生物质炭施用量对滴灌冬小麦生长发育和产量的影响

陈传信,张永强,聂石辉,孔德鹏,赛力汗·赛,徐其江,雷钧杰

(1.新疆农业科学院粮食作物研究所, 乌鲁木齐 830091; 2. 农业部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室,乌鲁木齐 830091; 3.新疆维吾尔自治区农业技术推广总站, 乌鲁木齐 831111)

0 引 言

【研究意义】小麦作为我国三大主粮作物之一,其产量和种植面积分别达到了13 018.52×104t、2 450.8×104hm2,小麦稳产高产对我国的粮食安全问题至关重要[1]。化肥在小麦生产中具有重要作用,对产量的贡献率达50%～60%[2-6]。过量施肥会影响小麦生产[7-9]及耕地质量[10-11]。生物质炭是指将生物质原料(农作物秸杆、木材、畜禽粪便等)在限氧或缺氧条件下,经高温热裂解所产生的一类具有高度芳香化、含碳丰富、孔隙度高、稳定的固态物质[12]。生物质炭具有固碳减排、提高土壤肥力等特性,其具有含碳丰富,生物质炭为土壤改良及促进作物生长提供了新的思路。【前人研究进展】生物质炭对作物生长及产量的影响受土壤类型、肥力状况及生物质炭用量的影响[13-14]。肖婧等[15]通过研究发现生物质炭能够提高作物产量,增产可达29.2%。Martinsen等[16]发现玉米芯和花生壳为原料的生物质炭对玉米产量没有显著性影响。李帅霖等[17]通过盆栽试验发现,小麦千粒重、穗粒数和株高随着生物质炭施用量的增加先升高后降低,当生物质炭施用量为盆内干土重2%时,其增产效果最为明显,施用量超过4%会导致小麦减产。【本研究切入点】目前,生物质炭对作物生长影响的研究虽有报道,而关于新疆绿洲小麦生产中生物质炭的应用研究较少。【拟解决的关键问题】设置3个生物质炭施用水平,研究开展生物质炭对于滴灌冬小麦生长发育及产量影响的研究,以期为新疆绿洲农作区小麦生产中生物质炭的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2021年9月～2022年7月在新疆农科院玛纳斯试验站进行(85°35′E～86°42′E,43°27′N～45°37′N),属于中温带大陆性干旱半干旱气候,冬季较为严寒,夏季炎热,干燥少雨,日照充足,蒸发量比较大,降水少。年平均气温在8.7℃,年总降水量为237.7 mm。年总日照时数为2 569.0 h,年最大积雪深度为25 cm,年最大冻土深度为75 cm。供试土壤为沙壤土,耕层土壤有机质15.6 g/kg、碱解氮64.5 mg/kg、速效磷12.65 mg/kg、速效钾为143 mg/kg。

以冬小麦新冬18号为材料,于2021年9月25日等行距15 cm条播,播种量300 kg/hm2,施肥量:纯N 240 kg/hm2,纯磷(P2O5)172.5 kg/hm2,纯钾(K2O)52.5 kg/hm2,磷钾肥、生物质炭在翻地前全部基施,氮肥基追比例为2∶3。供试生物质炭肥为市场上销售的水稻秸秆生物质炭肥。其他田间管理措施与当地生产一致。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

在大田滴灌条件下,采用单因素随机区组试验设计,共设置3个生物质炭的施用水平,分别为0 t/hm2(CK)、20 t/hm2(T1)、40 t/hm2(T2),小区面积为54 m2(5.4 m×10 m),每处理重复3次。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 干物质

在开花期、成熟期每小区采取小麦植株20株,将采集的植株按不同的器官(茎、叶、穗)分解后装入牛皮纸袋,放入烘箱烘干(所取样品放入烘箱105℃杀青30 min,80℃烘干至恒重)称重。

1.2.2.2 叶面积

在拔节期、孕穗期、开花期、成熟期每小区随机取20个单茎,用直尺测定单茎全部叶片的长宽,长宽系数法计算叶面积。

单茎小麦总叶面积=叶长×叶宽×0.83。

1.2.2.3 叶绿素相对含量(SPAD值)

叶绿素相对含量(SPAD值)采用日本生产的SPAD-502叶绿素测定仪测定,每小区各选取20株,每叶从基部到尖端测3点取平均值。于拔节期(倒二叶)和抽穗期、开花期、灌浆期(旗叶)测定叶片SPAD值。

1.2.2.4 测产及考种

成熟期从各小区选取2.4 m2(1.2 m×2 m)样区,单独人工收割,脱粒后风干计产,折算籽粒含水量为13%。每小区取1 m双行样段,用于调查穗数、穗粒数和千粒重。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2007对试验数据录入整理和图表制作,SPSS 22.0统计软件对数据进行显著性比较分析。

