生物炭對谷子幼苗生長及光合特性的影響

劉慧敏，張圣也，郭懷剛，林俊俊，李佐同，閆鳳超，朱廣石，徐晶宇，趙長江

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江省秸稈資源化利用工程技術(shù)研究中心/黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)與作物種質(zhì)改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163319； 2.黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000 )

秸稈作為農(nóng)作物生產(chǎn)伴生的副產(chǎn)品，因其種類多、數(shù)量大、分布廣，成為生物質(zhì)能資源的重要來源之一。以秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)資源為原料，在無氧或低氧環(huán)境下通過高溫裂解產(chǎn)生生物質(zhì)炭，為呈堿性非石墨化碳結(jié)構(gòu)，不僅具有多孔性、高比表面積和豐富表面官能團(tuán)的特點(diǎn)，而且含少量礦物質(zhì)和揮發(fā)性有機(jī)化合物，不易被微生物分解[1]。近年來，生物炭已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境、農(nóng)業(yè)、能源等各個領(lǐng)域[2-3]。生物質(zhì)炭的廣泛應(yīng)用，一方面可以節(jié)約利用資源、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，另一方面還可以將碳封存在土壤中有效地減少CO2氣體的排放，同時作為很好的土壤改良劑，提高土壤肥力和生產(chǎn)力[4-5]。

近年來，已有大量研究表明，生物炭可改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，降低土壤容重[6]，增加土壤比表面積[7-8]，提高土壤的C/N比[9]，提高土壤持水能力[10]等，生物炭對貧瘠土壤改良效果尤為顯著。然而，土壤中生物炭的施用對作物生產(chǎn)的影響存在一定的變異，盡管多數(shù)研究表明生物炭對植物具有顯著的促進(jìn)作用，但也有抑制作用或基本無任何影響的報道[11]。通過對大豆、豇豆、蘿卜、番茄和水稻的研究，發(fā)現(xiàn)生物炭對上述作物具有顯著的促生和增產(chǎn)作用[12-17]。其中，生物炭不僅能夠促進(jìn)C4作物玉米出苗，顯著促進(jìn)玉米株高、莖粗[18]；而且生物炭對輕度鹽堿種植的C3作物小麥幼苗生長具有顯著的促生作用[19]。

谷子(Setariaitalica)因其營養(yǎng)價值高而成為重要的雜糧作物，而且谷子具有較好的抗旱、節(jié)水、耐瘠薄能力，在干旱貧瘠的土壤上種植，具有良好的穩(wěn)產(chǎn)性[20]。在中國北方常年大面積種植，效益顯著[21-22]。但是，關(guān)于生物炭對谷子幼苗生長影響相關(guān)的研究鮮見報道。本研究通過盆栽試驗(yàn)中不同比例生物炭的添加，測試分析了谷子幼苗植株地上部和地下部生物量和形態(tài)以及葉片光合性能相關(guān)指標(biāo)，初步揭示生物炭對谷子幼苗生長的影響及光合調(diào)控機(jī)制，旨在明確生物炭在谷子有機(jī)種植中的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

谷子品種為祥谷3號，購買自黑龍江省肇源縣農(nóng)資市場。生物炭材料采購于大連興龍墾有限公司，用立式炭化爐燒制，原材料為花生殼炭,制備溫度為400℃～500℃?；拘再|(zhì)：pH 8.34，含碳53.64%、氮1.23%、磷0.89%、鉀1.56%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)設(shè)4個處理，即生物炭含量分別占風(fēng)干土質(zhì)量0 g·kg-1(BC0)，10 g·kg-1(BC1)，50 g·kg-1(BC5)，90 g·kg-1(BC9)，每個處理5次重復(fù)。將大慶地區(qū)田間草甸黑鈣土和生物炭全部過2 mm篩，與化肥混勻后等量裝入11 cm×7.5 cm×10 cm的花盆中,每盆裝土1 kg，澆透水待播種。基肥用量分別為N150 mg·kg-1、P2O5100 mg·kg-1、K2O 70 mg·kg-1。

