生物炭用量对灌区春小麦干物质和氮素积累、转运及产量的影响

2022-02-03杨卫君邓天池陈雨欣宋世龙张金汕石书兵

作物杂志 2022年6期

惠超杨卫君邓天池陈雨欣宋世龙张金汕石书兵

（新疆农业大学农学院，830052，新疆乌鲁木齐）

氮肥是作物生长发育必需的元素之一，也是保障国家粮食安全必不可少的农用物资，但其“高投入、高产出、低效益”的生产模式给农田带来了严重的环境问题[1]。因此，在响应国家农业绿色发展号召的同时，探索合理高效的施肥方案对农业健康可持续发展具有重要意义。生物炭是一种稳定的富碳产物[2]，具有高度发达的孔隙结构、较大的比表面积和丰富的表面活性官能团[3-4]，其特殊的物理结构及化学性质使其能改善土壤肥力，提高作物产量。目前，生物炭在农业方面主要用作土壤改良剂及炭基肥制作的原料[5]。研究表明，生物炭能够促进作物生长发育，提高小麦[6]、玉米[7]和水稻[8-9]等作物的干物重及产量。并且，生物炭施入可与土壤颗粒结合形成土壤团聚体，改善土壤结构，提高土壤质量[10-12]。尽管关于添加生物炭对麦田土壤肥力及其生长影响方面的报道很多，得出的结论也较为明确，但由于地域限制，导致研究结果也存在一定差异，且研究多集中于棉花、玉米、大豆和烟草等作物，而在春小麦上研究较少。基于此，本研究以北疆灌区麦田为对象，针对小麦生产中存在的不合理施肥现象，对比研究不同量生物炭单施及氮肥减量与不同量生物炭配施2年后，春小麦干物质和氮素积累、分配、转运及产量变化的情况，进而为化肥减量和生物炭的农业利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在新疆奇台麦类试验站（89°13′～91°22′E，42°25′～45°29′N）。奇台属于温带大陆性气候，年均气温5.5℃，7月平均气温22.6℃，极端最高气温39.0℃，1月平均气温-18.9℃，极端最低气温-37.3℃。年均相对湿度60%。年均无霜期153d（4月下旬至10月上旬）。年均降水量269.4mm。

1.2 试验材料

所用棉秆炭由新疆农业科学院提供，碳化温度450℃，碳化时间4h，pH 9.37、全氮21.76g/kg、碱解氮5.38mg/kg、速效磷200.94mg/kg。供试氮肥为尿素（含纯N 46%），供试小麦品种为新春37号。

1.3 试验设计

前期研究开展了不同量氮肥（低量、常规和高量）配施生物炭（30t/hm2）对春小麦生长及产量的影响，结果表明氮肥适度减量（低量）配施生物炭能有效促进产量提升。本试验于2018年9月开始，设生物炭水平4个（B0、B1、B2和B3）、氮肥用量水平2个（N0和N1），共8个处理（表1），B0N0为对照（CK）。试验采取随机区组设计，每个小区面积9m2（3m×3m），每个处理重复3次。共计24个小区。具体施肥措施：于2018年播种前将生物炭均匀撒于田间表土，再人工均匀翻入30cm土层，此后2年不再施入。氮肥采用尿素（纯氮46%）作为基肥一次性施入。播种方式为等行距条播，种植密度为450万株/hm2，行距为20cm，其他管理措施与当地一般高产田相同。

表1 田间试验各处理生物炭和氮肥用量Table 1 Amount of biochar and nitrogen fertilizer of each treatment in the field experiment

1.4 测定项目与方法

1.4.1 干物质积累、分配及转运分别于春小麦拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期和成熟期在每个小区取样15株。其中，开花期和成熟期按茎鞘、叶片、穗及籽粒将样品分开。所有样品均在105℃杀青30min，于80℃烘至恒重，称量干物重。计算干物质积累量及分配。

干物质转运量=开花期干重–成熟期营养器官干重，干物质转运效率（%）=干物质转运量/开花期干重×100，干物质对籽粒贡献率（%）=干物质转运量/籽粒干重×100。

1.4.2 Logistic方程模拟采用Logistic方程拟合春小麦干物质积累变化。计算公式为y=k/[1+e(a-bt)]，式中，y代表干物质积累量（g/株），t为播种后天数，k为小麦单株干物质理论最大积累量（g/株），a和b为待定系数。

