生物炭对豫西旱作玉米花后穗位叶光合生理特性及产量的影响

王艳芳，李乾云，悦飞雪，乔鑫鑫，焦念元，尹 飞，付国占，刘 领

(河南科技大学 农学院，河南 洛阳 471023)

玉米是我国主要的农作物，开花后是玉米产量形成的关键时期[1]。玉米产量的形成主要来自开花后的光合物质积累，玉米穗位叶的光合能力在很大程度上影响产量形成，叶片的光合特性与衰老生理指标可以反映玉米光合能力大小。因此，生长后期叶片较高的生理活性是保证玉米高产的关键。学者们通过多种措施来改善玉米功能叶的光合特性，延缓功能叶的衰老,提高产量。郭书亚等[2]研究表明，秸秆覆盖和深松措施可以延缓豫南地区夏玉米花后穗位叶衰老，提高玉米产量。李广浩等[3]研究表明，控释尿素水氮耦合可以有效提高夏玉米花后穗位叶净光合速率，保证籽粒对营养物质的需求，提高夏玉米产量。邵国庆等[4]指出，包膜控释尿素与灌溉可提高玉米花后穗位叶活性氧清除酶活性，降低丙二醛积累量，延缓叶片衰老，提高净光合速率和产量。王萌等[5]研究表明，适宜的种植密度和空间布局能保证夏玉米郑单958穗位叶的净光合作用及其相关指标维持在较高水平。段宏凯等[6]发现，秸秆还田和减追25%氮肥可以在保证玉米穗位叶净光合速率、叶绿素含量以及叶面积不降低的前提下减少氮肥投入，且能够改善穗位叶光合特性。豫西(河南省西部)地区是旱作农业的典型区域，玉米是该地区主要农作物之一。但由于水分胁迫和土壤养分不足严重影响该地区玉米生产，特别是在玉米开花后、籽粒形成时期，往往由于干旱胁迫和肥力缺少影响植物的根系功能，进而引起叶片早衰，影响植物的光合作用和抗氧化酶活性，导致产量下降。因此，改善旱作玉米生育后期土壤水肥状况和根系功能对提高功能叶光合性能及籽粒产量至关重要。

生物炭是由农作物秸秆、薪柴、杂草、粪便等生物质在缺氧或低氧条件下通过高温裂解产生的富含碳素的固体产物[7]。生物炭在农业生产中应用具有重要生态功能，包括增强土壤碳汇、改善土壤结构、促进养分利用及降低环境污染等[8-10]。近年来，一些研究报道了生物炭在玉米农田中的应用效应。张娜等[11]研究表明，施用生物炭有利于夏玉米的干物质积累，以及后期叶片光合性能的维持和籽粒产量的提高。孟繁昊等[12]研究认为，施用生物炭能够显著降低玉米农田土壤容重，增加土壤孔隙度，生物炭配施氮肥可显著提高春玉米产量。刘国玲等[13]研究表明，正常施肥配施生物炭处理郑单958玉米的光合特性改善，衰老延缓，籽粒产量提高。阚正荣等[14]研究表明，施用生物炭可以减少夏玉米耗水量，提高水分利用效率，低量生物炭可以改善夏玉米的光合性能，提高籽粒产量，而施用中高量生物炭会降低光合性能。由于不同学者试验的土壤类型、土壤肥力、生物炭材质、施用量及研究方法等存在差异，目前关于生物炭对玉米光合性能、衰老及产量影响的研究结论并不一致，而且对于旱作条件下生物炭对玉米花后穗位叶的光合和衰老性能研究较少。为此，本研究以豫西地区旱作玉米为对象，探讨施入生物炭对旱作玉米花后穗位叶光合特性、衰老及产量的影响，并分析它们之间的相关性，以期为旱作农田合理施用生物炭来延缓功能叶的衰老和提高产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在河南省洛阳市河南科技大学实验农场(34°41′ N，112°27′ E)进行。该地区年均气温13.7 ℃，年均无霜期216 d，年降水量600～800 mm，土壤类型为褐土，土壤基本理化性质为：pH值7.4，有机质1.51 g/kg，总氮1.0 g/kg，碱解氮78.6 mg/kg，有效磷9.2 mg/kg，速效钾116.5 mg/kg，黏粒、粉粒、砂粒占比分别为20.34%，30.87%和48.79%。

