不同灌溉定额下施加生物炭对夏玉米光合特性及产量的影响

赵 辉，庞桂斌，丛 鑫，薛建文，张立志，宋立庆，董文旭，徐征和

（1.济南大学，济南 250022；2.山东省水利科学研究院，济南 250014；3.桓台县水利局，山东淄博 256400；4.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，石家庄 050022）

0 引 言

华北地区地处温带季风区，是夏玉米的主要种植区之一[1]，也是我国重要的灌溉农业区，灌溉制度（如灌溉定额、灌溉频率、灌溉时期等）势必会影响土壤水分进而对夏玉米生理生长及产量产生影响。前人的大量研究表明，灌水量会影响作物的光合作用、产量及种子活力[2-4]，对某一生育阶段进行水分调控还会影响干物质的累积和转运[5]。生物炭作为一种优良的土壤改良剂，具有矿质元素丰富、高稳定性、疏松多孔及良好的通气性、透水性等特点[6]，在土壤中添加生物炭不仅可以改良土壤的理化性质，提升土壤质量[7]，还能明显增加土壤的水分含量及有机碳含量，提高土壤的保肥能力，减少氮、磷、镁元素的淋溶损失[8-11]，提高肥料利用率。另外，生物炭中的碳元素可在土壤中长期滞留，具有极佳的碳封存效果[12]。有研究表明，我国每年可利用的农林生物质量巨大，但很大一部分被直接焚烧，使碳元素不能有效封存在土壤中，若以生物炭形式对农林废弃物进行封存，将大幅提升土壤固碳量[13]，改良土壤的理化性质进而影响作物生长。大量研究表明，生物炭对作物的生长指标、叶绿素含量、光合指标均有正向促进作用，可以通过减弱光合午休提升作物光合潜力，实现增产[14-16]。还有研究认为，生物炭还能减轻盐胁迫对光合作用的抑制，增加干物质积累，提升籽粒产量和收获指数[17,18]。因此，探究研究区生物炭的合理用量对农业可持续发展具有重要意义。

目前，国内外学者就灌水量、生物炭对作物生长的影响展开了较多研究，但将二者结合起来的研究还比较少，而且，生物炭对作物生长的影响除了与施炭量和自身性质相关还与研究区气候、土壤类型及作物种类有关，前人的研究结果不具有普遍适用性。所以，本研究以华北平原的夏玉米为研究对象，探讨水炭双因素作用下对土壤含水率、叶绿素含量、光合特性、干物质累积转运及产量的影响，为华北平原适水种植、生物炭合理施用及作物增产提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

夏玉米田间试验地点位于山东省济南市长清区的山东省灌溉试验中心（36°34′N，116°50′E），长清区地处中纬度地带，属于温带季风气候，季风明显，四季分明，年平均气温13.8 ℃，无霜期178 d，年日照时数1 870.9 h。三面环山的地形，令水汽和热空气回流聚集不宜扩散，多于一般北方城市的夏季降水，长清区年平均降水量662.2 mm，夏玉米生长季的气温与降水情况如图1所示。试验区土壤质地为壤土，土壤容重在1.42～1.46 g/cm3之间，田间持水量在25.60%～28.14%之间，夏玉米播种前试验田0～60 cm 土层土壤平均含硝态氮4.40 mg/kg、铵态氮0.79 mg/kg、有机质10.89 g/kg、速效磷222.57 mg/kg、速效钾83.98 mg/kg。试验站内设有36 个小区（2.0 m×3.33 m），小区之间设有2 m深衬砌墙，上覆遮雨棚。

图1 夏玉米生育期内气温、降雨变化Fig.1 Variation of temperature and rainfall during the growing period of summer maize

