生物炭用量對(duì)灌區(qū)春小麥干物質(zhì)和氮素積累、轉(zhuǎn)運(yùn)及產(chǎn)量的影響

惠 超 楊衛(wèi)君 鄧天池 陳雨欣 宋世龍 張金汕 石書兵

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，830052，新疆烏魯木齊）

氮肥是作物生長(zhǎng)發(fā)育必需的元素之一，也是保障國(guó)家糧食安全必不可少的農(nóng)用物資，但其“高投入、高產(chǎn)出、低效益”的生產(chǎn)模式給農(nóng)田帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[1]。因此，在響應(yīng)國(guó)家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展號(hào)召的同時(shí)，探索合理高效的施肥方案對(duì)農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。生物炭是一種穩(wěn)定的富碳產(chǎn)物[2]，具有高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和豐富的表面活性官能團(tuán)[3-4]，其特殊的物理結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)使其能改善土壤肥力，提高作物產(chǎn)量。目前，生物炭在農(nóng)業(yè)方面主要用作土壤改良劑及炭基肥制作的原料[5]。研究表明，生物炭能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高小麥[6]、玉米[7]和水稻[8-9]等作物的干物重及產(chǎn)量。并且，生物炭施入可與土壤顆粒結(jié)合形成土壤團(tuán)聚體，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤質(zhì)量[10-12]。盡管關(guān)于添加生物炭對(duì)麥田土壤肥力及其生長(zhǎng)影響方面的報(bào)道很多，得出的結(jié)論也較為明確，但由于地域限制，導(dǎo)致研究結(jié)果也存在一定差異，且研究多集中于棉花、玉米、大豆和煙草等作物，而在春小麥上研究較少。基于此，本研究以北疆灌區(qū)麥田為對(duì)象，針對(duì)小麥生產(chǎn)中存在的不合理施肥現(xiàn)象，對(duì)比研究不同量生物炭單施及氮肥減量與不同量生物炭配施2年后，春小麥干物質(zhì)和氮素積累、分配、轉(zhuǎn)運(yùn)及產(chǎn)量變化的情況，進(jìn)而為化肥減量和生物炭的農(nóng)業(yè)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在新疆奇臺(tái)麥類試驗(yàn)站（89°13′～91°22′E，42°25′～45°29′N）。奇臺(tái)屬于溫帶大陸性氣候，年均氣溫5.5℃，7月平均氣溫22.6℃，極端最高氣溫39.0℃，1月平均氣溫-18.9℃，極端最低氣溫-37.3℃。年均相對(duì)濕度60%。年均無(wú)霜期153d（4月下旬至10月上旬）。年均降水量269.4mm。

1.2 試驗(yàn)材料

所用棉稈炭由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，碳化溫度450℃，碳化時(shí)間4h，pH 9.37、全氮21.76g/kg、堿解氮5.38mg/kg、速效磷200.94mg/kg。供試氮肥為尿素（含純N 46%），供試小麥品種為新春37號(hào)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

前期研究開(kāi)展了不同量氮肥（低量、常規(guī)和高量）配施生物炭（30t/hm2）對(duì)春小麥生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明氮肥適度減量（低量）配施生物炭能有效促進(jìn)產(chǎn)量提升。本試驗(yàn)于2018年9月開(kāi)始，設(shè)生物炭水平4個(gè)（B0、B1、B2和B3）、氮肥用量水平2個(gè)（N0和N1），共8個(gè)處理（表1），B0N0為對(duì)照（CK）。試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)小區(qū)面積9m2（3m×3m），每個(gè)處理重復(fù)3次。共計(jì)24個(gè)小區(qū)。具體施肥措施：于2018年播種前將生物炭均勻撒于田間表土，再人工均勻翻入30cm土層，此后2年不再施入。氮肥采用尿素（純氮46%）作為基肥一次性施入。播種方式為等行距條播，種植密度為450萬(wàn)株/hm2，行距為20cm，其他管理措施與當(dāng)?shù)匾话愀弋a(chǎn)田相同。

表1 田間試驗(yàn)各處理生物炭和氮肥用量Table 1 Amount of biochar and nitrogen fertilizer of each treatment in the field experiment