1.4.3 氮素积累、分配及转运分别将开花期（茎鞘+叶片+穗）和成熟期（茎鞘+叶片+颖壳+籽粒）小麦各器官烘干、称重，然后用样品粉碎机磨碎后过0.25mm筛，各器官分别称取0.3g于消化管中，用H2SO4-H2O2消煮，采用凯氏定氮法测定各器官全氮含量。

开花期（成熟期）氮素积累量=开花期（成熟期）营养器官全氮含量×开花期（成熟期）营养器官干物质积累量，氮素转运量=开花期氮素积累量–成熟期氮素积累量，氮素转运率（%）=氮素转运量/开花期氮素积累量×100，氮素转运贡献率（%）=氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100。

1.4.4 春小麦产量及其构成因素春小麦成熟后，在每小区长势均匀处选取1m2调查穗数，之后每小区选取代表性样株15株，用于后期考种。每个小区人工收割，实打实收，计算产量。

1.5 数据处理

采用Excel 2019及SPSS 19.0进行数据统计与分析，并检验其显著性。

2 结果与分析

2.1 生物炭对春小麦干物质积累及转运的影响

2.1.1 干物质积累动态不同施肥处理对春小麦干物质积累动态有影响，在春小麦开花期差异显著（P＜0.05）（表2）。CK处理春小麦各时期干物质积累量最低。与CK处理相比，单施生物炭各处理的春小麦不同生育期干物质积累量均呈现随生物炭量增加先增加后减小的趋势，B2N0处理各生育期干物质积累量均高于B0N1处理，在成熟期差异显著（P＜0.05），而当生物炭用量持续增加时，春小麦各生育期干物质积累量降低。氮肥减量与生物炭配施时，各生育期春小麦干物质积累量在单施生物炭的基础上持续升高，以B2N1处理各生育时期干物质积累量最高；B1N1处理各生育期春小麦干物质积累量虽有降低趋势，但仍高于B0N1处理。总体上，干物质积累量变化顺序为B2N1＞B2N0＞B1N1＞B3N1＞B0N1＞B3N0＞B1N0＞B0N0，各生育期干物质积累量分别较B0N0处理提高了22.3%、19.5%、18.9%、14.8%、14.7%、9.4%和9.3%。

表2 不同处理春小麦各生育时期干物质积累量Table 2 Dry matter accumulation of spring wheat under different treatments in each growth period g/株g/plant

2.1.2 干物质积累速率对干物质积累量进行Logistic回归分析，其相关系数（R2）均在0.9400以上，说明该模型能够较好地反映不同处理下干物质积累量的变化过程。由表3可知，与CK处理相比，单施生物炭提前了最大干物质积累速率（Vmax）出现天数，生物炭量为10t/hm2时，干物质最早进入快速积累期。生物炭用量增加时，干物质进入快速积累期最晚，说明添加生物炭能够延长干物质快速积累期。氮肥减量配施生物炭结果与其相似。此外，氮肥减量配施生物炭能够增大Vmax，且随着生物炭施用量的增加，Vmax呈先上升后下降趋势，其中B2N1处理最大，干物质积累持续天数最长。总体上，氮肥配施中量生物炭（B2N1）处理最佳，不同处理春小麦干物质积累上限变化顺序为B2N1＞B1N1＞B3N1＞B2N0＞B0N1＞B1N0＞B0N0＞B3N0。

表3 不同处理下春小麦干物质积累模型Table 3 Dry matter accumulation model of spring wheat under different treatments

2.1.3 成熟期干物质分配添加不同量生物炭对春小麦成熟期籽粒中干物质分配有显著影响（P＜0.05），成熟期春小麦各器官干物质占总干物质比例表现为籽粒＞茎鞘＞颖壳＞叶片（表4）。CK处理籽粒中干物质分配比例最低，单施不同量生物炭可提高成熟期籽粒干物质积累量，但仍低于氮肥单施。氮肥减量配施生物炭条件下，成熟期籽粒干物质积累量较氮肥单施持续增加，以B2N1处理下干物质分配比例最高，为54.73%。

