氮肥減量施加生物炭對花生幼苗生理特性及根系生長的影響

摘要：探明減氮施加生物炭對花生幼苗生理特性及根系生長的影響，為氮肥減量增效背景下花生田生物炭的施入提供科學依據。在豫東地區通過2年田間定位微區試驗，以花生-油菜種植體系為研究對象，設置6個試驗處理：對照不施肥（CK）、常規施肥（CF）、減氮15%配施低量生物炭（T1）、減氮30%配施中量生物炭（T2）、減氮45%配施高量生物炭（T3）、減氮60%配施超高量生物炭（T4），研究不同處理對葉片SPAD值、光合特性、抗氧化系統以及根系生長特性和抗氧化系統的影響。結果表明，與CK相比，不同施肥處理花生葉片SPAD值和根系活力在苗期、花針期、結莢期、成熟期分別顯著提高12.45%～23.83%、7.37%～15.83%、5.23%～17.70%、9.56%～21.64%和5.42%～14.43%、8.56%～16.72%、10.97%～20.55%、10.68%～43.15%，其中，花針期以后，T3處理SPAD值和根系活力均最高。T1、T2、T3、T4處理葉片凈光合速率較CK分別顯著提高7.36%、14.53%、12.04%、8.39%。各施肥處理葉片蒸騰速率、氣孔導度以和超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶活性較CK分別顯著提高11.16%～19.26%、12.50%～34.38%和16.21%～61.58%、9.07%～45.81%、14.54%～49.43%。其中，T3處理葉片蒸騰速率、氣孔導度及過氧化物酶、過氧化氫酶活性均最高。T3處理根系過氧化物酶活性較其他施肥處理顯著提高5.06%～57.98%；T3處理葉片、根系膜脂過氧化產物丙二醛含量均最低。綜上所述，減氮配施生物炭有利于提高葉片光合性能，促進根系生長，提升葉片、根系的抗逆境能力。其中，減氮45%配施高量生物炭表現最優。

關鍵詞：施肥；生物炭；花生；幼苗；生理特性；光合性能；根系活力

中圖分類號：S143.1；S565.206 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）22-0100-07

花生是河南省重要的油料經濟作物，其種植面積與產量均居我國首位［1］。近年來，隨著花生產業結構升級及農業供給側結構改革，河南省花生種植面積逐年擴大，花生連作現象普遍存在，而花生多年連續種植會造成花生產量下降、品質降低、病蟲害頻發，連作障礙已成為限制花生產量及品質的重要因素［2-3］。而為改變這一現象，以往大多數研究主要集中在改變種植制度或施肥方式上，但受地域、氣候、水分等條件限制，改變種植制度所需時間較長，并不利于花生產業發展，因此，通過改變施肥措施來解決花生連作障礙更具有研究意義［4-5］。有研究表明，無機肥與有機肥配施是解決花生連作障礙的重要途徑［6-7］。王月等的研究表明，有機肥與氮磷鉀肥能夠增加連作花生田微生物量碳氮，增強土壤酶活性，提高土地生產力［8］。鄭國棟等的研究表明，增施生物菌劑對花生產量、品質均有較大程度地提高［9］。可見，研究無機肥與有機肥配施對解決花生連作障礙具有一定地可行性。

氮是花生植株生長所需的主要營養元素之一，有研究表明，在一定安全含量范圍內，土壤氮素養分含量越高對花生植株生長越有利，能夠顯著提高花生產量及品質［10-11］?；ㄉ嵌箍浦参?，其根部特有的根瘤菌能夠直接固定空氣中的氮元素供植物吸收利用，但花生固定的氮源僅能滿足植株需氮量約50%，其他的氮源需要從土壤中吸收利用［12-13］。有研究表明，合理增施氮肥提高植株含氮量均能顯著提高花生葉片抗氧化酶活性，降低膜質過氧化程度，提高植株葉片光合性能，改善葉片生理特性［14-15］。但氮肥過量不僅降低肥料利用率，浪費自然資源，破壞農業生態環境，還不利于根系養分吸收與利用，從而影響植株生長發育［16-17］。因此，如何研究氮肥減量增效對花生產業發展具有重要的意義。

