摘 要：【目的】研究生物質(zhì)炭單施和與氮肥配施對灌區(qū)春小麥群體結(jié)構(gòu)、光合特性及產(chǎn)量的影響，為生物質(zhì)炭及化肥的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

【方法】試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)2個氮肥施用水平（0、150 kg/hm2），4個生物質(zhì)炭水平（0、10、20和30 t/hm2），于2020年對新春46號的群體結(jié)構(gòu)、光合特性及產(chǎn)量進行分析。

【結(jié)果】在B2N1處理，即氮肥減量（150 kg/hm2）與中量生物質(zhì)炭（20 t/hm2）配施下，春小麥群體結(jié)構(gòu)、葉面積指數(shù)、葉片SPAD值、凈光合速率及產(chǎn)量均達到最佳，較對照分別提高了15.04%～32.98%、3.67%～89.82%、5.63%～11.46%、17.95%～81.68%和29.73%。與對照相比，單施生物質(zhì)炭及生物質(zhì)炭與氮肥配施均提高了春小麥產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度為7.52%～29.73%。

【結(jié)論】氮肥減量150" kg/hm2配施20 t/hm2生物質(zhì)炭（B2N1）其增產(chǎn)效果最佳。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)炭；氮肥；春小麥；群體結(jié)構(gòu)；產(chǎn)量

中圖分類號：S512"" 文獻標志碼：A"" 文章編號：1001-4330（2024）07-1582-08

0 引 言

【研究意義】氮肥在我國的施用量占化肥總量的2/3［1］，若過量施氮，則出現(xiàn)氮素利用率降低、土壤板結(jié)和土壤養(yǎng)分失衡等問題［2］。有機物料代替部分氮肥可起到環(huán)保和高產(chǎn)高效的作用［3］。生物質(zhì)炭具有較大的比表面積較強的吸附性能及發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，并能提高氮肥利用效率［4］，小麥生物質(zhì)炭與氮肥配施，可顯著提高鼓節(jié)竹發(fā)筍末期生長和光合特性［5］。【前人研究進展】生物質(zhì)炭可以代替部分氮肥，提高小麥旗葉SPAD值、凈光合速率、促進增產(chǎn)［6］。馮美玲［7］研究顯示，生物質(zhì)炭（7 500 kg/hm2）與氮肥（90 kg/hm2）配施，對白芨光合參數(shù)提升均有積極效應(yīng)。生物質(zhì)炭對作物SPAD值、光合參數(shù)及生長指標均有一定的作用，作物光合潛力可通過降低光合午休的途徑提升［8-10］?！颈狙芯壳腥朦c】有關(guān)氮肥減量配施生物質(zhì)炭對春小麥群體結(jié)構(gòu)、光合特性及產(chǎn)量的影響的文獻較少。需研究生物質(zhì)炭單施和與氮肥配施對灌區(qū)春小麥群體結(jié)構(gòu)、光合特性及產(chǎn)量的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究選取新疆北疆典型的灌區(qū)麥田，研究配施生物質(zhì)炭對春小麥群體結(jié)構(gòu)、光合特征及產(chǎn)量的影響，為生物質(zhì)炭和氮肥的合理施用、農(nóng)田增產(chǎn)增效提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

于2018年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院奇臺麥類試驗站（89°13′～91°22′E，42°25′～45°29′N）進行2年定位試驗。奇臺縣屬于溫帶大陸性半荒漠干旱性氣候，年平均氣溫5.5℃，7月平均氣溫22.6℃，極端最高氣溫39℃，1月平均氣溫-18.9℃，極端最低氣溫-37.3℃。年均相對濕度60%。無霜期年均153 d（從4月下旬到10月上旬）。年均降水量269.4 mm。

試驗所用棉稈炭由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，碳化溫度450℃，碳化時間4 h。土壤為沙壤土，pH值9.37，全氮21.76 g/kg，堿解氮5.38 mg/kg，速效磷 200.94 mg/kg。

供試氮肥為尿素（含純N 46%），供試品種為新春46號。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗于2020年4月采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)氮肥用量2個水平（N0、N1），生物質(zhì)炭4個水平（B0、B1、B2、B3），共計8個處理，每個處理3次重復(fù)，每個小區(qū)面積9 m2（3 m×3 m），共計24個小區(qū)。播種方式為等行距條播，行距20 cm，播種量450×104 株/hm2。播種前將生物質(zhì)炭均勻撒于田間表土，人工均勻翻入30 cm土層，此后2年不再施入。氮肥采用尿素（純氮46%），作為基肥一次性施入，其他管理措施與當?shù)匾话愀弋a(chǎn)田相同。表1

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 春小麥群體結(jié)構(gòu)

分別于春小麥播種后拔節(jié)期與成熟期，每小區(qū)取1 m2具有代表性的區(qū)域進行莖蘗總數(shù)定點調(diào)查，并計算莖蘗成穗率［11］。

