元谋干热河谷青枣光合及产量对不同比例有机肥与生物炭配施的响应

王春雪 岳学文 史亮涛 李坤 李小英 方海东 潘志贤

摘  要：青棗是一种清甜多汁、营养丰富的热带水果，在云南干热河谷区广泛栽培。近年来由于化肥的过量施用，导致青枣的产量和品质都有所下降，由此导致的农业环境问题也不容忽视。而有机肥和生物炭能够有效缓解过量施用化肥而带来的一系列问题。本研究立足云南元谋干热河谷，研究了有机肥与生物炭配施对青枣光合和产量的影响，以期为当地果农提供有效的施肥措施，同时也为元谋干热河谷区的农业环境问题提供重要数据支撑。为了研究元谋干热河谷引种的青枣在不同有机肥和生物炭配施比例下的光合特征及产量水平，本文设计了3个梯度的有机肥处理，即20 kg/株（H）、10 kg/株（M）、5 kg/株（L），和3个梯度的生物炭处理，即添加6%（Y1）、3%（Y2）、0%（CK），有机肥和生物炭添加处理间两两组合共9个处理，分别为：HY1、HY2、HCK、MY1、MY2、MCK、LY1、LY2、LCK，并对其进行了连续6个月的光合指标测定及最终的产量测定。双因素方差分析结果表明，有机肥施用量和生物炭施用比例对青枣的光合参数和产量不存在显著性交互作用（P>0.05），有机肥的施用量对青枣的光合参数和产量的影响不显著，而生物炭的施用比例对气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和产量有显著的影响。单因素方差分析表明，青枣的光合能力和产量不是随着有机肥与生物炭配施量的增加而增加，而是表现为中、高用量有机肥无生物炭添加的处理青枣产量最高，低有机肥无生物炭配施的处理青枣光合能力最强。相关性分析显示，青枣的光合速率受到气孔因素的影响，说明生物炭是通过影响气孔导度从而影响光合速率，最终影响产量的。有机肥与生物炭配施对于青枣而言，短期内不是最佳的施肥模式。

关键词：青枣;光合作用;产量;有机肥;生物炭

中图分类号：S667.9      文献标识码：A

Response of Photosynthesis and Yield of Zizyphus mauritiana Lam. to Different Proportion of Organic Fertilizer with Biochar Application in Yuanmou Dry-hot Valley

WANG Chunxue1，2， YUE Xuewen1，2， SHI Liangtao1，2， LI Kun1，2， LI Xiaoying3， FANG Haidong1，2，

PAN Zhixian1，2*

1. Institute of Tropical Eco-Agricultural Sciences， Yunnan Academy of Agricultural Sciences， Yuanmou， Yunnan 651300， China; 2. Yuanmou Dry-Hot Valley Botanical Garden， Yuanmou， Yunnan 651300， China; 3. College of Ecology and Environment， Southwest Forestry University， Kunming， Yunnan 650224， China

Abstract： Zizyphus mauritiana is a sweet， juicy and nutritious tropical fruit which is widely cultivated in the dry-hot valley area of Yunnan. In recent years， due to the excessive application of chemical fertilizer， the yield and quality of Z. mauritiana have declined， which result in a lot of serious agricultural environmental problems. Organic fertilizer and biochar can effectively alleviate a series of problems caused by excessive fertilizer application. Based on the dry-hot valley of Yuanmou， this study researched the effects of organic fertilizer and biochar on the photosynthesis and yield of Z. mauritiana， aimed to provide effective fertilization measures for local fruit farmers and also provide important agricultural planting and fertilization data for agricultural environment problems in Yuanmou dry-hot valley. Three gradients of organic fertilizer treatment 20 kg/plant （H）， 10 kg/plant （M）， 5 kg/plant （L）， and three biochar treatments， 6% （Y1）， 3% （Y2）， 0% （CK） were desiged. There were 9 treatments in pair combination between organic fertilizer and biochar addition treatments， namely HY1， HY2， HCK， MY1， MY2， MCK， LY1， LY2， LCK. The photosynthetic index and the final yield were measured for 6 months. The results of two-factor ANOVA showed that there was no significant interaction between the application rate of organic fertilizer and the proportion of biochar on the photosynthetic parameters and yield of Z. mauritiana （P>0.05）. The application amount of organic fertilizer had no significant effect on the photosynthetic parameters and yield of Z. mauritiana， but the application proportion of biochar had significant effect on stomatal conductance （Gs）， transpiration rate （Tr） and yield of Z. mauritiana. One-way ANOVA showed that the photosynthetic capacity and yield of Z. mauritiana did not increase with the dosage of organic fertilizer and biochar increase. However， the treatments with medium and high amount of organic fertilizer and no biochar had the highest yield， while the treatment with low organic fertilizer and no biochar had the highest photosynthetic capacity. Correlation analysis showed that the photosynthetic rate of Z. mauritiana was affected by stomatal factors， indicating that biochar affected the photosynthetic rate and ultimately the yield by affecting stomatal conductance. Combined application of organic fertilizer and biochar was not the best fertilization pattern in the short term for Z. mauritiana.

