生物炭、有機(jī)肥與化肥配施對春玉米光合特性的影響

彭輝輝　劉強(qiáng)　榮湘民

摘要：采用田間小區(qū)定位試驗，設(shè)置不施肥（T1、CK1）、單施化肥（T2、CK2）、生物炭與化肥配施（T3）、有機(jī)肥與化肥配施（T4）、生物炭及有機(jī)肥與化肥配施（T5）5個試驗處理，研究南方丘陵山地農(nóng)區(qū)生物炭、有機(jī)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(shù)、葉片水分利用效率的影響。結(jié)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(jī)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(jī)肥、化肥三者配施的影響最大，具有明顯的互作效應(yīng)，其次是生物炭與化肥配施，最后是有機(jī)肥與化肥配施，除葉片的胞間CO2濃度以外，前者的所有指標(biāo)與后兩者之間的差異均達(dá)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(dǎo)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(jī)肥與化肥配施，特別是三者復(fù)配施用值得推廣。

關(guān)鍵詞：生物炭；有機(jī)肥；化肥；配施；春玉米；光合特性；互作效應(yīng)；南方丘陵山地農(nóng)區(qū)

中圖分類號： S513.06；S147.34 文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)育和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。施肥，特別是氮肥調(diào)控，在改善旱地土壤理化性狀、根際微生態(tài)環(huán)境[1-6]的基礎(chǔ)上，可改變作物生長發(fā)育狀況，有助于增強(qiáng)作物光合能力[7-8]，提高水分利用效率[9]，從而形成高產(chǎn)。但是，化肥增產(chǎn)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(dǎo)致產(chǎn)投比下降、土壤退化、肥料大量流失而污染水體等其他負(fù)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(qiáng)施肥對作物生產(chǎn)的貢獻(xiàn)，進(jìn)而減少養(yǎng)分損失，是一個值得重點(diǎn)關(guān)注的課題。有研究表明，含氮磷鉀養(yǎng)分的化肥與豬糞有機(jī)堆肥合理配施，可降低旱地氮磷養(yǎng)分流失，提高肥料利用率[11]。還有研究認(rèn)為，在施肥的基礎(chǔ)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(nóng)業(yè)固廢物未得到有效處理或利用，既浪費(fèi)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(jìn)行加工，并有效應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，其發(fā)展前景廣闊，一方面可以節(jié)約利用資源、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，另一方面，可以改善土壤生產(chǎn)力，減少農(nóng)業(yè)污染。目前關(guān)于化肥配施有機(jī)肥、化肥配施生物炭對旱地土壤理化性狀、作物生長發(fā)育及產(chǎn)量影響方面的研究較多[14-17]，但鮮有生物炭、有機(jī)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(qū)長期定位試驗，研究生物炭、有機(jī)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(jī)肥與化肥之間的配施效應(yīng)，以期得出合理的配施方法，為豐富生物炭農(nóng)用理論以及玉米高產(chǎn)潛力研究提供技術(shù)參考，也為我國南方丘陵山地農(nóng)區(qū)提高農(nóng)業(yè)資源利用效率、減少農(nóng)業(yè)面源污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于湖南省瀏陽市湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)長期定位試驗基地內(nèi)（113°49′E，28°19′N）。該地區(qū)屬于丘陵山地、亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，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(dá)260 d左右。供試土壤為河流沖積物發(fā)育的潮土，耕層（0～20 cm）土壤基本理化性狀為：pH值 5.88，有機(jī)質(zhì)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(jī)肥為豬糞有機(jī)堆肥，養(yǎng)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(shè)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(jī)肥與化肥配施（T4）、生物炭及有機(jī)肥與化肥配施（T5）。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每個處理重復(fù)3次，小區(qū)面積20 m2（5 m×4 m）。全生育期氮、磷、鉀總養(yǎng)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(chǔ)，用有機(jī)肥代替20%的化肥氮，作基肥。忽略生物炭的直接供養(yǎng)，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(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)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(qū)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(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率。同期每小區(qū)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(guān)公式：

葉片的水分利用效率（WUE）=凈光合速率/蒸騰速率。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

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

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭、有機(jī)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(jī)能的重要指標(biāo)之一。圖1結(jié)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(dá)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(jī)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(dá)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(jī)肥、化肥三者配施的效果明顯大于生物炭與化肥配施、有機(jī)肥與化肥配施。

