有机物料作为重要的养分资源，充分发挥其积极效应对于提高我国粮食安全和农业可持续发展具有重要意义。一方面，有机物料还田可以降低因焚烧秸秆而造成的空气污染等问题^[1]；另一方面，有机物料自身所含有的大量碳、氮、磷、钾以及丰富的纤维素等组分可以改善土壤理化性质（孔隙率和电导率），提高土壤的保水保肥能力^[2-3]，增强养分有效性，为作物提供更多的营养，从而促进作物的生长以及产量的优化^[4-6]。

施用作物秸秆和生物炭可以增加土壤中有机碳以及氮、磷、钾等养分含量，改变土壤微生物活性，促进养分转化进而达到增产的目的^[6]。王学敏等^[7]研究发现，秸秆还田提高了土壤有机碳、全氮和全磷含量。周怀平等^[8]表明秸秆还田后玉米最高可增产 20.92%。Partey 等^[9] 发现，当 C 5 t/hm² 生物炭与化肥配施，玉米产量较单施化肥增加了 27%。秸秆作为土壤中新鲜有机物质的来源，其碳组分和性质与生物炭有较大差异。秸秆主要含有易被土壤微生物分解利用的可溶性糖等碳源，而生物炭作为一种具有改善土壤-植物系统中养分循环潜力的土壤改良剂，是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固态物质^[10-11]，其所含溶出物质[如（重）金属、溶解性有机碳、多环芳烃等]及颗粒本身（如表面官能团等）具有结构稳定、含碳量高、吸附能力强等特点，同时具有高度的化学和微生物惰性。因此，秸秆和生物炭对作物生长和养分吸收等方面表现出较大差异。例如，Liu 等^[12]研究发现，生物炭在不同添加量及土壤质地等条件下对作物生长的影响变异性很大。谢佳贵等^[13]研究表明，秸秆还田后玉米籽粒中氮、磷、钾的吸收量分别增加了 10.7%、 4.5%、25.5%。目前，国内外关于秸秆和生物炭还田提高作物产量已有大量研究，但大多集中在氮、磷、钾养分同等施用水平上作物的增产效应，基于以碳定量研究秸秆和生物炭还田对作物的影响还鲜见报道。

本研究依托设置于黄土高原东部晋中盆地的一项田间定位试验，以玉米作为供试作物，通过对农艺性状、光合参数、叶绿素荧光参数、产量构成以及养分吸收利用的测定，探究等碳量配施玉米秸秆和生物炭条件下玉米生长及养分吸收利用等方面的差异，旨在为玉米秸秆源有机物料对作物增产和肥料增效提供依据，对于合理利用农田有机资源具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验地点基本情况

田间长期定位试验于 2020 年设置，地点位于山西省晋中市太谷县申奉村（37.43°N，112.61°E），该地区属于温带大陆性气候，年平均气温 10.4℃，年平均降水量 397.1 mm，海拔 847 m。供试土壤为石灰性褐土，土壤质地为壤土。试验开始前（2020 年） 土壤基本理化性状：pH 8.41，碱解氮 42.25 mg/kg，有效磷 14.36 mg/kg，速效钾 99.43 mg/kg，有机质 24.79 g/kg，全氮 0.92 g/kg，全磷 0.29 g/kg，全钾 0.92 g/kg。还田有机物料的基本理化性状：玉米秸秆有机碳 42.2%、pH 7.73、全氮 0.96%、全磷 0.63 g/kg、全钾 13.51 g/kg；生物炭有机碳 59.4%、pH 9.2、全氮 0.81%、全磷 0.25 g/kg、全钾 29.79 g/kg。供试玉米品种为先玉 335，于每年的 4 月下旬播种。本研究于 2022 年春季进行，为长期定位试验的第 3 年，该年土壤理化性状见表1。

