生物炭對(duì)不同連作年限棉田棉花光合特性的影響

韓光明　劉東　孫世清　楊細(xì)元　陳全求　張濤　藍(lán)家樣

摘要：以品種C111為試材，選擇2、6、11和14年4種連作年限的土壤，采用0（C1）、20（C2）和40 t/hm2（C3）共3個(gè)濃度生物炭處理，在苗期（D1）、蕾期（D2）、花鈴期（D3）和吐絮期（D4）測(cè)定了不同處理對(duì)棉花葉片光合氣體交換參數(shù)、光合生理參數(shù)、葉綠素含量和產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，與C1處理相比，C2和C3處理顯著提高了棉花葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、光合能力（Pm）、表觀量子效率（AQY）、羧化效率（CE）、RUBP最大再生速率（RUBPmax）、葉綠素含量和子棉產(chǎn)量（P<0.05），并且40 t/hm-2生物炭處理（C3）顯著高于20 t/hm2（C2）處理；不同連作年限生物炭處理胞間CO2濃度（Ci）與對(duì)照比差異不顯著 （P>0.05），連作年限長(zhǎng)時(shí)光合速率下降的主要原因是非氣孔因素；添加生物炭處理可以降低蒸騰速率（E），但差異不顯著。

關(guān)鍵詞：生物炭；棉花；連作；光合特性

中圖分類號(hào)：S562；S141 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）24-6202-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.026

Abstract： Hybrid cotton C111 was chosen as experimental material. The cotton fields continuous cropping for 2， 6， 11 and 14 years were selected， the soil were treated by the biochar in 0（C1），20（C2） and 40 t/hm2 （C3）. Photosynthetic gas exchange parameters， photosynthetic physiological parameters， chlorophyll content and yield of cotton were investigated in seeding stage （D1）， bud stage （D2）， flowering and boll-setting period（D3） and boll opening stage（D4）. The results showed that net photosynthetic rate （Pn）， Gs，AQY， CE， RUBPmax， chlorophyll content and yield of cotton were significantly increased in C2 and C3 treatments compared with C1 treatment（P<0.05）， and C3 treatment was also higher than C2（P<0.05）. Biochar treatments in different continuous cropping years were not significantly different compared with the control in Ci， it was considered that the reduction in Pn under long continuous cropping years was mainly caused by non-stomatal restriction. Transpiration rate （E） could be reduced by biochar treatment， however， it was non-significant （P>0.05）.

Key words： biochar； cotton； continuous cropping； photosynthetic characteristics

棉花是重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在人們的日常生活當(dāng)中起著重要的作用，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也具有重要的推動(dòng)作用。但由于棉農(nóng)農(nóng)田較少，習(xí)慣于棉田多年連作，從而造成了土壤理化性質(zhì)越來(lái)越差，土壤肥力下降，病蟲害不斷加重，土壤微生物種群結(jié)構(gòu)多樣性減少，產(chǎn)生了連作障礙，進(jìn)而影響棉花產(chǎn)量和品質(zhì)[1]，同時(shí)也嚴(yán)重制約中國(guó)棉花產(chǎn)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。研究棉花連作障礙的學(xué)者大多從連作對(duì)土壤酶[2-4]、土壤理化性質(zhì)[5]、土壤微生物數(shù)量[6]以及土壤微生物種群結(jié)構(gòu)多性樣和功能多樣性等多個(gè)角度分析連作對(duì)其的影響[7]，同時(shí)也有學(xué)者從添加鉀素和秸稈還田等角度研究了連作對(duì)棉花光合特性的影響[8]，但從生物炭技術(shù)角度研究不同連作年限棉花光合特性的文獻(xiàn)較少。