1.2 试验材料

供试玉米品种为郑单958，由河南金博士种业股份有限公司提供。生物炭为河南商丘三利新能源有限公司提供的小麦秸秆生物炭，生物炭热裂解炭化温度350～450 ℃，pH值10.4，比表面积8.92 m2/g，有机碳含量522.3 g/kg，全氮含量5.9 g/kg，全磷含量0.89 g/kg，全钾含量23.2 g/kg。

1.3 试验设计

生物炭用量共设3个处理，分别为不施用生物炭(C0)、施用生物炭20 t/hm2(C20)和施用生物炭40 t/hm2(C40)；每处理重复3次，共9个小区。小区面积32 m2(4 m×8 m)。2018年6月3日种植玉米，行距为60 cm，株距为25 cm，种植密度为67 000 株/hm2。施氮量225 kg/hm2，以含氮量46%的尿素为氮源，分2次施用，其中基肥占60%，大喇叭口期追肥占40%；施磷肥80 kg/hm2，钾肥100 kg/hm2，分别以含P2O512%过磷酸钙和含K2O 45%硫酸钾作为肥源。生物炭及基施氮肥、磷肥和钾肥均在播前撒于地表后用微耕机翻耕与10 cm左右土层混合均匀，追施氮肥用点种器施入。9月25日试验结束，试验期间采用雨养方式，不进行灌溉，定期除草。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 花后穗位叶叶绿素含量 于玉米花后(7月29日)0，15，30和45 d，选取受光方向一致的穗位叶的中部，采用SPAD-502 Plus叶绿素仪(日本Konica Minolta公司)测定穗位叶叶绿素含量，以SPAD值表示，重复3次。

1.4.2 花后穗位叶光合指标 于玉米花后(7月29日)0，15，30和45 d，在晴天上午09：00-10：30选取受光方向一致的穗位叶，采用Li-6400便携式光合仪(美国Li-COR公司)测定叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)。测定时选择Li-6400-02B红蓝光光源叶室，温度为25 ℃，使用开放式气路，空气相对湿度为50%～70%，设定有效光合辐射为800 μmol/(m2·s)，CO2浓度为400 μmol/mol。

1.4.3 花后穗位叶丙二醛含量和抗氧化酶活性 于玉米花后0，15，30和45 d，取测完光合指标的穗位叶放于自封袋且置于冰盒中带回实验室，用于测定丙二醛(MDA)含量及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)的活性。MDA含量参照Guo等[15]的方法测定，SOD活性采用氮蓝四唑(nitro blue tetraolium,NBT)光化还原法[16]测定，POD活性采用愈创木酚法[17]测定，CAT活性采用紫外吸收法[18]测定。

1.4.4 玉米产量 成熟期(9月25日)每个小区取2 m双行玉米果穗，风干后进行室内考种，调查穗长、穗粗、穗行数、行粒数、穗粒数、秃尖长、百粒质量和产量。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Office Excel 2007对试验数据进行整理，用SPSS 17.0对数据进行分析，利用单因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD法比较不同处理间的差异显著性(P<0.05)，采用Pearson相关分析对生物炭施用量与光合指标、MDA含量、抗氧化酶活性、产量之间的相关性和显著性进行分析，差异极显著为P<0.01，差异显著为P<0.05。用Origin 10.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 生物炭对旱作玉米花后穗位叶叶绿素含量的影响

叶绿素是叶片光合过程中参与光能吸收和转化的重要物质，其含量反映了叶片的衰老程度。由图1可知，随着花后时间的延长，玉米穗位叶叶绿素含量整体呈降低趋势。与不施用生物炭(C0)相比，在花后不同时期，施用高水平生物炭均可显著提高玉米花后穗位叶叶绿素含量(P<0.05)；施用中水平生物炭后，除了花后45 d显著提高穗位叶叶绿素含量外(P<0.05)，其他时期均不显著(P>0.05)。在花后0，15，30和45 d，与C0处理相比，C20处理穗位叶叶绿素含量分别提高了2.15%，3.40%，4.71%和7.70%，C40处理穗位叶叶绿素含量分别提高了5.09%，6.37%，12.19%和14.54%。以上结果表明，施用生物炭可提高玉米花后穗位叶叶绿素含量，且施用高水平生物炭效果最好。

