生物炭、有機肥與化肥配施對春玉米光合特性的影響

彭輝輝　劉強　榮湘民

摘要：采用田間小區定位試驗，設置不施肥（T1、CK1）、單施化肥（T2、CK2）、生物炭與化肥配施（T3）、有機肥與化肥配施（T4）、生物炭及有機肥與化肥配施（T5）5個試驗處理，研究南方丘陵山地農區生物炭、有機肥與化肥之間配施對旱地春玉米葉綠素含量、葉片光合參數、葉片水分利用效率的影響。結果表明，與不施肥相比，單施化肥極顯著改善了春玉米的光合特性，而生物炭、有機肥與化肥配施的效果比單施化肥更明顯；在配施處理中，以生物炭、有機肥、化肥三者配施的影響最大，具有明顯的互作效應，其次是生物炭與化肥配施，最后是有機肥與化肥配施，除葉片的胞間CO2濃度以外，前者的所有指標與后兩者之間的差異均達到顯著或極顯著水平，但后兩者之間差異不顯著；與單施化肥處理相比，三者配施的葉綠素含量和葉片的凈光合速率、氣孔導度、水分利用效率分別提高了12.23%、32.41%、45.83%、69.85%，葉片的胞間CO2濃度、蒸騰速率則分別降低了20.77%、22.35%。總之，生物炭、有機肥與化肥配施，特別是三者復配施用值得推廣。

關鍵詞：生物炭；有機肥；化肥；配施；春玉米；光合特性；互作效應；南方丘陵山地農區

中圖分類號： S513.06；S147.34 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0132-03

光合作用是作物正常生長發育和產量形成的基礎。施肥，特別是氮肥調控，在改善旱地土壤理化性狀、根際微生態環境[1-6]的基礎上，可改變作物生長發育狀況，有助于增強作物光合能力[7-8]，提高水分利用效率[9]，從而形成高產。但是，化肥增產效果是有限的[10]，過量施用化肥不僅對作物無益，還會直接導致產投比下降、土壤退化、肥料大量流失而污染水體等其他負面影響。因此，探索合理、高效的施肥方法，以提高肥料利用率、增強施肥對作物生產的貢獻，進而減少養分損失，是一個值得重點關注的課題。有研究表明，含氮磷鉀養分的化肥與豬糞有機堆肥合理配施，可降低旱地氮磷養分流失，提高肥料利用率[11]。還有研究認為，在施肥的基礎上，添施適量的谷殼生物炭也可以有效減少旱地土壤氮磷鉀素的徑流損失[12]。而我國每年有大量秸稈、谷殼、畜禽糞便等農業固廢物未得到有效處理或利用，既浪費了資源，也帶來了面源污染[13]。因此，將秸稈、畜禽糞便等作為資源進行加工，并有效應用于農業生產，其發展前景廣闊，一方面可以節約利用資源、提高農業生產效益，另一方面，可以改善土壤生產力，減少農業污染。目前關于化肥配施有機肥、化肥配施生物炭對旱地土壤理化性狀、作物生長發育及產量影響方面的研究較多[14-17]，但鮮有生物炭、有機肥與化肥之間配施對旱地作物光合特性影響方面的研究報道。本試驗采用田間小區長期定位試驗，研究生物炭、有機肥與化肥之間配施對春玉米光合特性的影響，旨在探明生物炭、有機肥與化肥之間的配施效應，以期得出合理的配施方法，為豐富生物炭農用理論以及玉米高產潛力研究提供技術參考，也為我國南方丘陵山地農區提高農業資源利用效率、減少農業面源污染提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于湖南省瀏陽市湖南農業大學長期定位試驗基地內（113°49′E，28°19′N）。該地區屬于丘陵山地、亞熱帶季風濕潤氣候區，年均氣溫在16～18 ℃，年均降水量為1 400～2 300 mm，降水主要集中在4—8月，年日照時間約為 1 600 h，全年無霜期可達260 d左右。供試土壤為河流沖積物發育的潮土，耕層（0～20 cm）土壤基本理化性狀為：pH值 5.88，有機質含量15.76 g/kg，全氮含量3.75 g/kg，全磷含量0.96 g/kg，全鉀含量13.48 g/kg，堿解氮含量80.82 mg/kg，速效磷含量21.64 mg/kg，速效鉀含量142.78 mg/kg。

1.2 試驗方法

供試玉米品種為掖單13號，密度為5.6萬株/hm2。供試肥料為尿素（含N 46%）、鈣鎂磷肥（含P2O5 12%）、氯化鉀（含K2O 60%）。供試有機肥為豬糞有機堆肥，養分含量為：N 31.08 g/kg、P2O5 0.824 g/kg、K2O 16.97 g/kg。試驗所用生物炭是以稻殼為原料，采用高溫（

