生物炭对夏玉米形态指标、生理特性和产量性状的影响

王友华,许波,许海涛

生物炭对夏玉米形态指标、生理特性和产量性状的影响

王友华1,2,许波1,2,许海涛1,2

（1.驻马店市农业科学院玉米研究所,河南驻马店463000;2.河南玉米产业技术体系驻马店综合试验站,河南驻马店463000）

通过大田试验,分析了生物炭施用量分别为0、2 500、5 000和7 500 kg/hm2时对夏玉米创玉198形态指标、生理特性和产量性状的影响.结果表明：与对照相比,随着生物炭施用量的增加,夏玉米创玉198株高、茎粗、总根长、根体积、根干质量、单株地上部分干质量呈现持续上升的趋势,叶长、叶宽、叶面积指数、叶绿素相对含量均呈现先升高后降低的趋势;施用生物炭后创玉198最高产量达8 950.7 kg/hm2,比对照增产16.49%,具体表现为穗长、穗行数、百粒质量、收获指数的提高.说明生物炭施用有利于夏玉米的根系生长、地上干物质积累、叶片持绿时间和籽粒产量的提高.

夏玉米；生物炭；形态指标；叶面积指数；叶绿素相对含量；根系特征；单株地上干物质量

玉米是河南省的主要粮食作物之一,常年种植面积超过290万hm2[1].生物炭是作物秸秆等农林废弃生物质在缺氧条件缓慢高温分解形成的稳定的富碳有机物质,能在土壤中保持较长时间[2].含炭60%以上,具有良好的结构特征与基础理化特性,如结构多孔、比表面积大、官能团多样、理化性质稳定,具有极强的吸附和抗氧化能力[3-4].在土壤理化改良、微生态调控、改善土壤养分状况、提高产量等方面受到研究者的极大重视[5-6].Baronti等[7]研究发现,在同一环境条件下,同种生物炭施用于不同作物时,对产量的影响不同.Lehmann等[8]分别以68 t/hm2和135 t/hm2的标准施用生物炭,发现水稻和豇豆的生物量分别提高了17%和43%.卢广远等[9]与Steiner等[10]研究发现,生物炭与肥料配施能够显著提高肥料利用率,进而改善玉米产量构成因素,从而提高玉米产量.而张晗芝等[11]研究则发现,生物炭显著抑制玉米苗期株高和干物质积累,且这种抑制作用随着施炭量的增加而加强.目前国内外学者有关生物炭在土壤改良方面的研究不断增多[12-13],但在河南的耕作条件下,有关生物炭对玉米生理特性和产量性状的相关研究报道较少.本试验研究了生物炭在河南省夏播区施用对玉米形态指标、生理特性及产量性状的影响,以期为生物炭在河南省玉米生产上的应用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年在驻马店市农业科学试验站进行.前茬作物小麦,质地黏壤.使用TPY-6A智能土壤养分测试仪测定0—20 cm土壤理化性状为：pH值6.0,含有机质量17.5 g/kg,含全氮量2.29 g/kg,含碱解氮量 58.14 mg/kg,含速效钾（K2O）量 56.29 mg/kg,含有效磷（P2O5）量 15.80 mg/kg.

1.2 试验材料

玉米品种为创玉198,由驻马店市农业科学院提供.肥料为尿素（含N量46%）、过磷酸钙（含P2O5量16%）和氯化钾（含K2O量60%）.生物炭为河南三利新能源公司生产的小麦秸秆生物炭,其基本理化性质为含有机碳467.05 g/kg,含全氮5.90 g/kg,含全磷0.61 g/kg,含钾26.03 g/kg,含钙10.02 g/kg,C/N为79.10,灰分质量分数为20.8%,pH值为10.40.