Keywords： Zizyphus mauritiana Lam.; photosynthesis; pyyield; prooganic fertilizer; biochar

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2022.01.017

青枣（Zizyphus mauritiana Lam.）在分类学上属于鼠李科（Rhamnaceae）枣属（Ziziphus），又名毛叶枣，是一种阳性喜温热带水果，生长期对热量的要求高，果实成熟期为12月—次年2月[1]。青枣同时具有耐土壤贫瘠、适应性强、生长迅速、挂果早、果实清甜多汁、营养丰富等诸多优点[2]，为我国台湾自1994年从印度引种的热带水果，在我国经过了芽变选种、实生选种、国外引种等途径，形成了现在丰富的优良种群[1]。近年来我国云南、台湾、广东、海南、广西、福建、重庆、四川等地成功引种青枣，并开始推广种植[3]。

施肥是农业生产中土壤养分补充的重要措施，但近年来为了追求高产，化肥过量施用的现象普遍存在。据报道，中国是最大的化肥生产和消费国，其约占世界总化肥消费量的34%[4]，这就最终导致了化肥利用率低、土壤肥力下降、农田生态破坏等不良后果[5]。而在青枣生产方面，近年由于一些果农只注重施用化肥，少施或不施有机肥，导致果园土壤有机质降低、酸化、养分失衡、病害严重等问题[6]。

有机肥能够缓解土壤酸化、改善土壤理化性质、增加养分有效性、维持养分平衡、优化土壤微生物构成[5]。有机肥不仅含有作物生长所需的大量元素（N、P、K），还含有Cu、Zn、Fe、Mn、Mg、Mo、B、S等微量元素，其输入的微量元素含量远远高于化肥，且有效性远高于土壤，是农田中微量元素的重要补给源[7]。同时，有机肥还能够增加土壤活性碳氮组分，增加与营养物质转化相关的微生物和酶活性，从而提高土壤养分有效性[8]。而有研究表明，生物炭能够提高土壤养分有效性，从而提高作物对养分的吸收效率。生物炭对作物影响的主要原因是生物炭对土壤的改善[9]。何绪生等[10]研究发现，生物炭与肥料配施对作物生长和产量均为正效应，究其原因，主要是肥料抵消了生物炭低养分的缺陷，生物炭使肥料养分缓慢释放，二者协同互补。也有对生物炭降低作物产量或无影响的相关报道，如江福英等[11]研究表明，在茶园中施入不同梯度的生物炭，茶产量虽有一定程度的增加，但增加不显著;张晗芝等[12]研究发现，生物炭可以抑制玉米幼苗生长。光合作用在决定果树产量高低的同时，还影响果实的品质（含糖量、重量、色泽、香气等），生产中具有高光合能力的果树，产量和质量也高[13]。因此，施肥和光合作用的研究，是探索青枣产量和品质的关键。

目前，前人对青枣的研究主要集中在高产栽培、引种育苗、产期调控、保鲜储藏、品质提升、病害防治及施肥方案[14-20]等方面。当前，国内关于有机肥配施生物炭对青枣产量和光合的影响还鲜见报道。本研究在云南青枣主产区——元谋金沙江干热河谷进行，探讨了不同比例有机肥与生物炭配施对青枣生长期、花期、果期的光合作用及光合色素的影响，及最终的产量响应，为探索金沙江干热河谷区青枣的可持续施肥措施提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  试验地概况