1.2 试验设计

试验采用完全随机试验设计，灌水量参考当地农民习惯的灌溉制度，设置一水I1（67.5 mm）、二水I2（121.5 mm）2个水平，生物炭设置不施生物炭B0、低炭B1（20 t/hm2）、高炭B2（40 t/hm2）3个水平，试验共6个处理(表1)，每个处理3次重复，共18 个小区，小区长3.33 m、宽2 m、面积6.66 m2，各小区之间设有2 m 深衬砌墙。夏玉米生育期降雨量421.8 mm，一水处理在夏玉米出苗期一次性灌溉67.5 mm，二水处理在苗期灌溉67.5 mm，拔节期再补灌54 mm，总灌水量为121.5 mm。氮肥为尿素（46.4%），各处理氮肥用量均采用当地常规施氮量200 kg/hm2，底施50%，剩余50%在拔节期追施。磷钾肥分别采用当地农民的常用肥料过磷酸钙（12%）和氯化钾（60%），各处理磷肥、钾肥的施用量均相同，分别为75 kg/hm2、128 kg/hm2，在播种前作为基肥一次性施入0～20 cm 深土壤。生物炭采用木柴生物炭，有机碳含量60.66%，pH值7.8，比表面积91.0 m2/g，钾含量9 190 mg/kg，磷含量0.14%。供试夏玉米品种为“郑单958”，于2020年6月23日播种，采用人工点播的方式，种植密度5.997 万株/hm2，于2020年10月4日收获。

表1 夏玉米处理方案Tab.1 Treatment scheme for summer maize

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤含水率

每个小区内埋设有100 cm 的聚乙烯管，通过TRIMEPICO TDR测定0～100 cm深的土壤含水率。

1.3.2 叶绿素

采用SPAD-502叶绿素仪测定夏玉米苗期、拔节期、灌浆期和成熟期的叶片叶绿素含量。每个处理3个重复，每个重复选取3株玉米的9个叶片进行测定。

1.3.3 光合特性指标

在夏玉米拔节期和灌浆期，选择晴天采用LCpro+全自动便携式光合测定系统在9∶00-11∶00 之间测定净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度等生理指标，在每个处理的3个重复中选取3株进行测定。

1.3.4 干物质累积

各小区选取3 株长势均等的植株，每个处理取9 株，分离每棵植株的茎、叶和果实，在实验室用清水洗净后晾干，在烘箱中105 ℃杀青30 min，70 ℃烘至恒重后用电子天平称量干物质质量。

1.3.5 干物质转运

干物质转移量及转移率计算公式为：

式中：AT为营养器官干物质转移量，g/株；DWV为营养器官最大干物质重，g/株；DWG为成熟期营养器官干物质重，g/株；TE为营养器官干物质转移率，%。

收获指数计算公式为：

式中：HI为收获指数；YG为籽粒产量，g/株；BU为地上部生物量，g/株。

1.3.6 产量

夏玉米成熟后，每个小区选取10 株玉米进行测产，测定穗长、穗列数和穗粒数，放至通风处自然风干，待风干后用电子天平称百粒重并计算出样方产量。

1.4 数据处理

采用Excel 2019 和SPSS 进行数据分析，采用单因素ANOVA 检验和Duncan 法对数据进行方差分析（P＜0.05），利用OriginPro 8.5进行统计图绘制。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉定额下生物炭对0～100 cm 土壤含水率的影响

各生育期0～100 cm土壤含水率变化见图2。苗期各处理的灌溉量没有差异，土壤含水率仅受生物炭影响，各处理土壤含水率的差异主要集中在0～20 cm 土层，表层土壤含水率表现为随生物炭施用量的增加而增大，I2B2 土壤含水率最大为27.69%，其次是I1B2 为26.83%，分别比同灌不施炭处理增大20.55%、18.40%。拔节期虽对I2 处理进行补灌，但补灌后的10 天里产生了不同强度的降水，导致补灌对土壤含水率影响不显著。相比苗期，拔节期0～20 cm 土层土壤含水率受生物炭影响更加显著，表现为B2>B1>B0。20～40 cm 土层施炭处理的土壤含水率较不施炭处理也有不同程度的增大，增大幅度在3.84%～20.71%之间，但对于更深土层的土壤含水率生物炭并未表现出明显影响。灌浆期各处理的土壤含水率在不同土层都产生明显分化，0～60 cm 土层施炭处理的土壤含水率都大于不施炭处理，在80～100 cm 土层，施加生物炭使土壤含水率有不同程度的减小，说明生物炭能吸持上层土壤水分，减少水分向深层土壤的迁移渗漏。