生物炭是通過(guò)農(nóng)、林、牧、漁等廢棄物高溫?zé)峤舛傻囊环N活性物質(zhì)，可有效減緩連作障礙并提高作物的光合能力[9]。生物炭施入土壤后將產(chǎn)生一系列的生物化學(xué)變化，生物炭處理后棉花植株的生理動(dòng)態(tài)變化規(guī)律對(duì)評(píng)價(jià)生物炭技術(shù)應(yīng)用于連作棉田的效果具有重要意義。為了深入揭示連作棉田添加生物炭后對(duì)光合特性的影響機(jī)制，本試驗(yàn)通過(guò)不同濃度生物炭處理不同連作年限棉田土壤，研究其對(duì)光合參數(shù)、葉綠素含量和產(chǎn)量的影響，旨在為制定科學(xué)合理的生物炭處理模式提供理論依據(jù)，也為深入研究棉花連作障礙提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年5月在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所進(jìn)行，品種選用C111雜交棉，采用盆栽試驗(yàn)，塑料盆上口直徑40 cm，底直徑20 cm，高27 cm。生物炭為玉米芯炭，由山東豐本生物科技股份有限公司提供，理化性質(zhì)見表1。試驗(yàn)所用土壤采自湖北省潛江市周磯鎮(zhèn)棉區(qū)，土壤類型為灰潮土，耕層質(zhì)地為砂壤土。4種連作年限分別為2年（北緯30°25′10″、東經(jīng)112°47′42″）、6年（北緯30°25′07″、東經(jīng)112°47′42″）、11年（北緯30°25′10″、東經(jīng)112°47′46″）和14年（北緯30°25′04″ 、東經(jīng)112°47′46″）。每種土壤設(shè)置C1 （0 t/hm2）、C2 （20 t/hm2）和C3（40 t/hm2）共3個(gè)生物炭濃度梯度，分別為干基重（w/w）的0%、1.538%、3.077%。2014年5月15日生物炭粉碎過(guò)80目篩后分別與4種連作年限土壤進(jìn)行充分混合。將生物炭和土壤混勻后裝入塑料盆，每盆裝入風(fēng)干土7.5 kg，栽入C111雜交棉，每盆1株，每個(gè)處理30盆。各處理按等量N、P、K施入，施肥量為8 g/盆，整個(gè)生育期不追肥，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列。

1.2 測(cè)定方法

在苗期（D1）、蕾期（D2）、花鈴期（D3）和吐絮期（D4）采用LI-6400型便攜式光合系統(tǒng)（LI-6400， LI-COR Inc.，Lincoln，NE，USA）進(jìn)行氣體交換參數(shù)測(cè)定。測(cè)定時(shí)選中部生長(zhǎng)勢(shì)一致的10個(gè)棉株，測(cè)定倒3位葉的凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和蒸騰速率（E），待數(shù)值穩(wěn)定后測(cè)定5個(gè)數(shù)據(jù)，取平均值。條件為：環(huán)境溫度28.9～30.3 ℃，光強(qiáng)1 000 μmol/（m2·s），大氣CO2濃度（Ca）為400 μmol/mol，相對(duì)濕度76%～80%。

花鈴期（D3）測(cè)定葉片凈光合速率的同時(shí)測(cè)定凈光合速率（Pn）-光合有效輻射（PAR）響應(yīng)曲線和凈光合速率（Pn）-胞間CO2濃度（Ci）響應(yīng)曲線。從0～1 800 μmol/mol分14個(gè)梯度進(jìn)行Pn-PAR 響應(yīng)曲線測(cè)定（與凈光合速率測(cè)定葉片相同，CO2濃度為400 μmol/mol），每一光強(qiáng)下適應(yīng)2 min后記錄數(shù)值，用直線回歸求得Pn-PAR響應(yīng)曲線的初始斜率dPn/dPAR，即為表觀量子效率（AQY）。從50～1 500 μmol/mol分12個(gè)濃度梯度進(jìn)行Pn-Ci 響應(yīng)曲線[與凈光合速率測(cè)定葉片相同，光強(qiáng)為1 200 μmol/（m2·s）]測(cè)定，用直線回歸求得Pn-Ci 響應(yīng)曲線的初始斜率dPn/dCi，即為羧化效率（CE），以Ci飽和時(shí)的Pn為RuBP最大再生速率（RuBPmax）；以沒(méi)有氣孔限制時(shí)的同化速率（即Ci為350 μmol/mol的Pn）代表光合能力（Pm）。

在測(cè)定光合速率的同時(shí)采用日本美能達(dá)有限公司生產(chǎn)的便攜式手持葉綠素儀SPAD-502測(cè)定棉株葉片葉綠素含量，選生長(zhǎng)勢(shì)一致的10個(gè)棉株，每片葉測(cè)定5個(gè)部位，避開葉脈，取平均值。吐絮期結(jié)束后，按單株摘取每個(gè)處理的子棉，完全曬干后，稱重計(jì)產(chǎn)，每個(gè)處理20次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；IBM SPSS Statistics 19統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析（One-Way ANOVA），LSD法進(jìn)行多重比較；采用Origin Pro 9.1軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)不同連作年限棉花葉片氣體交換參數(shù)的影響

