施用生物炭對冬小麥光合潛力和籽粒產量的影響

闞正榮，馬守田，祁劍英，濮 超，王 興，趙 鑫，張海林

(中國農業大學農學院/農業部農作制度重點實驗室，北京 100193)

在倡導固碳減排和應對全球變暖的大背景下，生物炭因可為農業生產提供諸多優勢而成為近年來研究的熱點[1]。生物炭是生物質在限氧環境中熱化學轉化產生的固體物質。生物炭原料來源廣泛，成本低廉，具有多孔、比表面積大、吸附能力強、碳穩定性強等特點[2-3]。目前關于添加生物炭對作物產量影響的研究較多，然而由于土壤類型、土壤肥力、作物種類、生物炭形成時的溫度和原料、施用量等的不同，研究結果差異很大[4-6]。有研究表明，適量施用生物炭可以改善土壤肥力，促進作物生長，提高產量[4]；在陜西關中，與不施生物炭處理相比，施用1%和2%生物炭(按照盆內所裝干土質量計算)時小麥分別增產6.62%和11.01%，而施用4%和6%生物炭則分別減產 6.88%和10.1%[7]。在其他地區和作物上也有類似報道[4，8]。目前關于生物炭對作物增產和減產機制的研究大多集中于生物炭和土壤本身性質差異[2-3, 4-6]，而從作物生長發育角度分析其影響的研究還少見報道。

華北平原是我國重要的糧食生產基地，供應了我國近50%的小麥和近33%的玉米(http://data.stats.gov.cn/)，因此穩定和提高華北平原小麥產量對保障國家糧食安全有至關重要的意義。多數研究者把提高小麥產量的潛力寄希望于改善光合性能和提高光合產物向籽粒的輸配率[9]。光合作用為作物提供90%～95%干物質積累，籽粒產量的20%～30%來自旗葉光合作用[10]，因而光合性能直接影響作物干物質積累和產量形成。有研究表明，適量施用生物炭可以提高作物凈光合速率、氣孔導度、光合能力、表觀量子效率等[8，11]，但過量施用生物炭不利于光合性能的提升[12]。目前關于生物炭對光合性能影響的研究多集中在玉米[12]、水稻[8]、棉花[11]等作物上，而對冬小麥光合性能影響的研究較少。因此，可進一步通過研究生物炭對小麥光合性能的影響，揭示其對小麥產量的影響機制。光響應曲線和光合日變化特征分別是光合性能參數隨不同光量子強度和環境的變化曲線，反映葉片適應不同水平光照和環境變化的能力，可用于光合性能與潛力挖掘的研究[13-14]，因而從光響應曲線和光合日變化的角度揭示生物炭對冬小麥產量的影響機制有重要意義。關于生物炭對小麥開花期和灌漿期的光合日變化規律、光響應的影響研究鮮見報道[15]。因此，本研究以華北平原冬小麥為對象，通過分析不同施炭水平下冬小麥開花期和灌漿期光合性能的變化規律，探討生物炭對作物產量的影響機制，以期為生物炭在華北平原的應用以及適宜的施用量提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗開始于2014年，在中國農業大學吳橋實驗站進行。實驗站位于河北省滄州市吳橋縣曹洼鄉(37°36′N，116°21′E，海拔19.7 m)。吳橋縣屬于溫帶半干旱季風性氣候，冬季寒冷，夏季高溫，常年平均氣溫12.6 ℃，全年≥0 ℃積溫 4 862.9 ℃，常年日照2 623.3 h，常年降水約為500 mm，年內季節性分布不均。本試驗數據主要采集于2017-2018年冬小麥生長季，該生長季內的日平均溫度和降雨量如圖1所示。供試土壤為沖積型鹽化潮土，田間最大持水量為30.0%，試驗土壤0～100 cm土層內土質為壤土，100～120 cm為粘土層，120 cm以下基本為砂土，部分土層夾雜少量粘土。0～20 cm土層有機質含量為 12.4 g·kg-1(重鉻酸鉀氧化法)，全氮含量為 0.79 g·kg-1(凱氏定氮法)，堿解氮含量為 36.95 mg·kg-1(堿解擴散法)，速效磷含量為44.60 mg·kg-1(碳酸氫鈉法)，速效鉀含量為94.20 mg·kg-1(火焰光度法)，土壤pH值為 7.67(玻璃電極法)。

