施用生物炭对冬小麦光合潜力和籽粒产量的影响

阚正荣，马守田，祁剑英，濮 超，王 兴，赵 鑫，张海林

(中国农业大学农学院/农业部农作制度重点实验室，北京 100193)

在倡导固碳减排和应对全球变暖的大背景下，生物炭因可为农业生产提供诸多优势而成为近年来研究的热点[1]。生物炭是生物质在限氧环境中热化学转化产生的固体物质。生物炭原料来源广泛，成本低廉，具有多孔、比表面积大、吸附能力强、碳稳定性强等特点[2-3]。目前关于添加生物炭对作物产量影响的研究较多，然而由于土壤类型、土壤肥力、作物种类、生物炭形成时的温度和原料、施用量等的不同，研究结果差异很大[4-6]。有研究表明，适量施用生物炭可以改善土壤肥力，促进作物生长，提高产量[4]；在陕西关中，与不施生物炭处理相比，施用1%和2%生物炭(按照盆内所装干土质量计算)时小麦分别增产6.62%和11.01%，而施用4%和6%生物炭则分别减产 6.88%和10.1%[7]。在其他地区和作物上也有类似报道[4，8]。目前关于生物炭对作物增产和减产机制的研究大多集中于生物炭和土壤本身性质差异[2-3, 4-6]，而从作物生长发育角度分析其影响的研究还少见报道。

华北平原是我国重要的粮食生产基地，供应了我国近50%的小麦和近33%的玉米(http://data.stats.gov.cn/)，因此稳定和提高华北平原小麦产量对保障国家粮食安全有至关重要的意义。多数研究者把提高小麦产量的潜力寄希望于改善光合性能和提高光合产物向籽粒的输配率[9]。光合作用为作物提供90%～95%干物质积累，籽粒产量的20%～30%来自旗叶光合作用[10]，因而光合性能直接影响作物干物质积累和产量形成。有研究表明，适量施用生物炭可以提高作物净光合速率、气孔导度、光合能力、表观量子效率等[8，11]，但过量施用生物炭不利于光合性能的提升[12]。目前关于生物炭对光合性能影响的研究多集中在玉米[12]、水稻[8]、棉花[11]等作物上，而对冬小麦光合性能影响的研究较少。因此，可进一步通过研究生物炭对小麦光合性能的影响，揭示其对小麦产量的影响机制。光响应曲线和光合日变化特征分别是光合性能参数随不同光量子强度和环境的变化曲线，反映叶片适应不同水平光照和环境变化的能力，可用于光合性能与潜力挖掘的研究[13-14]，因而从光响应曲线和光合日变化的角度揭示生物炭对冬小麦产量的影响机制有重要意义。关于生物炭对小麦开花期和灌浆期的光合日变化规律、光响应的影响研究鲜见报道[15]。因此，本研究以华北平原冬小麦为对象，通过分析不同施炭水平下冬小麦开花期和灌浆期光合性能的变化规律，探讨生物炭对作物产量的影响机制，以期为生物炭在华北平原的应用以及适宜的施用量提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验开始于2014年，在中国农业大学吴桥实验站进行。实验站位于河北省沧州市吴桥县曹洼乡(37°36′N，116°21′E，海拔19.7 m)。吴桥县属于温带半干旱季风性气候，冬季寒冷，夏季高温，常年平均气温12.6 ℃，全年≥0 ℃积温 4 862.9 ℃，常年日照2 623.3 h，常年降水约为500 mm，年内季节性分布不均。本试验数据主要采集于2017-2018年冬小麦生长季，该生长季内的日平均温度和降雨量如图1所示。供试土壤为冲积型盐化潮土，田间最大持水量为30.0%，试验土壤0～100 cm土层内土质为壤土，100～120 cm为粘土层，120 cm以下基本为砂土，部分土层夹杂少量粘土。0～20 cm土层有机质含量为 12.4 g·kg-1(重铬酸钾氧化法)，全氮含量为 0.79 g·kg-1(凯氏定氮法)，碱解氮含量为 36.95 mg·kg-1(碱解扩散法)，速效磷含量为44.60 mg·kg-1(碳酸氢钠法)，速效钾含量为94.20 mg·kg-1(火焰光度法)，土壤pH值为 7.67(玻璃电极法)。