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 干物質(zhì)積累、分配及轉(zhuǎn)運(yùn) 分別于春小麥拔節(jié)期、孕穗期、開(kāi)花期、灌漿期和成熟期在每個(gè)小區(qū)取樣15株。其中，開(kāi)花期和成熟期按莖鞘、葉片、穗及籽粒將樣品分開(kāi)。所有樣品均在105℃殺青30min，于80℃烘至恒重，稱量干物重。計(jì)算干物質(zhì)積累量及分配。

干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量=開(kāi)花期干重–成熟期營(yíng)養(yǎng)器官干重，干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)效率（%）=干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/開(kāi)花期干重×100，干物質(zhì)對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率（%）=干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/籽粒干重×100。

1.4.2 Logistic方程模擬 采用Logistic方程擬合春小麥干物質(zhì)積累變化。計(jì)算公式為y=k/[1+e(a-bt)]，式中，y代表干物質(zhì)積累量（g/株），t為播種后天數(shù)，k為小麥單株干物質(zhì)理論最大積累量（g/株），a和b為待定系數(shù)。

1.4.3 氮素積累、分配及轉(zhuǎn)運(yùn) 分別將開(kāi)花期（莖鞘+葉片+穗）和成熟期（莖鞘+葉片+穎殼+籽粒）小麥各器官烘干、稱重，然后用樣品粉碎機(jī)磨碎后過(guò)0.25mm篩，各器官分別稱取0.3g于消化管中，用H2SO4-H2O2消煮，采用凱氏定氮法測(cè)定各器官全氮含量。

開(kāi)花期（成熟期）氮素積累量=開(kāi)花期（成熟期）營(yíng)養(yǎng)器官全氮含量×開(kāi)花期（成熟期）營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量，氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量=開(kāi)花期氮素積累量–成熟期氮素積累量，氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率（%）=氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/開(kāi)花期氮素積累量×100，氮素轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率（%）=氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒氮素積累量×100。

1.4.4 春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 春小麥成熟后，在每小區(qū)長(zhǎng)勢(shì)均勻處選取1m2調(diào)查穗數(shù)，之后每小區(qū)選取代表性樣株15株，用于后期考種。每個(gè)小區(qū)人工收割，實(shí)打?qū)嵤眨?jì)算產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019及SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，并檢驗(yàn)其顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)春小麥干物質(zhì)積累及轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

2.1.1 干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài) 不同施肥處理對(duì)春小麥干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)有影響，在春小麥開(kāi)花期差異顯著（P＜0.05）（表2）。CK處理春小麥各時(shí)期干物質(zhì)積累量最低。與CK處理相比，單施生物炭各處理的春小麥不同生育期干物質(zhì)積累量均呈現(xiàn)隨生物炭量增加先增加后減小的趨勢(shì)，B2N0處理各生育期干物質(zhì)積累量均高于B0N1處理，在成熟期差異顯著（P＜0.05），而當(dāng)生物炭用量持續(xù)增加時(shí)，春小麥各生育期干物質(zhì)積累量降低。氮肥減量與生物炭配施時(shí)，各生育期春小麥干物質(zhì)積累量在單施生物炭的基礎(chǔ)上持續(xù)升高，以B2N1處理各生育時(shí)期干物質(zhì)積累量最高；B1N1處理各生育期春小麥干物質(zhì)積累量雖有降低趨勢(shì)，但仍高于B0N1處理。總體上，干物質(zhì)積累量變化順序?yàn)锽2N1＞B2N0＞B1N1＞B3N1＞B0N1＞B3N0＞B1N0＞B0N0，各生育期干物質(zhì)積累量分別較B0N0處理提高了22.3%、19.5%、18.9%、14.8%、14.7%、9.4%和9.3%。

表2 不同處理春小麥各生育時(shí)期干物質(zhì)積累量Table 2 Dry matter accumulation of spring wheat under different treatments in each growth period g/株g/plant

