元謀干熱河谷青棗光合及產(chǎn)量對不同比例有機肥與生物炭配施的響應

王春雪 岳學文 史亮濤 李坤 李小英 方海東 潘志賢

摘 ?要：青棗是一種清甜多汁、營養(yǎng)豐富的熱帶水果，在云南干熱河谷區(qū)廣泛栽培。近年來由于化肥的過量施用，導致青棗的產(chǎn)量和品質(zhì)都有所下降，由此導致的農(nóng)業(yè)環(huán)境問題也不容忽視。而有機肥和生物炭能夠有效緩解過量施用化肥而帶來的一系列問題。本研究立足云南元謀干熱河谷，研究了有機肥與生物炭配施對青棗光合和產(chǎn)量的影響，以期為當?shù)毓r(nóng)提供有效的施肥措施，同時也為元謀干熱河谷區(qū)的農(nóng)業(yè)環(huán)境問題提供重要數(shù)據(jù)支撐。為了研究元謀干熱河谷引種的青棗在不同有機肥和生物炭配施比例下的光合特征及產(chǎn)量水平，本文設計了3個梯度的有機肥處理，即20 kg/株（H）、10 kg/株（M）、5 kg/株（L），和3個梯度的生物炭處理，即添加6%（Y1）、3%（Y2）、0%（CK），有機肥和生物炭添加處理間兩兩組合共9個處理，分別為：HY1、HY2、HCK、MY1、MY2、MCK、LY1、LY2、LCK，并對其進行了連續(xù)6個月的光合指標測定及最終的產(chǎn)量測定。雙因素方差分析結(jié)果表明，有機肥施用量和生物炭施用比例對青棗的光合參數(shù)和產(chǎn)量不存在顯著性交互作用（P>0.05），有機肥的施用量對青棗的光合參數(shù)和產(chǎn)量的影響不顯著，而生物炭的施用比例對氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和產(chǎn)量有顯著的影響。單因素方差分析表明，青棗的光合能力和產(chǎn)量不是隨著有機肥與生物炭配施量的增加而增加，而是表現(xiàn)為中、高用量有機肥無生物炭添加的處理青棗產(chǎn)量最高，低有機肥無生物炭配施的處理青棗光合能力最強。相關(guān)性分析顯示，青棗的光合速率受到氣孔因素的影響，說明生物炭是通過影響氣孔導度從而影響光合速率，最終影響產(chǎn)量的。有機肥與生物炭配施對于青棗而言，短期內(nèi)不是最佳的施肥模式。

關(guān)鍵詞：青棗;光合作用;產(chǎn)量;有機肥;生物炭

中圖分類號：S667.9 ? ? ?文獻標識碼：A

Response of Photosynthesis and Yield of Zizyphus mauritiana Lam. to Different Proportion of Organic Fertilizer with Biochar Application in Yuanmou Dry-hot Valley

WANG Chunxue1，2， YUE Xuewen1，2， SHI Liangtao1，2， LI Kun1，2， LI Xiaoying3， FANG Haidong1，2，

PAN Zhixian1，2*

1. Institute of Tropical Eco-Agricultural Sciences， Yunnan Academy of Agricultural Sciences， Yuanmou， Yunnan 651300， China; 2. Yuanmou Dry-Hot Valley Botanical Garden， Yuanmou， Yunnan 651300， China; 3. College of Ecology and Environment， Southwest Forestry University， Kunming， Yunnan 650224， China

