韩光明　刘东　孙世清　杨细元　陈全求　张涛　蓝家样

摘要：以品种C111为试材，选择2、6、11和14年4种连作年限的土壤，采用0（C1）、20（C2）和40 t/hm2（C3）共3个浓度生物炭处理，在苗期（D1）、蕾期（D2）、花铃期（D3）和吐絮期（D4）测定了不同处理对棉花叶片光合气体交换参数、光合生理参数、叶绿素含量和产量的影响。结果表明，与C1处理相比，C2和C3处理显著提高了棉花叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、光合能力（Pm）、表观量子效率（AQY）、羧化效率（CE）、RUBP最大再生速率（RUBPmax）、叶绿素含量和子棉产量（P<0.05），并且40 t/hm-2生物炭处理（C3）显著高于20 t/hm2（C2）处理；不同连作年限生物炭处理胞间CO2浓度（Ci）与对照比差异不显著 （P>0.05），连作年限长时光合速率下降的主要原因是非气孔因素；添加生物炭处理可以降低蒸腾速率（E），但差异不显著。

关键词：生物炭；棉花；连作；光合特性

中图分类号：S562；S141 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）24-6202-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.026

Abstract： Hybrid cotton C111 was chosen as experimental material. The cotton fields continuous cropping for 2， 6， 11 and 14 years were selected， the soil were treated by the biochar in 0（C1），20（C2） and 40 t/hm2 （C3）. Photosynthetic gas exchange parameters， photosynthetic physiological parameters， chlorophyll content and yield of cotton were investigated in seeding stage （D1）， bud stage （D2）， flowering and boll-setting period（D3） and boll opening stage（D4）. The results showed that net photosynthetic rate （Pn）， Gs，AQY， CE， RUBPmax， chlorophyll content and yield of cotton were significantly increased in C2 and C3 treatments compared with C1 treatment（P<0.05）， and C3 treatment was also higher than C2（P<0.05）. Biochar treatments in different continuous cropping years were not significantly different compared with the control in Ci， it was considered that the reduction in Pn under long continuous cropping years was mainly caused by non-stomatal restriction. Transpiration rate （E） could be reduced by biochar treatment， however， it was non-significant （P>0.05）.

Key words： biochar； cotton； continuous cropping； photosynthetic characteristics

棉花是重要的经济作物之一，在人们的日常生活当中起着重要的作用，对区域经济的发展也具有重要的推动作用。但由于棉农农田较少，习惯于棉田多年连作，从而造成了土壤理化性质越来越差，土壤肥力下降，病虫害不断加重，土壤微生物种群结构多样性减少，产生了连作障碍，进而影响棉花产量和品质[1]，同时也严重制约中国棉花产区的可持续发展。研究棉花连作障碍的学者大多从连作对土壤酶[2-4]、土壤理化性质[5]、土壤微生物数量[6]以及土壤微生物种群结构多性样和功能多样性等多个角度分析连作对其的影响[7]，同时也有学者从添加钾素和秸秆还田等角度研究了连作对棉花光合特性的影响[8]，但从生物炭技术角度研究不同连作年限棉花光合特性的文献较少。

生物炭是通过农、林、牧、渔等废弃物高温热解而成的一种活性物质，可有效减缓连作障碍并提高作物的光合能力[9]。生物炭施入土壤后将产生一系列的生物化学变化，生物炭处理后棉花植株的生理动态变化规律对评价生物炭技术应用于连作棉田的效果具有重要意义。为了深入揭示连作棉田添加生物炭后对光合特性的影响机制，本试验通过不同浓度生物炭处理不同连作年限棉田土壤，研究其对光合参数、叶绿素含量和产量的影响，旨在为制定科学合理的生物炭处理模式提供理论依据，也为深入研究棉花连作障碍提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2014年5月在湖北省农业科学院经济作物研究所进行，品种选用C111杂交棉，采用盆栽试验，塑料盆上口直径40 cm，底直径20 cm，高27 cm。生物炭为玉米芯炭，由山东丰本生物科技股份有限公司提供，理化性质见表1。试验所用土壤采自湖北省潜江市周矶镇棉区，土壤类型为灰潮土，耕层质地为砂壤土。4种连作年限分别为2年（北纬30°25′10″、东经112°47′42″）、6年（北纬30°25′07″、东经112°47′42″）、11年（北纬30°25′10″、东经112°47′46″）和14年（北纬30°25′04″ 、东经112°47′46″）。每种土壤设置C1 （0 t/hm2）、C2 （20 t/hm2）和C3（40 t/hm2）共3个生物炭浓度梯度，分别为干基重（w/w）的0%、1.538%、3.077%。2014年5月15日生物炭粉碎过80目筛后分别与4种连作年限土壤进行充分混合。将生物炭和土壤混匀后装入塑料盆，每盆装入风干土7.5 kg，栽入C111杂交棉，每盆1株，每个处理30盆。各处理按等量N、P、K施入，施肥量为8 g/盆，整个生育期不追肥，试验采用随机区组排列。

