覆膜和施生物炭對青海高原春油菜生長、產量和土壤團聚體的影響

宋明丹，詹舒婷，李 飛，李正鵬*

（1．青海大學農林科學院，青海 西寧 810016；2．青海大學農牧學院，青海 西寧 810016）

油菜是我國大宗油料作物之一，是重要的植物油來源，菜籽油占了我國總植物油產量的47%。我國植物油年均消費量約為3500多萬t，植物油自給率約為30.8%，國產油料供需缺口日益增大［1］。穩定和大力發展油菜生產，對于應對國際市場波動，維護和保障國家食用油和飼用蛋白供給安全具有重要意義。

油菜分為冬油菜和春油菜2種類型，我國種植面積過億畝，其中冬油菜主要分布于長江流域，種植面積占總油菜面積的85%～90%，春油菜主要分布于北方各省，占總面積的10%～15%［2］。春油菜是青海省主要的油料作物，目前種植面積約14.0萬hm2，占我國春油菜總面積的20%左右，是青海省的第一大作物［3］。

春油菜喜冷涼濕潤環境，青海地區海拔高，氣候冷涼，晝夜溫差大，特別適合春油菜生長，有利于籽粒發育和油分積累，是我國春油菜的優勢產區［4］。但該地區降水較少，蒸發量大，干旱缺水是限制其產量提升的主要因子。同時，該區土壤肥力基本處于中等偏下水平，耕層淺而貧瘠，土壤保水保肥能力差［5］。

地膜覆蓋具有顯著的增溫保墑，促進作物生長和提高產量的作用，是一種有效的節水技術，在西北干旱、半干旱等水分虧缺嚴重的地區得到了廣泛應用［6］。生物炭是農業廢棄物在高溫缺氧下熱裂解生成的黑色富碳物質，性質穩定，大量研究表明，生物炭能改善土壤性質，提高作物產量，但其效應因來源物料、制備條件、土壤性質和作物類型而存在顯著差異［7］。青海地區氣候冷涼，秸稈直接還田難以腐解，易導致出苗差、病害加劇等問題［8］，將其炭化后還田是解決該地區農業秸稈問題和土壤地力提升的途徑之一。

前人對地膜覆蓋在青海地區油菜上的應用進行了一些探索，但主要集中于產量分析［9-10］，關于覆膜下作物生長過程和養分吸收規律的研究鮮見報道，而關于生物炭在該地區的相關應用更是鮮有報道。因此本研究通過開展覆膜和施生物炭的試驗，監測春油菜干物質積累、氮磷鉀養分吸收、產量和土壤團聚體等指標，闡明覆膜和施生物炭在該區的應用效果及作用機制，為春油菜的高產栽培提供技術支撐和理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在青海省西寧市城北區青海大學農林科學院試驗田進行，該區地處101°45′E，36°43′N，海拔2314 m，無霜期110 d，平均年太陽總輻射5640 MJ/m2，年均溫度6℃，年均降水量415 mm，年均蒸發量1763 mm，蒸降比4.25，屬高原大陸性氣候區［11］。試驗田0～20 cm土壤為粘質壤土，容重1.36 g/cm3，播前土壤有機質24.1 g/kg，全氮1.4 g/kg，全磷3.1 g/kg，全鉀23.2 g/kg，堿解氮122.2 mg/kg，有效磷41.2 mg/kg，速效鉀235.3 mg/kg，pH值8.4。

1.2 試驗材料與設計

供試春油菜品種為甘藍型“青雜5號”，千粒重為3.9 g，由青海省農林科學院油菜研究所提供；供試生物炭為玉米秸稈于500℃下熱裂解制得，由遼寧金和福農業科技股份有限公司提供；試驗所用地膜為聚乙烯農膜，厚度為0.01 mm，黑色，由青海省農牧生產資料股份有限公司出品。

試驗設覆膜和施生物炭2個因素，其中覆膜設置2個水平：分別為不覆膜和覆膜，施生物炭設置2個水平：分別為不施生物炭和施生物炭，兩因素完全組合共4個處理，分別為不覆膜不施生物炭（CK）、僅覆膜（M）、僅施生物炭（B）和覆膜加施生物炭（M+B）處理。試驗采用隨機區組設計，各處理重復4次，共16個小區（長×寬=4 m×3 m）。油菜播種前一次性基施氮、磷（P2O5）、鉀肥（K2O）量分別為150、90、75 kg/hm2，硼肥為165 g/hm2。生物炭用量為20 t/hm2，隨肥料一起施用。春油菜按行距30 cm、株距25 cm人工點播，密度為13.3萬株/hm2，其他田間管理措施與當地常規相同。于2019年4月3日播種，2019年8月27日收獲。