表4 不同处理春小麦成熟期干物质分配Table 4 Dry matter distribution in the mature stage of spring wheat under different treatments

2.1.4 干物质转运由表5可知，单施生物炭均能不同程度地提高春小麦籽粒干物质转运量及转运效率，总体变化趋势为B2N0＞B3N0＞B1N0，较CK处理分别提高86.9%、83.5%和85.6%（P＜0.05），3个氮肥减量配施生物炭处理中，B2N1处理干物质转运量、转运效率及转运贡献率最高，干物质转运量与CK处理相比差异显著，氮肥与生物炭交互作用对小麦单株粒重影响显著（P＜0.05）。

表5 春小麦营养器官干物质运输及其对籽粒的贡献Table 5 Dry matter transport of vegetative organs and contribution to grain of spring wheat

2.2 生物炭对春小麦氮素积累及转运的影响

2.2.1 成熟期氮素分配添加不同量生物炭对春小麦成熟期植株氮素分布有显著性影响，由表6可知，成熟期小麦各器官氮素分布表现为籽粒＞茎鞘＞颖壳＞叶片。CK处理籽粒中氮素分配比例最低，单施不同量生物炭可提高成熟期籽粒中氮素积累量，但仍低于B0N1处理。氮肥减量配施生物炭条件下，成熟期籽粒中氮素积累量持续增加，以B1N1处理下籽粒中氮素分配比例最高，为78.76%，与除B0N1处理外的其他处理间差异显著，且氮肥与生物炭互作对籽粒中氮素积累影响极显著（P＜0.01）。

表6 春小麦成熟期氮素积累及分配比例Table 6 Nitrogen accumulation and distribution ratio in spring wheat at mature stage

2.2.2 氮素积累与转运不同处理对春小麦氮素积累和转运存在显著性影响（表7），单施不同量生物炭均能不同程度地提高春小麦氮素积累量、转运量及转运效率，且氮素转运量、转运效率及转运贡献率都随着生物炭施用量的增加呈先升高后降低的趋势，以B2处理效果最好，B2N0处理较CK处理分别增加21.7%、55.6%和17.6%；氮肥减量配施生物炭处理中以B2N1处理最佳，较CK处理分别增加33.9%、63.9%和19.6%。总体上氮肥减量配施生物炭效果要优于单施生物炭。氮肥与生物炭交互作用对春小麦氮素积累及转运影响显著（P＜0.05）。

表7 春小麦氮素积累与转运Table 7 Nitrogen accumulation and transport in spring wheat

2.3 生物炭用量对春小麦产量及其构成因素的影响

从表8可以看出，生物炭添加不同处理对小麦产量及其构成因素影响显著。CK处理产量及其构成因素均较低，产量为5989.8kg/hm2；与CK处理相比，B0N1处理穗数、穗粒数及产量均显著增加（P＜0.05），分别提高了15.9%、8.6%和31.9%；单施生物炭B1N0、B2N0处理产量较CK处理分别显著增加24.6%、25.4%（P＜0.05），而B3N0处理与CK处理无显著性差异；在氮肥减量配施生物炭处理中，B2N1处理产量最高，B1N1处理次之，B3N1处理最低。总体来看，氮肥减量配施生物炭与单施生物炭相比，提高春小麦产量达8.7%，且中量生物炭（20t/hm2）与氮肥配施时增产效果最为显著（P＜0.05）。

表8 不同处理下春小麦产量及其构成因素Table 8 Spring wheat yield and its components under different treatments

3 讨论

生物炭可改良土壤，并影响作物生长。本研究结果表明，施用不同量生物炭2年后仍可促进春小麦花前干物质积累量，提高干物质的转运效率及其对籽粒形成的贡献率，增加小麦产量。与氮肥单施相比，施加生物炭后千粒重增加5.1%，产量增加7.6%。分析认为，一方面生物炭多孔结构可吸附肥料养分，作为肥料缓释载体的养分“暂存库”，延缓肥料中养分释放，弥补化学肥料养分释放快、肥效期短的不足，使土壤具有持续供肥能力，提高肥料利用率[13]，利于作物生长；另一方面生物炭添加可改善土壤环境，使土壤中养分更加丰富，微生物活动频繁，促进土壤微生物活性[14]，正向激发土壤养分运转[15]，提高植物养分利用。国内外有关生物炭对作物生长影响的试验结果不一，多数研究[16-17]结果显示，生物炭对作物生长发育和产量等均有积极、长效的作用。

