覆膜和施生物炭对青海高原春油菜生长、产量和土壤团聚体的影响

2022-01-18宋明丹詹舒婷李正鹏

中国土壤与肥料 2021年6期

宋明丹，詹舒婷，李飞，李正鹏*

（1．青海大学农林科学院，青海西宁 810016；2．青海大学农牧学院，青海西宁 810016）

油菜是我国大宗油料作物之一，是重要的植物油来源，菜籽油占了我国总植物油产量的47%。我国植物油年均消费量约为3500多万t，植物油自给率约为30.8%，国产油料供需缺口日益增大［1］。稳定和大力发展油菜生产，对于应对国际市场波动，维护和保障国家食用油和饲用蛋白供给安全具有重要意义。

油菜分为冬油菜和春油菜2种类型，我国种植面积过亿亩，其中冬油菜主要分布于长江流域，种植面积占总油菜面积的85%～90%，春油菜主要分布于北方各省，占总面积的10%～15%［2］。春油菜是青海省主要的油料作物，目前种植面积约14.0万hm2，占我国春油菜总面积的20%左右，是青海省的第一大作物［3］。

春油菜喜冷凉湿润环境，青海地区海拔高，气候冷凉，昼夜温差大，特别适合春油菜生长，有利于籽粒发育和油分积累，是我国春油菜的优势产区［4］。但该地区降水较少，蒸发量大，干旱缺水是限制其产量提升的主要因子。同时，该区土壤肥力基本处于中等偏下水平，耕层浅而贫瘠，土壤保水保肥能力差［5］。

地膜覆盖具有显著的增温保墒，促进作物生长和提高产量的作用，是一种有效的节水技术，在西北干旱、半干旱等水分亏缺严重的地区得到了广泛应用［6］。生物炭是农业废弃物在高温缺氧下热裂解生成的黑色富碳物质，性质稳定，大量研究表明，生物炭能改善土壤性质，提高作物产量，但其效应因来源物料、制备条件、土壤性质和作物类型而存在显著差异［7］。青海地区气候冷凉，秸秆直接还田难以腐解，易导致出苗差、病害加剧等问题［8］，将其炭化后还田是解决该地区农业秸秆问题和土壤地力提升的途径之一。

前人对地膜覆盖在青海地区油菜上的应用进行了一些探索，但主要集中于产量分析［9-10］，关于覆膜下作物生长过程和养分吸收规律的研究鲜见报道，而关于生物炭在该地区的相关应用更是鲜有报道。因此本研究通过开展覆膜和施生物炭的试验，监测春油菜干物质积累、氮磷钾养分吸收、产量和土壤团聚体等指标，阐明覆膜和施生物炭在该区的应用效果及作用机制，为春油菜的高产栽培提供技术支撑和理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在青海省西宁市城北区青海大学农林科学院试验田进行，该区地处101°45′E，36°43′N，海拔2314 m，无霜期110 d，平均年太阳总辐射5640 MJ/m2，年均温度6℃，年均降水量415 mm，年均蒸发量1763 mm，蒸降比4.25，属高原大陆性气候区［11］。试验田0～20 cm土壤为粘质壤土，容重1.36 g/cm3，播前土壤有机质24.1 g/kg，全氮1.4 g/kg，全磷3.1 g/kg，全钾23.2 g/kg，碱解氮122.2 mg/kg，有效磷41.2 mg/kg，速效钾235.3 mg/kg，pH值8.4。

1.2 试验材料与设计

供试春油菜品种为甘蓝型“青杂5号”，千粒重为3.9 g，由青海省农林科学院油菜研究所提供；供试生物炭为玉米秸秆于500℃下热裂解制得，由辽宁金和福农业科技股份有限公司提供；试验所用地膜为聚乙烯农膜，厚度为0.01 mm，黑色，由青海省农牧生产资料股份有限公司出品。

试验设覆膜和施生物炭2个因素，其中覆膜设置2个水平：分别为不覆膜和覆膜，施生物炭设置2个水平：分别为不施生物炭和施生物炭，两因素完全组合共4个处理，分别为不覆膜不施生物炭（CK）、仅覆膜（M）、仅施生物炭（B）和覆膜加施生物炭（M+B）处理。试验采用随机区组设计，各处理重复4次，共16个小区（长×宽=4 m×3 m）。油菜播种前一次性基施氮、磷（P2O5）、钾肥（K2O）量分别为150、90、75 kg/hm2，硼肥为165 g/hm2。生物炭用量为20 t/hm2，随肥料一起施用。春油菜按行距30 cm、株距25 cm人工点播，密度为13.3万株/hm2，其他田间管理措施与当地常规相同。于2019年4月3日播种，2019年8月27日收获。