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 试验设3次重复,随机区组排列,行长6 m,行距0.67 m,6行区,小区面积24.12 m2,种植密度6.75万株/hm2.共设4个处理：T1不施用生物炭,T2生物炭施用量2 500 kg/hm2,T3生物炭施用量5 000 kg/hm2,T4生物炭施用量7 500 kg/hm2.不同处理生物炭按施用量均匀撒施在各小区内,将其与耕层土壤混合均匀.试验于6月9日播种,6月15日出苗.各处理小区均施用尿素225 kg/hm2,2次分期施肥；氯化钾150 kg/hm2,过磷酸钙75 kg/hm2,作底肥一次性施入.管理措施同当地一般大田生产.

1.3.2 测定项目与方法 乳熟期每小区选取连续10株测定株高、茎粗,株高测定植株根茎部到顶部之间的距离,茎粗用游标卡尺测量基部直径宽度,用直尺测量最大叶片的叶长、叶宽.叶面积指数（LAI）分别于拔节期、抽雄期、灌浆期、乳熟期测定,单株叶面积测定采用长宽系数法[14],用直尺测量叶片的最长度和最宽处数值,叶面积=叶长×叶宽×0.75,叶面积指数=（平均单株叶面积×单位土地面积内玉米株数)/单位土地面积.叶绿素相对含量分别于拔节期、抽雄期、灌浆期、乳熟期测定,采用SPAD-502叶绿素仪即时测定叶绿素相对含量（用SPAD值表示）.拔节期、抽雄期、灌浆期、乳熟期取玉米根系放入水中浸泡10 h,用水冲洗干净,用WinRHIZO测定根系的总根长、根体积[15],烘干后测定根干质量.拔节期、抽雄期、灌浆期和乳熟期各处理选取生长一致的样品5株带回室内,风干后测定其地上部分干质量.成熟期各处理取样10株,调查穗长、穗行数、行粒数、千粒质量,各小区连续3行进行实收测产,秸秆烘干称质量,测定收获指数,收获指数=籽粒产量/地上部分干质量.

2 结果与分析

2.1 生物炭对夏玉米形态指标的影响

不同生物炭施用量条件下夏玉米的株高、茎粗等指标见表1.

表1 生物炭对夏玉米形态指标的影响Tab.1 Effect ofbiochar on morphological indexofsummer maize cm

株高是玉米形态指标中相对稳定的因素,主要由自身的性状表现来决定,但受外界环境条件的影响也较明显[16].由表1可知：随着生物炭施用量的增加,夏玉米的株高、茎粗呈现持续上升的趋势,在生物炭施用量为7 500 kg/hm2（T4）时达到最大,分别为288.5 cm、2.47 cm;而叶长、叶宽则随着生物炭施用量的增加呈现先升高后降低的趋势,生物炭施用量为5 000 kg/hm2（T3）时达到最大,分别为91.2 cm、9.9 cm,之后降低,但降低幅度不明显.施用生物炭的各处理的形态指标均较对照有所增加,T2、T3、T4的株高、茎粗、叶长、叶宽分别比对照T1增加2.18%、5.31%、10.24%,0.44%、2.18%、7.86%,1.76%、6.92%、5.51%,1.08%、6.45%、4.30%,说明生物炭施用能够促进生米植株的生长,对玉米形态指标有明显的影响.

2.2 生物炭对夏玉米LAI的影响

玉米叶面积决定着玉米籽粒源库关系中库的建成,参与籽粒的灌浆,开花后叶面积的大小是影响籽粒充实度的关键因素[17].叶面积的大小直接影响玉米的光合能力和产量,适宜的叶面积是创建高光效群体、实现高产的关键条件,LAI是评价光合性能的重要指标[16].不同生物炭施用量条件下夏玉米各生育时期的LAI见图1.