田间试验于云南省农业科学院热区生态农业研究所苴林基地进行。该基地位于云南省元谋县金沙江干热河谷区，东经1014972、北纬255104，海拔1167 m，年均气温21.5℃，最冷月为1月，月均气温14.9℃，最热月为7月，月均气温为27.1℃，区域内干湿季分明，年均降雨量613.8 mm，年均蒸发量3911.2 mm，90%以上的降雨集中在每年的6—10月，属典型的干热河谷气候[21]。土壤类型为燥红土，施肥前其0～20 cm土层的理化性质为：pH 7.86，全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、有机质（OM）的含量分别为0.067、0.074、13.841、3.003 g/kg，水解性氮（WSN）、有效磷（AP）、速效钾（AK）的含量分別为15.633、5.453、138.507 mg/kg，土壤容重为（SBD）1.685 g/cm3，土壤总孔隙度（TSP）38.344%。

1.2  方法

1.2.1  试验设计  试验设置2个处理因素，因素一为有机肥施肥量，即3个有机肥施用梯度水平：20 kg/株（H）、10 kg/株（M）、5 kg/株（L）;因素二为按有机肥施用的重量比例（W/W）添加不同用量的生物炭，即3个添加梯度水平：6%（Y1）、3%（Y2）、0%（CK）;采用双因素垂直正交试验设计方法，共9个处理组合，分别为HY1、HY2、HCK、MY1、MY2、MCK、LY1、LY2、LCK。每个处理组合设置3个平行。

1.2.2  试验处理  每个小区面积为15 m2，其中种植4 a树龄的青枣，株行距为3 m×4 m，试验用青枣品种为‘台农’，小区随机分布。试验使用的有机肥和生物炭为市售肥料，生物炭为竹炭，其基本理化性质为：pH 11.31，C 79.98%、N 0.70%、S 0.40%、TP 2.04 g/kg;有机肥中N、P2O5、K2O含量分别为46.00、14.50、9.80 g/kg。

1.2.3  取样与样品处理  在2019年8月—2020年1月期间取样测定一系列指标，共连续测定6个月，直至青枣收获。在2019年9月3日和10月20日测定叶片叶绿素含量，使用叶绿素相对含量使用托普云农TYS-A手持叶绿素计进行测定。青枣的产量采用分批采摘、总量求和的方法进行统计，在2019年11月21日、11月30日、12月18日、2020年1月8日、1月29日，分5次对青枣进行采摘，对其产量总和进行分析。

1.2.4  测定指标  叶片叶绿素相对含量使用托普云农TYS-A手持叶绿素计，其可以即时测定植物的叶绿素相对含量（单位SPAD）。叶片光合指标测定仪器使用Li-6400XT型光合仪（美国Li-COR公司）。测定采用叶室自带的红蓝光源，光合有效辐射的强度设置为2500 μmol/（m2·s），开放式气路，温度为25℃，CO2浓度为400 μmol/mol。

叶片瞬时水分利用效率（WUEi），采用光合有效辐射为2500 μmol/（m2·s）时的净光合速率（Pn）和蒸腾速率（Tr）进行计算，公式为：

WUEi=Pn/Tr

实测的Pn、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、Tr按照光合有效辐射为2500 μmol/（m2·s）时的数值进行比较。

1.633  数据处理

数据采用Excel 2010软件软件进行数据整理。采用IBM SPSS Statistics 22软件进行组内有重复的双向分组资料、单向分组资料方差分析和相关性分析，多重比较采用Duncan’s法。采用OriginPro 9.1软件进行图形制作。

2  结果与分析

2.1  测定指标的双因素方差分析

采用双因素方差分析有机肥施用量和生物炭施用比例对青枣光合、产量等指标的影响，如表1所示，在本研究中，有机肥施用量和生物炭施用量在对青枣的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）、瞬时水分利用效率（WUEi）、叶片叶绿素含量、产量的影响上交互作用不显著（P>0.05）。有机肥施用量对于光合和产量各个参数的影响无显著差异，而生物炭的施用比例对于Gs、Tr和产量的影响均有显著差异，其中，对于Gs、Tr、产量，均为CK处理组显著高于Y1和Y2处理组。这说明有机肥施用到一定的量则对青枣的光合参数和产量影响变化不大，而生物炭则表现出了影响光合参数和产量的特性，在与有机肥的配施条件下，不施生物炭反而使得青枣气孔导度、蒸腾速率和产量更高。总体说明生物炭施用比例是该研究的主要影响因子。

