不同灌水量与生物炭用量对春小麦光合特性的影响

郭颂，杨卫君，宋世龙，陈雨欣，杨梅，惠超，张金汕

不同灌水量与生物炭用量对春小麦光合特性的影响

郭颂，杨卫君*，宋世龙，陈雨欣，杨梅，惠超，张金汕

（新疆农业大学 农学院/新疆优质专用麦类作物工程技术研究中心，乌鲁木齐 830052）

【目的】探究水炭耦合对北疆灌区春小麦光合特性及产量的影响。【方法】开展常规灌水量（w0）、灌水量减少10%（w1）、灌水量减少20%（w2）3个灌水量水平和不施生物炭（b0）、施加生物炭10 t/hm2（b1）、施加生物炭20 t/hm2（b2）3个生物炭施加量的2因素3水平试验，研究不同灌水量及生物炭用量对春小麦植株光合及产量的影响，建立基于生物炭施加量、灌水量与产量的拟合模型。【结果】生物炭施用量显著影响开花期叶面积指数。与b0w0处理相比，施生物碳与减少灌水量的组合春小麦提升9.1%～25.41%，花后20 d春小麦值提升了1.7%～10.73%。不同灌水量处理显著影响春小麦光合特性、干物质积累量和产量形成；灌水量为w1时，施加适量的生物炭能促进春小麦开花期干物质积累量，提升春小麦光合特性与产量；灌水量为w2时，施加生物炭（b1w2、b2w2处理）会使春小麦光合特性下降，春小麦净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2摩尔分数分别下降11.58%～18.15%、55.85%～66.3%、67.42%～75.94%和16.2%～27.19%。灌水量对春小麦产量的影响较生物炭影响更大，但灌水量为w1时，添加生物炭（b1w1、b2w1处理）的春小麦产量均保持在较高水平，b1w1处理春小麦产量较b0w0处理提升7.57%，而b2w1处理通过增加千粒质量提高产量，产量增幅达到3.36%。【结论】结合模型模拟分析可知，灌水量减少10%和生物炭施加20 t/hm2组合是最有利用于北疆灌区春小麦稳产、高产的施用模式。

春小麦；生物炭；控水；光合特性；产量

0 引 言

【研究意义】水资源紧缺、灌溉水利用率低是制约绿洲灌溉农业发展的重要限制因素[1-2]。提高灌溉水利用率是解决水资源供需矛盾、保证绿洲地区农产品生产与供给的重要途径[3-4]，对绿洲灌溉农业具有重大意义。【研究进展】光合作用是植物生长发育的重要过程，而土壤水分是作物生长的重要环境指标之一。适量灌水有利于提高小麦净光合速率，而干旱胁迫使叶绿素荧光参数显著降低[5]且不利于光合产物的积累[6]。但适量减水灌溉可实现作物生长与资源高效利用的双赢，如王唯逍等[7]研究表明，轻度水胁迫有利于促进水稻的气孔导度开放，提高净光合速率，激发其生长与生产潜能。李彦彬等[8]在保证产量的同时给予轻度水分胁迫可实现节水和高产的统一。生物炭是一类有机土壤添加剂，生物炭的多孔性质可改变土壤持水能力进而影响作物的物质积累促进资源高效利用[9-10]，如适量水分胁迫加生物炭可提高番茄潜在光化学能力[11]，当生物炭用量为15 t/hm2时可增加花前干物质转运量及花后干物质积累，此用量下微咸水利用效率最高[12]。良好的土壤环境和充足的养分对作物光合有积极的促进作用，而生物炭以自身多孔性质与丰富的养分可改善土壤环境，提高土壤肥力进而促进作物光合。阚正荣等[13]研究发现，生物炭可减弱冬小麦开花期和灌浆期的光合“午休”，提高作物光合性能。【切入点】当前研究多涉及生物炭与其他因素胁迫（光照、温度、重金属等）和肥料配施等方面[14-18]，且多集中在固氮减排、改善土壤性状、促进作物生长的研究[13]，而水分耦合对灌溉农田小麦生长的影响研究虽有涉及，但其潜在的生化和生理机制仍不明确[19-20]。在不同地区不同灌溉水平下，生物炭不同施用量产生的效应还不清晰[21]。【拟解决的关键问题】因此，研究不同灌水量与生物炭施用量下春小麦物质积累、光合生产及产量的变化，探讨调亏灌溉下生物炭调节春小麦生长的机制，建立基于生物炭施加量、灌水量与产量的北疆灌区春小麦拟合模型，为生物炭在北疆灌区农业高效节水发展中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年4—8月在新疆昌吉奇台麦类试验站进行（89°13′—91°22′ E，42°45′—45°29′ N，海拔1 760 m）。该地属温带大陆性气候；灌区多年平均降水量为265.6 mm，2021年3—8月降水量见图1。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 ℃，无霜期153 d。试验地前茬作物为冬小麦，土壤为沙壤土，pH值8.25。供试土壤中全氮量2.24 g/kg，全磷量1.28 g/kg，全钾量18.08 g/kg，有机质量42.88 g/kg，碱解氮量128.70 mg/kg，有效磷量11.40 mg/kg，速效钾量147.00 mg/kg。

