生物炭還田方式對冬小麥籽粒灌漿特性及產量的影響

張 莉，馬國珠，谷彩花，趙 敏，劉合滿，付國占

(1.信陽農林學院農學院，河南信陽 464001； 2. 河南科技大學農學院，河南洛陽 471023 )

黃淮海地區(qū)是我國糧食主產區(qū)，2018年該區(qū)冬小麥產量占全國小麥總產的80%以上，玉米產量占全國玉米總產的30%以上，冬小麥-夏玉米是該區(qū)主要的種植模式。目前普遍使用玉米秸稈直接粉碎還田的耕作方式常影響后茬小麥出苗，造成缺苗斷壟、幼苗群體質量差等問題，改進夏玉米秸稈還田方式對冬小麥高產穩(wěn)產有重要意義。

陳溫福院士提出秸稈炭化還田，即將結構蓬松的秸稈在缺氧條件下，經過高溫裂解變成生物炭還田。由于等質量秸稈炭化后粒徑變小，堆積密度增加，體積縮小，施入土壤可有效避免因秸稈還田形成的“空洞”，減少土壤水分蒸發(fā)。同時易與土壤顆粒形成微小團粒，降低土壤三相結構指數(shù)，增加土壤孔隙度，加快土壤水分入滲速度，增加累積入滲量，提高土壤保水能力，緩解水分虧缺對小麥的傷害。李中陽等研究表明，生物炭還田可緩解土壤板結情況，增加冬小麥總根長和總表面積，延緩生育后期根系衰老速度，減弱冬小麥灌漿期旗葉光合“午休”，顯著提高旗葉凈光合速率，促使小麥增產。還有學者研究指出，生物炭還田可增加土壤養(yǎng)分含量，促進植株對氮、磷、鉀元素的吸收，提高小麥產量?？梢?，生物炭還田在改善還田土壤質量、提高小麥產量方面具有巨大的潛力和優(yōu)勢。但目前關于生物炭還田的研究大多集中在土壤理化性質和小麥產量方面，有關生物炭還田對冬小麥產量形成機理的研究較少；同時，缺乏生物炭不同耕作方式下還田對冬小麥產量影響的對比研究。而灌漿是影響小麥籽粒產量形成的重要生理過程，灌漿進程與籽粒產量密切相關。鑒于此，本研究選用揚麥13為供試品種，分析了生物炭不同還田方式對小麥籽粒灌漿特性、干物質轉運和產量影響，以期探明生物炭還田方式下冬小麥產量形成機制，為生物炭的推廣應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019—2020年在河南省信陽市趙洼村信陽農林學院試驗基地(E 113°56′32″、N 32°22′8″)進行，該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候向暖溫帶過渡氣候，年均日照時數(shù)為1 900～2 100 h，常年≥10 ℃的積溫4 621 ℃，年均氣溫15.1～ 15.3 ℃，無霜期220～240 d，年平均降水量1 100 mm，主要集中在夏秋兩季。該地區(qū)為冬小麥生長季無灌溉區(qū)，2008—2018年冬小麥生長季總降水量平均為487.2 mm，2019—2020年僅為 327.10 mm，4月和5月降水量為45.5 mm，比往年同期減少77.78%，具體降水分布見圖1。供試土壤為黃棕壤，0～40 cm土層土壤基礎理化性質見表1。

1.2 試驗設計

供試小麥品種為揚麥13。試驗以旋耕生物炭不還田為對照(CK)，設生物炭旋耕還田(XG)、常規(guī)翻耕還田(FG)和深翻還田(SFG)3種還田方式，共4個處理。供試玉米秸稈生物炭由河南立澤環(huán)保科技有限公司提供，碳含量≥70%，pH值為9.0。生物炭還田處理均撒施等量生物炭 (1 000 kg·hm)后再進行相應耕作。其中，旋耕處理用東風-12型手扶拖拉機與配套的旋耕犁進行(深度為15～20 cm)；常規(guī)翻耕用東風-12型手扶拖拉機與配套鏵式犁進行(深度為20～25 cm)；深翻還田(SFG)用東風-12型手扶拖拉機與配套鏵式犁進行(深度為25～30 cm)；耕作后各處理撒施等量的化肥，并用旋耕犁旋耕平整地表。試驗采用隨機區(qū)組設計，每個處理3次重復，小區(qū)面積60 m(10 m×6 m)。小麥于2019年11月2號人工點播，播量225 kg·hm，行距20 cm；2020年6月1日收獲。供試化肥為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀，施用量分別為N 105 kg·hm、PO120 kg·hm和KO 150 kg·hm。小麥生長季無人工灌溉，其他管理措施同當?shù)爻Ｒ?guī)大田。