播前先用蒸餾水清洗2遍去除秕谷，再用10%次氯酸鈉溶液消毒10 min，最后用蒸餾水沖洗5遍。每盆均勻擺放30粒種子置于黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院植物生長室內(nèi)，培養(yǎng)30 d后用于指標(biāo)測定。培養(yǎng)條件：晝夜溫度為(25±2)℃/(20±2)℃，每天光照12 h，光強(qiáng)為1 000 μmol·m-2·s-1，相對濕度為60%～80%。

1.3 生長指標(biāo)的測定

隨機(jī)選取各處理代表性幼苗10株，測定地上株高和莖粗以及葉面積 (托普YMJ-B葉面積儀)；然后用自來水沖洗根系周圍土壤獲得完整植株，在蒸餾水中測定根長，吸干植株表面水分，測定鮮重，地上和地下部分置于干燥箱中，105℃殺青30 min后80℃烘至恒重，稱取干重。

1.4 根系形態(tài)的測定

利用根系掃描儀(Epson Perfection V800photo)對上述代表性植株根系進(jìn)行掃描成像，并用WinRHIZO根系分析軟件對主根長、根總長度、根總表面積、根總體積、根尖數(shù)、分枝數(shù)進(jìn)行分析。

1.5 葉片光合相關(guān)指標(biāo)的測定

隨機(jī)選取各處理代表性幼苗10株，于播種后第30天用便攜式光合儀(Li6400)測定倒數(shù)第2位葉的最大葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)與蒸騰速率(Tr)，并依據(jù)Pn/Tr計算葉片水分利用效率(WUE)。同時，采用葉綠素儀(SPAD-502 Plus)測定相對葉綠素含量。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

用Excel對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和相關(guān)圖表的制作，用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對谷子幼苗生物量累積的影響

與未施用生物炭(BC0，對照)相比，施入不同劑量(10、50、90 g·kg-1)生物炭的處理都顯著促進(jìn)谷子幼苗生物量的積累，無論地上部分鮮重和干重，還是地下部分鮮重和干重(表1)。而且，隨著生物炭施入量的增加，谷子幼苗的地上部與地下部重量均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。與未施用生物碳(BC0)相比，BC5處理谷子幼苗地上和地下部生物量積累達(dá)到最高值，地上鮮重和干重、地下鮮重和干重分別增加220%、181%和500%、350%；高劑量生物炭BC9處理谷子幼苗生物量增加幅度低于中劑量的BC5處理，表明中等劑量生物炭更有利于谷子幼苗生物量積累。

根冠比能夠反映出作物地上和地下部分的協(xié)調(diào)性，根冠比越大表明其根系發(fā)育越好，植株因此會具有較強(qiáng)的吸收水分和礦物質(zhì)的能力。施入不同劑量生物炭處理谷子幼苗的根冠比較對照高36.9%～41.7%，均達(dá)到顯著水平；隨著生物炭施入量的增加，谷子幼苗的根冠比與生物量變化趨勢一致，但是不同劑量間差異不顯著(表1)。結(jié)果表明，土壤中生物炭的添加可促進(jìn)谷子幼苗地上和地下部分生物量的積累，對地下部分根系的促進(jìn)效果更為顯著。

表1 生物炭對谷子幼苗生物量的影響

注：BC0、BC1、BC5、BC9代表生物炭的施入量分別為0、10、50、90 g·kg-1。不同字母表示處理間差異達(dá)P<0.05顯著水平。下同。

Note: BC0， BC1, BC5, BC9 represents the amount of biochar applied to 0, 10, 50 g·kg-1and 90 g·kg-1. Different letters indicate a significant difference atP<0.05 level between treatments. The same below.