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

1.2 试验设计

本试验设置 3 个施肥处理：单施化肥对照 （NPK）、化肥配施玉米秸秆（NPKS）、化肥配施生物炭（NPKB）。所有试验处理化肥均按 N 190 kg/hm²、P₂O₅ 80 kg/hm² 和 K₂O 90 kg/hm² 施用；氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾。玉米秸秆和生物炭在长期定位试验开始后（2020 年），于每年秋收后按 C 4 t/hm² 等有机碳量施用并翻埋于土中。玉米秸秆投入量为 9478.7 kg/hm² （其中 N 投入量为 91.36 kg/hm²，P 投入量为 6.02 kg/hm²，K 投入量为 128.54 kg/hm²），生物炭投入量为 6734 kg/hm² （其中 N 投入量为 54.58 kg/hm²，P 投入量为 1.65 kg/hm²，K 投入量为 200.8 kg/hm²）。试验采用随机区组设计，每个小区面积 19.44 m²，每年于春播玉米时一次性施入化肥。栽培密度 65000 株 /hm²，行距 0.6 m，株距 0.25 m。每个处理 3 次重复。2022 年于拔节期测定玉米的农艺性状、光合参数及叶绿素荧光参数，收获后取样测定玉米的产量、产量构成要素、植株秸秆和籽粒的养分含量和养分吸收量。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 玉米农艺性状和产量

玉米拔节期（2022-06）在各小区分别采集 3 株具有代表性的植株测定玉米的农艺性状，包括株高、茎粗、叶面积等指标。株高用卷尺测量地面到所有叶片自然伸展时的最高点，取平均值。茎粗用游标卡尺测茎基部第三节间处扁圆面的直径。叶面积测量植株第七片叶的叶长和叶宽，计算公式：叶长 × 叶宽 ×0.75（长宽系数法）。收获后将玉米地上部分置于 105℃条件下杀青 0.5 h，继续在 80℃条件下烘干至恒重后称重，测定干物质重。

玉米收获期（2022-09）在各小区分别采集 3 株具有代表性的植株进行室内考种，测定穗重、穗长、穗粗、秃尖长、轴重、籽粒重和百粒重等指标，各小区按实收株数计产，最后换算成公顷产量。

1.3.2 玉米光合参数及叶绿素荧光参数

每小区选取长势均匀的 4 个玉米植株，于拔节期（测试叶：顶部往下第4片叶中部）测定玉米叶片光合参数及叶绿素荧光参数，相同处理测量 4 次后取平均数，测量避开叶脉部分取叶片上中下三点。使用德国 WALZ 公司 GFS-3000 型光合作用测量系统进行胞间 CO₂ 浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、净光合速率（Pn）的测定。采用脉冲式荧光仪 PAM-100（德国 WALZ 公司），叶片暗适应 20 min 后，进行叶绿素荧光参数测定，即玉米叶片最大光化学效率（Fv/Fm）、实际光化学效率（ФPS Ⅱ）、光化学淬灭系数（qP）和非光化学淬灭系数（NPQ）的测定。

1.3.3 养分含量

将植株籽粒、秸秆和叶片经烘干后磨碎成粉，过 0.2 mm 筛，用浓 H₂SO₄-H₂O₂ 消煮，采用凯氏法测定氮，采用钒钼蓝比色法测定磷，采用火焰光度法测定钾。

作物吸氮（磷、钾）量（kg/hm²）= 籽粒产量 （kg/hm²）× 籽粒含氮（磷、钾）量（%）+ 秸秆产量（kg/hm²）× 秸秆含氮（磷、钾）量（%）。

1.4 数据分析

用 Excel 2003 进行数据计算；用 SPSS 11.0 进行单因素方差分析，并用 Duncan 新复极差法进行差异显著性检验（P<0.05）；用 Origin 2021 作图，将分析结果可视化。

2 结果与分析

2.1 等碳量配施玉米秸秆和生物炭对拔节期玉米农艺性状的影响

由图1 可知，除茎粗外，NPKS 处理对拔节期玉米农艺性状的影响达到显著水平。与 NPK 处理相比，NPKS 处理的玉米株高和叶面积分别提高了 14.8% 和 29.2%，而 NPKB 处理玉米株高、茎粗、叶面积无显著差异。NPKS 和 NPKB 处理的玉米干物质重较 NPK 处理分别增加了 80.8% 和 14.1%。