2.2  不同施肥处理的青枣光合作用特征

每组处理青枣叶片的光合指标的单项分组资料方差分析结果如表2所示。LCK的净光合速率（Pn）显著高于LY1、LY2，而在其他组之间无显著差异。胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）均表现为LCK显著高于其他施肥

处理。叶片瞬时水分利用效率（WUEi）反映了作物的光合作用状况，本研究中，WUEi表现为MY1显著高于LCK。结果说明了在净光合速率上，随着施肥量的增加并没有使青枣Pn有显著增加，反而施肥量最低的处理Pn最高。而水分利用的相关指标出现了一定程度的变化，这种变化主要集中在LCK上，其Gs和Tr显著升高，而WUEi显著降低，这说明了LCK的瞬时水分利用效率的降低主要因素是气孔导度的增加，导致了蒸腾速率增加。

2.3  不同施肥处理的青枣光合色素含量特征

叶绿素相对含量见图1，结合表1的双因素方差分析数据显示，10月20日采集的叶绿素相对含量数据整体高于9月3日采集的数据，这说明青枣叶片的光合能力和成熟度在这一个多月中有所增加。9个施肥处理的青枣叶片叶绿素相对含量在9月3日无显著差异，而在10月20日HCK和MY2显著高于MCK，说明不同的配施肥料处理对于较嫩的青枣叶片光合色素含量影响不显著，而对于老叶片的影响更大，尤其是CK处理组，其组内出现了较大的变异。

2.4  不同施肥处理的青枣产量特征

对青枣产量特征进行单项分组资料方差分析，如图2所示，中高剂量有机肥施用的3个处理比较发现，产量由高到低的顺序是HCK>HY1> HY2，其中，HY2与HCK相比产量降低了29.41%，HY1与HCK相比产量降低了16.75%。中剂量有机肥施用的3个处理产量特征与此相似，为MCK>MY1>MY2，其中MY2与MCK相比产量降低了25.12%，MY1与MCK相比产量降低了21.45%。低剂量有机肥施用的3个处理间产量无显著差异。结合双因素方差分析结果（表2）表明，在青枣的种植中施用有机肥的同时施用生物炭，对其产量有一定程度的抑制作用，生物炭施用比例是产量的主要影响因素。

2.5  青枣光合参数间的相关性分析

相关性分析能够体现出指标间的内在联系，对青枣的光合参数进行相关性分析，结果如表3所示。其中，Gs与Pn呈极显著正相关，Ci与Gs呈极显著正相关，Tr与Pn呈显著正相关，与Gs、Ci呈极显著正相關，WUEi与Gs、Ci、Tr呈极显著负相关。其各项各各项参数间的拟合图见图3。本研究的相关性分析表明，Gs、Tr都与Pn呈显著正相关，这说明影响青枣Pn的是气孔因素，气孔导度高的处理组，其胞间CO2浓度也高，导致了光合作用原料充足，光合速率较高，最终导致了产量的提高。WUEi与Gs、Tr均呈极显著负相关，说明青枣的气孔导度和蒸腾速率越高，其水分利用效率越低，其水分利用效率的降低主要因素是蒸腾速率的增加，气孔导度的增加虽然提高了光合速率，但同时也降低了青枣的水分利用效率。