圖1 2017-2018年試驗區域冬小麥生長季日平均溫度及降雨量

1.2 試驗設計

試驗設生物炭年施用量7 200 kg·hm-2(BH)、3 600 kg·hm-2(BM)、1 800 kg·hm-2(BL)、不施生物炭(BO)共4個處理，采用完全隨機試驗設計，3次重復，共12個小區，小區面積70 m2(5 m×14 m)。冬小麥采用聯合收割機收獲，根茬約為30 cm，秸稈均勻覆蓋在田間，冬小麥收獲后免耕直播夏玉米。各處理作物品種、灌溉、施肥量均相同。生物炭由河南三利新能源有限公司生產，生產原料為小麥秸稈，其中有機碳含量 38.70%(重鉻酸鉀氧化法)，全氮含量1.34%(凱氏定氮法)，全磷0.20%(釩鉬黃比色法)，全鉀含量3.7%(火焰光度法)，pH 9.36(玻璃電極法)，Na+含量0.03%(火焰光度法)，Ca2+含量 0.21%(火焰光度法)，Mg2+含量0.44%(火焰光度法)。冬小麥播種前人工將生物炭均勻撒施到土壤表面，用旋耕機將其旋耕混入耕層土壤中(一般深度為10 cm左右)。供試冬小麥品種為濟麥22，2017-2018年度于2017年10月13日播種，2018年6月6日收獲。冬小麥播種量為300 kg·hm-2，播種時尿素、磷酸二銨和硫酸鉀的施用量分別為197、326和240 kg·hm-2，各處理在拔節前均追施尿素150 kg·hm-2。各處理的灌溉量保持一致，冬小麥播種前澆底墑水約 1 200 m3·hm-2，在拔節期和孕穗期分別澆灌900 m3·hm-2。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 光合生理指標日變化測定

在開花期(2018年5月3日)和灌漿期(2018年5月18日)，利用美國LI-COR公司生產的LI-6400便攜式光合系統分析儀，選擇無風或微風晴天進行測定凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率等指標。在測定日6:00-20:00之間，每隔2 h測定一次。每小區隨機選取具有代表性的植株旗葉(旗葉長勢和葉面積相當)7片進行測定，取平均值。為避免光照強度隨時間變化，在測定前利用LI-6400測出當前光照強度，然后利用人工光源進行測定。

1.3.2 光響應曲線的測定

利用美國LI-COR公司生產的LI-6400便攜式光合系統分析儀，在開花期(2018年5月4日)和灌漿期(2018年5月19日)，以LI-6400人工光源提供0～2 000 μmol·m-2·s-1(光強設定為0、20、50、100、150、200、400、600、800、 1 000、 1 200、1 500、1 800、2 000 μmol·m-2·s-1)的不同光強，測定前每個光強下需適應1～2 min，重復3次。

1.3.3 冬小麥產量測定

冬小麥成熟期每小區選取5個1 m2樣區植株地上部全部收獲，統計有效穗數，植株自然風干后測定生物產量和經濟產量。在每小區隨機取代表性30株小麥進行考種，測定其穗粒數和千粒重。

1.3.4 模擬方程

利用非直角雙曲線(non-rectangular hyperbola equation)模型分析葉片凈光合速率(Pn)與光合有效輻射(I)之間關系[10]，其模擬公式為：Pn= {Q*I+Pm-Sort[Q*I+Pm*(Q*I+Pm)-4*Q*I*K*Pm]}/(2*K)-Rd