图1 试验地2021年3—8月降水量分布

1.2 试验设计

试验设灌水量和生物炭用量2个试验因素，其中灌水量设置3个水平，分别为常规灌水（w0）、灌水量减少10%（w1）和灌水量减少20%（w2）,生物炭用量设置不施生物炭（b0）、施加生物炭10 t/hm2（b1）和施加生物炭20 t/hm2（b2）3个水平。大田试验采用完全随机区组设计，共计9个处理，各处理的具体设计见表1。每个处理重复3次，共计27个田间小区，小区面积为3 m×3 m=9 m2。试验所用的棉秆炭为辽宁金和福农业科技股份有限公司生产，碳化温度450 ℃，碳化时间4 h，pH值为9.37，全氮量21.76 g/kg，碱解氮量5.38 mg/kg，速效磷量200.94 mg/kg。生物炭与底肥一起于春小麦播前一次性施入，通过人工翻耕于30 cm处，使生物炭、底肥与土壤充分混合，选用当地主栽高产品种新春46号为试验材料，播种方式为条播，行距0.2 m，种植密度为450×104株/hm2；所有试验处理的管理措施均参照当地高产田的管理模式执行。

1.3 测定项目及方法

1.3.1值测定

使用SPAD-502型叶绿素仪测定春小麦旗叶值。各小区选取长势基本一致、无损伤的旗叶5片，每片叶测定上、中、下3个部位，最后取平均值使用。

表1 试验设计

1.3.2 叶面积测定

拔节期（5月19日）、孕穗期（5月30日）、开花期（6月14日）、灌浆期（6月26日）在各试验小区内选择长势一致的春小麦5株，测定全部叶片的长度和最大宽度，用长宽系数法获得单叶片面积，然后汇总平均，结合种植密度，计算确定小区的叶面积指数（）。

叶面积=长×宽×0.83， （1）

=叶面积×每平方米茎数/10 000。（2）

1.3.3光合参数测定

使用英国PPSystems公司生产的TPS-2光合测定仪测定春小麦旗叶的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度及胞间CO2摩尔分数。每小区随机选取3株旗叶生长一致且受光方向一致、叶位一致的春小麦，每株测定3次取平均值。测定日期为小麦开花后的2、10、18 d，在晴朗无风日子的11:00—13:00测定。

1.3.4 干物质量测定

在各生育期测定叶面积时同步取样测定干物质量。每小区随机取10株，从土壤表面处切取地上部分，将茎叶穗分开放置，之后在105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘至恒质量称量。

