生物炭调节土壤物理性质影响春玉米灌浆速率

刘榕; 钟佳旺; 胡逸芸; 詹祥生; 董勤各; 冯浩; LIU Rong; ZHONG Jia-wang; HU Yi-yun; ZHAN Xiang-sheng; DONG Qin-ge; FENG Hao

doi:10.12396/jsgg.2024017

节水灌溉 ›› 2025 ›› (3) : 9-17. DOI: 10.12396/jsgg.2024017

土壤性质及改良

生物炭调节土壤物理性质影响春玉米灌浆速率

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Biochar Affects the Filling Rate of Spring Maize by Regulating Soil Physical Properties

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摘要

为揭示施加生物炭对土壤含水率、土壤结构和玉米籽粒灌浆过程的影响规律，以春玉米为供试作物进行田间定位试验。共设置BC0（0 t/hm²）、BC7.5（7.5 t/hm²）、BC15（15 t/hm²）和BC22.5（22.5 t/hm²） 4个生物炭施加量处理。结果表明：在一定范围内施加生物炭能够提高0~120 cm剖面土层的土壤含水率，但过量施加生物炭反而会减低土壤含水率；随生物炭施加量的增加，土壤容重呈下降趋势，孔隙度呈上升趋势；施加生物炭能够降低土壤固相体积分数，提高气相和液相体积分数，广义土壤结构指数（GSSI）随施炭量的增加而增大，土壤三相结构距离指数（STPSD）随施炭量的增加先减小后增大，均在BC7.5处理达到最优（94.94、7.92），同时土壤三相比偏离值R最小(11.21)，三相比最接近理想状态；与BC0处理相比，各施炭处理延长到达灌浆速率最大的时间1.341~1.783 d，最大灌浆速率降低1.416~2.168 g/d，平均灌浆速率提高0.081~0.124 g/d，灌浆活跃期增加5.703~7.347 d，灌浆有效期增加1.704~2.266 d；施加生物炭主要是通过提高春玉米各阶段的灌浆速率，延长各阶段的持续时间、灌浆活跃期和灌浆有效期，实现灌浆质量的提高。从经济效益和农业可持续发展的角度考虑，15 t/hm²是更为合理、有效的生物炭施加量。

Abstract

In order to reveal the effect of biochar application on soil moisture content, soil structure and grain filling process of maize, a field experiment was conducted with spring maize as the test crop. Four biochar dosages were set up: BC0(0 t/hm²), BC7.5(7.5 t/hm²), BC15(15 t/hm²) and BC22.5(22.5 t/hm²). The results showed that the application of biochar within a certain range could increase the soil moisture content of 0-120 cm soil layer, but excessive application of biochar would decrease the soil moisture content. With the increase of biochar application, the soil bulk density decreased and the porosity increased. The application of biochar can reduce the solid phase volume fraction of soil and increase the gas phase and liquid phase volume fraction of soil. The generalized soil structure index (GSSI) increases with the increase of carbon application amount, and the soil three-phase structure distance index (STPSD) first decreases and then increases with the increase of carbon application amount, reaching the optimal value in BC7.5 treatment (94.94, 7.92). At the same time, the deviation value R of the soil is the smallest (11.21), and the three-phase comparison is the closest to the ideal state. Compared with BC0 treatment, each carbon treatment extended the time to reach the maximum grouting rate by 1.341~1.783 d, the maximum grouting rate decreased by 1.416~2.168 g/d, the average grouting rate increased by 0.081~0.124 g/d, and the active period of grouting increased by 5.703~7.347 d. Grouting validity increased 1.704~2.266 d; The application of biochar is mainly to improve the grouting quality of spring maize by increasing the grouting rate of each stage, extending the duration of each stage, active period of grouting and effective period of grouting. From the perspective of economic benefits and sustainable agricultural development, 15 t/hm² is a more reasonable and effective biochar application.

关键词

生物炭 / 春玉米 / 土壤结构 / Logistic模型 / 籽粒灌浆 / 土壤物理性质

Key words

biochar / spring corn / soil structure / Logistic model / grain filling / soil physical property

基金

国家重点研发计划项目(2021YFD1900700)

陕西省重点研发计划项目(2023-ZDLNY-56)

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刘榕 , 钟佳旺 , 胡逸芸 , 詹祥生 , 董勤各 , 冯浩. 生物炭调节土壤物理性质影响春玉米灌浆速率[J].节水灌溉, 2025(3): 9-17 https://doi.org/10.12396/jsgg.2024017

LIU Rong , ZHONG Jia-wang , HU Yi-yun , ZHAN Xiang-sheng , DONG Qin-ge , FENG Hao. Biochar Affects the Filling Rate of Spring Maize by Regulating Soil Physical Properties[J].Water Saving Irrigation, 2025(3): 9-17 https://doi.org/10.12396/jsgg.2024017