由圖1A可知，添加生物炭處理提高了連作棉田棉花的凈光合速率（Pn），除連作6年D3期及連作14年的D1、D2、D3期棉花凈光合速率表現(xiàn)為C2>C3>C1外，不同連作年限及不同生育期棉花Pn均為C3>C2>C1，添加生物炭處理C2和C3的Pn顯著高于未添加生物炭處理C1（P<0.05），但C2和C3差異不顯著。不同連作年限間光合速率從大到小依次為連作2、6、11、14年，并且連作2、6、11年棉花Pn差異不顯著（P>0.05），但均顯著高于連作14年。不同生育期棉花Pn為D3>D2>D1>D4，D3顯著高于其他3個(gè)時(shí)期，同時(shí)D2也顯著高于D1和D4，但D1和D4差異不顯著。生物炭處理與不同連作年限Pn的交互效應(yīng)分析表明，蕾期、花鈴期和吐絮期兩者存在顯著性差異，說(shuō)明添加生物炭處理可有效提高連作棉田棉花蕾期和花鈴期Pn，促進(jìn)干物質(zhì)的快速積累。

由圖1B-圖1D所示，通過(guò)單因素多變量檢驗(yàn)分析，不同連作年限間氣孔導(dǎo)度（Gs）為C3>C2>C1，添加生物炭處理C2和C3顯著高于未添加生物炭處理C1，并且C3顯著高于C2；胞間二氧化碳濃度（Ci）也表現(xiàn)為C3>C2>C1，C3顯著高于C1和C2， C1與C2差異不顯著；蒸騰速率（E）則為C1>C3>C2，生物炭處理間差異不顯著。從各生育期來(lái)看，Gs為D3>D2>D4>D1，各生育時(shí)期間差異顯著，Ci為D3>D4>D1>D2，D3與D4顯著高于D1和D2，而D1與D2差異不顯著，E則表現(xiàn)為D4>D3>D1>D2，各時(shí)期差異顯著。從連作年限看，Gs為2、6年連作顯著高于14年連作；而Ci連作2年顯著高于連作11年，其他連作年限間差異不顯著；E為2年連作顯著低于其他連作年限，其他連作年限間差異不顯著。不同連作年限生物炭處理Ci與對(duì)照相比差異不顯著，說(shuō)明連作年限長(zhǎng)時(shí)光合速率下降的主要原因不是氣孔因素。

2.2 生物炭對(duì)不同連作年限棉花光合生理參數(shù)的影響

由表2可知，連作2、14年棉田棉花的光合能力（Pm）為C2>C3>C1，連作6、11年棉田棉花的光合能力為C3>C2>C1且連作6、11、14年C2和C3處理顯著高于C1，連作2年的各處理差異均達(dá)顯著水平；不同連作年限棉花羧化效率（CE）除連作6年外均表現(xiàn)為C3>C2>C1，連作14年各處理均達(dá)顯著水平，其他連作年限C3和C2處理顯著高于C1處理；添加生物炭對(duì)連作2、6年棉田棉花的表觀量子效率影響較小，但對(duì)連作11、14年棉田棉花的AQY有顯著的影響（P<0.05），表現(xiàn)為C3顯著高于對(duì)照C1；各連作年限不同生物炭處理，最大再生速率（RUBPmax）為C3>C2>C1，且連作2、6年處理間均達(dá)顯著水平，連作11、14年C3與C1之間差異顯著。

2.3 生物炭對(duì)不同連作年限棉花葉片葉綠素含量的影響

通過(guò)單變量多因素方差分析，除了連作11年的D1期和連作2年的D2期，不同連作年限各生育期棉花葉片葉綠素含量均為C3>C2>C1；綜合分析可知，不同生育期間葉綠素含量為D2>D1>D3>D4，且D1、D2和D3葉綠素含量顯著高于D4；不同連作年限間比較分析表明，葉綠素含量從大到小依次為連作2、11、6、14年，連作14年葉綠素含量顯著低于其他連作年限，說(shuō)明吐絮后葉綠素急劇降解，光合能力隨之下降（表3）。