图柱上标不同小写字母表示同时间不同处理间差异显著(P<0.05)。下同Different lowercase letters mean significant difference among different treatments at same time at 0.05 level.The same below图1 生物炭对旱作玉米花后穗位叶叶绿素相对含量(SPAD)的影响Fig.1 Effects of biochar on era leaf SPAD value of rainfed maize after anthesis

2.2 生物炭对旱作玉米花后穗位叶光合特性的影响

由图2可知，随着花后时间延长，玉米穗位叶净光合速率(Pn)呈下降趋势。与C0相比，C20处理没有显著提高花后0和15 d玉米穗位叶净光合速率(P>0.05)；但显著提高了花后30和45 d玉米穗位叶净光合速率(P<0.05)，分别提高了25.13%和33.33%。与C0相比，C40处理均显著提高了玉米花后不同时期穗位叶净光合速率(P<0.05)，花后0，15，30和45 d，分别提高了13.79%，22.73%，50.02%和58.33%。

由图2还可知，随着花后时间延长，玉米穗位叶蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)均呈现先增加后降低的趋势。与C0相比，C20处理没有显著提高花后45 d玉米穗位叶蒸腾速率和气孔导度(P<0.05)，但显著提高了花后0，15和30 d玉米穗位叶的蒸腾速率和气孔导度(P<0.05)，蒸腾速率分别提高12.14%，8.47%和13.18%，气孔导度分别提高10.93%,36.23%和24.32%。与C0相比，C40处理均显著提高了玉米花后不同时期的蒸腾速率和气孔导度(P<0.05)，花后0，15，30和45 d，蒸腾速率分别升高了21.62%，16.01%，42.91%和43.13%，气孔导度分别提高了22.38%，50.37%，43.97%和37.12%。

图2 生物炭对旱作玉米花后穗位叶光合特性的影响Fig.2 Effects of biochar on era leaf photosynthetic characteristic of rainfed maize after anthesis

由图2可以看出，随着花后时间延长，玉米穗位叶胞间CO2浓度(Ci)呈现降低趋势。与C0相比，C20和C40处理均未显著降低花后45 d玉米穗位叶胞间CO2浓度(P>0.05)，但均显著降低了玉米花后0，15和30 d穗位叶胞间CO2浓度(P<0.05)。花后0，15和30 d， C20处理胞间CO2浓度较C0处理分别降低了9.31%，6.63%和6.47%，C40处理胞间CO2浓度较C0处理分别降低了12.15%，11.43%和11.72%。

2.3 生物炭对旱作玉米花后穗位叶MDA含量和抗氧化酶活性的影响

由图3可知，随着花后时间延长，玉米穗位叶MDA含量呈逐渐增加的趋势，施用生物炭并不能改变MDA含量上升的总趋势。与C0相比，花后15，30和45 d，C20和C40处理玉米花后穗位叶MDA含量均显著降低(P<0.05)，且C40处理MDA含量均低于C20处理，表现为C40

由图3可见，随着花后时间延长，玉米穗位叶SOD活性呈下降趋势。与C0相比，C20处理未显著提高花后0，15和30 d玉米穗位叶SOD活性(P>0.05)，但显著提高了花后45 d玉米穗位叶SOD活性(P<0.05)，提高了17.86%。与C0相比，C40处理均显著提高了玉米花后不同时期穗位叶SOD活性，花后0，15，30和45 d分别提高了9.31%，14.12%，14.61%和33.12%。

由图3还可见，随着花后时间延长，玉米穗位叶POD活性呈先升高后降低趋势。花后15 d各处理POD活性均最高。与C0相比，C20处理未显著提高花后0和15 d玉米穗位叶POD活性(P>0.05)；但显著提高了花后30和45 d玉米穗位叶POD活性(P<0.05)，分别提高了40.70%和62.34%。与C0相比，C40处理均显著提高玉米花后不同时期穗位叶POD活性(P<0.05)，花后0，15，30和45 d分别提高了21.52%，22.32%，58.89%和97.66%。