0 引言

玉米作为三大主粮作物之一，其增产稳产对保证我国粮食安全有着重要的意义。随着我国城市化进程的加快和人口的增多，对粮食的需求不断提高。我国目前虽然能够连年丰产但无法掩盖国内粮食供需关系的现实矛盾，粮食供需关系仍然处于紧平衡态势，保证国家粮食安全的任务依然艰巨^[1]。而受限于当前的种植技术和资源环境，我国粮食增长势头面临停滞的危险，如何通过新技术、新手段破除粮食安全的困境，突破产量增长的瓶颈，是我们亟待解决的问题。

增施化肥是目前提高产量的主要手段，但是化肥对产量边际贡献已经呈下降趋势^[2]。过量施用化肥会造成土壤板结、地下水硝酸盐含量超标以及温室气体大量排放等问题^[3]。生物炭作为一种新型改良剂，近年来在土壤改良和作物增产稳产方面发挥着重要的作用^[4]。生物炭是由生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质，生物炭具有比表面积大、孔隙度高等特点，为其成为优质的改良剂提供了先决条件^[5,6]。魏永霞等^[4]连续多年对黑土区土壤施加生物炭表明：土壤容重随生物炭施加量增加而减小，而土壤孔隙度与之结论相反;土壤三相比偏离值R随施加量的增多呈先减小后增大的趋势。黄明逸等^[7]研究发现，生物炭能够提高滨海盐渍土的入渗性能、持水能力以及入渗结束后的土壤含水率。但勾芒芒等^[8]研究表明：0~20 cm土层土壤含水率均随生物炭施用量增加呈增大趋势；20~40 cm土壤含水率与0~20 cm变化规律恰好相反，与CK相比，施炭处理土壤含水率均呈下降趋势。郑云珠等^[9]研究表明，不同生物炭和秸秆还田量均有利于潮土区冬小麦成熟期株高及地上干物质质量的提高。但李帅霖等^[10]在塿上施用1%和2%的生物炭时小麦产量分别增产6.62%和11.01%，而施用4%和6%的生物炭时小麦产量分别减产6.88%和10.1%。生物炭的改良效果与土壤类型、作物种类以及施用量有着密切的关系^[11]。

灌浆期是玉米生长发育过程中的重要阶段，也是决定作物产量的关键时期，籽粒干物质积累量主要受籽粒灌浆速率和灌浆过程持续时间的影响^[12]。而玉米的灌浆速率受包括种植密度、耕作方式和施肥量等多种田间管理措施的影响。王利青等^[13]研究表明增加种植密度各玉米品种的平均灌浆速率分别降低14.28%、13.58%、13.27%、19.53%和13.22%。ZHAI等^[14]研究表明，相较于免耕和水平旋耕，深松免耕下玉米平均灌浆速率、最大灌浆速率下干物质积累量以及灌浆活跃期均高于前两者。方恒等^[15]通过研究不同覆膜和施氮组合表明：一定范围内随施氮水平的提高，延迟了达到最大灌浆速率的时间，最大延迟6.2 d，但提高了最大灌浆速率和平均灌浆速率，分别提高1.489和1.062 mg/d。

Logistic方程曲线是一条S形曲线，作为回归协变量用于统计模型时，经常被用以描述具备缓慢-快速-缓慢的变量，可以较好地拟合出玉米籽粒的灌浆过程。但是，目前关于施加生物炭的条件下，玉米灌浆参数和土壤物理性质的相关关系的研究结果少见报道。因此，本试验以河套灌区春玉米为研究对象，通过施加不同比例生物炭，旨在探讨施加生物炭后年土壤结构、土壤含水率、玉米灌浆特性等指标的变化规律，找出该地区最优生物炭施加量，以期为提高河套灌区春玉米的品质和产量提供科学依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地点和供试材料

本试验于2021年5月至2021年10月进行。试验地点位于内蒙古自治区巴彦淖尔市水利科学研究所曙光试验站（40°46′N，107°24′E，海拔1 039.9 m）。试验区所在地区属于干旱半干旱气候区，全年日照充足，降雨稀少，蒸发强烈。根据临河气象站资料显示，该地区多年平均气温6.9 ℃。降水量145.7 mm，蒸发量2 306.5 mm。无霜期160 d，年日照时间为3 189 h。该试验区土壤属于黄河灌淤土，质地主要为沙壤土，耕层平均土壤容重1.45 g/cm²，含有机质7.26 g/kg，含全氮105.24 mg/kg，速效磷55.95 mg/kg，速效钾120.21 mg/kg，土壤盐分1.19 g/kg。地下水埋深在2.53 m波动，0~100 cm土壤田间持水量26.96%。逐日气象资料由试验站内的气象站获取，试验期间的气温和降水如图1所示。生物炭由河南星诺环保材料有限公司提供，基本理化性质如表1所示。

