生物炭添加量对冬小麦花后干物质积累及转运的影响

2021-03-17赵红玉朱成立黄明逸迮裕雯翟亚明郑君玉

灌溉排水学报 2021年2期

赵红玉，朱成立*，黄明逸，迮裕雯，翟亚明，郑君玉

（1.河海大学，南京210098；2.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏扬州225127）

0 引言

【研究意义】淡水资源供需矛盾日益突出，合理开发咸水和微咸水资源已成为各国关注的问题。与旱作相比，利用微咸水灌溉可获得更大的经济效益[1-2]。然而同淡水灌溉相比，微咸水灌溉会导致土壤中盐分的累积，产生次生盐渍化的危险，影响土壤质量[3]，进而危害作物生长[4]。因此，采取适当的农业管理策略，减轻灌溉不当对土壤和作物的不利影响，对微咸水的高效利用及农业的可持续发展具有重要意义。

【研究进展】生物炭是由生物质在无氧或限氧条件下低温热解生成的富炭有机材料，具有丰富的多孔结构、巨大的比表面积、较高的阳离子交换量以及高度稳定性[5]。生物炭疏松多孔的结构可直接增加土壤孔隙度，通过淋洗带走交换性Na+，降低盐渍土的碱化度[6]。同时生物炭能够降低盐土的淋溶损失，显著提升盐碱土中的土壤养分量[7]。Munns 等[8]认为盐胁迫使植物光合能力减弱，生长受抑、衰老加速从而引起碳同化物积累量的降低，进而造成作物的减产。而生物炭可通过改善土壤条件来促进盐胁迫下植物对养分的吸收，提高叶片的气体交换参数，改善光合作用[9]。Usman 等[10]研究表明，生物炭可缓解盐胁迫对土壤生产力的不利影响，提高了盐水灌溉下番茄的产量。Elbashier 等[11]亦发现，生物炭促进了盐水灌溉下的甜瓜产量。

【切入点】近年来，生物炭越来越多地应用于盐渍环境的农业生产，在盐碱土改良和劣质水灌溉中展现出较大潜力。目前生物炭试验以盆栽、土柱等形式为主，田间微咸水灌溉-生物炭试验较少，且生物炭的改良效果与其添加量密切相关[10-12]。【拟解决的关键问题】以冬小麦为研究对象，通过生物炭-微咸水灌溉田间试验，探究微咸水灌溉下生物炭缓解叶片衰老、促进花后干物质积累及转运等机理，提出恰当的微咸水-生物炭配套模式，以期为冬小麦的微咸水灌溉模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018年11月—2019年6月在河海大学江宁校区节水园区的田间试验场进行。试验区位于北纬31°86′，东经118°60′，属亚热带湿润气候，年均温度15.7 ℃，年均蒸发量900 mm，无霜期237 d，年均日照时间2212.8 h，年均降水量1021.3 mm，年内降雨不均，易出现季节性干旱。试验地点在固定式蒸渗仪测坑内，蒸渗仪面积为5.0 m2（2.5 m×2.0 m），各蒸渗仪间通过混凝土墙体隔开，地面设移动遮雨棚。供试土壤为黄棕壤土，基本性质见表1。

表1 供试土壤基本性质Table 1 Basic properties of experimental soil

1.2 试验设计

试验采用随机完全区组设计，试验处理为：微咸水灌溉（B0）、微咸水灌溉和生物炭添加15 t/hm2（B15）、微咸水灌溉和生物炭添加30 t/hm2（B30）、微咸水灌溉和生物炭添加45 t/hm2（B45）以及淡水灌溉的对照组（CK），每个处理重复3 次，共15 个试验小区。供试生物炭为粉剂型秸秆炭，由小麦秸秆在无氧条件下约550～600 ℃热解4～6 h 制备而成。生物炭的体积质量为0.19 g/cm3，比表面积为9 m2/g，总孔隙度为67.03%，通气孔隙度为12.87%，持水孔隙度为61.10%，pH 值为10.24，EC值为4.68 dS/m，阳离子交换量为60.8 cmol/kg，含固定碳650 g/kg、速效磷10.2 g/kg、速效钾55.65 g/kg。

