減磷加炭對(duì)北疆春小麥磷素利用及產(chǎn)量的影響

賀佳琪，楊衛(wèi)君，賈永紅，李永昊，邢東建，惠 超，高文翠

（1新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊830000；2新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院奇臺(tái)麥類試驗(yàn)站，新疆奇臺(tái)831800）

0 引言

磷是作物必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，施用磷肥是保證獲得作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的一項(xiàng)農(nóng)藝措施[1]。由于磷在土壤中易被固定，從而降低了被作物吸收利用的有效性，難以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。生物炭(Biochar)作為一種新型功能材料，因其具有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、多孔結(jié)構(gòu)、較大的比表面積以及良好的吸附性能，為較多領(lǐng)域內(nèi)的重大問(wèn)題提供了新的解決思路和途徑[2-3]。小麥作為新疆的主要糧食作物，消費(fèi)總量和人均消費(fèi)量都高于全國(guó)平均水平[4]，但新疆地區(qū)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整導(dǎo)致新疆小麥種植面積大幅減少[4]，同時(shí)新疆農(nóng)田土壤缺磷普遍存在，磷肥農(nóng)學(xué)利用率卻隨施磷量的增加而下降[5-6]。目前，有大量研究表明，施用生物炭可以提高磷的可利用性[7]，提高作物產(chǎn)量[8-11]，同時(shí)可以提高肥料利用效率[10,12]。本研究擬以北疆灌區(qū)春小麥為研究對(duì)象，通過(guò)大田試驗(yàn)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式。揭示磷素減施及生物炭添加后作物的響應(yīng)規(guī)律與磷肥的利用規(guī)律，闡明生物炭添加對(duì)灌溉農(nóng)田磷素利用的影響機(jī)制。為合理減磷加炭改善土壤肥力及提高磷肥利用率提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于新疆奇臺(tái)麥類作物試驗(yàn)站（東經(jīng)89°13′—91°22′，北緯42°25′—45°29′，海拔895 m）。奇臺(tái)縣屬中溫帶大陸性半荒漠干旱性氣候。年平均氣溫5.5℃。7月平均氣溫23.7℃，極端最高氣溫39℃，1月平均氣溫-18.9℃，極端最低氣溫-37.3℃。年平均相對(duì)濕度60%。無(wú)霜期年平均153天（從4月下旬到10月上旬）。年平均降水量269.4 mm。試驗(yàn)前0～20 cm土層基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中小麥品種為‘新春37’。試驗(yàn)所用生物炭購(gòu)于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 生物炭基本理化性質(zhì)

本試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，試驗(yàn)設(shè)12個(gè)處理（表3），每個(gè)處理重復(fù)3次。生物炭與磷肥（重過(guò)磷酸鈣）均作為底肥，播種前均勻施于土壤表面并翻至土壤耕層(20 cm)。種植密度為4.5×106株/hm2，將小麥等行距條播，行距0.2 m，小區(qū)面積為9 m2(3 m×3 m)。于2019年4月12日播種，8月1日收獲。本試驗(yàn)田間肥水管理措施均同一般高產(chǎn)田。

表3 試驗(yàn)施肥設(shè)計(jì)

1.3 樣品采集和分析

于春小麥灌漿期與成熟期取地上部分，將植株樣分成莖稈、葉片與籽粒，并于105℃條件下殺青30 min，然后80℃條件下烘干至恒重，以測(cè)定植株地上部各器官干物質(zhì)量與含磷量。小麥成熟期收獲記產(chǎn)，并選取具有代表性的小麥10株進(jìn)行考種，調(diào)查穗粒數(shù)、千粒重與有效穗數(shù)，并計(jì)算理論產(chǎn)量。

1.4 測(cè)定方法及相關(guān)參數(shù)計(jì)算

1.4.1 測(cè)定方法

植株含磷量采用H2O2-H2SO4消煮-鉬銻抗比色法[13]。

1.4.2 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

式中，y1-養(yǎng)分積累量；x1-干物質(zhì)總量；x2-植株養(yǎng)分含量。

式中，y2-灌漿期磷素轉(zhuǎn)移量；x3-灌漿期磷素積累量；x4-成熟期磷素積累量。

式中，y3-灌漿期磷素轉(zhuǎn)移效率。

式中，y4-磷素利用效率；x5-籽粒產(chǎn)量。

式中，y5-莖（葉）對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率；x6-灌漿期莖（葉）磷素轉(zhuǎn)移量；x7-成熟期籽粒磷素積累量。