图1 生物炭对夏玉米LAI的影响Fig.1 Effect ofbiochar on leafarea indexofsummer maize

由图1可知,不同处理夏玉米LAI随生育进程呈现先增加后降低的趋势,在抽雄期达到最大值,后又逐渐下降.这是由于玉米拔节后新生叶发育快,灌浆期叶片全部展开,叶面积达到最大值,之后又随着玉米叶片的衰老,下部叶片相继死亡脱落,乳熟期叶面积指数又逐渐下降.全生育期生物炭施肥处理的LAI均高于对照.拔节期各处理LAI均较小,处理T2、T3、T4分别比对照T1增加18.75%、23.96%、37.50%,之后各处理LAI增长迅速且均在抽雄期达到最大值,生物炭施肥处理T2、T3、T4的LAI分别为4.70、5.07、5.27,比对照T1分别高25.33%、35.20%、40.53%,说明施用生物炭的玉米在拔节后至抽雄期生长发育速度最快,叶片较快覆盖地表,光照损失减少,光能利用率提高.灌浆期至乳熟期各处理LAI都不断降低,但施用生物炭的处理下降幅度较小,乳熟期T2、T3、T4的LAI分别为3.11、3.07、2.93,比对照T1分别高7.61%、6.23%、1.38%,表明施用生物炭的处理在灌浆期后能够延缓叶片衰老时间和速度,有利于防止光照损失,使玉米灌浆成熟期具有较大的叶面积进行光合作用,为玉米产量的增加奠定了基础.

2.3 生物炭对夏玉米叶绿素相对含量的影响

叶绿素具有转化和储存光能的作用,玉米通过叶绿体把二氧化碳和水转化成有机物质,同时释放出氧气[18].叶绿素相对含量（SPAD值）是夏玉米叶片生理活性变化的重要生理指标之一,是衡量光合特性作用的重要参数[16].不同生物炭施用量条件下夏玉米各生育时期的SPAD值见图2.

图2 生物炭对夏玉米SPAD值的影响Fig.2 Effect ofbiochar on relative chlorophyll content ofsummer maize

由图2可知,不同处理对夏玉米叶绿素相对含量有一定影响,从全生育期来看,不同生物炭处理的夏玉米SPAD值均呈现出先升高再逐渐降低的趋势,抽雄期达到最大值,之后由于植株慢慢衰老,各处理的SPAD值均有所降低,至乳熟期最小.拔节期生物炭高施用量处理T3、T4的SPAD值明显高于对照T1,分别较对照增加15.74%、3.62%；随着生育进程的发展,SPAD值快速增长,至抽雄期达到最大值且均高于对照,施用生物炭处理T2、T3、T4的SPAD值分别比对照T1增加12.48%、11.38%、9.54%；抽雄期之后各处理的SPAD值均不断降低,乳熟期施生物炭处理T2、T3、T4的SPAD值分别比对照T1增加42.28%、30.35%、20.05%.说明不同生育时期施用生物炭能够促进玉米叶绿素相对含量的增加,但在生育后期生物炭低施用量反而有利于叶片的持绿.

2.4 生物炭对夏玉米根系特征的影响

玉米根系大小与对矿质元素和水分的吸收能力有关,根系干质量是根系吸收水分和养分能力的重要因素之一[19].不同生物炭施用量条件下,夏玉米各生育时期的总根长见图3,各生育时期的根体积见图4,各生育时期的根干质量见图5.

图3 生物炭对夏玉米总根长的影响Fig.3 Effect ofbiochar on total root length ofsummer maize

图4 生物炭对夏玉米根体积的影响Fig.4 Effect ofbiochar on root volume ofsummer maize

图5 生物炭对夏玉米根干质量的影响Fig.5 Effect ofbiochar on root dryweight ofsummer maize

由图3、图4和图5可知：不同生物炭处理的玉米总根长、根体积、根干质量均随生育进程呈现逐渐增加的趋势,总根长与根干质量在抽雄期、根体积在灌浆期达到最大值,与对照的变化趋势基本一致；不同时期施用生物炭处理的各根系指标值均高于对照,但对根系特征的影响程度不同.拔节期施用生物炭处理T2、T3、T4的总根长、根体积、根干质量分别比对照增加27.68%、48.34%、51.38%,35.41%、51.55%、60.27%,9.81%、29.28%、39.90%；灌浆期施用生物炭处理T2、T3、T4的总根长、根体积、根干质量分别比对照增加4.39%、5.72%、6.44%,4.21%、6.14%、8.95%,14.12%、20.44%、23.32%.说明生物炭处理有利于玉米根系的生长,能够使玉米根系辐射范围更广,与土壤的接触面积更大,更益于玉米提高对营养元素和水分的吸收能力.

