覆膜和施生物炭對青海高原春油菜生長、產(chǎn)量和土壤團(tuán)聚體的影響

宋明丹，詹舒婷，李 飛，李正鵬*

（1．青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，青海 西寧 810016；2．青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016）

油菜是我國大宗油料作物之一，是重要的植物油來源，菜籽油占了我國總植物油產(chǎn)量的47%。我國植物油年均消費(fèi)量約為3500多萬t，植物油自給率約為30.8%，國產(chǎn)油料供需缺口日益增大［1］。穩(wěn)定和大力發(fā)展油菜生產(chǎn)，對于應(yīng)對國際市場波動，維護(hù)和保障國家食用油和飼用蛋白供給安全具有重要意義。

油菜分為冬油菜和春油菜2種類型，我國種植面積過億畝，其中冬油菜主要分布于長江流域，種植面積占總油菜面積的85%～90%，春油菜主要分布于北方各省，占總面積的10%～15%［2］。春油菜是青海省主要的油料作物，目前種植面積約14.0萬hm2，占我國春油菜總面積的20%左右，是青海省的第一大作物［3］。

春油菜喜冷涼濕潤環(huán)境，青海地區(qū)海拔高，氣候冷涼，晝夜溫差大，特別適合春油菜生長，有利于籽粒發(fā)育和油分積累，是我國春油菜的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)［4］。但該地區(qū)降水較少，蒸發(fā)量大，干旱缺水是限制其產(chǎn)量提升的主要因子。同時(shí)，該區(qū)土壤肥力基本處于中等偏下水平，耕層淺而貧瘠，土壤保水保肥能力差［5］。

地膜覆蓋具有顯著的增溫保墑，促進(jìn)作物生長和提高產(chǎn)量的作用，是一種有效的節(jié)水技術(shù)，在西北干旱、半干旱等水分虧缺嚴(yán)重的地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用［6］。生物炭是農(nóng)業(yè)廢棄物在高溫缺氧下熱裂解生成的黑色富碳物質(zhì)，性質(zhì)穩(wěn)定，大量研究表明，生物炭能改善土壤性質(zhì)，提高作物產(chǎn)量，但其效應(yīng)因來源物料、制備條件、土壤性質(zhì)和作物類型而存在顯著差異［7］。青海地區(qū)氣候冷涼，秸稈直接還田難以腐解，易導(dǎo)致出苗差、病害加劇等問題［8］，將其炭化后還田是解決該地區(qū)農(nóng)業(yè)秸稈問題和土壤地力提升的途徑之一。

前人對地膜覆蓋在青海地區(qū)油菜上的應(yīng)用進(jìn)行了一些探索，但主要集中于產(chǎn)量分析［9-10］，關(guān)于覆膜下作物生長過程和養(yǎng)分吸收規(guī)律的研究鮮見報(bào)道，而關(guān)于生物炭在該地區(qū)的相關(guān)應(yīng)用更是鮮有報(bào)道。因此本研究通過開展覆膜和施生物炭的試驗(yàn)，監(jiān)測春油菜干物質(zhì)積累、氮磷鉀養(yǎng)分吸收、產(chǎn)量和土壤團(tuán)聚體等指標(biāo)，闡明覆膜和施生物炭在該區(qū)的應(yīng)用效果及作用機(jī)制，為春油菜的高產(chǎn)栽培提供技術(shù)支撐和理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年在青海省西寧市城北區(qū)青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院試驗(yàn)田進(jìn)行，該區(qū)地處101°45′E，36°43′N，海拔2314 m，無霜期110 d，平均年太陽總輻射5640 MJ/m2，年均溫度6℃，年均降水量415 mm，年均蒸發(fā)量1763 mm，蒸降比4.25，屬高原大陸性氣候區(qū)［11］。試驗(yàn)田0～20 cm土壤為粘質(zhì)壤土，容重1.36 g/cm3，播前土壤有機(jī)質(zhì)24.1 g/kg，全氮1.4 g/kg，全磷3.1 g/kg，全鉀23.2 g/kg，堿解氮122.2 mg/kg，有效磷41.2 mg/kg，速效鉀235.3 mg/kg，pH值8.4。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