图1 生育期内降雨与气温的变化

Fig.1 Changes of rainfall and temperature during growth period

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表1 生物炭基本理化性质

Tab.1 Basic physical and chemical properties of biochar

类型	热解温度/ ℃	全氮质量比/ (g·kg^-1)	全钾质量比/(g·kg^-1)	比表面积/ (m²·g^-1)	pH	含碳量/%
玉米秸秆炭	400	12.87	1.97	76.9	8.5	76

1.2 试验设计

本试验于2021年5月1日播种，2021年9月13日收获。供试玉米品种为金苹628，采用人工穴播的方式，种植密度为55 000株/hm²（行距30 cm，株距40 cm）。试验共设4个处理：常规施氮肥（BC0）；常规施氮肥+7.5 t/hm²玉米秸秆生物炭（BC7.5）；常规施氮肥+15 t/hm²玉米秸秆生物炭（BC15）；常规施氮肥+22.5 t/hm²玉米秸秆生物炭（BC22.5）。每个处理设置3组重复，共15个小区，随机排列，每个小区面积为12 m²（3 m×4 m）。

田间管理：常规施氮肥处理为300 kg/hm²氮，以尿素（含氮46.4%）和磷酸二氨（含氮16%，含磷44%）的形式施入。氮按照150 kg/hm²的水平以尿素和全部磷酸二氨的形式于播种前施入，其余150 kg/hm²的氮以尿素的形式于玉米灌浆期开沟施入。播种前使用旋耕机将生物炭与土壤均匀混合，混合深度为30 cm。试验采用当地常规灌溉方式畦灌，灌水量为360 mm，第一次灌水在5月29日，第二次灌水在6月29日，第三次灌水在7月29日，第四次灌水在8月13日，玉米在9月15日左右进行收获测产。除草、防病虫等其他管理措施与当地管理模式一致。

1.3 试验地点和供试材料

1.3.1 土壤水分

在玉米的关键生育期取膜下0~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100和100~120 cm土样，在烘箱用105 ℃烘8 h后测量土壤含水率。

土壤储水量的计算公式如下：

S W S = \frac{10 \times h B_{D} S W C}{100}

（1）

式中：SWS为土壤蓄水量，mm；h为土壤深度，cm；B_D 为土壤容重，g/cm³；SWC为土壤含水率，%。

1.3.2 土壤温度

在上午8∶00，下午14∶00以及晚上20∶00，使用曲管地温计分别测量各试验区5 cm和10 cm的土壤温度。

1.3.3 土壤容重、孔隙度、三相比

在生育期末利用环刀取各小区耕层土壤样本并计算容重。

土壤孔隙度的计算公式如下：

S_{P} = 1 - \frac{B_{D}}{P_{D}}

（2）

土壤三相比：

X_{S} ∶ X_{L} ∶ X_{G} = (1 - S_{P}) ∶ S W C ∶ (S_{P} - S W C)

（3）

土壤三相比偏离值：

R = \sqrt[]{(X_{S} {- 50)}^{2} + (X_{L} {- 25)}^{2} + (X_{G} {- 25)}^{2}}

（4）

广义土壤结构系数：

G S S I = [(X_{S} - 25) X_{L} X_{G}]^{0.476 9}

（5）

土壤三相结构距离：

S T P S D = \sqrt[]{(X_{S} {- 50)}^{2} + (X_{S} - 50) (X_{L} - 25) + (X_{L} {- 25)}^{2}}

（6）

式中：S_P 为土壤孔隙度，%；B_D 为土壤容重，g/cm³；P_D 为土壤颗粒密度，取2.65 g/cm³；X_S 、X_L 和X_G 分别为固相、液相和气相，%；R为土壤三相比偏离值；GSSI为广义土壤结构系数；STPSD为土壤三相结构距离。

1.3.4 籽粒灌浆速率模型的构建

选择各处理下的玉米同时授粉，长势均匀一致的植株挂牌标记，确保取样果穗授粉日期一致。待玉米开花授粉后10 d开始取样，各小区每个7 d随机取3个果穗，共取样6次。果穗从植株上取下立即装入遮光的塑料袋中，带回室内立即将果穗从中间掰开，剥下中部籽粒，去除非完整籽粒后混合均匀，随机数出100粒，然后放入烘箱中，设置105 ℃杀青30 min，降温至70 ℃烘至恒重后称取籽粒质量。以花开后时间t为自变量，每次测得的百粒重W为因变量，按照李晶等^[16]的方法对籽粒灌浆过程进行拟合。

