生物炭對豫西旱作玉米花后穗位葉光合生理特性及產(chǎn)量的影響

王艷芳，李乾云，悅飛雪，喬鑫鑫，焦念元，尹 飛，付國占，劉 領

(河南科技大學 農(nóng)學院，河南 洛陽 471023)

玉米是我國主要的農(nóng)作物，開花后是玉米產(chǎn)量形成的關鍵時期[1]。玉米產(chǎn)量的形成主要來自開花后的光合物質(zhì)積累，玉米穗位葉的光合能力在很大程度上影響產(chǎn)量形成，葉片的光合特性與衰老生理指標可以反映玉米光合能力大小。因此，生長后期葉片較高的生理活性是保證玉米高產(chǎn)的關鍵。學者們通過多種措施來改善玉米功能葉的光合特性，延緩功能葉的衰老,提高產(chǎn)量。郭書亞等[2]研究表明，秸稈覆蓋和深松措施可以延緩豫南地區(qū)夏玉米花后穗位葉衰老，提高玉米產(chǎn)量。李廣浩等[3]研究表明，控釋尿素水氮耦合可以有效提高夏玉米花后穗位葉凈光合速率，保證籽粒對營養(yǎng)物質(zhì)的需求，提高夏玉米產(chǎn)量。邵國慶等[4]指出，包膜控釋尿素與灌溉可提高玉米花后穗位葉活性氧清除酶活性，降低丙二醛積累量，延緩葉片衰老，提高凈光合速率和產(chǎn)量。王萌等[5]研究表明，適宜的種植密度和空間布局能保證夏玉米鄭單958穗位葉的凈光合作用及其相關指標維持在較高水平。段宏凱等[6]發(fā)現(xiàn)，秸稈還田和減追25%氮肥可以在保證玉米穗位葉凈光合速率、葉綠素含量以及葉面積不降低的前提下減少氮肥投入，且能夠改善穗位葉光合特性。豫西(河南省西部)地區(qū)是旱作農(nóng)業(yè)的典型區(qū)域，玉米是該地區(qū)主要農(nóng)作物之一。但由于水分脅迫和土壤養(yǎng)分不足嚴重影響該地區(qū)玉米生產(chǎn)，特別是在玉米開花后、籽粒形成時期，往往由于干旱脅迫和肥力缺少影響植物的根系功能，進而引起葉片早衰，影響植物的光合作用和抗氧化酶活性，導致產(chǎn)量下降。因此，改善旱作玉米生育后期土壤水肥狀況和根系功能對提高功能葉光合性能及籽粒產(chǎn)量至關重要。

生物炭是由農(nóng)作物秸稈、薪柴、雜草、糞便等生物質(zhì)在缺氧或低氧條件下通過高溫裂解產(chǎn)生的富含碳素的固體產(chǎn)物[7]。生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用具有重要生態(tài)功能，包括增強土壤碳匯、改善土壤結構、促進養(yǎng)分利用及降低環(huán)境污染等[8-10]。近年來，一些研究報道了生物炭在玉米農(nóng)田中的應用效應。張娜等[11]研究表明，施用生物炭有利于夏玉米的干物質(zhì)積累，以及后期葉片光合性能的維持和籽粒產(chǎn)量的提高。孟繁昊等[12]研究認為，施用生物炭能夠顯著降低玉米農(nóng)田土壤容重，增加土壤孔隙度，生物炭配施氮肥可顯著提高春玉米產(chǎn)量。劉國玲等[13]研究表明，正常施肥配施生物炭處理鄭單958玉米的光合特性改善，衰老延緩，籽粒產(chǎn)量提高。闞正榮等[14]研究表明，施用生物炭可以減少夏玉米耗水量，提高水分利用效率，低量生物炭可以改善夏玉米的光合性能，提高籽粒產(chǎn)量，而施用中高量生物炭會降低光合性能。由于不同學者試驗的土壤類型、土壤肥力、生物炭材質(zhì)、施用量及研究方法等存在差異，目前關于生物炭對玉米光合性能、衰老及產(chǎn)量影響的研究結論并不一致，而且對于旱作條件下生物炭對玉米花后穗位葉的光合和衰老性能研究較少。為此，本研究以豫西地區(qū)旱作玉米為對象，探討施入生物炭對旱作玉米花后穗位葉光合特性、衰老及產(chǎn)量的影響，并分析它們之間的相關性，以期為旱作農(nóng)田合理施用生物炭來延緩功能葉的衰老和提高產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在河南省洛陽市河南科技大學實驗農(nóng)場(34°41′ N，112°27′ E)進行。該地區(qū)年均氣溫13.7 ℃，年均無霜期216 d，年降水量600～800 mm，土壤類型為褐土，土壤基本理化性質(zhì)為：pH值7.4，有機質(zhì)1.51 g/kg，總氮1.0 g/kg，堿解氮78.6 mg/kg，有效磷9.2 mg/kg，速效鉀116.5 mg/kg，黏粒、粉粒、砂粒占比分別為20.34%，30.87%和48.79%。