Abstract： Zizyphus mauritiana is a sweet， juicy and nutritious tropical fruit which is widely cultivated in the dry-hot valley area of Yunnan. In recent years， due to the excessive application of chemical fertilizer， the yield and quality of Z. mauritiana have declined， which result in a lot of serious agricultural environmental problems. Organic fertilizer and biochar can effectively alleviate a series of problems caused by excessive fertilizer application. Based on the dry-hot valley of Yuanmou， this study researched the effects of organic fertilizer and biochar on the photosynthesis and yield of Z. mauritiana， aimed to provide effective fertilization measures for local fruit farmers and also provide important agricultural planting and fertilization data for agricultural environment problems in Yuanmou dry-hot valley. Three gradients of organic fertilizer treatment 20 kg/plant （H）， 10 kg/plant （M）， 5 kg/plant （L）， and three biochar treatments， 6% （Y1）， 3% （Y2）， 0% （CK） were desiged. There were 9 treatments in pair combination between organic fertilizer and biochar addition treatments， namely HY1， HY2， HCK， MY1， MY2， MCK， LY1， LY2， LCK. The photosynthetic index and the final yield were measured for 6 months. The results of two-factor ANOVA showed that there was no significant interaction between the application rate of organic fertilizer and the proportion of biochar on the photosynthetic parameters and yield of Z. mauritiana （P>0.05）. The application amount of organic fertilizer had no significant effect on the photosynthetic parameters and yield of Z. mauritiana， but the application proportion of biochar had significant effect on stomatal conductance （Gs）， transpiration rate （Tr） and yield of Z. mauritiana. One-way ANOVA showed that the photosynthetic capacity and yield of Z. mauritiana did not increase with the dosage of organic fertilizer and biochar increase. However， the treatments with medium and high amount of organic fertilizer and no biochar had the highest yield， while the treatment with low organic fertilizer and no biochar had the highest photosynthetic capacity. Correlation analysis showed that the photosynthetic rate of Z. mauritiana was affected by stomatal factors， indicating that biochar affected the photosynthetic rate and ultimately the yield by affecting stomatal conductance. Combined application of organic fertilizer and biochar was not the best fertilization pattern in the short term for Z. mauritiana.

Keywords： Zizyphus mauritiana Lam.; photosynthesis; pyyield; prooganic fertilizer; biochar

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2022.01.017

青棗（Zizyphus mauritiana Lam.）在分類學上屬于鼠李科（Rhamnaceae）棗屬（Ziziphus），又名毛葉棗，是一種陽性喜溫熱帶水果，生長期對熱量的要求高，果實成熟期為12月—次年2月[1]。青棗同時具有耐土壤貧瘠、適應性強、生長迅速、掛果早、果實清甜多汁、營養(yǎng)豐富等諸多優(yōu)點[2]，為我國臺灣自1994年從印度引種的熱帶水果，在我國經(jīng)過了芽變選種、實生選種、國外引種等途徑，形成了現(xiàn)在豐富的優(yōu)良種群[1]。近年來我國云南、臺灣、廣東、海南、廣西、福建、重慶、四川等地成功引種青棗，并開始推廣種植[3]。

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤養(yǎng)分補充的重要措施，但近年來為了追求高產(chǎn)，化肥過量施用的現(xiàn)象普遍存在。據(jù)報道，中國是最大的化肥生產(chǎn)和消費國，其約占世界總化肥消費量的34%[4]，這就最終導致了化肥利用率低、土壤肥力下降、農(nóng)田生態(tài)破壞等不良后果[5]。而在青棗生產(chǎn)方面，近年由于一些果農(nóng)只注重施用化肥，少施或不施有機肥，導致果園土壤有機質(zhì)降低、酸化、養(yǎng)分失衡、病害嚴重等問題[6]。

