炭基肥對貴州黃壤鮮食玉米光合特性、干物質積累及產量形成的影響

謝婷婷，趙 歡，肖厚軍，陳云梅，胡 崗，秦 松

（1.貴州大學農學院，貴州 貴陽 550006；2.貴州省農業科學院，土壤肥料研究所/農業農村部貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站，貴州 貴陽 550006）

肥料是作物的“糧食”，是作物生長所需養分的重要來源，對作物的產量和品質有著重要影響[1-2]，根據FAO最新資料顯示，我國化肥消耗占世界的62.3%，然而谷物總產量只占世界的20.8%，大量施用化肥會引起土壤酸化、板結以及環境面源污染等問題[3]。炭基肥是一種新型肥料，不僅為農林廢棄物再利用提供新途徑，而且能夠降低化肥的施用量，提高化肥利用率，減輕因肥料過量施用帶來的土壤環境污染[4]。玉米（Zea mays）是我國三大糧食作物之一，具有光合生產效率高和產量潛力大的特點[5]，光合作用是作物產量形成的生理基礎，光合特性是影響產量的重要因素之一，作物通過光合作用形成的有機物占植株總干質量的95%，這表明提高作物產量需要依賴于光合產物的更多積累，以此形成更高的生物量，而光合作用的主要器官是葉片[6-9]，研究表明，施肥有利于提高玉米葉片的葉綠素SPAD值和光合特性，進而達到提高產量的目的[10-12]。劉劍釗等[13]研究結果表明，玉米產量與凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率呈正相關關系，說明光合特性的提高有利于提高玉米產量。蘇蘭茜等[14]研究表明，適量施用有機肥可以提高玉米葉片的光合特性，對提高玉米光合作用起到促進作用。黃智鴻等[9]在對夏玉米的研究中指出，籽粒產量大部分取決于玉米生育后期的光合能力。前人關于施肥對玉米光合特性的研究多集中于有機肥、普通復合肥或施氮水平等對玉米光合特性的影響[12，14-15]，對炭基肥在玉米光合特性方面的研究卻鮮見報道，為此，本文針對貴州黃壤區鮮食玉米栽培，在盆栽試驗條件下，研究了鮮食玉米光合特性、品質及產量對炭基肥的響應，旨在為貴州鮮食玉米炭基肥高效施用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2019年4月19日到7月30日在貴州省農業科學院內進行。供試土壤為貴州典型地帶性黏性黃壤，其土壤理化性質為：pH值7.29、有機質39.24 g/kg、堿解氮98.4 mg/kg、有效磷9.85 mg/kg、速效鉀124.82 mg/kg。供試肥料為炭基肥（N∶P2O5∶K2O為15∶10∶15），是利用生物質炭與其他化學肥料混合經一定工藝制成的一種新型肥料，總養分量≥40%，生物炭（以C計）含量≥6%，由沈陽康禾生物質新材料有限公司生產，供試玉米品種為“黔糯868”，黔審品種，由貴州金農科技有限責任公司于2010年用自交系QW200作母本，與自交系QW21作父本組配選育而成。

1.2 試驗設計

試驗采用長、寬、高為38 cm×30.5 cm×40.5 cm的塑料盆，共設4個處理，每個處理5次重復，包括：T1（CK），不施N肥；T2，習慣施肥；T3，炭基肥；T4，炭基肥×80%。每盆裝土25 kg，種玉米1株，共20株。根據鮮食玉米需肥特性和供試土壤堿解氮低，磷、鉀中下的情況，各處理N、P2O5、K2O分別按照0.21、0.11、0.21 g/kg土用量計算施用，T1、T2處理肥料施入尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O516%）和硫酸鉀（K2O 50%）；T3、T4處理首先施用炭基肥，不足的養分用過磷酸鈣和硫酸鉀補充。炭基肥作為基肥一次性施入，習慣施肥按照6∶4分為基肥和追肥，具體施肥量見表1。播種時間2019年4月19日，追肥時間5月15日，收獲時間7月30日，全生育期共103 d。