2.1.2 干物質(zhì)積累速率 對(duì)干物質(zhì)積累量進(jìn)行Logistic回歸分析，其相關(guān)系數(shù)（R2）均在0.9400以上，說(shuō)明該模型能夠較好地反映不同處理下干物質(zhì)積累量的變化過(guò)程。由表3可知，與CK處理相比，單施生物炭提前了最大干物質(zhì)積累速率（Vmax）出現(xiàn)天數(shù)，生物炭量為10t/hm2時(shí)，干物質(zhì)最早進(jìn)入快速積累期。生物炭用量增加時(shí)，干物質(zhì)進(jìn)入快速積累期最晚，說(shuō)明添加生物炭能夠延長(zhǎng)干物質(zhì)快速積累期。氮肥減量配施生物炭結(jié)果與其相似。此外，氮肥減量配施生物炭能夠增大Vmax，且隨著生物炭施用量的增加，Vmax呈先上升后下降趨勢(shì)，其中B2N1處理最大，干物質(zhì)積累持續(xù)天數(shù)最長(zhǎng)。總體上，氮肥配施中量生物炭（B2N1）處理最佳，不同處理春小麥干物質(zhì)積累上限變化順序?yàn)锽2N1＞B1N1＞B3N1＞B2N0＞B0N1＞B1N0＞B0N0＞B3N0。

表3 不同處理下春小麥干物質(zhì)積累模型Table 3 Dry matter accumulation model of spring wheat under different treatments

2.1.3 成熟期干物質(zhì)分配 添加不同量生物炭對(duì)春小麥成熟期籽粒中干物質(zhì)分配有顯著影響（P＜0.05），成熟期春小麥各器官干物質(zhì)占總干物質(zhì)比例表現(xiàn)為籽粒＞莖鞘＞穎殼＞葉片（表4）。CK處理籽粒中干物質(zhì)分配比例最低，單施不同量生物炭可提高成熟期籽粒干物質(zhì)積累量，但仍低于氮肥單施。氮肥減量配施生物炭條件下，成熟期籽粒干物質(zhì)積累量較氮肥單施持續(xù)增加，以B2N1處理下干物質(zhì)分配比例最高，為54.73%。

表4 不同處理春小麥成熟期干物質(zhì)分配Table 4 Dry matter distribution in the mature stage of spring wheat under different treatments

2.1.4 干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn) 由表5可知，單施生物炭均能不同程度地提高春小麥籽粒干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量及轉(zhuǎn)運(yùn)效率，總體變化趨勢(shì)為B2N0＞B3N0＞B1N0，較CK處理分別提高86.9%、83.5%和85.6%（P＜0.05），3個(gè)氮肥減量配施生物炭處理中，B2N1處理干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)效率及轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率最高，干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量與CK處理相比差異顯著，氮肥與生物炭交互作用對(duì)小麥單株粒重影響顯著（P＜0.05）。

表5 春小麥營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)運(yùn)輸及其對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)Table 5 Dry matter transport of vegetative organs and contribution to grain of spring wheat

2.2 生物炭對(duì)春小麥氮素積累及轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

2.2.1 成熟期氮素分配 添加不同量生物炭對(duì)春小麥成熟期植株氮素分布有顯著性影響，由表6可知，成熟期小麥各器官氮素分布表現(xiàn)為籽粒＞莖鞘＞穎殼＞葉片。CK處理籽粒中氮素分配比例最低，單施不同量生物炭可提高成熟期籽粒中氮素積累量，但仍低于B0N1處理。氮肥減量配施生物炭條件下，成熟期籽粒中氮素積累量持續(xù)增加，以B1N1處理下籽粒中氮素分配比例最高，為78.76%，與除B0N1處理外的其他處理間差異顯著，且氮肥與生物炭互作對(duì)籽粒中氮素積累影響極顯著（P＜0.01）。

表6 春小麥成熟期氮素積累及分配比例Table 6 Nitrogen accumulation and distribution ratio in spring wheat at mature stage

2.2.2 氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn) 不同處理對(duì)春小麥氮素積累和轉(zhuǎn)運(yùn)存在顯著性影響（表7），單施不同量生物炭均能不同程度地提高春小麥氮素積累量、轉(zhuǎn)運(yùn)量及轉(zhuǎn)運(yùn)效率，且氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)效率及轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率都隨著生物炭施用量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，以B2處理效果最好，B2N0處理較CK處理分別增加21.7%、55.6%和17.6%；氮肥減量配施生物炭處理中以B2N1處理最佳，較CK處理分別增加33.9%、63.9%和19.6%。總體上氮肥減量配施生物炭效果要優(yōu)于單施生物炭。氮肥與生物炭交互作用對(duì)春小麥氮素積累及轉(zhuǎn)運(yùn)影響顯著（P＜0.05）。

