生物炭對不同連作年限棉田棉花光合特性的影響

韓光明　劉東　孫世清　楊細元　陳全求　張濤　藍家樣

摘要：以品種C111為試材，選擇2、6、11和14年4種連作年限的土壤，采用0（C1）、20（C2）和40 t/hm2（C3）共3個濃度生物炭處理，在苗期（D1）、蕾期（D2）、花鈴期（D3）和吐絮期（D4）測定了不同處理對棉花葉片光合氣體交換參數、光合生理參數、葉綠素含量和產量的影響。結果表明，與C1處理相比，C2和C3處理顯著提高了棉花葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、光合能力（Pm）、表觀量子效率（AQY）、羧化效率（CE）、RUBP最大再生速率（RUBPmax）、葉綠素含量和子棉產量（P<0.05），并且40 t/hm-2生物炭處理（C3）顯著高于20 t/hm2（C2）處理；不同連作年限生物炭處理胞間CO2濃度（Ci）與對照比差異不顯著 （P>0.05），連作年限長時光合速率下降的主要原因是非氣孔因素；添加生物炭處理可以降低蒸騰速率（E），但差異不顯著。

關鍵詞：生物炭；棉花；連作；光合特性

中圖分類號：S562；S141 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）24-6202-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.026

Abstract： Hybrid cotton C111 was chosen as experimental material. The cotton fields continuous cropping for 2， 6， 11 and 14 years were selected， the soil were treated by the biochar in 0（C1），20（C2） and 40 t/hm2 （C3）. Photosynthetic gas exchange parameters， photosynthetic physiological parameters， chlorophyll content and yield of cotton were investigated in seeding stage （D1）， bud stage （D2）， flowering and boll-setting period（D3） and boll opening stage（D4）. The results showed that net photosynthetic rate （Pn）， Gs，AQY， CE， RUBPmax， chlorophyll content and yield of cotton were significantly increased in C2 and C3 treatments compared with C1 treatment（P<0.05）， and C3 treatment was also higher than C2（P<0.05）. Biochar treatments in different continuous cropping years were not significantly different compared with the control in Ci， it was considered that the reduction in Pn under long continuous cropping years was mainly caused by non-stomatal restriction. Transpiration rate （E） could be reduced by biochar treatment， however， it was non-significant （P>0.05）.

Key words： biochar； cotton； continuous cropping； photosynthetic characteristics

棉花是重要的經濟作物之一，在人們的日常生活當中起著重要的作用，對區域經濟的發展也具有重要的推動作用。但由于棉農農田較少，習慣于棉田多年連作，從而造成了土壤理化性質越來越差，土壤肥力下降，病蟲害不斷加重，土壤微生物種群結構多樣性減少，產生了連作障礙，進而影響棉花產量和品質[1]，同時也嚴重制約中國棉花產區的可持續發展。研究棉花連作障礙的學者大多從連作對土壤酶[2-4]、土壤理化性質[5]、土壤微生物數量[6]以及土壤微生物種群結構多性樣和功能多樣性等多個角度分析連作對其的影響[7]，同時也有學者從添加鉀素和秸稈還田等角度研究了連作對棉花光合特性的影響[8]，但從生物炭技術角度研究不同連作年限棉花光合特性的文獻較少。