试验于2018年11月2日播种，供试冬小麦品种为烟农863，种植密度为300 粒/m2，行距为15 cm，2019年6月2日收获。根据当地的种植习惯，播种前对试验田翻耕并分别以300、150 和150 kg/hm2施用磷酸二铵、尿素和氯化钾基肥。播种前，将各处理对应的生物炭均匀摊铺在土壤表面，通过人工翻耕施入0～20 cm 耕作层土体。淡水水源为节水园区自来水，微咸水为NaCl 配置而成，设置矿化度5 g/L。播前灌溉80 mm 底墒水。冬小麦生长过程中采取充分灌溉，采用取土烘干称重法测定土壤含水率，当60 cm深度的土壤含水率接近田间持水率的70%时进行灌水，每次灌水70 mm。微咸水处理当天用等量的盐水灌溉，采用塑料管和低压泵进行地面灌溉。为控制降雨对各处理的影响，冬小麦生育期内非雨天开棚，雨天关棚。试验在2019年（2月26日、4月7日、21日、30日和5月12日）进行了5 次灌溉。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤指标

1）体积质量、孔隙度及有机质量

冬小麦收获后，用环刀（体积100 cm3）和土钻（直径2 cm）在表层（0～20 cm）取原状土样，每个小区随机取3 次计算平均值。

环刀土样在烘箱105 ℃下烘干至恒质量，测得干土质量，体积质量计算式为：

环刀土样置于去离子水中浸泡24 h 后，测得饱和湿土质量。孔隙度计算式为：

采用重铬酸钾氧化法测定土壤有机质量。

2）电导率（EC1:5）及钠吸附比（SAR）

冬小麦收获后，用土钻在0～20 cm 和20～40 cm取原状土样，每个小区随机取3 次计算平均值。土样置于温室自然风干后，将其充分研磨过1 mm 标准筛，按照土水比1∶5 配制土壤浸提液，充分震荡后用离心机进行固液分离，用针筒提取出上层清液，用DS-307A 型电导率仪测定土壤电导率。用ICP-MS 电感耦合等离子体质谱法测定土壤可溶性Na+、Ca2+、Mg2+离子量，土壤钠吸附比计算式为：

1.3.2 作物叶片生长及光合作用指标

冬小麦开花后，每隔7 d 监测1 次冬小麦生理生长指标。

1）叶面积指数（LAI）和叶面积持续期（LAD）

在每个小区随机采集10 株冬小麦植株，采用LI-3000A 型叶面积仪测定单株冬小麦叶面积。叶面积指数（LAI）计算式为：

叶面积持续期（LAD）计算式为：

式中：LAI1和LAI2分别为任意2 个生长阶段的叶面积指数；T为这2 个生长阶段之间的时间（d）。

2）净光合速率（Pn）和气孔导度（Gs）

在不同处理的小区中随机选取3 片旗叶，在测定日的09:00—11:00，用LI-6800 便携式光合作用测定系统在光照强度1000μmol/(m2·s)和二氧化碳摩尔分数400 μmol/mol 下测定冬小麦旗叶光合气体交换参数，包括净光合速率（Pn）和气孔导度（Gs），测量3 次计算平均值。光合测定时段平均温度、相对湿度及风速见表2。

表2 光合测定时段的气象因子Table 2 Meteorological factor data of photosynthetic determination period

1.3.3 冬小麦籽粒形成及干物质转运指标

在各处理小区随机选取代表性样株30 株并去除根部。花期按整株即全部营养器官、成熟期按籽粒和营养器官分样，105 ℃杀青后（成熟期样品不杀青）80 ℃烘至恒质量并称量，每隔7 d 监测1 次籽粒形成指标。干物质相关指标计算式为：

干物质转运量=花期单株营养器官干质量-成熟期单株营养器官干质量；干物质转运率（%）=干物质转运量/花期单株营养器官干质量×100；花后干物质积累量=成熟期单株籽粒干质量-干物质转运量；花后干物质贡献率（%）=花后干物质积累量/成熟期单株籽粒干质量×100；干物质转运贡献率（%）=干物质转运量/成熟期单株籽粒干质量×100。

