生物炭對甜高粱形態(tài)特性的影響

李江鵬，于陽雪，孫璐

(沈陽工學院生命工程學院，遼寧撫順 113122)

生物炭是在限氧條件下以及在低溫下熱解炭化得到的一種碳含量非常豐富、性質也非常穩(wěn)定的物質［1］，作為一種常用的土壤改良劑，具有調節(jié)土壤pH、防止土壤養(yǎng)分流失、吸附重金屬等多種功能［2－3］。近年來，生物炭受到農業(yè)、環(huán)境、能源等領域專家們的廣泛關注，被譽為“黑色黃金”［4－6］。研究表明，生物炭施入農田土壤可改變土壤理化性質，提高肥料利用效率，增加作物產量，促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

甜高粱是粒用高粱的一個變種，不僅有“高能作物”之稱，而且也因其具有抗旱、耐澇、耐貧瘠、耐鹽堿等特性而享有作物中的“駱駝”之美譽。甜高粱生物產量高，含糖量高，乙醇轉化率高，是優(yōu)良的飼料作物、糖料作物和可再生能源作物，合理開發(fā)利用，對我國糧食安全、能源安全具有重大意義。很多研究指出生物炭對于很多作物的生長發(fā)育具有影響。在土壤中施入生物炭能增加水稻生育前期根系的主根長、根體積和根鮮重，提高水稻根系總吸收面積和活躍吸收面積。在水稻生育后期，生物炭在一定程度上延緩根系衰老。根系傷流速率、根系活力和可溶性蛋白在整個生育期內均高于對照，同時維持了較為適宜的根冠比，增強根系生理功能;生物炭處理的水稻產量增加，表現為每穴穗數、每穗粒數、結實率提高，比對照平均增產25.28%［7］。鑒于此，筆者研究了生物炭對甜高粱生長發(fā)育的影響，旨在為實現作物的高產優(yōu)質高效栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料 供試材料為遼甜1號，由遼寧省農業(yè)科學院高梁研究所育成，1989年經全國牧草品種委員會審定通過，主要是高粱飼草的新品種［8］。試驗土壤采自沈陽工學院生命工程學院試驗基地。試驗中添加的生物炭來自沈陽農業(yè)大學遼寧省生物炭工程技術研究中心。

1.2 試驗設計 試驗在沈陽工學院生命工程學院實驗基地溫室大棚中進行。采取盆栽方法，共設4個處理:CK(不添加生物炭)、C1(生物炭7 500 kg/hm2)、C2(生物炭11 250 kg/hm2)和C4(生物炭15 000 kg/hm2)。每個處理5次重復，共種植120盆。

1.3 測定方法 在高粱的不同時期用米尺測量株高;在特定的時期用游標卡尺測量莖基粗;在特定的時期用查數的方式統(tǒng)計并記錄綠葉數和主莖節(jié)數;根的鮮重:把根從土中完整地挖出，清除根上的泥土，用千分之一電子秤進行測量;根的干重:采用烘干法，把稱完鮮重的根放入烘箱中烘至恒重，然后用千分之一電子秤進行稱量。

1.4 數據處理 數據采用SPSS 20.0進行統(tǒng)計分析，并用Excel進行圖表的制作。

2 結果與分析

2.1 生物炭對高粱株高的影響 由圖1可知，同一時期高粱的生理株高和自然株高隨著生物炭添加量的增加逐漸增加。差異性檢驗結果表明，高粱的生理株高與生物炭添加量存在極顯著關系，線性關系極好;高粱的自然株高與生物炭存在顯著關系。由此表明生物炭對高粱株高的影響很大，添加生物炭有助于高粱株高的增加。

由表1可知，對于生理株高而言，苗期生物炭的濃度對高粱株高影響最大，并且在一定范圍內生物炭濃度越大，植物長得越高;拔節(jié)期生物炭對高粱株高影響不大甚至產生負效應，生物炭濃度大的植株增長率甚至低于對照組;而在孕穗期內適當濃度生物炭促進株高，如C1、C2處理，而添加量大反而抑制其生長，如C3處理;開花期適當濃度生物炭促進株高，增加濃度影響不大。對于自然株高而言，生物炭對苗期影響最大，并且隨濃度的增加影響越明顯，生物炭對苗期自然株高的影響要高于生理株高;拔節(jié)期生物炭對自然株高起副作用，增長率比對照組要低;孕穗期生物炭對自然株高的影響同生理株高;開花期適當濃度生物炭有助于植株生長。由上可知，添加生物炭有助于高粱株高的增加，其主要影響時期為苗期和孕穗期。

表1 生物炭對高粱各時期生理株高、自然株高影響的百分比

2.2 生物炭對高粱綠葉數的影響 由圖2可知，在高粱的各個生育期內，生物炭對綠葉數的影響不大，在施加生物炭和對照試驗中，有的時期對照組綠葉數較多，有的時期試驗組綠葉數較多，無明顯的線性關系，生物炭對各時期綠葉數無明顯影響。

2.3 生物炭對高粱主莖節(jié)數的影響 由表2和表3可知，在拔節(jié)期生物炭對主莖節(jié)數產生積極影響，隨著生物炭添加量的增加，主莖節(jié)數也隨之增加;但在孕穗期和開花期，生物炭的添加降低了主莖節(jié)數，并且生物炭添加量越大，主莖節(jié)數越少。總體來講，生物炭的添加使高粱的主莖節(jié)數變少。