1.2 测定方法

在苗期（D1）、蕾期（D2）、花铃期（D3）和吐絮期（D4）采用LI-6400型便携式光合系统（LI-6400， LI-COR Inc.，Lincoln，NE，USA）进行气体交换参数测定。测定时选中部生长势一致的10个棉株，测定倒3位叶的净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（E），待数值稳定后测定5个数据，取平均值。条件为：环境温度28.9～30.3 ℃，光强1 000 μmol/（m2·s），大气CO2浓度（Ca）为400 μmol/mol，相对湿度76%～80%。

花铃期（D3）测定叶片净光合速率的同时测定净光合速率（Pn）-光合有效辐射（PAR）响应曲线和净光合速率（Pn）-胞间CO2浓度（Ci）响应曲线。从0～1 800 μmol/mol分14个梯度进行Pn-PAR 响应曲线测定（与净光合速率测定叶片相同，CO2浓度为400 μmol/mol），每一光强下适应2 min后记录数值，用直线回归求得Pn-PAR响应曲线的初始斜率dPn/dPAR，即为表观量子效率（AQY）。从50～1 500 μmol/mol分12个浓度梯度进行Pn-Ci 响应曲线[与净光合速率测定叶片相同，光强为1 200 μmol/（m2·s）]测定，用直线回归求得Pn-Ci 响应曲线的初始斜率dPn/dCi，即为羧化效率（CE），以Ci饱和时的Pn为RuBP最大再生速率（RuBPmax）；以没有气孔限制时的同化速率（即Ci为350 μmol/mol的Pn）代表光合能力（Pm）。

在测定光合速率的同时采用日本美能达有限公司生产的便携式手持叶绿素仪SPAD-502测定棉株叶片叶绿素含量，选生长势一致的10个棉株，每片叶测定5个部位，避开叶脉，取平均值。吐絮期结束后，按单株摘取每个处理的子棉，完全晒干后，称重计产，每个处理20次重复。

1.3 数据统计与分析

数据采用Microsoft Office Excel 2013进行数据整理；IBM SPSS Statistics 19统计软件进行单因素方差分析（One-Way ANOVA），LSD法进行多重比较；采用Origin Pro 9.1软件制图。

2 结果与分析

2.1 生物炭对不同连作年限棉花叶片气体交换参数的影响

由图1A可知，添加生物炭处理提高了连作棉田棉花的净光合速率（Pn），除连作6年D3期及连作14年的D1、D2、D3期棉花净光合速率表现为C2>C3>C1外，不同连作年限及不同生育期棉花Pn均为C3>C2>C1，添加生物炭处理C2和C3的Pn显著高于未添加生物炭处理C1（P<0.05），但C2和C3差异不显著。不同连作年限间光合速率从大到小依次为连作2、6、11、14年，并且连作2、6、11年棉花Pn差异不显著（P>0.05），但均显著高于连作14年。不同生育期棉花Pn为D3>D2>D1>D4，D3显著高于其他3个时期，同时D2也显著高于D1和D4，但D1和D4差异不显著。生物炭处理与不同连作年限Pn的交互效应分析表明，蕾期、花铃期和吐絮期两者存在显著性差异，说明添加生物炭处理可有效提高连作棉田棉花蕾期和花铃期Pn，促进干物质的快速积累。

由图1B-图1D所示，通过单因素多变量检验分析，不同连作年限间气孔导度（Gs）为C3>C2>C1，添加生物炭处理C2和C3显著高于未添加生物炭处理C1，并且C3显著高于C2；胞间二氧化碳浓度（Ci）也表现为C3>C2>C1，C3显著高于C1和C2， C1与C2差异不显著；蒸腾速率（E）则为C1>C3>C2，生物炭处理间差异不显著。从各生育期来看，Gs为D3>D2>D4>D1，各生育时期间差异显著，Ci为D3>D4>D1>D2，D3与D4显著高于D1和D2，而D1与D2差异不显著，E则表现为D4>D3>D1>D2，各时期差异显著。从连作年限看，Gs为2、6年连作显著高于14年连作；而Ci连作2年显著高于连作11年，其他连作年限间差异不显著；E为2年连作显著低于其他连作年限，其他连作年限间差异不显著。不同连作年限生物炭处理Ci与对照相比差异不显著，说明连作年限长时光合速率下降的主要原因不是气孔因素。

2.2 生物炭对不同连作年限棉花光合生理参数的影响

由表2可知，连作2、14年棉田棉花的光合能力（Pm）为C2>C3>C1，连作6、11年棉田棉花的光合能力为C3>C2>C1且连作6、11、14年C2和C3处理显著高于C1，连作2年的各处理差异均达显著水平；不同连作年限棉花羧化效率（CE）除连作6年外均表现为C3>C2>C1，连作14年各处理均达显著水平，其他连作年限C3和C2处理显著高于C1处理；添加生物炭对连作2、6年棉田棉花的表观量子效率影响较小，但对连作11、14年棉田棉花的AQY有显著的影响（P<0.05），表现为C3显著高于对照C1；各连作年限不同生物炭处理，最大再生速率（RUBPmax）为C3>C2>C1，且连作2、6年处理间均达显著水平，连作11、14年C3与C1之间差异显著。

