氮肥减量配施生物质炭对春小麦群体结构、光合特性及产量的影响

摘 要：【目的】研究生物质炭单施和与氮肥配施对灌区春小麦群体结构、光合特性及产量的影响，为生物质炭及化肥的合理利用提供科学依据。

【方法】试验采用随机区组设计，设2个氮肥施用水平（0、150 kg/hm2），4个生物质炭水平（0、10、20和30 t/hm2），于2020年对新春46号的群体结构、光合特性及产量进行分析。

【结果】在B2N1处理，即氮肥减量（150 kg/hm2）与中量生物质炭（20 t/hm2）配施下，春小麦群体结构、叶面积指数、叶片SPAD值、净光合速率及产量均达到最佳，较对照分别提高了15.04%～32.98%、3.67%～89.82%、5.63%～11.46%、17.95%～81.68%和29.73%。与对照相比，单施生物质炭及生物质炭与氮肥配施均提高了春小麦产量，增产幅度为7.52%～29.73%。

【结论】氮肥减量150" kg/hm2配施20 t/hm2生物质炭（B2N1）其增产效果最佳。

关键词：生物质炭；氮肥；春小麦；群体结构；产量

中图分类号：S512"" 文献标志码：A"" 文章编号：1001-4330（2024）07-1582-08

0 引 言

【研究意义】氮肥在我国的施用量占化肥总量的2/3［1］，若过量施氮，则出现氮素利用率降低、土壤板结和土壤养分失衡等问题［2］。有机物料代替部分氮肥可起到环保和高产高效的作用［3］。生物质炭具有较大的比表面积较强的吸附性能及发达的孔隙结构，并能提高氮肥利用效率［4］，小麦生物质炭与氮肥配施，可显著提高鼓节竹发笋末期生长和光合特性［5］。【前人研究进展】生物质炭可以代替部分氮肥，提高小麦旗叶SPAD值、净光合速率、促进增产［6］。冯美玲［7］研究显示，生物质炭（7 500 kg/hm2）与氮肥（90 kg/hm2）配施，对白芨光合参数提升均有积极效应。生物质炭对作物SPAD值、光合参数及生长指标均有一定的作用，作物光合潜力可通过降低光合午休的途径提升［8-10］。【本研究切入点】有关氮肥减量配施生物质炭对春小麦群体结构、光合特性及产量的影响的文献较少。需研究生物质炭单施和与氮肥配施对灌区春小麦群体结构、光合特性及产量的影响。【拟解决的关键问题】研究选取新疆北疆典型的灌区麦田，研究配施生物质炭对春小麦群体结构、光合特征及产量的影响，为生物质炭和氮肥的合理施用、农田增产增效提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

于2018年在新疆农业科学院奇台麦类试验站（89°13′～91°22′E，42°25′～45°29′N）进行2年定位试验。奇台县属于温带大陆性半荒漠干旱性气候，年平均气温5.5℃，7月平均气温22.6℃，极端最高气温39℃，1月平均气温-18.9℃，极端最低气温-37.3℃。年均相对湿度60%。无霜期年均153 d（从4月下旬到10月上旬）。年均降水量269.4 mm。

试验所用棉秆炭由新疆农业科学院提供，碳化温度450℃，碳化时间4 h。土壤为沙壤土，pH值9.37，全氮21.76 g/kg，碱解氮5.38 mg/kg，速效磷 200.94 mg/kg。

供试氮肥为尿素（含纯N 46%），供试品种为新春46号。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验于2020年4月采用随机区组设计，设氮肥用量2个水平（N0、N1），生物质炭4个水平（B0、B1、B2、B3），共计8个处理，每个处理3次重复，每个小区面积9 m2（3 m×3 m），共计24个小区。播种方式为等行距条播，行距20 cm，播种量450×104 株/hm2。播种前将生物质炭均匀撒于田间表土，人工均匀翻入30 cm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，其他管理措施与当地一般高产田相同。表1