图2 不同生育期内各处理0～100 cm土壤含水率Fig.2 Soil moisture content of 0～100 cm under different treatments in different growth periods

2.2 不同灌溉定额下生物炭对夏玉米叶绿素含量的影响

从苗期到灌浆期，叶绿素含量逐渐增大（图3），进入成熟期，由于叶片枯黄凋落，叶绿素含量明显减小。在苗期，I1和I2 处理下均是B1 的SPAD 最大，比B0 分别增大16.80%、12.72%，比B2分别增大7.29%、3.95%。拔节期后灌溉定额的增加在一定程度上增大了叶绿素含量，I2 处理的SPAD 整体大于I1处理但差异不显著。拔节、灌浆期SPAD 随施炭量发生波动，处理间差异基本未达到显著性水平。进入成熟期后，生物炭明显增大叶片的SPAD，但随施用量的增加生物炭对SPAD 的影响减弱，I1B1 的SPAD 最大，为56.04，其次是I2B1，二者差异不显著。以上分析表明由于夏季雨水充沛拔节期补灌对叶绿素含量影响不大，施加适量生物炭能显著增大苗期夏玉米叶片的SPAD，减弱成熟期叶片的衰老程度，但过量施加会使效果减弱，两种灌溉定额下均以低炭处理的效果最好，整体来看I2B1 处理的叶绿素含量在整个生育期都保持着较高水平。

图3 夏玉米生育期内各处理的SPAD变化Fig.3 Changes of SPAD in different treatments during the growth period of summer maize

2.3 不同灌溉定额下生物炭对夏玉米光合特性的影响

由图4可以看出，在拔节期生物炭对Pn、Tr、Gs、Ci的影响均达到极显著水平，具体表现为除Ci 与施炭量呈相反趋势外，Pn、Tr、Gs 均随施炭量的增加而增大。Pn 以I2B2 最大，相比同灌不施炭处理提高46.15%，但与I2B1、I1B2 差异不显著；Tr、Gs 在不同灌溉定额下均表现为B2>B1>B0，B2、B1处理都显著大于B0；施加生物炭使Ci 显著降低，降低幅度在22.36%～30.22%之间，以上说明生物炭能改善拔节期夏玉米的光合特性且以B2 施炭水平效果最好。另外，灌水量对Tr 无显著影响但对Pn 和Ci 的影响达到极显著水平，B2 处理下I1、I2的Pn 和Ci 无显著差异，但B0 和B1 处理下I2 处理显著减小了Ci，提高了Pn，说明拔节期补灌有利于促进胞间CO2参与光合作用，提高净光合速率，但高炭下二水处理的优势不再明显。

图4 夏玉米生育期内各处理的光合特性Fig.4 Photosynthetic characteristics of different treatments during the growth period of summer maize

灌浆期水和生物炭对Pn、Tr、Gs、Ci 的影响均达到极显著水平，但水炭交互效应对Gs、Ci 影响不显著。同一灌溉定额下仅B2处理对Pn有显著的提高，相比B0分别增大13.00%、4.28%，灌水量对Pn的影响与拔节期相似，高炭下灌水量的促进作用不再显著；Ci 随施炭量增加而降低，降低幅度在8.64%～20.07%之间且B0、B1、B2 间差异均达到显著水平；灌浆期的Gs相较于拔节期明显减小，但Pn 却明显增大，说明灌浆期的净光合速率受气孔和非气孔因素的共同作用且非气孔因素起主导作用。另外，Gs 随施炭量和灌水量的增加而增大，但同一灌水量下B1、B2的Gs差异不显著。

2.4 不同灌溉定额下生物炭对夏玉米干物质累积和转运的影响

由表2可以看出，灌溉定额和生物炭都显著影响干物质累积量，不同灌溉定额下促进干物质累积的最佳施炭量不同，I1、I2 下分别以B2、B1 的干物质累积量最大，且二者差异显著；干物质转移量主要受施炭量影响，对灌溉量的响应不明显，具体表现为：相同灌溉定额下转移量表现为B1>B2>B0，I2B1 处理的转移量最大，比B0 处理提高49.19%。I1 处理下的转移率整体高于I2，同一灌溉定额下转移率随施炭量的增加而增大。以上分析说明施加生物炭能促进更多干物质从营养器官向籽粒中转移，低炭有利于增大干物质转移量而低灌高炭更有利于干物质转移率的提升；灌溉和生物炭对收获指数的影响达到极显著水平，二者都有利于收获指数的提高，I1、I2 下均以B1 处理的收获指数最大，分别比B0 处理提高12.98%、19.92%，但I2B1大于I1B1且二者差异显著。