生物炭作為一種新型土壤改良劑，具有豐富的空隙結構與較大的比表面積，施入土壤中能夠吸附分解較多的難溶養分，改善土壤理化性質與作物根系養分利用環境，提高土壤通風透氣性，有利于促進根系養分吸收與利用［18-19］。近年來，已有較多學者研究表明，合理增施生物炭能夠提升土壤氮素利用率，促進根系生長，提高花生植株生長發育［20-21］。但大多數研究主要集中在生物炭對花生田土壤養分含量、酶活性以及花生根系生長的影響等方面，而關于氮肥減量配施不同比例生物炭對花生幼苗生理特性及根系生長影響的研究并不多見［22-24］。因此，本試驗采用不同氮肥比例與生物炭配施，分析不同比例組合下花生幼苗生理特性及根系活力、根冠比和根部生理特性的變化特點，并探討不同施肥條件下根系生長與葉片生理特性的相關關系，旨在為氮肥減量增效背景下花生田生物炭的合理施入提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區位于河南省商丘市睢陽區包公廟鎮朱樓村（115°52′E，35°84′N），該區屬暖溫帶大陸季風性氣候。年均降水量720 mm，年均氣溫14.2 ℃，年均光照時數2 200 h。土壤類型黃潮土，質地為中壤。耕層土壤基礎養分含量為：有機質10.60 g/kg，速效氮48.16 mg/kg，速效磷54.29 mg/kg，速效鉀112.82 mg/kg，pH值8.07。

1.2 試驗設計

試驗于2020年10月至2022年10月進行，共設6個處理，分別為對照不施肥（CK）、常規施肥（CF）、減氮15%配施低量生物炭（T1）、減氮30%配施中量生物炭（T2）、減氮45%配施高量生物炭（T3）、減氮60%配施超高量生物炭（T4），每個處理重復3次，小區面積42 m2，隨機區組排列。常規施肥處理中化肥施用量為：純氮150 kg/hm2、過磷酸鈣（P2O5 16%）600 kg/hm2、硫酸鉀（K2O 50%） 150 kg/hm2；生物炭養分含量為：N 4.26 kg/hm2、P2O5 3.82 kg/hm2、K2O 6.48 kg/hm2。按照等量施氮原則，其生物炭低量、中量、高量、超高量分別為5.28、10.56、15.84、21.12 t/hm2。

供試花生為冀花4號，其生育期為6月15日至10月8日，種植密度約15萬穴/hm2。供試油菜為中雙9號，其生育期為11月1日至6月1日，種植密度約33萬株/hm2。試驗地花生—油菜輪作種植，在種植花生時進行不同施肥與生物炭處理，其中70%氮肥作為基肥，30%氮肥作為追肥，在花生結莢期追肥。各小區采取統一管理模式，適時灌溉，并注意病蟲草害防治。

1.3 項目測定與方法

2022年，花生苗期、花針期、結莢期、成熟期選取長勢相同的花生5株，利用葉綠素儀測定頂端第3張葉片的葉綠素含量（SPAD值），測定后標記，用于下一生育期葉綠素含量（SPAD值）測定。在花生花針期時利用便攜式光合儀Li-6400測定頂端第3張葉片的凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度、氣孔導度。

在2022年花生花針期選取長勢相同的花生5株，帶回實驗室清洗完成后，分別測定葉片、根系抗氧化酶活性及丙二醛含量。其中，超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶活性分別采用氮藍四唑還原法、愈創木酚法、紫外吸收法測定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測定［25］。

在2022年花生苗期、花針期、結莢期、成熟期選取長勢相同的花生5株，采取完整植株，清洗干凈后，用于地下根系活力測定。其中，根系活力采用TTC法測定［25］。根系與地上部植株烘干后用于根冠比測定。其中，根冠比是指花生根系與地上部干物質量的比值。

1.4 數據處理與統計分析

利用DPS 19.05進行不同處理間單因素方差分析與多重比較（Duncans），利用Excel 2018進行圖表制作。其中，圖表中的數據用“平均值±標準差”表示。