生物炭是通過農、林、牧、漁等廢棄物高溫熱解而成的一種活性物質，可有效減緩連作障礙并提高作物的光合能力[9]。生物炭施入土壤后將產生一系列的生物化學變化，生物炭處理后棉花植株的生理動態變化規律對評價生物炭技術應用于連作棉田的效果具有重要意義。為了深入揭示連作棉田添加生物炭后對光合特性的影響機制，本試驗通過不同濃度生物炭處理不同連作年限棉田土壤，研究其對光合參數、葉綠素含量和產量的影響，旨在為制定科學合理的生物炭處理模式提供理論依據，也為深入研究棉花連作障礙提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2014年5月在湖北省農業科學院經濟作物研究所進行，品種選用C111雜交棉，采用盆栽試驗，塑料盆上口直徑40 cm，底直徑20 cm，高27 cm。生物炭為玉米芯炭，由山東豐本生物科技股份有限公司提供，理化性質見表1。試驗所用土壤采自湖北省潛江市周磯鎮棉區，土壤類型為灰潮土，耕層質地為砂壤土。4種連作年限分別為2年（北緯30°25′10″、東經112°47′42″）、6年（北緯30°25′07″、東經112°47′42″）、11年（北緯30°25′10″、東經112°47′46″）和14年（北緯30°25′04″ 、東經112°47′46″）。每種土壤設置C1 （0 t/hm2）、C2 （20 t/hm2）和C3（40 t/hm2）共3個生物炭濃度梯度，分別為干基重（w/w）的0%、1.538%、3.077%。2014年5月15日生物炭粉碎過80目篩后分別與4種連作年限土壤進行充分混合。將生物炭和土壤混勻后裝入塑料盆，每盆裝入風干土7.5 kg，栽入C111雜交棉，每盆1株，每個處理30盆。各處理按等量N、P、K施入，施肥量為8 g/盆，整個生育期不追肥，試驗采用隨機區組排列。

1.2 測定方法

在苗期（D1）、蕾期（D2）、花鈴期（D3）和吐絮期（D4）采用LI-6400型便攜式光合系統（LI-6400， LI-COR Inc.，Lincoln，NE，USA）進行氣體交換參數測定。測定時選中部生長勢一致的10個棉株，測定倒3位葉的凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（E），待數值穩定后測定5個數據，取平均值。條件為：環境溫度28.9～30.3 ℃，光強1 000 μmol/（m2·s），大氣CO2濃度（Ca）為400 μmol/mol，相對濕度76%～80%。

花鈴期（D3）測定葉片凈光合速率的同時測定凈光合速率（Pn）-光合有效輻射（PAR）響應曲線和凈光合速率（Pn）-胞間CO2濃度（Ci）響應曲線。從0～1 800 μmol/mol分14個梯度進行Pn-PAR 響應曲線測定（與凈光合速率測定葉片相同，CO2濃度為400 μmol/mol），每一光強下適應2 min后記錄數值，用直線回歸求得Pn-PAR響應曲線的初始斜率dPn/dPAR，即為表觀量子效率（AQY）。從50～1 500 μmol/mol分12個濃度梯度進行Pn-Ci 響應曲線[與凈光合速率測定葉片相同，光強為1 200 μmol/（m2·s）]測定，用直線回歸求得Pn-Ci 響應曲線的初始斜率dPn/dCi，即為羧化效率（CE），以Ci飽和時的Pn為RuBP最大再生速率（RuBPmax）；以沒有氣孔限制時的同化速率（即Ci為350 μmol/mol的Pn）代表光合能力（Pm）。

在測定光合速率的同時采用日本美能達有限公司生產的便攜式手持葉綠素儀SPAD-502測定棉株葉片葉綠素含量，選生長勢一致的10個棉株，每片葉測定5個部位，避開葉脈，取平均值。吐絮期結束后，按單株摘取每個處理的子棉，完全曬干后，稱重計產，每個處理20次重復。

1.3 數據統計與分析

數據采用Microsoft Office Excel 2013進行數據整理；IBM SPSS Statistics 19統計軟件進行單因素方差分析（One-Way ANOVA），LSD法進行多重比較；采用Origin Pro 9.1軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭對不同連作年限棉花葉片氣體交換參數的影響

