玉米作为重要的粮食作物之一，其产量取决于开花后穗位叶的光合能力和衰老程度[1]。研究表明，相关农艺措施能够减缓穗位叶的衰老，增强其光合能力[2-3]。生物炭作为一种土壤改良剂，在提高作物产量和培肥土壤等方面已有大量应用[4-5]。如惠超等[6]和王智慧等[7]研究指出，生物炭或配施化肥能够显著提高小麦、玉米产量；刘国玲等[8]研究发现，生物炭能够改善玉米光合特性，增加产量；郭书亚等[9]研究表明，施用生物炭能够改善土壤理化性质，增加玉米产量。阚正荣[10]等研究指出，高用量的生物炭处理会降低玉米光合性能。由于试验所用生物炭、土壤类型及施用方法不同，有关生物炭对玉米光合性能及产量影响的相关结果不一致，且关于豫东潮土区生物炭对玉米花后穗位叶光合性能及产量的影响研究较少。因此，本研究设置不同用量生物炭，研究其对玉米花后穗位光合生理特性及产量的影响，为田间合理施用生物炭以提高玉米光合性能和产量提供参考。
1 材料与方法
1.1 研究区基本情况
试验于2022年在河南永城新全家庭农场进行（34°31 N，115°42 E），土壤为潮土，土壤含有机碳11.3 g/kg、碱解氮84.2 mg/kg、速效磷11.1 mg/kg、速效钾122.7 mg/kg。
1.2 试验材料
试验所用生物炭购买自河南众信蓝天环保装备有限公司，其碳含量437.8 g/kg、pH 9.0、全氮16.3 g/kg、全磷8.2 g/kg、全钾27.6 g/kg。供试玉米品种为商单1967，由商丘市农林科学院提供，种植密度为75 000 株/hm2。
1.3 试验设计
试验共设4个处理：不施生物炭（CK），生物炭10 t/hm2（T1），生物炭20 t/hm2（T2），生物炭40 t/hm2（T3）。采用随机区组设计，每个处理3次重复，小区面积为6.67 m×6.00 m，每个小区之间设0.60 m隔离带，不同用量生物炭在玉米播种前一次性全部添加，即T1处理每小区施用生物炭40 kg，T2处理每小区施用生物炭80 kg，T3处理每小区施用生物炭160 kg，采用旋耕机使土壤耕层（0～20 cm）与生物炭均匀混合。每行种植31株，每小区种植310株。每处理底施鄂中复合肥（N∶P2O5∶K2O 为17∶17∶17） 600 kg/hm2，大喇叭口期追施尿素300 kg/hm2，栽培管理与当地大田措施一致。
1.4 测定项目与方法
1.4.1 叶绿素含量
于玉米花后（8月1日）0、15、30和45 d，选取受光方向一致的穗位叶，采用SPAD-502 Plus叶绿素仪测定穗位叶中部的叶绿素含量，以SPAD值表示，重复3次。
1.4.2 光合指标
于玉米花后0、15、30和45 d，在晴天09：00—10：30，选取受光方向一致的穗位叶，采用Li-6400便携式光合仪测定叶片净光合速率、蒸腾速率和胞间CO2浓度。
1.4.3 衰老指标
于玉米花后0、15、30和45 d取测完光合指标的穗位叶放于自封袋且置于液氮中带回实验室，用于生理指标测定。超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑光化还原法，过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法[11]。
1.4.4 玉米产量
玉米成熟期，每个小区选择中间两行实收，测定玉米籽粒产量。
1.5 数据处理
采用Excel软件进行数据处理，采用SPSS 24.0软件进行方差分析。
2 结果与分析
2.1 不同处理对夏玉米穗位叶光合特性的影响
2.1.1 叶绿素含量
由表1可知，花后穗位叶叶绿素含量随着时间的推移呈下降趋势，不同处理之间表现为T3>T2>T1>CK。T1在花后0、15和30 d与CK差异无统计学意义（P>0.05），在花后45 d，与CK差异具有统计学意义（P<0.05）。在花后0、15、30和45 d，T2、T3与CK差异均具有统计学意义（P<0.05），T2处理穗位叶叶绿素含量较CK分别提高6.70%、10.38%、12.24%和14.49%；T3处理穗位叶叶绿素含量较CK提高12.30%、17.46%、19.35%和21.80%。说明生物炭处理有利于夏玉米穗位叶叶绿素的合成。
表1 不同处理对穗位叶叶绿素含量（SPAD值）的影响 |
| 处理 | 花后天数/d | |||
|---|---|---|---|---|
| 0 | 15 | 30 | 45 | |
| CK | 72.42 c | 66.31 c | 52.71 c | 39.27 d |
| T1 | 74.68 bc | 69.41 c | 55.28 c | 42.15 c |
| T2 | 77.27 b | 73.19 b | 59.16 b | 44.96 b |