W = \frac{A}{1 + B e^{- K t}}

（7）

式中：A为理论最大单粒重；B为初值参数；K为生长速率参数。

灌浆渐增期持续时间：

T_{1} = \frac{l n B - 1.317}{K}

（8）

灌浆快增期持续时间：

T_{2} = \frac{2.634}{K}

（9）

灌浆缓增期持续时间：

T_{3} = \frac{3.278 12}{K}

（10）

有效灌浆期：

T = \frac{(l n b + 4.595 12)}{K}

（11）

达到最大灌浆速率天数：

T_{G m a x} = \frac{l n B}{K}

（12）

灌浆速率最大时生长量:

W_{G m a x} = \frac{A}{2}

（13）

最大灌浆速率:

G_{m a x} = \frac{A K}{4}

（14）

灌浆活跃期（大约完成总累计量的90%）:

D = \frac{6}{K}

（15）

平均灌浆速率:

G_{m e a n} = \frac{A}{t}

（16）

1.4 统计分析

运用Microsoft Excel 2016对原始数据进行整理；采用SPSS 26.0对试验数据进行方差分析（ANOVA），并采用Duncan法进行显著性水平检验（P<0.05）；使用Origin2021对数据和图表进行处理。

2 结果与分析

2.1 施加生物炭对土壤水分的影响

生物炭施加量对土壤水分的影响如图2所示，在玉米吐丝期各处理土壤含水率随土壤深度增加而增加；在0~20 cm土层中土壤含水率表现为BC15>BC7.5>BC0>BC22.5；在0~60 cm土层中，BC15处理较BC0处理显著提高土壤含水率（P<0.05）；除BC22.5处理外，各施炭处理土壤含水率均高于BC0处理，这说明适量的生物炭能够提高土壤蓄水能力。在玉米灌浆期，在0~40 cm土层中土壤含水率表现为BC15>BC7.5>BC22.5>BC0；除60~80 cm土层外，各土层施炭处理土壤含水率均高于BC0处理。在玉米乳熟期，0~20 cm土层中，土壤含水率表现为随施炭量的增加而增加，即BC22.5>BC15>BC7.5>BC0且在10~20 cm土层中，各施炭处理较BC0处理差异性显著（P<0.05）；在玉米成熟期，土壤含水率随土层深度增加呈现先减小后增加的趋势；在20-60 cm土层中土壤含水率表现为BC22.5>BC15>BC7.5>BC0且BC22.5和BC15处理与BC0处理相比差异性显著（P<0.05）。图3为生物炭施加量对土壤储水量的影响。在玉米吐丝期BC7.5和BC15处理相较于BC0处理，土壤储水量显著提高（P<0.05）。在玉米灌浆期各施炭处理相较于BC0处理均显著提高土壤储水量但各施炭处理之间差异性并不显著。在玉米乳熟期时，仅BC22.5处理能够显著提高土壤储水量。到成熟期，土壤储水量随施炭量的增加而增加，具体表现为BC22.5>BC15>BC7.5>BC0。

图2 不同处理土壤含水率的变化

注：*为P≤0.05；**为P≤0.01；***为P≤0.001；ns为P＞0.05。

Fig.2 Changes of soil moisture content under different treatments

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图3 不同处理土壤储水量的变化

Fig.3 Changes of soil water storage under different treatments

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2.2 施加生物炭对土壤温度的影响

图4为生物炭施加量对土壤温度的影响，整体上施加生物炭能够显著提高抽雄期（VT）—成熟期（R6）土壤的平均温度，且随着生物炭施加量的增加土壤温度呈现上升趋势，具体表现为BC22.5>BC15>BC7.5>BC0。但在VT—R6时期内出现施炭处理的土壤温度小于BC0处理的现象，这可能是生物炭的结构会改善土壤的导热率和热扩散率，从而实现对土壤温度“削峰填谷”的作用。

图4 不同处理土壤温度的变化

注：VT、R2、R3和R6分别代表抽雄期、灌浆期、乳熟期和成熟期；

\bar{T_{1}}

、

\bar{T_{2}}

、

\bar{T_{3}}

分别为抽雄期至灌浆期、灌浆期至乳熟期、乳熟期至成熟期土壤的平均温度；

\bar{T}

指抽雄期至成熟期土壤的平均温度。

Fig.4 Changes of soil temperature under different treatments

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2.3 施加生物炭对土壤结构的影响

2.3.1 施加生物炭对土壤容重和孔隙度的影响

图5（a）为生物炭施加量对耕层土壤容重的影响，土壤容重与生物炭施用量呈负相关关系，添加生物炭能够显著（P<0.05）降低土壤容重。与BC0处理相比，BC7.5、BC15和BC22.5处理的土壤容重分别降低了3.74%、10.54%和11.27%。图5（b）为生物炭施加量对土壤耕层孔隙度的影响，随生物炭施用量的增加土壤孔隙度呈上升趋势。与BC0处理相比，BC7.5、BC15和BC22.5处理的土壤孔隙度分别提高了5.56%、15.66%和16.73%。