圖1 冬小麥生育期內日降水量

表1 土壤基礎理化性質Table 1 Basic chemical and physical properties of the experiment soil

1.3 測定項目與方法

1.3.1 干物質轉運與分配相關指標測定

于開花期和成熟期各小區(qū)取30個地上單莖，開花期的地上部營養(yǎng)器官、成熟期的籽粒和地上部營養(yǎng)器官，在105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干、稱重，參照王鑫煒等方法測定干物質積累與分配相關指標，具體如下：

花前干物質轉運量=開花期營養(yǎng)器官干物質量-成熟期營養(yǎng)器官干物質量；

花前干物質貢獻率=花前干物質轉運量/成熟期籽粒重×100%；

花后干物質積累量=成熟期植株干物質量-開花期植株干物質量；

花后干物質貢獻率=花后干物質積累量/成熟期籽粒重×100%。

1.3.2 籽粒灌漿特性測定

于開花期標記長勢一致麥穗；按小區(qū)每隔7 d取30個麥穗，剝取麥穗中部小穗的第1位和第2位籽粒(強勢粒)、第3位和第4位籽粒(弱勢粒)，105 ℃殺青15 min，75 ℃烘干至恒重，稱取干重后參照王雪萊等方法計算灌漿速率= (+1-)(+1-)，用Logistic方程=(1+-) 擬合小麥籽粒灌漿過程。式中，是灌漿速率(mg·grain·d)，+1為開花后+1d的籽粒重(g)，為開花后d的籽粒重(g)，+1為開花后+1 d，為開花后d，為籽粒重量(g)，為開花后天數(shù)(d)，為終極生長量，為初值參數(shù)，為生長速率參數(shù)。由方程一階導數(shù)和二階導數(shù)，推導出灌漿參數(shù)。積累起始勢=，灌漿活躍期=6，灌漿速率最大時間=ln，最大灌漿速率=×(1-/)，灌漿速率最大時的生長量=/2。

1.3.3 產量及其構成測定

成熟期去除邊行，各小區(qū)調查1 m的有效穗數(shù)，隨機選取30個麥穗，測定穗粒數(shù)和千粒重；按小區(qū)收獲，曬干后測定籽粒含水量， 以含水量13%計算實際產量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010處理數(shù)據(jù)，用Curve Expert 1.4 擬合灌漿過程，用SPSS 23.0進行方差分析，用LSD進行多重比較。

表2 不同處理處理下冬小麥地上干物質積累與分配Table 2 Dry matter accumulation and distribution of winter wheat under different treatments

2 結果與分析

2.1 生物炭不同還田方式對冬小麥地上干物質積累與轉運的影響

由表2可知，生物炭還田各處理(XG、FG、SFG)開花前、開花后干物質積累量和轉運量均高于不還田處理(CK)。3個生物炭還田處理的花前干物質積累量差異顯著，其中XG處理分別比FG和SFG處理提高2.48%和5.54%，其花前干物質轉運量和對籽粒產量貢獻率無顯著差異。XG處理花后干物質積累量和對籽粒產量貢獻率均高于FG和SFG處理，其花后干物質積累量較FG和SFG處理顯著提高(6.66%和14.31%)，貢獻率提高0.35和2.14個百分點，但差異不 顯著。

2.2 生物炭不同還田方式對冬小麥灌漿特性的影響

2.2.1 籽粒干物質積累動態(tài)

由圖2可知，生物體炭還田對籽粒干重增長趨勢無顯著影響，各處理冬小麥強、弱勢粒千粒重均表現(xiàn)為慢-快-慢的增長趨勢，可分為漸增期(花后0～7 d)、快增期(花后8～28 d)、緩增期(花后29～35 d)三個階段。與CK相比，生物炭還田處理可提高強勢粒、弱勢粒千粒重，且對弱勢粒千粒重提升作用更明顯。與CK相比，XG處理弱勢粒千粒重提高了9.08%～47.19%，F(xiàn)G處理提高了6.51%～35.28%，SFG處理提高了 3.63%～17.12%。在生物炭還田處理中，XG處理花后14、21、28和35 d強勢粒千粒重比FG和SFG處理提高 3.38%～8.43%和4.70%～ 11.33%，弱勢粒千粒重分別比FG和SFG處理提高5.11%～ 8.80%和11.71%～25.67%，差異均達到0.05顯著水平。