1.3.5 产量及其构成因素测定

各小区选有代表性的1 m2区域，在收获前进行有效穗数的测定，并实收测产。脱粒后自然风干称质量，然后按籽粒含水率13%的标准折算千粒质量与产量。

1.4 数据分析

采用Excel 2016作图，DPS 7.05进行双因素方差分析，LSD法进行各处理之间差异显著性多重比较，Design expert 11进行模型拟合。

2 结果与分析

2.1 不同灌水量与生物炭用量对春小麦SPAD值的影响

表2是春小麦开花前后一段时间内不同灌水量和生物炭用量下的春小麦值。整个生育期春小麦值整体呈波动性变化。与b0w0处理相比，花前5 d时b2w1、b2w2处理值均有提升但差异不显著。生物炭用量与灌水量的交互作用对值影响分别在开花期、花后9 d和花后20 d达到极显著水平（＜0.01）。由开花期与花后9 d春小麦值可以得出，b1w1、b2w1处理花后9 d的值较开花期值升高，其中b2w1处理的春小麦值提升最大，为6.4%；b1w2、b2w2处理花后9 d值较开花期值降低；由花后9 d与花后20 d各处理的春小麦值可知，各处理花后20 d的值较花后9 d均降低，但花后20 d各处理值高于b0w0处理。

表2 不同灌水量与生物炭用量春小麦SPAD值

注 表中同列不同小写字母表示处理之间差异显著（＜0.05）下同。

2.2 不同灌水量与生物炭用量对春小麦叶面积指数的影响

表3是不同生育期不同灌水量与生物炭用量组合下春小麦叶面积指数（）。生物炭用量及灌水量对春小麦叶面积指数均有影响，不同处理下叶面积指数（）呈先升高后降低的趋势。生物炭用量对开花期的春小麦叶面积指数有显著影响（＜0.05），且与b0w0处理相比，施生物炭与减少灌水量处理春小麦可以提高9.1%～25.41%。与孕穗期相比，开花期所有处理均下降，但施生物炭且减少灌水量的处理下降幅度均小于不施生物炭的灌水处理。与b0w0处理比较，灌浆期各生物炭用量与不同灌水量处理春小麦数提升3.98%～35.65%，各处理间差异不显著。

表3 不同灌水量与生物炭用量春小麦LAI

2.3 不同灌水量与生物炭用量对春小麦光合特性的影响

图2是春小麦花后2、8、18 d时不同灌水量与生物炭用量组合下的春小麦光合特性。灌水量与生物炭对春小麦光合特性有影响，灌水量较生物炭用量对光合特性的影响大。花后18 d时，与b0w0处理相比，除灌水量为w2处理的叶片净光合速率降低外，其余处理叶片净光合速率均提升，其中b1w1处理叶片净光合速率最高，但b1w1、b2w1处理与w0各处理间差异不显著；而b1w2、b2w2处理春小麦净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2摩尔分数均降低，其中b2w2处理最低。在花后18 d灌水量对春小麦蒸腾速率影响达到显著水平（＜0.05），生物炭用量与灌水量的交互作用也达显著水平（<0.05），灌水量为w1结合施用生物炭降低了叶片蒸腾速率。生物炭用量与灌水量对春小麦气孔导度的交互作用在花后2 d和花后10 d达到显著水平（＜0.05），花后18 d无显著差异。对比花后18 d与花后2 d各处理胞间CO2摩尔分数可知，除b1w2处理相对于花后2 d降低外，其余处理都呈上升趋势，生物炭用量与灌水量的交互作用不显著，生物炭用量、灌水量单因素的影响均达显著水平（＜0.05）。

