生物炭还田方式对冬小麦籽粒灌浆特性及产量的影响

张 莉，马国珠，谷彩花，赵 敏，刘合满，付国占

(1.信阳农林学院农学院，河南信阳 464001； 2. 河南科技大学农学院，河南洛阳 471023 )

黄淮海地区是我国粮食主产区，2018年该区冬小麦产量占全国小麦总产的80%以上，玉米产量占全国玉米总产的30%以上，冬小麦-夏玉米是该区主要的种植模式。目前普遍使用玉米秸秆直接粉碎还田的耕作方式常影响后茬小麦出苗，造成缺苗断垄、幼苗群体质量差等问题，改进夏玉米秸秆还田方式对冬小麦高产稳产有重要意义。

陈温福院士提出秸秆炭化还田，即将结构蓬松的秸秆在缺氧条件下，经过高温裂解变成生物炭还田。由于等质量秸秆炭化后粒径变小，堆积密度增加，体积缩小，施入土壤可有效避免因秸秆还田形成的“空洞”，减少土壤水分蒸发。同时易与土壤颗粒形成微小团粒，降低土壤三相结构指数，增加土壤孔隙度，加快土壤水分入渗速度，增加累积入渗量，提高土壤保水能力，缓解水分亏缺对小麦的伤害。李中阳等研究表明，生物炭还田可缓解土壤板结情况，增加冬小麦总根长和总表面积，延缓生育后期根系衰老速度，减弱冬小麦灌浆期旗叶光合“午休”，显著提高旗叶净光合速率，促使小麦增产。还有学者研究指出，生物炭还田可增加土壤养分含量，促进植株对氮、磷、钾元素的吸收，提高小麦产量。可见，生物炭还田在改善还田土壤质量、提高小麦产量方面具有巨大的潜力和优势。但目前关于生物炭还田的研究大多集中在土壤理化性质和小麦产量方面，有关生物炭还田对冬小麦产量形成机理的研究较少；同时，缺乏生物炭不同耕作方式下还田对冬小麦产量影响的对比研究。而灌浆是影响小麦籽粒产量形成的重要生理过程，灌浆进程与籽粒产量密切相关。鉴于此，本研究选用扬麦13为供试品种，分析了生物炭不同还田方式对小麦籽粒灌浆特性、干物质转运和产量影响，以期探明生物炭还田方式下冬小麦产量形成机制，为生物炭的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019—2020年在河南省信阳市赵洼村信阳农林学院试验基地(E 113°56′32″、N 32°22′8″)进行，该地区属于亚热带季风气候向暖温带过渡气候，年均日照时数为1 900～2 100 h，常年≥10 ℃的积温4 621 ℃，年均气温15.1～ 15.3 ℃，无霜期220～240 d，年平均降水量1 100 mm，主要集中在夏秋两季。该地区为冬小麦生长季无灌溉区，2008—2018年冬小麦生长季总降水量平均为487.2 mm，2019—2020年仅为 327.10 mm，4月和5月降水量为45.5 mm，比往年同期减少77.78%，具体降水分布见图1。供试土壤为黄棕壤，0～40 cm土层土壤基础理化性质见表1。

1.2 试验设计

供试小麦品种为扬麦13。试验以旋耕生物炭不还田为对照(CK)，设生物炭旋耕还田(XG)、常规翻耕还田(FG)和深翻还田(SFG)3种还田方式，共4个处理。供试玉米秸秆生物炭由河南立泽环保科技有限公司提供，碳含量≥70%，pH值为9.0。生物炭还田处理均撒施等量生物炭 (1 000 kg·hm)后再进行相应耕作。其中，旋耕处理用东风-12型手扶拖拉机与配套的旋耕犁进行(深度为15～20 cm)；常规翻耕用东风-12型手扶拖拉机与配套铧式犁进行(深度为20～25 cm)；深翻还田(SFG)用东风-12型手扶拖拉机与配套铧式犁进行(深度为25～30 cm)；耕作后各处理撒施等量的化肥，并用旋耕犁旋耕平整地表。试验采用随机区组设计，每个处理3次重复，小区面积60 m(10 m×6 m)。小麦于2019年11月2号人工点播，播量225 kg·hm，行距20 cm；2020年6月1日收获。供试化肥为尿素、过磷酸钙和硫酸钾，施用量分别为N 105 kg·hm、PO120 kg·hm和KO 150 kg·hm。小麦生长季无人工灌溉，其他管理措施同当地常规大田。