2.2.2 籽粒灌漿速率

由圖3可知，在漸增期、快增期和緩增期三個階段，XG、FG和SFG處理冬小麥強勢粒、弱勢粒灌漿速率均高于不還田處理CK，且在快增期各處理間差異均達到顯著水平。在生物炭還田處理中，XG處理三個階段強勢粒、弱勢粒的灌漿速率均高于FG和SFG處理，其中XG處理快增期強勢粒的灌灌漿速率分別比FG和SFG處理提高2.53%和3.81%，弱勢粒灌漿速率提高6.15%和13.36%。

圖2 不同處理冬小麥強、弱勢粒千粒重動態(tài)

相同時期圖柱上不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2.3 籽粒灌漿模型參數(shù)

由表3可知，3個生物炭還田處理對強勢粒、弱勢粒的起始生長勢()無顯著影響，對強勢粒、弱勢粒的最大灌漿速率()、最大灌漿速率生長量()、最大灌漿速率的時間()和灌漿活躍期()影響顯著，且XG和FG處理表現(xiàn)更突出。在強勢粒方面，與CK相比，XG和FG處理的顯著提高(6.33%和3.94%)，顯著增加(6.69%和3.59%)，顯著減少 (4.81%和3.50%)，各處理間灌漿活躍期無顯著差異。在弱勢粒方面，XG和FG處理的和均顯著高于CK和SFG，均顯著低于CK和SFG。與FG處理相比，XG處理的和顯著提高(5.58%和4.88%)，而兩處理間差異不顯著。

表3 不同處理對冬小麥籽粒灌漿特性的影響Table 3 Effects of different treatments on grain filling parameters of winter wheat

2.3 生物炭不同還田方式對冬小麥產量及構成的影響

由表4可知，生物炭還田各處理可顯著提高冬小麥產量，且XG處理產量最高，比FG和SFG處理顯著提高，分別提高3.05%和10.63%。在產量構成方面，處理間均表現(xiàn)為XG>FG>SFG>CK。與CK相比，XG和FG處理冬小麥有效穗數(shù)提高3.63%和1.41%，穗粒數(shù)提高17.01%和14.19%，千粒重提高8.19%和6.18%，差異均顯著；而SFG處理的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)與CK間無顯著差異。

表4 不同處理對冬小麥產量及構成因素的影響Table 4 Effects of different treatments on grain yield and its components of winter wheat

3 討 論

3.1 生物炭還田方式對干物質轉運的影響

地上干物質是冬小麥籽粒產量形成的物質基礎，在一定范圍內，籽粒產量隨著干物質積累量的增加而增加，尤其是與開花后營養(yǎng)器官干物質及其在各營養(yǎng)器官的分配密切相關。趙紅玉等認為，生物炭還田可緩解旗葉衰老，增強光合作用，促進冬小麥干物質積累。本研究結果與其相似，生物炭還田可顯著增加開花前和花后地上干物質積累量與轉運量，且相對于翻耕還田和深翻還田，生物炭旋耕還田在增加花后干物質向籽粒的轉運量和提高花后干物質的貢獻率方面更加突出。這應與不同耕作方式改變生物炭在土層間的空間分布有關。研究表明，生物炭微孔結構豐富，比表面積大、含氧官能團多，可吸附肥料中的速效養(yǎng)分，減少氮磷鉀的淋溶，提高養(yǎng)分有效性。旋耕還田使得生物炭與化肥分布在0～20 cm耕層，能更好發(fā)揮生物炭對養(yǎng)分的吸持作用，延長養(yǎng)分在土壤中的滯留時間，滿足冬小麥生長中后期對養(yǎng)分的需求，使得灌漿期旗葉保持較高的光合性能，顯著提高花后光合同化物的積累量及其向籽粒的轉運量。