图5 不同处理对土壤结构的影响

Fig.5 Effects of different treatments on soil structure

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2.3.2 施加生物炭对土壤三相比的影响

图5（c）为生物炭施加量对土壤耕层三相比的影响，施加生物炭能够显著（P<0.05）降低土壤固相占比，提高土壤液相。BC7.5处理与BC0处理的气相占比差异并不显著，而BC15和BC22.5能够显著（P<0.05）提高土壤气相占总比。各施炭处理相较于BC0处理的固相分别降低了2.24%、6.30%和6.73%；液相分别提高了2.43%，1.37%和0.85%；BC15和BC22.5气相分别降低了4.92%和5.89%。土壤三相比偏离值（R）与土壤三相结构距离指数（STPSD）的变化趋势相似，均呈现先减小后增加的趋势，BC7.5处理与BC15处理差异性并不显著但各施炭与BC0处理差异性显著（P<0.05）。各施炭处理的广义土壤结构系数（GSSI）相较于BC0处理分别提高了3.86%、3.10%和2.20%且各处理之间差异性显著（P<0.05）。

**表2 不同处理土壤三相比例、土壤三相比偏离值（R）、土壤三相结构距离指数（STPSD）和广义土壤结构系数（GSSI）**

Tab.2 Soil three-phase ratio, soil three-comparison deviation (R), soil three-phase structural distance index (STPSD) and generalized soil structure coefficient (GSSI) under different treatments

处理	X_S /%	X_L /%	X_G /%	R	STPSD	GSSI
BC0	59.8a	14.3d	25.9b	14.51a	10.26a	91.27d
BC7.5	57.5b	16.8a	25.7b	11.21c	7.92c	94.94a
BC15	53.5c	15.7b	30.8a	11.52c	8.15c	94.19b
BC22.5	53.0c	15.2c	31.8a	12.35b	8.73b	93.33c

2.3.3 施加生物炭对玉米籽粒灌浆的影响

由图6可知，不同处理下的春玉米籽粒灌浆过程均呈现“慢-快-慢”的变化趋势，施加生物炭能够在春玉米灌浆期提高籽粒质量。如表3所示，各处理Logistic模型决定系数均大于0.99，表明Logistic模型对春玉米籽粒灌浆动态过程模拟效果良好。A值代表灌浆结束时理论最大百粒重，各施炭处理与BC0处理相比差异性显著（P<0.05），BC7.5、BC15和BC22.5处理分别提高9.97%、15.26%和13.674%。

图6 不同处理玉米灌浆Logistic方程拟合曲线

Fig.6 Fitting curves of Logistic equation for corn groutingunder different treatments

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表3 不同处理下Logistic模型参数

Tab.3 Logistic model parameters under different treatments

处理	A/g	B	K	R ²
BC0	28.417c	52.406	0.198	0.997
BC7.5	31.249b	35.031	0.167	0.996
BC15	32.754a	32.137	0.160	0.994
BC22.5	32.303a	34.033	0.162	0.995

根据Logistic模型拟合计算出的春玉米灌浆期灌浆特征参数见表4。各施炭处理到达灌浆速率最大的时间与BC0处理相比显著（P<0.05）增加1.341~1.783 d。各施炭处理相较于BC0处理灌浆速率最大时生长量分别增加了1.416、2.168和1.943 mg。最大灌浆速率随施炭量的增加呈现先降低后升高的趋势，各施炭处理与CK处理相比差异性显著（P<0.05），分别降低了1.416、2.168和1.943 g/d。但平均灌浆速率与最大灌浆速率的变化趋势相反，随施炭量的增加呈先升高后降低的变化，各施炭处理分别提高了0.081、0.124和0.111 g/d。各施炭处理均能显著（P<0.05）延长春玉米籽粒灌浆活跃期，但各施炭处理之间差异并不显著，与BC0处理相比各施炭处理分别增加了5.703、7.347和6.394 d。灌浆有效期与灌浆活跃期变化趋势相似，各施炭处理与BC0处理相比分别增加了1.704、2.266和2.177 d。

表4 不同处理下春玉米籽粒灌浆参数

Tab.4 Grain filling parameters of spring corn under different treatments

处理	T_G _max/ d	W_G _max/ mg	G _max/ (g·d^-1)	G _mean/ (g·d^-1)	D/ d	T/ d
BC0	19.969c	14.209c	1.409a	0.812c	30.263b	20.393c
BC7.5	21.318b	15.625b	1.303b	0.893b	35.967a	22.057b
BC15	21.752a	16.377a	1.306b	0.936a	37.610a	22.589a
BC22.5	21.727a	16.151a	1.311b	0.923a	36.957a	22.507a

