張 莉，馬國(guó)珠，谷彩花，趙 敏，劉合滿，付國(guó)占

(1.信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院農(nóng)學(xué)院，河南信陽(yáng) 464001； 2. 河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471023 )

黃淮海地區(qū)是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，2018年該區(qū)冬小麥產(chǎn)量占全國(guó)小麥總產(chǎn)的80%以上，玉米產(chǎn)量占全國(guó)玉米總產(chǎn)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(zhì)量差等問(wèn)題，改進(jìn)夏玉米秸稈還田方式對(duì)冬小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有重要意義。

陳溫福院士提出秸稈炭化還田，即將結(jié)構(gòu)蓬松的秸稈在缺氧條件下，經(jīng)過(guò)高溫裂解變成生物炭還田。由于等質(zhì)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(shí)易與土壤顆粒形成微小團(tuán)粒，降低土壤三相結(jié)構(gòu)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(duì)小麥的傷害。李中陽(yáng)等研究表明，生物炭還田可緩解土壤板結(jié)情況，增加冬小麥總根長(zhǎng)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(chǎn)。還有學(xué)者研究指出，生物炭還田可增加土壤養(yǎng)分含量，促進(jìn)植株對(duì)氮、磷、鉀元素的吸收，提高小麥產(chǎn)量?？梢?jiàn)，生物炭還田在改善還田土壤質(zhì)量、提高小麥產(chǎn)量方面具有巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。但目前關(guān)于生物炭還田的研究大多集中在土壤理化性質(zhì)和小麥產(chǎn)量方面，有關(guān)生物炭還田對(duì)冬小麥產(chǎn)量形成機(jī)理的研究較少；同時(shí)，缺乏生物炭不同耕作方式下還田對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響的對(duì)比研究。而灌漿是影響小麥籽粒產(chǎn)量形成的重要生理過(guò)程，灌漿進(jìn)程與籽粒產(chǎn)量密切相關(guān)。鑒于此，本研究選用揚(yáng)麥13為供試品種，分析了生物炭不同還田方式對(duì)小麥籽粒灌漿特性、干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和產(chǎn)量影響，以期探明生物炭還田方式下冬小麥產(chǎn)量形成機(jī)制，為生物炭的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019—2020年在河南省信陽(yáng)市趙洼村信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院試驗(yàn)基地(E 113°56′32″、N 32°22′8″)進(jìn)行，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候向暖溫帶過(guò)渡氣候，年均日照時(shí)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(wú)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(zhǎng)季無(wú)灌溉區(qū)，2008—2018年冬小麥生長(zhǎng)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(jiàn)圖1。供試土壤為黃棕壤，0～40 cm土層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試小麥品種為揚(yáng)麥13。試驗(yàn)以旋耕生物炭不還田為對(duì)照(CK)，設(shè)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(gè)處理。供試玉米秸稈生物炭由河南立澤環(huán)?？萍加邢薰咎峁己俊?0%，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(jìn)行相應(yīng)耕作。其中，旋耕處理用東風(fēng)-12型手扶拖拉機(jī)與配套的旋耕犁進(jìn)行(深度為15～20 cm)；常規(guī)翻耕用東風(fēng)-12型手扶拖拉機(jī)與配套鏵式犁進(jìn)行(深度為20～25 cm)；深翻還田(SFG)用東風(fēng)-12型手扶拖拉機(jī)與配套鏵式犁進(jìn)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(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積60 m(10 m×6 m)。小麥于2019年11月2號(hào)人工點(diǎn)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(guò)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(zhǎng)季無(wú)人工灌溉，其他管理措施同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)大田。

圖1 冬小麥生育期內(nèi)日降水量

表1 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 Basic chemical and physical properties of the experiment soil

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)與分配相關(guān)指標(biāo)測(cè)定

于開(kāi)花期和成熟期各小區(qū)取30個(gè)地上單莖，開(kāi)花期的地上部營(yíng)養(yǎng)器官、成熟期的籽粒和地上部營(yíng)養(yǎng)器官，在105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干、稱重，參照王鑫煒等方法測(cè)定干物質(zhì)積累與分配相關(guān)指標(biāo)，具體如下：

花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量=開(kāi)花期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)量-成熟期營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)量；

花前干物質(zhì)貢獻(xiàn)率=花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒重×100%；