图1 2017-2018年试验区域冬小麦生长季日平均温度及降雨量

1.2 试验设计

试验设生物炭年施用量7 200 kg·hm-2(BH)、3 600 kg·hm-2(BM)、1 800 kg·hm-2(BL)、不施生物炭(BO)共4个处理，采用完全随机试验设计，3次重复，共12个小区，小区面积70 m2(5 m×14 m)。冬小麦采用联合收割机收获，根茬约为30 cm，秸秆均匀覆盖在田间，冬小麦收获后免耕直播夏玉米。各处理作物品种、灌溉、施肥量均相同。生物炭由河南三利新能源有限公司生产，生产原料为小麦秸秆，其中有机碳含量 38.70%(重铬酸钾氧化法)，全氮含量1.34%(凯氏定氮法)，全磷0.20%(钒钼黄比色法)，全钾含量3.7%(火焰光度法)，pH 9.36(玻璃电极法)，Na+含量0.03%(火焰光度法)，Ca2+含量 0.21%(火焰光度法)，Mg2+含量0.44%(火焰光度法)。冬小麦播种前人工将生物炭均匀撒施到土壤表面，用旋耕机将其旋耕混入耕层土壤中(一般深度为10 cm左右)。供试冬小麦品种为济麦22，2017-2018年度于2017年10月13日播种，2018年6月6日收获。冬小麦播种量为300 kg·hm-2，播种时尿素、磷酸二铵和硫酸钾的施用量分别为197、326和240 kg·hm-2，各处理在拔节前均追施尿素150 kg·hm-2。各处理的灌溉量保持一致，冬小麦播种前浇底墒水约 1 200 m3·hm-2，在拔节期和孕穗期分别浇灌900 m3·hm-2。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 光合生理指标日变化测定

在开花期(2018年5月3日)和灌浆期(2018年5月18日)，利用美国LI-COR公司生产的LI-6400便携式光合系统分析仪，选择无风或微风晴天进行测定净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率等指标。在测定日6:00-20:00之间，每隔2 h测定一次。每小区随机选取具有代表性的植株旗叶(旗叶长势和叶面积相当)7片进行测定，取平均值。为避免光照强度随时间变化，在测定前利用LI-6400测出当前光照强度，然后利用人工光源进行测定。

1.3.2 光响应曲线的测定

利用美国LI-COR公司生产的LI-6400便携式光合系统分析仪，在开花期(2018年5月4日)和灌浆期(2018年5月19日)，以LI-6400人工光源提供0～2 000 μmol·m-2·s-1(光强设定为0、20、50、100、150、200、400、600、800、 1 000、 1 200、1 500、1 800、2 000 μmol·m-2·s-1)的不同光强，测定前每个光强下需适应1～2 min，重复3次。

1.3.3 冬小麦产量测定

冬小麦成熟期每小区选取5个1 m2样区植株地上部全部收获，统计有效穗数，植株自然风干后测定生物产量和经济产量。在每小区随机取代表性30株小麦进行考种，测定其穗粒数和千粒重。

1.3.4 模拟方程

利用非直角双曲线(non-rectangular hyperbola equation)模型分析叶片净光合速率(Pn)与光合有效辐射(I)之间关系[10]，其模拟公式为：Pn= {Q*I+Pm-Sort[Q*I+Pm*(Q*I+Pm)-4*Q*I*K*Pm]}/(2*K)-Rd

