生物炭及炭基肥對花生生理特性和產(chǎn)量的影響

王 月，劉興斌，蔡芳芳，韓曉日，楊勁峰

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院土肥資源高效利用國家工程實驗室，遼寧 沈陽 110866)

由于大氣中CO2濃度逐年增加，溫室效應(yīng)加劇，有研究者提出將農(nóng)業(yè)廢棄物制成生物炭施入土壤而將碳封存起來以減緩氣候變化[1-2]。生物炭是將作物秸稈、雜草等生物質(zhì)在缺氧及低氧環(huán)境中經(jīng)熱裂解后生成的富碳產(chǎn)物。因其具有較高比例的惰性碳，這些惰性碳能夠在土壤中穩(wěn)定存在幾百至數(shù)千年，因此在土壤中是一種有效的有機碳庫[3]。

施用生物炭對土壤有多重作用：一、生物炭本身含有多種養(yǎng)分，施入土壤能增加土壤中磷、鉀、鈣、鎂及氮素的含量[4]；二、生物炭具有豐富的孔隙，相對土壤中的其他物質(zhì)有較大的吸附容量，可有效提高土壤的保肥能力[5]；三、生物炭含有大量的芳香分子結(jié)構(gòu)[6]，具有較強的離子吸附和交換能力，能提高土壤的離子交換容量[7-8]，減緩?fù)寥乐嘘庩栯x子的波動?；谏锾康囊陨咸攸c，很多學(xué)者認(rèn)為將生物炭作為肥料載體，可以使肥料中的速效養(yǎng)分緩慢釋放，從而降低速效養(yǎng)分的淋失及固定，提高肥料養(yǎng)分的利用率[9-11]。以生物炭為載體的肥料在其養(yǎng)分釋放完后，還可以繼續(xù)發(fā)揮土壤改良劑的作用[12]。近年來生物炭及以生物炭為緩釋載體的肥料在農(nóng)業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外已有眾多有關(guān)生物炭對作物生長和土壤肥力影響的研究，但結(jié)果不盡一致。有一些研究結(jié)果顯示施用生物炭相關(guān)肥料對作物產(chǎn)量有顯著的促進作用[13-15]，也有研究發(fā)現(xiàn)會導(dǎo)致作物生物產(chǎn)量或經(jīng)濟產(chǎn)量的下降[16-17]。因此，關(guān)于生物炭及相關(guān)肥料對作物產(chǎn)生的影響還需要持續(xù)和深入的研究。目前對生物炭相關(guān)肥料的研究大多集中在盆栽或者培養(yǎng)試驗，亦有部分單季大田試驗，而長期連續(xù)施用的研究結(jié)果還不多，對花生產(chǎn)生影響的研究更少。

花生在我國多個省份被廣泛種植，就花生品質(zhì)而言以遼寧省區(qū)域的相對較好。因此，在遼寧省開展長期施用生物炭相關(guān)肥料對花生影響的研究具有較高的經(jīng)濟和社會價值。為研究長期施用生物炭及炭基肥對花生的影響，更好地指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)植物營養(yǎng)研究室于2009年設(shè)立了施用生物炭及自制炭基緩釋花生專用肥對花生及土壤肥力影響的長期定位試驗，該定位試驗分別以玉米秸稈直接還田、豬廄肥作為對照。

本文利用2009-2011連續(xù)三年的田間試驗，研究不同施肥處理對花生生長發(fā)育、光合特性和產(chǎn)量的影響。通過本研究可為生物炭基肥料在遼寧省花生種植區(qū)域的推廣提供可靠的理論依據(jù)，也為遼寧省花生的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供有力保障。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

長期定位試驗位于國家花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系土壤肥料長期定位試驗基地，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)后山花生基地(40°48'N，123°33'E)，屬于溫帶濕潤-半濕潤季風(fēng)氣候。年均氣溫7.0～8.1℃，10℃以上積溫3300～3400℃，無霜期148～180 d，生長季降水量平均547～684 mm。試驗于2009年開始，供試土壤為棕壤，成土母質(zhì)為第四紀(jì)黃土性母質(zhì)上的簡育濕潤淋溶土。土壤基本理化性質(zhì)：pH 6.11，有機質(zhì)16.2g/kg，全氮0.90g/kg，全磷(P)0.89g/kg，全鉀(K)20.4g/kg，堿解氮99.0 mg/kg，有效磷(P)6.50 mg/kg，速效鉀(K)126 mg/kg。

1.2 供試作物

供試花生品種為阜花12號。種植密度15萬穴/hm2，每穴2粒種子。大壟雙行，株距14 cm。2011年5月13日播種，9月26日收獲，生育期按常規(guī)管理。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)4個處理(表1)，其中BF處理為炭基緩釋花生專用肥；PMC+F處理為豬廄肥配施氮磷鉀化肥；CS+F處理為玉米秸稈配施氮磷鉀化肥；BIO+F處理為生物炭配施氮磷鉀化肥。