图1 冬小麦生育期内日降水量

表1 土壤基础理化性质Table 1 Basic chemical and physical properties of the experiment soil

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质转运与分配相关指标测定

于开花期和成熟期各小区取30个地上单茎，开花期的地上部营养器官、成熟期的籽粒和地上部营养器官，在105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干、称重，参照王鑫炜等方法测定干物质积累与分配相关指标，具体如下：

花前干物质转运量=开花期营养器官干物质量-成熟期营养器官干物质量；

花前干物质贡献率=花前干物质转运量/成熟期籽粒重×100%；

花后干物质积累量=成熟期植株干物质量-开花期植株干物质量；

花后干物质贡献率=花后干物质积累量/成熟期籽粒重×100%。

1.3.2 籽粒灌浆特性测定

于开花期标记长势一致麦穗；按小区每隔7 d取30个麦穗，剥取麦穗中部小穗的第1位和第2位籽粒(强势粒)、第3位和第4位籽粒(弱势粒)，105 ℃杀青15 min，75 ℃烘干至恒重，称取干重后参照王雪莱等方法计算灌浆速率= (+1-)(+1-)，用Logistic方程=(1+-) 拟合小麦籽粒灌浆过程。式中，是灌浆速率(mg·grain·d)，+1为开花后+1d的籽粒重(g)，为开花后d的籽粒重(g)，+1为开花后+1 d，为开花后d，为籽粒重量(g)，为开花后天数(d)，为终极生长量，为初值参数，为生长速率参数。由方程一阶导数和二阶导数，推导出灌浆参数。积累起始势=，灌浆活跃期=6，灌浆速率最大时间=ln，最大灌浆速率=×(1-/)，灌浆速率最大时的生长量=/2。

1.3.3 产量及其构成测定

成熟期去除边行，各小区调查1 m的有效穗数，随机选取30个麦穗，测定穗粒数和千粒重；按小区收获，晒干后测定籽粒含水量， 以含水量13%计算实际产量。

1.4 数据分析

用Excel 2010处理数据，用Curve Expert 1.4 拟合灌浆过程，用SPSS 23.0进行方差分析，用LSD进行多重比较。

表2 不同处理处理下冬小麦地上干物质积累与分配Table 2 Dry matter accumulation and distribution of winter wheat under different treatments

2 结果与分析

2.1 生物炭不同还田方式对冬小麦地上干物质积累与转运的影响

由表2可知，生物炭还田各处理(XG、FG、SFG)开花前、开花后干物质积累量和转运量均高于不还田处理(CK)。3个生物炭还田处理的花前干物质积累量差异显著，其中XG处理分别比FG和SFG处理提高2.48%和5.54%，其花前干物质转运量和对籽粒产量贡献率无显著差异。XG处理花后干物质积累量和对籽粒产量贡献率均高于FG和SFG处理，其花后干物质积累量较FG和SFG处理显著提高(6.66%和14.31%)，贡献率提高0.35和2.14个百分点，但差异不 显著。

2.2 生物炭不同还田方式对冬小麦灌浆特性的影响

2.2.1 籽粒干物质积累动态

由图2可知，生物体炭还田对籽粒干重增长趋势无显著影响，各处理冬小麦强、弱势粒千粒重均表现为慢-快-慢的增长趋势，可分为渐增期(花后0～7 d)、快增期(花后8～28 d)、缓增期(花后29～35 d)三个阶段。与CK相比，生物炭还田处理可提高强势粒、弱势粒千粒重，且对弱势粒千粒重提升作用更明显。与CK相比，XG处理弱势粒千粒重提高了9.08%～47.19%，FG处理提高了6.51%～35.28%，SFG处理提高了 3.63%～17.12%。在生物炭还田处理中，XG处理花后14、21、28和35 d强势粒千粒重比FG和SFG处理提高 3.38%～8.43%和4.70%～ 11.33%，弱势粒千粒重分别比FG和SFG处理提高5.11%～ 8.80%和11.71%～25.67%，差异均达到0.05显著水平。