有機肥能夠緩解土壤酸化、改善土壤理化性質(zhì)、增加養(yǎng)分有效性、維持養(yǎng)分平衡、優(yōu)化土壤微生物構(gòu)成[5]。有機肥不僅含有作物生長所需的大量元素（N、P、K），還含有Cu、Zn、Fe、Mn、Mg、Mo、B、S等微量元素，其輸入的微量元素含量遠遠高于化肥，且有效性遠高于土壤，是農(nóng)田中微量元素的重要補給源[7]。同時，有機肥還能夠增加土壤活性碳氮組分，增加與營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物和酶活性，從而提高土壤養(yǎng)分有效性[8]。而有研究表明，生物炭能夠提高土壤養(yǎng)分有效性，從而提高作物對養(yǎng)分的吸收效率。生物炭對作物影響的主要原因是生物炭對土壤的改善[9]。何緒生等[10]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭與肥料配施對作物生長和產(chǎn)量均為正效應，究其原因，主要是肥料抵消了生物炭低養(yǎng)分的缺陷，生物炭使肥料養(yǎng)分緩慢釋放，二者協(xié)同互補。也有對生物炭降低作物產(chǎn)量或無影響的相關(guān)報道，如江福英等[11]研究表明，在茶園中施入不同梯度的生物炭，茶產(chǎn)量雖有一定程度的增加，但增加不顯著;張晗芝等[12]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以抑制玉米幼苗生長。光合作用在決定果樹產(chǎn)量高低的同時，還影響果實的品質(zhì)（含糖量、重量、色澤、香氣等），生產(chǎn)中具有高光合能力的果樹，產(chǎn)量和質(zhì)量也高[13]。因此，施肥和光合作用的研究，是探索青棗產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵。

目前，前人對青棗的研究主要集中在高產(chǎn)栽培、引種育苗、產(chǎn)期調(diào)控、保鮮儲藏、品質(zhì)提升、病害防治及施肥方案[14-20]等方面。當前，國內(nèi)關(guān)于有機肥配施生物炭對青棗產(chǎn)量和光合的影響還鮮見報道。本研究在云南青棗主產(chǎn)區(qū)——元謀金沙江干熱河谷進行，探討了不同比例有機肥與生物炭配施對青棗生長期、花期、果期的光合作用及光合色素的影響，及最終的產(chǎn)量響應，為探索金沙江干熱河谷區(qū)青棗的可持續(xù)施肥措施提供理論依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗地概況

田間試驗于云南省農(nóng)業(yè)科學院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所苴林基地進行。該基地位于云南省元謀縣金沙江干熱河谷區(qū)，東經(jīng)1014972、北緯255104，海拔1167 m，年均氣溫21.5℃，最冷月為1月，月均氣溫14.9℃，最熱月為7月，月均氣溫為27.1℃，區(qū)域內(nèi)干濕季分明，年均降雨量613.8 mm，年均蒸發(fā)量3911.2 mm，90%以上的降雨集中在每年的6—10月，屬典型的干熱河谷氣候[21]。土壤類型為燥紅土，施肥前其0～20 cm土層的理化性質(zhì)為：pH 7.86，全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、有機質(zhì)（OM）的含量分別為0.067、0.074、13.841、3.003 g/kg，水解性氮（WSN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）的含量分別為15.633、5.453、138.507 mg/kg，土壤容重為（SBD）1.685 g/cm3，土壤總孔隙度（TSP）38.344%。

1.2 ?方法

1.2.1 ?試驗設計 ?試驗設置2個處理因素，因素一為有機肥施肥量，即3個有機肥施用梯度水平：20 kg/株（H）、10 kg/株（M）、5 kg/株（L）;因素二為按有機肥施用的重量比例（W/W）添加不同用量的生物炭，即3個添加梯度水平：6%（Y1）、3%（Y2）、0%（CK）;采用雙因素垂直正交試驗設計方法，共9個處理組合，分別為HY1、HY2、HCK、MY1、MY2、MCK、LY1、LY2、LCK。每個處理組合設置3個平行。

1.2.2 ?試驗處理 ?每個小區(qū)面積為15 m2，其中種植4 a樹齡的青棗，株行距為3 m×4 m，試驗用青棗品種為‘臺農(nóng)’，小區(qū)隨機分布。試驗使用的有機肥和生物炭為市售肥料，生物炭為竹炭，其基本理化性質(zhì)為：pH 11.31，C 79.98%、N 0.70%、S 0.40%、TP 2.04 g/kg;有機肥中N、P2O5、K2O含量分別為46.00、14.50、9.80 g/kg。