由图3还可以看出，随着花后时间延长，玉米穗位叶CAT活性呈下降趋势。与C0相比，C20处理显著提高了花后15，30和45 d玉米穗位叶CAT活性(P<0.05)，分别提高了8.50%，19.58%和32.99%。与C0相比，C40处理均显著提高了玉米花后不同时期穗位叶CAT活性(P<0.05)，花后0，15，30和45 d分别提高了22.20%，30.53%，36.18%和64.67%。

图3 生物炭对旱作玉米花后穗位叶MDA含量和抗氧化酶活性的影响Fig.3 Effects of biochar on era leaf MDA content and antioxidant enzyme activity of rainfed maize after anthesis

2.4 生物炭对旱作玉米产量及其构成要素的影响

由表1可知，与C0相比，施用生物炭后可以显著提高玉米穗长(P<0.05)，C20和C40处理玉米穗长提高4.51%和5.62%；穗粗和穗行数有增加趋势，但均未达到显著水平(P>0.05)；行粒数、穗粒数、百粒质量和产量均显著增加(P<0.05)，秃尖长显著缩短(P<0.05)，且施用生物炭的C20和C40处理间差异均不显著。

表1 生物炭对旱作玉米产量及其构成要素的影响Table 1 Effects of biochar on rainfed maize yield and its components

2.5 生物炭施用量与旱作玉米各指标的相关性

由表2可知，玉米穗位叶SPAD值、净光合速率(Pn)与生物炭施用量呈极显著正相关(P<0.01)；蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)与生物炭施用量呈显著正相关(P<0.05)；胞间CO2浓度(Ci)与生物炭施用量呈极显著负相关(P<0.01)。玉米穗位叶CAT活性与生物炭施用量呈极显著正相关(P<0.01)；POD活性、产量与生物炭施用量呈显著正相关(P<0.05)；MDA含量与生物炭施用量呈显著负相关(P<0.05)。

表2 生物炭施用量与旱作玉米各指标的相关关系Table 2 Pearson correlation coefficients between biochar application rate and indexes of rainfed maize

3 讨 论

近年来，关于生物炭对作物产量影响的研究较多，且因所采用的生物炭材质、施炭量、土壤类型及环境条件不同存在一定差异，但总体上以正向效应居多。董成等[19]研究发现，施用生物炭主要通过增加土壤耕层无机氮储量和土壤水分含量提高夏玉米产量。李传哲等[20]研究表明，生物炭配施氮肥能够改善土壤微生态环境，提高土壤肥力，增加冬小麦作物产量。Zhang等[21]对河南省中部黄淮海平原黄潮土施加不同量的生物炭发现，施加生物炭能够降低土壤体积质量，提高土壤氮含量和玉米产量，且以20 t/hm2生物炭施用量增产效果最显著。蒋健等[22]向棕壤土中施入不同量玉米秸秆生物炭发现，在玉米生育后期生物炭能在一定程度上延缓根系衰老，增加总根长、根体积和根干质量，提高根系活力和玉米籽粒产量，且施用生物炭5 000 kg/hm2效果优于2 500 kg/hm2处理。本研究发现，施用生物炭可显著提高豫西褐土旱作玉米籽粒产量，且以40 t/hm2生物炭施用量增产效果最佳，但40与20 t/hm2生物炭处理间差异不显著。这主要是由于生物炭提高了花后穗位叶的叶绿素含量，改善了花后穗位叶的光合性能，延缓了穗位叶的衰老。

光合作用是植物生长发育的基础，也是植物合成有机物质和获得能量的根本来源[23]。刘慧敏等[24]研究表明，施用不同剂量的生物炭均显著改善了谷子幼苗除胞间CO2浓度外的其他光合参数指标。阚正荣等[25]研究认为，施用生物炭可以减弱冬小麦开花期和灌浆期的光合“午休”现象，增强光合性能和潜力，提高籽粒产量。李继伟等[26]研究表明，施用生物炭能提高镉胁迫下玉米的光合色素含量，改善光合性能。本研究结果表明，施用生物炭可以提高旱作玉米花后穗位叶叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，降低旱作玉米花后穗位叶胞间CO2浓度，且高水平生物炭施用效果优于中水平生物炭。相关分析表明，生物炭施用量与SPAD值、净光合速率呈极显著正相关。而阚正荣等[14]研究表明，施用中高量生物炭显著降低了玉米主要生育期的SPAD值、净光合速率、气孔导度和蒸腾速率以及花后干物质积累，还降低了籽粒产量；而低用量生物炭提高了玉米主要生育期的光合性能和籽粒产量，与本研究结果不一致。这可能是因为，一方面土壤类型不同会导致生物炭对玉米光合性能的影响存在差异；另一方面，土壤肥力状况也影响生物炭的效应，有研究认为生物炭施用于贫瘠土壤效果较好，而对肥沃土壤的效应较小[27]。阚正荣等[14]研究中3年连续施用生物炭并将小麦秸秆还田，因此土壤肥力较高，施用高量生物炭可能通过生物炭的固持和吸附作用导致土壤有效氮降低，限制植物氮素吸收，从而对植物光合性能和生长产生抑制作用。