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 春小麦群体结构

分别于春小麦播种后拔节期与成熟期，每小区取1 m2具有代表性的区域进行茎蘖总数定点调查，并计算茎蘖成穗率［11］。

茎蘖成穗率（%）=成熟期群体总茎数/拔节期群体总茎数×100%。

1.2.2.2 SPAD值

分别于花后0 d（开花期）、花后7 d、花后14 d、花后21 d和花后28 d，在各小区标记选取长势基本一致与无损伤的旗叶，使用SPAD-502型叶绿素仪对旗叶SPAD值进行测定，测定时取叶片上中下的平均值。

1.2.2.3 叶面积

分别于拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期测定，在不同处理的小区选择长势一致小麦，用长宽系数法测定，并计算叶面积指数。

1.2.2.4 光合参数

分别于小麦开花后0 d（开花期）、花后7 d、花后14 d、花后21 d和花后28 d，每小区随机取3株于11：00～13：00晴朗无风天，使用英国PPSystems公司产TPS-2光合测定仪测定其净光合速率、蒸腾速率、气孔导度及胞间CO2浓度。

1.2.2.5 春小麦产量及其构成因素

在小麦成熟后，每小区长势均匀处选取1 m2调查穗数，之后每小区选取代表性15个样株，用于后期考种。每个小区人工收割，实打实收，计算产量。

1.3 数据处理

采用Excel2019和DPS 7.05进行双因素数据统计与分析，并检验其显著性，Origin2021作图。

2 结果与分析

2.1 炭氮配施对春小麦群体结构的影响

研究表明，不同处理对春小麦干物质转运的影响存在差异。单施不同量生物质炭均可不同程度提高春小麦茎蘖数和成穗率，春小麦茎蘖数（成熟期）和成穗率总体变化趋势为B2N0gt;B1N0gt;B3N0，分别较对照B0N0处理提高12.44%、22.59%和12.06%，成穗率分别提高7.45%、13.69%和6.14%，但B1N0与B3N0处理间无显著差异。氮肥与生物质炭配施（B1N1、B2N1和B3N1）处理中，B2N1处理下春小麦茎蘖数和成穗率达到最高，与对照相比茎蘖数提高15.60%（拔节期）和32.98%（成熟期），成穗率提高15.04%，并与对照相比差异显著。 图1

2.2 炭氮配施对春小麦光合特性的影响

2.2.1 炭氮配施对春小麦旗叶叶绿素的影响

研究表明，在施氮量相同的条件下，春小麦旗叶叶绿素SPAD值随施生物质炭量的增加呈先升后降的趋势，均在B2处理下达到最大。在花后28 d时，氮肥与生物质炭配施（B1N1、B2N1和B3N1）处理较CK存在显著影响，幅度为8.51%～11.46%，其中B2N1处SPAD值最高。在花后0、7、14 d时，生物质炭施用对春小麦旗叶SPAD值存在显著影响，而氮肥施用对花后7、14、21和28 d的SPAD值存在显著影响（除花后0 d）。表2

2.2.2 炭氮配施对春小麦单株叶面积指数（LAI）的影响

研究表明，随生育时期的推进，小麦单株LAI值在各处理下均呈先增后减的趋势，并在孕穗期达到最大，与对照（CK）相比，各处理间差异显著（Plt;0.05）；与单施氮肥（B0N1）处理相比，生物质炭施用均显著提高了孕穗期春小麦LAI值，并随生物质炭用量增加呈先增后减的趋势。不同处理下，春小麦LAI值的变化顺序为B2N1gt;B3N1gt;B1N1gt;B0N1gt;B2N0gt;B1N0gt;B3N0gt;B0N0。与对照相比，各生育期LAI值分别较B0N0处理提高了89.82%、68.61%、59.93%、52.09%、48.58%、26.54%和3.67%。图2

2.2.3 炭氮配施对春小麦光合参数的影响

研究表明，与CK相比，施肥对春小麦旗叶光合参数均有所改善。随生育时期的推进，小麦净光合速率总体呈逐渐下降趋势。在施氮量相同（N0、N1）条件下，小麦净光合速率随生物质炭施用量呈先增后减趋势，均表现为B2gt;B1gt;B3；不同处理间小麦气孔导度在花后28 d差异显著，且均在B2N1处理下达到最大，并与CK相比差异显著（除花后7 d）；春小麦蒸腾速率在各处理间差异不显著；炭氮配施较单施生物质炭相比，显著将低了胞间CO2浓度（除花后0、14 d）。图3

