生物炭添加量對冬小麥花后干物質積累及轉運的影響

趙紅玉，朱成立*，黃明逸，迮裕雯，翟亞明，鄭君玉

（1.河海大學，南京210098；2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇揚州225127）

0 引言

【研究意義】淡水資源供需矛盾日益突出，合理開發咸水和微咸水資源已成為各國關注的問題。與旱作相比，利用微咸水灌溉可獲得更大的經濟效益[1-2]。然而同淡水灌溉相比，微咸水灌溉會導致土壤中鹽分的累積，產生次生鹽漬化的危險，影響土壤質量[3]，進而危害作物生長[4]。因此，采取適當的農業管理策略，減輕灌溉不當對土壤和作物的不利影響，對微咸水的高效利用及農業的可持續發展具有重要意義。

【研究進展】生物炭是由生物質在無氧或限氧條件下低溫熱解生成的富炭有機材料，具有豐富的多孔結構、巨大的比表面積、較高的陽離子交換量以及高度穩定性[5]。生物炭疏松多孔的結構可直接增加土壤孔隙度，通過淋洗帶走交換性Na+，降低鹽漬土的堿化度[6]。同時生物炭能夠降低鹽土的淋溶損失，顯著提升鹽堿土中的土壤養分量[7]。Munns 等[8]認為鹽脅迫使植物光合能力減弱，生長受抑、衰老加速從而引起碳同化物積累量的降低，進而造成作物的減產。而生物炭可通過改善土壤條件來促進鹽脅迫下植物對養分的吸收，提高葉片的氣體交換參數，改善光合作用[9]。Usman 等[10]研究表明，生物炭可緩解鹽脅迫對土壤生產力的不利影響，提高了鹽水灌溉下番茄的產量。Elbashier 等[11]亦發現，生物炭促進了鹽水灌溉下的甜瓜產量。

【切入點】近年來，生物炭越來越多地應用于鹽漬環境的農業生產，在鹽堿土改良和劣質水灌溉中展現出較大潛力。目前生物炭試驗以盆栽、土柱等形式為主，田間微咸水灌溉-生物炭試驗較少，且生物炭的改良效果與其添加量密切相關[10-12]。【擬解決的關鍵問題】以冬小麥為研究對象，通過生物炭-微咸水灌溉田間試驗，探究微咸水灌溉下生物炭緩解葉片衰老、促進花后干物質積累及轉運等機理，提出恰當的微咸水-生物炭配套模式，以期為冬小麥的微咸水灌溉模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2018年11月—2019年6月在河海大學江寧校區節水園區的田間試驗場進行。試驗區位于北緯31°86′，東經118°60′，屬亞熱帶濕潤氣候，年均溫度15.7 ℃，年均蒸發量900 mm，無霜期237 d，年均日照時間2212.8 h，年均降水量1021.3 mm，年內降雨不均，易出現季節性干旱。試驗地點在固定式蒸滲儀測坑內，蒸滲儀面積為5.0 m2（2.5 m×2.0 m），各蒸滲儀間通過混凝土墻體隔開，地面設移動遮雨棚。供試土壤為黃棕壤土，基本性質見表1。

表1 供試土壤基本性質Table 1 Basic properties of experimental soil

1.2 試驗設計

試驗采用隨機完全區組設計，試驗處理為：微咸水灌溉（B0）、微咸水灌溉和生物炭添加15 t/hm2（B15）、微咸水灌溉和生物炭添加30 t/hm2（B30）、微咸水灌溉和生物炭添加45 t/hm2（B45）以及淡水灌溉的對照組（CK），每個處理重復3 次，共15 個試驗小區。供試生物炭為粉劑型秸稈炭，由小麥秸稈在無氧條件下約550～600 ℃熱解4～6 h 制備而成。生物炭的體積質量為0.19 g/cm3，比表面積為9 m2/g，總孔隙度為67.03%，通氣孔隙度為12.87%，持水孔隙度為61.10%，pH 值為10.24，EC值為4.68 dS/m，陽離子交換量為60.8 cmol/kg，含固定碳650 g/kg、速效磷10.2 g/kg、速效鉀55.65 g/kg。