2.3 生物炭对不同连作年限棉花叶片叶绿素含量的影响

通过单变量多因素方差分析，除了连作11年的D1期和连作2年的D2期，不同连作年限各生育期棉花叶片叶绿素含量均为C3>C2>C1；综合分析可知，不同生育期间叶绿素含量为D2>D1>D3>D4，且D1、D2和D3叶绿素含量显著高于D4；不同连作年限间比较分析表明，叶绿素含量从大到小依次为连作2、11、6、14年，连作14年叶绿素含量显著低于其他连作年限，说明吐絮后叶绿素急剧降解，光合能力随之下降（表3）。

2.4 生物炭对不同连作年限棉花产量的影响

主体间效应检验表明，不同连作年限间棉花产量从大到小依次为连作2、6、11、14年，不同连作年限间产量存在显著差异；生物炭处理对棉花产量的影响为C3>C2>C1，不同连作处理间也达显著水平。结果表明，不同连作年限和添加生物炭处理均对产量产生了较大影响，并且连作年限越长对产量的影响越大，生物炭在40 t/hm2（C3）用量时增产较为显著（图2）。

3 讨论

光合作用是绿色植物获得经济产量和生物产量的主要源泉，是植物进行旺盛生长的不竭动力。通过生物炭处理对不同连作年限棉田棉花叶片气体交换参数和光合生理参数等影响的综合研究，寻求缓解棉花连作障碍的有效途径，对棉花生产具有很重要的意义。有研究表明，生物炭处理有效提高了玉米、甜瓜、烟草等作物的净光合速率和气孔导度[10-12]，张伟明等[13]研究也发现不同秸秆炭处理能够促进水稻生长，提高水稻光合能力，增加水稻产量，这与本试验结果相同。本试验结果表明不同连作年限（2、6、11、14年）棉田添加生物炭处理（20、40 t/hm2），棉花的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（E）、棉花羧化效率（CE）、表观量子效率（AQY）、最大再生速率（RUBPmax）等光合生理参数显著高于未添加生物炭处理，这与宋久洋等[12]的添加生物炭对烟草生长及光合特性的影响研究一致，但宋久洋等[12]的研究结果还表明添加生物炭处理后胞间二氧化碳浓度（Ci）低于对照，这与本研究结论不一致，可能是因为研究对象（烟草和棉花）不同引起的，也可能是施肥处理方式不同造成的。宋久洋等[12]的研究是整个生育期施肥都同大田管理，而本研究只在移栽时施入肥料，而整个生育期不施肥来研究生物炭是否在中后期对棉花的光合特性有提升作用。

叶片净光合速率提高的原因，除叶绿素含量增加，较高Ci为光合作用提供充足的原料外，生物炭处理能够提升多年连作棉田棉花光合特性和产量的原因还可能是：①生物炭本身具有一定含量的矿质营养，在养分贫瘠及砂壤土上生物炭的养分补充效应较显著[14]；②生物炭具有多孔结构和较大的比表面积，为土壤微生物创造了良好的栖息环境，同时对养分也具有较强的吸附和持留性能，能够通过减少水溶性营养离子的溶解迁移，使其在土壤中缓慢释放，从而达到保肥保水的效果[15]；③生物炭吸附了部分酚酸类化感物质，降低了其有害浓度，进而提高了棉花的光合特性和产量[16]。

近年来，对于生物炭对作物生长和产量的影响，一些学者做了相关研究。有研究发现，生物炭对作物生长和产量的影响与生物炭的种类有关；也有研究指出，在相同的环境条件下，同一种生物炭施用于不同作物对产量的影响不同[18，19]。还有一些研究发现，生物炭对作物生长或产量的影响与土壤类型有关。唐光木等[20]对灰漠土的研究表明，作物产量随生物炭用量的增加而增加，这与本研究结果一致。本研究结果表明添加不同浓度生物炭处理均促进产量增加，但高浓度生物炭处理（40 t/hm2）要高于低浓度生物炭处理（20 t/hm2）。张娜等[10]研究认为低浓度生物炭有利于玉米产量提高，而高浓度生物炭则会引起玉米早衰，原因可能是使用的生物炭类型和研究对象不同，张娜等[10]使用小麦秸秆炭，选用禾本科的玉米为研究对象，本试验采用玉米芯炭，选用锦葵科的棉花为研究对象；也可能是因为土壤质地的不同引起的差异，本研究所用的土壤为潜江的灰潮土，张娜等[10]试验选用的为杨凌的塿土。

生物炭对产量的影响不仅与生物炭用量有关，还与土壤质地、生物炭类型、作物种类以及是否施肥等有关，这种复杂的交互作用会使试验结果不尽相同。本试验只从生物炭对连作棉田棉花光合特性和产量的影响来论述生物炭缓解棉田连作障碍的机制，还应该从土壤微生物和土壤酶等多个角度去更深入地分析原因。

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