由表5可知：灌浆渐增期持续时间BC0最短，各施炭处理分别增加了0.098、0.172和0.290 d，但只有BC22.5处理持续时间显著（P<0.05）长于BC0处理；各施炭处理与BC0处理相比均显著（P<0.05）提高渐增期灌浆速率，其中BC15处理提高最多。各处理在玉米灌浆快增期和缓增期的灌浆持续时间变化趋势相同，随施炭量的增加，灌浆快增期和缓增期时间呈先增加后减少的趋势，各施炭处理与BC0处理相比差异性显著（P<0.05）但施炭处理之间并不差异显著。施加生物炭后灌浆快增期和缓增期平均灌浆速率有所降低，但各处理之间差异并不显著。由此可见，施加生物炭能够增加玉米籽粒灌浆各阶段持续时间和前期的灌浆速率，而玉米快增期和缓增期的灌浆速率有所降低。

表5 不同处理下春玉米籽粒灌浆各阶段持续时间及其灌浆速率

Tab.5 Duration and filling rate of spring corn grain at eachstage under different treatments

处理	T ₁/ d	V ₁/ (g·d^-1)	T ₂/ d	V ₂/ (g·d^-1)	T ₃/ d	V ₃/ (g·d^-1)
BC0	13.325b	0.451d	13.293b	1.235a	16.544b	0.346a
BC7.5	13.423b	0.492c	15.806a	1.143a	19.671a	0.320a
BC15	13.497ab	0.513a	16.530a	1.145a	20.573a	0.321a
BC22.5	13.615a	0.502b	16.243a	1.150a	20.215a	0.322a

2.3.4 土壤物理性质与春玉米籽粒灌浆参数的相关性分析

由图7可知，SWS、S_P 、X_L 、X_G 、GSSI与G _max呈负相关关系，与T_G _max、W_G _max、G _mean、D、T、HGW呈正相关关系，

\bar{T}

、B_D 、X_S 、X_G 、R、STPSD与G _max呈正相关关系，与T_G _max、W_G _max、G _mean、D、T、HGW呈负相关关系。

图7 土壤物理性质与春玉米籽粒灌浆参数的相关关系分析

注：*为p≤0.05，**为p≤0.01。

Fig.7 Correlation analysis between soil physical properties and grain filling parameters of spring maize

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3 讨论

3.1 生物炭对土壤水分的影响

充足的土壤水分是提高灌浆质量和粮食产量的重要保障^[17]。生物炭具有高孔隙度、大比表面积和强吸附性的特点，施加在土壤中能有效地降低土壤体积质量，提高土壤水分的固持能力^[18-20]。然而也有研究指出，生物炭对提高土壤含水率的作用是有限度的^[21]。在本研究中，施加适量的生物炭能够提高0~120 cm剖面的土壤含水率，为玉米籽粒灌浆提供充足的水分。但在玉米抽雄期施加22.5 t/hm²的生物炭却减少土壤含水率，其原因可能是由于过量施加生物炭，导致其斥水性表现明显^[22]。这与颜永毫^[23]、魏永霞等^[4]研究结果一致。土壤蒸发是土壤水分损失的重要途径之一^[24]。有研究认为，添加生物炭能够促进土壤团聚体的形成，提高土壤持水能力，降低土壤蒸发^[25]。生物炭本身呈黑色粉末状，施加到土壤后，能够改变土壤粗糙度，引起地表反射率的变化，最终导致辐射胁迫增强和土壤温度的提高^[26,27]。而过高的土壤温度会促进土壤蒸发，对含水率造成不利影响。

3.2 生物炭对土壤结构的影响

土壤结构指土壤颗粒或团聚体与孔隙组成的三维结构，决定土壤水、肥、气、热贮存和传输^[28]。耕层合理的土壤结构有利于水土保持、水气循环以及作物的茁壮成长^[29]。在本研究中土壤容重随施炭量的增加而降低，孔隙度随施炭量的增加而升高且各施炭处理与BC0处理相比差异性显著（P<0.05）。这与李昌见^[30]，魏永霞等[4]研究结果一致。原因可能归结于：①由于生物炭具有高比表面和高孔隙度的特点，能够降低土壤容重，提高土壤中总孔隙体积^[31]；②生物炭表面丰富的官能团，使其具有强大的吸附能力，能够改善土壤团聚体结构并提高土壤团聚体的稳定性，最终增加土壤孔隙度^[32]；③生物炭本身有机质含量较高，可以通过稀释土壤矿物组分来降低土壤容重^[33]。