表1 不同處理的肥料施用量 （25 g/盆）

1.3 測定項目與方法

1.3.1 光合葉片參數的測定

玉米種植后分別在玉米苗期、拔節期、抽穗期和收獲期，選擇天氣晴朗的10：00～12：00，采用LI-6400XT便攜式光合作用測量系統測定玉米單葉葉片光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci），測量部位為穗位葉。

1.3.2 葉綠素SPAD值的測定

玉米種植后分別在玉米苗期、拔節期、抽穗期和收獲期，采用葉綠素儀（TYS-B）測定玉米葉片的葉綠素SPAD值，測定部位為每株玉米最大展開葉的中間部位。

1.3.3 玉米干物質積累、分配及產量計算

于玉米生長的苗期、拔節期、抽穗期和收獲期，分別將植物樣品分為地上部、地下部（苗期）；莖、葉（拔節期和抽穗期）；莖、葉和籽粒（收獲期）。稱取鮮重后放入烘箱中于105℃殺青30 min，85℃恒溫烘干稱重測定其干物質積累量，并依次計算其分配率。玉米產量在收獲期時采用電子秤稱出玉米穗重和籽粒鮮重，數出穗行數及行粒數，風干過后再稱玉米百粒重和籽粒干重，算出籽粒含水量，計算玉米籽粒產量。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2010進行數據基本運算；SPSS 22.0進行顯著性檢驗，顯著性均為0.05水平；Origin Pro2015進行制圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對鮮食玉米產量的影響

由圖1可知，施用炭基肥可以顯著提高玉米單株產量，其中以T3最高，為70.43 g/株，其次是T4，為65.31 g/株，二者與T1相比差異均達顯著水平，與T2相比，分別增加35.26%和25.43%，且差異顯著，T3比T4玉米增產7.84%，但二者間無顯著差異，這說明炭基肥×80%施用也能夠有效增加玉米產量，其增產效果僅次于炭基肥全量施用，若投入到大田生產，施用炭基肥×80%經濟效益可能會更好。

圖1 不同施肥處理的玉米產量

2.2 不同處理下鮮食玉米光合特性的動態變化

由表2可知，施用炭基肥顯著影響玉米各生育期光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）以及胞間CO2濃度（Ci），在玉米苗期、拔節期、抽穗期和收獲期均以T3和T4的Pn、Tr、Gs最高，且與T1相比差異都達顯著水平，說明施用炭基肥可以提高不同時期玉米光合特性；Pn和Gs呈現先增加后減小的趨勢，在玉米拔節期時達到最大值，均以T3最高，分別為31.2 μmol/（m2·s）和0.3 mol/（m2·s），與T1相比分別增加了22.7%和43.8%；Tr隨著玉米生育期的增長而提高，在收獲期達到最大值，以T4最高，為3.54 mmol/（m2·s），其次是T3，為3.53 mmol/（m2·s），二者無顯著差異，與T1相比分別增加36.72%和36.54%；Ci則與Pn和Gs呈現相反的變化趨勢，在玉米不同生育期，T3和T4的Ci相比T1分別降低36.17%、31.06%、16.56%、34.09%和38.49%、26.94%、20.45%、46.66%。

表2 不同處理的玉米光合特性

2.3 不同處理下鮮食玉米葉綠素SPAD值的動態變化

由圖2可知，不同處理的玉米葉綠素SPAD值隨生育期的進程呈現先增加后降低的趨勢，在苗期，以T3葉綠素SPAD值最高，為39.83，相比T4增加5.29%，且二者無顯著差異；到拔節期，玉米葉綠素SPAD值達到峰值，表現為T4＞T3＞T2＞T1，分別為54.0、53.3、47.77和37.47，T3和T4差異不顯著，但都顯著高于T1和T2；抽穗期玉米葉綠素SPAD值開始逐漸降低，到收獲期，除T4外，玉米葉綠素SPAD值均低于苗期；在玉米整個生育期內，T3和T4葉綠素SPAD值較T1分別平均增加45.88%和36.35%，T3較T4平均增加6.98%。