1.2.3 ?取樣與樣品處理 ?在2019年8月—2020年1月期間取樣測定一系列指標，共連續(xù)測定6個月，直至青棗收獲。在2019年9月3日和10月20日測定葉片葉綠素含量，使用葉綠素相對含量使用托普云農(nóng)TYS-A手持葉綠素計進行測定。青棗的產(chǎn)量采用分批采摘、總量求和的方法進行統(tǒng)計，在2019年11月21日、11月30日、12月18日、2020年1月8日、1月29日，分5次對青棗進行采摘，對其產(chǎn)量總和進行分析。

1.2.4 ?測定指標 ?葉片葉綠素相對含量使用托普云農(nóng)TYS-A手持葉綠素計，其可以即時測定植物的葉綠素相對含量（單位SPAD）。葉片光合指標測定儀器使用Li-6400XT型光合儀（美國Li-COR公司）。測定采用葉室自帶的紅藍光源，光合有效輻射的強度設置為2500 μmol/（m2·s），開放式氣路，溫度為25℃，CO2濃度為400 μmol/mol。

葉片瞬時水分利用效率（WUEi），采用光合有效輻射為2500 μmol/（m2·s）時的凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（Tr）進行計算，公式為：

WUEi=Pn/Tr

實測的Pn、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、Tr按照光合有效輻射為2500 μmol/（m2·s）時的數(shù)值進行比較。

1.633 ?數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件軟件進行數(shù)據(jù)整理。采用IBM SPSS Statistics 22軟件進行組內(nèi)有重復的雙向分組資料、單向分組資料方差分析和相關(guān)性分析，多重比較采用Duncan’s法。采用OriginPro 9.1軟件進行圖形制作。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?測定指標的雙因素方差分析

采用雙因素方差分析有機肥施用量和生物炭施用比例對青棗光合、產(chǎn)量等指標的影響，如表1所示，在本研究中，有機肥施用量和生物炭施用量在對青棗的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）、瞬時水分利用效率（WUEi）、葉片葉綠素含量、產(chǎn)量的影響上交互作用不顯著（P>0.05）。有機肥施用量對于光合和產(chǎn)量各個參數(shù)的影響無顯著差異，而生物炭的施用比例對于Gs、Tr和產(chǎn)量的影響均有顯著差異，其中，對于Gs、Tr、產(chǎn)量，均為CK處理組顯著高于Y1和Y2處理組。這說明有機肥施用到一定的量則對青棗的光合參數(shù)和產(chǎn)量影響變化不大，而生物炭則表現(xiàn)出了影響光合參數(shù)和產(chǎn)量的特性，在與有機肥的配施條件下，不施生物炭反而使得青棗氣孔導度、蒸騰速率和產(chǎn)量更高?？傮w說明生物炭施用比例是該研究的主要影響因子。

2.2 ?不同施肥處理的青棗光合作用特征

每組處理青棗葉片的光合指標的單項分組資料方差分析結(jié)果如表2所示。LCK的凈光合速率（Pn）顯著高于LY1、LY2，而在其他組之間無顯著差異。胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）均表現(xiàn)為LCK顯著高于其他施肥

處理。葉片瞬時水分利用效率（WUEi）反映了作物的光合作用狀況，本研究中，WUEi表現(xiàn)為MY1顯著高于LCK。結(jié)果說明了在凈光合速率上，隨著施肥量的增加并沒有使青棗Pn有顯著增加，反而施肥量最低的處理Pn最高。而水分利用的相關(guān)指標出現(xiàn)了一定程度的變化，這種變化主要集中在LCK上，其Gs和Tr顯著升高，而WUEi顯著降低，這說明了LCK的瞬時水分利用效率的降低主要因素是氣孔導度的增加，導致了蒸騰速率增加。

2.3 ?不同施肥處理的青棗光合色素含量特征

葉綠素相對含量見圖1，結(jié)合表1的雙因素方差分析數(shù)據(jù)顯示，10月20日采集的葉綠素相對含量數(shù)據(jù)整體高于9月3日采集的數(shù)據(jù)，這說明青棗葉片的光合能力和成熟度在這一個多月中有所增加。9個施肥處理的青棗葉片葉綠素相對含量在9月3日無顯著差異，而在10月20日HCK和MY2顯著高于MCK，說明不同的配施肥料處理對于較嫩的青棗葉片光合色素含量影響不顯著，而對于老葉片的影響更大，尤其是CK處理組，其組內(nèi)出現(xiàn)了較大的變異。