2.2 等碳量配施玉米秸秆和生物炭对拔节期玉米光合参数的影响

如图2 所示，除 Pn 外，等碳量配施不同玉米秸秆源有机物料对玉米拔节期光合参数有显著影响。与 NPK 处理相比，NPKS 处理分别显著提高了叶片 Tr 23.4% 和 Gs 26.5%，对 Pn 无显著影响。NPKB 处理显著提高了叶片 Gs 23.9%，但对 Pn 和 Tr 无显著影响。NPKB 处理的叶片 Ci 显著低于 NPK 处理，但 NPKS 处理对其无显著影响。

2.3 等碳量配施玉米秸秆和生物炭对玉米拔节期叶绿素荧光参数的影响

除 qP 外，等碳量配施玉米秸秆源有机物料显著影响玉米拔节期叶绿素荧光参数（图3）。与 NPK 处理相比，NPKS 和 NPKB 处理均显著提高了叶片 ФPS Ⅱ和 Fv/Fm，其中，NPKS 处理增幅分别为 58.5% 和 21.9%，NPKB 处理增幅分别为 42.7% 和 33.1%，但对 qP 无显著影响。NPKS 和 NPKB 处理的叶片 NPQ 低于 NPK 处理。

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.4 等碳量配施玉米秸秆和生物炭对玉米产量构成的影响

除穗粗外，等碳量配施玉米秸秆源有机物料对收获期玉米的产量构成有显著影响（图4）。与 NPK 处理相比，NPKS 处理的玉米穗重和百粒重分别增加了 36.4% 和 31.1%，玉米穗长、轴重和籽粒重分别增加 15.8%、34.9% 和 31.4%。NPKB 处理分别显著提高了玉米穗重 18.5% 和百粒重 15.2%，但对玉米其他性状无显著增加。与 NPK 处理相比， NPKS 和 NPKB 处理分别降低了玉米秃尖长 100.0% 和 47.8%。NPKS 处理的玉米产量为 12930 kg/hm²，较 NPK 处理提高了 45.5%，NPKB 处理对其无显著影响。

2.5 等碳量配施玉米秸秆和生物炭对秸秆养分吸收量的影响

由图5 可以看出，等碳量配施玉米秸秆源有机物料对玉米秸秆养分吸收量有显著影响。玉米秸秆氮、磷、钾吸收量分别为 52.29～81.31、 13.92～24.82、51.16～138.37 kg/hm²。与 NPK 处理相比，NPKS 处理玉米秸秆氮、磷、钾吸收量分别提高了为 55.5%、78.3%、128.6%；NPKB 处理秸秆钾吸收量提高了 170.5%，但对秸秆氮、磷吸收量无显著影响。

2.6 等碳量配施玉米秸秆和生物炭对籽粒养分吸收量的影响

由图6 可以看出，玉米籽粒氮、磷、钾吸收量分别为 103.11～148.76、25.23～36.49、25.15～35.73 kg/hm²。与 NPK 处理相比，NPKS 处理籽粒氮、钾吸收量分别提高了 44.3%、42.1%，对籽粒磷吸收量无显著影响。NPKB 处理籽粒氮吸收量提高了 28.9%，但对籽粒磷、钾吸收量无显著影响。

3 讨论

3.1 等碳量配施玉米秸秆和生物炭对玉米生长的影响

有机物料作为重要的培肥改土材料，含有丰富的有机碳及氮、磷、钾等养分，既能改善土壤的水、肥、气、热，为植物提供良好的生存环境和生长所必需的营养元素，也可以提高作物的渗透调节和气孔调节能力，从而促进作物的光合和生长发育^[14]。刘猷红等^[15]研究表明，添加 7 t/hm² 秸秆和 7.5 t/hm² 生物炭处理下，水稻株高分别提高了 28.81% 和 16.33%，添加秸秆处理对株高的提升作用较生物炭更为明显。但也有研究证实，在砂壤土中添加生物炭对玉米生长无显著影响^[16]。这与本研究结果相似，本文 NPKS 与 NPK 处理相比玉米株高、叶面积、干物质重分别提高了 14.8%、 29.2%、80.8%，而 NPKB 与 NPK 处理相比玉米干物质重仅提高了 14.1%，株高、叶面积与 NPK 处理相比无显著影响，这与上述研究结果相似^[16]，可见供试土壤类型和物料种类以及施用量的差异均可能是导致上述结果的主要原因^[17-18]。