1.2 試驗材料

供試玉米品種為鄭單958，由河南金博士種業(yè)股份有限公司提供。生物炭為河南商丘三利新能源有限公司提供的小麥秸稈生物炭，生物炭熱裂解炭化溫度350～450 ℃，pH值10.4，比表面積8.92 m2/g，有機碳含量522.3 g/kg，全氮含量5.9 g/kg，全磷含量0.89 g/kg，全鉀含量23.2 g/kg。

1.3 試驗設計

生物炭用量共設3個處理，分別為不施用生物炭(C0)、施用生物炭20 t/hm2(C20)和施用生物炭40 t/hm2(C40)；每處理重復3次，共9個小區(qū)。小區(qū)面積32 m2(4 m×8 m)。2018年6月3日種植玉米，行距為60 cm，株距為25 cm，種植密度為67 000 株/hm2。施氮量225 kg/hm2，以含氮量46%的尿素為氮源，分2次施用，其中基肥占60%，大喇叭口期追肥占40%；施磷肥80 kg/hm2，鉀肥100 kg/hm2，分別以含P2O512%過磷酸鈣和含K2O 45%硫酸鉀作為肥源。生物炭及基施氮肥、磷肥和鉀肥均在播前撒于地表后用微耕機翻耕與10 cm左右土層混合均勻，追施氮肥用點種器施入。9月25日試驗結束，試驗期間采用雨養(yǎng)方式，不進行灌溉，定期除草。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 花后穗位葉葉綠素含量 于玉米花后(7月29日)0，15，30和45 d，選取受光方向一致的穗位葉的中部，采用SPAD-502 Plus葉綠素儀(日本Konica Minolta公司)測定穗位葉葉綠素含量，以SPAD值表示，重復3次。

1.4.2 花后穗位葉光合指標 于玉米花后(7月29日)0，15，30和45 d，在晴天上午09：00-10：30選取受光方向一致的穗位葉，采用Li-6400便攜式光合儀(美國Li-COR公司)測定葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)。測定時選擇Li-6400-02B紅藍光光源葉室，溫度為25 ℃，使用開放式氣路，空氣相對濕度為50%～70%，設定有效光合輻射為800 μmol/(m2·s)，CO2濃度為400 μmol/mol。

1.4.3 花后穗位葉丙二醛含量和抗氧化酶活性 于玉米花后0，15，30和45 d，取測完光合指標的穗位葉放于自封袋且置于冰盒中帶回實驗室，用于測定丙二醛(MDA)含量及超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)的活性。MDA含量參照Guo等[15]的方法測定，SOD活性采用氮藍四唑(nitro blue tetraolium,NBT)光化還原法[16]測定，POD活性采用愈創(chuàng)木酚法[17]測定，CAT活性采用紫外吸收法[18]測定。

1.4.4 玉米產(chǎn)量 成熟期(9月25日)每個小區(qū)取2 m雙行玉米果穗，風干后進行室內(nèi)考種，調(diào)查穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒數(shù)、禿尖長、百粒質(zhì)量和產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Office Excel 2007對試驗數(shù)據(jù)進行整理，用SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進行分析，利用單因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD法比較不同處理間的差異顯著性(P<0.05)，采用Pearson相關分析對生物炭施用量與光合指標、MDA含量、抗氧化酶活性、產(chǎn)量之間的相關性和顯著性進行分析，差異極顯著為P<0.01，差異顯著為P<0.05。用Origin 10.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭對旱作玉米花后穗位葉葉綠素含量的影響

葉綠素是葉片光合過程中參與光能吸收和轉化的重要物質(zhì)，其含量反映了葉片的衰老程度。由圖1可知，隨著花后時間的延長，玉米穗位葉葉綠素含量整體呈降低趨勢。與不施用生物炭(C0)相比，在花后不同時期，施用高水平生物炭均可顯著提高玉米花后穗位葉葉綠素含量(P<0.05)；施用中水平生物炭后，除了花后45 d顯著提高穗位葉葉綠素含量外(P<0.05)，其他時期均不顯著(P>0.05)。在花后0，15，30和45 d，與C0處理相比，C20處理穗位葉葉綠素含量分別提高了2.15%，3.40%，4.71%和7.70%，C40處理穗位葉葉綠素含量分別提高了5.09%，6.37%，12.19%和14.54%。以上結果表明，施用生物炭可提高玉米花后穗位葉葉綠素含量，且施用高水平生物炭效果最好。

