口增长与粮食供应的矛盾日益突出，资源与环境承载力已接近极限，届时农业生产将面临更大挑战。为了满足人口增长对粮食的需求、平衡资源与环境承载力，如何实现作物的高产，农业高效节水及保护生态环境是目前亟待解决的问题。为此，本试验采用盆栽方法以旱直播水稻为研究对象，设置不施加生物炭的处理C0(对照)和不同的生物炭施用量水平处理C1(2％)、C2(4％)、C3(6％)、C4(8％)和C5(10％)，其中％代表生物炭施加量与土壤的质量比，共6个处理。研究了不同施炭水平的旱直播水稻的生长动态、光合作用、耗水规律和产量及产量构成因子等指标的变化特征，并基于产量和水分利用效率对不同施炭水平的旱直播水稻进行综合评价，优选提出了适宜的东北黑土区旱直播水稻的施炭水平。主要研究结果如下: (1)不同施炭水平的旱直播水稻的整体生长发育变化规律趋于一致。相较于不施加生物炭的C0处理，施加生物炭的各处理水稻茎粗均有所增加且随着施炭水平的升高逐渐增加;而至黄熟期，各处理水稻株高表现为C2＞C3＞C1＞C4＞C0＞C5。不同施炭水平的旱直播水稻干物质最大积累量由大到小表现为C2、C3、C1、C4、C5和C0，其中C0处理干物质理论最大积累量为71.21g/穴，而施加生物炭的处理干物质理论最大积累量较C0增加2.62％～36.79％;各处理旱直播水稻干物质快速积累期均始于分蘖中期，均结束于抽穗开花期末。不同施炭水平的旱直播水稻根部干物质积累量均呈先增加后减少的变化趋势，而各处理水稻冠部干物质量均呈逐渐增加的变化趋势，冠部器官茎叶鞘变化与根部一致，穗部变化与冠部整体干物质变化趋势一致。 (2)不同施炭水平的水稻叶片净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均随着水稻生长发育进程呈先增加后减少的变化趋势，且施炭处理植株叶片的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均较未施加生物炭的C0处理有所增加。不同施炭水平的水稻叶片的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度的最大值均出现于抽穗开花期，施加生物炭的C1、C2、C3、C4和C5处理水稻净光合速率较C0处理增加1.32％～23.19％，蒸腾速率较C0处理增加1.60％～22.95％，气孔导度较C0处理增加1.62％～17.64％。 (3)不同施炭水平的旱直播水稻耗水变化特征整体趋于相同，均呈现增减反复变化趋势。相较于未施加生物炭的对照C0处理，施加生物炭的C2、C3、C1、C4和C5处理水稻耗水量均有所增加，全生育阶段施加生物炭的各处理水稻耗水总量由大到小依次较对照C0处理增加18.35％、15.37％、13.59％、9.89％和5.21％。不同施炭水平的旱直播水稻耗水强度峰值均出现在分蘖中期和拔节孕穗期，耗水模比系数表现为拔节孕穗期最大。 (4)施炭处理水稻产量均较未施炭的C0处理有所增加，且除C5处理外其余施炭处理水稻产量较C0处理差异性显著(P＜0.05，)。C1、C2、C3和C4处理水稻产量水平水分利用效率依次较C0处理增加0.92％、26.69％、13.38％和8.11％，而C5处理较C0处理减少3.85％(P＜0.05)。 (5)相关分析表明，施炭处理和对照处理的水稻叶片净光合速率与蒸腾速率呈极显著正相关关系，且施加生物炭处理的净光合速率与蒸腾速率的相关系数较对照处理有所增加，表明施加生物炭对水稻叶片光合作用和蒸腾作用的协同性有一定的促进作用。 (6)基于产量和水分利用效率的旱直播水稻生物炭试验最优为C2(4％)处理。
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