炭基肥對貴州黃壤鮮食玉米光合特性、干物質(zhì)積累及產(chǎn)量形成的影響

謝婷婷，趙 歡，肖厚軍，陳云梅，胡 崗，秦 松

（1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550006；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，土壤肥料研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，貴州 貴陽 550006）

肥料是作物的“糧食”，是作物生長所需養(yǎng)分的重要來源，對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)有著重要影響[1-2]，根據(jù)FAO最新資料顯示，我國化肥消耗占世界的62.3%，然而谷物總產(chǎn)量只占世界的20.8%，大量施用化肥會(huì)引起土壤酸化、板結(jié)以及環(huán)境面源污染等問題[3]。炭基肥是一種新型肥料，不僅為農(nóng)林廢棄物再利用提供新途徑，而且能夠降低化肥的施用量，提高化肥利用率，減輕因肥料過量施用帶來的土壤環(huán)境污染[4]。玉米（Zea mays）是我國三大糧食作物之一，具有光合生產(chǎn)效率高和產(chǎn)量潛力大的特點(diǎn)[5]，光合作用是作物產(chǎn)量形成的生理基礎(chǔ)，光合特性是影響產(chǎn)量的重要因素之一，作物通過光合作用形成的有機(jī)物占植株總干質(zhì)量的95%，這表明提高作物產(chǎn)量需要依賴于光合產(chǎn)物的更多積累，以此形成更高的生物量，而光合作用的主要器官是葉片[6-9]，研究表明，施肥有利于提高玉米葉片的葉綠素SPAD值和光合特性，進(jìn)而達(dá)到提高產(chǎn)量的目的[10-12]。劉劍釗等[13]研究結(jié)果表明，玉米產(chǎn)量與凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率呈正相關(guān)關(guān)系，說明光合特性的提高有利于提高玉米產(chǎn)量。蘇蘭茜等[14]研究表明，適量施用有機(jī)肥可以提高玉米葉片的光合特性，對提高玉米光合作用起到促進(jìn)作用。黃智鴻等[9]在對夏玉米的研究中指出，籽粒產(chǎn)量大部分取決于玉米生育后期的光合能力。前人關(guān)于施肥對玉米光合特性的研究多集中于有機(jī)肥、普通復(fù)合肥或施氮水平等對玉米光合特性的影響[12，14-15]，對炭基肥在玉米光合特性方面的研究卻鮮見報(bào)道，為此，本文針對貴州黃壤區(qū)鮮食玉米栽培，在盆栽試驗(yàn)條件下，研究了鮮食玉米光合特性、品質(zhì)及產(chǎn)量對炭基肥的響應(yīng)，旨在為貴州鮮食玉米炭基肥高效施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)于2019年4月19日到7月30日在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)進(jìn)行。供試土壤為貴州典型地帶性黏性黃壤，其土壤理化性質(zhì)為：pH值7.29、有機(jī)質(zhì)39.24 g/kg、堿解氮98.4 mg/kg、有效磷9.85 mg/kg、速效鉀124.82 mg/kg。供試肥料為炭基肥（N∶P2O5∶K2O為15∶10∶15），是利用生物質(zhì)炭與其他化學(xué)肥料混合經(jīng)一定工藝制成的一種新型肥料，總養(yǎng)分量≥40%，生物炭（以C計(jì)）含量≥6%，由沈陽康禾生物質(zhì)新材料有限公司生產(chǎn)，供試玉米品種為“黔糯868”，黔審品種，由貴州金農(nóng)科技有限責(zé)任公司于2010年用自交系QW200作母本，與自交系QW21作父本組配選育而成。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用長、寬、高為38 cm×30.5 cm×40.5 cm的塑料盆，共設(shè)4個(gè)處理，每個(gè)處理5次重復(fù)，包括：T1（CK），不施N肥；T2，習(xí)慣施肥；T3，炭基肥；T4，炭基肥×80%。每盆裝土25 kg，種玉米1株，共20株。根據(jù)鮮食玉米需肥特性和供試土壤堿解氮低，磷、鉀中下的情況，各處理N、P2O5、K2O分別按照0.21、0.11、0.21 g/kg土用量計(jì)算施用，T1、T2處理肥料施入尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O516%）和硫酸鉀（K2O 50%）；T3、T4處理首先施用炭基肥，不足的養(yǎng)分用過磷酸鈣和硫酸鉀補(bǔ)充。炭基肥作為基肥一次性施入，習(xí)慣施肥按照6∶4分為基肥和追肥，具體施肥量見表1。播種時(shí)間2019年4月19日，追肥時(shí)間5月15日，收獲時(shí)間7月30日，全生育期共103 d。

