生物炭掺混尿素通过整合肥料氮素利用与光合作用提升小麦产量

《Frontiers in Agronomy》：Biochar-blended urea enhances wheat yield by integrating fertilizer-nitrogen utilization and photosynthesis

　　

摘要 引言：过量施用氮（N）肥带来环境风险，提高氮素利用效率（NUE）对农业可持续发展至关重要。生物炭基肥料具有缓释氮的特性，可提升作物生产力与氮素利用效率。然而，氮素去向与植物生理表现之间的关联机制仍知之甚少。 方法：本研究利用15N示踪技术，在华北平原潮土上，于高氮与低氮施用水平下，探究了生物炭掺混尿素肥料（BF）与常规尿素肥料（UF）对冬小麦肥料氮吸收、光合性能及籽粒产量的影响。 结果：与UF相比，BF在高氮水平下使小麦籽粒产量显著提高18%，在低氮水平下提高30%。BF还改变了小麦叶片气孔形态与空间分布，从而增强气孔对气体交换的调控并改善光合性能，表现为净光合速率（An）、蒸腾速率（Tr）、暗呼吸速率（Ra）、水分利用效率（WUE）、气孔导度（Gs）、最大羧化速率（Vcmax）及最大电子传递速率（Jmax）的升高，尤其在低氮水平下更为显著。此外，与UF相比，BF使肥料氮吸收量显著提高26.4%–40.0%，并使其向籽粒的转运量提高29.4%–34.0%。肥料氮吸收的增强与光合性能呈正相关，二者共同促进了小麦籽粒产量的提升。 讨论：研究结果表明，生物炭掺混尿素可增强肥料氮利用效率与光合性能，为在维持小麦生产力的同时减少化学氮肥投入提供了有效策略。然而，仍需长期田间试验以验证生物炭掺混尿素在实际农业生产条件下的有效性与农艺效益。

生物炭掺混尿素提升小麦产量：肥料氮利用与光合作用的协同机制解读

一、研究背景与科学问题

氮素是作物生长发育的核心养分元素，农业生产中普遍依赖氮肥投入以保障粮食产量。中国农业年氮肥消费量约达3300万吨，但施入土壤的氮素中仅有约72%被有效保留或利用，大量活性氮通过硝化与反硝化作用转化为N₂O排放，或经淋溶进入地下水，造成严峻的环境污染与生态风险。因此，如何在保障作物产量的同时提高氮素利用效率（NUE）、减少氮素损失，已成为可持续农业面临的核心挑战。

生物炭作为一种富碳材料，因具有高稳定性、强吸附性及改良土壤肥力的潜力而受到广泛关注。然而，生物炭直接施用的高用量与高成本限制了其农业推广。为此，研究者尝试将生物炭与养分结合制成生物炭基肥料，通过缓释效应提升养分利用效率。已有研究表明生物炭基肥料可促进小麦分蘖、千粒重、生物量与籽粒产量提升，但也有部分研究报道其增产效果有限甚至不显著，相关机制尚不明确。

值得注意的是，生物炭基肥料的缓释特性不仅能减少氮素损失，还能在作物生长后期持续供氮，进而调节光合关键酶活性及氮在光合机构中的分配，影响气体交换过程。然而，生物炭掺混尿素条件下，肥料氮的获取与分配、光合响应与籽粒产量之间的内在联系仍缺乏系统研究。基于此，研究人员设计并开展了本项研究，旨在阐明生物炭掺混尿素调控氮素利用与光合性能的生理机制，为其在旱作土壤中提升小麦生产力提供理论依据。

二、主要技术方法

本研究采用盆栽柱试验，供试土壤为采自华北平原河北工程大学周边农田的潮土，质地为砂壤土，供试冬小麦品种为鲁原502。试验设置6个处理：不施氮对照（CK）、高氮常规尿素（HUF）、高氮生物炭掺混尿素（HBF）、低氮常规尿素（LUF）、低氮生物炭掺混尿素（LBF）及低氮生物炭与尿素物理混合（LBC）。生物炭以玉米秸秆为原料制备，BF由20%生物炭、40%尿素、25%膨润土、9%海泡石、2%羧甲基纤维素钠及1%壳聚糖组成。研究采用¹⁵N同位素示踪技术追踪肥料氮在作物-土壤系统中的去向；利用指甲油印迹法与显微镜观察结合ArcGIS空间分析评估气孔形态与分布格局；采用LI-6800便携式光合仪测定叶片气体交换参数及A_n-C_i响应曲线；通过分光光度法测定光合色素含量；采用蒽酮硫酸法测定非结构性碳水化合物含量；利用高温燃烧与同位素比值质谱法测定各组织及土壤的¹⁵N丰度；并运用方差分析、Spearman相关分析及结构方程模型（SEM）进行数据解析。