2.4 ?不同施肥處理的青棗產(chǎn)量特征

對青棗產(chǎn)量特征進行單項分組資料方差分析，如圖2所示，中高劑量有機肥施用的3個處理比較發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量由高到低的順序是HCK>HY1> HY2，其中，HY2與HCK相比產(chǎn)量降低了29.41%，HY1與HCK相比產(chǎn)量降低了16.75%。中劑量有機肥施用的3個處理產(chǎn)量特征與此相似，為MCK>MY1>MY2，其中MY2與MCK相比產(chǎn)量降低了25.12%，MY1與MCK相比產(chǎn)量降低了21.45%。低劑量有機肥施用的3個處理間產(chǎn)量無顯著差異。結(jié)合雙因素方差分析結(jié)果（表2）表明，在青棗的種植中施用有機肥的同時施用生物炭，對其產(chǎn)量有一定程度的抑制作用，生物炭施用比例是產(chǎn)量的主要影響因素。

2.5 ?青棗光合參數(shù)間的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析能夠體現(xiàn)出指標間的內(nèi)在聯(lián)系，對青棗的光合參數(shù)進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。其中，Gs與Pn呈極顯著正相關(guān)，Ci與Gs呈極顯著正相關(guān)，Tr與Pn呈顯著正相關(guān)，與Gs、Ci呈極顯著正相關(guān)，WUEi與Gs、Ci、Tr呈極顯著負相關(guān)。其各項各各項參數(shù)間的擬合圖見圖3。本研究的相關(guān)性分析表明，Gs、Tr都與Pn呈顯著正相關(guān)，這說明影響青棗Pn的是氣孔因素，氣孔導度高的處理組，其胞間CO2濃度也高，導致了光合作用原料充足，光合速率較高，最終導致了產(chǎn)量的提高。WUEi與Gs、Tr均呈極顯著負相關(guān)，說明青棗的氣孔導度和蒸騰速率越高，其水分利用效率越低，其水分利用效率的降低主要因素是蒸騰速率的增加，氣孔導度的增加雖然提高了光合速率，但同時也降低了青棗的水分利用效率。

3 ?討論

3.1 ?有機肥和生物炭配施對青棗光合的影響

光合作用是作物品質(zhì)和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[22]。施用生物炭對土壤的改良效果與其施用量有關(guān)，用量不同，作物的光合特征表現(xiàn)不同，這表現(xiàn)了生物炭對于植物生長的積極作用。適量施入生物炭可以提高植物的表觀量子效率、凈光合速率、光合能力、氣孔導度等[23-24]，但隨著生物炭用量的增加，作物的生長又會受到抑制[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，高用量、高比例的有機肥與生物炭配施不能顯著提高青棗的光合能力，相反，低施用量的有機肥不配施生物炭的處理能夠顯著提高青棗的光合能力，這可能是由于生物炭具有較高的吸附性，施入過量的生物炭導致了土壤大孔隙和小孔隙的增加，從而降低了土壤的有效孔隙量[26]，造成了養(yǎng)分和水分向作物根系的移動受到影響，不利于養(yǎng)分和水分的吸收，從而降低了青棗的光合能力。另有研究表明，施用過量的生物炭會降低土壤微生物和酶的活性[27]，同時也不利于作物光合能力的提升[28]。本研究中的青棗在低有機肥不配施有機碳的情況下，光合參數(shù)顯著高于其他處理，且相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，青棗的凈光合速率是由氣孔因素決定的，這說明了在既有有機肥又配施生物炭的高炭情況下，提高了土壤的C/N，導致土壤中大量的N被固定[29]，同時，土壤有效態(tài)養(yǎng)分被生物炭中的孔隙吸附，使青棗葉片受到一定程度的養(yǎng)分脅迫，從而使氣孔導度降低，CO2進入葉片細胞間受阻，致使胞間CO2濃度也處于較低的水平，這就致使以CO2為原料的光合作用降低，最終影響了青棗的產(chǎn)量。

