减磷加炭对北疆春小麦磷素利用及产量的影响

贺佳琪，杨卫君，贾永红，李永昊，邢东建，惠 超，高文翠

（1新疆农业大学农学院，乌鲁木齐830000；2新疆农业科学院奇台麦类试验站，新疆奇台831800）

0 引言

磷是作物必需的大量营养元素之一，施用磷肥是保证获得作物高产、优质、高效的一项农艺措施[1]。由于磷在土壤中易被固定，从而降低了被作物吸收利用的有效性，难以满足农业生产需求。生物炭(Biochar)作为一种新型功能材料，因其具有丰富的营养物质、多孔结构、较大的比表面积以及良好的吸附性能，为较多领域内的重大问题提供了新的解决思路和途径[2-3]。小麦作为新疆的主要粮食作物，消费总量和人均消费量都高于全国平均水平[4]，但新疆地区种植结构的调整导致新疆小麦种植面积大幅减少[4]，同时新疆农田土壤缺磷普遍存在，磷肥农学利用率却随施磷量的增加而下降[5-6]。目前，有大量研究表明，施用生物炭可以提高磷的可利用性[7]，提高作物产量[8-11]，同时可以提高肥料利用效率[10,12]。本研究拟以北疆灌区春小麦为研究对象，通过大田试验与室内实验相结合的方式。揭示磷素减施及生物炭添加后作物的响应规律与磷肥的利用规律，阐明生物炭添加对灌溉农田磷素利用的影响机制。为合理减磷加炭改善土壤肥力及提高磷肥利用率提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于新疆奇台麦类作物试验站（东经89°13′—91°22′，北纬42°25′—45°29′，海拔895 m）。奇台县属中温带大陆性半荒漠干旱性气候。年平均气温5.5℃。7月平均气温23.7℃，极端最高气温39℃，1月平均气温-18.9℃，极端最低气温-37.3℃。年平均相对湿度60%。无霜期年平均153天（从4月下旬到10月上旬）。年平均降水量269.4 mm。试验前0～20 cm土层基本理化性质见表1。

表1 土壤基本理化性质

1.2 试验设计

本试验中小麦品种为‘新春37’。试验所用生物炭购于辽宁金和福农业开发有限公司，理化性质见表2。

表2 生物炭基本理化性质

本试验采用随机区组设计，试验设12个处理（表3），每个处理重复3次。生物炭与磷肥（重过磷酸钙）均作为底肥，播种前均匀施于土壤表面并翻至土壤耕层(20 cm)。种植密度为4.5×106株/hm2，将小麦等行距条播，行距0.2 m，小区面积为9 m2(3 m×3 m)。于2019年4月12日播种，8月1日收获。本试验田间肥水管理措施均同一般高产田。

表3 试验施肥设计

1.3 样品采集和分析

于春小麦灌浆期与成熟期取地上部分，将植株样分成茎秆、叶片与籽粒，并于105℃条件下杀青30 min，然后80℃条件下烘干至恒重，以测定植株地上部各器官干物质量与含磷量。小麦成熟期收获记产，并选取具有代表性的小麦10株进行考种，调查穗粒数、千粒重与有效穗数，并计算理论产量。

1.4 测定方法及相关参数计算

1.4.1 测定方法

植株含磷量采用H2O2-H2SO4消煮-钼锑抗比色法[13]。

1.4.2 相关参数计算

式中，y1-养分积累量；x1-干物质总量；x2-植株养分含量。

式中，y2-灌浆期磷素转移量；x3-灌浆期磷素积累量；x4-成熟期磷素积累量。

式中，y3-灌浆期磷素转移效率。

式中，y4-磷素利用效率；x5-籽粒产量。

式中，y5-茎（叶）对籽粒的贡献率；x6-灌浆期茎（叶）磷素转移量；x7-成熟期籽粒磷素积累量。

式中，y6-磷肥农学利用率；x8-施磷后作物产量；x9-未施磷作物产量；x10-磷肥投入量。

1.5 数据统计

所有数据采用SPSS 26.0和Excel 2007进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥模式对春小麦干物质量的影响

不同施肥模式下的春小麦干物质量较对照(P1B1)均有不同程度影响，且小麦干物质量在植株内分配比例均为穗＞茎＞叶（图1）。单施磷肥时，小麦干物质随施磷量的增加呈增加趋势，但与对照差异不显著。磷肥配施高量生物炭时小麦干物质量较对照也有所增加，且磷肥减量配施时可促进穗部干物质积累，处理间差异不显著。磷肥配施低量生物炭时，与对照不施磷相比小麦植株干物质量亦呈增加趋势，磷肥减量配施时增幅更大，在磷肥减量15%配施低量生物炭时(P3B2)穗部干物质积累显著增加(P＜0.05)。