圖柱上標不同小寫字母表示同時間不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同Different lowercase letters mean significant difference among different treatments at same time at 0.05 level.The same below圖1 生物炭對旱作玉米花后穗位葉葉綠素相對含量(SPAD)的影響Fig.1 Effects of biochar on era leaf SPAD value of rainfed maize after anthesis

2.2 生物炭對旱作玉米花后穗位葉光合特性的影響

由圖2可知，隨著花后時間延長，玉米穗位葉凈光合速率(Pn)呈下降趨勢。與C0相比，C20處理沒有顯著提高花后0和15 d玉米穗位葉凈光合速率(P>0.05)；但顯著提高了花后30和45 d玉米穗位葉凈光合速率(P<0.05)，分別提高了25.13%和33.33%。與C0相比，C40處理均顯著提高了玉米花后不同時期穗位葉凈光合速率(P<0.05)，花后0，15，30和45 d，分別提高了13.79%，22.73%，50.02%和58.33%。

由圖2還可知，隨著花后時間延長，玉米穗位葉蒸騰速率(Tr)和氣孔導度(Gs)均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。與C0相比，C20處理沒有顯著提高花后45 d玉米穗位葉蒸騰速率和氣孔導度(P<0.05)，但顯著提高了花后0，15和30 d玉米穗位葉的蒸騰速率和氣孔導度(P<0.05)，蒸騰速率分別提高12.14%，8.47%和13.18%，氣孔導度分別提高10.93%,36.23%和24.32%。與C0相比，C40處理均顯著提高了玉米花后不同時期的蒸騰速率和氣孔導度(P<0.05)，花后0，15，30和45 d，蒸騰速率分別升高了21.62%，16.01%，42.91%和43.13%，氣孔導度分別提高了22.38%，50.37%，43.97%和37.12%。

圖2 生物炭對旱作玉米花后穗位葉光合特性的影響Fig.2 Effects of biochar on era leaf photosynthetic characteristic of rainfed maize after anthesis

由圖2可以看出，隨著花后時間延長，玉米穗位葉胞間CO2濃度(Ci)呈現(xiàn)降低趨勢。與C0相比，C20和C40處理均未顯著降低花后45 d玉米穗位葉胞間CO2濃度(P>0.05)，但均顯著降低了玉米花后0，15和30 d穗位葉胞間CO2濃度(P<0.05)?；ê?，15和30 d， C20處理胞間CO2濃度較C0處理分別降低了9.31%，6.63%和6.47%，C40處理胞間CO2濃度較C0處理分別降低了12.15%，11.43%和11.72%。

2.3 生物炭對旱作玉米花后穗位葉MDA含量和抗氧化酶活性的影響

由圖3可知，隨著花后時間延長，玉米穗位葉MDA含量呈逐漸增加的趨勢，施用生物炭并不能改變MDA含量上升的總趨勢。與C0相比，花后15，30和45 d，C20和C40處理玉米花后穗位葉MDA含量均顯著降低(P<0.05)，且C40處理MDA含量均低于C20處理，表現(xiàn)為C40

由圖3可見，隨著花后時間延長，玉米穗位葉SOD活性呈下降趨勢。與C0相比，C20處理未顯著提高花后0，15和30 d玉米穗位葉SOD活性(P>0.05)，但顯著提高了花后45 d玉米穗位葉SOD活性(P<0.05)，提高了17.86%。與C0相比，C40處理均顯著提高了玉米花后不同時期穗位葉SOD活性，花后0，15，30和45 d分別提高了9.31%，14.12%，14.61%和33.12%。

由圖3還可見，隨著花后時間延長，玉米穗位葉POD活性呈先升高后降低趨勢?；ê?5 d各處理POD活性均最高。與C0相比，C20處理未顯著提高花后0和15 d玉米穗位葉POD活性(P>0.05)；但顯著提高了花后30和45 d玉米穗位葉POD活性(P<0.05)，分別提高了40.70%和62.34%。與C0相比，C40處理均顯著提高玉米花后不同時期穗位葉POD活性(P<0.05)，花后0，15，30和45 d分別提高了21.52%，22.32%，58.89%和97.66%。