2.2 生物炭、有機(jī)肥與化肥配施對春玉米葉片光合參數(shù)的影響

光合特性是葉片光合能力的有效表征，對作物產(chǎn)量的形成至關(guān)重要。表1結(jié)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(dǎo)度，增幅分別達(dá)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(xiàn)不增反降的趨勢，施肥帶來的降低效果均達(dá)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(jī)肥配施的T3、T4、T5處理的凈光合速率、氣孔導(dǎo)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(jī)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(dǎo)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(jī)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(jī)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(jī)肥、化肥三者配施處理（T5）的影響最顯著，降幅達(dá)到20.77%；生物炭與化肥配施處理（T3）次之，有機(jī)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(zhì)代謝、吸收利用養(yǎng)分的重要途徑，受土壤水分供應(yīng)及環(huán)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(jī)肥、無機(jī)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(dá)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(jī)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(jī)肥與化肥配施處理（T4）。

2.3 生物炭、有機(jī)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(biāo)，也是體現(xiàn)其光合作用強(qiáng)弱的關(guān)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(jī)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(jī)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(jī)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(jié)論

光合作用是影響產(chǎn)量形成的主要機(jī)制，增強(qiáng)光合作用對作物的生長發(fā)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(dǎo)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(dǎo)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(shí)用的調(diào)控作物光合性能的方法，無論是氮素水平調(diào)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(jié)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(jī)肥處理的葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度明顯高于不施肥處理；有機(jī)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(jié)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(dǎo)度、水分利用率，降低胞間CO2濃度和蒸騰速率，且有機(jī)肥與化肥配施的影響更大。張仁和等研究得出了類似的結(jié)果[24-25]，但同時也認(rèn)為，有機(jī)肥與化肥配施可提高作物的蒸騰速率，這與本試驗的結(jié)果不同。其原因可能與試驗區(qū)的土壤水勢、太陽輻射、飽和水汽壓差等主要環(huán)境因子不同有關(guān)[26]。

生物炭能明顯改良土壤理化性質(zhì)，并保留土壤養(yǎng)分[27]，可促進(jìn)旱地作物的水肥供應(yīng)及生長發(fā)育，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)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(jī)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(rèn)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(jī)肥、化肥三者配施有明顯的互作效應(yīng)，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(zhì)和根際環(huán)境，減少養(yǎng)分流失，調(diào)控作物對養(yǎng)分的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)，加強(qiáng)后續(xù)的累積和同化；另一方面，也可能是由于生物炭偏于促進(jìn)并使作物較長時間地維持營養(yǎng)生長，延緩葉片衰老，以進(jìn)一步增加“源”強(qiáng)，改善“源-庫”關(guān)系。

本試驗在南方丘陵山地農(nóng)區(qū)進(jìn)行，既有效利用了農(nóng)業(yè)秸稈和畜禽糞便，減少環(huán)境污染，又節(jié)約了資源和成本，增加了肥效，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉 苗，孫 建，李立軍，等. 不同施肥措施對玉米根際土壤微生物數(shù)量及養(yǎng)分含量的影響[J]. 土壤通報，2011，42（4）：816-821.

[2]高 巖，曾路生，李俊良，等. 優(yōu)化施肥對設(shè)施番茄根際與非根際土壤養(yǎng)分及酶活性的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報，2013，28（增刊1）：347-352.

[3]Albert E，Grunert M. Effect of a long-standing differentiated mineral-organic fertilization on yield，content of humus，nitrogen balance and nutrient content of the soil[J]. Archives of Agronomy and Soil Science，2013，59（7/8/9）：1073-1098.

[4]Yagüe M R，Bosch-Serra D，Antúnez M，et al. Pig slurry and mineral fertilization strategieseffects on soil quality：macroaggregate stability and organic matter fractions[J]. Science of the Total Environment，2012，438：218-224.

[5]Ai C，Liang G Q，Sun J W，et al. Responses of extracellular enzyme activities and microbial community in both the rhizosphere and bulk soil to long-term fertilization practices in a fluvo-aquic soil[J]. Geoderma，2012，2012（173/174）：330-338.

[6]王 楠，王 帥，高 強(qiáng)，等. 施氮水平對不同肥力土壤微生物學(xué)特性的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2014，28（4）：148-152，167.