各處理均為等養(yǎng)分施肥各養(yǎng)分施用量：N 60 kg/hm2，P2O575 kg/hm2，K2O 105 kg /hm2)。試驗所用的化肥：尿素(含N46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)、硫酸鉀(含K2O 50%)。播種前所有肥料一次性地表撒施，然后翻耕覆土。每處理重復(fù)3次，小區(qū)面積為2 m2，隨機區(qū)組排列。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 花生主莖高

在花生苗期、開花下針期、結(jié)莢期、收獲期測定植株的主莖高。

1.4.2 葉綠素含量

在花生苗期、開花下針期、結(jié)莢期用手持式SPAD-502Plus葉綠素儀測定主莖倒三葉SPAD值。

1.4.3 光合參數(shù)

在花生苗期、開花下針期和結(jié)莢期晴天的9:00～11:00，用美國LI-COR公司產(chǎn)的Li6400便攜式光合儀測定主莖倒三葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、細(xì)胞間隙 CO2濃度(Ci)。

表1 試驗設(shè)計

1.4.4 收獲期植株性狀、產(chǎn)量測定

在收獲期每個小區(qū)選取有代表性的植株6株，進行分枝數(shù)、第一側(cè)枝長、單株莢果重、單株飽果數(shù)、單株秕果數(shù)的調(diào)查；收獲每個小區(qū)的全部莢果，自然風(fēng)干，計算產(chǎn)量，并調(diào)查百果重、百仁重、出仁率。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 19軟件進行計算和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對花生主莖高的影響

主莖高是花生的重要植物學(xué)性狀，對花生株型、產(chǎn)量甚至品質(zhì)都具有重要影響[18-19]。圖1顯示，苗期BF處理的主莖高顯著低于其他處理，其他處理間差異不顯著；開花下針期CS+F處理的主莖高顯著低于BF和PMC+F處理，低于BIO+F處理但二者間差異不顯著；結(jié)莢期BF、PMC+F和BIO+F處理間差異不顯著，都顯著高于CS+F處理；收獲期各處理主莖高差異不顯著。

由以上結(jié)果可知：BF處理苗期主莖高較低是因為肥料中炭基材料對養(yǎng)分的吸附作用，減少前期養(yǎng)分釋放所致。雖然CS+F處理在開花下針期和結(jié)莢期主莖高處于相對劣勢，但在花生生育后期主莖高與其他處理無差異，說明CS+F處理后期對主莖高的快速提升有促進作用。

2.2 不同施肥處理對花生葉綠素含量的影響

葉綠素是植物參與光合作用最重要的色素之一，其含量可以反映作物的光合能力，一定范圍內(nèi)其值越高，作物吸收與轉(zhuǎn)化的光能就越多，作物的凈光合速率就越高[20]，對花生產(chǎn)量的增加極為有利。SPAD值作為衡量葉綠素含量的指標(biāo)被廣泛采用。圖2可看出，苗期各處理間葉綠素相對含量SPAD值差異不顯著；在開花下針期BF處理的SPAD值顯著高于其他處理，其他處理間差異不顯著；在結(jié)莢期，BF處理的SPAD值最高，顯著高于PMC+F和BIO+F，與CS+F處理間差異不顯著。以上結(jié)果表明：在花生生育期間BF和CS+F處理可以維持較高的葉綠素含量，而BIO+F處理葉綠素含量下降趨勢較其他處理明顯。

圖1 不同施肥處理花生主莖高Fig.1 The main stem height of peanut with different fertilization treatments圖2 不同施肥處理花生葉綠素含量Fig.2 The chlorophyll content of peanut with different fertilization treatments 表2 不同施肥處理花生光合特性 Table 2 Photosynthetic characteristics of peanut with different fertilization treatments

生育期Growingstage處理Treatment凈光合速率Photosyntheticrate(μmol·m-2·s-1)氣孔導(dǎo)度Stomatalconductance(mol·m-2·s-1)蒸騰速率Transpirationrate(mmol·m-2·s-1)胞間CO2濃度IntercellularCO2concentration(μmol·mol-1) BF17.01±2.95b0.43±0.09b4.83±1.10b305.32±4.56b苗期PMC+F25.38±6.09a0.71±0.50a6.80±0.94a312.76±10.04bSeedlingstageCS+F17.41±0.85b0.30±0.11c3.62±0.90c274.76±11.71cBIO+F9.30±0.82c0.38±0.03bc4.37±0.18bc344.19±3.60a BF21.25±1.37a0.62±0.08a5.14±0.25a241.55±5.15a開花下針期Flowering-peggingstagePMC+F21.07±1.43a0.54±0.06ab5.26±0.64a240.33±12.83aCS+F19.09±1.81b0.50±0.08b5.03±0.50a244.13±15.99aBIO+F20.95±1.46a0.56±0.07ab5.10±0.64a242.89±11.79a BF16.95±2.77a0.41±1.60a5.96±0.54a248.17±10.79a結(jié)莢期PMC+F14.41±0.52ab0.38±1.60ab5.83±0.51ab228.66±2.91bPod-bearingstageCS+F13.70±2.00b0.27±1.60b5.26±0.94b240.61±11.02abBIO+F15.19±2.78ab0.35±1.6ab5.49±0.84ab239.72±4.11ab