1.3 样品采集与分析

地上部干重：分别于苗期（播后66 d）、初花期（播后79 d）、角果初期（播后115 d）、角果中期（播后133 d）和收获期（播后146 d），在每区选择具有代表性的植株5株，将茎、叶、角果分开，于105℃下杀青30 min，然后75℃下恒温烘至恒重，地上部干重为各器官干重之和。

产量测定：在小区内选取5株代表性植株，分别测定分枝高度、茎粗、有效分枝数、单株角果数、每角粒数和千粒重。每小区单打单收，晒干去壳后测定籽粒产量。

植株氮、磷、钾含量：将收获后植株地上部各器官样品粉碎过筛，采用H2SO4-H2O2消煮，分别用凯式定氮仪、钼锑抗比色法和火焰光度法测定各器官氮、磷、钾含量。各器官养分吸收量为各养分含量与器官干重的乘积。所有器官养分吸收量之和即为春油菜地上总养分吸收量。

土壤团聚体：于2019年8月油菜收获后，采用“S”形5点采样法，采集0～20 cm耕层土壤样品，测定土壤水稳性团聚体。在风干过程中沿自然断裂面掰成10 mm大小的土块。采用TTF-100型土壤团聚体分析仪进行测定，将100 g土壤样品放置于5、2、1、0.5、0.25 mm的套筛上，上下振荡5 min，将各级孔筛的土壤样品洗出至铝盒中，60℃下烘干，称重。计算团聚体平均重量直径（MWD）和大于0.25 mm的水稳性大团聚体含量（R0.25），计算公式参考文献［12］。

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0进行数据统计和方差分析，采用Duncan新复极差法进行多重比较，显著性水平均为0.05；利用Excel 2016进行数据处理和作图。

2 结果与分析

2.1 覆膜和施生物炭条件下油菜地上部干物质量积累特征

油菜干物质量积累符合前期增长缓慢、中期增长快、后期增长慢的S曲线特征。其中播种后79 ～115 d，正值油菜开花和角果形成期，此阶段累积了总生物量的53%～64%（表1）。方差分析结果表明，在油菜的整个生长阶段，M处理均显著提高了油菜干物质量，尤其在播后79 d时，M处理比CK增加干物质量192%（表1）。在M+B条件下，油菜干物质量比M处理高1%～31%，但差异未达到显著水平。B处理在播后79 ～133 d均显著提高了油菜干物质量，在播后79 d时，B处理比CK提高了102%。生物炭与覆膜的交互作用对油菜各时期地上部总干重均无显著影响。

表1 不同处理的油菜地上部总干物质量（kg/hm2）

2.2 覆膜和施生物炭对油菜养分吸收及分配的影响

油菜收获期，地上部总吸氮量为114～269 kg/hm2，总吸磷量为P 25～45 kg/hm2，总吸钾量为K 130～302 kg/hm2（图1）。油菜吸氮量和吸钾量的两因素方差分析表明，施生物炭的主效应不显著，覆膜的主效应显著，覆膜和生物炭的交互作用显著，进一步多重比较表明，施生物炭和覆膜显著提高了油菜地上部总吸氮量和总吸钾量，B处理比CK高44%和34%，M处理比CK高135%和133%，M+B处理比CK高132%和112%。油菜吸磷量在各处理间均无显著差异。

氮素在茎、角壳和籽粒中的分配比例分别为0.12～0.15、0.10～0.11和0.75～0.78（图1）。氮素主要分配在籽粒中，M处理显著提高了氮素在茎中的分配比例，由CK的0.12提高到0.15，生物炭及其与覆膜的交互作用对氮素分配比例影响不显著。磷素在各器官的分配规律与氮素相似，茎、角壳和籽粒中的分配比例分别为0.07～0.11、0.07～0.08和0.82～0.87。磷素主要分配在籽粒中，覆膜、生物炭及其交互作用对磷素分配比例无显著影响。钾素在茎、角壳和籽粒中的分配比例分别为0.47～0.55、0.30～0.38和0.15～0.17。钾素主要分配在茎和角壳中，覆膜、生物炭及其交互作用对钾素分配比例无显著影响。