Pm表示最大净光合速率(maximum net photosynthetic rate)、Q表示表观量子效率(apparent quantum yield)、K表示光响应曲线曲角(convexity)、Rd表示暗呼吸速率(apparent dark respiration rate)；光补偿点(1ight compensation point，LCP)和光饱和点(1ight saturation point，LSP)的模拟公式分别为：

LCP=Rd/Q; LSP=(Pm+Rd)/Q

1.4 数据分析

Microsoft Excel 2016 软件进行数据计算和作图，SPSS 19.0统计分析软件进行数据差异显著性分析和多重比较(LSD0.05)。

2 结果与分析

2.1 施用生物炭对冬小麦开花期旗叶光合日变化的影响

不同施炭水平下冬小麦开花期旗叶净光合速率日变化均呈双峰曲线变化趋势(图2)，BH和BM处理整体上高于BL和BO处理。在6:00-10:00，净光合速率表现为BH>BM>BL>BO处理。在10:00出现第一个高峰，BH处理分别比BM、BL和BO处理高8.47%、11.10%和 24.69%。在12:00各处理均出现光合“午休”，而施用生物炭减弱了光合“午休”现象，其中BM处理光合速率最高，分别比BH、BL和BO处理高15.64%、39.66%和48.58%；在14:00出现第二个高峰，BM处理分别比BH、BL和BO处理高5.63%、43.60%和39.31%。12:00后BM处理保持较高水平，BO处理最低。不同施炭水平下冬小麦旗叶气孔导度和蒸腾速率的日变化也呈双峰曲线变化趋势(图2)，各处理两个峰值分别出现在10:00和14:00。施用生物炭处理的气孔导度和蒸腾速率均高于BO处理，在6:00-10:00，BH处理最高，而10:00以后BM处理表现出明显优势，一直保持最高水平。冬小麦叶片胞间CO2浓度呈现先降后升的趋势(图2)，BL和BO处理整体上高于BH和BM处理。

图2 施用生物炭对冬小麦开花期旗叶净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)日变化的影响

2.2 施用生物炭对冬小麦灌浆期旗叶光合日变化的影响

不同施炭水平下冬小麦灌浆期旗叶净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度日变化与开花期变化趋势相同，均呈双峰曲线变化趋势(图3)，并且施用生物炭减弱了光合“午休”现象。两个峰值分别在10:00和14:00出现，且均以BM处理最高。在10:00，BM处理净光合速率分别比BH、BL和BO处理高7.79%、26.74%和25.79%，气孔导度分别高21.91%、29.08%和29.10%。在 14:00，BM处理净光合速率分别比BH、BL和BO处理高4.25%、30.22%和33.33%，气孔导度分别高0.87%、19.65%和22.18%。冬小麦叶片胞间CO2浓度呈现先降后升趋势，在10:00和12:00达到最低值，且BL和BO处理高于BH和BM处理。

2.3 施用生物炭对冬小麦开花期旗叶光响应曲线的影响

光照强度由0 μmol·m-2·s-1增加到200 μmol·m-2·s-1时，各处理冬小麦开花期旗叶净光合速率呈快速增加(图4)；光照强度大于200 μmol·m-2·s-1时，冬小麦旗叶净光合速率缓慢增加。整体上，BH和BM处理的光合速率高于BL和BO处理。光照强度为0～200 μmol·m-2·s-1时气孔导度迅速增加，BM和BL处理增加幅度较大，随着光照强度增大，保持明显优势；光照强度为200～1 000 μmol·m-2·s-1时，显著大于BH和BO处理(P<0.05)。蒸腾速率变化趋势与气孔导度相似，整体上表现为BH和BM处理高于BL和BO处理。对胞间CO2浓度的影响呈现先降后升的趋势，整体上BH和BM处理低于BL和BO处理，在光照强度为800 μmol·m-2·s-1时，达到最低值，BO处理最高，比其他处理高14.67%～25.31%。