莖蘗成穗率（%）=成熟期群體總莖數(shù)/拔節(jié)期群體總莖數(shù)×100%。

1.2.2.2 SPAD值

分別于花后0 d（開花期）、花后7 d、花后14 d、花后21 d和花后28 d，在各小區(qū)標記選取長勢基本一致與無損傷的旗葉，使用SPAD-502型葉綠素儀對旗葉SPAD值進行測定，測定時取葉片上中下的平均值。

1.2.2.3 葉面積

分別于拔節(jié)期、孕穗期、開花期、灌漿期測定，在不同處理的小區(qū)選擇長勢一致小麥，用長寬系數(shù)法測定，并計算葉面積指數(shù)。

1.2.2.4 光合參數(shù)

分別于小麥開花后0 d（開花期）、花后7 d、花后14 d、花后21 d和花后28 d，每小區(qū)隨機取3株于11：00～13：00晴朗無風(fēng)天，使用英國PPSystems公司產(chǎn)TPS-2光合測定儀測定其凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及胞間CO2濃度。

1.2.2.5 春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

在小麥成熟后，每小區(qū)長勢均勻處選取1 m2調(diào)查穗數(shù)，之后每小區(qū)選取代表性15個樣株，用于后期考種。每個小區(qū)人工收割，實打?qū)嵤?，計算產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2019和DPS 7.05進行雙因素數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，并檢驗其顯著性，Origin2021作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 炭氮配施對春小麥群體結(jié)構(gòu)的影響

研究表明，不同處理對春小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運的影響存在差異。單施不同量生物質(zhì)炭均可不同程度提高春小麥莖蘗數(shù)和成穗率，春小麥莖蘗數(shù)（成熟期）和成穗率總體變化趨勢為B2N0gt;B1N0gt;B3N0，分別較對照B0N0處理提高12.44%、22.59%和12.06%，成穗率分別提高7.45%、13.69%和6.14%，但B1N0與B3N0處理間無顯著差異。氮肥與生物質(zhì)炭配施（B1N1、B2N1和B3N1）處理中，B2N1處理下春小麥莖蘗數(shù)和成穗率達到最高，與對照相比莖蘗數(shù)提高15.60%（拔節(jié)期）和32.98%（成熟期），成穗率提高15.04%，并與對照相比差異顯著。 圖1

2.2 炭氮配施對春小麥光合特性的影響

2.2.1 炭氮配施對春小麥旗葉葉綠素的影響

研究表明，在施氮量相同的條件下，春小麥旗葉葉綠素SPAD值隨施生物質(zhì)炭量的增加呈先升后降的趨勢，均在B2處理下達到最大。在花后28 d時，氮肥與生物質(zhì)炭配施（B1N1、B2N1和B3N1）處理較CK存在顯著影響，幅度為8.51%～11.46%，其中B2N1處SPAD值最高。在花后0、7、14 d時，生物質(zhì)炭施用對春小麥旗葉SPAD值存在顯著影響，而氮肥施用對花后7、14、21和28 d的SPAD值存在顯著影響（除花后0 d）。表2

2.2.2 炭氮配施對春小麥單株葉面積指數(shù)（LAI）的影響

研究表明，隨生育時期的推進，小麥單株LAI值在各處理下均呈先增后減的趨勢，并在孕穗期達到最大，與對照（CK）相比，各處理間差異顯著（Plt;0.05）；與單施氮肥（B0N1）處理相比，生物質(zhì)炭施用均顯著提高了孕穗期春小麥LAI值，并隨生物質(zhì)炭用量增加呈先增后減的趨勢。不同處理下，春小麥LAI值的變化順序為B2N1gt;B3N1gt;B1N1gt;B0N1gt;B2N0gt;B1N0gt;B3N0gt;B0N0。與對照相比，各生育期LAI值分別較B0N0處理提高了89.82%、68.61%、59.93%、52.09%、48.58%、26.54%和3.67%。圖2

2.2.3 炭氮配施對春小麥光合參數(shù)的影響

研究表明，與CK相比，施肥對春小麥旗葉光合參數(shù)均有所改善。隨生育時期的推進，小麥凈光合速率總體呈逐漸下降趨勢。在施氮量相同（N0、N1）條件下，小麥凈光合速率隨生物質(zhì)炭施用量呈先增后減趨勢，均表現(xiàn)為B2gt;B1gt;B3；不同處理間小麥氣孔導(dǎo)度在花后28 d差異顯著，且均在B2N1處理下達到最大，并與CK相比差異顯著（除花后7 d）；春小麥蒸騰速率在各處理間差異不顯著；炭氮配施較單施生物質(zhì)炭相比，顯著將低了胞間CO2濃度（除花后0、14 d）。圖3

