生物炭及炭基肥对花生生理特性和产量的影响

王 月，刘兴斌，蔡芳芳，韩晓日，杨劲峰

(沈阳农业大学土地与环境学院土肥资源高效利用国家工程实验室，辽宁 沈阳 110866)

由于大气中CO2浓度逐年增加，温室效应加剧，有研究者提出将农业废弃物制成生物炭施入土壤而将碳封存起来以减缓气候变化[1-2]。生物炭是将作物秸秆、杂草等生物质在缺氧及低氧环境中经热裂解后生成的富碳产物。因其具有较高比例的惰性碳，这些惰性碳能够在土壤中稳定存在几百至数千年，因此在土壤中是一种有效的有机碳库[3]。

施用生物炭对土壤有多重作用：一、生物炭本身含有多种养分，施入土壤能增加土壤中磷、钾、钙、镁及氮素的含量[4]；二、生物炭具有丰富的孔隙，相对土壤中的其他物质有较大的吸附容量，可有效提高土壤的保肥能力[5]；三、生物炭含有大量的芳香分子结构[6]，具有较强的离子吸附和交换能力，能提高土壤的离子交换容量[7-8]，减缓土壤中阴阳离子的波动。基于生物炭的以上特点，很多学者认为将生物炭作为肥料载体，可以使肥料中的速效养分缓慢释放，从而降低速效养分的淋失及固定，提高肥料养分的利用率[9-11]。以生物炭为载体的肥料在其养分释放完后，还可以继续发挥土壤改良剂的作用[12]。近年来生物炭及以生物炭为缓释载体的肥料在农业上得到广泛应用，国内外已有众多有关生物炭对作物生长和土壤肥力影响的研究，但结果不尽一致。有一些研究结果显示施用生物炭相关肥料对作物产量有显著的促进作用[13-15]，也有研究发现会导致作物生物产量或经济产量的下降[16-17]。因此，关于生物炭及相关肥料对作物产生的影响还需要持续和深入的研究。目前对生物炭相关肥料的研究大多集中在盆栽或者培养试验，亦有部分单季大田试验，而长期连续施用的研究结果还不多，对花生产生影响的研究更少。

花生在我国多个省份被广泛种植，就花生品质而言以辽宁省区域的相对较好。因此，在辽宁省开展长期施用生物炭相关肥料对花生影响的研究具有较高的经济和社会价值。为研究长期施用生物炭及炭基肥对花生的影响，更好地指导当地农业生产，沈阳农业大学植物营养研究室于2009年设立了施用生物炭及自制炭基缓释花生专用肥对花生及土壤肥力影响的长期定位试验，该定位试验分别以玉米秸秆直接还田、猪厩肥作为对照。

本文利用2009-2011连续三年的田间试验，研究不同施肥处理对花生生长发育、光合特性和产量的影响。通过本研究可为生物炭基肥料在辽宁省花生种植区域的推广提供可靠的理论依据，也为辽宁省花生的高产稳产提供有力保障。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

长期定位试验位于国家花生产业技术体系土壤肥料长期定位试验基地，沈阳农业大学后山花生基地(40°48'N，123°33'E)，属于温带湿润-半湿润季风气候。年均气温7.0～8.1℃，10℃以上积温3300～3400℃，无霜期148～180 d，生长季降水量平均547～684 mm。试验于2009年开始，供试土壤为棕壤，成土母质为第四纪黄土性母质上的简育湿润淋溶土。土壤基本理化性质：pH 6.11，有机质16.2g/kg，全氮0.90g/kg，全磷(P)0.89g/kg，全钾(K)20.4g/kg，碱解氮99.0 mg/kg，有效磷(P)6.50 mg/kg，速效钾(K)126 mg/kg。

1.2 供试作物

供试花生品种为阜花12号。种植密度15万穴/hm2，每穴2粒种子。大垄双行，株距14 cm。2011年5月13日播种，9月26日收获，生育期按常规管理。

1.3 试验设计

试验设4个处理(表1)，其中BF处理为炭基缓释花生专用肥；PMC+F处理为猪厩肥配施氮磷钾化肥；CS+F处理为玉米秸秆配施氮磷钾化肥；BIO+F处理为生物炭配施氮磷钾化肥。