由圖3還可以看出，隨著花后時間延長，玉米穗位葉CAT活性呈下降趨勢。與C0相比，C20處理顯著提高了花后15，30和45 d玉米穗位葉CAT活性(P<0.05)，分別提高了8.50%，19.58%和32.99%。與C0相比，C40處理均顯著提高了玉米花后不同時期穗位葉CAT活性(P<0.05)，花后0，15，30和45 d分別提高了22.20%，30.53%，36.18%和64.67%。

圖3 生物炭對旱作玉米花后穗位葉MDA含量和抗氧化酶活性的影響Fig.3 Effects of biochar on era leaf MDA content and antioxidant enzyme activity of rainfed maize after anthesis

2.4 生物炭對旱作玉米產(chǎn)量及其構成要素的影響

由表1可知，與C0相比，施用生物炭后可以顯著提高玉米穗長(P<0.05)，C20和C40處理玉米穗長提高4.51%和5.62%；穗粗和穗行數(shù)有增加趨勢，但均未達到顯著水平(P>0.05)；行粒數(shù)、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量和產(chǎn)量均顯著增加(P<0.05)，禿尖長顯著縮短(P<0.05)，且施用生物炭的C20和C40處理間差異均不顯著。

表1 生物炭對旱作玉米產(chǎn)量及其構成要素的影響Table 1 Effects of biochar on rainfed maize yield and its components

2.5 生物炭施用量與旱作玉米各指標的相關性

由表2可知，玉米穗位葉SPAD值、凈光合速率(Pn)與生物炭施用量呈極顯著正相關(P<0.01)；蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)與生物炭施用量呈顯著正相關(P<0.05)；胞間CO2濃度(Ci)與生物炭施用量呈極顯著負相關(P<0.01)。玉米穗位葉CAT活性與生物炭施用量呈極顯著正相關(P<0.01)；POD活性、產(chǎn)量與生物炭施用量呈顯著正相關(P<0.05)；MDA含量與生物炭施用量呈顯著負相關(P<0.05)。

表2 生物炭施用量與旱作玉米各指標的相關關系Table 2 Pearson correlation coefficients between biochar application rate and indexes of rainfed maize

3 討 論

近年來，關于生物炭對作物產(chǎn)量影響的研究較多，且因所采用的生物炭材質(zhì)、施炭量、土壤類型及環(huán)境條件不同存在一定差異，但總體上以正向效應居多。董成等[19]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭主要通過增加土壤耕層無機氮儲量和土壤水分含量提高夏玉米產(chǎn)量。李傳哲等[20]研究表明，生物炭配施氮肥能夠改善土壤微生態(tài)環(huán)境，提高土壤肥力，增加冬小麥作物產(chǎn)量。Zhang等[21]對河南省中部黃淮海平原黃潮土施加不同量的生物炭發(fā)現(xiàn)，施加生物炭能夠降低土壤體積質(zhì)量，提高土壤氮含量和玉米產(chǎn)量，且以20 t/hm2生物炭施用量增產(chǎn)效果最顯著。蔣健等[22]向棕壤土中施入不同量玉米秸稈生物炭發(fā)現(xiàn)，在玉米生育后期生物炭能在一定程度上延緩根系衰老，增加總根長、根體積和根干質(zhì)量，提高根系活力和玉米籽粒產(chǎn)量，且施用生物炭5 000 kg/hm2效果優(yōu)于2 500 kg/hm2處理。本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可顯著提高豫西褐土旱作玉米籽粒產(chǎn)量，且以40 t/hm2生物炭施用量增產(chǎn)效果最佳，但40與20 t/hm2生物炭處理間差異不顯著。這主要是由于生物炭提高了花后穗位葉的葉綠素含量，改善了花后穗位葉的光合性能，延緩了穗位葉的衰老。

光合作用是植物生長發(fā)育的基礎，也是植物合成有機物質(zhì)和獲得能量的根本來源[23]。劉慧敏等[24]研究表明，施用不同劑量的生物炭均顯著改善了谷子幼苗除胞間CO2濃度外的其他光合參數(shù)指標。闞正榮等[25]研究認為，施用生物炭可以減弱冬小麥開花期和灌漿期的光合“午休”現(xiàn)象，增強光合性能和潛力，提高籽粒產(chǎn)量。李繼偉等[26]研究表明，施用生物炭能提高鎘脅迫下玉米的光合色素含量，改善光合性能。本研究結果表明，施用生物炭可以提高旱作玉米花后穗位葉葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度，降低旱作玉米花后穗位葉胞間CO2濃度，且高水平生物炭施用效果優(yōu)于中水平生物炭。相關分析表明，生物炭施用量與SPAD值、凈光合速率呈極顯著正相關。而闞正榮等[14]研究表明，施用中高量生物炭顯著降低了玉米主要生育期的SPAD值、凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率以及花后干物質(zhì)積累，還降低了籽粒產(chǎn)量；而低用量生物炭提高了玉米主要生育期的光合性能和籽粒產(chǎn)量，與本研究結果不一致。這可能是因為，一方面土壤類型不同會導致生物炭對玉米光合性能的影響存在差異；另一方面，土壤肥力狀況也影響生物炭的效應，有研究認為生物炭施用于貧瘠土壤效果較好，而對肥沃土壤的效應較小[27]。闞正榮等[14]研究中3年連續(xù)施用生物炭并將小麥秸稈還田，因此土壤肥力較高，施用高量生物炭可能通過生物炭的固持和吸附作用導致土壤有效氮降低，限制植物氮素吸收，從而對植物光合性能和生長產(chǎn)生抑制作用。