3.2 ?有機肥和生物炭配施對青棗產(chǎn)量的影響

肥料是青棗生產(chǎn)中重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，尤其是有機肥，在增加土壤養(yǎng)分、改善土壤結(jié)構(gòu)、培肥地力方面有著重要的作用[3]。研究表明，適量的生物炭進入土壤中，具有增強保水蓄肥能力、改善土壤結(jié)構(gòu)、提高養(yǎng)分含量、促進菌根生長、提高作物品質(zhì)及產(chǎn)量的作用[30]。這是由于生物炭在熱解過程中，原材料中的大部分Ca、Mg、K、P、微量元素，和幾乎一半的N和S都進入了生物炭中，因此其可作為土壤改良劑，將大部分養(yǎng)分返還到土壤中，從而提高土壤生產(chǎn)力[31-32]。LEHMANN等[33]研究表明，生物炭與肥料配施條件下，生物炭可以通過吸附NH4+和NO3?來降低土壤的N流失，提高N肥利用效率。黃超等[34]的研究發(fā)現(xiàn)，在肥力水平低的土壤中施用生物炭，能夠顯著提高黑麥草產(chǎn)量，而在肥力水平高的處理中，生物炭對黑麥草的增產(chǎn)效應降低，甚至會減產(chǎn)。本研究發(fā)現(xiàn)，有機肥和生物炭配施不能顯著提高青棗的產(chǎn)量，相反，生物炭與中、高施用量的有機肥配施能夠顯著降低青棗產(chǎn)量。有研究發(fā)現(xiàn)，向肥力較高的土壤中施入高量的生物炭，對黑麥草的生長會產(chǎn)生輕微的抑制作用[34]。究其原因可能是生物炭呈堿性，施入生物炭后土壤pH增加，導致了pH敏感的植物產(chǎn)量降低，或是pH改變引起了植物微量元素缺乏癥[35]。本研究中，有機肥已經(jīng)具有較高的C/N，而再加入生物炭就導致了N的固定。然而，陳麗美等[36]研究了有機肥和竹炭混合施用對火龍果品質(zhì)和產(chǎn)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，竹炭和有機肥混合施用增加了火龍果的產(chǎn)量，以22.5 t/hm2或45 t/hm2有機肥+6復合6%生物炭為最佳配比。俞若涵等[37]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭與化肥配施，向土壤中施入一定量的生物炭能夠顯著促進植物生長，但是當施用達到一定量后的增產(chǎn)效果減弱?？傊锾康氖┯眯Ч粌H與自身的性質(zhì)有關(guān)，還與施用時間、施用量、氣候條件、土壤性質(zhì)、配施肥料性質(zhì)有關(guān)，這就導致了生物炭對于土壤養(yǎng)分和理化性質(zhì)的影響具有不確定性[30]。從本研究的結(jié)果來看，對于青棗而言，有機肥與生物炭配施，在短期內(nèi)不能提高其產(chǎn)量，對于品質(zhì)的影響需進一步研究。生物炭與化肥配施可能更能夠體現(xiàn)其增產(chǎn)優(yōu)勢。

4 ?結(jié)論

青棗的光合能力和產(chǎn)量不是隨著有機肥與生物炭配施量的增加而增加，而是表現(xiàn)為中、高用量有機肥處理的青棗產(chǎn)量最高，低有機肥無生物炭配施的處理青棗光合能力最強，其中生物炭的配施比例是影響青棗光合作用和產(chǎn)量的主要因子。有機肥與生物炭配施對于青棗而言，短期內(nèi)不是最佳的施肥模式。針對生物炭的施用對青棗產(chǎn)量和光合能力的影響機理應該進行更深入的研究，青棗的品質(zhì)也應進行深入研究，同時應該加強田間的長期定位觀測。

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