各处理均为等养分施肥各养分施用量：N 60 kg/hm2，P2O575 kg/hm2，K2O 105 kg /hm2)。试验所用的化肥：尿素(含N46%)、过磷酸钙(含P2O512%)、硫酸钾(含K2O 50%)。播种前所有肥料一次性地表撒施，然后翻耕覆土。每处理重复3次，小区面积为2 m2，随机区组排列。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 花生主茎高

在花生苗期、开花下针期、结荚期、收获期测定植株的主茎高。

1.4.2 叶绿素含量

在花生苗期、开花下针期、结荚期用手持式SPAD-502Plus叶绿素仪测定主茎倒三叶SPAD值。

1.4.3 光合参数

在花生苗期、开花下针期和结荚期晴天的9:00～11:00，用美国LI-COR公司产的Li6400便携式光合仪测定主茎倒三叶的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、细胞间隙 CO2浓度(Ci)。

表1 试验设计

1.4.4 收获期植株性状、产量测定

在收获期每个小区选取有代表性的植株6株，进行分枝数、第一侧枝长、单株荚果重、单株饱果数、单株秕果数的调查；收获每个小区的全部荚果，自然风干，计算产量，并调查百果重、百仁重、出仁率。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2010和SPSS 19软件进行计算和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对花生主茎高的影响

主茎高是花生的重要植物学性状，对花生株型、产量甚至品质都具有重要影响[18-19]。图1显示，苗期BF处理的主茎高显著低于其他处理，其他处理间差异不显著；开花下针期CS+F处理的主茎高显著低于BF和PMC+F处理，低于BIO+F处理但二者间差异不显著；结荚期BF、PMC+F和BIO+F处理间差异不显著，都显著高于CS+F处理；收获期各处理主茎高差异不显著。

由以上结果可知：BF处理苗期主茎高较低是因为肥料中炭基材料对养分的吸附作用，减少前期养分释放所致。虽然CS+F处理在开花下针期和结荚期主茎高处于相对劣势，但在花生生育后期主茎高与其他处理无差异，说明CS+F处理后期对主茎高的快速提升有促进作用。

2.2 不同施肥处理对花生叶绿素含量的影响

叶绿素是植物参与光合作用最重要的色素之一，其含量可以反映作物的光合能力，一定范围内其值越高，作物吸收与转化的光能就越多，作物的净光合速率就越高[20]，对花生产量的增加极为有利。SPAD值作为衡量叶绿素含量的指标被广泛采用。图2可看出，苗期各处理间叶绿素相对含量SPAD值差异不显著；在开花下针期BF处理的SPAD值显著高于其他处理，其他处理间差异不显著；在结荚期，BF处理的SPAD值最高，显著高于PMC+F和BIO+F，与CS+F处理间差异不显著。以上结果表明：在花生生育期间BF和CS+F处理可以维持较高的叶绿素含量，而BIO+F处理叶绿素含量下降趋势较其他处理明显。

图1 不同施肥处理花生主茎高Fig.1 The main stem height of peanut with different fertilization treatments图2 不同施肥处理花生叶绿素含量Fig.2 The chlorophyll content of peanut with different fertilization treatments 表2 不同施肥处理花生光合特性 Table 2 Photosynthetic characteristics of peanut with different fertilization treatments