2.3 覆膜和施生物炭处理下油菜农艺性状及产量

春油菜有效分枝数、每角粒数、千粒重和收获指数在处理间均无显著差异，该年气候条件下，春油菜的平均有效分枝数为8个，每角粒数为22个，千粒重为4.33 g，收获指数为0.36（表2）。针对春油菜分枝高度、茎粗、单株角果数和产量，覆膜的主效应显著，而生物炭的主效应不显著，覆膜和生物炭的交互作用不显著。施生物炭能在一定程度上提高茎粗、单株角果数和产量，分别比CK高17%、18%和9%，施生物炭的分枝高度比CK低18 cm，但未达到显著水平。覆膜能够显著提高油菜茎粗、单株角果数和产量，分别比CK高36%、61%和34%，其分枝高度比CK低了29 cm。M+B处理比M的油菜茎粗、单株角果数和产量分别提高7%、29%和12%，但两者差异不显著。M和M+B处理对于产量的提高，主要是通过提高单株角果数，尤其是每个有效分枝上的角果数来实现的。同时M和M+B处理能够降低分枝高度，增大茎粗，有利于增强油菜植株的抗倒伏能力。

表2 不同处理下油菜农艺性状及产量构成

本研究中产量和角果数均与分枝高度呈极显著负相关，与茎粗和有效分枝数呈极显著正相关（表3）。在油菜产量构成三要素中，对产量影响最大的是角果数（r=0.95），其次是千粒重（r=0.27），每角粒数对其影响最小（r=-0.08）。油菜产量的提高主要依赖于角果数，而角果数的提高会在一定程度上降低每角粒数，而每角粒数的减少能一定程度上提高油菜的千粒重。这表明要想获得较高的油菜产量需尽可能选择分枝高度低、茎粗、有效分枝数多的品种和栽培管理措施。本研究中有效分枝数越多，每角粒数越少，茎粗越粗，千粒重越大。

表3 油菜农艺性状与产量的皮尔森相关系数

2.4 覆膜和施生物炭对土壤团聚体的影响

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，具有协调土壤水肥气热的作用。提高土壤水稳性团聚体的数量和质量，对提高土壤肥力和作物产量具有重要作用。方差分析结果表明，覆膜和生物炭均对土壤团聚体粒级组成有显著影响，但覆膜和生物炭的交互作用不显著。M和M+B处理显著改变了土壤团聚体各粒级含量，主要是增加了0.25～2 mm的团聚体的含量，分别比CK提高了49.4%和40.7%（表4）。B和M+B处理均显著提高了大于0.25 mm的水稳性大团聚体含量（R0.25），分别比对照高14.8%和15.9%。B处理的土壤团聚体的平均重量直径（MWD）显著大于M处理，是M处理的1.6倍。总体来看，生物炭能提高土壤大团聚体数量和团聚体平均重量直径，而覆膜能一定程度上提高大团聚体数量，有降低团聚体平均重量直径的趋势。

表4 不同处理下土壤团聚体组成和稳定性

3 讨论

3.1 覆膜和生物炭施用对春油菜干物质积累的影响

植株干物质量积累和分配是产量形成的物质基础，田间管理措施对作物产量的影响，首先体现在对干物质的积累和分配上。本研究中油菜全株干物质量积累随生育进程推进呈明显的“S”形曲线变化，这与前人研究结果一致［13-14］。其中，油菜开花和角果形成期是干物质快速积累期，此时处于油菜主要光合器官的转换阶段，油菜开花初期，叶片光合面积达到最大，终花后叶片逐渐枯萎凋落，与此同时，油菜角果大量形成，角果皮成为主要的光合器官［15］。李月梅［16］研究表明春油菜从播种到开花积累了植株总干重的50%～70%。地膜覆盖能够抑制土壤水分蒸发，减少夜间长波辐射，有效改善土壤的水热条件［17］，本研究中覆膜显著提高了油菜干物质量积累和产量，这与赵东霞等［18］研究结果一致。关于生物炭的施用效果，前人研究存在较大的争议，有研究表明生物炭在碱性土上对玉米干物质量无显著影响［19］，本研究中土壤pH为8.4，生物炭仅在作物生长的中期对油菜干重有显著的促进作用，对产量的影响不显著。