表7 春小麥氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)Table 7 Nitrogen accumulation and transport in spring wheat

2.3 生物炭用量對(duì)春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

從表8可以看出，生物炭添加不同處理對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素影響顯著。CK處理產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均較低，產(chǎn)量為5989.8kg/hm2；與CK處理相比，B0N1處理穗數(shù)、穗粒數(shù)及產(chǎn)量均顯著增加（P＜0.05），分別提高了15.9%、8.6%和31.9%；單施生物炭B1N0、B2N0處理產(chǎn)量較CK處理分別顯著增加24.6%、25.4%（P＜0.05），而B3N0處理與CK處理無(wú)顯著性差異；在氮肥減量配施生物炭處理中，B2N1處理產(chǎn)量最高，B1N1處理次之，B3N1處理最低。總體來(lái)看，氮肥減量配施生物炭與單施生物炭相比，提高春小麥產(chǎn)量達(dá)8.7%，且中量生物炭（20t/hm2）與氮肥配施時(shí)增產(chǎn)效果最為顯著（P＜0.05）。

表8 不同處理下春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 8 Spring wheat yield and its components under different treatments

3 討論

生物炭可改良土壤，并影響作物生長(zhǎng)。本研究結(jié)果表明，施用不同量生物炭2年后仍可促進(jìn)春小麥花前干物質(zhì)積累量，提高干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)效率及其對(duì)籽粒形成的貢獻(xiàn)率，增加小麥產(chǎn)量。與氮肥單施相比，施加生物炭后千粒重增加5.1%，產(chǎn)量增加7.6%。分析認(rèn)為，一方面生物炭多孔結(jié)構(gòu)可吸附肥料養(yǎng)分，作為肥料緩釋載體的養(yǎng)分“暫存庫(kù)”，延緩肥料中養(yǎng)分釋放，彌補(bǔ)化學(xué)肥料養(yǎng)分釋放快、肥效期短的不足，使土壤具有持續(xù)供肥能力，提高肥料利用率[13]，利于作物生長(zhǎng)；另一方面生物炭添加可改善土壤環(huán)境，使土壤中養(yǎng)分更加豐富，微生物活動(dòng)頻繁，促進(jìn)土壤微生物活性[14]，正向激發(fā)土壤養(yǎng)分運(yùn)轉(zhuǎn)[15]，提高植物養(yǎng)分利用。國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)影響的試驗(yàn)結(jié)果不一，多數(shù)研究[16-17]結(jié)果顯示，生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量等均有積極、長(zhǎng)效的作用。

春小麥干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運(yùn)與產(chǎn)量形成關(guān)系密切，其籽粒形成主要來(lái)源于花前營(yíng)養(yǎng)器官物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)及花后功能葉光合產(chǎn)物積累[18]。一般來(lái)說(shuō)，干物質(zhì)積累量越大，籽粒產(chǎn)量越高[19]。張娜等[20]研究了生物炭對(duì)夏玉米生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)施用生物炭較不施生物炭能夠促進(jìn)夏玉米干物質(zhì)積累，并且較對(duì)照顯著增產(chǎn)8.8%。本研究結(jié)果與之相似，生物炭添加2年后春小麥各器官干物質(zhì)積累、分配及轉(zhuǎn)運(yùn)較CK處理均有顯著提升，尤其是籽粒中干物質(zhì)分配顯著增加8.9%，且穎殼中干物質(zhì)分配比例顯著降低了19.7%，極大地促進(jìn)了干物質(zhì)向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)，提高了小麥產(chǎn)量。程效義等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在施肥基礎(chǔ)上添加生物炭20t/hm2，可延長(zhǎng)玉米旺盛生長(zhǎng)期，本研究結(jié)果與之相似，通過(guò)Logistic方程擬合的干物質(zhì)積累進(jìn)程發(fā)現(xiàn)，生物炭添加延長(zhǎng)了干物質(zhì)快增期的持續(xù)時(shí)間，提高了干物質(zhì)積累速率，從而使干物質(zhì)得到更有效的積累，粒重較對(duì)照顯著提升7.4%，產(chǎn)量顯著提高20.3%。分析認(rèn)為，生物炭作為一種外源有機(jī)質(zhì)，其自身就攜帶一定營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[13]，有利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育，此外，由于生物炭的抗拉強(qiáng)度較低，生物炭在土壤中的應(yīng)用隨土壤抗拉強(qiáng)度下降而降低，進(jìn)一步促進(jìn)了根系在土壤中的穿透性[22]，有效地促進(jìn)了作物根系發(fā)育，從而提高了作物吸收養(yǎng)分的能力，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。