供試春油菜品種為甘藍(lán)型“青雜5號”，千粒重為3.9 g，由青海省農(nóng)林科學(xué)院油菜研究所提供；供試生物炭為玉米秸稈于500℃下熱裂解制得，由遼寧金和福農(nóng)業(yè)科技股份有限公司提供；試驗(yàn)所用地膜為聚乙烯農(nóng)膜，厚度為0.01 mm，黑色，由青海省農(nóng)牧生產(chǎn)資料股份有限公司出品。

試驗(yàn)設(shè)覆膜和施生物炭2個(gè)因素，其中覆膜設(shè)置2個(gè)水平：分別為不覆膜和覆膜，施生物炭設(shè)置2個(gè)水平：分別為不施生物炭和施生物炭，兩因素完全組合共4個(gè)處理，分別為不覆膜不施生物炭（CK）、僅覆膜（M）、僅施生物炭（B）和覆膜加施生物炭（M+B）處理。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，各處理重復(fù)4次，共16個(gè)小區(qū)（長×寬=4 m×3 m）。油菜播種前一次性基施氮、磷（P2O5）、鉀肥（K2O）量分別為150、90、75 kg/hm2，硼肥為165 g/hm2。生物炭用量為20 t/hm2，隨肥料一起施用。春油菜按行距30 cm、株距25 cm人工點(diǎn)播，密度為13.3萬株/hm2，其他田間管理措施與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)相同。于2019年4月3日播種，2019年8月27日收獲。

1.3 樣品采集與分析

地上部干重：分別于苗期（播后66 d）、初花期（播后79 d）、角果初期（播后115 d）、角果中期（播后133 d）和收獲期（播后146 d），在每區(qū)選擇具有代表性的植株5株，將莖、葉、角果分開，于105℃下殺青30 min，然后75℃下恒溫烘至恒重，地上部干重為各器官干重之和。

產(chǎn)量測定：在小區(qū)內(nèi)選取5株代表性植株，分別測定分枝高度、莖粗、有效分枝數(shù)、單株角果數(shù)、每角粒數(shù)和千粒重。每小區(qū)單打單收，曬干去殼后測定籽粒產(chǎn)量。

植株氮、磷、鉀含量：將收獲后植株地上部各器官樣品粉碎過篩，采用H2SO4-H2O2消煮，分別用凱式定氮儀、鉬銻抗比色法和火焰光度法測定各器官氮、磷、鉀含量。各器官養(yǎng)分吸收量為各養(yǎng)分含量與器官干重的乘積。所有器官養(yǎng)分吸收量之和即為春油菜地上總養(yǎng)分吸收量。

土壤團(tuán)聚體：于2019年8月油菜收獲后，采用“S”形5點(diǎn)采樣法，采集0～20 cm耕層土壤樣品，測定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體。在風(fēng)干過程中沿自然斷裂面掰成10 mm大小的土塊。采用TTF-100型土壤團(tuán)聚體分析儀進(jìn)行測定，將100 g土壤樣品放置于5、2、1、0.5、0.25 mm的套篩上，上下振蕩5 min，將各級孔篩的土壤樣品洗出至鋁盒中，60℃下烘干，稱重。計(jì)算團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）和大于0.25 mm的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量（R0.25），計(jì)算公式參考文獻(xiàn)［12］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差分析，采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較，顯著性水平均為0.05；利用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜和施生物炭條件下油菜地上部干物質(zhì)量積累特征

油菜干物質(zhì)量積累符合前期增長緩慢、中期增長快、后期增長慢的S曲線特征。其中播種后79 ～115 d，正值油菜開花和角果形成期，此階段累積了總生物量的53%～64%（表1）。方差分析結(jié)果表明，在油菜的整個(gè)生長階段，M處理均顯著提高了油菜干物質(zhì)量，尤其在播后79 d時(shí)，M處理比CK增加干物質(zhì)量192%（表1）。在M+B條件下，油菜干物質(zhì)量比M處理高1%～31%，但差異未達(dá)到顯著水平。B處理在播后79 ～133 d均顯著提高了油菜干物質(zhì)量，在播后79 d時(shí)，B處理比CK提高了102%。生物炭與覆膜的交互作用對油菜各時(shí)期地上部總干重均無顯著影響。