試驗設5個處理：不施肥（T1、CK1）、單施化肥（T2、CK2）、生物炭與化肥配施（T3）、有機肥與化肥配施（T4）、生物炭及有機肥與化肥配施（T5）。隨機區組設計，每個處理重復3次，小區面積20 m2（5 m×4 m）。全生育期氮、磷、鉀總養分施用量分別為240、120、150 kg/hm2，其中氮按4 ∶ 3 ∶ 3比例分為基肥、苗肥、穗肥施用；磷肥全作基肥施用；鉀肥按 1 ∶ 1 的比例分為基肥、穗肥施用。T4、T5以等氮量為基礎，用有機肥代替20%的化肥氮，作基肥。忽略生物炭的直接供養，其施用量為13 500 kg/hm2，與基肥同時施用。玉米于2014年3月26日播種，依照當地常規管理，處理間保持一致。

1.3 測定方法

在玉米生長的大喇叭口期（播種后約80 d）至抽穗初期，于晴朗天氣的09：00—11：00，每小區選取3株生長均勻一致的玉米植株，用LI-6400型便攜式光合儀測定其棒三葉的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率。同期每小區選取5株生長均勻一致的玉米植株，用SPAD-502葉綠素儀測定其棒三葉的葉綠素含量（以SPAD值表示）。相關公式：

葉片的水分利用效率（WUE）=凈光合速率/蒸騰速率。

1.4 數據處理與統計分析

用Excel 2007處理試驗數據，單因素方差分析和LSD法顯著性檢驗通過DPS v14.10數據處理軟件完成。

2 結果與分析

2.1 生物炭、有機肥與化肥配施對春玉米葉綠素含量的影響

葉綠素是重要的光合色素分子，是反映葉片生理活性、光合機能的重要指標之一。圖1結果表明，與不施肥處理（T1、CK1）相比，施肥可極顯著提高春玉米棒三葉的葉綠素含量，增幅達20.57%～35.31%；4個施肥處理的葉綠素含量（以SPAD值表示）由大到小為：T5處理>T3處理>T4處理>T2處理。由圖1還可見，與單施化肥處理（T2、CK2）相比，生物炭、有機肥與化肥之間配施也同樣明顯提高了春玉米棒三葉的葉綠素含量，差異均達到極顯著水平，T3、T4、T5處理的SPAD值分別比T2處理提高了8.37%、6.40%、12.23%；而在肥料配施的3個處理中，T5處理的SPAD值比T3處理提高了3.57%，差異顯著，比T4處理提高了5.48%，差異極顯著；T3處理與T4處理相比，棒三葉的SPAD值僅增加 1.85%，二者之間差異不顯著，說明對春玉米棒三葉的葉綠素含量來說，生物炭、有機肥、化肥三者配施的效果明顯大于生物炭與化肥配施、有機肥與化肥配施。

2.2 生物炭、有機肥與化肥配施對春玉米葉片光合參數的影響

光合特性是葉片光合能力的有效表征，對作物產量的形成至關重要。表1結果顯示，與不施肥處理（T1、CK1）相比，4個施肥處理均極顯著提高了春玉米棒三葉的凈光合速率和氣孔導度，增幅分別達42.38%～88.53%、50.00%～118.75%；而胞間CO2濃度、蒸騰速率則隨肥料的施用呈現不增反降的趨勢，施肥帶來的降低效果均達到極顯著水平，降幅分別為19.81%～36.47%、11.63%～31.38%。

由表1還可看出，與單施化肥處理（T2、CK2）相比，添加生物炭或有機肥配施的T3、T4、T5處理的凈光合速率、氣孔導度均極顯著提高，其幅度分別為21.12%、15.44%、32.41%，29.17%、25.00%、45.83%。其中以生物炭、有機肥、化肥三者配施處理（T5）對春玉米棒三葉的凈光合速率、氣孔導度的影響效果最好，分別比生物炭與化肥配施處理（T3）提高了 9.32%、12.90%，分別比有機肥與化肥配施處理（T4）提高了14.71%、16.67%；而T3處理略高于T4處理，但二者之間的差異極小，且不顯著。

就春玉米棒三葉的胞間CO2濃度而言，與單施化肥處理（T2、CK2）相比，生物炭、有機肥與化肥的配施引起其極顯著下降（表1）。其中以生物炭、有機肥、化肥三者配施處理（T5）的影響最顯著，降幅達到20.77%；生物炭與化肥配施處理（T3）次之，有機肥與化肥配施處理（T4）降幅最小，二者降幅分別為16.08、11.18%。但T3處理與T4、T5處理之間的差異均不顯著，T5處理則分別比T3、T4處理降低 5.59%、1080%，T5處理與T4處理之間差異顯著。