表1 不同處理的肥料施用量 （25 g/盆）

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 光合葉片參數(shù)的測定

玉米種植后分別在玉米苗期、拔節(jié)期、抽穗期和收獲期，選擇天氣晴朗的10：00～12：00，采用LI-6400XT便攜式光合作用測量系統(tǒng)測定玉米單葉葉片光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci），測量部位為穗位葉。

1.3.2 葉綠素SPAD值的測定

玉米種植后分別在玉米苗期、拔節(jié)期、抽穗期和收獲期，采用葉綠素儀（TYS-B）測定玉米葉片的葉綠素SPAD值，測定部位為每株玉米最大展開葉的中間部位。

1.3.3 玉米干物質(zhì)積累、分配及產(chǎn)量計(jì)算

于玉米生長的苗期、拔節(jié)期、抽穗期和收獲期，分別將植物樣品分為地上部、地下部（苗期）；莖、葉（拔節(jié)期和抽穗期）；莖、葉和籽粒（收獲期）。稱取鮮重后放入烘箱中于105℃殺青30 min，85℃恒溫烘干稱重測定其干物質(zhì)積累量，并依次計(jì)算其分配率。玉米產(chǎn)量在收獲期時(shí)采用電子秤稱出玉米穗重和籽粒鮮重，數(shù)出穗行數(shù)及行粒數(shù)，風(fēng)干過后再稱玉米百粒重和籽粒干重，算出籽粒含水量，計(jì)算玉米籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)基本運(yùn)算；SPSS 22.0進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯著性均為0.05水平；Origin Pro2015進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對鮮食玉米產(chǎn)量的影響

由圖1可知，施用炭基肥可以顯著提高玉米單株產(chǎn)量，其中以T3最高，為70.43 g/株，其次是T4，為65.31 g/株，二者與T1相比差異均達(dá)顯著水平，與T2相比，分別增加35.26%和25.43%，且差異顯著，T3比T4玉米增產(chǎn)7.84%，但二者間無顯著差異，這說明炭基肥×80%施用也能夠有效增加玉米產(chǎn)量，其增產(chǎn)效果僅次于炭基肥全量施用，若投入到大田生產(chǎn)，施用炭基肥×80%經(jīng)濟(jì)效益可能會(huì)更好。

圖1 不同施肥處理的玉米產(chǎn)量

2.2 不同處理下鮮食玉米光合特性的動(dòng)態(tài)變化

由表2可知，施用炭基肥顯著影響玉米各生育期光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）以及胞間CO2濃度（Ci），在玉米苗期、拔節(jié)期、抽穗期和收獲期均以T3和T4的Pn、Tr、Gs最高，且與T1相比差異都達(dá)顯著水平，說明施用炭基肥可以提高不同時(shí)期玉米光合特性；Pn和Gs呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在玉米拔節(jié)期時(shí)達(dá)到最大值，均以T3最高，分別為31.2 μmol/（m2·s）和0.3 mol/（m2·s），與T1相比分別增加了22.7%和43.8%；Tr隨著玉米生育期的增長而提高，在收獲期達(dá)到最大值，以T4最高，為3.54 mmol/（m2·s），其次是T3，為3.53 mmol/（m2·s），二者無顯著差異，與T1相比分別增加36.72%和36.54%；Ci則與Pn和Gs呈現(xiàn)相反的變化趨勢，在玉米不同生育期，T3和T4的Ci相比T1分別降低36.17%、31.06%、16.56%、34.09%和38.49%、26.94%、20.45%、46.66%。

表2 不同處理的玉米光合特性

2.3 不同處理下鮮食玉米葉綠素SPAD值的動(dòng)態(tài)變化

由圖2可知，不同處理的玉米葉綠素SPAD值隨生育期的進(jìn)程呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在苗期，以T3葉綠素SPAD值最高，為39.83，相比T4增加5.29%，且二者無顯著差異；到拔節(jié)期，玉米葉綠素SPAD值達(dá)到峰值，表現(xiàn)為T4＞T3＞T2＞T1，分別為54.0、53.3、47.77和37.47，T3和T4差異不顯著，但都顯著高于T1和T2；抽穗期玉米葉綠素SPAD值開始逐漸降低，到收獲期，除T4外，玉米葉綠素SPAD值均低于苗期；在玉米整個(gè)生育期內(nèi)，T3和T4葉綠素SPAD值較T1分別平均增加45.88%和36.35%，T3較T4平均增加6.98%。