式中，y6-磷肥農(nóng)學(xué)利用率；x8-施磷后作物產(chǎn)量；x9-未施磷作物產(chǎn)量；x10-磷肥投入量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 26.0和Excel 2007進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥模式對(duì)春小麥干物質(zhì)量的影響

不同施肥模式下的春小麥干物質(zhì)量較對(duì)照(P1B1)均有不同程度影響，且小麥干物質(zhì)量在植株內(nèi)分配比例均為穗＞莖＞葉（圖1）。單施磷肥時(shí)，小麥干物質(zhì)隨施磷量的增加呈增加趨勢(shì)，但與對(duì)照差異不顯著。磷肥配施高量生物炭時(shí)小麥干物質(zhì)量較對(duì)照也有所增加，且磷肥減量配施時(shí)可促進(jìn)穗部干物質(zhì)積累，處理間差異不顯著。磷肥配施低量生物炭時(shí)，與對(duì)照不施磷相比小麥植株干物質(zhì)量亦呈增加趨勢(shì)，磷肥減量配施時(shí)增幅更大，在磷肥減量15%配施低量生物炭時(shí)(P3B2)穗部干物質(zhì)積累顯著增加(P＜0.05)。

圖1 不同施肥模式下春小麥的干物質(zhì)量

2.2 不同施肥模式對(duì)春小麥含磷量及磷素積累的影響

不同施肥處理對(duì)小麥植株各部位含磷量影響顯著(P＜0.05)（圖2）。單施磷肥時(shí)，減量施磷(P4B1)可顯著促進(jìn)小麥穗部磷素含量升高(P＜0.05)。磷肥配施低量生物炭時(shí)，與對(duì)照相比，小麥各部位含磷量有不同程度波動(dòng)，其中磷肥減量30%(P4B2)時(shí)植株磷含量增加，但主要分配在葉部，磷肥減量15%(P3B2)時(shí)植株葉部磷含量降低，穗部磷含量升高。磷肥配施高量生物炭時(shí)，植株磷含量整體呈增加趨勢(shì)，當(dāng)磷肥減量15%(P3B3)時(shí)植株穗部及葉部磷素含量均顯著增加(P＜0.05)，而當(dāng)磷肥減量30%(P4B3)時(shí)，植株葉部磷含量顯著增加。

圖2 不同施肥模式下春小麥各部位含磷量

不同施肥處理對(duì)小麥植株磷素積累的影響顯著(P＜0.05)，其變化趨勢(shì)與小麥含磷量變化趨勢(shì)相似（圖3）。不同生物炭施量下，小麥植株磷素積累量均隨施磷量的增加呈先增后減的趨勢(shì)；且植株內(nèi)磷素積累分配比重與干物質(zhì)分配呈相同趨勢(shì)，為穗＞莖＞葉。磷肥配施低量生物炭時(shí)，莖部與穗部磷素積累隨施磷量的增加呈先降后增的趨勢(shì)，而葉部磷素積累量則隨施磷量的增加呈先增后降的趨勢(shì)。磷肥配施高量生物炭時(shí)，磷肥減量15%(P3B3)時(shí)植株穗部磷素積累量較對(duì)照增加14.78%。

圖3 不同施肥模式下春小麥各部位磷素積累

2.3 不同施肥模式對(duì)春小麥磷素利用的影響

不同施肥處理對(duì)小麥磷素轉(zhuǎn)移量、磷素轉(zhuǎn)移效率、對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率以及磷素利用效率均有顯著影響(P＜0.05)（表4）。不同施肥處理的莖部磷素轉(zhuǎn)移量較對(duì)照均有不同程度的增加，整體而言磷肥配施低量生物炭時(shí)增幅最高(P3B2＞P1B2＞P4B2＞P2B2＞P1B1)，單施磷肥時(shí)次之(P2B1＞P3B1＞P4B1＞P1B1)，磷肥配施高量生物炭時(shí)增幅最低(P4B3＞P1B3＞P3B3＞P2B3＞P1B1)，莖部磷素轉(zhuǎn)移效率及對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率也呈類似變化趨勢(shì)。相應(yīng)的，與對(duì)照相比，植株葉部磷素轉(zhuǎn)移量、磷素轉(zhuǎn)移效率及其對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率呈波動(dòng)性變化，但總趨勢(shì)仍表現(xiàn)為磷肥與生物炭配施對(duì)植株葉部磷素的影響大于單施磷肥時(shí)。就磷素利用效率而言，不同施肥處理下磷素利用效率變化有波動(dòng)。單施磷肥時(shí)，植株磷素利用率隨磷肥施用量的增加呈波動(dòng)性變化，其中磷肥減量30%(P4B1)顯著降低植株磷素利用率(P＜0.05)；磷肥配施高量生物炭時(shí)植株磷素利用率也隨磷肥配施量的增加呈波動(dòng)性變化，處理間差異不顯著；磷肥配施低量生物炭時(shí)，植株磷素利用率隨磷肥減施量呈增加趨勢(shì)(P1B2＞P2B2＞P4B2＞P3B2)。