1.3.4 冬小麦最终产量指标

冬小麦收获时，从每个地块中心的1 m2区域收集作物，并风干至恒质量，获得地上生物量。使用脱粒机对植株进行脱粒，测量单位面积的籽粒产量，并计算收获指数。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 进行记录、整理与作图，并运用SPSS20 对试验数据进行方差分析，采用Duncan法进行多重比较（P=0.05）。

2 结果与分析

2.1 微咸水灌溉下生物炭添加量对土壤特性的影响

表3 为不同处理下土壤体积质量、总孔隙度、有机质（SOM）、电导率及钠吸附比。随着生物炭添加量的增多，土壤体积质量呈降低趋势，总孔隙度增加，有机质量增幅明显。与B0 处理相比，B15、B30、B45处理的体积质量分别降低了2.27%、4.55%和8.33%，总孔隙度分别增加了4.52%、9.19%和13.47%，SOM分别增加了30.02%、65.06%和111.12%。单独微咸水灌溉处理下土壤表层和主根区的EC1:5和SAR值较CK 分别高出237.12%、225.42%和285.83%、277.87%。15 t/hm2与30 t/hm2的生物炭添加量有效促进了盐分淋洗，B15 和B30 处理的土壤表层和主根区EC1:5较B0 处理分别降低了9.89%、3.82%和8.33%、3.39%，而45 t/hm2的高生物炭添加量下，土壤电导率分别增加了5.39%和3.65%。生物炭显著降低了土壤的钠吸附比。与B0 处理相比，B15、B30、B45 处理的土壤表层和主根区SAR分别下降23.88%、28.78%、33.27%和22.34%、27.11%、30.80%。

表3 微咸水灌溉添加生物炭后的土壤特性Table 3 Soil properties under brackish water irrigation and biochar application

2.2 微咸水灌溉下生物炭添加量对冬小麦花后叶片生长和光合作用的影响

图1 为不同处理下冬小麦叶面积指数及叶面积持续期。由图1 可知花后7 d 内，冬小麦LAI值保持在较高水平，但随花后天数的增加明显下降，LAD值始终呈下降趋势。微咸水灌溉显著降低了冬小麦的叶面积指数和叶面积持续期，使作物叶片生长受抑制，出现了明显的叶早衰现象。花后28 d 内，CK 的LAI和LAD分别比 B0 处理高出 22.88%～49.31%和24.78%～46.50%。生物炭的添加改善了微咸水灌溉下冬小麦的叶片生长情况，花后28 d 内的叶面积指数及叶面积持续期均高于单独微咸水灌溉处理。B15、B30、B45 处理的LAI值分别比 B0 处理高出16.99%～34.27%、13.73%～28.25%和5.31%～14.61%，B15、B30、B45 处理的LAD值分别比B0 处理高出19.73%～33.97%、14.80%～25.14%和5.94%～13.24%。

图1 微咸水灌溉添加生物炭后冬小麦花后叶片生长情况Fig.1 Leaf growth of winter wheat after anthesisunder brackish water irrigation and biochar application

图2 为不同处理下冬小麦净光合速率及气孔导度。由图2 可知，净光合速率在花后7 d 达到顶峰，随生长进程的推进不断降低，气孔导度自开花后呈持续下降趋势。微咸水灌溉可显著抑制冬小麦旗叶的光合作用，B0 处理的Pn和Gs较 CK 分别减少20.51%～56.38%和20.57%～49.36%。微咸水灌溉下，添加生物炭的冬小麦表现出较高的净光合速率和气孔导度。与B0 处理相比，B15、B30、B45 处理的Pn和Gs分别高出18.29%～100.00%、12.37%～75.61%、2.69%～31.71%和20.32%～68.35%、14.34%～44.30%、7.17%～15.20%。

图2 微咸水灌溉添加生物炭后冬小麦花后光合作用Fig.2 Photosynthesis of winter wheat after anthesisunder brackish water irrigation and biochar application