2.4 生物炭對(duì)不同連作年限棉花產(chǎn)量的影響

主體間效應(yīng)檢驗(yàn)表明，不同連作年限間棉花產(chǎn)量從大到小依次為連作2、6、11、14年，不同連作年限間產(chǎn)量存在顯著差異；生物炭處理對(duì)棉花產(chǎn)量的影響為C3>C2>C1，不同連作處理間也達(dá)顯著水平。結(jié)果表明，不同連作年限和添加生物炭處理均對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生了較大影響，并且連作年限越長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)量的影響越大，生物炭在40 t/hm2（C3）用量時(shí)增產(chǎn)較為顯著（圖2）。

3 討論

光合作用是綠色植物獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量的主要源泉，是植物進(jìn)行旺盛生長(zhǎng)的不竭動(dòng)力。通過(guò)生物炭處理對(duì)不同連作年限棉田棉花葉片氣體交換參數(shù)和光合生理參數(shù)等影響的綜合研究，尋求緩解棉花連作障礙的有效途徑，對(duì)棉花生產(chǎn)具有很重要的意義。有研究表明，生物炭處理有效提高了玉米、甜瓜、煙草等作物的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度[10-12]，張偉明等[13]研究也發(fā)現(xiàn)不同秸稈炭處理能夠促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，提高水稻光合能力，增加水稻產(chǎn)量，這與本試驗(yàn)結(jié)果相同。本試驗(yàn)結(jié)果表明不同連作年限（2、6、11、14年）棉田添加生物炭處理（20、40 t/hm2），棉花的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（E）、棉花羧化效率（CE）、表觀量子效率（AQY）、最大再生速率（RUBPmax）等光合生理參數(shù)顯著高于未添加生物炭處理，這與宋久洋等[12]的添加生物炭對(duì)煙草生長(zhǎng)及光合特性的影響研究一致，但宋久洋等[12]的研究結(jié)果還表明添加生物炭處理后胞間二氧化碳濃度（Ci）低于對(duì)照，這與本研究結(jié)論不一致，可能是因?yàn)檠芯繉?duì)象（煙草和棉花）不同引起的，也可能是施肥處理方式不同造成的。宋久洋等[12]的研究是整個(gè)生育期施肥都同大田管理，而本研究只在移栽時(shí)施入肥料，而整個(gè)生育期不施肥來(lái)研究生物炭是否在中后期對(duì)棉花的光合特性有提升作用。

葉片凈光合速率提高的原因，除葉綠素含量增加，較高Ci為光合作用提供充足的原料外，生物炭處理能夠提升多年連作棉田棉花光合特性和產(chǎn)量的原因還可能是：①生物炭本身具有一定含量的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，在養(yǎng)分貧瘠及砂壤土上生物炭的養(yǎng)分補(bǔ)充效應(yīng)較顯著[14]；②生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，為土壤微生物創(chuàng)造了良好的棲息環(huán)境，同時(shí)對(duì)養(yǎng)分也具有較強(qiáng)的吸附和持留性能，能夠通過(guò)減少水溶性營(yíng)養(yǎng)離子的溶解遷移，使其在土壤中緩慢釋放，從而達(dá)到保肥保水的效果[15]；③生物炭吸附了部分酚酸類化感物質(zhì)，降低了其有害濃度，進(jìn)而提高了棉花的光合特性和產(chǎn)量[16]。

近年來(lái)，對(duì)于生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，一些學(xué)者做了相關(guān)研究。有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響與生物炭的種類有關(guān)；也有研究指出，在相同的環(huán)境條件下，同一種生物炭施用于不同作物對(duì)產(chǎn)量的影響不同[18，19]。還有一些研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)或產(chǎn)量的影響與土壤類型有關(guān)。唐光木等[20]對(duì)灰漠土的研究表明，作物產(chǎn)量隨生物炭用量的增加而增加，這與本研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明添加不同濃度生物炭處理均促進(jìn)產(chǎn)量增加，但高濃度生物炭處理（40 t/hm2）要高于低濃度生物炭處理（20 t/hm2）。張娜等[10]研究認(rèn)為低濃度生物炭有利于玉米產(chǎn)量提高，而高濃度生物炭則會(huì)引起玉米早衰，原因可能是使用的生物炭類型和研究對(duì)象不同，張娜等[10]使用小麥秸稈炭，選用禾本科的玉米為研究對(duì)象，本試驗(yàn)采用玉米芯炭，選用錦葵科的棉花為研究對(duì)象；也可能是因?yàn)橥寥蕾|(zhì)地的不同引起的差異，本研究所用的土壤為潛江的灰潮土，張娜等[10]試驗(yàn)選用的為楊凌的塿土。