試驗于2018年11月2日播種，供試冬小麥品種為煙農863，種植密度為300 粒/m2，行距為15 cm，2019年6月2日收獲。根據當地的種植習慣，播種前對試驗田翻耕并分別以300、150 和150 kg/hm2施用磷酸二銨、尿素和氯化鉀基肥。播種前，將各處理對應的生物炭均勻攤鋪在土壤表面，通過人工翻耕施入0～20 cm 耕作層土體。淡水水源為節水園區自來水，微咸水為NaCl 配置而成，設置礦化度5 g/L。播前灌溉80 mm 底墑水。冬小麥生長過程中采取充分灌溉，采用取土烘干稱重法測定土壤含水率，當60 cm深度的土壤含水率接近田間持水率的70%時進行灌水，每次灌水70 mm。微咸水處理當天用等量的鹽水灌溉，采用塑料管和低壓泵進行地面灌溉。為控制降雨對各處理的影響，冬小麥生育期內非雨天開棚，雨天關棚。試驗在2019年（2月26日、4月7日、21日、30日和5月12日）進行了5 次灌溉。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤指標

1）體積質量、孔隙度及有機質量

冬小麥收獲后，用環刀（體積100 cm3）和土鉆（直徑2 cm）在表層（0～20 cm）取原狀土樣，每個小區隨機取3 次計算平均值。

環刀土樣在烘箱105 ℃下烘干至恒質量，測得干土質量，體積質量計算式為：

環刀土樣置于去離子水中浸泡24 h 后，測得飽和濕土質量。孔隙度計算式為：

采用重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機質量。

2）電導率（EC1:5）及鈉吸附比（SAR）

冬小麥收獲后，用土鉆在0～20 cm 和20～40 cm取原狀土樣，每個小區隨機取3 次計算平均值。土樣置于溫室自然風干后，將其充分研磨過1 mm 標準篩，按照土水比1∶5 配制土壤浸提液，充分震蕩后用離心機進行固液分離，用針筒提取出上層清液，用DS-307A 型電導率儀測定土壤電導率。用ICP-MS 電感耦合等離子體質譜法測定土壤可溶性Na+、Ca2+、Mg2+離子量，土壤鈉吸附比計算式為：

1.3.2 作物葉片生長及光合作用指標

冬小麥開花后，每隔7 d 監測1 次冬小麥生理生長指標。

1）葉面積指數（LAI）和葉面積持續期（LAD）

在每個小區隨機采集10 株冬小麥植株，采用LI-3000A 型葉面積儀測定單株冬小麥葉面積。葉面積指數（LAI）計算式為：

葉面積持續期（LAD）計算式為：

式中：LAI1和LAI2分別為任意2 個生長階段的葉面積指數；T為這2 個生長階段之間的時間（d）。

2）凈光合速率（Pn）和氣孔導度（Gs）

在不同處理的小區中隨機選取3 片旗葉，在測定日的09:00—11:00，用LI-6800 便攜式光合作用測定系統在光照強度1000μmol/(m2·s)和二氧化碳摩爾分數400 μmol/mol 下測定冬小麥旗葉光合氣體交換參數，包括凈光合速率（Pn）和氣孔導度（Gs），測量3 次計算平均值。光合測定時段平均溫度、相對濕度及風速見表2。

表2 光合測定時段的氣象因子Table 2 Meteorological factor data of photosynthetic determination period

1.3.3 冬小麥籽粒形成及干物質轉運指標

在各處理小區隨機選取代表性樣株30 株并去除根部。花期按整株即全部營養器官、成熟期按籽粒和營養器官分樣，105 ℃殺青后（成熟期樣品不殺青）80 ℃烘至恒質量并稱量，每隔7 d 監測1 次籽粒形成指標。干物質相關指標計算式為：

干物質轉運量=花期單株營養器官干質量-成熟期單株營養器官干質量；干物質轉運率（%）=干物質轉運量/花期單株營養器官干質量×100；花后干物質積累量=成熟期單株籽粒干質量-干物質轉運量；花后干物質貢獻率（%）=花后干物質積累量/成熟期單株籽粒干質量×100；干物質轉運貢獻率（%）=干物質轉運量/成熟期單株籽粒干質量×100。

1.3.4 冬小麥最終產量指標

冬小麥收獲時，從每個地塊中心的1 m2區域收集作物，并風干至恒質量，獲得地上生物量。使用脫粒機對植株進行脫粒，測量單位面積的籽粒產量，并計算收獲指數。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel 進行記錄、整理與作圖，并運用SPSS20 對試驗數據進行方差分析，采用Duncan法進行多重比較（P=0.05）。