三、研究结果

3.1 植株生物量

与常规尿素处理相比，生物炭掺混尿素在高氮水平下使籽粒生物量显著提高18.0%；在低氮水平下，LBF较LUF和LBC分别显著提高籽粒生物量30.5%和28.3%。HBF使茎秆生物量较HUF提高14.5%，LBF使根系生物量较LUF显著提高40.1%。

3.2 光合作用与叶片特性

3.2.1 气孔形态特征与分布格局

不同氮肥处理显著影响小麦叶片上下表皮的气孔形态特征。低氮条件下，LBF较LUF使远轴面气孔面积（SA）、气孔周长（SC）及气孔面积指数（SAI）分别提高21.9%、8.5%和22.6%。空间分布分析表明，LBF在远轴面80 μm尺度上呈现最低的Lhat(d)值（–7.37），表明其气孔空间排列更为规则，有利于CO₂扩散与光合效率提升。

3.2.2 叶片气体交换

LBF较LUF和LBC分别使净光合速率（A_n）显著提高85.3%和37.8%，蒸腾速率（T_r）提高181.8%和209.8%，气孔导度（G_s）提高144.0%和268.6%。LBF处理获得最高的水分利用效率（WUE）。BF处理较UF维持了更高的暗呼吸速率（R_a），HBF较HUF提高28.1%，LBF较LUF提高13.4%。

3.2.3 叶绿素含量与非结构性碳水化合物

高氮条件下，BF较UF使叶绿素b（Chl b）和总叶绿素（Chl t）含量分别显著提高22.6%和22.7%，类胡萝卜素含量（CX）提高9.2%。低氮条件下，LBF使叶片可溶性糖含量较LUF和LBC分别提高56.0%和74.7%，叶片总非结构性碳水化合物（NC）含量较LUF提高26.3%。

3.3 小麦-土壤系统中¹⁵N吸收与残留

BF处理促进了小麦对肥料¹⁵N的总回收，HBF和LBF的总回收率分别达58.0%和65.1%，而HUF和LUF仅为45.9%和46.5%。籽粒中¹⁵N回收占比最高，HBF和LBF分别达38.5%和45.1%。土壤剖面分析显示，HBF在0–20 cm土层残留¹⁵N较HUF提高42.0%，而20–40 cm土层残留量显著低于UF处理，表明BF有效抑制了氮素的深层淋溶。

3.4 肥料氮去向与光合响应的关联

相关分析表明，籽粒生物量与籽粒¹⁵N回收率（¹⁵N_REC）、根系¹⁵N_REC及籽粒总非结构性碳水化合物显著相关。籽粒¹⁵N_REC与净光合速率（A_n）、暗呼吸速率（R_a）、水分利用效率（WUE）及最大羧化速率（V_cmax）呈正相关。结构方程模型（SEM）进一步揭示，肥料类型对¹⁵N_REC的路径系数为0.45，¹⁵N_REC对气体交换的路径系数为0.81，气体交换与¹⁵N_REC对籽粒生物量的路径系数分别为0.50和0.46，表明光合性能与肥料氮吸收对籽粒产量具有相近的贡献。

四、讨论与结论

讨论部分指出，生物炭掺混尿素通过优化气孔形态与空间分布，增强了气孔对气体交换的调控能力，从而提升光合性能。在低氮条件下，LBF处理通过增大远轴面气孔宽度与面积、提高气孔分布规则性，促进了CO₂向叶内的扩散，进而提高A_n与V_cmax。BF的缓释特性增强了土壤供氮能力，促进氮在叶片光合器官中的积累，支持光合酶与电子传递蛋白的合成。此外，BF通过增加表层土壤（0–20 cm）氮素残留、减少亚表层（20–60 cm）氮素残留，有效抑制了氮素深层淋溶，降低了环境风险。BF优于生物炭与尿素物理混合处理（LBC）的表现表明，其有益效应源于生物炭基肥料的整合结构，而非简单的生物炭与尿素共施。

研究结论为：生物炭掺混尿素（BF）通过改善光合性能与肥料氮利用提升了小麦籽粒产量，尤其在减氮条件下效果显著，表明BF提升氮素利用的效益与其整合结构密切相关，而非生物炭与尿素的简单共施。BF增加了远轴面气孔面积及气孔分布规则性，从而增强气孔对气体交换的调控并提高光合能力。此外，BF显著提高了肥料氮的吸收及其向籽粒的转运，且肥料氮吸收的增强与净光合速率、水分利用效率及最大羧化速率等关键光合性状呈正相关，最终实现更高的籽粒产量。值得注意的是，低氮配施生物炭掺混尿素（LBF）处理在减少氮投入与维持籽粒生产力之间达到了最优平衡，展示了其作为提高氮素利用效率同时维持产量的有效策略潜力。总体而言，本研究提供了生物炭掺混尿素增强肥料氮利用与光合性能协同作用的生理学证据，凸显LBF作为华北平原潮土区减少化学氮肥投入同时维持小麦生产力的有前景的养分管理措施。然而，仍需长期田间试验以验证生物炭掺混尿素在实际农业生产条件下的有效性。