Pm表示最大凈光合速率(maximum net photosynthetic rate)、Q表示表觀量子效率(apparent quantum yield)、K表示光響應曲線曲角(convexity)、Rd表示暗呼吸速率(apparent dark respiration rate)；光補償點(1ight compensation point，LCP)和光飽和點(1ight saturation point，LSP)的模擬公式分別為：

LCP=Rd/Q; LSP=(Pm+Rd)/Q

1.4 數據分析

Microsoft Excel 2016 軟件進行數據計算和作圖，SPSS 19.0統計分析軟件進行數據差異顯著性分析和多重比較(LSD0.05)。

2 結果與分析

2.1 施用生物炭對冬小麥開花期旗葉光合日變化的影響

不同施炭水平下冬小麥開花期旗葉凈光合速率日變化均呈雙峰曲線變化趨勢(圖2)，BH和BM處理整體上高于BL和BO處理。在6:00-10:00，凈光合速率表現為BH>BM>BL>BO處理。在10:00出現第一個高峰，BH處理分別比BM、BL和BO處理高8.47%、11.10%和 24.69%。在12:00各處理均出現光合“午休”，而施用生物炭減弱了光合“午休”現象，其中BM處理光合速率最高，分別比BH、BL和BO處理高15.64%、39.66%和48.58%；在14:00出現第二個高峰，BM處理分別比BH、BL和BO處理高5.63%、43.60%和39.31%。12:00后BM處理保持較高水平，BO處理最低。不同施炭水平下冬小麥旗葉氣孔導度和蒸騰速率的日變化也呈雙峰曲線變化趨勢(圖2)，各處理兩個峰值分別出現在10:00和14:00。施用生物炭處理的氣孔導度和蒸騰速率均高于BO處理，在6:00-10:00，BH處理最高，而10:00以后BM處理表現出明顯優勢，一直保持最高水平。冬小麥葉片胞間CO2濃度呈現先降后升的趨勢(圖2)，BL和BO處理整體上高于BH和BM處理。

圖2 施用生物炭對冬小麥開花期旗葉凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)日變化的影響

2.2 施用生物炭對冬小麥灌漿期旗葉光合日變化的影響

不同施炭水平下冬小麥灌漿期旗葉凈光合速率、氣孔導度和胞間CO2濃度日變化與開花期變化趨勢相同，均呈雙峰曲線變化趨勢(圖3)，并且施用生物炭減弱了光合“午休”現象。兩個峰值分別在10:00和14:00出現，且均以BM處理最高。在10:00，BM處理凈光合速率分別比BH、BL和BO處理高7.79%、26.74%和25.79%，氣孔導度分別高21.91%、29.08%和29.10%。在 14:00，BM處理凈光合速率分別比BH、BL和BO處理高4.25%、30.22%和33.33%，氣孔導度分別高0.87%、19.65%和22.18%。冬小麥葉片胞間CO2濃度呈現先降后升趨勢，在10:00和12:00達到最低值，且BL和BO處理高于BH和BM處理。

2.3 施用生物炭對冬小麥開花期旗葉光響應曲線的影響

光照強度由0 μmol·m-2·s-1增加到200 μmol·m-2·s-1時，各處理冬小麥開花期旗葉凈光合速率呈快速增加(圖4)；光照強度大于200 μmol·m-2·s-1時，冬小麥旗葉凈光合速率緩慢增加。整體上，BH和BM處理的光合速率高于BL和BO處理。光照強度為0～200 μmol·m-2·s-1時氣孔導度迅速增加，BM和BL處理增加幅度較大，隨著光照強度增大，保持明顯優勢；光照強度為200～1 000 μmol·m-2·s-1時，顯著大于BH和BO處理(P<0.05)。蒸騰速率變化趨勢與氣孔導度相似，整體上表現為BH和BM處理高于BL和BO處理。對胞間CO2濃度的影響呈現先降后升的趨勢，整體上BH和BM處理低于BL和BO處理，在光照強度為800 μmol·m-2·s-1時，達到最低值，BO處理最高，比其他處理高14.67%～25.31%。