2 結果與分析

2.1 微咸水灌溉下生物炭添加量對土壤特性的影響

表3 為不同處理下土壤體積質量、總孔隙度、有機質（SOM）、電導率及鈉吸附比。隨著生物炭添加量的增多，土壤體積質量呈降低趨勢，總孔隙度增加，有機質量增幅明顯。與B0 處理相比，B15、B30、B45處理的體積質量分別降低了2.27%、4.55%和8.33%，總孔隙度分別增加了4.52%、9.19%和13.47%，SOM分別增加了30.02%、65.06%和111.12%。單獨微咸水灌溉處理下土壤表層和主根區的EC1:5和SAR值較CK 分別高出237.12%、225.42%和285.83%、277.87%。15 t/hm2與30 t/hm2的生物炭添加量有效促進了鹽分淋洗，B15 和B30 處理的土壤表層和主根區EC1:5較B0 處理分別降低了9.89%、3.82%和8.33%、3.39%，而45 t/hm2的高生物炭添加量下，土壤電導率分別增加了5.39%和3.65%。生物炭顯著降低了土壤的鈉吸附比。與B0 處理相比，B15、B30、B45 處理的土壤表層和主根區SAR分別下降23.88%、28.78%、33.27%和22.34%、27.11%、30.80%。

表3 微咸水灌溉添加生物炭后的土壤特性Table 3 Soil properties under brackish water irrigation and biochar application

2.2 微咸水灌溉下生物炭添加量對冬小麥花后葉片生長和光合作用的影響

圖1 為不同處理下冬小麥葉面積指數及葉面積持續期。由圖1 可知花后7 d 內，冬小麥LAI值保持在較高水平，但隨花后天數的增加明顯下降，LAD值始終呈下降趨勢。微咸水灌溉顯著降低了冬小麥的葉面積指數和葉面積持續期，使作物葉片生長受抑制，出現了明顯的葉早衰現象。花后28 d 內，CK 的LAI和LAD分別比 B0 處理高出 22.88%～49.31%和24.78%～46.50%。生物炭的添加改善了微咸水灌溉下冬小麥的葉片生長情況，花后28 d 內的葉面積指數及葉面積持續期均高于單獨微咸水灌溉處理。B15、B30、B45 處理的LAI值分別比 B0 處理高出16.99%～34.27%、13.73%～28.25%和5.31%～14.61%，B15、B30、B45 處理的LAD值分別比B0 處理高出19.73%～33.97%、14.80%～25.14%和5.94%～13.24%。

圖1 微咸水灌溉添加生物炭后冬小麥花后葉片生長情況Fig.1 Leaf growth of winter wheat after anthesisunder brackish water irrigation and biochar application

圖2 為不同處理下冬小麥凈光合速率及氣孔導度。由圖2 可知，凈光合速率在花后7 d 達到頂峰，隨生長進程的推進不斷降低，氣孔導度自開花后呈持續下降趨勢。微咸水灌溉可顯著抑制冬小麥旗葉的光合作用，B0 處理的Pn和Gs較 CK 分別減少20.51%～56.38%和20.57%～49.36%。微咸水灌溉下，添加生物炭的冬小麥表現出較高的凈光合速率和氣孔導度。與B0 處理相比，B15、B30、B45 處理的Pn和Gs分別高出18.29%～100.00%、12.37%～75.61%、2.69%～31.71%和20.32%～68.35%、14.34%～44.30%、7.17%～15.20%。

圖2 微咸水灌溉添加生物炭后冬小麥花后光合作用Fig.2 Photosynthesis of winter wheat after anthesisunder brackish water irrigation and biochar application

2.3 微咸水灌溉下生物炭添加量對冬小麥籽粒形成、干物質轉運的影響

圖3 為不同處理下單株冬小麥營養器官干物質質量及籽粒質量的變化。由圖3 可知，冬小麥營養器官干物質質量隨著花后時間先升高后降低，花后14 d最高。冬小麥灌漿初期，營養器官干物質生產量大于向籽粒的轉運量，質量呈增加趨勢。隨著植株老化，灌漿后期干物質生產量降低并小于轉運量，質量逐漸減少。開花后，營養器官干物質質量表現為：CK＞B15處理＞B30 處理＞B45 處理＞B0 處理，單獨微咸水灌溉較淡水灌溉顯著降低了營養器官的干物質質量，而生物炭有效提升了營養器官的干物質質量。開花后，籽粒質量不斷增加，在成熟期達到最大值，微咸水灌溉下籽粒質量增幅較小。與CK 相比，花后7～28 d內，B0 處理的籽粒質量顯著減少了12.17%～22.58%。生物炭添加后冬小麥籽粒形成較好，籽粒質量均高于單獨微咸水灌溉處理，花后28 d 時B15、B30、B45處理的籽粒質量分別達到CK 的96.75%、94.16%和89.61%。