2.5 生物炭对夏玉米地上部分干质量的影响

玉米生长发育进程就是同化物质不断积累的过程,干物质积累是玉米籽粒产量形成的重要物质基础,单株地上部分的干质量直接影响到玉米最终产量水平[16].不同生物炭施用量条件下夏玉米各生育时期单株地上部分的干质量见图6.

图6 生物炭对夏玉米单株地上部分干质量的影响Fig.6 Effect ofbiochar on overground drymatter per plant ofsummer maize

由图6可知：玉米单株地上部分干质量随着玉米生长发育进程的发展表现出逐渐增大的趋势,乳熟期达到最大值,各处理均表现为T4＞T3＞T2＞T1,但在不同生育时期对玉米单株地上部分干质量的影响幅度不同.拔节期各处理玉米单株地上部分干质量都较小,T2、T3、T4之间差异不明显,分别比对照增加10.09%、16.08%、27.80%;灌浆期至乳熟期差异显著增大,乳熟期T2、T3、T4的单株地上部分干质量分别比对照T1增加6.57%、15.05%、18.61%.说明拔节期到乳熟期生物炭肥能够增加单株地上部分干质量,利于满足玉米生育后期对养分的需求,延缓玉米后期衰老,有益于玉米单株地上部分干物质的积累.

2.6 生物炭对夏玉米产量性状的影响

不同生物炭施用量条件下夏玉米的产量性状指标见表2.

表2 生物炭对夏玉米产量性状的影响Tab.2 Effect ofbiochar on yield traits ofsummer maize

由表2可知：生物炭对夏玉米产量性状有明显的影响,生物炭处理的玉米产量均高于对照,表现为T2＞T3＞T4＞T1,T2、T3、T4的产量分别比对照T1增加16.49%、12.12%、7.66%,收获指数与产量变化基本一致.T2、T3处理穗长、穗行数、百粒质量均高于对照T1；处理T4穗粗、行粒数均低于对照.生物炭处理增加了玉米穗长、穗行数、百粒质量、收获指数,这是玉米增产的主要因素,说明适量的生物炭对提高玉米产量具有重要作用.

3 结论与讨论

本研究结果表明,生物炭能促进玉米植株、根系和叶片的生长,并在灌浆期后延缓叶片衰老,为玉米产量增加奠定了基础,生物炭处理T2、T3、T4的产量分别比对照T1增加16.49%、12.12%、7.66%.生物炭处理显著增加了百粒质量和产量,与Major等[20]和Uzoma等[21]研究结论一致.李瑞平等[22]研究认为玉米叶片是形成产量的重要源器官,叶片中叶绿素含量的增加有利于光合组织更加有效地捕获光能,进而提高玉米的光能利用率,适宜的玉米叶面积指数是玉米提高产量的基础.王友华等[18]研究认为叶片是光合物质的重要生产源,合理的叶面积是获取高产的重要指标,干物质积累主要通过叶片光合作用形成的,其产量高低取决于叶片光合效率、光合面积和光合时间.张凤路等[23]研究认为玉米叶片的大小和层位分布是否合理直接影响穗粒好坏和产量高低,合理的叶面积是创建高光效群体、提高产量的关键因素.本试验结果表明,施用生物炭能够促进生米植株的生长,对玉米形态指标有明显的影响,与对照相比施用生物炭处理T2、T3、T4的株高增加2.18%～10.24%,茎粗增加0.44%～7.86%,叶长增加1.76%～6.92%,叶宽增加1.08%～6.45%.施用生物炭各处理的玉米叶面积指数、叶绿素相对含量均随着生育进程呈现先增加后降低的趋势,但均高于对照,分别于灌浆期、抽雄期达到最大值.拔节后至灌浆期生长发育速度最快,叶片较快覆盖地表,光照损失减少,光能利用率提高；灌浆期至乳熟期各处理叶面积指数都不断降低,但施用生物炭的各处理下降幅度较小,灌浆期后能够延缓叶片的衰老时间和速度,有利于减少光照损失,使玉米灌浆成熟期具有较大的叶面积进行光合作用,为玉米产量增加奠定了基础.陈书强等[16]研究认为玉米生长发育进程就是同化物质不断积累的过程,干物质积累是玉米籽粒产量形成的重要物质基础,单株地上部分干质量直接影响到玉米最终的产量水平.本研究结果表明,生物炭的施用有利于满足玉米生育后期对养分的需求,延缓玉米后期衰老,有益于玉米单株地上干物质的积累.乳熟期达到最大值,T2、T3、T4处理的单株地上部分干质量分别比对照T1增加6.57%、15.05%、18.61%.生物炭肥能够使养分缓慢释放,干物质积累增长阶段延迟,前期干物质积累的时间延长.