[7]許 楠，倪紅偉，鐘海秀，等. 不同供氮水平對飼料桑樹幼苗生長以及光合特性的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2015，31（4）：865-870.

[8]于天一，逄煥成，李玉義，等. 紅壤旱地長期施肥對春玉米光合特性和產(chǎn)量的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，18（2）：17-21.

[9]呂軍杰，李俊紅，丁志強(qiáng)，等. 旱地不同土壤培肥技術(shù)效應(yīng)研究[J]. 土壤通報，2014，45（1）：141-146.

[10]欒 江，仇煥廣，井 月，等. 我國化肥施用量持續(xù)增長的原因分解及趨勢預(yù)測[J]. 自然資源學(xué)報，2013，28（11）：1869-1878.

[11]張玉平，榮湘民，劉 強(qiáng)，等. 有機(jī)無機(jī)肥配施對旱地作物養(yǎng)分利用率及氮磷流失的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2013，27（3）：44-48，54.

[12]張曉龍，張玉平，高德才，等. 不同施肥模式對旱地土壤氮磷鉀徑流流失的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2014，28（6）：36-40.

[13]尹昌斌，程磊磊，楊曉梅，等. 生態(tài)文明型的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展路徑選擇[J]. 中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2015，36（1）：15-21.

[14]馬曉霞，王蓮蓮，黎青慧，等. 長期施肥對玉米生育期土壤微生物量碳氮及酶活性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報，2012，32（17）：5502-5511.

[15]顏 雄，彭新華，張楊珠，等. 長期施肥對紅壤旱地玉米生物量及養(yǎng)分吸收的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2013，27（2）：120-125.

[16]吳 巍，榮湘民，張玉平，等. 豬糞型有機(jī)肥對春玉米地土壤養(yǎng)分含量及產(chǎn)量的影響[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（9）：45-48.

[17]姜玉萍，楊曉峰，張兆輝，等. 生物炭對土壤環(huán)境及作物生長影響的研究進(jìn)展[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2013，25（2）：410-415.

[18]Kim Y G，Cho Y S，Seo J H，et al. Effects of elevated CO2 on maize growth[J]. Korean Journal of Crop Science，2008，53（1）：93-101.

[19]Chen X，Li S. Effects of enhanced atmospheric ammonia on physiological characteristics of maize（Zea mays L.）[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture，2013，93（12）：3094-3099.

[20]谷 巖，胡文河，徐百軍，等. 氮素營養(yǎng)水平對膜下滴灌玉米穗位葉光合及氮代謝酶活性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報，2013，33（23）：7399-7407.

[21]肖萬欣，趙海巖，劉 晶，等. 不同氮、磷、鉀肥配施對遼單565光合特性和產(chǎn)量的影響[J]. 玉米科學(xué)，2011，19（3）：126-130.

[22]張 越，王創(chuàng)云，鄧 妍，等. 不同施肥處理對玉米光合特性及產(chǎn)量形成的影響[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（4）：430-433，438.

[23]Liu X Y，Li G Q，Yan S，et al. Effects of collocation of different fertilizers on photosynthesis characteristics of Sterna rebaudiana Bertoni[J]. Research on Crops，2014，15（1）：259-263.

[24]張仁和，胡富亮，楊曉欽，等. 不同栽培模式對旱地春玉米光合特性和水分利用率的影響[J]. 作物學(xué)報，2013，39（9）：1619-1627.

[25]Gupta R，Pandey S K，Singh A K，et al. Response of photosynthesis，chlorophyll fluorescence and yield of finger millet （Eleusine coracana） influenced by bio-chemical fertilizers[J]. Indian Journal of Agricultural Sciences，2011，81（5）：445-449.

[26]郭 映，董 陽，黨慧慧，等. 基于不同時間尺度玉米蒸散蒸騰量及其影響因素[J]. 資源科學(xué)，2014，36（7）：1501-1508.

[27]武 玉，徐 剛，呂迎春，等. 生物炭對土壤理化性質(zhì)影響的研究進(jìn)展[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，2014，29（1）：68-79.

[28]張 娜，李 佳，劉學(xué)歡，等. 生物炭對夏玉米生長和產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2014，33（8）：1569-1574.