| T3 | 81.33 a | 77.89 a | 62.91 a | 47.83 a |
|
2.1.2 净光合速率
由表2可知，花后穗位叶净光合速率随着时间的推移呈下降趋势，不同处理之间表现为T3>T2>T1>CK。T1在花后0和15 d的穗位叶净光合速率与CK差异无统计学意义（P>0.05），在花后30和45 d与CK差异具有统计学意义（P<0.05）。在花后0、15、30和45 d，T2、T3的穗位叶净光合速率与CK差异具有统计学意义（P<0.05），T2的穗位叶净光合速率含量较CK分别提高8.06%、10.25%、14.65%和20.86%；T3的穗位叶净光合速率含量较CK分别提高15.69%、15.81%、25.02%和34.08%。说明生物炭处理有利于提高夏玉米穗位叶的净光合速率。
表2 不同处理对穗位叶净光合速率的影响单位：[μmol/（m2·s）] |
| 处理 | 花后天数/d | |||
|---|---|---|---|---|
| 0 | 15 | 30 | 45 | |
| CK | 31.62 c | 24.29 d | 15.63 d | 10.21 d |
| T1 | 32.84 bc | 25.16 cd | 16.71 c | 11.12 c |
| T2 | 34.17 b | 26.78 b | 17.92 b | 12.34 b |
| T3 | 36.58 a | 28.13 a | 19.54 a | 13.69 a |
2.1.3 蒸腾速率
由表3可知，花后穗位叶蒸腾速率随着时间的推移呈下降趋势，不同处理之间表现为T3>T2>T1>CK。T1在花后0和15 d穗位叶蒸腾速率与CK差异无统计学意义（P>0.05），在花后30和45 d与CK差异具有统计学意义（P<0.05）。在花后0、15、30和45 d，T2、T3的穗位叶蒸腾速率与CK差异具有统计学意义（P<0.05），T2的穗位叶蒸腾速率含量较CK分别提高7.09%、9.66%、16.02%和26.56%；T3的穗位叶蒸腾速率含量较CK分别提高13.00%、17.86%、28.64%和43.75%。说明生物炭处理有利于提高夏玉米穗位叶的蒸腾速率。
表3 不同处理对穗位叶蒸腾速率的影响单位：[mmol/（m2·s）] |
| 处理 | 花后天数/d | |||
|---|---|---|---|---|
| 0 | 15 | 30 | 45 | |
| CK | 4.23 d | 4.76 d | 2.06 d | 1.28 d |
| T1 | 4.39 cd | 4.92 cd | 2.21 c | 1.43 c |
| T2 | 4.53 bc | 5.22 b | 2.39 b | 1.62 b |
| T3 | 4.78 a | 5.61 a | 2.65 a | 1.84 a |
2.1.4 胞间CO2浓度
由表4可知，花后穗位叶胞间CO2浓度随着时间的推移呈下降趋势，不同处理间表现为CK>T1>T2>T3。T1在花后0和15 d与CK差异无统计学意义（P>0.05），在花后30和45 d与CK差异具有统计学意义（P<0.05）。在花后0、15、30和45 d，T2、T3与CK差异均具有统计学意义（P<0.05），T2的穗位叶胞间CO2浓度较CK低6.50%、7.21%、10.73%和9.61%；T3的穗位叶胞间CO2浓度较CK低11.12%、12.76%、15.27%和15.93%。说明生物炭处理有利于提高夏玉米穗位叶的胞间CO2浓度。
表4 不同处理对穗位叶胞间CO2浓度的影响单位：（mmol/mol） |
| 处理 | 花后天数/d | |||
|---|---|---|---|---|
| 0 | 15 | 30 | 45 | |
| CK | 263.25 a | 247.32 a | 223.18 a | 192.15 a |
| T1 | 257.91 ab | 241.74 ab | 210.31 b | 182.39 b |
| T2 | 246.13 bc | 229.48 b | 199.24 c | 173.69 c |
| T3 | 233.97 c | 215.76 c | 189.09 d | 161.54 d |
2.2 不同处理对夏玉米穗位叶生理特性的影响
2.2.1 SOD活性
由表5可知，玉米花后穗位叶SOD活性随着时间的推移呈逐渐下降趋势，与CK相比，不同处理均能提高玉米穗位叶SOD活性，并随着生物炭施用量的增加而增加，即T3>T2>T1>CK。在花后30和45 d，不同处理间SOD活性差异具有统计学意义（P<0.05），花后30 d，T1、T2、T3分别较CK提高7.52%、12.35%、20.09%；花后45 d，T1、T2、T3分别较CK提高9.31%、16.15%、24.12%。说明生物炭处理有利于增强夏玉米穗位叶SOD活性。