圖2 不同施肥處理的玉米葉綠素SPAD值的變化

2.4 不同處理對鮮食玉米干物質(zhì)分配和積累動(dòng)態(tài)的影響

由表3可知，施用炭基肥對玉米各生育期干物質(zhì)積累量影響顯著，在苗期和拔節(jié)期以T4的干物質(zhì)積累量最高，分別為25.56和49.85 g/株，與T1相比，差異均達(dá)到顯著水平，到抽穗期，玉米干物質(zhì)積累量則以T3最高，為96.68 g/株，其次是T4，為93.0 g/株，二者差異達(dá)顯著水平；在玉米收獲期，以T3的干物質(zhì)積累量最高，其他依次為T2、T4和T1，分 別 為142.02、126.69、124.2和73.34 g/株。與T2相比，T3在抽穗期和收獲期的干物質(zhì)積累量分別增加36.4%和12.1%。

表3 不同處理玉米各生育期的干物質(zhì)積累量 （g/株）

由表4可知，玉米收獲期的干物質(zhì)分配量以籽粒最高，其他依次為莖、葉和根，收獲期平均干物質(zhì)分配率為38.89%、30.17%、17.32%和13.62%，玉米根、莖、葉以及籽粒的分配量均以T3最高，分別為19.49、46.33、23.26和74.32 g/株，其次是T4，分別為18.49、39.72、25.76和68.8 g/株，相比T4，T3各部位（根、莖、葉和籽粒）干物質(zhì)分配量分別提高5.41%、16.64%、1.94%和8.02%，這說明炭基肥全部施用玉米干物質(zhì)積累效果優(yōu)于炭基肥×80%。

表4 不同處理玉米收獲期的干物質(zhì)分配量

2.5 玉米葉片光合特性與產(chǎn)量的相關(guān)性分析與回歸分析

由表5可知，在不同的施肥處理下，玉米光合特性與產(chǎn)量達(dá)到極顯著水平。光合速率（r=0.862）、蒸騰速率（r=0.942）、氣孔導(dǎo)度（r=0.931）及SPAD值（r=0.883）與玉米產(chǎn)量之間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系；胞間CO2濃度（r=-0.877）與產(chǎn)量呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這說明玉米產(chǎn)量受光合特性的影響明顯，施用炭基肥能夠提高玉米光合特性，從而有利于玉米增產(chǎn)。以光合速率（X1）、蒸騰速率（X2）、氣孔導(dǎo)度（X3）、胞間CO2濃度（X4）和SPAD值（X5）為自變量，以產(chǎn)量（Y）為因變量進(jìn)行逐步回歸分析，優(yōu)化后得到玉米產(chǎn)量的最優(yōu)回歸方程為：

表5 不同處理下玉米光合特性與產(chǎn)量的相關(guān)性分析

回歸決定系數(shù)R2=0.938，達(dá)到極顯著水平（P=0.000004＜0.01）。回歸顯著性測驗(yàn)結(jié)果表明，蒸騰速率（X2）偏回歸達(dá)到極顯著水平，SPAD值（X5）偏回歸達(dá)到顯著水平，說明在光合特性指標(biāo)中，蒸騰速率和SPAD值對玉米產(chǎn)量有顯著影響。通過通徑分析得出，蒸騰速率（X2）和SPAD值（X5）對產(chǎn)量的直接通徑系數(shù)分別為0.650和0.368（表6），均為正值，說明若其他因素不變，提高這兩個(gè)其中任何一個(gè)因素均能對玉米產(chǎn)量起促進(jìn)作用。

表6 光合特性的逐步回歸分析

3 討論

3.1 炭基肥顯著影響鮮食玉米產(chǎn)量

玉米產(chǎn)量的增加與肥料的種類和施肥量密切相關(guān)，大多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)炭基肥對作物增產(chǎn)具有明顯的優(yōu)越性[16-18]。呂澤先[19]在炭基肥對作物的試驗(yàn)中表明，炭基肥能夠使玉米和水稻增產(chǎn)12.15%和8.14%。在本試驗(yàn)中，與習(xí)慣施肥相比，施用炭基肥后的玉米產(chǎn)量顯著提高了25.43%～35.26%，炭基肥全量施用比減量20%施用多增產(chǎn)7.84%，但無顯著差異，這與張萌等[20]的研究結(jié)果類似，這可能是由于生物炭本身富含氮、磷、鉀、鋁及鎂等大量和中、微量元素，有利于給作物提供平衡的養(yǎng)分供應(yīng)，同時(shí)生物炭本身比表面積大，具有疏松多孔和離子吸附力強(qiáng)等性質(zhì)，與化肥制成炭基肥后，其生物炭特性能夠延緩肥料釋放[21-23]，從而使玉米達(dá)到增產(chǎn)效果，而相比習(xí)慣施肥，炭基肥×80%施用仍顯著增產(chǎn)，這可能是因?yàn)樘炕拾l(fā)揮了生物質(zhì)炭固持養(yǎng)分、改良土壤等優(yōu)點(diǎn)，更好地實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)分的吸附和緩釋功能，減少養(yǎng)分的流失，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[2]。