表2 各处理的干物质累积转运情况Tab.2 Dry matter transfer of each treatment

2.5 不同灌溉定额下生物炭对夏玉米产量及其构成要素的影响

由表3可知，各处理的穗长、穗行数及百粒重不存在显著差异，生物炭和灌水量主要影响夏玉米的穗粒数进而影响到产量。同灌条件下，各处理的穗粒数表现为B2>B1>B0，B1、B2 间差异不显著，但都显著大于不施炭处理B0；同炭条件下，二水处理的穗粒数整体大于一水处理，补灌对穗粒数有明显的提升效果。灌溉和生物炭都有明显的增产效果，I1B2、I2B1 分别是一水、二水下提高产量的最优处理，整体来看I2B1 的产量最高，比其他5 个处理分别增加54.93%、32.12%、15.15%、46.67%、2.79%，且差异显著。以上分析表明灌溉和生物炭显著增大夏玉米的穗粒数和产量，二水灌溉121.5 mm配施20 t/hm2生物炭是提高产量的最优处理。

表3 各处理的产量及构成要素Tab.3 Yield and components of each treatment

3 讨 论

试验发现，生物炭明显增加表层土壤含水率，减少水分向深层土壤的迁移渗漏。从土壤水分运动过程来看，这是因为生物炭能有效减缓湿润锋运移进程、抑制土壤蒸发[19]，从而降低土壤累积入渗量，增强土壤持水能力。叶绿素是植物吸收、传递和转化光能的场所[20]，也是反应叶片衰老程度的重要指标[21]。唐光木[22]发现，不同灌溉定额下滴灌玉米的SPAD 随灌溉定额的增加而增大。本研究中拔节期补灌后I2 处理的SPAD 虽整体大于I1 处理，但差异基本未达到显著性水平。为使测坑试验与当地的大田种植接近，所以试验设计在自然降雨的影响下进行，夏季雨水充沛是研究区的气候特点之一，夏玉米拔节期正值研究区多雨季，7月28日追肥补灌后，7月31日和8月2日分别发生不同程度的降水，丰富的降水使土壤水分充足，与拔节期补灌相比，未补灌处理没有产生明显的水分胁迫，二者的SPAD 差异不显著，但这一结果是否与研究区当年具体的降雨情况有关还需要多年的试验来验证。另外，本研究中生物炭对拔节期和灌浆期的SPAD 影响较小，基本未达到差异显著性水平，可能是因为拔节期追肥及多雨期充沛的降水使土壤的水肥条件达到作物吸收利用的上限，生物炭持水保肥的特性并未发挥出明显优势，所以没有对叶绿素含量产生明显影响。张娜等[23]研究认为，生长前期较高量的生物炭（10 t/hm2）对叶绿素含量的促进效果更好，但在生长后期低量生物炭（1 t/hm2）更有利于叶片的持绿，抽雄期后高生物炭施用会使叶片明显早衰。本试验结果表明，低炭处理（20 t/hm2）显著增加夏玉米苗期和成熟期的SPAD，减弱成熟期叶片的衰老程度、延缓叶片衰老，高炭会使SPAD 有所降低，但仍大于不施炭处理。这与张娜等的研究结果有所差异，可能与生物炭性质有关，本试验中所用生物炭的pH 值为7.80，高炭处理可能会造成土壤环境偏碱，产生的不利影响减弱了生物炭的改良潜力，所以低炭处理的效果更好。除施炭量和生物炭性质外，试验设计中生物炭梯度设置的差异、土壤性质也是影响研究结果的主要因素，多种因素的交互影响使研究结果不尽相同。