植物處于逆境或衰老條件下時，體內(nèi)會積累大量活性氧，引起膜脂過氧化而使植物細胞受到損傷。MDA作為細胞膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，常被用于評價細胞膜損傷程度和植物抗逆性的強弱[28-29]。在逆境條件下，植物也會采取一些應對反應來減少活性氧對自身的傷害，其中起主要作用的是活性氧清除酶系統(tǒng)。SOD、POD和CAT是植物體內(nèi)活性氧清除酶系統(tǒng)中最主要的抗氧化酶，它們能有效清除活性氧，抑制膜脂過氧化作用，延緩植物衰老[30]。本研究結果表明，隨著玉米花后時間的延長，穗位葉MDA含量顯著增加，SOD和CAT活性呈降低趨勢，POD活性呈先升高后降低趨勢，說明隨著玉米生育期的推進，盡管可以通過自身調(diào)節(jié)來延緩衰老，但依舊無法清除體內(nèi)過量的活性氧，改變不了衰老的進程。良好的環(huán)境條件和耕作栽培技術可以使植物體內(nèi)維持較高的活性氧清除酶活性，延緩衰老[2]。本研究結果表明，施用生物炭后，花后不同時間穗位葉MDA含量均降低，SOD、POD和CAT活性均增大，說明生物炭能提高玉米穗位葉抗氧化酶活性，減輕膜脂過氧化程度，延緩衰老進程。這與李繼偉等[26]和趙鐵民等[31]對逆境脅迫下生物炭對玉米抗氧化系統(tǒng)的研究結果相一致，施用生物炭可以提高逆境脅迫下玉米葉片的抗氧化酶活性，緩解脅迫造成的傷害，改善玉米的生理性狀。

生物炭提高旱作玉米花后穗位葉光合能力和抗氧化酶活性主要是因為：(1)生物炭可以改善土壤理化性狀，生物炭的多孔結構和大的比表面積可以降低土壤體積質(zhì)量、增加土壤孔隙度和持水保肥能力[32-33]。(2)生物炭本身碳含量較高，在土壤中加入生物炭可以提高土壤有機碳含量，生物炭還可以增加土壤有效磷含量，降低氮素損失和提高氮素的利用率，減少土壤養(yǎng)分淋失[33]。(3)根系作為和生物炭顆粒直接接觸的部位，對植物的生長有至關重要的影響，添加生物炭可在一定程度上使根系形態(tài)特征得到優(yōu)化、根系生理功能增強，促進肥水吸收，增強光合能力，延緩衰老[34]。(4)生物炭的多孔結構為微生物提供了良好的棲息微環(huán)境[35-36]，生物炭含碳量豐富，可為微生物的生長提供碳源[37]，特定微生物可以促進植物根系吸收土壤中水分和養(yǎng)分[38]，強化葉片的光合能力，延緩衰老，促進植物生長。(5)生物炭對肥料具有緩釋作用，可以滿足玉米生育后期的養(yǎng)分需求，增強光合能力，延緩穗位葉衰老，有利于干物質(zhì)的積累[39]。綜上所述，施加生物炭可通過多個途徑延緩旱作玉米穗位葉衰老，提高產(chǎn)量。但也有研究表明，生物炭對貧瘠的土壤上作物增產(chǎn)效果明顯，而對肥沃土壤上的作物無顯著增產(chǎn)效果[40]，過量施用生物炭反而會抑制作物的生長發(fā)育，出現(xiàn)減產(chǎn)現(xiàn)象[39]。本研究試驗地在豫西旱作土壤較貧瘠，土壤質(zhì)量較差，所以施用量高的生物炭對玉米產(chǎn)量提高的影響顯著。但是生物炭對玉米增產(chǎn)更深層次的作用機制及適宜用量需進一步研究。