表1 不同處理的油菜地上部總干物質(zhì)量 （kg/hm2）

2.2 覆膜和施生物炭對油菜養(yǎng)分吸收及分配的影響

油菜收獲期，地上部總吸氮量為114～269 kg/hm2，總吸磷量為P 25～45 kg/hm2，總吸鉀量為K 130～302 kg/hm2（圖1）。油菜吸氮量和吸鉀量的兩因素方差分析表明，施生物炭的主效應(yīng)不顯著，覆膜的主效應(yīng)顯著，覆膜和生物炭的交互作用顯著，進(jìn)一步多重比較表明，施生物炭和覆膜顯著提高了油菜地上部總吸氮量和總吸鉀量，B處理比CK高44%和34%，M處理比CK高135%和133%，M+B處理比CK高132%和112%。油菜吸磷量在各處理間均無顯著差異。

氮素在莖、角殼和籽粒中的分配比例分別為0.12～0.15、0.10～0.11和0.75～0.78（圖1）。氮素主要分配在籽粒中，M處理顯著提高了氮素在莖中的分配比例，由CK的0.12提高到0.15，生物炭及其與覆膜的交互作用對氮素分配比例影響不顯著。磷素在各器官的分配規(guī)律與氮素相似，莖、角殼和籽粒中的分配比例分別為0.07～0.11、0.07～0.08和0.82～0.87。磷素主要分配在籽粒中，覆膜、生物炭及其交互作用對磷素分配比例無顯著影響。鉀素在莖、角殼和籽粒中的分配比例分別為0.47～0.55、0.30～0.38和0.15～0.17。鉀素主要分配在莖和角殼中，覆膜、生物炭及其交互作用對鉀素分配比例無顯著影響。

2.3 覆膜和施生物炭處理下油菜農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量

春油菜有效分枝數(shù)、每角粒數(shù)、千粒重和收獲指數(shù)在處理間均無顯著差異，該年氣候條件下，春油菜的平均有效分枝數(shù)為8個(gè)，每角粒數(shù)為22個(gè)，千粒重為4.33 g，收獲指數(shù)為0.36（表2）。針對春油菜分枝高度、莖粗、單株角果數(shù)和產(chǎn)量，覆膜的主效應(yīng)顯著，而生物炭的主效應(yīng)不顯著，覆膜和生物炭的交互作用不顯著。施生物炭能在一定程度上提高莖粗、單株角果數(shù)和產(chǎn)量，分別比CK高17%、18%和9%，施生物炭的分枝高度比CK低18 cm，但未達(dá)到顯著水平。覆膜能夠顯著提高油菜莖粗、單株角果數(shù)和產(chǎn)量，分別比CK高36%、61%和34%，其分枝高度比CK低了29 cm。M+B處理比M的油菜莖粗、單株角果數(shù)和產(chǎn)量分別提高7%、29%和12%，但兩者差異不顯著。M和M+B處理對于產(chǎn)量的提高，主要是通過提高單株角果數(shù)，尤其是每個(gè)有效分枝上的角果數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)M和M+B處理能夠降低分枝高度，增大莖粗，有利于增強(qiáng)油菜植株的抗倒伏能力。

表2 不同處理下油菜農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量構(gòu)成

本研究中產(chǎn)量和角果數(shù)均與分枝高度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與莖粗和有效分枝數(shù)呈極顯著正相關(guān)（表3）。在油菜產(chǎn)量構(gòu)成三要素中，對產(chǎn)量影響最大的是角果數(shù)（r=0.95），其次是千粒重（r=0.27），每角粒數(shù)對其影響最小（r=-0.08）。油菜產(chǎn)量的提高主要依賴于角果數(shù)，而角果數(shù)的提高會在一定程度上降低每角粒數(shù)，而每角粒數(shù)的減少能一定程度上提高油菜的千粒重。這表明要想獲得較高的油菜產(chǎn)量需盡可能選擇分枝高度低、莖粗、有效分枝數(shù)多的品種和栽培管理措施。本研究中有效分枝數(shù)越多，每角粒數(shù)越少，莖粗越粗，千粒重越大。

表3 油菜農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量的皮爾森相關(guān)系數(shù)