表4 不同施肥模式下春小麥磷素利用效率

2.4 不同施肥模式對(duì)春小麥產(chǎn)量的影響

不同施肥模式均通過(guò)影響春小麥的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)與千粒重來(lái)改變產(chǎn)量（表5）。從產(chǎn)量構(gòu)成因子看，不同施肥處理下小麥有效穗數(shù)呈增加趨勢(shì)，其中磷肥配施低量生物炭時(shí)平均增幅最大；小麥千粒重隨不同施肥處理變化趨勢(shì)與有效穗數(shù)相似，即與對(duì)照相比，不同施肥處理下小麥千粒重不同程度增加，整體而言，磷肥配施低量生物炭時(shí)小麥千粒重增幅最大，且在磷肥減量時(shí)(P3B2、P4B2)增幅顯著高于對(duì)照處理(P＜0.05)，磷肥配施高量生物炭及單施磷肥時(shí)次之；相反的，不同施肥處理下小麥穗粒數(shù)則呈現(xiàn)不同程度降低，但處理間差異不顯著。根據(jù)不同施肥處理下小麥的產(chǎn)量構(gòu)成因素計(jì)算春小麥理論產(chǎn)量得出，與對(duì)照相比，不同施肥處理均可促進(jìn)小麥增產(chǎn)，其中磷肥減量15%配施低量生物炭(P3B2)時(shí)小麥產(chǎn)量增幅最高，該處理小麥理論產(chǎn)量8792.36 kg/hm2，與對(duì)照相比產(chǎn)量增加14.77%，在此處理下春小麥磷肥農(nóng)學(xué)利用效率也達(dá)到11.44，綜合效果較好。

表5 不同施肥模式對(duì)春小麥產(chǎn)量的影響

3 討論

3.1 不同施肥模式對(duì)春小麥干物質(zhì)及磷素積累的影響

合理施肥對(duì)磷素在作物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移有促進(jìn)作用[14-15]。作物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段磷素在莖、葉中積累；籽粒形成后，莖葉中磷素則向籽粒中轉(zhuǎn)移，且籽粒中80%的磷素均來(lái)自作物營(yíng)養(yǎng)器官的轉(zhuǎn)運(yùn)[16]。本研究結(jié)果顯示，常規(guī)施磷配施生物炭時(shí)會(huì)抑制磷素由營(yíng)養(yǎng)器官向生殖器官的轉(zhuǎn)移；減量施磷配施生物炭時(shí)可以增加營(yíng)養(yǎng)器官磷素向籽粒的轉(zhuǎn)移量與轉(zhuǎn)移效率，并且有效提高了營(yíng)養(yǎng)器官對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率，這與前人[17-18]研究相似。營(yíng)養(yǎng)器官磷素轉(zhuǎn)移量的增加是作物體內(nèi)磷素代謝旺盛的表現(xiàn)[17,19-20]，常規(guī)施磷配施高量生物炭對(duì)作物磷素利用率有抑制作用，而減量施磷肥時(shí)施加生物炭可以使磷素利用效率提高，這與朱浩宇等[21]，李杰等[22]研究結(jié)果一致。對(duì)本研究結(jié)果中磷素積累量、干物質(zhì)、含磷量、磷素轉(zhuǎn)移量、磷素轉(zhuǎn)移效率、對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率和磷素利用率進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果也表明磷素積累量與干物質(zhì)、含磷量呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，磷素轉(zhuǎn)移量、磷素轉(zhuǎn)移效率和對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率均與干物質(zhì)量和穗部磷素積累量呈極顯著負(fù)相關(guān)，而磷素利用率與干物質(zhì)量和穗部磷素積累量呈極顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明施肥較多時(shí)土壤中固持的磷素增多，被作物吸收的磷素較少，從而導(dǎo)致磷素在作物體內(nèi)積累量減少，灌漿期作物體內(nèi)磷素向成熟期的轉(zhuǎn)移量和轉(zhuǎn)移效率也降低，但配施生物炭可以促進(jìn)作物體內(nèi)磷素代謝循環(huán)，從而提高莖、葉對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率與磷素利用效率[17,19-20]。而研究證明[23]，籽粒中含磷量的增加有助于提高籽粒品質(zhì)。