2.3 微咸水灌溉下生物炭添加量对冬小麦籽粒形成、干物质转运的影响

图3 为不同处理下单株冬小麦营养器官干物质质量及籽粒质量的变化。由图3 可知，冬小麦营养器官干物质质量随着花后时间先升高后降低，花后14 d最高。冬小麦灌浆初期，营养器官干物质生产量大于向籽粒的转运量，质量呈增加趋势。随着植株老化，灌浆后期干物质生产量降低并小于转运量，质量逐渐减少。开花后，营养器官干物质质量表现为：CK＞B15处理＞B30 处理＞B45 处理＞B0 处理，单独微咸水灌溉较淡水灌溉显著降低了营养器官的干物质质量，而生物炭有效提升了营养器官的干物质质量。开花后，籽粒质量不断增加，在成熟期达到最大值，微咸水灌溉下籽粒质量增幅较小。与CK 相比，花后7～28 d内，B0 处理的籽粒质量显著减少了12.17%～22.58%。生物炭添加后冬小麦籽粒形成较好，籽粒质量均高于单独微咸水灌溉处理，花后28 d 时B15、B30、B45处理的籽粒质量分别达到CK 的96.75%、94.16%和89.61%。

图3 微咸水灌溉添加生物炭后冬小麦籽粒质量的变化Fig.3 Changes of winter wheat grain weight under brackish water irrigation and biochar application

表4 为不同处理对冬小麦干物质积累及转运的影响。单独微咸水灌溉抑制了干物质生产，B0 处理花前干物质质量、成熟期营养器官干物质质量和籽粒质量较CK 降低了11.84%、15.85%、15.66%。生物炭提高了干物质生产，尤其在15t/hm2和30 t/hm2添加量下。与CK 相比，B15、B30、B45 处理的花前干物质质量仅减少3.95%、4.82%、8.33%，成熟期营养器官干物质质量减少7.65%、9.29%、12.57%，籽粒质量减少3.01%、6.02%、11.45%。微咸水灌溉促进了干物质转运，B0、B15、B30、B45 处理的花前营养器官干物质转运率较CK 显著增加了18.48%、15.74%、19.03%、18.75%，贡献率增加了23.41%、14.24%、20.25%、22.53%。生物炭提高了干物质的转运量，B15、B30、B45 处理的转运量较B0 处理明显提高了6.38%、8.51%、4.26%。从干物质质量构成来看，各处理花后干物质积累量占比为66.43%～72.80%，是籽粒干物质的重要来源。与淡水灌溉相比，单独微咸水灌溉下花后干物质积累量及籽粒贡献率大幅下降，B0 处理较CK 降低了23.14%和8.75%。生物炭的添加提高了花后干物质积累，B15、B30、B45 处理的花后干物质积累量及贡献率较B0处理高出了5.38%～19.35%和0.36%～3.76%。可见，微咸水有利于促进花前干物质向籽粒转运，但单独使用微咸水限制了整体干物质生产能力，花前干物质转运量和花后干物质积累量均较低，导致籽粒质量大幅减小。然而，生物炭处理的冬小麦在保持较高花前转运量的同时，有效提升了花后干物质积累量，从而使籽粒形成较好。

表4 微咸水灌溉添加生物炭后干物质积累及转运量Table 4 Dry matter accumulation and transport amount under brackish water irrigation and biochar application

图4 微咸水灌溉添加生物炭后冬小麦最终产量和收获指数Fig.4 The final yield and harvest index of winter wheat under brackish water irrigation and biochar application

2.4 微咸水灌溉下生物炭添加量对冬小麦最终产量的影响

图4 为不同处理冬小麦收获时地上生物量、籽粒产量和收获指数。由图4 可知微咸水灌溉显著抑制了冬小麦生产。与CK 相比，B0 处理的地上生物量、籽粒产量下降了8.48%、12.04%。在所有生物炭处理下，冬小麦籽粒产量与单独微咸水灌溉相比均有一定程度的提高。B15、B30、B45 处理的地上生物量及籽粒产量较B0 处理分别增加4.94%、4.18%、2.13%和9.18%、7.73%、2.74%。特别在15 t/hm2与30 t/hm2的添加量下，冬小麦产量有显著增幅，这与生物炭处理下冬小麦收获指数的提高有关。B15、B30 处理的收获指数较B0 处理分别提高了4.09%、3.46%。B45 处理下冬小麦产量增幅较小，与B0 处理无显著差异。