生育期Growingstage处理Treatment净光合速率Photosyntheticrate(μmol·m-2·s-1)气孔导度Stomatalconductance(mol·m-2·s-1)蒸腾速率Transpirationrate(mmol·m-2·s-1)胞间CO2浓度IntercellularCO2concentration(μmol·mol-1) BF17.01±2.95b0.43±0.09b4.83±1.10b305.32±4.56b苗期PMC+F25.38±6.09a0.71±0.50a6.80±0.94a312.76±10.04bSeedlingstageCS+F17.41±0.85b0.30±0.11c3.62±0.90c274.76±11.71cBIO+F9.30±0.82c0.38±0.03bc4.37±0.18bc344.19±3.60a BF21.25±1.37a0.62±0.08a5.14±0.25a241.55±5.15a开花下针期Flowering-peggingstagePMC+F21.07±1.43a0.54±0.06ab5.26±0.64a240.33±12.83aCS+F19.09±1.81b0.50±0.08b5.03±0.50a244.13±15.99aBIO+F20.95±1.46a0.56±0.07ab5.10±0.64a242.89±11.79a BF16.95±2.77a0.41±1.60a5.96±0.54a248.17±10.79a结荚期PMC+F14.41±0.52ab0.38±1.60ab5.83±0.51ab228.66±2.91bPod-bearingstageCS+F13.70±2.00b0.27±1.60b5.26±0.94b240.61±11.02abBIO+F15.19±2.78ab0.35±1.6ab5.49±0.84ab239.72±4.11ab

注：同列数据后不同字母表示差异达5%显著水平。下同。

Note: Values followed by different letters in a column are significant at 5% level. The same below.

2.3 不同施肥处理对花生光合特性的影响

净光合速率(Pn)是植物光合作用中关键性指标，能综合反映植物对外界环境变化的响应[21]。表2显示，各处理的净光合速率表现为：在苗期PMC+F处理显著高于其他处理，CS+F和BF处理间差异不显著，但均显著高于BIO+F处理；在开花下针期，BF、PMC+F和BIO+F之间差异不显著，但显著高于CS+F处理；结夹期，BF处理显著高于CS+F处理，而PMC+F和BIO+F与其他处理间差异均不显著。由以上结果可看出，在花生生育初期，不同施肥处理对花生净光合速率影响较大，随着生育期推进，不同施肥处理间差异逐渐减小。在整个调查期间，除PMC+F处理呈现单一的下降外，其余三个处理均呈现先上升后下降的走势。各处理叶片气孔导度的变化与净光合速率的变化趋势基本一致。

在不同生育期，PMC+F处理的蒸腾速率呈现先下降后上升的走势，而其他处理为单一的上升走势。PMC+F处理苗期的气孔导度和蒸腾速率均显著高于其他处理，但在开花下针期和结夹期各处理间差异有所减小。胞间CO2浓度的变化与前三者差异较大：在调查期间，各处理胞间CO2浓度均呈下降趋势，BIO+F处理下降幅度最大，其次是PMC+F和BF处理，波动最小的是CS+F处理。

综上可知，在施肥初期，不同处理间花生光合特性的差异较大，随时间的推移差异有所减小。在花生生长发育最为旺盛的时期(开花下针期)，各项指标的相对差异最小，造成这一现象的主要原因有以下两点：一，此生育时期不同施肥处理对花生各光合特性基本不产生限制因素，即各处理养分供应充足或养分供应水平间差异不大；二，此时期花生的光合效率接近极限值，花生自身的生理特性成为制约其光合效率的限制因子。

2.4 不同施肥处理对花生植株农艺性状的影响

表3看出，PMC+F处理分枝数最多，显著多于BIO+F处理，但与BF和CS+F处理间差异不显著。与CS+F和BIO+F处理相比，BF和PMC+F处理显著增加了花生的第一侧枝长。各处理的单株饱果数差异不显著；PMC+F处理的单株秕果数显著高于其他处理，而BF和BIO+F处理秕果数接近，且均显著高于CS+F处理。可见PCM+F处理能够促进花生植株生长和下针，但不利于降低花生收获期的秕果数。

表3 不同施肥处理花生收获期植株性状

表4 不同处理花生产量及产量构成因素

2.5 不同施肥处理对花生产量及构成因素的影响

在荚果产量、单株荚果重和百果重三项产量指标的比较中，BF处理均显著高于其他处理，其他处理这三项指标间差异不显著。BF处理的百仁重和出仁率比其他处理稍高，但差异不显著(表4)。以上结果说明，与其他处理相比，BF处理对花生出仁率等品种特性相关的指标影响较小，但可以有效提高花生产量，表明BF处理在整个花生生育期间能较好地满足花生的养分需求。