图1 不同施肥模式下春小麦的干物质量

2.2 不同施肥模式对春小麦含磷量及磷素积累的影响

不同施肥处理对小麦植株各部位含磷量影响显著(P＜0.05)（图2）。单施磷肥时，减量施磷(P4B1)可显著促进小麦穗部磷素含量升高(P＜0.05)。磷肥配施低量生物炭时，与对照相比，小麦各部位含磷量有不同程度波动，其中磷肥减量30%(P4B2)时植株磷含量增加，但主要分配在叶部，磷肥减量15%(P3B2)时植株叶部磷含量降低，穗部磷含量升高。磷肥配施高量生物炭时，植株磷含量整体呈增加趋势，当磷肥减量15%(P3B3)时植株穗部及叶部磷素含量均显著增加(P＜0.05)，而当磷肥减量30%(P4B3)时，植株叶部磷含量显著增加。

图2 不同施肥模式下春小麦各部位含磷量

不同施肥处理对小麦植株磷素积累的影响显著(P＜0.05)，其变化趋势与小麦含磷量变化趋势相似（图3）。不同生物炭施量下，小麦植株磷素积累量均随施磷量的增加呈先增后减的趋势；且植株内磷素积累分配比重与干物质分配呈相同趋势，为穗＞茎＞叶。磷肥配施低量生物炭时，茎部与穗部磷素积累随施磷量的增加呈先降后增的趋势，而叶部磷素积累量则随施磷量的增加呈先增后降的趋势。磷肥配施高量生物炭时，磷肥减量15%(P3B3)时植株穗部磷素积累量较对照增加14.78%。

图3 不同施肥模式下春小麦各部位磷素积累

2.3 不同施肥模式对春小麦磷素利用的影响

不同施肥处理对小麦磷素转移量、磷素转移效率、对籽粒的贡献率以及磷素利用效率均有显著影响(P＜0.05)（表4）。不同施肥处理的茎部磷素转移量较对照均有不同程度的增加，整体而言磷肥配施低量生物炭时增幅最高(P3B2＞P1B2＞P4B2＞P2B2＞P1B1)，单施磷肥时次之(P2B1＞P3B1＞P4B1＞P1B1)，磷肥配施高量生物炭时增幅最低(P4B3＞P1B3＞P3B3＞P2B3＞P1B1)，茎部磷素转移效率及对籽粒的贡献率也呈类似变化趋势。相应的，与对照相比，植株叶部磷素转移量、磷素转移效率及其对籽粒的贡献率呈波动性变化，但总趋势仍表现为磷肥与生物炭配施对植株叶部磷素的影响大于单施磷肥时。就磷素利用效率而言，不同施肥处理下磷素利用效率变化有波动。单施磷肥时，植株磷素利用率随磷肥施用量的增加呈波动性变化，其中磷肥减量30%(P4B1)显著降低植株磷素利用率(P＜0.05)；磷肥配施高量生物炭时植株磷素利用率也随磷肥配施量的增加呈波动性变化，处理间差异不显著；磷肥配施低量生物炭时，植株磷素利用率随磷肥减施量呈增加趋势(P1B2＞P2B2＞P4B2＞P3B2)。

表4 不同施肥模式下春小麦磷素利用效率

2.4 不同施肥模式对春小麦产量的影响

不同施肥模式均通过影响春小麦的有效穗数、穗粒数与千粒重来改变产量（表5）。从产量构成因子看，不同施肥处理下小麦有效穗数呈增加趋势，其中磷肥配施低量生物炭时平均增幅最大；小麦千粒重随不同施肥处理变化趋势与有效穗数相似，即与对照相比，不同施肥处理下小麦千粒重不同程度增加，整体而言，磷肥配施低量生物炭时小麦千粒重增幅最大，且在磷肥减量时(P3B2、P4B2)增幅显著高于对照处理(P＜0.05)，磷肥配施高量生物炭及单施磷肥时次之；相反的，不同施肥处理下小麦穗粒数则呈现不同程度降低，但处理间差异不显著。根据不同施肥处理下小麦的产量构成因素计算春小麦理论产量得出，与对照相比，不同施肥处理均可促进小麦增产，其中磷肥减量15%配施低量生物炭(P3B2)时小麦产量增幅最高，该处理小麦理论产量8792.36 kg/hm2，与对照相比产量增加14.77%，在此处理下春小麦磷肥农学利用效率也达到11.44，综合效果较好。