圖2 不同施肥處理的玉米葉綠素SPAD值的變化

2.4 不同處理對鮮食玉米干物質分配和積累動態的影響

由表3可知，施用炭基肥對玉米各生育期干物質積累量影響顯著，在苗期和拔節期以T4的干物質積累量最高，分別為25.56和49.85 g/株，與T1相比，差異均達到顯著水平，到抽穗期，玉米干物質積累量則以T3最高，為96.68 g/株，其次是T4，為93.0 g/株，二者差異達顯著水平；在玉米收獲期，以T3的干物質積累量最高，其他依次為T2、T4和T1，分 別 為142.02、126.69、124.2和73.34 g/株。與T2相比，T3在抽穗期和收獲期的干物質積累量分別增加36.4%和12.1%。

表3 不同處理玉米各生育期的干物質積累量 （g/株）

由表4可知，玉米收獲期的干物質分配量以籽粒最高，其他依次為莖、葉和根，收獲期平均干物質分配率為38.89%、30.17%、17.32%和13.62%，玉米根、莖、葉以及籽粒的分配量均以T3最高，分別為19.49、46.33、23.26和74.32 g/株，其次是T4，分別為18.49、39.72、25.76和68.8 g/株，相比T4，T3各部位（根、莖、葉和籽粒）干物質分配量分別提高5.41%、16.64%、1.94%和8.02%，這說明炭基肥全部施用玉米干物質積累效果優于炭基肥×80%。

表4 不同處理玉米收獲期的干物質分配量

2.5 玉米葉片光合特性與產量的相關性分析與回歸分析

由表5可知，在不同的施肥處理下，玉米光合特性與產量達到極顯著水平。光合速率（r=0.862）、蒸騰速率（r=0.942）、氣孔導度（r=0.931）及SPAD值（r=0.883）與玉米產量之間均存在極顯著正相關關系；胞間CO2濃度（r=-0.877）與產量呈現極顯著負相關關系，這說明玉米產量受光合特性的影響明顯，施用炭基肥能夠提高玉米光合特性，從而有利于玉米增產。以光合速率（X1）、蒸騰速率（X2）、氣孔導度（X3）、胞間CO2濃度（X4）和SPAD值（X5）為自變量，以產量（Y）為因變量進行逐步回歸分析，優化后得到玉米產量的最優回歸方程為：

表5 不同處理下玉米光合特性與產量的相關性分析

回歸決定系數R2=0.938，達到極顯著水平（P=0.000004＜0.01）。回歸顯著性測驗結果表明，蒸騰速率（X2）偏回歸達到極顯著水平，SPAD值（X5）偏回歸達到顯著水平，說明在光合特性指標中，蒸騰速率和SPAD值對玉米產量有顯著影響。通過通徑分析得出，蒸騰速率（X2）和SPAD值（X5）對產量的直接通徑系數分別為0.650和0.368（表6），均為正值，說明若其他因素不變，提高這兩個其中任何一個因素均能對玉米產量起促進作用。

表6 光合特性的逐步回歸分析

3 討論

3.1 炭基肥顯著影響鮮食玉米產量

玉米產量的增加與肥料的種類和施肥量密切相關，大多數研究發現炭基肥對作物增產具有明顯的優越性[16-18]。呂澤先[19]在炭基肥對作物的試驗中表明，炭基肥能夠使玉米和水稻增產12.15%和8.14%。在本試驗中，與習慣施肥相比，施用炭基肥后的玉米產量顯著提高了25.43%～35.26%，炭基肥全量施用比減量20%施用多增產7.84%，但無顯著差異，這與張萌等[20]的研究結果類似，這可能是由于生物炭本身富含氮、磷、鉀、鋁及鎂等大量和中、微量元素，有利于給作物提供平衡的養分供應，同時生物炭本身比表面積大，具有疏松多孔和離子吸附力強等性質，與化肥制成炭基肥后，其生物炭特性能夠延緩肥料釋放[21-23]，從而使玉米達到增產效果，而相比習慣施肥，炭基肥×80%施用仍顯著增產，這可能是因為炭基肥發揮了生物質炭固持養分、改良土壤等優點，更好地實現了養分的吸附和緩釋功能，減少養分的流失，實現增產[2]。