2.3 炭氮配施對春小麥產(chǎn)量的影響

研究表明，與CK相比，單施生物質(zhì)炭顯著增加了春小麥穗數(shù)和千粒重，具有明顯的增產(chǎn)效應(yīng)。生物質(zhì)炭與氮配施下春小麥產(chǎn)量均高于單施生物質(zhì)炭處理，且較對照存在顯著影響，其中B2N1處理的效果最為明顯，其穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重分別較CK提高11.01%、11.53%和4.77%；產(chǎn)量達8367.98 kg/hm2，較CK提高了29.73%。生物質(zhì)炭對春小麥穗粒數(shù)和產(chǎn)量差異顯著（P＜0.05），氮肥對春小麥產(chǎn)量差異顯著（P＜0.05），生物質(zhì)炭和氮肥對春小麥千粒重均差異極顯著（P＜0.01）。表3

3 討 論

3.1

在生產(chǎn)中，可通過增施氮肥提高單位面積莖蘗數(shù)，調(diào)整小麥群體結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)增產(chǎn)［12］，但當?shù)适┯昧砍^180 kg/hm2對小麥群體莖蘗總無顯著影響［13］，而適當減少氮肥用量配施生物質(zhì)炭能有效增加作物的有效分蘗，提高作物總莖蘗數(shù)，促進分蘗成穗率，實現(xiàn)增產(chǎn)［14，15］。試驗在氮肥減量施用時（與常規(guī)施氮相比減少了50%），小麥群體莖蘗數(shù)和成穗率均隨生物質(zhì)炭添加量呈先增后降的趨勢，均在添加中量生物質(zhì)炭（20 t/hm2）時達到最大，說明在合理減施氮肥的條件下也能夠增加莖蘗數(shù)，使莖蘗成穗率保持在較高水平，這與董文華等［16］的研究結(jié)果基本一致。柳瑞等［17］研究表明，與單純減氮相比，在減氮40%+15 t/hm2生物質(zhì)炭時，水稻分蘗數(shù)提高，并且施用稻稈生物質(zhì)炭15 t/hm2時，能減少化學(xué)氮肥施用量20%～40%，同時還可以保持水稻產(chǎn)量。試驗

研究表明，與對照相比，生物質(zhì)炭與氮肥配施顯著提高了拔節(jié)期與成熟期小麥群體莖蘗數(shù)和成穗率，其各處理下群體莖蘗數(shù)增幅為5.73%～30.14%，成穗率增幅為7.03%～14.04%，其中以氮肥減量配施中量生物質(zhì)炭效果最優(yōu)，說明在適當減少氮肥施用條件下，生物質(zhì)炭可以代替部分氮肥調(diào)節(jié)作物的群體結(jié)構(gòu)，因為生物質(zhì)炭本身含有的氮元素補充了減少的氮肥，使養(yǎng)分得到補充和均衡；生物質(zhì)炭作為土壤改良劑，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤養(yǎng)分及養(yǎng)分利用率，促進了作物的群體質(zhì)量及產(chǎn)量的提高［18］。

3.2

有機肥與無機肥配施可延緩小麥葉片衰老，延長葉片光合作用時間［19］。減少氮肥（常規(guī)施氮量的10%～20%）用量并配施生物質(zhì)炭對煙株生長及其葉綠素含量和凈光合速率并無顯著影響［20］；等氮量條件下增加有機氮的比例時，玉米SPAD和LAI并未同步增加，其光合效率也無顯著變化［21］。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氮肥減量配施生物質(zhì)炭處理下春小麥的葉綠素含量、葉面積指數(shù)、凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均高于對照及單施生物質(zhì)炭處理，其中B2N1處理較對照差異顯著。生物質(zhì)炭本身含有少量的N、P、K及一些微量元素，可以為小麥生長提供良好的生育環(huán)境［22］；生物質(zhì)炭具有微孔結(jié)構(gòu)，表面積大等特點，可以改善土壤的透氣、透水性，同時可以促進土壤微生物的生存繁衍，增加農(nóng)田土壤中有益菌群群落，為小麥根系吸收營養(yǎng)提供便利［23，24］。研究在單施生物質(zhì)炭時，較對照相比均提高了小麥的葉綠素含量、葉面積指數(shù)、凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，與韓光明等［25］的研究結(jié)果一致。而部分胞間CO2濃度低于對照，與王艷芳等［8］研究結(jié)果保持一致，但與韓光明等［25］的結(jié)論不一致，是因為施肥處理方式或研究對象（棉花和小麥）的不同。生物質(zhì)炭添加對小麥光合特性的影響表現(xiàn)為B2gt;B1gt;B3，說明高量生物質(zhì)炭對小麥的光合作用具有抑制作用，與闞正榮等［26］的研究結(jié)果一致。