2.2.2 籽粒灌浆速率

由图3可知，在渐增期、快增期和缓增期三个阶段，XG、FG和SFG处理冬小麦强势粒、弱势粒灌浆速率均高于不还田处理CK，且在快增期各处理间差异均达到显著水平。在生物炭还田处理中，XG处理三个阶段强势粒、弱势粒的灌浆速率均高于FG和SFG处理，其中XG处理快增期强势粒的灌灌浆速率分别比FG和SFG处理提高2.53%和3.81%，弱势粒灌浆速率提高6.15%和13.36%。

图2 不同处理冬小麦强、弱势粒千粒重动态

相同时期图柱上不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

2.2.3 籽粒灌浆模型参数

由表3可知，3个生物炭还田处理对强势粒、弱势粒的起始生长势()无显著影响，对强势粒、弱势粒的最大灌浆速率()、最大灌浆速率生长量()、最大灌浆速率的时间()和灌浆活跃期()影响显著，且XG和FG处理表现更突出。在强势粒方面，与CK相比，XG和FG处理的显著提高(6.33%和3.94%)，显著增加(6.69%和3.59%)，显著减少 (4.81%和3.50%)，各处理间灌浆活跃期无显著差异。在弱势粒方面，XG和FG处理的和均显著高于CK和SFG，均显著低于CK和SFG。与FG处理相比，XG处理的和显著提高(5.58%和4.88%)，而两处理间差异不显著。

表3 不同处理对冬小麦籽粒灌浆特性的影响Table 3 Effects of different treatments on grain filling parameters of winter wheat

2.3 生物炭不同还田方式对冬小麦产量及构成的影响

由表4可知，生物炭还田各处理可显著提高冬小麦产量，且XG处理产量最高，比FG和SFG处理显著提高，分别提高3.05%和10.63%。在产量构成方面，处理间均表现为XG>FG>SFG>CK。与CK相比，XG和FG处理冬小麦有效穗数提高3.63%和1.41%，穗粒数提高17.01%和14.19%，千粒重提高8.19%和6.18%，差异均显著；而SFG处理的有效穗数、穗粒数与CK间无显著差异。

表4 不同处理对冬小麦产量及构成因素的影响Table 4 Effects of different treatments on grain yield and its components of winter wheat

3 讨 论

3.1 生物炭还田方式对干物质转运的影响

地上干物质是冬小麦籽粒产量形成的物质基础，在一定范围内，籽粒产量随着干物质积累量的增加而增加，尤其是与开花后营养器官干物质及其在各营养器官的分配密切相关。赵红玉等认为，生物炭还田可缓解旗叶衰老，增强光合作用，促进冬小麦干物质积累。本研究结果与其相似，生物炭还田可显著增加开花前和花后地上干物质积累量与转运量，且相对于翻耕还田和深翻还田，生物炭旋耕还田在增加花后干物质向籽粒的转运量和提高花后干物质的贡献率方面更加突出。这应与不同耕作方式改变生物炭在土层间的空间分布有关。研究表明，生物炭微孔结构丰富，比表面积大、含氧官能团多，可吸附肥料中的速效养分，减少氮磷钾的淋溶，提高养分有效性。旋耕还田使得生物炭与化肥分布在0～20 cm耕层，能更好发挥生物炭对养分的吸持作用，延长养分在土壤中的滞留时间，满足冬小麦生长中后期对养分的需求，使得灌浆期旗叶保持较高的光合性能，显著提高花后光合同化物的积累量及其向籽粒的转运量。