2.3 炭氮配施对春小麦产量的影响

研究表明，与CK相比，单施生物质炭显著增加了春小麦穗数和千粒重，具有明显的增产效应。生物质炭与氮配施下春小麦产量均高于单施生物质炭处理，且较对照存在显著影响，其中B2N1处理的效果最为明显，其穗数、穗粒数、千粒重分别较CK提高11.01%、11.53%和4.77%；产量达8367.98 kg/hm2，较CK提高了29.73%。生物质炭对春小麦穗粒数和产量差异显著（P＜0.05），氮肥对春小麦产量差异显著（P＜0.05），生物质炭和氮肥对春小麦千粒重均差异极显著（P＜0.01）。表3

3 讨 论

3.1

在生产中，可通过增施氮肥提高单位面积茎蘖数，调整小麦群体结构，最终实现增产［12］，但当氮肥施用量超过180 kg/hm2对小麦群体茎蘖总无显著影响［13］，而适当减少氮肥用量配施生物质炭能有效增加作物的有效分蘖，提高作物总茎蘖数，促进分蘖成穗率，实现增产［14，15］。试验在氮肥减量施用时（与常规施氮相比减少了50%），小麦群体茎蘖数和成穗率均随生物质炭添加量呈先增后降的趋势，均在添加中量生物质炭（20 t/hm2）时达到最大，说明在合理减施氮肥的条件下也能够增加茎蘖数，使茎蘖成穗率保持在较高水平，这与董文华等［16］的研究结果基本一致。柳瑞等［17］研究表明，与单纯减氮相比，在减氮40%+15 t/hm2生物质炭时，水稻分蘖数提高，并且施用稻秆生物质炭15 t/hm2时，能减少化学氮肥施用量20%～40%，同时还可以保持水稻产量。试验

研究表明，与对照相比，生物质炭与氮肥配施显著提高了拔节期与成熟期小麦群体茎蘖数和成穗率，其各处理下群体茎蘖数增幅为5.73%～30.14%，成穗率增幅为7.03%～14.04%，其中以氮肥减量配施中量生物质炭效果最优，说明在适当减少氮肥施用条件下，生物质炭可以代替部分氮肥调节作物的群体结构，因为生物质炭本身含有的氮元素补充了减少的氮肥，使养分得到补充和均衡；生物质炭作为土壤改良剂，改善土壤结构，提高土壤养分及养分利用率，促进了作物的群体质量及产量的提高［18］。

3.2

有机肥与无机肥配施可延缓小麦叶片衰老，延长叶片光合作用时间［19］。减少氮肥（常规施氮量的10%～20%）用量并配施生物质炭对烟株生长及其叶绿素含量和净光合速率并无显著影响［20］；等氮量条件下增加有机氮的比例时，玉米SPAD和LAI并未同步增加，其光合效率也无显著变化［21］。研究结果发现，氮肥减量配施生物质炭处理下春小麦的叶绿素含量、叶面积指数、净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均高于对照及单施生物质炭处理，其中B2N1处理较对照差异显著。生物质炭本身含有少量的N、P、K及一些微量元素，可以为小麦生长提供良好的生育环境［22］；生物质炭具有微孔结构，表面积大等特点，可以改善土壤的透气、透水性，同时可以促进土壤微生物的生存繁衍，增加农田土壤中有益菌群群落，为小麦根系吸收营养提供便利［23，24］。研究在单施生物质炭时，较对照相比均提高了小麦的叶绿素含量、叶面积指数、净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，与韩光明等［25］的研究结果一致。而部分胞间CO2浓度低于对照，与王艳芳等［8］研究结果保持一致，但与韩光明等［25］的结论不一致，是因为施肥处理方式或研究对象（棉花和小麦）的不同。生物质炭添加对小麦光合特性的影响表现为B2gt;B1gt;B3，说明高量生物质炭对小麦的光合作用具有抑制作用，与阚正荣等［26］的研究结果一致。