2.4 不同灌水量与生物炭用量对春小麦干物质累积量的影响

图3是各处理不同时期春小麦的茎叶穗干物质累积量。生物炭用量及灌水量对春小麦干物质累积量均有影响，不同灌水量与生物炭用量处理下春小麦干物质累积量随春小麦生育期呈逐渐增加趋势，而叶片干物质量呈先增加后降低趋势。灌水量在春小麦拔节期对茎与叶干物质累积量有显著影响（＜0.05），与b0w0处理相比，施加生物炭且减少灌水量处理春小麦茎叶干物质累积量均得到提高。生物炭用量及灌水量在开花期对叶干物质累积量交互作用达显著水平（＜0.05），与b0w0处理比较，施用生物炭与减少灌水量处理叶干物质累积量均下降，幅度为11.58%～25.48%。春小麦穗部干物质累积量呈升高趋势。灌浆期生物炭对春小麦穗干物质累积量影响显著（＜0.05），灌水量对穗干物质量有影响，但未达显著水平。与b0w0处理相比，b1w0处理的穗干物质累积量最高，提升了9.2%。

图2 不同灌水量与生物炭用量春小麦光合参数

图3 不同灌水量与生物炭用量春小麦茎、叶、穗干物质累积量

2.5 不同灌水量与生物炭用量对春小麦籽粒灌浆速率的影响

表4是不同灌水量与施用生物炭组合下春小麦籽粒灌浆参数。与b0w0处理相比，生物炭与灌水组合春小麦干物质快速积累持续时间均有所降低，降低幅度为0.87%～23.72%，而其余各处理春小麦干物质最大积累速率均高于b0w0处理，增幅为1.15%～20.2%。其中b1w0处理干物质最大积累速率与持续时间最高；b2w1处理春小麦籽粒灌浆各项指标（m、0、Δ）均在较高水平；b2w2处理春小麦干物质积累最大、增长速率最高。

表4 不同灌水量与生物炭用量春小麦籽粒灌浆速率

注为干物质积累量；m为干物质积累最大增长速率；为播种后天数；0为干物质最大积累速率出现的时间；12分别为Logistic方程生长函数的2个拐点；Δ为干物质快速积累持续天数；2为相关系数。

2.6 不同灌水量与生物炭用量对春小麦产量的影响

表5是不同灌水量与生物炭用量组合下春小麦产量构成。灌水量对春小麦产量影响极显著（＜0.01）；添加生物炭可通过增加春小麦穗数、穗粒数、千粒质量，进而提高产量。与b0w0处理相比，b1w1、b2w1处理不会减产，而b1w2、b2w2处理春小麦产量明显下降。生物炭用量与灌水量的交互作用显著（＜0.05），在生物炭用量与灌水量共同作用下，灌水量为w0、w1时施加生物炭可提升春小麦产量，但灌水量为w2时即使配施生物炭仍造成显著减产，春小麦产量降低16.68%～20.1%。

表5 不同灌水量与生物炭用量春小麦产量构成

注 *和**分别表示0.05和0.01水平显著。

2.7 春小麦产量拟合

以影响因素（生物炭用量）、影响因素（灌水量）为自变量，产量（）为因变量，进行二次项多元拟合，得到回归方程：

=-48 919.844 64-199.035 46+390.923 46+

0.973 8-2.764 382-0.686 2632。

其中，模型模拟值与实测值的吻合度达到极显著水平（＜0.01，失拟项＞0.05），说明模型具有较高的可靠性。模型决定系数2=0.906 1，精确度为16.746，说明模型比较理想。根据模型响应面可看出，随着灌水量的减少与生物炭用量的增多，春小麦产量呈先增高后降低趋势，过多减少灌水量与施加高量生物炭，产量会进一步下降。根据回归方程计算出响应面最高点数值，该数值为生物炭用量与灌水量交互影响下的春小麦最高产量，即生物炭施加16.185 t/hm2，灌水量为296.322 m3得到最大产量7 385.824 kg/hm2，运算值在试验结果范围内。