2.2 生物炭對谷子幼苗地上部生長的影響

與未施用生物炭(BC0)對照相比，施入不同劑量生物炭的處理都顯著促進(jìn)谷子幼苗的株高、莖粗、葉面積及葉片寬(表2)。而且，隨著生物炭施入量的增加，谷子幼苗的地上部生長指標(biāo)均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。其中BC5處理谷子幼苗株高、莖粗、葉面積及葉片寬度達(dá)到最高值，分別增加48%、50%和159%、39%；BC9處理谷子地上部生長低于BC5處理。上述研究表明，適量生物炭能增加谷子幼苗株高和莖粗，而且增加谷子葉面積。葉面積的增加為谷子幼苗的高效光合作用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，秸稈加粗不僅有助于有機(jī)物和礦物質(zhì)的運(yùn)輸，而且加強(qiáng)了谷子的抗倒伏能力。

表2 生物炭對谷子幼苗地上部生長的影響

2.3 生物炭對谷子幼苗光合參數(shù)的影響

光合作用是植物生長和物質(zhì)積累的基礎(chǔ)，對植物生長發(fā)育具有重要意義[23]。與未施用生物炭(BC0)對照相比，施入不同劑量生物炭的處理均提高谷子幼苗葉片的凈光合速率(Pn)、葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)；同時不同程度地降低了胞間CO2濃度(Ci)(圖1)。而且，隨著生物炭施入量的增加，谷子幼苗的凈光合速率(Pn)、葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。其中BC5處理對谷子凈光合速率(Pn)、葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)的促進(jìn)效果最好，分別增加167%、47%、45.5%，達(dá)顯著水平(P<0.05)；而胞間CO2濃度(Ci)顯著降低。研究表明，中劑量生物炭可促進(jìn)谷子幼苗光合,而且，適合劑量生物炭對作物凈光合的促進(jìn)具有非氣孔性因素的影響，其中最大凈光合受原料CO2供應(yīng)影響。

2.4 生物炭對谷子幼苗葉綠素含量和水分利用效率的影響

葉綠素含量是反映植物葉片光合能力及植株健康狀態(tài)的重要指標(biāo)。與未施用生物炭(BC0)對照相比，施入不同劑量生物炭的處理均促進(jìn)谷子幼苗葉綠素含量(圖2)的增加。而且，隨著生物炭施入量的增加，谷子幼苗的葉綠素含量均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。其中BC5處理谷子幼苗葉綠素含量最高，與對照相比增加21.01%，差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；BC9處理高劑量生物炭引起谷子幼苗葉綠素含量增加幅度低于中劑量的BC5處理。表明低、中劑量生物炭可促進(jìn)谷子幼苗葉綠素含量的增加，從而促進(jìn)光合，促進(jìn)幼苗生物量的積累。

單葉水分利用效率是瞬時水分利用效率，它反映了作物光合作用狀況[24]。施入不同劑量生物炭處理谷子幼苗的水分利用效率均顯著高于對照(圖2)。盡管不同劑量間生物炭施用對水分利用效率影響差異不顯著，最高值仍為中等劑量BC5處理。表明生物碳可協(xié)調(diào)氣孔導(dǎo)度和蒸騰，提高水分利用效率，減少損耗，而且葉片蒸騰作用的增強(qiáng)促進(jìn)作物根部吸收更多的水分和養(yǎng)分，促進(jìn)作物生長。

2.5 生物炭對谷子幼苗根系形態(tài)的影響

與未施用生物炭(BC0)對照相比，施入不同劑量生物炭處理均顯著促進(jìn)谷子根系發(fā)育，主根長、總根長、根系表面積、根尖數(shù)以及分枝數(shù)均有提高(表3)。隨著生物炭施入量的增加，谷子的根系各項指標(biāo)均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。其中BC5處理谷子主根長和總根長、根系表面積、根尖數(shù)以及分枝數(shù)均達(dá)到最高，分別提高124%、216%、323%和86.4%、279%。總體來說，BC9處理高劑量生物炭促進(jìn)根系發(fā)育的幅度低于中劑量的BC5處理，表明中等劑量的生物炭更有利于根系生長發(fā)育，尤其是根系與土壤接觸面積顯著增加，吸收水分和礦質(zhì)營養(yǎng)的能力顯著增強(qiáng)，而且有助于谷子抗倒伏和耐旱等逆境耐受能力提升。