旱区农田理想的土壤三相比为50∶25∶25^[34]，土壤三相比在评价土壤对作物适宜性方面有重要的意义^[35]。在本研究中，施加生物炭能够降低土壤固相体积分数并提高液相和气相体积分数，这与李传哲^[36]，刘慧等^[37]研究结果一致。广义土壤结构指数（GSSI）是以土壤三相比作为研究对象，客观描述土壤结构功能的差异性变化，土壤三相比偏离值（R）和三相结构距离指数（STPSD）能更直观地反映土壤三相比结构的变化趋势^[38]。生物炭通过改善土壤固相和液相的体积分数，使二者相互作用共同提高土壤气相体积分数，最终导致各施炭处理与BC0处理相比，土壤三相比偏离值（R）趋于理想化，土壤三相结构距离指数（STPSD）趋于合理化。但随着施炭量的增加，R和STPSD值出现上升趋势，其原因是过量的生物炭导致土壤水分蒸发加快进而导致土壤液相和气相体积分数失调，土壤结构变差^[39]。

3.3 生物炭对春玉米籽粒灌浆的影响

玉米籽粒的灌浆主要受土壤水分^[40]、土壤温度^[41]和土壤氮素^[42]的影响，因此生物炭可以通过改善土壤的水热氮条件进而影响籽粒的灌浆过程。土壤水分对玉米籽粒灌浆过程有很大的影响，籽粒灌浆参数和光合产物的转移都与水分条件有着密切的关系^[43]。当玉米在灌浆期对水分消耗高于吸收时就会出现水分亏缺，影响干物质的积累并导致贮藏物质转换率下降^[44]。有研究表明^[45]：土壤水势的降低会抑制玉米籽粒灌浆期的光合能力，限制叶片光合产物向籽粒的运输，导致籽粒灌浆期缩短，粒重降低。在本研究中，施加生物炭能够提高0~120 cm剖面土壤含水率（图2），能够有效地降低对水分亏缺对籽粒灌浆过程的影响。

有效积温是指作物生长至某一生育阶段所需要积累的有效温度，是反映气象条件对作物生长影响的主要指标^[46]。施加生物炭能够有效的提高土壤温度^[47]，使玉米籽粒更早的到达灌浆所需的积温，其原因可能是生物炭本身呈黑色粉末状，施入土壤后能提高土壤吸热保热能力^[48]。但过高的温度会造成高温胁迫，加快土壤表面蒸发速率，从而抑制根系的向下延伸，降低根系导水率，最终导致水分亏缺^[49]。高温胁迫也会对籽粒灌浆造成不利影响，有研究表明^[50]高温（35 ℃）会降低土壤水势，从而抑制籽粒灌浆速率，导致籽粒粒重下降45%。高温胁迫也会导致叶片气孔关闭，降低叶片相对含水量，最终导致光合作用不良，无法在高温胁迫下进行籽粒灌浆^[51]。但在本研究中除籽粒最大灌浆速率以外，各项灌浆参数均优于BC0处理，施加生物炭并没有导致高温胁迫影响灌浆。其原因可能是生物炭施加到土壤中，对温度的影响并不是单纯的增加或者降低，而是降低温度的波动，减小温度胁迫，起到“削峰填谷”的作用^[52-54]。

氮是作物所必需的三大营养元素之一，外源氮肥投入是作物获取氮素的主要途径^[55]。在本研究中各处理的氮肥投入相同但各处理的灌浆参数存在差异，除土壤水分和温度对其影响的作用以外，生物炭对于氮肥利用效率的提高也是一个重要因素。生物炭表面疏松多孔的结构和丰富的官能团，能够有效的吸附土壤中的养分离子并抑制氮素的淋溶和下渗，提高氮素利用效率^[56]。生物炭本身含有氮、磷、钾等作物所需元素，施入土壤中能够补充土壤养分^[57]。生物炭可作为肥料增效的载体，能够起到吸持肥料养分、延缓肥效期、降低肥料养分的损失的作用^[58]。

充足的氮源能够优化籽粒的灌浆，有研究表明，在一定范围内施氮能够增加籽粒灌浆的持续时间和速率，从而提高玉米的产量^[59]。在本研究中，生物炭除本身带有少量氮素外，还可通过对氮素利用效率的优化来改善籽粒灌浆。随着氮素利用效率的提高，源容量与库强度的协调得到保证，同化物的供应充足，有效地解释了籽粒灌浆持续时间的延长^[60]。因此，随着施炭量的增加，籽粒到达最大灌浆速率的时间逐渐延迟，平均灌浆速率和有效灌浆期时间增加，最终导致灌浆结束时百粒质量也得到提高。春玉米籽粒灌浆期可分为渐增期（T1）、快增期（T2）和缓增期（T3）3个阶段，渐增期形成大库容是实现高产的先决条件，快增期向库容中调运库容物质是保证高产的基础^[15]。本研究各处理3个阶段的持续时间由小到大分别是：渐增期、快增期、缓增期；各阶段的平均灌浆速率由小到大为：V₃ 、V₁ 、V₂。由于生物炭改善土壤结构，协调土壤水热气的平衡，提高氮素利用效率，随着玉米灌浆过程的进行，其延长灌浆各阶段时间，提高各阶段平均灌浆速率的作用逐渐体现，最终有利于提高玉米的产量^[61]。