圖3 施用生物炭對冬小麥灌漿期旗葉凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)日變化的影響

2.4 施用生物炭對冬小麥灌漿期旗葉光響應曲線的影響

不同施碳水平下小麥灌漿期旗葉凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率的光響應均呈先升后降的趨勢，BH和BM處理整體上大于BL和BO處理(圖5)。0～200 μmol·m-2·s-1光照強度下，與開花期變化趨勢相同，呈現直線性上升。而后變化緩慢，在1 600～2 000 μmol·m-2·s-1光照強度范圍，呈現逐漸下降的趨勢。胞間CO2濃度的光響應呈現先降后略升的趨勢，整體上表現為BH和BM處理小于BL和BO處理。

利用非直角雙曲線模型對冬小麥灌漿期旗葉凈光合速率與光合有效輻射進行擬合，不同施炭量下光響應曲線擬合性較好(表1)，均達顯著水平(P<0.05)。不同施炭處理對光響應曲線參數的效應存在一定差異。其中，BM處理的最大凈光合速率(Pm)最大，為32.147 μmol·m-2·s-1，分別比BH、BL和BO處理高2.50%、 6.20%和8.88%；光響應曲線的曲角(K)以BL處理最大，BH處理最小；而表觀量子效率(Q)表現相反，以BH處理最大，BL處理最?。话岛粑俾?Rd)表現為BH>BO>BM>BL；光補償點(LCP)和光飽和點(LSP)分別表現為BO>BM>BH>BL和BM>BL>BO>BH。

2.5 施用生物炭對冬小麥籽粒產量及其構成因素的影響

施用生物炭對冬小麥有效穗數、千粒重、籽粒產量和經濟系數的影響較大(表2)。BM處理有效穗數最高，分別比BH、BL和BO處理高 11.31%、8.58%和9.18%。BH和BM處理千粒重顯著高于BL和BO處理。與BO處理相比，BH、BM和BL處理分別增產4.14%、 5.97%和1.49%，其中BH和BM處理增產達到顯著水平。不同施炭水平下收獲指數表現為BM>BL>BO>BH。

圖4 不同施炭量下冬小麥開花期旗葉凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)的光響應

圖5 不同施炭量下冬小麥灌漿期旗葉凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)的光響應

處理TreatmentPm/(μmol CO2·m-2·s-1)KQ/(μmol·m-2·s-1)Rd/(μmol CO2·m-2·s-1)LCP/(μmol·m-2·s-1)LSP/(μmol·m-2·s-1)r2BH31.364ab0.124b0.099a2.447a24.717b341.525c0.996?BM32.147a0.128b0.084b2.148a25.571b408.274a0.997?BL30.270b0.275a0.080b2.023a25.288b403.663a0.996?BO29.525b0.178ab0.082b2.341a28.549a388.610b0.995?

同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Different small letters in the same column mean significant difference among treatments at 0.05 level.

表2 施用生物炭對冬小麥籽粒產量及其構成因素的影響Table 2 Effects of biochar addition on grain yield and its componets of winter wheat

3 討 論

本研究表明，施用生物炭提高了冬小麥開花期和灌漿期的光合潛力，增大灌漿期模擬得到的最大凈光合速率。這是因為生物炭是多孔材料，密度較低，施用生物炭可以降低土壤容重，增加土壤含水量[16-17]，進而緩解水分虧缺對作物生長發育，葉綠體活性抑制，促進光合作用[18-19]。另外，良好的土壤環境和充足的土壤養分對植物的光合作用有積極促進作用[20]，而生物炭具有較高穩定性和碳含量等特點，能增加土壤碳儲量。此外，生物炭吸附能力強，施入土壤后能吸附多種離子，不僅減少氮磷等養分的淋溶損失，而且可以延緩肥料養分在土壤中的釋放，從而達到保持土壤養分的效果[21]。Mg2+是葉綠素合成的原料，因此對作物光合作用有積極促進作用，植物對Mg的吸收不僅取決于土壤中有效Mg的含量,陽離子如K+、Ca2+、NH4+、Al3+與Mg2+的拮抗作用也會引起植物缺Mg[22]。生物炭本身含有一定數量的對作物生長發育有益的元素如N、P、K等和一些微量元素，可增加土壤中可交換性陽離子如K+、Na+、Ca2+、Mg2+等的數量，有利于作物生長發育[23]。