表2 生物炭對高粱主莖節(jié)數的影響

2.4 生物炭對高粱莖基粗的影響 莖基的粗細將直接影響植物的抗倒伏性，粗莖基將加強高粱的抗倒伏，為高粱抵御不利的外界環(huán)境、保產保收奠定良好的基礎。由表4可知，相同時期，添加生物炭的處理組高粱主莖基數都變粗，并且隨著生物炭含量的增加主莖基粗變大;同一植株在拔節(jié)期到孕穗期期間主莖基粗有下降趨勢，不同程度地變細，但試驗組與對照組植株相比，試驗組下降幅度較小甚至保持平衡。差異顯著性檢驗結果表明，莖基粗與生物炭含量存在顯著關系。由此得出生物炭的添加對高粱莖基粗有積極影響。

表3 生物炭對高粱主莖節(jié)數影響的百分比

表4 生物炭對高粱莖基粗的影響 cm

2.5 生物炭對高粱根鮮、干重的影響

2.5.1 生物炭對高粱根鮮重的影響。由表5可知，生物炭對高粱根鮮重有很大的影響。苗期隨著生物炭添加量的增加，高粱根鮮重也在不斷增加，特別是C3處理根鮮重增加最突出;在拔節(jié)期試驗組C3的根鮮重比對照組高，而C1和C2低于對照組;孕穗期所有試驗組的根鮮重都要低于對照組，其中C3變化最明顯;開花期高粱的根鮮重隨著生物炭添加量的增加而增加，其中C3最明顯。

2.5.2 生物炭對高粱根干重的影響。由表5可知，在拔節(jié)期低濃度生物炭處理(C2)的根干重比對照組要低，而高濃度生物炭處理的根干重要高于對照組;孕穗期所有處理的根干重都要比對照組低，其中C3處理差別最大;開花期時添加生物炭的試驗組根干重迅速積累，均遠大于對照組，特別是C3，根干重達到了525.00 g。由上可知，添加生物炭可有效增加高粱根的干重，但在不同的生長期作用結果不同;對照組在孕穗期就已經基本完成根干重的積累，在孕穗期到開花期變化不大，生物炭起顯著作用主要集中在孕穗期到開花期，在短時間內根干重迅速增加，而在拔節(jié)期和孕穗期內添加生物炭的促進效果不明顯，有的甚至存在抑制。

表5 生物炭對高粱各時期根鮮、干重的影響 g

3 討論

在甜高粱作為新興的糖料、飼料和能源作物越來越受到人們重視的今天，改善高粱種植環(huán)境、增加高粱產量日益迫切。來自巴西亞馬遜河地區(qū)的田間試驗結果表明，在土壤中施入生物炭(以11 t/hm2標準)，2年4個生長季后水稻和高粱產量累積增加了75%［9］。而在熱帶與亞熱帶地區(qū)施用生物炭發(fā)現，除了使大豆、玉米等作物增產外，植株中的鎂、鈣含量也明顯增加［10］。該研究結果表明，在高粱的種植過程中生物炭的添加使高粱的形態(tài)特征發(fā)生重大的改變，植株高大，莖基粗壯，根系發(fā)達，必然導致產量的增加。同時生物炭的添加有助于土壤的改良，這對于高粱的栽培和種植有指導性的作用，所以該項技術應該在高粱的種植過程中廣泛運用。

［1］宋延靜，龔駿.施用生物炭對土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的影響［J］.魯東大學學報:自然科學版，2010，26(4):361 －365.

［2］LUO Y，DURENKAMP M，DENOBILI M，et al.Short term soil priming effects and the mineralisation of biochar following its incorporation to soils of different pH［J］.Soil Biology ＆ Biochemistry，2011，43(11):2304 －2314.

［3］UCHIMIYA M，WARTELLE L H，KLASSON K T，et al.Influence of pyrolysis temperature on biochar property and function as a heavy metal sorbent in soil［J］.J Agric Food Chem，2011，59(6):2501 －2510.

［4］LEHMANN J，SILVA JR J P，STEINER C，et al.Nutrient availability and leaching in an archaeological anthrosol and a ferralsol of central amazonia:Fertilizer，and charcoal amendments［J］.Plant and Soil，2003，249:343 －357.

［5］LEHMANN J，JOSEPH S.Biochar for environmental managementscience and technology［M］.UK and USA:Earthscan，2009.

［6］WHITMAN T，LEHMANN J.Biochar－one way forward for soil carbon in offset mechanisms in Africa?［J］.Environmental Science ＆ Policy，2009 12(7):1024－1027.

［7］CHEN W F，ZHANG W M，MENG J，et al.Researches on biochar application technology［J］.Engineering Sci，2011，13(2):83 －89.

［8］裴淑華，盧慶善，王伯倫.遼寧省農作物品種志(1974～1998)［M］.長春:遼寧科學技術出版社，1999.

［9］STEINER C，BLUM W E H，ZECH W，et al.Long term effects of manure，charcoal，and mineral:fertilization on crop production and fertility on a highly weathered central Amazonian upland soil［J］.Plant Soil，2007，291:275－290.

［10］LEHMANN J，WEIGL D，PETER I，et al.Nutrient interactions of alleycropped Sorghum bicolor and Acacia saligna in a run off irrigation system in Northern Kenya［J］.Plant Soil，1999，210:249 －262.