图4 不同灌水量与生物炭用量的春小麦产量拟合水平投影与响应面

3 讨 论

3.1 不同灌水量与生物炭用量对春小麦地上干物质量的影响

春小麦地上部生长受灌水量与生物炭用量影响显著，随着生育进程的推进，生物炭在不同灌溉水平下产生不同的效应，亏缺灌溉下植株地上部生长均受到抑制[22-23]。生物炭可提高作物干物积累[24-25]，这与本试验结果基本保持一致。与b0w0处理相比，本试验中不同灌水条件下添加生物炭处理（除b1w2处理）地上干物质积累量均有提高，且b2w1处理的干物质量累积量最高。这可能是因为生物炭提高了土壤养分供给，其自身特性使土壤的持水能力提高[26]，缓解水分胁迫对植株生长的抑制，促进植物地上部生长，增大地上部干物质量[27]。但春小麦生长初期土壤自身肥力较高，生物炭的效应并未发挥出来，随着土壤原有养分消耗，生物炭的作用得以体现[28]，则表现出在春小麦不同生育期生物炭对地上干物质量影响不同，说明生物炭对植株生长的影响可能不仅与土壤水分有关，还与土壤自身肥力和生物炭作用时效有关[29]。

3.2 不同灌水量与生物炭用量对春小麦光合特性的影响

本研究发现，灌水量为270 m3时施加少量生物炭b1w1处理使叶片净光合速率得到提升，而灌水量为240 m3时施加生物炭（b1w2、b2w2处理）春小麦净光合速率与蒸腾速率气孔导度均降低，这与王浩等[30]研究基本一致。综合分析认为生物炭的施用改变了土壤的孔隙分布与营养环境[31-32]。将灌水量为270 m3与常规灌溉300 m3的各组合进行比较，在减少灌水量的条件下生物炭施用改善土壤孔隙分布，为作物根系的发展提供良好的空间，进一步提高土壤保水能力与持水量，同时生物炭自身含有营养元素，施用生物炭能促进作物根系形态的建成，增加总根长度、总根体积和总根表面积，降低根平均直径[33-34]，有利于作物对水分和养分吸收[35-36]，使春小麦叶绿素量保持在较高水平，提高春小麦净光合速率；当灌水量为240 m3时施加生物炭，土壤养分离子过高，根系吸收水分与养分能力下降，叶片得不到充分物质供给，导致作物净光合速率下降。

3.3 不同灌水量与生物炭用量对春小麦产量的影响

在水分亏缺条件下施加肥料，可提高作物产量，同时增强其抗旱性[37]，这与本研究一致。本试验中生物炭用量与灌水量交互作用显著，且灌水量对春小麦产量影响达到极显著水平，灌水量为270 m3加生物炭（b1w1、b2w2处理）时春小麦产量比常规灌溉提高7.57%～3.36%，而灌水量为240 m3配施生物炭（b1w2、b2w2处理）却造成春小麦减产16.68%～20.1%。添加生物炭可通过影响春小麦穗数、穗粒数和千粒质量，进而提高产量。本研究以拟合模型为基础，b1w1、b2w1处理模拟产量较b0w0处理分别提升5.61%与2.72%，这与b1w1、b2w1处理增产趋势一致，说明应用此模型分析本试验条件下灌水量与生物炭用量最佳组合可行。根据模型拟合中生物炭用量、灌水量与产量的响应面趋势，分析增产原因可能是灌水量为270 m3时施加生物炭可提高土壤可用水量[38]，改变土壤微生物的代谢偏好[39-40]，提高土壤全氮及有机碳质量分数，土壤肥力得到提升[41-42]，因而促进作物养分吸收。而灌水量为240 m3时施加高量生物炭条件下减产原因可能是缺水条件改变土壤微生物量[43]，而土壤微生物活性因过量生物炭添加产生抑制[44]，则在缺水与高量生物炭共同影响下，土壤微生物对养分分解能力下降[45]，造成减产。