蒸騰作用是作物維持物質代謝、吸收利用養分的重要途徑，受土壤水分供應及環境因子等多種因素影響。與單施化肥處理（T2、CK2）相比，生物炭、有機肥、無機肥的配施明顯降低了春玉米棒三葉的蒸騰速率（表1），T3、T4、T5處理的降幅分別為9.63%、11.98%、22.35%，差異達到顯著或極顯著水平。T5處理則比T3處理極顯著降低了14.08%，比T4處理顯著降低了11.79%；T4處理比T3處理降低了2.60%，但二者差異卻不顯著。這說明生物炭、有機肥、化肥三者配施處理（T5）的蒸騰速率降幅最大，影響最突出，其次是有機肥與化肥配施處理（T4）。

2.3 生物炭、有機肥與化肥配施對春玉米葉片水分利用效率的影響

水分利用效率既是反映作物抗旱性的重要指標，也是體現其光合作用強弱的關鍵因素。圖2表明，與不施肥處理（T1、CK1）相比，施肥特別是肥料配施能極顯著地提高春玉米葉片的水分利用效率（WUE），其增幅在60.95%～173.37%之間；各施肥處理的水分利用效率為2.72～4.62 μmol/mmol，以生物炭、有機肥、化肥三者配施處理（T5）最大，生物炭與化肥配施處理（T3）次之，然后是有機肥與化肥處理（T4），單施化肥處理最低（T2）。

與單施化肥處理（T2、CK2）的水分利用效率相比，肥料配施的T3、T4、T5處理分別提高了33.46%、30.88%、69.85%。三者配施處理（T5處理）分別比生物炭、有機肥各自與化肥配施處理（T3、T4）提高了27.27%、29.78%；T3處理比T4處理高1.97%，但差異不顯著（圖2）。

3 討論與結論

光合作用是影響產量形成的主要機制，增強光合作用對作物的生長發育和水分利用有直接的重要意義。影響玉米葉片光合特性的因素有很多，比如CO2濃度的升高，就可增大玉米的光合速率，降低氣孔導度、蒸騰速率，提高水分利用效率[18]。大氣氨濃度可影響植物的凈光合速率、氣孔導度，大氣中的氨可以作為作物的速效肥料，是土壤減氮的重要參考[19]。

施肥則是一種更重要且實用的調控作物光合性能的方法，無論是氮素水平調控[20]、氮磷鉀肥配比[21]，還是不同肥料之間的配施[22]，都能不同程度地影響作物的光合特性。Liu等對甜葉菊施肥試驗的研究結果表明，與不施肥處理相比，施化肥處理的葉綠素含量、凈光合速率更高，胞間CO2濃度更低；移栽后60 d，有機肥處理的葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導度明顯高于不施肥處理；有機肥處理的胞間CO2濃度比施化肥處理、不施肥處理都要低[23]。本試驗也得出了相似的結果，與不施肥處理相比，單施化肥處理可極顯著提高玉米葉片的葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導度、水分利用率，降低胞間CO2濃度和蒸騰速率，且有機肥與化肥配施的影響更大。張仁和等研究得出了類似的結果[24-25]，但同時也認為，有機肥與化肥配施可提高作物的蒸騰速率，這與本試驗的結果不同。其原因可能與試驗區的土壤水勢、太陽輻射、飽和水汽壓差等主要環境因子不同有關[26]。

生物炭能明顯改良土壤理化性質，并保留土壤養分[27]，可促進旱地作物的水肥供應及生長發育，在農業生產中應用廣泛。本試驗中，生物炭與化肥配施對春玉米光合特性的影響比有機肥與化肥配施的更大，但二者之間沒有明顯差異。張娜等也認為，生物炭可顯著提高玉米葉片的凈光合速率、葉綠素含量，且低生物炭施用量有助于維持后期光合性能[28]。

本研究還表明，生物炭、有機肥、化肥三者配施有明顯的互作效應，是所有處理中對春玉米的光合特性影響最大的，效果也最顯著。究其原因，一方面是由于三者配施更能改善土壤性質和根際環境，減少養分流失，調控作物對養分的吸收、轉運，加強后續的累積和同化；另一方面，也可能是由于生物炭偏于促進并使作物較長時間地維持營養生長，延緩葉片衰老，以進一步增加“源”強，改善“源-庫”關系。

本試驗在南方丘陵山地農區進行，既有效利用了農業秸稈和畜禽糞便，減少環境污染，又節約了資源和成本，增加了肥效，具有較好的推廣應用價值。

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