表5 不同施肥模式对春小麦产量的影响

3 讨论

3.1 不同施肥模式对春小麦干物质及磷素积累的影响

合理施肥对磷素在作物体内的转移有促进作用[14-15]。作物营养生长阶段磷素在茎、叶中积累；籽粒形成后，茎叶中磷素则向籽粒中转移，且籽粒中80%的磷素均来自作物营养器官的转运[16]。本研究结果显示，常规施磷配施生物炭时会抑制磷素由营养器官向生殖器官的转移；减量施磷配施生物炭时可以增加营养器官磷素向籽粒的转移量与转移效率，并且有效提高了营养器官对籽粒的贡献率，这与前人[17-18]研究相似。营养器官磷素转移量的增加是作物体内磷素代谢旺盛的表现[17,19-20]，常规施磷配施高量生物炭对作物磷素利用率有抑制作用，而减量施磷肥时施加生物炭可以使磷素利用效率提高，这与朱浩宇等[21]，李杰等[22]研究结果一致。对本研究结果中磷素积累量、干物质、含磷量、磷素转移量、磷素转移效率、对籽粒的贡献率和磷素利用率进行相关分析，结果也表明磷素积累量与干物质、含磷量呈极显著正相关(P＜0.01)，磷素转移量、磷素转移效率和对籽粒的贡献率均与干物质量和穗部磷素积累量呈极显著负相关，而磷素利用率与干物质量和穗部磷素积累量呈极显著负相关，说明施肥较多时土壤中固持的磷素增多，被作物吸收的磷素较少，从而导致磷素在作物体内积累量减少，灌浆期作物体内磷素向成熟期的转移量和转移效率也降低，但配施生物炭可以促进作物体内磷素代谢循环，从而提高茎、叶对籽粒的贡献率与磷素利用效率[17,19-20]。而研究证明[23]，籽粒中含磷量的增加有助于提高籽粒品质。

3.2 不同施肥模式对春小麦产量的影响

施用磷肥是保证获得作物高产、优质、高效的一项农艺措施[12,24]，过量施磷或施磷不足均会降低磷肥利用效率，影响作物体内磷素转移，造成减产[25]，而生物炭作为肥料的载体，可以延缓肥料在土壤中的养分释放，降低养分损失，同时提高磷肥利用效率[26]。勾芒芒等[2]试验证明，随着施炭量的增加番茄产量增幅出现先升高后降低的趋势，在相同施炭量下不同施肥处理间差异不显著。因此，可考虑在减少化肥施用量的同时达到增产目的。赵易艺等[12]试验也证明，生物炭与化肥配施时白菜产量显著高于单施化肥与不施肥处理。纪君[27]试验证明，单施生物炭与生物炭配施化肥减量的处理均可显著提高油菜和水稻的株高，且显著提高油菜千粒重与产量，但施加生物炭对水稻没有显著增产效果，这可能是由于生物炭添加可以增加土壤中速效磷含量，而油菜对磷素反应敏感，故油菜产量增加。在本实验中磷肥减量15%配施低量生物炭时作物产量最高，该处理增产原因可能是因为施加生物炭后会加速作物体内养分代谢与转移，同时促进作物成穗率，提高作物产量，说明生物炭可以改善作物的生长环境，促进作物生长，提高作物产量[28]。

3.3 不同施肥模式对磷肥农学利用效率的影响

肥料农学利用率是表示养分利用率的常用指标，通过产量与施肥量的关系来描述作物对肥料的利用率[29]。研究表明，磷肥农学利用效率随着磷肥施用量呈波动性变化[30]，而磷肥配施生物炭可以提高肥料农学利用效率[25]，且作物产量与肥料农学利用率显著相关[21]。本研究结果显示，在磷肥配施低量生物炭时，麦田磷肥农学利用率高且小麦产量增幅大，综合作物增产效果与磷肥利用效率来看，磷肥减量15%配施低量生物炭时增产效果和提高农学利用率的协同作用最好。这可能是因为施加生物炭可以促进干物质与磷素在穗部积累，从而提高产量，故在磷肥减量条件下配施生物炭可以有效促进作物对磷肥的利用，达到减磷增效的作用。

4 结论

在本试验条件下，单施磷肥时小麦干物质量较对照无显著差异；磷肥配施低量生物炭时，小麦干物质量与对照相比均有增加，磷肥减量时增幅较大；磷肥配施高量生物炭时小麦干物质量较对照也有所增加，且在磷肥减量时可促进籽粒干物质积累。各施肥处理下小麦产量较对照均有增加。不施生物炭与施加低量生物炭时磷肥农学利用效率在磷肥减量处理下大于常规施磷肥处理，磷肥减量45%配施高量生炭处理下磷肥农学利用效率最高。综合得出，减量施磷配施低量生物炭（施磷 102 kg/hm2，生物炭 22.5 t/hm2）(P3B2)时麦田磷肥农学利用率高且小麦产量增幅大，在此条件下春小麦理论产量达8792.36 kg/hm2，其农学利用效率也达到11.44，综合效果较好。