3.2 生物炭還田方式對冬小麥強、弱勢粒灌漿特性的影響

灌漿是影響籽粒產量形成的重要生理過程，小麥灌漿進程與粒重密切相關，在單位面積有效穗數(shù)一定時，提高灌漿速率和延長灌漿持續(xù)期對增加產量具有重要意義。本研究結果表明，生物炭還田不影響冬小麥強、弱勢粒的灌漿規(guī)律，各處理粒重均表現(xiàn)為慢-快-慢的變化趨勢，但提高了漸增期、快增期、緩增期強、弱勢粒的灌漿速率。這可能是由于生物炭還田改善了土壤質量，減弱冬小麥開花期和灌漿期的光合“午休”，增強光合性能，為籽粒充實合成了較多的碳水化合物。用 Logistics 方程對灌漿進程擬合后發(fā)現(xiàn)，處理間強、弱勢粒灌漿起始勢和灌漿活躍期均無顯著差異，說明生物炭不影響籽粒灌漿啟動的時間和灌漿持續(xù)天數(shù)，但顯著提高強弱、弱勢粒最大灌漿速率，縮短到達最大灌漿速率的時間，其中旋耕還田強、弱勢粒最大灌漿速率顯著高于翻耕還田和深翻耕還田處理，這可能與生物炭旋耕還田能維持較好的土壤水分狀況有關。試驗地區(qū)為豫南無灌溉區(qū)，冬小麥生長季常年降水量為480 mm左右，基本滿足小麥正常需求(405～414 mm)，但試驗期間冬小麥生長期降水稀少，總量不足330 mm，且4月和5月降水量不足50 mm，此時正值冬小麥灌漿期，是作物水分需求的臨界期，土壤水分狀況是冬小麥高產穩(wěn)產的關鍵。而不同耕作方式改變了土壤物理結構，影響土壤水分入滲運移過程。孫寧婷等研究指出，生物炭施入20 cm土層可顯著降低水分運移速率，提高該層土壤含水量。同時，生物質炭具有良好的親水性和較大的比表面積，還能增強對土壤水分的吸持能力，降低累積蒸發(fā)量，增加土壤水分含量，有效減輕干旱對光合的抑制，使灌漿期合成充足的光合產物，滿足了強、弱勢粒灌漿需求。而深翻和翻耕破壞深層土壤結構，增強土壤擾動，增大表土水分無效蒸發(fā)以及底土水的滲漏，加劇了灌漿期水分虧缺對籽粒灌漿的抑制，影響籽粒灌漿，粒重低于旋耕還田。

3.3 生物炭還田方式對冬小麥產量的影響

研究表明，生物炭還田可改善土壤結構，增強土壤養(yǎng)分供給能力和持水性，優(yōu)化作物生長環(huán)境，利于作物增產，但由于還田數(shù)量和耕作方式的不同，增產效果存在一定差異。姜佰文等研究結果顯示，旋耕條件下施用低量生物炭能顯著提高玉米產量，深翻條件下施用高量生物炭更利于玉米增產。本研究結果與前人相似，生物炭還田可協(xié)調有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重三因素間的關系，提高冬小麥產量，且旋耕還田小麥產量顯著高于翻耕還田和深翻還田。究其原因可能是生物炭與土壤混合程度不同造成的。相對于翻耕還田和深翻還田，旋耕還田生物炭主要與0～20 cm淺層土壤混合，使得耕層單位體積土壤中生物炭含量較高，可有效降低土壤容重，增加土壤總孔隙度，減輕耕層土壤黏重程度；冬小麥屬于須根系作物，70%～80%根系分布在0～20 cm土層，該土層土壤結構的改善，利于根系發(fā)育，擴大了養(yǎng)分吸收空間，利于小穗的分化和籽粒的填充，進而使得旋耕還田處理小麥增產更顯著。

綜上可知，小麥-玉米輪作雨養(yǎng)無灌溉地區(qū)，生物炭旋耕還田更利于提高冬小麥開花期干物質積累量，促進花后干物質向籽粒轉運，提高強、弱勢粒平均灌漿速率和最大灌漿速率，縮短灌漿持續(xù)時間，促進花前干物質積累，提高花后光合產物對籽粒貢獻率，進而促進小麥增產。但籽粒灌漿過程與土壤水分狀況關系密切，麥玉輪作無灌溉條件下玉米生物炭最佳還田方式是否會因降雨年限不同而發(fā)生改變仍不清楚。因此，還需進一步研究生物炭不同還田方式下土壤水分變化規(guī)律與冬小麥產量形成的關系，及其對水分管理措施的響應。