4 结 论

1）灌水量减少10%并添加生物炭有利于促进春小麦开花期干物质积累，保障稳产增产，且灌水量对春小麦产量的影响较生物炭大。

2）灌水量减少10%并添加生物炭可提升春小麦叶片净光合速率；而灌水量减少20%添加生物炭下春小麦的光合性能下降，净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2摩尔分数和气孔导度均降低。

3）结合模型模拟分析可知，灌水量减少10%和生物炭施加20 t/hm2组合是最有利用于北疆灌区春小麦稳产、高产的施用模式。

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Change in Photosynthesis of Spring Wheat with Irrigation Amount and Biochar Amendment

GUO Song, YANG Weijun*, SONG Shilong, CHEN Yuxin, YANG Mei, HUI Chao, ZHANG Jinshan

(College of Agronomy, Xinjiang Engineering Technology Research Center for High-quality Specialty Wheat Crops, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

【Objective】Amending soil with biochar can improve soil structure and fertility, but it could make soil slightly hydrophobic. Its combined effect with irrigation on crop growth is not well understood. This paper aims to fill this knowledge gap by using spring wheat as the exemplary plant.【Method】The experiment was conducted in a spring wheat field in northern Xinjiang and comprised three irrigation amounts: irrigation amount used by local farmers (w0), reducing w0 by 10% (w1), and reducing w0 by 20% (w2). For each irrigation amount, there were three biochar amendments: no biochar (b0), adding 10 t/hm2(b1) and 20 t/hm2(b2) of biochar. For each treatment, we measured photosynthesis and yield of the spring wheat; its relationship with biochar amendment rate and irrigation amount was fitted to pre-defined functions.【Result】Biochar application amount affected leaf area index at the flowering stage significantly. Compared to b0w0, reducing irrigation amount combined with a biochar amendment increasedby 9.1%～25.41%, andby 1.7%～10.73% 20 days after the flowering.Irrigation amount had a significant impact on photosynthesis, dry matter accumulation and yield formation. Reducing irrigation amount by 10% coupled with an appropriate biochar amendment promoted material accumulation in the plant during the flowering stage, thereby improving photosynthesis and the ultimate yield. However, when the irrigation amount was reduced by 20%, biochar amendment reduced photosynthesis, with the net photosynthetic rate, transpiration rate, stomatal conductivity and intercellular CO2concentration decreasing by 11.58%～18.15%, 55.85%～66.3%, 67.42%～75.94% and 16.2%～27.19%, respectively, from the control. Irrigation amount affected the yield more significantly than biochar, but an appropriate biochar amendment can compensate for the yield loss due to irrigation water reduction. In all treatments we compared, b1w1 was most effective, increasing the grain yield by 7.57% compared b0w0. b2w1 was most effective in increasing 1 000-grain weight, and compared to b0w0, it increased the grain yield by 3.36%.【Conclusion】The compressive experiment showed that reducing irrigation amount currently used by local farmers by 10% combined with a 20 t/hm2application of biochar is most effective for saving water and improving spring wheat yield in northern Xinjiang.

spring wheat; biochar; water control; photosynthetic characteristics; production

郭颂, 杨卫君, 宋世龙, 等. 不同灌水量与生物炭用量对春小麦光合特性的影响[J]. 灌溉排水学报, 2023, 42(3): 65-73.

GUO Song, YANG Weijun, SONG Shilong, et al. Change in Photosynthesis of Spring Wheat with Irrigation Amount and Biochar Amendment[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(3): 65-73.

1672 - 3317（2023）03 - 0065 - 09

S512.1+2

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022223

2022-04-22

国家自然科学基金地区科学基金项目（32260326）；新疆维吾尔自治区自然基金面上项目（2021D01A87）

郭颂（1999-），男。硕士研究生，主要从事作物栽培生理研究。E-mail: 2201485808@qq.com

杨卫君（1984-），女。副教授，博士，主要从事农田土壤生态研究。E-mail: 1984_ywj@163.com

责任编辑：白芳芳