氮素是作物干物質(zhì)積累的前提，其在作物器官中的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)直接或間接影響產(chǎn)量[23]。本試驗(yàn)中，施用不同量生物炭2年后，小麥籽粒中氮素積累量較CK處理顯著提升2.1%，當(dāng)施炭量20t/hm2時(shí)氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)效率及轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率最佳，較CK處理分別顯著提高55.6%、17.6%和43.4%，產(chǎn)量顯著提升29.3%，且生物炭配施氮肥增產(chǎn)效果要優(yōu)于生物炭單施。由于生物炭添加使土壤結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[24-25]，為土壤微生物提供了良好的生存環(huán)境，使微生物活動(dòng)更加頻繁，從而加快有機(jī)質(zhì)腐解，提升土壤供氮能力[26]，有利于作物對(duì)氮素的吸收，促進(jìn)了作物氮素積累。徐曉楠等[27]研究表明，秸稈生物炭還田可顯著提高花生整株的氮、磷、鉀積累量，特別是提高生育后期的養(yǎng)分分配量，對(duì)花生高產(chǎn)增效有良好的促進(jìn)作用。張偉明等[28]研究表明，生物炭配施化肥可提高作物成熟期的氮素積累量，本研究得到了相同結(jié)果。生物炭可改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)氮素在土壤中的持留時(shí)間，提高了土壤氮素有效性，進(jìn)而加強(qiáng)作物對(duì)氮素的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)[29]。作物根系氮素吸收能力與植株氮素含量密切相關(guān)[30]，但由于生物炭呈堿性，大量施入土壤后，會(huì)使土壤pH升高[31]，pH變化會(huì)直接影響作物根系發(fā)展，從而使作物生長(zhǎng)發(fā)育受到影響[32]。陳富彩等[33]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物炭和草炭用量為9t/hm2時(shí)，煙葉含氮量較對(duì)照顯著提升了20.26%，當(dāng)用量達(dá)到12t/hm2時(shí)，煙葉氮含量反而較對(duì)照降低，本試驗(yàn)結(jié)果與其相似，生物炭用量達(dá)到30t/hm2時(shí)，春小麥各器官氮素積累及轉(zhuǎn)運(yùn)明顯受到抑制。可能由于生物炭添加增強(qiáng)了土壤保水性[34]，水土交融導(dǎo)致土壤變緊實(shí)，阻礙土壤養(yǎng)分釋放，間接抑制了根系對(duì)養(yǎng)分的吸收[35]，進(jìn)而影響氮素運(yùn)移。本研究還發(fā)現(xiàn)，單施生物炭較CK處理顯著提高了春小麥氮素積累量及氮素轉(zhuǎn)運(yùn)效率，顯著提高了春小麥產(chǎn)量，這是由于長(zhǎng)期大量施氮導(dǎo)致土壤氮素背景值升高，而添加生物炭可使土壤中殘留氮素得以活化，土壤中有效氮增加，有利于作物氮素吸收，從而提高作物產(chǎn)量。此外，生物炭施用時(shí)間也會(huì)對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響，生物炭添加短時(shí)間內(nèi)對(duì)作物增產(chǎn)效果不顯著，長(zhǎng)期添加后作物產(chǎn)量顯著增加，即長(zhǎng)期效應(yīng)要大于短期效應(yīng)[36-37]。因此，生物炭添加提高作物產(chǎn)量效應(yīng)，需要更長(zhǎng)期的深入研究。

4 結(jié)論

生物炭施用對(duì)春小麥干物質(zhì)和氮素積累、轉(zhuǎn)運(yùn)有重要影響，并顯著影響產(chǎn)量。在本試驗(yàn)條件下，生物炭20t/hm2與氮肥150kg/hm2配施2年后可有效提高春小麥干物質(zhì)和氮素積累量及轉(zhuǎn)運(yùn)效率，增產(chǎn)達(dá)25.1%。