1.3 樣品采集與分析

地上部干重：分別于苗期（播后66 d）、初花期（播后79 d）、角果初期（播后115 d）、角果中期（播后133 d）和收獲期（播后146 d），在每區選擇具有代表性的植株5株，將莖、葉、角果分開，于105℃下殺青30 min，然后75℃下恒溫烘至恒重，地上部干重為各器官干重之和。

產量測定：在小區內選取5株代表性植株，分別測定分枝高度、莖粗、有效分枝數、單株角果數、每角粒數和千粒重。每小區單打單收，曬干去殼后測定籽粒產量。

植株氮、磷、鉀含量：將收獲后植株地上部各器官樣品粉碎過篩，采用H2SO4-H2O2消煮，分別用凱式定氮儀、鉬銻抗比色法和火焰光度法測定各器官氮、磷、鉀含量。各器官養分吸收量為各養分含量與器官干重的乘積。所有器官養分吸收量之和即為春油菜地上總養分吸收量。

土壤團聚體：于2019年8月油菜收獲后，采用“S”形5點采樣法，采集0～20 cm耕層土壤樣品，測定土壤水穩性團聚體。在風干過程中沿自然斷裂面掰成10 mm大小的土塊。采用TTF-100型土壤團聚體分析儀進行測定，將100 g土壤樣品放置于5、2、1、0.5、0.25 mm的套篩上，上下振蕩5 min，將各級孔篩的土壤樣品洗出至鋁盒中，60℃下烘干，稱重。計算團聚體平均重量直徑（MWD）和大于0.25 mm的水穩性大團聚體含量（R0.25），計算公式參考文獻［12］。

1.4 數據處理

采用SPSS 22.0進行數據統計和方差分析，采用Duncan新復極差法進行多重比較，顯著性水平均為0.05；利用Excel 2016進行數據處理和作圖。

2 結果與分析

2.1 覆膜和施生物炭條件下油菜地上部干物質量積累特征

油菜干物質量積累符合前期增長緩慢、中期增長快、后期增長慢的S曲線特征。其中播種后79 ～115 d，正值油菜開花和角果形成期，此階段累積了總生物量的53%～64%（表1）。方差分析結果表明，在油菜的整個生長階段，M處理均顯著提高了油菜干物質量，尤其在播后79 d時，M處理比CK增加干物質量192%（表1）。在M+B條件下，油菜干物質量比M處理高1%～31%，但差異未達到顯著水平。B處理在播后79 ～133 d均顯著提高了油菜干物質量，在播后79 d時，B處理比CK提高了102%。生物炭與覆膜的交互作用對油菜各時期地上部總干重均無顯著影響。

表1 不同處理的油菜地上部總干物質量 （kg/hm2）

2.2 覆膜和施生物炭對油菜養分吸收及分配的影響

油菜收獲期，地上部總吸氮量為114～269 kg/hm2，總吸磷量為P 25～45 kg/hm2，總吸鉀量為K 130～302 kg/hm2（圖1）。油菜吸氮量和吸鉀量的兩因素方差分析表明，施生物炭的主效應不顯著，覆膜的主效應顯著，覆膜和生物炭的交互作用顯著，進一步多重比較表明，施生物炭和覆膜顯著提高了油菜地上部總吸氮量和總吸鉀量，B處理比CK高44%和34%，M處理比CK高135%和133%，M+B處理比CK高132%和112%。油菜吸磷量在各處理間均無顯著差異。

氮素在莖、角殼和籽粒中的分配比例分別為0.12～0.15、0.10～0.11和0.75～0.78（圖1）。氮素主要分配在籽粒中，M處理顯著提高了氮素在莖中的分配比例，由CK的0.12提高到0.15，生物炭及其與覆膜的交互作用對氮素分配比例影響不顯著。磷素在各器官的分配規律與氮素相似，莖、角殼和籽粒中的分配比例分別為0.07～0.11、0.07～0.08和0.82～0.87。磷素主要分配在籽粒中，覆膜、生物炭及其交互作用對磷素分配比例無顯著影響。鉀素在莖、角殼和籽粒中的分配比例分別為0.47～0.55、0.30～0.38和0.15～0.17。鉀素主要分配在莖和角殼中，覆膜、生物炭及其交互作用對鉀素分配比例無顯著影響。