3  讨论

3.1  有机肥和生物炭配施对青枣光合的影响

光合作用是作物品质和产量形成的基础[22]。施用生物炭对土壤的改良效果与其施用量有关，用量不同，作物的光合特征表现不同，这表现了生物炭对于植物生长的积极作用。适量施入生物炭可以提高植物的表观量子效率、净光合速率、光合能力、气孔导度等[23-24]，但随着生物炭用量的增加，作物的生长又会受到抑制[25]。本研究发现，高用量、高比例的有机肥与生物炭配施不能显著提高青枣的光合能力，相反，低施用量的有机肥不配施生物炭的处理能够显著提高青枣的光合能力，这可能是由于生物炭具有较高的吸附性，施入过量的生物炭导致了土壤大孔隙和小孔隙的增加，从而降低了土壤的有效孔隙量[26]，造成了养分和水分向作物根系的移动受到影响，不利于养分和水分的吸收，从而降低了青枣的光合能力。另有研究表明，施用过量的生物炭会降低土壤微生物和酶的活性[27]，同时也不利于作物光合能力的提升[28]。本研究中的青枣在低有机肥不配施有机碳的情况下，光合参数显著高于其他处理，且相关性分析发现，青枣的净光合速率是由气孔因素决定的，这说明了在既有有机肥又配施生物炭的高炭情况下，提高了土壤的C/N，导致土壤中大量的N被固定[29]，同时，土壤有效态养分被生物炭中的孔隙吸附，使青枣叶片受到一定程度的养分胁迫，从而使气孔导度降低，CO2进入叶片细胞间受阻，致使胞间CO2浓度也处于较低的水平，这就致使以CO2为原料的光合作用降低，最终影响了青枣的产量。

3.2  有机肥和生物炭配施对青枣产量的影响

肥料是青枣生产中重要的物质基础，尤其是有机肥，在增加土壤养分、改善土壤结构、培肥地力方面有着重要的作用[3]。研究表明，适量的生物炭进入土壤中，具有增强保水蓄肥能力、改善土壤结构、提高养分含量、促进菌根生长、提高作物品质及产量的作用[30]。这是由于生物炭在热解过程中，原材料中的大部分Ca、Mg、K、P、微量元素，和几乎一半的N和S都进入了生物炭中，因此其可作为土壤改良剂，将大部分养分返还到土壤中，从而提高土壤生产力[31-32]。LEHMANN等[33]研究表明，生物炭与肥料配施条件下，生物炭可以通过吸附NH4+和NO3‒来降低土壤的N流失，提高N肥利用效率。黄超等[34]的研究发现，在肥力水平低的土壤中施用生物炭，能够显著提高黑麦草产量，而在肥力水平高的处理中，生物炭对黑麦草的增产效应降低，甚至会减产。本研究发现，有机肥和生物炭配施不能显著提高青枣的产量，相反，生物炭与中、高施用量的有机肥配施能够显著降低青枣产量。有研究发现，向肥力较高的土壤中施入高量的生物炭，对黑麦草的生长会产生轻微的抑制作用[34]。究其原因可能是生物炭呈碱性，施入生物炭后土壤pH增加，导致了pH敏感的植物产量降低，或是pH改变引起了植物微量元素缺乏症[35]。本研究中，有机肥已经具有较高的C/N，而再加入生物炭就导致了N的固定。然而，陈丽美等[36]研究了有机肥和竹炭混合施用对火龙果品质和产量的影响，结果发现，竹炭和有机肥混合施用增加了火龙果的产量，以22.5 t/hm2或45 t/hm2有机肥+6复合6%生物炭为最佳配比。俞若涵等[37]研究发现，生物炭与化肥配施，向土壤中施入一定量的生物炭能够显著促进植物生长，但是当施用达到一定量后的增产效果减弱。总之，生物炭的施用效果不仅与自身的性质有关，还与施用时间、施用量、气候条件、土壤性质、配施肥料性质有关，这就导致了生物炭对于土壤养分和理化性质的影响具有不确定性[30]。从本研究的结果来看，对于青枣而言，有机肥与生物炭配施，在短期内不能提高其产量，对于品质的影响需进一步研究。生物炭与化肥配施可能更能够体现其增产优势。

4  结论

青枣的光合能力和产量不是随着有机肥与生物炭配施量的增加而增加，而是表现为中、高用量有机肥处理的青枣产量最高，低有机肥无生物炭配施的处理青枣光合能力最强，其中生物炭的配施比例是影响青枣光合作用和产量的主要因子。有机肥与生物炭配施对于青枣而言，短期内不是最佳的施肥模式。针对生物炭的施用对青枣产量和光合能力的影响机理应该进行更深入的研究，青枣的品质也应进行深入研究，同时应该加强田间的长期定位观测。

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