圖3 微咸水灌溉添加生物炭后冬小麥籽粒質量的變化Fig.3 Changes of winter wheat grain weight under brackish water irrigation and biochar application

表4 為不同處理對冬小麥干物質積累及轉運的影響。單獨微咸水灌溉抑制了干物質生產，B0 處理花前干物質質量、成熟期營養器官干物質質量和籽粒質量較CK 降低了11.84%、15.85%、15.66%。生物炭提高了干物質生產，尤其在15t/hm2和30 t/hm2添加量下。與CK 相比，B15、B30、B45 處理的花前干物質質量僅減少3.95%、4.82%、8.33%，成熟期營養器官干物質質量減少7.65%、9.29%、12.57%，籽粒質量減少3.01%、6.02%、11.45%。微咸水灌溉促進了干物質轉運，B0、B15、B30、B45 處理的花前營養器官干物質轉運率較CK 顯著增加了18.48%、15.74%、19.03%、18.75%，貢獻率增加了23.41%、14.24%、20.25%、22.53%。生物炭提高了干物質的轉運量，B15、B30、B45 處理的轉運量較B0 處理明顯提高了6.38%、8.51%、4.26%。從干物質質量構成來看，各處理花后干物質積累量占比為66.43%～72.80%，是籽粒干物質的重要來源。與淡水灌溉相比，單獨微咸水灌溉下花后干物質積累量及籽粒貢獻率大幅下降，B0 處理較CK 降低了23.14%和8.75%。生物炭的添加提高了花后干物質積累，B15、B30、B45 處理的花后干物質積累量及貢獻率較B0處理高出了5.38%～19.35%和0.36%～3.76%。可見，微咸水有利于促進花前干物質向籽粒轉運，但單獨使用微咸水限制了整體干物質生產能力，花前干物質轉運量和花后干物質積累量均較低，導致籽粒質量大幅減小。然而，生物炭處理的冬小麥在保持較高花前轉運量的同時，有效提升了花后干物質積累量，從而使籽粒形成較好。

表4 微咸水灌溉添加生物炭后干物質積累及轉運量Table 4 Dry matter accumulation and transport amount under brackish water irrigation and biochar application

圖4 微咸水灌溉添加生物炭后冬小麥最終產量和收獲指數Fig.4 The final yield and harvest index of winter wheat under brackish water irrigation and biochar application

2.4 微咸水灌溉下生物炭添加量對冬小麥最終產量的影響

圖4 為不同處理冬小麥收獲時地上生物量、籽粒產量和收獲指數。由圖4 可知微咸水灌溉顯著抑制了冬小麥生產。與CK 相比，B0 處理的地上生物量、籽粒產量下降了8.48%、12.04%。在所有生物炭處理下，冬小麥籽粒產量與單獨微咸水灌溉相比均有一定程度的提高。B15、B30、B45 處理的地上生物量及籽粒產量較B0 處理分別增加4.94%、4.18%、2.13%和9.18%、7.73%、2.74%。特別在15 t/hm2與30 t/hm2的添加量下，冬小麥產量有顯著增幅，這與生物炭處理下冬小麥收獲指數的提高有關。B15、B30 處理的收獲指數較B0 處理分別提高了4.09%、3.46%。B45 處理下冬小麥產量增幅較小，與B0 處理無顯著差異。

3 討論

生物炭具有多孔結構和較大的比表面積，在不同類型土壤中加入生物炭，均表現出體積質量降低的現象[13]。本研究中，添加生物炭后土壤體積質量亦顯著降低，且總孔隙度增加，可能是因為試驗采用的生物炭體積質量較小，添加后可以改善土壤密實度，同時生物炭促進了土壤顆粒團聚，有利于多級孔隙的形成[14]。試驗中生物炭處理的土壤有機質量增加，這與冉成等[7]的研究結果一致，原因可能是生物炭本身含有豐富穩定的有機碳，且其較強的吸附能力可促進有機小分子聚集，減少養分淋失。試驗中的生物炭含有一定量的Ca2+和Mg2+，添加后可直接降低土壤鈉吸附比。此外，生物炭可以提高土壤陽離子交換量，促進Na+從交換點的遷移，并通過淋洗帶走交換性Na+[15]。微咸水灌溉下，B15 處理的土壤電導率較B0 處理顯著降低，這可能是因為生物炭改善了土壤結構，增強了水分入滲性能，促進了Na+的淋洗[6]。同時，也因為生物炭能夠阻隔土壤毛細管中鹽分隨水分向上運移，因此緩解了表層鹽分累積[16]。然而，隨著生物炭添加量的增多，土壤含鹽量上升，這是由于生物炭中含有部分可溶性鹽分。