圖1 生物炭對谷子幼苗葉片光合參數(shù)的影響Fig.1 Effects of biochar on photosynthetic parameters of millet seedlings

圖2 生物炭對谷子葉片葉綠素含量(SPAD值)和水分利用率(WUE)的影響Fig.2 Effects of biochar on chlorophyll content (SPAD) and water use efficiency of millet seedlings leaves

表3 生物炭對谷子幼苗根系特征參數(shù)的影響

3 討 論

本研究采用室內(nèi)盆栽試驗(yàn)的方式，分析土壤中添加3種不同量的生物炭(10、50、90 g·kg-1)對谷子幼苗生長的影響，研究發(fā)現(xiàn)生物炭添加可以改善幼苗期谷子地下根系和地上莖葉形態(tài)以及葉片光合能力，從而促進(jìn)谷子幼苗地上和地下部分生物量的積累，其中以中等劑量生物炭(50 g·kg-1)對谷子供試指標(biāo)的影響最為明顯。當(dāng)然，由于本試驗(yàn)采用的是溫室盆栽試驗(yàn)，與自然的田間環(huán)境有所差異，所以本研究結(jié)果對于谷子田間種植應(yīng)用仍需進(jìn)一步深入驗(yàn)證探討。

3.1 施用生物炭對谷子地上部分生長的影響

植株生物量或產(chǎn)量能夠直接反映出作物的生長狀況，不僅與地上部分光合能力密切相關(guān)，而且與地下部分與地上部分生長協(xié)調(diào)性密切相關(guān)。本研究得出不同劑量生物炭的添加使谷子幼苗的光合能力顯著提高，主要通過對胞間CO2同化能力的提升實(shí)現(xiàn)，表明光合能力提升的限制并非氣孔因素，而是CO2供應(yīng)限制，還存在較大的提升潛力。結(jié)合在玉米、水稻和煙草等作物的研究[25-29]，生物炭可顯著提高玉米葉片的凈光合速率、葉綠素含量和葉面積指數(shù)，不僅有助于提高葉片光合效率，而且增加的植株光合作用面積和葉綠素含量有助于維持后期光合性能，促進(jìn)干物質(zhì)的積累，為后期產(chǎn)量的形成奠定基礎(chǔ)?？赡芘c生物炭添加提高植物葉片PSII反應(yīng)中心的光能轉(zhuǎn)換效率有關(guān)[30]。同時，生物炭添加促進(jìn)谷子幼苗株高和莖粗，也與對玉米的研究結(jié)論一致[15]。

另外，基于葉片蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度的水分利用效率的顯著增大，則促使谷子吸收土壤養(yǎng)分向地上部分進(jìn)行營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸，從而有助于增強(qiáng)谷子地上部分的快速生長。一方面是生物炭改善土壤理化性質(zhì)和根際周圍環(huán)境，調(diào)控作物對養(yǎng)分的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)，使根系有較高的活力和較強(qiáng)的生理功能，延緩葉片衰老，增強(qiáng)“源-庫”關(guān)系，保障了地上部光合產(chǎn)物的形成、積累與轉(zhuǎn)化，逐步釋放養(yǎng)分供谷子利用。另一方面是生物炭促使葉面積增大，單位面積葉綠素含量得到提高，進(jìn)而為更高效的光合作用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.2 施用生物炭對谷子根系建成的影響