根系发达健壮是作物高产的基础.张伟明等[24]研究结果表明,生物炭在一定程度上能够使水稻根系形态特征优化,根系生理功能增强,促进产量提高.殷大伟[25]研究发现生物炭能显著提升大豆根干质量、根长、根系活跃吸收面积和根系还原强度.本研究结果表明,施用生物炭后玉米不同发育时期的总根长、根干质量、根体积均明显高于对照,总根长与根干质量在抽雄期、根体积在灌浆期达到最大值,灌浆期施用生物炭处理T2、T3、T4的总根长、根体积、根干质量分别比对照增加4.39%、5.72%、6.44%,4.21%、6.14%、8.95%,14.12%、20.44%、23.32%,生物炭施用有利于玉米根系的生长,能够使玉米根系辐射范围更广,与土壤的接触面积更大,更益于玉米提高对营养元素和水分的吸收能力.

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Effects of biochar on morphological index,photosyntheticphysiological characters and yield traits of summer maize

WANG Youhua1,2,XU Bo1,2,XU Haitao1,2
（1.Maize Research Institute,Zhumadian AcademyofAgricultral Science,Zhumadian 463000,China；2.Zhumadian Comprehensive Test Station ofHenan Maize Industrial TechnologySystem,Zhumadian 463000,China）

A field experiment was conducted to investigate the effects of biochar on morphological index,photosynthetic-physiological characters and yield traits of summer maize Chuangyu 198 under four application,control 0 kg per hectare （T1,no biochar）,2 500 kg per hectare （T2）,5 000 kg per hectare （T3） and 7 500 kg per hectare（T4）.The results showed that the plant height,stem diameter,total root length,root volume,root dry weight and overground dry matter per plant increased gradually with the application rate of biochar.Leaf length,leaf width,leaf area index （LAI）,relative chlorophyll content increased until filling stage with the increase of biochar application rates.Biochar made the yield of Chuangyu 198 as high as 8 950.7 kg per hectare higher than contrast by 16.49%because of the increase of ear length,ear rows,100-grain weight and harvest index.Biochar application improved root growth,dry matter accumulation,longth of green leaves and grain yield.

summermaize；biochar；morphologicalindex；leafarea index；relative chlorophyllcontent；root characters；dry matter weight overground parts per plant

S513

A

1008-7516（2017）05-0001-07

10.3969/j.issn.1008-7516.2017.05.001

2017-07-17

河南省科技成果转化项目（122201110016）；河南现代玉米产业技术体系驻马店综合试验站建设项目（Z2016-02-05）

王友华（1966―）,女,河南唐河人,研究员.主要从事玉米遗传育种与栽培技术研究.

许海涛（1974―）,男,河南上蔡人,副研究员.主要从事玉米遗传育种与栽培技术研究.

（责任编辑：邓天福）