3.2 不同施肥處理對鮮食玉米光合特性的影響

光合作用是影響作物生長及產量形成的重要因素之一，凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導度以及蒸騰速率等是反應作物光合能力的重要指標[24]。本試驗研究結果顯示，隨著玉米生育期的進程，玉米光合速率、蒸騰速率和氣孔導度總體呈先增加后下降的趨勢，其均在玉米拔節期達到最大值，炭基肥處理的光合速率、蒸騰速率和氣孔導度與對照相比都有顯著提高，胞間CO2濃度則與光合速率表現出相反的變化趨勢，處理間差異達到顯著水平，通常影響植物光合作用的因素分為氣孔因素和非氣孔因素。氣孔因素是指水分脅迫使氣孔導度下降，CO2進入葉片受阻從而使光合速率下降。非氣孔因素是指光合器官光合活性下降，如果光合速率和氣孔導度與胞間CO2濃度變化趨勢相反，說明光合速率下降受非氣孔因素限制[25]。在本試驗中，玉米不同生育期胞間CO2濃度與光合速率和氣孔導度呈現相反的變化趨勢，說明玉米各生育期的光合速率下降并不是由于氣孔導度下降而使CO2減少供應，是由非氣孔因素阻礙了CO2的利用，造成了CO2的積累[14]。因此，炭基肥增加了玉米各時期的光合速率，是由于炭基肥降低了非氣孔因素對光合作用的限制。

3.3 不同施肥處理對鮮食玉米葉綠素SPAD值的影響

葉綠素是綠色植物光合作用的基礎物質，是作物葉片的主要光合色素，它影響作物的光合性能，其含量高低在一定程度上反映了葉片衰老的程度[26-27]。王進斌等[12]的研究結果表明，玉米葉綠素SPAD值隨生育期的進程呈先增加后降低的趨勢，這與本試驗研究結果類似。在本研究中，炭基肥在玉米生育前期顯著增加玉米葉綠素SPAD值，在拔節期達到峰值后逐漸下降。其原因可能為，在玉米生育后期，植株葉片開始衰老和脫落，葉片的衰老直接導致葉綠素SPAD值降低。總體來看，炭基肥處理的葉綠素SPAD值高于炭基肥×80%，且顯著優于對照。

3.4 不同施肥處理對鮮食玉米干物質積累量的影響

干物質積累量直接影響作物成熟期籽粒的分配量，高干物質積累量是獲得高產的物質基礎，并且使其能夠盡可能多的分配到籽粒當中[28-29]。王淑君等[30]的研究結果表明，施用炭基肥可以提高作物根系和地上部分干物質積累，本試驗得到類似結果：施用炭基肥能夠顯著提高玉米各生育期的干物質積累量，拔節期到抽穗期玉米干物質積累量增長較快，苗期和拔節期以炭基肥×80%的干物質積累量較高，抽穗期后以炭基肥處理的干物質積累量較優。從玉米收獲期各部位干物質分配比例來看，干物質分配量以籽粒最高，其分配比例達22.97%～45.03%，且各部位的干物質積累量均以炭基肥全部施用最高，這可能是由于炭基肥能夠延緩養分釋放，使養分釋放量與玉米養分需求基本一致，從而促進干物質的積累[31]。

4 結論

炭基肥與炭基肥×80%均能夠顯著提高鮮食玉米不同生育期干物質積累量，增加成熟期玉米籽粒的分配比例，從而促進鮮食玉米形成高產。兩個處理均提高了玉米不同生育期的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度及胞間CO2濃度，炭基肥×80%對玉米光合特性影響不大；從相關性分析結果來看，鮮食玉米產量與蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和SPAD值間均存在顯著或極顯著相關性。但本試驗是在盆栽條件下完成的，減少了許多不可控因素，可能與實際情況存在差異，因此本試驗將結合田間試驗進一步加以驗證。