2.4 覆膜和施生物炭對土壤團(tuán)聚體的影響

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，具有協(xié)調(diào)土壤水肥氣熱的作用。提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和質(zhì)量，對提高土壤肥力和作物產(chǎn)量具有重要作用。方差分析結(jié)果表明，覆膜和生物炭均對土壤團(tuán)聚體粒級組成有顯著影響，但覆膜和生物炭的交互作用不顯著。M和M+B處理顯著改變了土壤團(tuán)聚體各粒級含量，主要是增加了0.25～2 mm的團(tuán)聚體的含量，分別比CK提高了49.4%和40.7%（表4）。B和M+B處理均顯著提高了大于0.25 mm的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量（R0.25），分別比對照高14.8%和15.9%。B處理的土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑（MWD）顯著大于M處理，是M處理的1.6倍?？傮w來看，生物炭能提高土壤大團(tuán)聚體數(shù)量和團(tuán)聚體平均重量直徑，而覆膜能一定程度上提高大團(tuán)聚體數(shù)量，有降低團(tuán)聚體平均重量直徑的趨勢。

表4 不同處理下土壤團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性

3 討論

3.1 覆膜和生物炭施用對春油菜干物質(zhì)積累的影響

植株干物質(zhì)量積累和分配是產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，田間管理措施對作物產(chǎn)量的影響，首先體現(xiàn)在對干物質(zhì)的積累和分配上。本研究中油菜全株干物質(zhì)量積累隨生育進(jìn)程推進(jìn)呈明顯的“S”形曲線變化，這與前人研究結(jié)果一致［13-14］。其中，油菜開花和角果形成期是干物質(zhì)快速積累期，此時(shí)處于油菜主要光合器官的轉(zhuǎn)換階段，油菜開花初期，葉片光合面積達(dá)到最大，終花后葉片逐漸枯萎凋落，與此同時(shí)，油菜角果大量形成，角果皮成為主要的光合器官［15］。李月梅［16］研究表明春油菜從播種到開花積累了植株總干重的50%～70%。地膜覆蓋能夠抑制土壤水分蒸發(fā)，減少夜間長波輻射，有效改善土壤的水熱條件［17］，本研究中覆膜顯著提高了油菜干物質(zhì)量積累和產(chǎn)量，這與趙東霞等［18］研究結(jié)果一致。關(guān)于生物炭的施用效果，前人研究存在較大的爭議，有研究表明生物炭在堿性土上對玉米干物質(zhì)量無顯著影響［19］，本研究中土壤pH為8.4，生物炭僅在作物生長的中期對油菜干重有顯著的促進(jìn)作用，對產(chǎn)量的影響不顯著。

3.2 覆膜和生物炭施用下的春油菜氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收和分配

本研究中春油菜對鉀素和氮素吸收量明顯大于對磷素的吸收量，這與前人研究結(jié)果一致［16］。曹金華等［13］的研究表明油菜籽粒是氮、磷的分配中心，占總量的75%左右，鉀主要分配在莖和角果殼中，籽粒鉀僅占吸收量的21%。本研究得到相似結(jié)論，氮、磷主要分配于籽粒中，籽粒氮占總吸氮量的76%，籽粒磷占總吸磷量的85%，籽粒鉀占總吸鉀量的16%。本研究中所用的油菜品種籽粒對磷的吸收更多，對鉀的吸收更少，這可能是由于油菜品種和土壤氣候差異導(dǎo)致的。李月梅［20］在青海省旱地農(nóng)區(qū)的研究表明，在氮、磷、鉀配施下春油菜每生產(chǎn)100 kg籽粒需要吸收N、P2O5、K2O分別為4.6、2.0和5.6 kg，本研究中每形成100 kg籽粒需要吸收N、P2O5和K2O分別為3.7、1.7和4.9 kg，明顯低于前人研究結(jié)果，這可能是由于本試驗(yàn)地點(diǎn)降水相對更多，油菜受到的水分脅迫較少，養(yǎng)分利用效率更多。覆膜和施生物炭在提高植株總干物質(zhì)量的同時(shí)，同步提高了植株總養(yǎng)分吸收量。