2 結果與分析

2.1 減氮施加生物炭對花生葉片SPAD值的影響

由圖1可知，施肥對花生葉片SPAD值提高有顯著的促進作用。與CK相比，不同施肥處理花生葉片的SPAD值在苗期、花針期、結莢期、成熟期分別顯著提高12.45%～23.83%、7.37%～15.83%、5.23%～17.70%、9.56%～21.64%。不同生育期中各施肥處理間花生葉片SPAD值也表現出顯著差異。苗期時，不同施肥處理葉片SPAD值表現為CFgt;T1gt;T2gt;T3gt;T4，其中CF處理較T3、T4處理分別顯著提高9.51%、10.12%?；ㄡ樒跁r，不同施肥處理葉片SPAD值表現為T3gt;T4gt;T2gt;T1gt;CF，其中T3處理較CF處理顯著提高7.88%。結莢期時，不同施肥處理葉片SPAD值表現為T3gt;T4gt;T2gt;T1gt;CF，其中T3處理較CF、T1、T2處理分別顯著提高11.86%、9.04%、6.05%。成熟期時，不同施肥處理葉片SPAD值表現為T3gt;T2gt;T4gt;T1gt;CF，其中T3處理較CF、T1、T4處理分別顯著提高11.03%、8.57%、5.10%。

2.2 減氮施加生物炭對花生葉片光合特性的影響

由表1可知，不同施肥措施對花生花針期葉片光合特性產生顯著的影響。與CK相比，不同施肥措施能夠不同程度提高花生葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度，降低胞間CO2濃度?；ㄡ樒跁r，T1、T2、T3、T4處理葉片凈光合速率較CK分別顯著提高7.36%、14.53%、12.04%、8.39%（Plt;0.05）。其中，T2處理葉片凈光合速率最高，顯著高于除T3處理外的其他施肥處理。各施肥處理葉片蒸騰速率（T4處理除外）、氣孔導度較CK分別顯著提高11.16%～19.26%、12.50%～34.38%（Plt;0.05）。其中，T3處理葉片蒸騰速率、氣孔導度均最高，顯著高于除T2處理外的其他施肥處理。T1、T2、T3、T4處理葉片胞間CO2濃度較CK分別顯著降低8.37%、16.17%、24.22%、7.60%（Plt;0.05）。其中，T3處理葉片胞間CO2濃度顯著低于其他處理，而T2處理顯著低于CF處理。

2.3 減氮施加生物炭對花生葉片抗氧化酶活性和丙二醛含量的影響

由表2可知，不同施肥措施會對花生葉片抗氧化酶活性和丙二醛含量產生不同的影響。與CK相比，不同施肥處理能夠顯著提高花針期葉片超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性，降低丙二醛含量?；ㄡ樒跁r，各施肥處理葉片超氧化物歧化酶活性較CK顯著提高16.21%～61.58%。其中，T2處理超氧化物歧化酶活性最高，較其他施肥處理顯著提高10.33%～39.04%。各施肥處理葉片過氧化物酶、過氧化氫酶活性較CK分別顯著提高9.07%～45.81%、14.54%～49.43%。其中，T3處理過氧化物酶、過氧化氫酶活性均最高，較其他施肥處理分別提高1.59%～33.69%、2.03%～30.46%，且其過氧化物酶、過氧化氫酶活性均顯著高于CF、T1、T2處理（Plt;0.05）。各施肥處理葉片丙二醛含量較CK顯著降低14.22%～35.34%（Plt;0.05）。其中，T3處理丙二醛含量最低，較CF、T1、T4處理分別顯著降低24.62%、10.71%、5.66%（Plt;0.05）。

2.4 減氮施加生物炭對花生根系活力的影響

由圖2可知，施肥能夠顯著提高花生根系活力。與CK相比，不同施肥處理花生根系活力在苗期、花針期、結莢期、成熟期分別顯著提高5.42%～14.43%、8.56%～16.72%、10.97%～20.55%、10.68%～43.15%。不同生育期中各施肥處理間花生根系活力也表現出顯著差異。苗期時，不同施肥處理根系活力表現為CFgt;T1gt;T2gt;T3gt;T4。其中，CF處理較T2、T3、T4處理分別顯著提高6.97%、7.90%、8.55%。花針期時，不同施肥處理根系活力表現為T3gt;T2gt;T4gt;T1gt;CF。其中，T3處理較CF、T1處理分別顯著提高7.52%、6.94%。結莢期時，不同施肥處理根系活力表現為T3gt;T2gt;T4gt;T1gt;CF。其中，T3處理較CF、T1處理分別顯著提高8.63%、5.87%。成熟期時，不同施肥處理根系活力表現為T3gt;T2gt;T4gt;T1gt;CF。其中，T3處理最高，較其他施肥處理顯著提高5.65%～29.34%。