2.3 覆膜和施生物炭處理下油菜農藝性狀及產量

春油菜有效分枝數、每角粒數、千粒重和收獲指數在處理間均無顯著差異，該年氣候條件下，春油菜的平均有效分枝數為8個，每角粒數為22個，千粒重為4.33 g，收獲指數為0.36（表2）。針對春油菜分枝高度、莖粗、單株角果數和產量，覆膜的主效應顯著，而生物炭的主效應不顯著，覆膜和生物炭的交互作用不顯著。施生物炭能在一定程度上提高莖粗、單株角果數和產量，分別比CK高17%、18%和9%，施生物炭的分枝高度比CK低18 cm，但未達到顯著水平。覆膜能夠顯著提高油菜莖粗、單株角果數和產量，分別比CK高36%、61%和34%，其分枝高度比CK低了29 cm。M+B處理比M的油菜莖粗、單株角果數和產量分別提高7%、29%和12%，但兩者差異不顯著。M和M+B處理對于產量的提高，主要是通過提高單株角果數，尤其是每個有效分枝上的角果數來實現的。同時M和M+B處理能夠降低分枝高度，增大莖粗，有利于增強油菜植株的抗倒伏能力。

表2 不同處理下油菜農藝性狀及產量構成

本研究中產量和角果數均與分枝高度呈極顯著負相關，與莖粗和有效分枝數呈極顯著正相關（表3）。在油菜產量構成三要素中，對產量影響最大的是角果數（r=0.95），其次是千粒重（r=0.27），每角粒數對其影響最小（r=-0.08）。油菜產量的提高主要依賴于角果數，而角果數的提高會在一定程度上降低每角粒數，而每角粒數的減少能一定程度上提高油菜的千粒重。這表明要想獲得較高的油菜產量需盡可能選擇分枝高度低、莖粗、有效分枝數多的品種和栽培管理措施。本研究中有效分枝數越多，每角粒數越少，莖粗越粗，千粒重越大。

表3 油菜農藝性狀與產量的皮爾森相關系數

2.4 覆膜和施生物炭對土壤團聚體的影響

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，具有協調土壤水肥氣熱的作用。提高土壤水穩性團聚體的數量和質量，對提高土壤肥力和作物產量具有重要作用。方差分析結果表明，覆膜和生物炭均對土壤團聚體粒級組成有顯著影響，但覆膜和生物炭的交互作用不顯著。M和M+B處理顯著改變了土壤團聚體各粒級含量，主要是增加了0.25～2 mm的團聚體的含量，分別比CK提高了49.4%和40.7%（表4）。B和M+B處理均顯著提高了大于0.25 mm的水穩性大團聚體含量（R0.25），分別比對照高14.8%和15.9%。B處理的土壤團聚體的平均重量直徑（MWD）顯著大于M處理，是M處理的1.6倍。總體來看，生物炭能提高土壤大團聚體數量和團聚體平均重量直徑，而覆膜能一定程度上提高大團聚體數量，有降低團聚體平均重量直徑的趨勢。

表4 不同處理下土壤團聚體組成和穩定性

3 討論

3.1 覆膜和生物炭施用對春油菜干物質積累的影響

植株干物質量積累和分配是產量形成的物質基礎，田間管理措施對作物產量的影響，首先體現在對干物質的積累和分配上。本研究中油菜全株干物質量積累隨生育進程推進呈明顯的“S”形曲線變化，這與前人研究結果一致［13-14］。其中，油菜開花和角果形成期是干物質快速積累期，此時處于油菜主要光合器官的轉換階段，油菜開花初期，葉片光合面積達到最大，終花后葉片逐漸枯萎凋落，與此同時，油菜角果大量形成，角果皮成為主要的光合器官［15］。李月梅［16］研究表明春油菜從播種到開花積累了植株總干重的50%～70%。地膜覆蓋能夠抑制土壤水分蒸發，減少夜間長波輻射，有效改善土壤的水熱條件［17］，本研究中覆膜顯著提高了油菜干物質量積累和產量，這與趙東霞等［18］研究結果一致。關于生物炭的施用效果，前人研究存在較大的爭議，有研究表明生物炭在堿性土上對玉米干物質量無顯著影響［19］，本研究中土壤pH為8.4，生物炭僅在作物生長的中期對油菜干重有顯著的促進作用，對產量的影響不顯著。