光合作用是叶片光合能力的有效表征，在作物生长发育和产量的形成中发挥着重要作用。光合参数和叶绿素荧光参数的大小与变化是植株内部对外界环境适应能力的重要指标^[19]，前人研究证实了秸秆还田对作物叶片气孔开放、蒸腾作用、叶肉细胞 CO₂ 的供应能力以及光合速率均具有一定的促进效应^[20]。本研究发现，与 NPK 处理相比，NPKS 处理玉米叶片的 Gs 最高，NPKB 处理次之，并且 NPKS 处理显著提高了叶片的 Tr，而 NPKB 处理对 Tr 无显著影响。玉米叶片的 Ci 在 NPKS 和 NPKB 处理下与 NPK 处理相比呈降低趋势，说明主要受非气孔因素的限制。本文中 NPKS 与 NPKB 处理相比更有利于提高叶片的光合性能，从而更好地缓解非气孔因素对光合的限制，这与王晓娟等^[21]研究结果一致。叶绿素荧光参数作为反映光能的转化、传递和利用的指标，其中 Fv/Fm 和 ФPS Ⅱ衡量了 PS Ⅱ 的潜在活性以及光能利用效率和转化率^[22]。本文中 NPKS 和 NPKB 处理与 NPK 处理相比均显著提高了玉米叶片的 ФPS Ⅱ和 Fv/Fm，对 qP 无显著影响，说明等碳量配施玉米秸秆源有机物料对玉米的光能转换效率和电子传递效率均具有一定的积极作用^[23]。可能是由于有机物料具有增强土壤肥力以及改善土壤物理条件等作用^[24]，本研究连续 3 年施用秸秆和生物炭后土壤速效钾含量显著提高，这部分养分可以被作物直接吸收利用，改善了玉米叶片中作为保卫细胞的渗透调节物质来影响气孔的功能，进而影响叶片的光合作用。本研究中，NPKB 处理对钾的吸收量高达 170%，但对叶片的 Pn 未造成显著影响，这可能是由于生物炭的施用促进了玉米对钾的奢侈吸收。奢侈吸收是指当土壤的养分供应量大于作物需求量时，作物会过多地吸收一部分养分贮存起来，这在许多研究中均有报道^[25-26]。本文中，生物炭的添加导致土壤中的钾含量显著提高，当土壤中的钾浓度超过一定水平时，可能导致叶片的 Pn 不再随钾浓度的增加而增加。本文中玉米叶片 NPKS 和 NPKB 处理的 NPQ 低于 NPK 处理，降低了由非辐射能量耗散途径散失的过剩激发能的作用。本研究条件下配施玉米秸秆比配施生物炭更有助于优化玉米叶片光合参数和叶绿素荧光参数，从而改善作物农艺性状，造成两者差异的原因可能与秸秆和生物炭自身的养分含量差异有关^[27]。

施用玉米秸秆源有机物料可以改善玉米的产量构成，从而达到玉米高产增效的目的。白伟等^[28] 研究发现，秸秆还田量为 9000 kg/hm² 时玉米百粒重和行粒数增加，秃尖长降低，并提高作物产量。 Partey 等^[9]按 C 5 t/hm² 生物炭与化肥配施，玉米增产约 27%。但也有研究表明，全量秸秆还田与不还田相比作物产量并没有增加，主要由于在肥力较低的土壤上秸秆还田过多导致土壤微生物与作物争氮^[29]。本研究在 C 4 t/hm² 等碳配施条件下，在石灰性褐土上对玉米产量构成均具有一定的促进作用，其中 NPKS 处理的玉米穗重和百粒重显著提高，并增产 45.5%。然而，NPKB 与 NPK 处理相比仅提高了玉米穗重和百粒重，对玉米产量无显著影响。上述结果表明，等碳量配施条件下 NPKS 处理对玉米产量构成的提升效果优于 NPKB 处理，这可能与秸秆和生物炭自身的理化性质有关，也取决于土壤的理化性质和作物生物学属性等诸多方面。本研究中，经过 3 年定位施肥试验，与 NPK 处理相比，NPKS 和 NPKB 处理显著改善了土壤理化性状 （表1），土壤肥力显著提高；其中，NPKS 处理对提高土壤全氮、碱解氮和有效磷的作用优于 NPKB 处理。因此，NPKS 处理更有利于作物生长和提高作物产量。