3.3 覆膜和生物炭施用對春油菜農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量的影響

覆膜能有效改善土壤水熱條件，具有顯著的增溫保墑效果，能顯著提高作物產(chǎn)量和資源利用效率。谷曉博等［21］的研究表明覆膜能顯著提高油菜有效分枝數(shù)、角果數(shù)和每角粒數(shù)，覆膜下的產(chǎn)量比露地高46%左右。大量研究表明，覆膜增溫效果主要在作物生長早期［22］，而油菜角果數(shù)的決定期主要在現(xiàn)蕾以前，該時(shí)期生物量越大，則角果數(shù)越多［23］。本研究中覆膜顯著增加了早期干物質(zhì)量，從而導(dǎo)致覆膜下的角果數(shù)增加顯著，但覆膜對每角粒數(shù)和千粒重影響不顯著。廖桂平等［24］指出油菜每角粒數(shù)和千粒重主要受遺傳基因控制，而角果數(shù)主要由營養(yǎng)器官干物質(zhì)量、分配和轉(zhuǎn)移量來決定，因此油菜產(chǎn)量的提高主要依靠提高角果數(shù)來實(shí)現(xiàn)。本研究中角果數(shù)與每角粒數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，每角粒數(shù)與千粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)，油菜產(chǎn)量構(gòu)成三要素間具有內(nèi)源調(diào)節(jié)能力，每角粒數(shù)在角果數(shù)和千粒重之間起平衡作用，以保證生殖器官籽粒的質(zhì)量，這也是作物的一種生存策略。

3.4 覆膜和施生物炭下土壤團(tuán)聚體的變化

土壤團(tuán)聚體是土壤肥力的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)組成是表征良好團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，其分布和大小決定著土壤養(yǎng)分循環(huán)和微生物活動過程。生物炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，有研究表明生物炭能顯著提高土壤的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，促進(jìn)土壤團(tuán)粒形成，改善土壤結(jié)構(gòu)。袁晶晶等［25］的試驗(yàn)表明，生物炭使土壤中R0.25提高20.7%，同時(shí)MWD增加29.2%。王亞瓊等［26］的研究表明生物炭提高了0.5～3 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。本研究得到相似結(jié)論，施生物炭使土壤中R0.25的含量顯著提高14.8%，同時(shí)MWD提高23.1%。但也有些學(xué)者得到不同的結(jié)論，侯曉娜等［12］的研究表明生物炭對于土壤MWD和R0.25無顯著影響。這可能與生物炭制備原料、工藝或培養(yǎng)時(shí)間不同有關(guān)。

覆膜在土壤與大氣間形成一個(gè)薄薄的氣層，必然會影響土壤的水汽交換過程，進(jìn)而對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。劉秀等［27］的研究表明覆膜可顯著提高>2 mm的大團(tuán)聚體含量，提高M(jìn)WD，增加團(tuán)聚體穩(wěn)定性。盧闖等［28］的研究表明地膜提高了土壤0.25～0.5 mm團(tuán)聚體含量。本研究中覆膜顯著提高了0.25～2 mm團(tuán)聚體含量，有降低土壤MWD的趨勢。這可能是由于覆膜降低了土壤干濕交替強(qiáng)度，改變了土壤團(tuán)聚體的分布，此外覆膜下植株根系生長旺盛，根系的物理穿插使大團(tuán)聚體破碎。

4 結(jié)論

本研究主要分析了覆膜和施生物炭對春油菜干物質(zhì)積累、養(yǎng)分吸收特征、產(chǎn)量和土壤團(tuán)聚體的影響，所得結(jié)論如下：

（1）覆膜和施生物炭對總干物質(zhì)量的增加作用在春油菜初花期最顯著，其中覆膜和施生物炭分別比對照提高了192%和102%。

（2）覆膜和施生物炭顯著提高了油菜地上部總吸氮量和總吸鉀量，施生物炭植株總吸氮量和吸鉀量比對照分別提高44%和34%，覆膜比對照分別提高135%和133%。

（3）覆膜顯著提高了氮素在莖中的分配比例，由對照的0.12提高到0.15。

（4）覆膜和施生物炭春油菜產(chǎn)量分別比對照提高9%和34%，主要是增加了單株角果數(shù)，尤其是每個(gè)分枝的角果數(shù)。

（5）覆膜顯著提高了0.25～2 mm團(tuán)聚體含量，而施生物炭使土壤中R0.25顯著提高14.8%，MWD提高23.1%。