3.3

研究結(jié)果表明，減氮配施生物質(zhì)炭較單純減氮相比，增加了春小麥產(chǎn)量，增幅為3.27%～17.23%；減氮配施生物質(zhì)炭處理的小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因素均高于單施生物質(zhì)炭，與對照相比，減氮配施生物質(zhì)炭通過顯著增加春小麥有效穗數(shù)和千粒重而提高產(chǎn)量，穗數(shù)直接受其莖蘗數(shù)影響，而配施生物質(zhì)炭可顯著增加春小麥的莖蘗數(shù)。研究還發(fā)現(xiàn)，單施生物質(zhì)炭小麥穗數(shù)和千粒重較對照顯著增加，隨生物質(zhì)炭添加量的增加，產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成呈先增后減趨勢，與張愛平等［27］研究結(jié)果不一致，生物質(zhì)炭添加量與水稻穗粒數(shù)及產(chǎn)量呈正相關(guān)，而在不施氮肥條件下，生物質(zhì)炭添加對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成影響不顯著的結(jié)果不一致，是因為土壤理化性質(zhì)和生物質(zhì)炭添加量的不同造成的。Major等［28］通過在玉米大豆輪作的基礎(chǔ)上施用生物質(zhì)炭的多年試驗發(fā)現(xiàn)，第一年的產(chǎn)量在20 t/hm2生物質(zhì)炭處理下影響并不顯著，在2～4年逐年增加，在第4年提高140%。研究為2年定位試驗，對于減氮條件下配施生物質(zhì)炭是否具有累加效應(yīng)有待進一步探究。

4 結(jié) 論

在氮肥減量條件下，配施生物質(zhì)炭處理對小麥的影響效果均優(yōu)于對照及單一施用生物質(zhì)炭。減量氮肥（150 kg/hm2）配施中量生物質(zhì)炭（20 t/hm2）顯著提高了春小麥的群體結(jié)構(gòu)、光合特性及產(chǎn)量，產(chǎn)量較對照提高29.73%。

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Effects of nitrogen fertilizer reduction and biochar application

on population structure， photosynthetic characteristics

and yield of spring wheat

YANG Mei1， ZHAO Hongmei2， Dilireba Xiamixiding1，

YANG Weijun1， ZHANG Jinshan1， HUI Chao1

（1. Xinjiang Engineering Technology Research Center of High-Quality Special Triticeae Crops， College of Agriculture， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052，China; 2. College of Resources and Environment， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract：【Objective】 This study further carried out the research on the impact of biochar single application and combined application of nitrogen fertilizer on the population structure， photosynthetic characteristics and yield of spring wheat in irrigation areas， aiming to provide scientific basis for the rational use of biochar and fertilizer.

【Methods】 The experiment adopted a randomized block design， set up 2 nitrogen fertilizer application levels （0， 150 kg/hm2） and 4 levels of biomass charcoal （0， 10， 20， 30 t/hm2） for research. After that， the population structure， photosynthetic characteristics and yield of Xinchun 46 wheat were analyzed in 2020.

【Results】" The results showed that under B2N1 treatment， nitrogen fertilizer reduction （150 kg/hm2）， compared to medium biomass charcoal （20 t/hm2） under the combined application， the population structure， leaf area index， leaf SPAD value， net photosynthetic rate， and yield of spring wheat all reached the optimal level， increased by 15.04% to 32.98%， 3.67% to 89.82%， 5.63% to 11.46%， 17.95% to 81.68%， and 29.73% compared to the control， respectively. Compared with the control， the single application of biochar and the combination of biochar and nitrogen fertilizer increased spring wheat yield by 7.52% to 29.73%.

【Conclusion】"" Nitrogen fertilizer is reduced by 150 kg/hm2 and applied in combination with 20 t/hm2（B2N1） biochar has the best effect in increasing production.

Key words：biochar; nitrogen fertilizer; spring wheat; group structure; yield

Fund projects： National Natural Science Foundation Project （32260326）; Modern Agricultural Industry （Wheat） System Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region; Xinjiang Agricultural University Undergraduate Innovation Project （dxscx2023009）

Correspondence author： YANG Weijun（1984-）， female， from Gansu， associate professor， research direction：farmland ecology， （E-mail）1984_ywj@163.com

收稿日期（Received）：

2023-12-25

基金項目：

國家自然科學(xué)基金項目（32260326）；新疆維吾爾自治區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)（小麥）體系項目；新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項目（dxscx2023009）

作者簡介：

楊梅（1995-），女，甘肅人，碩士研究生，研究方向為農(nóng)田生態(tài)，（E-mail）3087690043@qq.com

通訊作者：

楊衛(wèi)君（1984-），女，甘肅人，副教授，博士，碩士生/博士生導(dǎo)師，研究方向為農(nóng)田生態(tài)，（E-mail）1984_ywj@163.com