由圖1A可知，添加生物炭處理提高了連作棉田棉花的凈光合速率（Pn），除連作6年D3期及連作14年的D1、D2、D3期棉花凈光合速率表現為C2>C3>C1外，不同連作年限及不同生育期棉花Pn均為C3>C2>C1，添加生物炭處理C2和C3的Pn顯著高于未添加生物炭處理C1（P<0.05），但C2和C3差異不顯著。不同連作年限間光合速率從大到小依次為連作2、6、11、14年，并且連作2、6、11年棉花Pn差異不顯著（P>0.05），但均顯著高于連作14年。不同生育期棉花Pn為D3>D2>D1>D4，D3顯著高于其他3個時期，同時D2也顯著高于D1和D4，但D1和D4差異不顯著。生物炭處理與不同連作年限Pn的交互效應分析表明，蕾期、花鈴期和吐絮期兩者存在顯著性差異，說明添加生物炭處理可有效提高連作棉田棉花蕾期和花鈴期Pn，促進干物質的快速積累。

由圖1B-圖1D所示，通過單因素多變量檢驗分析，不同連作年限間氣孔導度（Gs）為C3>C2>C1，添加生物炭處理C2和C3顯著高于未添加生物炭處理C1，并且C3顯著高于C2；胞間二氧化碳濃度（Ci）也表現為C3>C2>C1，C3顯著高于C1和C2， C1與C2差異不顯著；蒸騰速率（E）則為C1>C3>C2，生物炭處理間差異不顯著。從各生育期來看，Gs為D3>D2>D4>D1，各生育時期間差異顯著，Ci為D3>D4>D1>D2，D3與D4顯著高于D1和D2，而D1與D2差異不顯著，E則表現為D4>D3>D1>D2，各時期差異顯著。從連作年限看，Gs為2、6年連作顯著高于14年連作；而Ci連作2年顯著高于連作11年，其他連作年限間差異不顯著；E為2年連作顯著低于其他連作年限，其他連作年限間差異不顯著。不同連作年限生物炭處理Ci與對照相比差異不顯著，說明連作年限長時光合速率下降的主要原因不是氣孔因素。

2.2 生物炭對不同連作年限棉花光合生理參數的影響

由表2可知，連作2、14年棉田棉花的光合能力（Pm）為C2>C3>C1，連作6、11年棉田棉花的光合能力為C3>C2>C1且連作6、11、14年C2和C3處理顯著高于C1，連作2年的各處理差異均達顯著水平；不同連作年限棉花羧化效率（CE）除連作6年外均表現為C3>C2>C1，連作14年各處理均達顯著水平，其他連作年限C3和C2處理顯著高于C1處理；添加生物炭對連作2、6年棉田棉花的表觀量子效率影響較小，但對連作11、14年棉田棉花的AQY有顯著的影響（P<0.05），表現為C3顯著高于對照C1；各連作年限不同生物炭處理，最大再生速率（RUBPmax）為C3>C2>C1，且連作2、6年處理間均達顯著水平，連作11、14年C3與C1之間差異顯著。

2.3 生物炭對不同連作年限棉花葉片葉綠素含量的影響

通過單變量多因素方差分析，除了連作11年的D1期和連作2年的D2期，不同連作年限各生育期棉花葉片葉綠素含量均為C3>C2>C1；綜合分析可知，不同生育期間葉綠素含量為D2>D1>D3>D4，且D1、D2和D3葉綠素含量顯著高于D4；不同連作年限間比較分析表明，葉綠素含量從大到小依次為連作2、11、6、14年，連作14年葉綠素含量顯著低于其他連作年限，說明吐絮后葉綠素急劇降解，光合能力隨之下降（表3）。

2.4 生物炭對不同連作年限棉花產量的影響

主體間效應檢驗表明，不同連作年限間棉花產量從大到小依次為連作2、6、11、14年，不同連作年限間產量存在顯著差異；生物炭處理對棉花產量的影響為C3>C2>C1，不同連作處理間也達顯著水平。結果表明，不同連作年限和添加生物炭處理均對產量產生了較大影響，并且連作年限越長對產量的影響越大，生物炭在40 t/hm2（C3）用量時增產較為顯著（圖2）。