3 讨论

生物炭具有多孔结构和较大的比表面积，在不同类型土壤中加入生物炭，均表现出体积质量降低的现象[13]。本研究中，添加生物炭后土壤体积质量亦显著降低，且总孔隙度增加，可能是因为试验采用的生物炭体积质量较小，添加后可以改善土壤密实度，同时生物炭促进了土壤颗粒团聚，有利于多级孔隙的形成[14]。试验中生物炭处理的土壤有机质量增加，这与冉成等[7]的研究结果一致，原因可能是生物炭本身含有丰富稳定的有机碳，且其较强的吸附能力可促进有机小分子聚集，减少养分淋失。试验中的生物炭含有一定量的Ca2+和Mg2+，添加后可直接降低土壤钠吸附比。此外，生物炭可以提高土壤阳离子交换量，促进Na+从交换点的迁移，并通过淋洗带走交换性Na+[15]。微咸水灌溉下，B15 处理的土壤电导率较B0 处理显著降低，这可能是因为生物炭改善了土壤结构，增强了水分入渗性能，促进了Na+的淋洗[6]。同时，也因为生物炭能够阻隔土壤毛细管中盐分随水分向上运移，因此缓解了表层盐分累积[16]。然而，随着生物炭添加量的增多，土壤含盐量上升，这是由于生物炭中含有部分可溶性盐分。

光合作用是植物生长发育的基础，作物生物量的90%以上来自光合产物[17]。本试验中，单独微咸水灌溉下冬小麦叶片发生早衰，光合能力显著受抑。可能是因为微咸水灌溉下作物根系土层盐分累积，土壤溶质势的变化诱发植物细胞生理干旱，气孔导度下降，叶片生长受限，长期盐分胁迫下毒性离子损害细胞结构与功能，影响光合活性[18]。生物炭处理的冬小麦在盐胁迫下维持了较高的叶面积指数、叶面积持续期、气孔导度及净光合速率。Jin 等[19]亦报道了生物炭可降低盐分胁迫，缓解植物水分亏缺，减弱毒性离子积聚，提高叶片活性，促进光合作用。本研究中，适量的生物炭能够改善土壤结构，提高肥力水平，降低盐渍化程度，为微咸水灌溉下的冬小麦创造更有利的生长环境，提升抗盐性能。

小麦籽粒产量的提高与干物质积累转运特性的改良密切相关[20]。有研究表明，适度胁迫能够促进光合同化物向籽粒的运输，加快灌浆速率[21]。本试验微咸水灌溉下冬小麦花前干物质转运率提高，与前人结果一致[21]。但单独微咸水灌溉下由于花前干物质生产不足，转运量较少，生物炭的添加使冬小麦在保持较高转运率的基础上有效提高了转运量。田中伟等[22]发现叶片光合面积及光合能力直接影响小麦花后光合产物和籽粒产量。本研究中，单独微咸水灌溉下叶片提前衰老，光合同化作用大幅削减，而生物炭处理下花后叶片生长较好，光合能力较强，冬小麦花后干物质的积累量与贡献率提高，促进了籽粒的生长发育。庞桂斌等[23]报道微咸水灌溉下小麦的籽粒产量与干物质积累、收获指数呈正相关。本研究中，生物炭处理的冬小麦地上生物量和收获指数均有增加，进而提高了最终产量。可见，生物炭能够改善微咸水灌溉下冬小麦干物质的积累转运特性，有利于冬小麦植株形成较多的光合同化物，充分满足籽粒灌浆的需要，因而缓解了盐分胁迫对最终产量的负面影响。

综上，生物炭土壤改良剂能够促进微咸水资源在冬小麦灌溉生产中的应用。微咸水灌溉下，15t/hm2和30t/hm2生物炭改善了作物-土壤生长环境，有利于盐分淋洗，降低盐胁迫危害，提高了花前干物质转运量、花后干物质积累量及其对籽粒的贡献率，并增加了收获指数，较单独微咸水灌溉增产9.18%和7.73%。而45 t/hm2下，可能随着添加量增多，土壤中可溶性盐分增多，产量增幅不明显。本研究建立在一年灌溉基础上，还需开展长期试验进行深入研究和探讨。