生物炭對(duì)產(chǎn)量的影響不僅與生物炭用量有關(guān)，還與土壤質(zhì)地、生物炭類型、作物種類以及是否施肥等有關(guān)，這種復(fù)雜的交互作用會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果不盡相同。本試驗(yàn)只從生物炭對(duì)連作棉田棉花光合特性和產(chǎn)量的影響來(lái)論述生物炭緩解棉田連作障礙的機(jī)制，還應(yīng)該從土壤微生物和土壤酶等多個(gè)角度去更深入地分析原因。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓光明，詹先進(jìn)，藍(lán)家樣，等.棉花連作對(duì)土壤質(zhì)量的影響[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（24）：5962-5965.

[2] 張 偉，孫艷艷，李彥斌，等.活性炭處理對(duì)連作棉田土壤酶活性的影響[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，46（4）：789-792.

[3] 朱新萍，梁 智，王 麗，等.連作棉田土壤酶活性特征及其與土壤養(yǎng)分相關(guān)性研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32（4）：13-16.

[4] 劉 瑜，梁永超，褚貴新，等.長(zhǎng)期棉花連作對(duì)北疆棉區(qū)土壤生物活性與酶學(xué)性狀的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，19（7）：1586-1592.

[5] 劉建國(guó)，張 偉，李彥斌，等.新疆綠洲棉花長(zhǎng)期連作對(duì)土壤理化性狀與土壤酶活性的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，42（2）：725-733.

[6] 劉 軍，唐志敏，劉建國(guó)，等.長(zhǎng)期連作及秸稈還田對(duì)棉田土壤微生物量及種群結(jié)構(gòu)的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，21（8）：1418-1422.

[7] 顧美英，劉洪亮，李志強(qiáng)，等.新疆連作棉田施用生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分及微生物群落多樣性的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，47（20）：4128-4138.

[8] 唐志敏，劉 軍，劉建國(guó).秸稈還田對(duì)長(zhǎng)期連作棉花光合速率及葉綠素?zé)晒獾挠绊慬J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，

30（3）：302-307.

[9] 韓光明，藍(lán)家樣，陳溫福，等.生物炭及其對(duì)土壤環(huán)境的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（31）：10941-10943，10949.

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

[11] 張芙蓉，趙麗娜，張 瑞，等.生物炭對(duì)鹽漬化土壤改良及甜瓜生長(zhǎng)的影響[J].上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2015，31（1）：54-58.

[12] 宋久洋，劉 領(lǐng)，陳明燦，等.生物質(zhì)炭施用對(duì)烤煙生長(zhǎng)及光合特性的影響[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，35（4）：68-72.

[13] 張偉明，張慶忠，陳溫福.鎘污染土壤中施用秸稈炭對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響[J].北方水稻，2009（2）：4-7.

[14] YUAN J H，XU R K. The amelioration effects of low temperature biochar generated from nine crop residues on an acidic ultisol[J]. Soil Use and Management，2011，27（1）：110-115.

[15] XU G，WEI L L，SUN J N，et al. What is more important for enhancing nutrient bioavailability with biochar application into a sandy soil：Direct or indirect mechanism[J]. Ecological Engineering， 2013， 52（2）：119-124.

[16] WITTENMAYER L，SZABO K. The role of root exudates in specific apple （Malus×domestica Borkh.） replant disease （SARD）[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science， 2000，163（4）：399-404.

[17] LIU X Y，ZHANG A F，JI C Y，et al. Biochars effect on crop productivity and the dependence on experimental conditions—A meta-analysis of literature data[J]. Plant and Soil， 2013，373（1）：583-594.

[18] SOLAIMA Z M，MURPHY D V，ABBOTT L K，et al. Biochars influence seed germination and early growth of seedlings[J]. Plant and Soil，2012，353（1）：273-287.

[19] BARONTI S，ALBERTI G，GENESIO L，et al. Effects on soil fertility and on crops production[A].2nd International Biochar Conference-IBI September 8-10 Newcastle[C].Australian Journal of Soil Research， 2008.

[20] 唐光木，葛春輝，徐萬(wàn)里，等.施用生物黑炭對(duì)新疆灰漠土肥力與玉米生長(zhǎng)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（9）：1797-1802.