光合作用是作物合成有机物的基本生理代谢过程[24]，它所产生的有机物为作物提供90%～95%的干物质积累，籽粒产量的20%～30%也来自于植物的光合作用[25]，可见光合作用与作物产量密切相关。刘慧敏等[26]发现，施用不同剂量的生物炭可显著改善谷子幼苗的光合参数指标。谢婷婷等[27]的研究结果表明，炭基肥通过降低非气孔因素对光合作用的限制提升了玉米各时期的光合速率。本研究结果与前人的结论基本一致，在本研究中，施加生物炭显著提高夏玉米的净光合速率、蒸腾速率及气孔导度，降低胞间CO2浓度，促进作物的光合作用，在夏玉米的各生育阶段，施炭处理的光合指标基本都优于不施炭处理。灌溉定额对Pn 也有显著影响，表现为随灌溉定额的增加Pn 增大，这与孟凡超[28]的研究结果灌溉对玉米叶片的净光合速率有明显的促进作用相一致，但本研究中高施炭量下二水处理的优势不再明显，具体机理有待进一步研究。

邱海燕等[29]研究表明，生物炭施用能促进作物生长，提高玉米的干物质重量和产量。还有研究认为，生物炭能提高冬小麦的干物质转运量和花后干物质积累量，促进盐胁迫下的冬小麦生产[18]。本研究中，施加生物炭能显著提高干物质累积量，并促进干物质向籽粒转移，提高转移量、转移率和收获指数，低炭处理对转移量和收获指数的提升幅度最大，高炭反而会使生物炭的促进作用减弱，但高炭下转移率最优。Uzoma 等[30]研究发现施加生物炭能明显促进玉米产量，且产量会随着施炭比例的增大而增加。但本研究中仅一水处理下的产量随施炭量的增加而增大，二水处理下产量随施炭量的增加先增大后减小，说明灌水量与施炭量存在交互影响，不同灌溉定额下的最佳施炭量不同。生物炭的增产效果主要是因为它能改良土壤的理化性质，增加土壤孔隙度、降低土壤容重、减少土壤矿质氮的流失，增强土壤持水保肥的能力[31,32]，同时还影响土壤中微生物的丰度和群落结构，促进微生物的生长繁殖[33]，良好的水肥条件和土壤环境可以缓解水肥淋失对作物生长及生理代谢过程产生的抑制，促进夏玉米的生长和干物质积累，从而提高产量和收获指数。另外，从土壤含水率的分析中看出，拔节期由于降水充足I2 处理的土壤含水率与I1 处理差异并不大，但I2 处理下的干物质累积转运和产量要整体优于I1，这可能是因为I1 处理追肥后未补灌影响了肥料养分的释放以及作物对养分的吸收，造成作物减产。

4 结 论

（1）施加生物炭明显增加表层土壤含水率，减少水分向深层土壤的迁移渗漏，随施炭量的增加作用越明显。

（2）适量生物炭能显著增大苗期夏玉米叶片的SPAD，减弱成熟期叶片的衰老程度，但过量施加会使促进作用减弱，以施炭量20 t/hm2效果最好。

（3）生物炭和灌溉均能改善夏玉米的光合特性，生物炭显著提升Pn、Tr、Gs，降低Ci，整体来看以高炭处理（40 t/hm2）效果最好。拔节期，增加灌水量使Pn 和Ci 分别增大和减小，灌溉定额的增加有利于促进胞间CO2参与光合作用，提高净光合速率，但高炭下二水处理的优势不再明显；灌浆期，同一灌溉定额下仅高炭处理对Pn 有显著的提高，灌水量对Pn的影响与拔节期相似，高炭下灌水量的促进作用不再显著。

（4）生物炭和灌溉都有利于夏玉米干物质累积量及收获指数的提高，且均以I2B1 处理最大，生物炭能促进干物质向籽粒中转运，低炭处理对转移量提升幅度最大，高炭反而会使生物炭的促进作用减弱，但低灌高炭下转移率最优。

（5）施生物炭和增加灌水量可以提高夏玉米穗粒数和产量，但灌溉和生物炭对产量存在交互影响，不同灌溉定额下的最佳施炭量不同，I1和I2下分别以I1B2、I2B1的产量最高。总体来看I2B1（121.5 mm，20 t/hm2）的产量显著高于其他处理，是夏玉米增产的最佳水炭组合。