图3 施用生物炭对冬小麦灌浆期旗叶净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)日变化的影响

2.4 施用生物炭对冬小麦灌浆期旗叶光响应曲线的影响

不同施碳水平下小麦灌浆期旗叶净光合速率、气孔导度和蒸腾速率的光响应均呈先升后降的趋势，BH和BM处理整体上大于BL和BO处理(图5)。0～200 μmol·m-2·s-1光照强度下，与开花期变化趋势相同，呈现直线性上升。而后变化缓慢，在1 600～2 000 μmol·m-2·s-1光照强度范围，呈现逐渐下降的趋势。胞间CO2浓度的光响应呈现先降后略升的趋势，整体上表现为BH和BM处理小于BL和BO处理。

利用非直角双曲线模型对冬小麦灌浆期旗叶净光合速率与光合有效辐射进行拟合，不同施炭量下光响应曲线拟合性较好(表1)，均达显著水平(P<0.05)。不同施炭处理对光响应曲线参数的效应存在一定差异。其中，BM处理的最大净光合速率(Pm)最大，为32.147 μmol·m-2·s-1，分别比BH、BL和BO处理高2.50%、 6.20%和8.88%；光响应曲线的曲角(K)以BL处理最大，BH处理最小；而表观量子效率(Q)表现相反，以BH处理最大，BL处理最小；暗呼吸速率(Rd)表现为BH>BO>BM>BL；光补偿点(LCP)和光饱和点(LSP)分别表现为BO>BM>BH>BL和BM>BL>BO>BH。

2.5 施用生物炭对冬小麦籽粒产量及其构成因素的影响

施用生物炭对冬小麦有效穗数、千粒重、籽粒产量和经济系数的影响较大(表2)。BM处理有效穗数最高，分别比BH、BL和BO处理高 11.31%、8.58%和9.18%。BH和BM处理千粒重显著高于BL和BO处理。与BO处理相比，BH、BM和BL处理分别增产4.14%、 5.97%和1.49%，其中BH和BM处理增产达到显著水平。不同施炭水平下收获指数表现为BM>BL>BO>BH。

图4 不同施炭量下冬小麦开花期旗叶净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)的光响应

图5 不同施炭量下冬小麦灌浆期旗叶净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)的光响应

处理TreatmentPm/(μmol CO2·m-2·s-1)KQ/(μmol·m-2·s-1)Rd/(μmol CO2·m-2·s-1)LCP/(μmol·m-2·s-1)LSP/(μmol·m-2·s-1)r2BH31.364ab0.124b0.099a2.447a24.717b341.525c0.996∗BM32.147a0.128b0.084b2.148a25.571b408.274a0.997∗BL30.270b0.275a0.080b2.023a25.288b403.663a0.996∗BO29.525b0.178ab0.082b2.341a28.549a388.610b0.995∗

同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Different small letters in the same column mean significant difference among treatments at 0.05 level.

表2 施用生物炭对冬小麦籽粒产量及其构成因素的影响Table 2 Effects of biochar addition on grain yield and its componets of winter wheat

3 讨 论

本研究表明，施用生物炭提高了冬小麦开花期和灌浆期的光合潜力，增大灌浆期模拟得到的最大净光合速率。这是因为生物炭是多孔材料，密度较低，施用生物炭可以降低土壤容重，增加土壤含水量[16-17]，进而缓解水分亏缺对作物生长发育，叶绿体活性抑制，促进光合作用[18-19]。另外，良好的土壤环境和充足的土壤养分对植物的光合作用有积极促进作用[20]，而生物炭具有较高稳定性和碳含量等特点，能增加土壤碳储量。此外，生物炭吸附能力强，施入土壤后能吸附多种离子，不仅减少氮磷等养分的淋溶损失，而且可以延缓肥料养分在土壤中的释放，从而达到保持土壤养分的效果[21]。Mg2+是叶绿素合成的原料，因此对作物光合作用有积极促进作用，植物对Mg的吸收不仅取决于土壤中有效Mg的含量,阳离子如K+、Ca2+、NH4+、Al3+与Mg2+的拮抗作用也会引起植物缺Mg[22]。生物炭本身含有一定数量的对作物生长发育有益的元素如N、P、K等和一些微量元素，可增加土壤中可交换性阳离子如K+、Na+、Ca2+、Mg2+等的数量，有利于作物生长发育[23]。