3 討論

光合作用是綠色植物獲得經濟產量和生物產量的主要源泉，是植物進行旺盛生長的不竭動力。通過生物炭處理對不同連作年限棉田棉花葉片氣體交換參數和光合生理參數等影響的綜合研究，尋求緩解棉花連作障礙的有效途徑，對棉花生產具有很重要的意義。有研究表明，生物炭處理有效提高了玉米、甜瓜、煙草等作物的凈光合速率和氣孔導度[10-12]，張偉明等[13]研究也發現不同秸稈炭處理能夠促進水稻生長，提高水稻光合能力，增加水稻產量，這與本試驗結果相同。本試驗結果表明不同連作年限（2、6、11、14年）棉田添加生物炭處理（20、40 t/hm2），棉花的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（E）、棉花羧化效率（CE）、表觀量子效率（AQY）、最大再生速率（RUBPmax）等光合生理參數顯著高于未添加生物炭處理，這與宋久洋等[12]的添加生物炭對煙草生長及光合特性的影響研究一致，但宋久洋等[12]的研究結果還表明添加生物炭處理后胞間二氧化碳濃度（Ci）低于對照，這與本研究結論不一致，可能是因為研究對象（煙草和棉花）不同引起的，也可能是施肥處理方式不同造成的。宋久洋等[12]的研究是整個生育期施肥都同大田管理，而本研究只在移栽時施入肥料，而整個生育期不施肥來研究生物炭是否在中后期對棉花的光合特性有提升作用。

葉片凈光合速率提高的原因，除葉綠素含量增加，較高Ci為光合作用提供充足的原料外，生物炭處理能夠提升多年連作棉田棉花光合特性和產量的原因還可能是：①生物炭本身具有一定含量的礦質營養，在養分貧瘠及砂壤土上生物炭的養分補充效應較顯著[14]；②生物炭具有多孔結構和較大的比表面積，為土壤微生物創造了良好的棲息環境，同時對養分也具有較強的吸附和持留性能，能夠通過減少水溶性營養離子的溶解遷移，使其在土壤中緩慢釋放，從而達到保肥保水的效果[15]；③生物炭吸附了部分酚酸類化感物質，降低了其有害濃度，進而提高了棉花的光合特性和產量[16]。

近年來，對于生物炭對作物生長和產量的影響，一些學者做了相關研究。有研究發現，生物炭對作物生長和產量的影響與生物炭的種類有關；也有研究指出，在相同的環境條件下，同一種生物炭施用于不同作物對產量的影響不同[18，19]。還有一些研究發現，生物炭對作物生長或產量的影響與土壤類型有關。唐光木等[20]對灰漠土的研究表明，作物產量隨生物炭用量的增加而增加，這與本研究結果一致。本研究結果表明添加不同濃度生物炭處理均促進產量增加，但高濃度生物炭處理（40 t/hm2）要高于低濃度生物炭處理（20 t/hm2）。張娜等[10]研究認為低濃度生物炭有利于玉米產量提高，而高濃度生物炭則會引起玉米早衰，原因可能是使用的生物炭類型和研究對象不同，張娜等[10]使用小麥秸稈炭，選用禾本科的玉米為研究對象，本試驗采用玉米芯炭，選用錦葵科的棉花為研究對象；也可能是因為土壤質地的不同引起的差異，本研究所用的土壤為潛江的灰潮土，張娜等[10]試驗選用的為楊凌的塿土。

生物炭對產量的影響不僅與生物炭用量有關，還與土壤質地、生物炭類型、作物種類以及是否施肥等有關，這種復雜的交互作用會使試驗結果不盡相同。本試驗只從生物炭對連作棉田棉花光合特性和產量的影響來論述生物炭緩解棉田連作障礙的機制，還應該從土壤微生物和土壤酶等多個角度去更深入地分析原因。

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