4 结论

（1）除抽雄期20~40 cm和成熟期10~20 cm土层外，施加生物炭能够显著提高0~120 cm剖面各土层的土壤含水率，但过量的施炭反而会减低土壤含水率。

（2）土壤容重随生物炭的施加量增加有减小的趋势，孔隙度有逐渐增加的趋势。广义土壤结构指数（GSSI）随施炭量的增加而增大，土壤三相结构距离指数（STPSD）随施炭量的增加先减小后增大，均在BC7.5处理达到最优（94.94、7.92），同时土壤三相比偏离值R最小（11.21），三相比最接近理想状态;

（3）施加生物炭主要是通过提高春玉米各阶段的灌浆速率，延长各阶段的持续时间、灌浆活跃期和灌浆有效期，实现灌浆质量的提高。从经济效益和农业可持续发展的角度考虑，15 t/hm²是更为合理、有效的生物炭施加量。

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关键词
Key words
基金
引用本文
0 引言
1 材料与方法
1.1 试验地点和供试材料
图1 生育期内降雨与气温的变化
表1 生物炭基本理化性质
1.2 试验设计
1.3 试验地点和供试材料
1.3.1 土壤水分
1.3.2 土壤温度
1.3.3 土壤容重、孔隙度、三相比
1.3.4 籽粒灌浆速率模型的构建
1.4 统计分析
2 结果与分析
2.1 施加生物炭对土壤水分的影响
图2 不同处理土壤含水率的变化
图3 不同处理土壤储水量的变化
2.2 施加生物炭对土壤温度的影响
图4 不同处理土壤温度的变化
2.3 施加生物炭对土壤结构的影响
2.3.1 施加生物炭对土壤容重和孔隙度的影响
图5 不同处理对土壤结构的影响
2.3.2 施加生物炭对土壤三相比的影响
表2 不同处理土壤三相比例、土壤三相比偏离值（R）、土壤三相结构距离指数（STPSD）和广义土壤结构系数（GSSI）
2.3.3 施加生物炭对玉米籽粒灌浆的影响
图6 不同处理玉米灌浆Logistic方程拟合曲线
表3 不同处理下Logistic模型参数
表4 不同处理下春玉米籽粒灌浆参数
表5 不同处理下春玉米籽粒灌浆各阶段持续时间及其灌浆速率
2.3.4 土壤物理性质与春玉米籽粒灌浆参数的相关性分析
图7 土壤物理性质与春玉米籽粒灌浆参数的相关关系分析
3 讨论
3.1 生物炭对土壤水分的影响
3.2 生物炭对土壤结构的影响
3.3 生物炭对春玉米籽粒灌浆的影响
4 结论
参考文献

收稿日期	接受日期	出版日期
2024-01-10	2024-12-06	2025-03-05
发布日期
2025-03-24

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基金

引用本文

0 引 言

1 材料与方法

1.1 试验地点和供试材料

图1 生育期内降雨与气温的变化

表1 生物炭基本理化性质

1.2 试验设计

1.3 试验地点和供试材料

1.3.1 土壤水分

1.3.2 土壤温度

1.3.3 土壤容重、孔隙度、三相比

1.3.4 籽粒灌浆速率模型的构建

1.4 统计分析

2 结果与分析

2.1 施加生物炭对土壤水分的影响

图2 不同处理土壤含水率的变化

图3 不同处理土壤储水量的变化

2.2 施加生物炭对土壤温度的影响

图4 不同处理土壤温度的变化

2.3 施加生物炭对土壤结构的影响

2.3.1 施加生物炭对土壤容重和孔隙度的影响

图5 不同处理对土壤结构的影响

2.3.2 施加生物炭对土壤三相比的影响

表2 不同处理土壤三相比例、土壤三相比偏离值（R）、土壤三相结构距离指数（STPSD）和广义土壤结构系数（GSSI）

2.3.3 施加生物炭对玉米籽粒灌浆的影响

图6 不同处理玉米灌浆Logistic方程拟合曲线

表3 不同处理下Logistic模型参数

表4 不同处理下春玉米籽粒灌浆参数

表5 不同处理下春玉米籽粒灌浆各阶段持续时间及其灌浆速率

2.3.4 土壤物理性质与春玉米籽粒灌浆参数的相关性分析

图7 土壤物理性质与春玉米籽粒灌浆参数的相关关系分析

3 讨 论

3.1 生物炭对土壤水分的影响

3.2 生物炭对土壤结构的影响

3.3 生物炭对春玉米籽粒灌浆的影响

4 结 论

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参考文献

0 引言

**表2 不同处理土壤三相比例、土壤三相比偏离值（R）、土壤三相结构距离指数（STPSD）和广义土壤结构系数（GSSI）**

3 讨论

4 结论