3 讨 论

本研究中炭基缓释花生专用肥处理苗期花生主茎高显著低于其他处理，但开花下针期和结荚期主茎高与其他处理间差异不显著甚至显著高于玉米秸秆+F处理，说明炭基肥前期有助于花生苗期蹲苗，抑制花生地上部过快生长[22]；玉米秸秆+F处理的主茎高在开花下针期和结荚期表现较差，说明玉米秸秆+F处理不能很好满足花生旺盛生长时对养分的需求。从各生育期叶片SPAD值可看出炭基缓释花生专用肥能够提供充足的养分以维持花生叶片较高的叶绿素含量，这为花生高产奠定了基础[23]，另外较高的SPAD值也预示着较为充足的氮素供应[24]。

由光合指标可看出，猪厩肥+F处理花生苗期具有最高的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，这与猪厩肥在施用前期能够提高棕壤生物学活性有关[25]。随着花生的生长这些指标逐渐下降且降幅大于其他处理，说明该施肥处理对土壤生物活性的影响衰减很快。而其他处理以上三项指标尽管苗期低于猪厩肥+F处理，但随花生的生长均呈现先升高后降低的走势，尤其炭基缓释花生专用肥各指标在整个生育期表现最为稳定，可见炭基缓释花生专用肥有助于保持较为稳定的土壤环境，保障整个生育期花生光合速率的稳定。花生生育中后期光合速率的持续稳定为获得较高的经济产量提供了保障[26]。各处理胞间CO2浓度的变化趋势基本一致，苗期各处理的胞间CO2浓度均较高，到开花下针期有所下降，但开花下针期和结荚期间基本保持稳定，这说明随着时间的推移，不同施肥处理对花生胞间CO2浓度的影响逐渐减弱。

在收获期猪厩肥+F的分枝数高于炭基缓释花生专用肥，说明猪厩肥+F有助于促进花生产生分枝；炭基缓释花生专用肥和猪厩肥+F第一侧枝长显著高于其他处理，第一侧枝长是花生高产的关键因素[27]，且猪厩肥+F处理的单株秕果数最高，说明猪厩肥+F处理虽然能促进花针膨大形成荚果，但不能使更多荚果形成有效的经济产量，从而造成肥料养分的浪费。

炭基肥处理花生荚果产量显著高于其他三个处理，分别比猪厩肥+F、秸秆还田+F、生物炭+F处理提高12.8%、12.3%、12.0%，这与他人研究的増长效果较为相似[23,28-29]，且其单株荚果重和百果重也显著高于其他处理，通过统计分析荚果产量与单株荚果重和百果重呈正相关。

从花生不同生育期各项指标来看，炭基缓释花生专用肥不仅在苗期起到蹲苗的作用[22]，还能在生育旺盛的开花下针期和结荚期保持较高的叶片光合速率和叶绿素含量，这都为花生高产提供了有力的保障。而其他处理虽然能够使花生在苗期有较快生长，但不符合花生苗期蹲苗促根的生长规律，且在开花下针期和结荚期光合效率和叶绿素含量均有明显下降，造成花生合成的有机物质不能满足荚果充实的需求，最终导致经济产量不足。本研究显示炭基缓释花生专用肥的田间效果优于生物炭与化学肥料混合施用的效果，这一结果与其他研究人员的成果较为一致[30-31]，这可能是因为炭基缓释花生专用肥在将生物炭与化学肥料复混造粒的过程中，生物炭与化学肥料间发生了深度吸附，实现了速效肥料的缓效和长效作用。

4 结 论

通过在棕壤上三年的连续施肥，发现与猪厩肥配施化肥、秸秆还田配施化肥和生物炭配施化肥相比，以生物炭作为载体的炭基缓释花生专用肥有利于苗期花生蹲苗、在花生开花下针期和结荚期使叶片保持较高的叶绿素含量和净光合速率，还增加了单株荚果重和百果重，显著提高了花生的产量。就炭基缓释花生专用肥与生物炭配施化肥而言，将生物炭与化学肥料复合造粒的田间应用效果优于将生物炭与化学肥料简单混配的施用效果。参考文献：

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