光合作用是植物生長發育的基礎，作物生物量的90%以上來自光合產物[17]。本試驗中，單獨微咸水灌溉下冬小麥葉片發生早衰，光合能力顯著受抑。可能是因為微咸水灌溉下作物根系土層鹽分累積，土壤溶質勢的變化誘發植物細胞生理干旱，氣孔導度下降，葉片生長受限，長期鹽分脅迫下毒性離子損害細胞結構與功能，影響光合活性[18]。生物炭處理的冬小麥在鹽脅迫下維持了較高的葉面積指數、葉面積持續期、氣孔導度及凈光合速率。Jin 等[19]亦報道了生物炭可降低鹽分脅迫，緩解植物水分虧缺，減弱毒性離子積聚，提高葉片活性，促進光合作用。本研究中，適量的生物炭能夠改善土壤結構，提高肥力水平，降低鹽漬化程度，為微咸水灌溉下的冬小麥創造更有利的生長環境，提升抗鹽性能。

小麥籽粒產量的提高與干物質積累轉運特性的改良密切相關[20]。有研究表明，適度脅迫能夠促進光合同化物向籽粒的運輸，加快灌漿速率[21]。本試驗微咸水灌溉下冬小麥花前干物質轉運率提高，與前人結果一致[21]。但單獨微咸水灌溉下由于花前干物質生產不足，轉運量較少，生物炭的添加使冬小麥在保持較高轉運率的基礎上有效提高了轉運量。田中偉等[22]發現葉片光合面積及光合能力直接影響小麥花后光合產物和籽粒產量。本研究中，單獨微咸水灌溉下葉片提前衰老，光合同化作用大幅削減，而生物炭處理下花后葉片生長較好，光合能力較強，冬小麥花后干物質的積累量與貢獻率提高，促進了籽粒的生長發育。龐桂斌等[23]報道微咸水灌溉下小麥的籽粒產量與干物質積累、收獲指數呈正相關。本研究中，生物炭處理的冬小麥地上生物量和收獲指數均有增加，進而提高了最終產量。可見，生物炭能夠改善微咸水灌溉下冬小麥干物質的積累轉運特性，有利于冬小麥植株形成較多的光合同化物，充分滿足籽粒灌漿的需要，因而緩解了鹽分脅迫對最終產量的負面影響。

綜上，生物炭土壤改良劑能夠促進微咸水資源在冬小麥灌溉生產中的應用。微咸水灌溉下，15t/hm2和30t/hm2生物炭改善了作物-土壤生長環境，有利于鹽分淋洗，降低鹽脅迫危害，提高了花前干物質轉運量、花后干物質積累量及其對籽粒的貢獻率，并增加了收獲指數，較單獨微咸水灌溉增產9.18%和7.73%。而45 t/hm2下，可能隨著添加量增多，土壤中可溶性鹽分增多，產量增幅不明顯。本研究建立在一年灌溉基礎上，還需開展長期試驗進行深入研究和探討。

4 結論

1）生物炭改善了土壤性質，使土壤體積質量降低、總孔隙度增加、有機質量提高、鈉吸附比降低。15 t/hm2生物炭促進了鹽分淋洗，主根區（0～40 cm）EC1:5降低了8.33%。由于生物炭含有部分可溶性鹽分離子，土壤含鹽量隨生物炭添加量增加而增加。

2）生物炭的加入為作物生長提供良好的環境，緩解了鹽脅迫下的冬小麥葉片早衰，提高了光合作用能力。

3）生物炭改良了花后干物質積累轉運特性，促進了鹽脅迫下的冬小麥生產。B15 處理和B30 處理下籽粒產量增幅明顯。綜合試驗成果并從經濟合理角度，15 t/hm2生物炭是適宜的添加量，可促進微咸水資源的高效利用。