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異達5%顯著水平。下同。

Note: Values followed by different letters in a column are significant at 5% level. The same below.

2.3 不同施肥處理對花生光合特性的影響

凈光合速率(Pn)是植物光合作用中關(guān)鍵性指標(biāo)，能綜合反映植物對外界環(huán)境變化的響應(yīng)[21]。表2顯示，各處理的凈光合速率表現(xiàn)為：在苗期PMC+F處理顯著高于其他處理，CS+F和BF處理間差異不顯著，但均顯著高于BIO+F處理；在開花下針期，BF、PMC+F和BIO+F之間差異不顯著，但顯著高于CS+F處理；結(jié)夾期，BF處理顯著高于CS+F處理，而PMC+F和BIO+F與其他處理間差異均不顯著。由以上結(jié)果可看出，在花生生育初期，不同施肥處理對花生凈光合速率影響較大，隨著生育期推進，不同施肥處理間差異逐漸減小。在整個調(diào)查期間，除PMC+F處理呈現(xiàn)單一的下降外，其余三個處理均呈現(xiàn)先上升后下降的走勢。各處理葉片氣孔導(dǎo)度的變化與凈光合速率的變化趨勢基本一致。

在不同生育期，PMC+F處理的蒸騰速率呈現(xiàn)先下降后上升的走勢，而其他處理為單一的上升走勢。PMC+F處理苗期的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均顯著高于其他處理，但在開花下針期和結(jié)夾期各處理間差異有所減小。胞間CO2濃度的變化與前三者差異較大：在調(diào)查期間，各處理胞間CO2濃度均呈下降趨勢，BIO+F處理下降幅度最大，其次是PMC+F和BF處理，波動最小的是CS+F處理。

綜上可知，在施肥初期，不同處理間花生光合特性的差異較大，隨時間的推移差異有所減小。在花生生長發(fā)育最為旺盛的時期(開花下針期)，各項指標(biāo)的相對差異最小，造成這一現(xiàn)象的主要原因有以下兩點：一，此生育時期不同施肥處理對花生各光合特性基本不產(chǎn)生限制因素，即各處理養(yǎng)分供應(yīng)充足或養(yǎng)分供應(yīng)水平間差異不大；二，此時期花生的光合效率接近極限值，花生自身的生理特性成為制約其光合效率的限制因子。

2.4 不同施肥處理對花生植株農(nóng)藝性狀的影響

表3看出，PMC+F處理分枝數(shù)最多，顯著多于BIO+F處理，但與BF和CS+F處理間差異不顯著。與CS+F和BIO+F處理相比，BF和PMC+F處理顯著增加了花生的第一側(cè)枝長。各處理的單株飽果數(shù)差異不顯著；PMC+F處理的單株秕果數(shù)顯著高于其他處理，而BF和BIO+F處理秕果數(shù)接近，且均顯著高于CS+F處理?？梢奝CM+F處理能夠促進花生植株生長和下針，但不利于降低花生收獲期的秕果數(shù)。

表3 不同施肥處理花生收獲期植株性狀

表4 不同處理花生產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

2.5 不同施肥處理對花生產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

在莢果產(chǎn)量、單株莢果重和百果重三項產(chǎn)量指標(biāo)的比較中，BF處理均顯著高于其他處理，其他處理這三項指標(biāo)間差異不顯著。BF處理的百仁重和出仁率比其他處理稍高，但差異不顯著(表4)。以上結(jié)果說明，與其他處理相比，BF處理對花生出仁率等品種特性相關(guān)的指標(biāo)影響較小，但可以有效提高花生產(chǎn)量，表明BF處理在整個花生生育期間能較好地滿足花生的養(yǎng)分需求。