3.2 等碳量配施玉米秸秆和生物炭对玉米养分吸收量的影响

作物养分吸收量与产量形成密切相关，化肥配施有机物料（秸秆和生物炭）对土壤肥力提升和增产具有重要作用。前人研究发现施用秸秆和生物炭后土壤速效养分均呈升高趋势，并提高了植株氮、磷、钾养分含量^[30-31]，秸秆还田还可以促进玉米籽粒氮、磷、钾吸收量^[13]。这与本研究结果基本一致，本研究中 NPKS 和 NPKB 处理的玉米氮、磷、钾吸收总量较 NPK 处理显著提高，其中，等碳配施秸秆对氮、磷吸收的促进作用最高，而配施生物炭对钾吸收的促进作用更大。从表1 也可以看出秸秆和生物炭还田显著提高了土壤速效养分含量，配施秸秆处理对土壤碱解氮、有效磷的促进作用最大，而配施生物炭对土壤速效钾的促进作用更大；研究中秸秆和生物炭还田对氮、磷、钾养分吸收的提高一方面与其本身所含大量养分有关，可提高土壤肥力；另一方面，二者对土壤养分有效性的影响可能是主要因素。土壤氮、磷、钾养分有效性的提高保障了作物生长过程中对养分的需求，从而促进作物生长。

化肥配施秸秆对玉米磷吸收的促进效果优于配施生物炭。配施秸秆和生物炭处理下，玉米磷吸收的增加量比随有机物料投入的磷量分别高 16.15 和 6.48 kg/hm²，说明施用秸秆较生物炭具有更明显“增碳活磷”的作用，并且本文在表1 中也发现 NPKS 与 NPK 处理相比显著提高了土壤有效磷含量，而 NPKB 处理对其无显著影响。出现这种结果的原因可能与有机物料的碳组成和性质差异有关^[32]；研究发现秸秆还田后土壤分泌大量有机酸，从而螯合铁、铝离子，减少磷的吸附，既能通过提高土壤酸性磷酸酶活性增强有机磷的矿化，进而提高土壤磷的有效性；也可以通过作物的菌根分泌物增大真菌的生物量，提高磷酸酶活性，促进有机磷的水解，提高土壤有效磷含量^[33-34]。另外，秸秆中所含的可溶性糖等碳源可以快速激发微生物增殖，特别是解磷微生物，通过影响微生物（酸性磷酸酶、碱性磷酸酶活性）促进土壤难溶性磷的活化^[35]；而以生物炭形式存在的碳主要表现为高芳香化碳，其具有稳定性和相对漫长的降解过程使其表现出高度的化学和微生物惰性，并且本研究中所施用的生物炭碳氮比高于秸秆，产生玉米与微生物严重的争氮现象^[29]，施入土壤后难以被微生物利用^[36-37]。 Cui 等^[31]的研究发现生物炭可通过改变土壤 pH 来增加土壤中磷的有效性，减少土壤磷的积累；但本研究连续 3 年定位施肥试验（表1），发现等碳配施秸秆和生物炭处理与对照相比未对土壤 pH 造成显著影响，此结果也表明了在石灰性褐土中土壤 pH 并不是造成上述结果的主要影响因子。本文中等碳配施秸秆的土壤碱解氮和有效磷含量均高于配施生物炭，因此植株生长状态最佳，产量最高。

4 结论

等碳量配施玉米秸秆和生物炭条件下，NPKS 处理显著提高了玉米叶片的光合及叶绿素荧光参数，增加量高于 NPKB 处理。NPKS 处理显著提高了玉米的穗重、百粒重、穗长、轴重和籽粒重。 NPKB 处理仅提高了玉米的穗重和百粒重，对其余产量构成要素均无显著差异。配施秸秆和生物炭较单施化肥处理促进了玉米氮、磷、钾的吸收，但配施秸秆对氮、磷吸收的促进作用较大，而配施生物炭对钾吸收的促进作用更大。等碳量配施玉米秸秆源有机物料均可改善玉米生理和生长状况并提高玉米养分吸收，最终提升产量；其中，等碳量配施玉米秸秆较生物炭更有利于玉米对磷素吸收，从而促进玉米生长并提高产量。

参考文献