春小麦干物质积累转运与产量形成关系密切，其籽粒形成主要来源于花前营养器官物质转运及花后功能叶光合产物积累[18]。一般来说，干物质积累量越大，籽粒产量越高[19]。张娜等[20]研究了生物炭对夏玉米生长的影响，发现施用生物炭较不施生物炭能够促进夏玉米干物质积累，并且较对照显著增产8.8%。本研究结果与之相似，生物炭添加2年后春小麦各器官干物质积累、分配及转运较CK处理均有显著提升，尤其是籽粒中干物质分配显著增加8.9%，且颖壳中干物质分配比例显著降低了19.7%，极大地促进了干物质向籽粒中转运，提高了小麦产量。程效义等[21]研究发现，在施肥基础上添加生物炭20t/hm2，可延长玉米旺盛生长期，本研究结果与之相似，通过Logistic方程拟合的干物质积累进程发现，生物炭添加延长了干物质快增期的持续时间，提高了干物质积累速率，从而使干物质得到更有效的积累，粒重较对照显著提升7.4%，产量显著提高20.3%。分析认为，生物炭作为一种外源有机质，其自身就携带一定营养物质[13]，有利于作物的生长发育，此外，由于生物炭的抗拉强度较低，生物炭在土壤中的应用随土壤抗拉强度下降而降低，进一步促进了根系在土壤中的穿透性[22]，有效地促进了作物根系发育，从而提高了作物吸收养分的能力，进而提高作物产量。

氮素是作物干物质积累的前提，其在作物器官中的积累与转运直接或间接影响产量[23]。本试验中，施用不同量生物炭2年后，小麦籽粒中氮素积累量较CK处理显著提升2.1%，当施炭量20t/hm2时氮素转运量、转运效率及转运贡献率最佳，较CK处理分别显著提高55.6%、17.6%和43.4%，产量显著提升29.3%，且生物炭配施氮肥增产效果要优于生物炭单施。由于生物炭添加使土壤结构更加稳定[24-25]，为土壤微生物提供了良好的生存环境，使微生物活动更加频繁，从而加快有机质腐解，提升土壤供氮能力[26]，有利于作物对氮素的吸收，促进了作物氮素积累。徐晓楠等[27]研究表明，秸秆生物炭还田可显著提高花生整株的氮、磷、钾积累量，特别是提高生育后期的养分分配量，对花生高产增效有良好的促进作用。张伟明等[28]研究表明，生物炭配施化肥可提高作物成熟期的氮素积累量，本研究得到了相同结果。生物炭可改善土壤孔隙结构，延长氮素在土壤中的持留时间，提高了土壤氮素有效性，进而加强作物对氮素的吸收与转运[29]。作物根系氮素吸收能力与植株氮素含量密切相关[30]，但由于生物炭呈碱性，大量施入土壤后，会使土壤pH升高[31]，pH变化会直接影响作物根系发展，从而使作物生长发育受到影响[32]。陈富彩等[33]研究发现，当生物炭和草炭用量为9t/hm2时，烟叶含氮量较对照显著提升了20.26%，当用量达到12t/hm2时，烟叶氮含量反而较对照降低，本试验结果与其相似，生物炭用量达到30t/hm2时，春小麦各器官氮素积累及转运明显受到抑制。可能由于生物炭添加增强了土壤保水性[34]，水土交融导致土壤变紧实，阻碍土壤养分释放，间接抑制了根系对养分的吸收[35]，进而影响氮素运移。本研究还发现，单施生物炭较CK处理显著提高了春小麦氮素积累量及氮素转运效率，显著提高了春小麦产量，这是由于长期大量施氮导致土壤氮素背景值升高，而添加生物炭可使土壤中残留氮素得以活化，土壤中有效氮增加，有利于作物氮素吸收，从而提高作物产量。此外，生物炭施用时间也会对作物产量产生影响，生物炭添加短时间内对作物增产效果不显著，长期添加后作物产量显著增加，即长期效应要大于短期效应[36-37]。因此，生物炭添加提高作物产量效应，需要更长期的深入研究。