3.2 不同施肥處理對鮮食玉米光合特性的影響

光合作用是影響作物生長及產(chǎn)量形成的重要因素之一，凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度以及蒸騰速率等是反應(yīng)作物光合能力的重要指標(biāo)[24]。本試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，隨著玉米生育期的進(jìn)程，玉米光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度總體呈先增加后下降的趨勢，其均在玉米拔節(jié)期達(dá)到最大值，炭基肥處理的光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度與對照相比都有顯著提高，胞間CO2濃度則與光合速率表現(xiàn)出相反的變化趨勢，處理間差異達(dá)到顯著水平，通常影響植物光合作用的因素分為氣孔因素和非氣孔因素。氣孔因素是指水分脅迫使氣孔導(dǎo)度下降，CO2進(jìn)入葉片受阻從而使光合速率下降。非氣孔因素是指光合器官光合活性下降，如果光合速率和氣孔導(dǎo)度與胞間CO2濃度變化趨勢相反，說明光合速率下降受非氣孔因素限制[25]。在本試驗(yàn)中，玉米不同生育期胞間CO2濃度與光合速率和氣孔導(dǎo)度呈現(xiàn)相反的變化趨勢，說明玉米各生育期的光合速率下降并不是由于氣孔導(dǎo)度下降而使CO2減少供應(yīng)，是由非氣孔因素阻礙了CO2的利用，造成了CO2的積累[14]。因此，炭基肥增加了玉米各時(shí)期的光合速率，是由于炭基肥降低了非氣孔因素對光合作用的限制。

3.3 不同施肥處理對鮮食玉米葉綠素SPAD值的影響

葉綠素是綠色植物光合作用的基礎(chǔ)物質(zhì)，是作物葉片的主要光合色素，它影響作物的光合性能，其含量高低在一定程度上反映了葉片衰老的程度[26-27]。王進(jìn)斌等[12]的研究結(jié)果表明，玉米葉綠素SPAD值隨生育期的進(jìn)程呈先增加后降低的趨勢，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果類似。在本研究中，炭基肥在玉米生育前期顯著增加玉米葉綠素SPAD值，在拔節(jié)期達(dá)到峰值后逐漸下降。其原因可能為，在玉米生育后期，植株葉片開始衰老和脫落，葉片的衰老直接導(dǎo)致葉綠素SPAD值降低?？傮w來看，炭基肥處理的葉綠素SPAD值高于炭基肥×80%，且顯著優(yōu)于對照。

3.4 不同施肥處理對鮮食玉米干物質(zhì)積累量的影響

干物質(zhì)積累量直接影響作物成熟期籽粒的分配量，高干物質(zhì)積累量是獲得高產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，并且使其能夠盡可能多的分配到籽粒當(dāng)中[28-29]。王淑君等[30]的研究結(jié)果表明，施用炭基肥可以提高作物根系和地上部分干物質(zhì)積累，本試驗(yàn)得到類似結(jié)果：施用炭基肥能夠顯著提高玉米各生育期的干物質(zhì)積累量，拔節(jié)期到抽穗期玉米干物質(zhì)積累量增長較快，苗期和拔節(jié)期以炭基肥×80%的干物質(zhì)積累量較高，抽穗期后以炭基肥處理的干物質(zhì)積累量較優(yōu)。從玉米收獲期各部位干物質(zhì)分配比例來看，干物質(zhì)分配量以籽粒最高，其分配比例達(dá)22.97%～45.03%，且各部位的干物質(zhì)積累量均以炭基肥全部施用最高，這可能是由于炭基肥能夠延緩養(yǎng)分釋放，使養(yǎng)分釋放量與玉米養(yǎng)分需求基本一致，從而促進(jìn)干物質(zhì)的積累[31]。

4 結(jié)論

炭基肥與炭基肥×80%均能夠顯著提高鮮食玉米不同生育期干物質(zhì)積累量，增加成熟期玉米籽粒的分配比例，從而促進(jìn)鮮食玉米形成高產(chǎn)。兩個(gè)處理均提高了玉米不同生育期的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及胞間CO2濃度，炭基肥×80%對玉米光合特性影響不大；從相關(guān)性分析結(jié)果來看，鮮食玉米產(chǎn)量與蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和SPAD值間均存在顯著或極顯著相關(guān)性。但本試驗(yàn)是在盆栽條件下完成的，減少了許多不可控因素，可能與實(shí)際情況存在差異，因此本試驗(yàn)將結(jié)合田間試驗(yàn)進(jìn)一步加以驗(yàn)證。