花后干物質(zhì)積累量=成熟期植株干物質(zhì)量-開(kāi)花期植株干物質(zhì)量；

花后干物質(zhì)貢獻(xiàn)率=花后干物質(zhì)積累量/成熟期籽粒重×100%。

1.3.2 籽粒灌漿特性測(cè)定

于開(kāi)花期標(biāo)記長(zhǎng)勢(shì)一致麥穗；按小區(qū)每隔7 d取30個(gè)麥穗，剝?nèi)←溗胫胁啃∷氲牡?位和第2位籽粒(強(qiáng)勢(shì)粒)、第3位和第4位籽粒(弱勢(shì)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(jì)算灌漿速率= (+1-)(+1-)，用Logistic方程=(1+-) 擬合小麥籽粒灌漿過(guò)程。式中，是灌漿速率(mg·grain·d)，+1為開(kāi)花后+1d的籽粒重(g)，為開(kāi)花后d的籽粒重(g)，+1為開(kāi)花后+1 d，為開(kāi)花后d，為籽粒重量(g)，為開(kāi)花后天數(shù)(d)，為終極生長(zhǎng)量，為初值參數(shù)，為生長(zhǎng)速率參數(shù)。由方程一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，推導(dǎo)出灌漿參數(shù)。積累起始勢(shì)=，灌漿活躍期=6，灌漿速率最大時(shí)間=ln，最大灌漿速率=×(1-/)，灌漿速率最大時(shí)的生長(zhǎng)量=/2。

1.3.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成測(cè)定

成熟期去除邊行，各小區(qū)調(diào)查1 m的有效穗數(shù)，隨機(jī)選取30個(gè)麥穗，測(cè)定穗粒數(shù)和千粒重；按小區(qū)收獲，曬干后測(cè)定籽粒含水量， 以含水量13%計(jì)算實(shí)際產(chǎn)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(guò)程，用SPSS 23.0進(jìn)行方差分析，用LSD進(jìn)行多重比較。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭不同還田方式對(duì)冬小麥地上干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

由表2可知，生物炭還田各處理(XG、FG、SFG)開(kāi)花前、開(kāi)花后干物質(zhì)積累量和轉(zhuǎn)運(yùn)量均高于不還田處理(CK)。3個(gè)生物炭還田處理的花前干物質(zhì)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(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和對(duì)籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率無(wú)顯著差異。XG處理花后干物質(zhì)積累量和對(duì)籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率均高于FG和SFG處理，其花后干物質(zhì)積累量較FG和SFG處理顯著提高(6.66%和14.31%)，貢獻(xiàn)率提高0.35和2.14個(gè)百分點(diǎn)，但差異不 顯著。

2.2 生物炭不同還田方式對(duì)冬小麥灌漿特性的影響

2.2.1 籽粒干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)

由圖2可知，生物體炭還田對(duì)籽粒干重增長(zhǎng)趨勢(shì)無(wú)顯著影響，各處理冬小麥強(qiáng)、弱勢(shì)粒千粒重均表現(xiàn)為慢-快-慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(gè)階段。與CK相比，生物炭還田處理可提高強(qiáng)勢(shì)粒、弱勢(shì)粒千粒重，且對(duì)弱勢(shì)粒千粒重提升作用更明顯。與CK相比，XG處理弱勢(shì)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(qiáng)勢(shì)粒千粒重比FG和SFG處理提高 3.38%～8.43%和4.70%～ 11.33%，弱勢(shì)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(dá)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(gè)階段，XG、FG和SFG處理冬小麥強(qiáng)勢(shì)粒、弱勢(shì)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(dá)到顯著水平。在生物炭還田處理中，XG處理三個(gè)階段強(qiáng)勢(shì)粒、弱勢(shì)粒的灌漿速率均高于FG和SFG處理，其中XG處理快增期強(qiáng)勢(shì)粒的灌灌漿速率分別比FG和SFG處理提高2.53%和3.81%，弱勢(shì)粒灌漿速率提高6.15%和13.36%。

圖2 不同處理冬小麥強(qiáng)、弱勢(shì)粒千粒重動(dòng)態(tài)

相同時(shí)期圖柱上不同小寫(xiě)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(gè)生物炭還田處理對(duì)強(qiáng)勢(shì)粒、弱勢(shì)粒的起始生長(zhǎng)勢(shì)()無(wú)顯著影響，對(duì)強(qiáng)勢(shì)粒、弱勢(shì)粒的最大灌漿速率()、最大灌漿速率生長(zhǎng)量()、最大灌漿速率的時(shí)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(qiáng)勢(shì)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(wú)顯著差異。在弱勢(shì)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(duì)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(duì)冬小麥產(chǎn)量及構(gòu)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(chǎn)量，且XG處理產(chǎn)量最高，比FG和SFG處理顯著提高，分別提高3.05%和10.63%。在產(chǎn)量構(gòu)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(wú)顯著差異。

表4 不同處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量及構(gòu)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(duì)干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