植物处于逆境或衰老条件下时，体内会积累大量活性氧，引起膜脂过氧化而使植物细胞受到损伤。MDA作为细胞膜脂过氧化的最终产物，常被用于评价细胞膜损伤程度和植物抗逆性的强弱[28-29]。在逆境条件下，植物也会采取一些应对反应来减少活性氧对自身的伤害，其中起主要作用的是活性氧清除酶系统。SOD、POD和CAT是植物体内活性氧清除酶系统中最主要的抗氧化酶，它们能有效清除活性氧，抑制膜脂过氧化作用，延缓植物衰老[30]。本研究结果表明，随着玉米花后时间的延长，穗位叶MDA含量显著增加，SOD和CAT活性呈降低趋势，POD活性呈先升高后降低趋势，说明随着玉米生育期的推进，尽管可以通过自身调节来延缓衰老，但依旧无法清除体内过量的活性氧，改变不了衰老的进程。良好的环境条件和耕作栽培技术可以使植物体内维持较高的活性氧清除酶活性，延缓衰老[2]。本研究结果表明，施用生物炭后，花后不同时间穗位叶MDA含量均降低，SOD、POD和CAT活性均增大，说明生物炭能提高玉米穗位叶抗氧化酶活性，减轻膜脂过氧化程度，延缓衰老进程。这与李继伟等[26]和赵铁民等[31]对逆境胁迫下生物炭对玉米抗氧化系统的研究结果相一致，施用生物炭可以提高逆境胁迫下玉米叶片的抗氧化酶活性，缓解胁迫造成的伤害，改善玉米的生理性状。

生物炭提高旱作玉米花后穗位叶光合能力和抗氧化酶活性主要是因为：(1)生物炭可以改善土壤理化性状，生物炭的多孔结构和大的比表面积可以降低土壤体积质量、增加土壤孔隙度和持水保肥能力[32-33]。(2)生物炭本身碳含量较高，在土壤中加入生物炭可以提高土壤有机碳含量，生物炭还可以增加土壤有效磷含量，降低氮素损失和提高氮素的利用率，减少土壤养分淋失[33]。(3)根系作为和生物炭颗粒直接接触的部位，对植物的生长有至关重要的影响，添加生物炭可在一定程度上使根系形态特征得到优化、根系生理功能增强，促进肥水吸收，增强光合能力，延缓衰老[34]。(4)生物炭的多孔结构为微生物提供了良好的栖息微环境[35-36]，生物炭含碳量丰富，可为微生物的生长提供碳源[37]，特定微生物可以促进植物根系吸收土壤中水分和养分[38]，强化叶片的光合能力，延缓衰老，促进植物生长。(5)生物炭对肥料具有缓释作用，可以满足玉米生育后期的养分需求，增强光合能力，延缓穗位叶衰老，有利于干物质的积累[39]。综上所述，施加生物炭可通过多个途径延缓旱作玉米穗位叶衰老，提高产量。但也有研究表明，生物炭对贫瘠的土壤上作物增产效果明显，而对肥沃土壤上的作物无显著增产效果[40]，过量施用生物炭反而会抑制作物的生长发育，出现减产现象[39]。本研究试验地在豫西旱作土壤较贫瘠，土壤质量较差，所以施用量高的生物炭对玉米产量提高的影响显著。但是生物炭对玉米增产更深层次的作用机制及适宜用量需进一步研究。