本試驗結果顯示，生物炭對光合作用的促進作用是在一定施炭范圍內的，施炭過量會造成開花期和灌漿期光合性能的降低。這可能是由于，一方面，供試土壤為堿性土壤，會限制生物炭改善土壤理化性狀的功能，降低了磷和某些微量元素的有效性[7]；另一方面，這可能與生物炭的理化性質有關，生物炭具有較高的含碳量，礦物養分含量低。如果其施入過多，高C/N會影響小麥根系對土壤養分的吸收，進而影響地上部分的生長[8]。而花后的光合作用對小麥干物質積累，籽粒形成有至關重要作用[10]，因此，BM處理產量達到最高。綜合千粒重、籽粒產量和收獲指數可以看出，施用生物炭增加了冬小麥干物質向籽粒的分配量，并以BM處理表現最為突出。

減輕或避免光合“午休”現象是挖掘作物增產潛力的一個重要途徑[24]。光合“午休”現象原因主要有“氣孔”因素與“非氣孔”因素兩個方面。前者為氣孔關閉造成CO2供應不足，后者為光抑制致使葉綠體光合效率下降[25]?！皻饪住币蛩貢е略谥形缜昂髿饪讓Ф葧兴档?，并造成胞間CO2濃度降低，氣孔限制值增大；“非氣孔”因素則存在光抑制現象，造成光合膜受到傷害，以及胞間CO2濃度升高[24]。本研究結果表明，與BO處理相比，BL處理開花期的氣孔導度和胞間CO2濃度升高，BM和BH處理開花期和灌漿期均表現為氣孔導度升高，胞間CO2濃度降低，由此分析減緩光合“午休”現象原因，開花期低量施用生物炭主要由于“非氣孔”因素導致，而中高量施用生物炭減緩原因更為復雜。與BH處理相比，BM處理開花期和灌漿期在12:00均減緩了光合“午休”現象。在開花期，氣孔導度和胞間CO2濃度均有所降低；而在灌漿期，氣孔導度降低，胞間CO2濃度卻有所升高，這說明在開花期是“氣孔”因素導致，而在灌漿期是“氣孔”因素和“非氣孔”因素共同作用的結果。凈光合速率的光響應曲線在開花期和灌漿期的變化趨勢并不一致，主要區別在光照強度達到1 600～2 000 μmol·m-2·s-1時，開花期依然呈現上升趨勢，而灌漿期呈現逐漸下降趨勢，這可能與 “氣孔”和“非氣孔”因素、旗葉的衰老以及測定時不同的氣候條件有一定關系。Pm主要是由羧化速率決定的，因此與營養狀況及由溫度決定的酶活性有密切關系[26]，從而在一定程度上說明了施用生物炭對土壤質量的改善作用。植物光補償點和光飽和點的高低反映了其對弱光和強光適應能力的強弱[17]。本研究中不同處理的光補償點(LCP)和光飽和點(LSP)分別表現為BO>BM>BH>BL和BM>BL>BO>BH，表明施用中低量的生物炭增強了小麥對弱光的利用能力，減弱了對強光的利用能力，而高量施用均增強了小麥對弱光和強光的利用能力。本研究是在連續進行了4年的長期定位試驗處理基礎上進行的，其研究結果在一定程度上能夠反映施炭量對冬小麥灌漿期旗葉光合特性日變化和光響應曲線的影響。但光合作用受多種因素的影響，如氣孔導度、蒸騰速率、胞間CO2濃度、氣象條件以及肥水條件等[16]，并且施用生物炭的效果不僅與其施用量有關，還與土壤質地、生物炭類型、作物種類以及是否施肥等有關，這些因素的交互作用會使試驗結果不盡相同[11]，因此未來有待更深入研究。