3.2 覆膜和生物炭施用下的春油菜氮、磷、钾养分吸收和分配

本研究中春油菜对钾素和氮素吸收量明显大于对磷素的吸收量，这与前人研究结果一致［16］。曹金华等［13］的研究表明油菜籽粒是氮、磷的分配中心，占总量的75%左右，钾主要分配在茎和角果壳中，籽粒钾仅占吸收量的21%。本研究得到相似结论，氮、磷主要分配于籽粒中，籽粒氮占总吸氮量的76%，籽粒磷占总吸磷量的85%，籽粒钾占总吸钾量的16%。本研究中所用的油菜品种籽粒对磷的吸收更多，对钾的吸收更少，这可能是由于油菜品种和土壤气候差异导致的。李月梅［20］在青海省旱地农区的研究表明，在氮、磷、钾配施下春油菜每生产100 kg籽粒需要吸收N、P2O5、K2O分别为4.6、2.0和5.6 kg，本研究中每形成100 kg籽粒需要吸收N、P2O5和K2O分别为3.7、1.7和4.9 kg，明显低于前人研究结果，这可能是由于本试验地点降水相对更多，油菜受到的水分胁迫较少，养分利用效率更多。覆膜和施生物炭在提高植株总干物质量的同时，同步提高了植株总养分吸收量。

3.3 覆膜和生物炭施用对春油菜农艺性状与产量的影响

覆膜能有效改善土壤水热条件，具有显著的增温保墒效果，能显著提高作物产量和资源利用效率。谷晓博等［21］的研究表明覆膜能显著提高油菜有效分枝数、角果数和每角粒数，覆膜下的产量比露地高46%左右。大量研究表明，覆膜增温效果主要在作物生长早期［22］，而油菜角果数的决定期主要在现蕾以前，该时期生物量越大，则角果数越多［23］。本研究中覆膜显著增加了早期干物质量，从而导致覆膜下的角果数增加显著，但覆膜对每角粒数和千粒重影响不显著。廖桂平等［24］指出油菜每角粒数和千粒重主要受遗传基因控制，而角果数主要由营养器官干物质量、分配和转移量来决定，因此油菜产量的提高主要依靠提高角果数来实现。本研究中角果数与每角粒数呈显著负相关，每角粒数与千粒重呈极显著负相关，油菜产量构成三要素间具有内源调节能力，每角粒数在角果数和千粒重之间起平衡作用，以保证生殖器官籽粒的质量，这也是作物的一种生存策略。

3.4 覆膜和施生物炭下土壤团聚体的变化

土壤团聚体是土壤肥力的基础，其结构组成是表征良好团粒结构的重要指标，其分布和大小决定着土壤养分循环和微生物活动过程。生物炭具有发达的孔隙结构和较大的比表面积，有研究表明生物炭能显著提高土壤的水稳性团聚体含量，促进土壤团粒形成，改善土壤结构。袁晶晶等［25］的试验表明，生物炭使土壤中R0.25提高20.7%，同时MWD增加29.2%。王亚琼等［26］的研究表明生物炭提高了0.5～3 mm水稳性团聚体含量。本研究得到相似结论，施生物炭使土壤中R0.25的含量显著提高14.8%，同时MWD提高23.1%。但也有些学者得到不同的结论，侯晓娜等［12］的研究表明生物炭对于土壤MWD和R0.25无显著影响。这可能与生物炭制备原料、工艺或培养时间不同有关。

覆膜在土壤与大气间形成一个薄薄的气层，必然会影响土壤的水汽交换过程，进而对土壤结构产生一定的影响。刘秀等［27］的研究表明覆膜可显著提高>2 mm的大团聚体含量，提高MWD，增加团聚体稳定性。卢闯等［28］的研究表明地膜提高了土壤0.25～0.5 mm团聚体含量。本研究中覆膜显著提高了0.25～2 mm团聚体含量，有降低土壤MWD的趋势。这可能是由于覆膜降低了土壤干湿交替强度，改变了土壤团聚体的分布，此外覆膜下植株根系生长旺盛，根系的物理穿插使大团聚体破碎。