3.2 不同施肥模式對(duì)春小麥產(chǎn)量的影響

施用磷肥是保證獲得作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的一項(xiàng)農(nóng)藝措施[12,24]，過(guò)量施磷或施磷不足均會(huì)降低磷肥利用效率，影響作物體內(nèi)磷素轉(zhuǎn)移，造成減產(chǎn)[25]，而生物炭作為肥料的載體，可以延緩肥料在土壤中的養(yǎng)分釋放，降低養(yǎng)分損失，同時(shí)提高磷肥利用效率[26]。勾芒芒等[2]試驗(yàn)證明，隨著施炭量的增加番茄產(chǎn)量增幅出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在相同施炭量下不同施肥處理間差異不顯著。因此，可考慮在減少化肥施用量的同時(shí)達(dá)到增產(chǎn)目的。趙易藝等[12]試驗(yàn)也證明，生物炭與化肥配施時(shí)白菜產(chǎn)量顯著高于單施化肥與不施肥處理。紀(jì)君[27]試驗(yàn)證明，單施生物炭與生物炭配施化肥減量的處理均可顯著提高油菜和水稻的株高，且顯著提高油菜千粒重與產(chǎn)量，但施加生物炭對(duì)水稻沒(méi)有顯著增產(chǎn)效果，這可能是由于生物炭添加可以增加土壤中速效磷含量，而油菜對(duì)磷素反應(yīng)敏感，故油菜產(chǎn)量增加。在本實(shí)驗(yàn)中磷肥減量15%配施低量生物炭時(shí)作物產(chǎn)量最高，該處理增產(chǎn)原因可能是因?yàn)槭┘由锾亢髸?huì)加速作物體內(nèi)養(yǎng)分代謝與轉(zhuǎn)移，同時(shí)促進(jìn)作物成穗率，提高作物產(chǎn)量，說(shuō)明生物炭可以改善作物的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量[28]。

3.3 不同施肥模式對(duì)磷肥農(nóng)學(xué)利用效率的影響

肥料農(nóng)學(xué)利用率是表示養(yǎng)分利用率的常用指標(biāo)，通過(guò)產(chǎn)量與施肥量的關(guān)系來(lái)描述作物對(duì)肥料的利用率[29]。研究表明，磷肥農(nóng)學(xué)利用效率隨著磷肥施用量呈波動(dòng)性變化[30]，而磷肥配施生物炭可以提高肥料農(nóng)學(xué)利用效率[25]，且作物產(chǎn)量與肥料農(nóng)學(xué)利用率顯著相關(guān)[21]。本研究結(jié)果顯示，在磷肥配施低量生物炭時(shí)，麥田磷肥農(nóng)學(xué)利用率高且小麥產(chǎn)量增幅大，綜合作物增產(chǎn)效果與磷肥利用效率來(lái)看，磷肥減量15%配施低量生物炭時(shí)增產(chǎn)效果和提高農(nóng)學(xué)利用率的協(xié)同作用最好。這可能是因?yàn)槭┘由锾靠梢源龠M(jìn)干物質(zhì)與磷素在穗部積累，從而提高產(chǎn)量，故在磷肥減量條件下配施生物炭可以有效促進(jìn)作物對(duì)磷肥的利用，達(dá)到減磷增效的作用。

4 結(jié)論

在本試驗(yàn)條件下，單施磷肥時(shí)小麥干物質(zhì)量較對(duì)照無(wú)顯著差異；磷肥配施低量生物炭時(shí)，小麥干物質(zhì)量與對(duì)照相比均有增加，磷肥減量時(shí)增幅較大；磷肥配施高量生物炭時(shí)小麥干物質(zhì)量較對(duì)照也有所增加，且在磷肥減量時(shí)可促進(jìn)籽粒干物質(zhì)積累。各施肥處理下小麥產(chǎn)量較對(duì)照均有增加。不施生物炭與施加低量生物炭時(shí)磷肥農(nóng)學(xué)利用效率在磷肥減量處理下大于常規(guī)施磷肥處理，磷肥減量45%配施高量生炭處理下磷肥農(nóng)學(xué)利用效率最高。綜合得出，減量施磷配施低量生物炭（施磷 102 kg/hm2，生物炭 22.5 t/hm2）(P3B2)時(shí)麥田磷肥農(nóng)學(xué)利用率高且小麥產(chǎn)量增幅大，在此條件下春小麥理論產(chǎn)量達(dá)8792.36 kg/hm2，其農(nóng)學(xué)利用效率也達(dá)到11.44，綜合效果較好。