3.3

研究结果表明，减氮配施生物质炭较单纯减氮相比，增加了春小麦产量，增幅为3.27%～17.23%；减氮配施生物质炭处理的小麦产量及构成因素均高于单施生物质炭，与对照相比，减氮配施生物质炭通过显著增加春小麦有效穗数和千粒重而提高产量，穗数直接受其茎蘖数影响，而配施生物质炭可显著增加春小麦的茎蘖数。研究还发现，单施生物质炭小麦穗数和千粒重较对照显著增加，随生物质炭添加量的增加，产量及产量构成呈先增后减趋势，与张爱平等［27］研究结果不一致，生物质炭添加量与水稻穗粒数及产量呈正相关，而在不施氮肥条件下，生物质炭添加对水稻产量及产量构成影响不显著的结果不一致，是因为土壤理化性质和生物质炭添加量的不同造成的。Major等［28］通过在玉米大豆轮作的基础上施用生物质炭的多年试验发现，第一年的产量在20 t/hm2生物质炭处理下影响并不显著，在2～4年逐年增加，在第4年提高140%。研究为2年定位试验，对于减氮条件下配施生物质炭是否具有累加效应有待进一步探究。

4 结 论

在氮肥减量条件下，配施生物质炭处理对小麦的影响效果均优于对照及单一施用生物质炭。减量氮肥（150 kg/hm2）配施中量生物质炭（20 t/hm2）显著提高了春小麦的群体结构、光合特性及产量，产量较对照提高29.73%。

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Effects of nitrogen fertilizer reduction and biochar application

on population structure， photosynthetic characteristics

and yield of spring wheat

YANG Mei1， ZHAO Hongmei2， Dilireba Xiamixiding1，

YANG Weijun1， ZHANG Jinshan1， HUI Chao1

（1. Xinjiang Engineering Technology Research Center of High-Quality Special Triticeae Crops， College of Agriculture， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052，China; 2. College of Resources and Environment， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract：【Objective】 This study further carried out the research on the impact of biochar single application and combined application of nitrogen fertilizer on the population structure， photosynthetic characteristics and yield of spring wheat in irrigation areas， aiming to provide scientific basis for the rational use of biochar and fertilizer.

【Methods】 The experiment adopted a randomized block design， set up 2 nitrogen fertilizer application levels （0， 150 kg/hm2） and 4 levels of biomass charcoal （0， 10， 20， 30 t/hm2） for research. After that， the population structure， photosynthetic characteristics and yield of Xinchun 46 wheat were analyzed in 2020.

【Results】" The results showed that under B2N1 treatment， nitrogen fertilizer reduction （150 kg/hm2）， compared to medium biomass charcoal （20 t/hm2） under the combined application， the population structure， leaf area index， leaf SPAD value， net photosynthetic rate， and yield of spring wheat all reached the optimal level， increased by 15.04% to 32.98%， 3.67% to 89.82%， 5.63% to 11.46%， 17.95% to 81.68%， and 29.73% compared to the control， respectively. Compared with the control， the single application of biochar and the combination of biochar and nitrogen fertilizer increased spring wheat yield by 7.52% to 29.73%.

【Conclusion】"" Nitrogen fertilizer is reduced by 150 kg/hm2 and applied in combination with 20 t/hm2（B2N1） biochar has the best effect in increasing production.

Key words：biochar; nitrogen fertilizer; spring wheat; group structure; yield

Fund projects： National Natural Science Foundation Project （32260326）; Modern Agricultural Industry （Wheat） System Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region; Xinjiang Agricultural University Undergraduate Innovation Project （dxscx2023009）

Correspondence author： YANG Weijun（1984-）， female， from Gansu， associate professor， research direction：farmland ecology， （E-mail）1984_ywj@163.com

收稿日期（Received）：

2023-12-25

基金项目：

国家自然科学基金项目（32260326）；新疆维吾尔自治区现代农业产业（小麦）体系项目；新疆农业大学大学生创新项目（dxscx2023009）

作者简介：

杨梅（1995-），女，甘肃人，硕士研究生，研究方向为农田生态，（E-mail）3087690043@qq.com

通讯作者：

杨卫君（1984-），女，甘肃人，副教授，博士，硕士生/博士生导师，研究方向为农田生态，（E-mail）1984_ywj@163.com