根系既是水分和養(yǎng)分吸收的主要器官, 又是多種激素、有機(jī)酸和氨基酸合成的重要場所, 其形態(tài)和生理特性與地上部生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)均有密切關(guān)[31-34]。蔣健等[35]研究得出生物炭可增加玉米根系的總根長、根體積和根的干物質(zhì)質(zhì)量，提高玉米根系總的吸收面積和活躍吸收面積，同時維持較為適宜的根冠比，增強(qiáng)根系的生理功能。周勁松[36]研究也得出適量的生物炭可改善水稻根系形態(tài)結(jié)構(gòu)，顯著提升水稻的生物量和產(chǎn)量。本研究結(jié)果與上述結(jié)論基本一致，不同生物炭處理后均使谷子幼苗植株根長增長、根表面積增大、根平均直徑增粗、根尖數(shù)和分枝數(shù)增多，增加了谷子幼苗根系與土壤接觸面積和生物量，尤其是地下生物量優(yōu)于地上增長，為作物水分和礦質(zhì)營養(yǎng)的供應(yīng)提供了物質(zhì)保障；另一方也增加了谷子幼苗的抗倒伏能力，甚至抗旱能力。關(guān)于生物炭對谷子幼苗根系的促進(jìn)，可能涉及生物炭添加后土壤物理因素、化學(xué)因素和生物因素等單因素或多因素的改變，在本研究中，因?yàn)楣┰囍参锷L周期短，我們推論可能與生物炭添加造成的土壤物理結(jié)構(gòu)改變密切相關(guān)，施入土壤后可以降低土壤容重、增大總孔隙度，改善土壤的持水和供水能力，從而為根系生長創(chuàng)造良好的條件。當(dāng)然還可能與生物炭本身帶來的營養(yǎng)元素等肥力因素有關(guān)。

在供試的3個生物炭劑量中，盡管都促進(jìn)了谷子幼苗的地上和地下部分生長，但是在50 g·kg-1添加量時生物炭對谷子幼苗的促生效果明顯，90 g·kg-1生物炭的促生效果減弱。與周勁松[36]研究得出的高濃度生物炭對水稻生長抑制的結(jié)果不一致。抑制的原因，可能是土壤孔隙度過高,加速水分、養(yǎng)分流失,也會導(dǎo)致根系對養(yǎng)分吸收利用不足；也可能是添加過量生物炭導(dǎo)致土壤酸堿度發(fā)生較大改變[37-38], 抑制根系生長和養(yǎng)分吸收；也可能是生物炭引起碳氮失調(diào)或者是部分生物炭導(dǎo)致氮的固定和吸附[39-41]，降低了土壤中有效氮，一定程度上限制了植株對有效氮的吸收，從而對植物生長產(chǎn)生抑制作用。生物炭添加對于土壤的改良和作物的促生作用，不僅與生物炭的施入量有關(guān)，還與生物炭的特性和成分構(gòu)成、土壤性質(zhì)、作物的品種或生育期以及環(huán)境條件等因素有關(guān)，仍需后續(xù)研究進(jìn)一步探討。

4 結(jié) 論

1)谷子生物量累積和地上部生長隨生物炭施入量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，與對照相比，施用中量生物炭處理(50 g·kg-1)，谷子地上部和地下部鮮重、干重，莖粗、株高、葉面積及葉片寬度的增長達(dá)到最高。

2)谷子葉片葉綠素含量、光合參數(shù)隨生物炭施入量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，與對照相比，施用中量生物炭處理(50 g·kg-1)，葉綠素含量、葉片凈光合速率(Pn)、葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)含量最高，分別增加21.01%、167%、47%、46%。

3)谷子根系形態(tài)隨生物炭施入量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，與對照相比，施用中量生物炭處理(50 g·kg-1)，主根長、總根長，根系表面積、根尖數(shù)以及分枝數(shù)增長效果均達(dá)到最高，分別提高124%、215%、323%和86%、279%，但對根系平均直徑影響效果不顯著。