3.2 覆膜和生物炭施用下的春油菜氮、磷、鉀養分吸收和分配

本研究中春油菜對鉀素和氮素吸收量明顯大于對磷素的吸收量，這與前人研究結果一致［16］。曹金華等［13］的研究表明油菜籽粒是氮、磷的分配中心，占總量的75%左右，鉀主要分配在莖和角果殼中，籽粒鉀僅占吸收量的21%。本研究得到相似結論，氮、磷主要分配于籽粒中，籽粒氮占總吸氮量的76%，籽粒磷占總吸磷量的85%，籽粒鉀占總吸鉀量的16%。本研究中所用的油菜品種籽粒對磷的吸收更多，對鉀的吸收更少，這可能是由于油菜品種和土壤氣候差異導致的。李月梅［20］在青海省旱地農區的研究表明，在氮、磷、鉀配施下春油菜每生產100 kg籽粒需要吸收N、P2O5、K2O分別為4.6、2.0和5.6 kg，本研究中每形成100 kg籽粒需要吸收N、P2O5和K2O分別為3.7、1.7和4.9 kg，明顯低于前人研究結果，這可能是由于本試驗地點降水相對更多，油菜受到的水分脅迫較少，養分利用效率更多。覆膜和施生物炭在提高植株總干物質量的同時，同步提高了植株總養分吸收量。

3.3 覆膜和生物炭施用對春油菜農藝性狀與產量的影響

覆膜能有效改善土壤水熱條件，具有顯著的增溫保墑效果，能顯著提高作物產量和資源利用效率。谷曉博等［21］的研究表明覆膜能顯著提高油菜有效分枝數、角果數和每角粒數，覆膜下的產量比露地高46%左右。大量研究表明，覆膜增溫效果主要在作物生長早期［22］，而油菜角果數的決定期主要在現蕾以前，該時期生物量越大，則角果數越多［23］。本研究中覆膜顯著增加了早期干物質量，從而導致覆膜下的角果數增加顯著，但覆膜對每角粒數和千粒重影響不顯著。廖桂平等［24］指出油菜每角粒數和千粒重主要受遺傳基因控制，而角果數主要由營養器官干物質量、分配和轉移量來決定，因此油菜產量的提高主要依靠提高角果數來實現。本研究中角果數與每角粒數呈顯著負相關，每角粒數與千粒重呈極顯著負相關，油菜產量構成三要素間具有內源調節能力，每角粒數在角果數和千粒重之間起平衡作用，以保證生殖器官籽粒的質量，這也是作物的一種生存策略。

3.4 覆膜和施生物炭下土壤團聚體的變化

土壤團聚體是土壤肥力的基礎，其結構組成是表征良好團粒結構的重要指標，其分布和大小決定著土壤養分循環和微生物活動過程。生物炭具有發達的孔隙結構和較大的比表面積，有研究表明生物炭能顯著提高土壤的水穩性團聚體含量，促進土壤團粒形成，改善土壤結構。袁晶晶等［25］的試驗表明，生物炭使土壤中R0.25提高20.7%，同時MWD增加29.2%。王亞瓊等［26］的研究表明生物炭提高了0.5～3 mm水穩性團聚體含量。本研究得到相似結論，施生物炭使土壤中R0.25的含量顯著提高14.8%，同時MWD提高23.1%。但也有些學者得到不同的結論，侯曉娜等［12］的研究表明生物炭對于土壤MWD和R0.25無顯著影響。這可能與生物炭制備原料、工藝或培養時間不同有關。

覆膜在土壤與大氣間形成一個薄薄的氣層，必然會影響土壤的水汽交換過程，進而對土壤結構產生一定的影響。劉秀等［27］的研究表明覆膜可顯著提高>2 mm的大團聚體含量，提高MWD，增加團聚體穩定性。盧闖等［28］的研究表明地膜提高了土壤0.25～0.5 mm團聚體含量。本研究中覆膜顯著提高了0.25～2 mm團聚體含量，有降低土壤MWD的趨勢。這可能是由于覆膜降低了土壤干濕交替強度，改變了土壤團聚體的分布，此外覆膜下植株根系生長旺盛，根系的物理穿插使大團聚體破碎。

4 結論

本研究主要分析了覆膜和施生物炭對春油菜干物質積累、養分吸收特征、產量和土壤團聚體的影響，所得結論如下：

（1）覆膜和施生物炭對總干物質量的增加作用在春油菜初花期最顯著，其中覆膜和施生物炭分別比對照提高了192%和102%。

（2）覆膜和施生物炭顯著提高了油菜地上部總吸氮量和總吸鉀量，施生物炭植株總吸氮量和吸鉀量比對照分別提高44%和34%，覆膜比對照分別提高135%和133%。

（3）覆膜顯著提高了氮素在莖中的分配比例，由對照的0.12提高到0.15。

（4）覆膜和施生物炭春油菜產量分別比對照提高9%和34%，主要是增加了單株角果數，尤其是每個分枝的角果數。

（5）覆膜顯著提高了0.25～2 mm團聚體含量，而施生物炭使土壤中R0.25顯著提高14.8%，MWD提高23.1%。