2.5 減氮施加生物炭對花生根冠比的影響

由圖3可知，施肥能夠顯著影響花生根系活力。與CK相比，不同施肥處理花生根冠比在苗期、花針期、結莢期、成熟期表現出不同的變化趨勢。苗期時，不同施肥處理花生根冠比較CK顯著降低9.77%～62.89%，其中T4處理顯著低于其他處理（Plt;0.05）?；ㄡ樒跁r，不同施肥處理花生根冠比較CK降低2.16%～56.12%，其中除CF處理無顯著降低外，其他施肥處理均顯著降低。結莢期時，不同施肥處理花生根冠比較CK顯著提高8.16%～18.37%（Plt;0.05）。其中，T3處理根冠比最大，較CF、T1、T2處理分別顯著提高9.43%、9.43%、5.45%（Plt;0.05）。成熟期時，不同施肥處理花生根冠比較CK顯著提高7.94%～23.81%（Plt;0.05）。其中，T3處理根冠比最大，較其他施肥處理顯著提高5.41%～14.71%（Plt;0.05）。

2.6 減氮施加生物炭對花生根系抗氧化酶活性和丙二醛含量的影響

由表3可知，不同施肥措施對花生根系抗氧化酶活性和丙二醛含量同樣產生顯著的影響。與CK相比，不同施肥處理能夠顯著提高花針期根系超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性，降低丙二醛含量，而過氧化物酶活性表現出不同的變化趨勢。花針期時，各施肥處理根系超氧化物歧化酶活性較CK顯著提高22.99%～88.07%（Plt;0.05）。其中，T2處理超氧化物歧化酶活性最高，較CF、T1、T4處理分別顯著提高53.14%、31.94%、16.40%（Plt;0.05）。T1、T2、T3、T4根系過氧化物酶活性較CK分別顯著提高21.09%、35.13%、47.71%、40.60%（Plt;0.05），CF處理顯著降低6.36%。其中，T3處理過氧化物酶活性最高，較其他施肥處理顯著提高5.06%～57.98%（Plt;0.05）。各施肥處理根系過氧化氫酶活性較CK顯著提高7.16%～43.02%（Plt;0.05）。其中，T4處理過氧化氫酶活性最高，較CK、T1、T2處理分別顯著提高33.46%、27.14%、14.52%（Plt;0.05）。各施肥處理根系丙二醛含量較CK顯著降低5.20%～15.12%（Plt;0.05）。其中，T3處理丙二醛含量最低，較CF、T1處理分別顯著降低10.46%、6.79%（Plt;0.05）。

2.7 根系生長與葉片生理特性的相關性

對花生花針期根系生長與葉片生理特性進行相關性分析，結果（表4）表明，花生根系活力與葉片SPAD值、、過氧化氫酶活性、超氧化物歧化酶活性呈顯著正相關，與丙二醛含量呈顯著負相關（Plt;0.05），與葉片凈光合速率、過氧化物酶活性均呈正相關。根冠比與葉片SPAD值呈極顯著負相關（Plt;0.01），與葉片凈光合速率、超氧化物歧化酶活性呈顯著負相關（Plt;0.05），與丙二醛含量呈顯著正相關（Plt;0.05），與過氧化物酶活性、過氧化氫酶活性均呈負相關關系。由此可見，不同施肥措施能夠通過提高葉片光合特性及抗氧化酶活性、減少丙二醛的累積來促進花生根系生長，進而提高花生生長發育。