地上干物質(zhì)是冬小麥籽粒產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，在一定范圍內(nèi)，籽粒產(chǎn)量隨著干物質(zhì)積累量的增加而增加，尤其是與開(kāi)花后營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)及其在各營(yíng)養(yǎng)器官的分配密切相關(guān)。趙紅玉等認(rèn)為，生物炭還田可緩解旗葉衰老，增強(qiáng)光合作用，促進(jìn)冬小麥干物質(zhì)積累。本研究結(jié)果與其相似，生物炭還田可顯著增加開(kāi)花前和花后地上干物質(zhì)積累量與轉(zhuǎn)運(yùn)量，且相對(duì)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(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量和提高花后干物質(zhì)的貢獻(xiàn)率方面更加突出。這應(yīng)與不同耕作方式改變生物炭在土層間的空間分布有關(guān)。研究表明，生物炭微孔結(jié)構(gòu)豐富，比表面積大、含氧官能團(tuán)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(duì)養(yǎng)分的吸持作用，延長(zhǎng)養(yǎng)分在土壤中的滯留時(shí)間，滿足冬小麥生長(zhǎng)中后期對(duì)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(zhuǎn)運(yùn)量。

3.2 生物炭還田方式對(duì)冬小麥強(qiáng)、弱勢(shì)粒灌漿特性的影響

灌漿是影響籽粒產(chǎn)量形成的重要生理過(guò)程，小麥灌漿進(jìn)程與粒重密切相關(guān)，在單位面積有效穗數(shù)一定時(shí)，提高灌漿速率和延長(zhǎng)灌漿持續(xù)期對(duì)增加產(chǎn)量具有重要意義。本研究結(jié)果表明，生物炭還田不影響冬小麥強(qiáng)、弱勢(shì)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(shì)，但提高了漸增期、快增期、緩增期強(qiáng)、弱勢(shì)粒的灌漿速率。這可能是由于生物炭還田改善了土壤質(zhì)量，減弱冬小麥開(kāi)花期和灌漿期的光合“午休”，增強(qiáng)光合性能，為籽粒充實(shí)合成了較多的碳水化合物。用 Logistics 方程對(duì)灌漿進(jìn)程擬合后發(fā)現(xiàn)，處理間強(qiáng)、弱勢(shì)粒灌漿起始勢(shì)和灌漿活躍期均無(wú)顯著差異，說(shuō)明生物炭不影響籽粒灌漿啟動(dòng)的時(shí)間和灌漿持續(xù)天數(shù)，但顯著提高強(qiáng)弱、弱勢(shì)粒最大灌漿速率，縮短到達(dá)最大灌漿速率的時(shí)間，其中旋耕還田強(qiáng)、弱勢(shì)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(guān)。試驗(yàn)地區(qū)為豫南無(wú)灌溉區(qū)，冬小麥生長(zhǎng)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(yàn)期間冬小麥生長(zhǎng)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(shí)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(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。而不同耕作方式改變了土壤物理結(jié)構(gòu)，影響土壤水分入滲運(yùn)移過(guò)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(yùn)移速率，提高該層土壤含水量。同時(shí)，生物質(zhì)炭具有良好的親水性和較大的比表面積，還能增強(qiáng)對(duì)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(duì)光合的抑制，使灌漿期合成充足的光合產(chǎn)物，滿足了強(qiáng)、弱勢(shì)粒灌漿需求。而深翻和翻耕破壞深層土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤擾動(dòng)，增大表土水分無(wú)效蒸發(fā)以及底土水的滲漏，加劇了灌漿期水分虧缺對(duì)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(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

研究表明，生物炭還田可改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤養(yǎng)分供給能力和持水性，優(yōu)化作物生長(zhǎng)環(huán)境，利于作物增產(chǎn)，但由于還田數(shù)量和耕作方式的不同，增產(chǎn)效果存在一定差異。姜佰文等研究結(jié)果顯示，旋耕條件下施用低量生物炭能顯著提高玉米產(chǎn)量，深翻條件下施用高量生物炭更利于玉米增產(chǎn)。本研究結(jié)果與前人相似，生物炭還田可協(xié)調(diào)有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重三因素間的關(guān)系，提高冬小麥產(chǎn)量，且旋耕還田小麥產(chǎn)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(duì)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(jié)構(gòu)的改善，利于根系發(fā)育，擴(kuò)大了養(yǎng)分吸收空間，利于小穗的分化和籽粒的填充，進(jìn)而使得旋耕還田處理小麥增產(chǎn)更顯著。

綜上可知，小麥-玉米輪作雨養(yǎng)無(wú)灌溉地區(qū)，生物炭旋耕還田更利于提高冬小麥開(kāi)花期干物質(zhì)積累量，促進(jìn)花后干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)，提高強(qiáng)、弱勢(shì)粒平均灌漿速率和最大灌漿速率，縮短灌漿持續(xù)時(shí)間，促進(jìn)花前干物質(zhì)積累，提高花后光合產(chǎn)物對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率，進(jìn)而促進(jìn)小麥增產(chǎn)。但籽粒灌漿過(guò)程與土壤水分狀況關(guān)系密切，麥玉輪作無(wú)灌溉條件下玉米生物炭最佳還田方式是否會(huì)因降雨年限不同而發(fā)生改變?nèi)圆磺宄?。因此，還需進(jìn)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(chǎn)量形成的關(guān)系，及其對(duì)水分管理措施的響應(yīng)。