本试验结果显示，生物炭对光合作用的促进作用是在一定施炭范围内的，施炭过量会造成开花期和灌浆期光合性能的降低。这可能是由于，一方面，供试土壤为碱性土壤，会限制生物炭改善土壤理化性状的功能，降低了磷和某些微量元素的有效性[7]；另一方面，这可能与生物炭的理化性质有关，生物炭具有较高的含碳量，矿物养分含量低。如果其施入过多，高C/N会影响小麦根系对土壤养分的吸收，进而影响地上部分的生长[8]。而花后的光合作用对小麦干物质积累，籽粒形成有至关重要作用[10]，因此，BM处理产量达到最高。综合千粒重、籽粒产量和收获指数可以看出，施用生物炭增加了冬小麦干物质向籽粒的分配量，并以BM处理表现最为突出。

减轻或避免光合“午休”现象是挖掘作物增产潜力的一个重要途径[24]。光合“午休”现象原因主要有“气孔”因素与“非气孔”因素两个方面。前者为气孔关闭造成CO2供应不足，后者为光抑制致使叶绿体光合效率下降[25]。“气孔”因素会导致在中午前后气孔导度会有所降低，并造成胞间CO2浓度降低，气孔限制值增大；“非气孔”因素则存在光抑制现象，造成光合膜受到伤害，以及胞间CO2浓度升高[24]。本研究结果表明，与BO处理相比，BL处理开花期的气孔导度和胞间CO2浓度升高，BM和BH处理开花期和灌浆期均表现为气孔导度升高，胞间CO2浓度降低，由此分析减缓光合“午休”现象原因，开花期低量施用生物炭主要由于“非气孔”因素导致，而中高量施用生物炭减缓原因更为复杂。与BH处理相比，BM处理开花期和灌浆期在12:00均减缓了光合“午休”现象。在开花期，气孔导度和胞间CO2浓度均有所降低；而在灌浆期，气孔导度降低，胞间CO2浓度却有所升高，这说明在开花期是“气孔”因素导致，而在灌浆期是“气孔”因素和“非气孔”因素共同作用的结果。净光合速率的光响应曲线在开花期和灌浆期的变化趋势并不一致，主要区别在光照强度达到1 600～2 000 μmol·m-2·s-1时，开花期依然呈现上升趋势，而灌浆期呈现逐渐下降趋势，这可能与 “气孔”和“非气孔”因素、旗叶的衰老以及测定时不同的气候条件有一定关系。Pm主要是由羧化速率决定的，因此与营养状况及由温度决定的酶活性有密切关系[26]，从而在一定程度上说明了施用生物炭对土壤质量的改善作用。植物光补偿点和光饱和点的高低反映了其对弱光和强光适应能力的强弱[17]。本研究中不同处理的光补偿点(LCP)和光饱和点(LSP)分别表现为BO>BM>BH>BL和BM>BL>BO>BH，表明施用中低量的生物炭增强了小麦对弱光的利用能力，减弱了对强光的利用能力，而高量施用均增强了小麦对弱光和强光的利用能力。本研究是在连续进行了4年的长期定位试验处理基础上进行的，其研究结果在一定程度上能够反映施炭量对冬小麦灌浆期旗叶光合特性日变化和光响应曲线的影响。但光合作用受多种因素的影响，如气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度、气象条件以及肥水条件等[16]，并且施用生物炭的效果不仅与其施用量有关，还与土壤质地、生物炭类型、作物种类以及是否施肥等有关，这些因素的交互作用会使试验结果不尽相同[11]，因此未来有待更深入研究。