3 討 論

本研究中炭基緩釋花生專用肥處理苗期花生主莖高顯著低于其他處理，但開花下針期和結(jié)莢期主莖高與其他處理間差異不顯著甚至顯著高于玉米秸稈+F處理，說明炭基肥前期有助于花生苗期蹲苗，抑制花生地上部過快生長[22]；玉米秸稈+F處理的主莖高在開花下針期和結(jié)莢期表現(xiàn)較差，說明玉米秸稈+F處理不能很好滿足花生旺盛生長時對養(yǎng)分的需求。從各生育期葉片SPAD值可看出炭基緩釋花生專用肥能夠提供充足的養(yǎng)分以維持花生葉片較高的葉綠素含量，這為花生高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)[23]，另外較高的SPAD值也預(yù)示著較為充足的氮素供應(yīng)[24]。

由光合指標(biāo)可看出，豬廄肥+F處理花生苗期具有最高的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，這與豬廄肥在施用前期能夠提高棕壤生物學(xué)活性有關(guān)[25]。隨著花生的生長這些指標(biāo)逐漸下降且降幅大于其他處理，說明該施肥處理對土壤生物活性的影響衰減很快。而其他處理以上三項指標(biāo)盡管苗期低于豬廄肥+F處理，但隨花生的生長均呈現(xiàn)先升高后降低的走勢，尤其炭基緩釋花生專用肥各指標(biāo)在整個生育期表現(xiàn)最為穩(wěn)定，可見炭基緩釋花生專用肥有助于保持較為穩(wěn)定的土壤環(huán)境，保障整個生育期花生光合速率的穩(wěn)定?；ㄉ泻笃诠夂纤俾实某掷m(xù)穩(wěn)定為獲得較高的經(jīng)濟產(chǎn)量提供了保障[26]。各處理胞間CO2濃度的變化趨勢基本一致，苗期各處理的胞間CO2濃度均較高，到開花下針期有所下降，但開花下針期和結(jié)莢期間基本保持穩(wěn)定，這說明隨著時間的推移，不同施肥處理對花生胞間CO2濃度的影響逐漸減弱。

在收獲期豬廄肥+F的分枝數(shù)高于炭基緩釋花生專用肥，說明豬廄肥+F有助于促進花生產(chǎn)生分枝；炭基緩釋花生專用肥和豬廄肥+F第一側(cè)枝長顯著高于其他處理，第一側(cè)枝長是花生高產(chǎn)的關(guān)鍵因素[27]，且豬廄肥+F處理的單株秕果數(shù)最高，說明豬廄肥+F處理雖然能促進花針膨大形成莢果，但不能使更多莢果形成有效的經(jīng)濟產(chǎn)量，從而造成肥料養(yǎng)分的浪費。

炭基肥處理花生莢果產(chǎn)量顯著高于其他三個處理，分別比豬廄肥+F、秸稈還田+F、生物炭+F處理提高12.8%、12.3%、12.0%，這與他人研究的増長效果較為相似[23,28-29]，且其單株莢果重和百果重也顯著高于其他處理，通過統(tǒng)計分析莢果產(chǎn)量與單株莢果重和百果重呈正相關(guān)。

從花生不同生育期各項指標(biāo)來看，炭基緩釋花生專用肥不僅在苗期起到蹲苗的作用[22]，還能在生育旺盛的開花下針期和結(jié)莢期保持較高的葉片光合速率和葉綠素含量，這都為花生高產(chǎn)提供了有力的保障。而其他處理雖然能夠使花生在苗期有較快生長，但不符合花生苗期蹲苗促根的生長規(guī)律，且在開花下針期和結(jié)莢期光合效率和葉綠素含量均有明顯下降，造成花生合成的有機物質(zhì)不能滿足莢果充實的需求，最終導(dǎo)致經(jīng)濟產(chǎn)量不足。本研究顯示炭基緩釋花生專用肥的田間效果優(yōu)于生物炭與化學(xué)肥料混合施用的效果，這一結(jié)果與其他研究人員的成果較為一致[30-31]，這可能是因為炭基緩釋花生專用肥在將生物炭與化學(xué)肥料復(fù)混造粒的過程中，生物炭與化學(xué)肥料間發(fā)生了深度吸附，實現(xiàn)了速效肥料的緩效和長效作用。

4 結(jié) 論

通過在棕壤上三年的連續(xù)施肥，發(fā)現(xiàn)與豬廄肥配施化肥、秸稈還田配施化肥和生物炭配施化肥相比，以生物炭作為載體的炭基緩釋花生專用肥有利于苗期花生蹲苗、在花生開花下針期和結(jié)莢期使葉片保持較高的葉綠素含量和凈光合速率，還增加了單株莢果重和百果重，顯著提高了花生的產(chǎn)量。就炭基緩釋花生專用肥與生物炭配施化肥而言，將生物炭與化學(xué)肥料復(fù)合造粒的田間應(yīng)用效果優(yōu)于將生物炭與化學(xué)肥料簡單混配的施用效果。參考文獻：

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