2 结果与分析

2.1 生物质炭施用量对冬小麦叶面积指数(LAI)的影响

研究表明,在开花期和灌浆期,冬小麦叶面积指数均表现为T2>T1>CK,T2和T1处理叶面积指数显著高于CK,T2和T1处理开花期叶面积指数分别比CK增加18.92%、16.01%,T2和T1处理灌浆期期叶面积指数分别比CK增加14.36%、11.82%。T2和T1处理间叶面积指数差异不显著。图1

注:字母表示同一时期不同处理间差异性(P<0.05),下同

2.2 生物质炭施用量对冬小麦叶片SPAD值变化的影响

研究表明,随着生育时期的推进,各处理的叶绿素SPAD值均表现出先增加后降低的趋势,且在开花期达到最大值;不同生育时期冬小麦叶绿素SPAD值均表现为T2>T1>CK,施用生物质炭提高了冬小麦叶片叶绿素活性,各处理间差异不显著。T2处理拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期叶绿素SPAD值分别比T1、CK增加0.55%、0.31%、0.90%、2.28%和1.41%、1.18%、2.95%、3.67%。图2

图2 不同生物质炭施用量下冬小麦叶片SPAD值变化

2.3 生物质炭施用量对冬小麦干物质积累影响

研究表明,开花期、灌浆期冬小麦干物质积累均表现为T2>T1>CK,各处理间差异显著,施用生物质炭显著增加了冬小麦干物质积累。T2和T1处理开花期和灌浆期干物质积累量分别比CK增加18.07%、10.15%和29.13%、9.46%。T2处理开花期、灌浆期干物质积累量分别比T1增加7.19%、17.96%。图3

图3 不同生物质炭施用量下冬小麦干物质积累变化

2.4 生物质炭施用量对冬小麦产量及产量构成因素影响

研究表明,施用生物质炭可以促进冬小麦产量的形成。生物质炭不同施用量对冬小麦产量影响显著,T1、T2比CK分别增加6.96%、12.58%,其中T2处理产量表现最好,为8 244.40 kg/hm2。不同处理冬小麦穗数、穗粒数、千粒重产生差异,施用生物质炭提高了产量构成三要素。T2处理的穗数、穗粒数、千粒重表现较好,T2处理的穗数、穗粒数、千粒重显著高于CK,较CK分别增加7.22%、13.27%、8.08%;T2处理的穗数、穗粒数与T1处理间差异不显著,较T1分别增加3.13%、0.96%,差异不显著,T2处理千粒重显著高于T1。表1

表1 不同生物质炭施用量下冬小麦产量及产量构成因素变化

3 讨 论

3.1施用生物质炭不同程度促进作物叶片SPAD值的提高,干物质积累量的增加[18],施用生物质炭处理的玉米叶片具有较高的叶绿素含量和较大叶面积指数,增加了后期的叶片保绿度[19]。Baronti等[20]通过沙壤土的盆栽试验研究发现,当生物质炭施用量为30和60 t/hm2时,黑麦草的生物量明显比对照增加20%、52%,但在100 t/hm2时,抑制了黑麦草的生物量形成。研究发现,生物质炭的施用提高冬小麦叶绿素SPAD值、叶面积指数,积累了较多的干物质,为获取较多经济产量的提供了基础。施用生物质炭在一定程度上影响到作物的生长发育,不同作物类型、土壤类型对生物质炭的效应不同,适量施用生物质炭可以促进作物的生长发育和干物质积累。

3.2施用生物质炭可以显著提升作物的产量[21]。研究中发现,生物质炭不同施用量均对冬小麦产量影响显著,T1、T2比CK分别增加6.96%、12.58%,其中T2处理40 t/hm2生物质炭施用量产量表现最好,为8 244.40 kg/hm2。与李中阳等[19]研究结果相似,生物质炭有利于增加冬小麦产量。可能是因为生物质炭能够延缓肥料养分在土壤中的释放,提高养分利用率,从而使作物增产[22-23]。研究表明大量施用生物质炭会导致土壤氮素供给能力而影响小麦产量。可能是因为作物生长和产量对生物质炭施用的响应效果与土壤性质、生物质炭原料、施用量有关[24]。今后生物质炭应用研究中需考虑土壤性质、生物质炭类型。

4 结 论

施用生物质炭可以提高冬小麦叶面积指数,T2处理和T1处理叶面积指数显著高于CK。施用生物质炭促进冬小麦植株的生长发育,有利于群体干物质生产。在T2处理40 t/hm2生物质炭施用量下冬小麦生长发育较好,产量明显增加。