3 討論

光合作用是植物生長發育的重要進程，能夠通過光合作用將無機物轉化為有機物可供植株吸收利用［26］。有研究表明，植物葉片葉綠素含量越高，其凈光合速率越大，而合理化肥與有機肥配施能夠提高植物葉片葉綠素含量，改善光合特性［27］。本研究結果表明，與對照不施肥相比，施肥能夠提高花生葉片SPAD值及凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度[CM（21]，降低胞間CO2濃度。這是因為施肥能夠補充土壤養分供應及促進作物根系養分吸收，改善植株葉片生理特性，提高葉片葉綠素含量和光合作用。這與張永杰等的研究［28-29］較為一致。與單施化肥相比，花針期前減氮配施生物炭處理葉片SPAD值降低，花針期后減氮配施生物炭處理葉片SPAD值、凈光合速率均提高。分析認為，由于生物炭養分釋放速率以及對土壤理化性質改良時間較緩慢，苗期時，作物生長需要較多的養分，如果此時氮肥減量較多，減氮配施生物炭處理養分含量供應不及時，會影響作物根系吸收利用，從而使得葉片SPAD值降低，但隨著生育期延長，單施化肥處理的肥效明顯弱于減氮配施生物炭處理。而從葉片光合特性來看，生物炭并不是添加比例越多越好，氮肥減量過多同樣會影響根系對土壤養分的吸收與利用。

植物遭受逆境脅迫時，體內活性氧動態平衡會被打破而產生較多活性氧，造成植物體內膜脂氧化嚴重，丙二醛累積，而為抵抗逆境，植物體內的抗氧化活性酶會增加，消除體內多余的自由基活性氧，降低丙二醛含量［30-31］。其中，超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶活性均可反映植物體抗逆境能力［32］。本研究結果表明，與對照不施肥或單施化肥相比，氮肥減量配施生物炭均可提高植株葉片、根系超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶活性，降低丙二醛含量。這是因為生物炭具有較大的比表面積和較強的吸附能力，施入土壤中能夠改善土壤理化性質和透氣性，提高根系對養分吸收利用，促進根系和植物生長，從而提高根系、植株抗逆境能力。這與周翠香等的研究［33］較為一致。研究還發現，不同氮肥減量配施生物炭處理抗氧化酶活性和丙二醛含量差異較大，其中減氮30%配施中量生物炭（T2）處理超氧化物歧化酶和減氮45%配施高量生物炭（T3）處理過氧化物酶、過氧化氫酶活性最高，說明添加不同比例生物炭對根系、葉片抗氧化活性產生較大不同的影響。

本研究發現，花生生育前期時，氮肥減量配施生物碳處理根系活力、根冠比明顯弱于單施化肥處理，而隨著生育期延長，氮肥減量配施生物碳處理根系活力、根冠比顯著高于單施化肥處理。結合前面植株葉片SPAD值、凈光合速率以及抗氧化活性酶結果可知，在生育前期，生物炭調節改善土壤理化性質及結構帶來的有利影響不足以抵消氮肥減量對花生根系的不利影響，而花針期以后，單施化肥處理肥效較短，肥料利用率較低，此時生物炭改良土壤結構帶來的有利影響開始逐漸顯現。但不同氮肥減量與生物炭配施對根系生長同樣產生不同的影響，結果顯示，減氮45%配施高量生物炭（T3）處理表現最優。通過花針期根系生長與葉片生理特性進行相關性分析結果可知，添加生物炭能夠通過改良土壤結構促進根系對養分吸收利用，提高植物生長發育以及葉片光合作用，而葉片光合作用以及抗逆境能力提高又反過來作用于根系，從而保障根系生長。由此可知，花生根系生長與葉片生理特性密切相關。

4 結論

通過2年定位微區試驗發現，與對照不施肥處理相比，施肥能夠提高葉片SPAD值和根系活力。其中，花生花針期之前，常規施肥處理葉片SPAD值和根系活力優于減氮配施生物炭處理，花針期之后，減氮配施生物炭處理明顯優于常規施肥處理。與對照不施肥、常規施肥處理相比，減氮配施生物炭處理能夠提升葉片光合性能，提高葉片、根系的超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性，降低膜脂過氧化產物丙二醛含量。綜上所述，減氮施加生物炭有利于提高葉片光合性能，促進根系生長，提高葉片、根系的抗逆境能力。其中，減氮45%配施高量生物炭處理表現明顯優于其他減氮配施生物炭處理。

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收稿日期：2023-04-18

基金項目：河南省科技攻關項目（編號：182102110311）；中央引導地方科技發展專項（編號：Z20221341060）。

作者簡介：趙耀東（1985—），男，河南商丘人，碩士，講師，主要從事農業技術服務與推廣模式研究。E-mail：sqzyzyd@163.com。