表5 不同处理对穗位叶SOD活性的影响单位：（U/g） |
| 处理 | 花后天数/d | |||
|---|---|---|---|---|
| 0 | 15 | 30 | 45 | |
| CK | 804.13 b | 661.57 c | 564.31 d | 347.22 d |
| T1 | 841.73 ab | 706.44 b | 606.77 c | 379.55 c |
| T2 | 852.85 a | 725.18 ab | 633.99 b | 403.31 b |
| T3 | 879.88 a | 756.31 a | 677.69 a | 430.98 a |
2.2.2 POD活性
由表6可知，玉米花后穗位叶POD活性随着时间的推移呈逐渐下降趋势，和CK相比，除花后0 d外，不同处理均能明显提高玉米穗位叶POD活性（P<0.05）；表现为T3>T2>T1>CK。在花后15、30和45 d，T1较CK分别提高6.03%、9.63%和10.26%，T2较CK分别提高12.06%、17.27%和19.75%，T3较CK分别提高17.71%、26.75%和34.70%。说明生物炭处理有利于增强夏玉米穗位叶POD活性。
表6 不同处理对穗位叶POD活性的影响单位：[U/（g·min）] |
| 处理 | 花后天数/d | |||
|---|---|---|---|---|
| 0 | 15 | 30 | 45 | |
| CK | 75.12 b | 56.86 d | 35.62 d | 16.86 d |
| T1 | 78.04 b | 60.29 c | 39.05 c | 18.59 c |
| T2 | 82.02 a | 63.72 b | 41.77 b | 20.19 b |
| T3 | 84.60 a | 66.93 a | 45.15 a | 22.71 a |
2.2.3 MDA含量
由表7可知，玉米花后穗位叶MDA含量呈逐渐升高趋势，与CK相比，不同处理穗位叶MDA含量与CK差异具有统计学意义（P<0.05），并随着生物炭施用量的增加而降低，即CK>T1>T2>T3，在花后30、45 d，不同处理间差异具有统计学意义（P<0.05）;花后30 d，T1、T2和T3分别较CK低8.63%、13.15%和17.13%；花后45 d，T1、T2和T3分别较CK低7.65%、13.47%和18.93%。说明生物炭处理有利于降低夏玉米穗位叶MDA含量。
表7 不同处理对穗位叶MDA含量的影响单位：（mmol/g） |
| 处理 | 花后天数/d | |||
|---|---|---|---|---|
| 0 | 15 | 30 | 45 | |
| CK | 3.82 a | 5.03 a | 7.53 a | 8.24 a |
| T1 | 3.62 b | 4.70 b | 6.88 b | 7.61 b |
| T2 | 3.34 c | 4.33 c | 6.54 c | 7.13 c |
| T3 | 3.07 d | 4.05 d | 6.24 d | 6.68 d |
2.3 不同处理对夏玉米产量的影响
3 结论与讨论
刘国玲等[8]研究发现，正常施肥配施生物炭处理的玉米净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均高于CK，且高施炭量处理明显高于低施炭量处理；高施炭量比对照增产10.23%；王艳芳等[12]研究指出，施用生物炭可提高旱作玉米花后穗位叶SPAD值、净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，降低旱作玉米花后穗位叶片胞间CO2浓度。本研究发现，与CK相比，生物炭处理能提高玉米花后穗位叶SPAD值、净光合速率、蒸腾速率、SOD和POD活性，降低玉米花后穗位叶片胞间CO2浓度和MDA含量，T1、T2和T3夏玉米产量分别较CK增产5.80%、9.98%和16.88%，与以上研究结果相似，其原因一方面可能是生物炭施入土壤后，能够增加孔隙度[13]，保水保肥[14]，有利于根系的生长、后期不脱肥，延缓了玉米衰老；另一方面可能是生物炭本身含有大量的有机碳，能够改善土壤微生物特性[15]，提高土壤肥料利用效率。
综上，本研究探究不同浓度生物炭处理对玉米光合生理特性及产量的影响，结果表明，生物炭施用后，能提高玉米花后穗位叶SPAD值、净光合速率、蒸腾速率，降低胞间CO2浓度，以改善叶片光合能力；能提高SOD和POD活性，降低MDA含量，促进作物生长发育；最终增加其产量。