3.2 生物炭还田方式对冬小麦强、弱势粒灌浆特性的影响

灌浆是影响籽粒产量形成的重要生理过程，小麦灌浆进程与粒重密切相关，在单位面积有效穗数一定时，提高灌浆速率和延长灌浆持续期对增加产量具有重要意义。本研究结果表明，生物炭还田不影响冬小麦强、弱势粒的灌浆规律，各处理粒重均表现为慢-快-慢的变化趋势，但提高了渐增期、快增期、缓增期强、弱势粒的灌浆速率。这可能是由于生物炭还田改善了土壤质量，减弱冬小麦开花期和灌浆期的光合“午休”，增强光合性能，为籽粒充实合成了较多的碳水化合物。用 Logistics 方程对灌浆进程拟合后发现，处理间强、弱势粒灌浆起始势和灌浆活跃期均无显著差异，说明生物炭不影响籽粒灌浆启动的时间和灌浆持续天数，但显著提高强弱、弱势粒最大灌浆速率，缩短到达最大灌浆速率的时间，其中旋耕还田强、弱势粒最大灌浆速率显著高于翻耕还田和深翻耕还田处理，这可能与生物炭旋耕还田能维持较好的土壤水分状况有关。试验地区为豫南无灌溉区，冬小麦生长季常年降水量为480 mm左右，基本满足小麦正常需求(405～414 mm)，但试验期间冬小麦生长期降水稀少，总量不足330 mm，且4月和5月降水量不足50 mm，此时正值冬小麦灌浆期，是作物水分需求的临界期，土壤水分状况是冬小麦高产稳产的关键。而不同耕作方式改变了土壤物理结构，影响土壤水分入渗运移过程。孙宁婷等研究指出，生物炭施入20 cm土层可显著降低水分运移速率，提高该层土壤含水量。同时，生物质炭具有良好的亲水性和较大的比表面积，还能增强对土壤水分的吸持能力，降低累积蒸发量，增加土壤水分含量，有效减轻干旱对光合的抑制，使灌浆期合成充足的光合产物，满足了强、弱势粒灌浆需求。而深翻和翻耕破坏深层土壤结构，增强土壤扰动，增大表土水分无效蒸发以及底土水的渗漏，加剧了灌浆期水分亏缺对籽粒灌浆的抑制，影响籽粒灌浆，粒重低于旋耕还田。

3.3 生物炭还田方式对冬小麦产量的影响

研究表明，生物炭还田可改善土壤结构，增强土壤养分供给能力和持水性，优化作物生长环境，利于作物增产，但由于还田数量和耕作方式的不同，增产效果存在一定差异。姜佰文等研究结果显示，旋耕条件下施用低量生物炭能显著提高玉米产量，深翻条件下施用高量生物炭更利于玉米增产。本研究结果与前人相似，生物炭还田可协调有效穗数、穗粒数和千粒重三因素间的关系，提高冬小麦产量，且旋耕还田小麦产量显著高于翻耕还田和深翻还田。究其原因可能是生物炭与土壤混合程度不同造成的。相对于翻耕还田和深翻还田，旋耕还田生物炭主要与0～20 cm浅层土壤混合，使得耕层单位体积土壤中生物炭含量较高，可有效降低土壤容重，增加土壤总孔隙度，减轻耕层土壤黏重程度；冬小麦属于须根系作物，70%～80%根系分布在0～20 cm土层，该土层土壤结构的改善，利于根系发育，扩大了养分吸收空间，利于小穗的分化和籽粒的填充，进而使得旋耕还田处理小麦增产更显著。

综上可知，小麦-玉米轮作雨养无灌溉地区，生物炭旋耕还田更利于提高冬小麦开花期干物质积累量，促进花后干物质向籽粒转运，提高强、弱势粒平均灌浆速率和最大灌浆速率，缩短灌浆持续时间，促进花前干物质积累，提高花后光合产物对籽粒贡献率，进而促进小麦增产。但籽粒灌浆过程与土壤水分状况关系密切，麦玉轮作无灌溉条件下玉米生物炭最佳还田方式是否会因降雨年限不同而发生改变仍不清楚。因此，还需进一步研究生物炭不同还田方式下土壤水分变化规律与冬小麦产量形成的关系，及其对水分管理措施的响应。