生物質(zhì)炭對(duì)土壤保水性和作物抗干旱能力的影響研究進(jìn)展

張登曉, 介紅彬, 張文靜, 高 雅, 饒 偉, 李棟浩, 王代長(zhǎng)

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,450002,鄭州)

隨著氣候變化的加劇,干旱、洪澇和暴雨等氣象災(zāi)害事件頻發(fā),降水不均越來(lái)越嚴(yán)重,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重?fù)p失,在區(qū)域和全球尺度均嚴(yán)重威脅糧食安全。特別是干旱對(duì)作物生長(zhǎng)和糧食產(chǎn)量的影響,已成為威脅我國(guó)及全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要?dú)夂驗(yàn)?zāi)害之一[1]。Webber等[2]通過(guò)模型分析的方法研究過(guò)去和未來(lái)氣候變化條件下影響作物產(chǎn)量的限制因子,發(fā)現(xiàn)干旱脅迫是氣候變化導(dǎo)致產(chǎn)量降低的主要影響因素。據(jù)報(bào)道,我國(guó)每年約17%的農(nóng)田受到干旱脅迫的影響,且70%以上的作物產(chǎn)量減產(chǎn)都與干旱有關(guān)[3]。近年來(lái),干旱對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的嚴(yán)重影響已產(chǎn)生了重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失[4]。特別是持續(xù)性的干旱脅迫,可引起農(nóng)作物新陳代謝的紊亂,甚至導(dǎo)致作物死亡。目前已有大量關(guān)于干旱脅迫影響不同作物生長(zhǎng)的相關(guān)報(bào)道。Zhang 等[5]通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行整合分析,研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下小麥和水稻籽粒產(chǎn)量分別降低了27.5%和25.4%。在長(zhǎng)期干旱脅迫中,土壤水分有效性降低是限制作物生長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)者。水分含量的降低能夠?qū)е峦寥牢⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)和活性以及土壤養(yǎng)分有效性均受到影響,降低作物對(duì)氮、磷等養(yǎng)分的吸收,抑制作物的生長(zhǎng)[6]。因此,探索適宜于不同條件下的農(nóng)田管理措施,以提高農(nóng)作物對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力和提高土壤的持水性能,對(duì)于氣候變化背景下促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和保障糧食安全具有重要意義。

目前研究發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭在應(yīng)對(duì)氣候變化、退化土壤修復(fù)、改善土壤肥力和提高作物產(chǎn)量等方面具有很大應(yīng)用潛力。由于生物質(zhì)炭自身具有較高的含碳量和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),施用于農(nóng)田土壤中能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定存在而增加土壤固碳。同時(shí)生物質(zhì)炭施用于農(nóng)田土壤后能夠減少溫室氣體,特別是N2O等的排放[7],在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)對(duì)氣候變化和實(shí)現(xiàn)碳中和過(guò)程中具有很大應(yīng)用潛力。生物質(zhì)炭在農(nóng)田土壤中長(zhǎng)期存在的同時(shí),能夠改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤保水和保肥能力,對(duì)作物生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用[8]。正是由于生物質(zhì)炭對(duì)作物生長(zhǎng)和土壤質(zhì)量具有調(diào)控作用,因此在干旱條件下,生物質(zhì)炭可能通過(guò)對(duì)作物抗性的提高和土壤持水能力的改善而保障作物的生產(chǎn)。該觀點(diǎn)被Edeh等[9]和Razzaghi等[10]所證實(shí),即生物質(zhì)炭的施用對(duì)土壤有效水含量和田間持水量均具有提高的效應(yīng)。大部分生物質(zhì)炭自身具有較高的孔隙度和比表面積。有報(bào)道指出,生物質(zhì)炭的平均比表面積達(dá)125 m2/g,且具有大量的微小孔隙,在土壤中能夠提高毛管水含量;而且生物質(zhì)炭表面含有的大量的羧基、羥基等親水性基團(tuán)[11],使其對(duì)水分具有較高的吸持能力。生物質(zhì)炭施入土壤后,通過(guò)促進(jìn)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成,改善土壤孔隙結(jié)構(gòu),提高土壤持水能力,保障土壤水分的有效供應(yīng)[12]。這是生物質(zhì)炭提高土壤保水性的可能機(jī)制。另外,生物質(zhì)炭施用后對(duì)作物抗脅迫能力也具有提高的作用。包括對(duì)作物根系構(gòu)型的改善,提高作物對(duì)養(yǎng)分和水分的獲取能力[13];調(diào)節(jié)葉片細(xì)胞的滲透勢(shì)和抗氧化物酶活性等,提高作物對(duì)干旱脅迫等的適應(yīng)能力[14]。這表明生物質(zhì)炭在提高農(nóng)作物抗干旱脅迫應(yīng)用上具有潛力。當(dāng)然,生物質(zhì)炭的性質(zhì),包括比表面積、孔隙度、灰分和含氧官能團(tuán)的數(shù)量等,與其原料和制備溫度等密切相關(guān),導(dǎo)致其在土壤中的效應(yīng)也具有變異性[11]。

在氣候變化加劇導(dǎo)致干旱事件頻發(fā)的背景下,如何促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,保障糧食安全,成為亟待解決的問(wèn)題。由于生物質(zhì)炭自身性質(zhì)的變異性,以及土壤質(zhì)地和肥力等條件的差異,使得生物質(zhì)炭的應(yīng)用效果具有很大不確定性。筆者從作物抗干旱脅迫能力和土壤持水能力的角度,探討干旱脅迫下生物質(zhì)炭對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及其限制因子,旨在為利用生物質(zhì)炭提高農(nóng)田土壤持水性能、保障作物生長(zhǎng)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 在作物抗干旱脅迫中的作用

生物質(zhì)炭應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中表現(xiàn)出提高土壤肥力,促進(jìn)作物生長(zhǎng)和提高農(nóng)作物抗性等方面的作用。Chen等[7]指出,生物質(zhì)炭施用于土壤能夠提高作物的生物量和產(chǎn)量,促進(jìn)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成,提高土壤養(yǎng)分有效性和肥料利用率的作用。在作物抗性方面,有研究發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭施用于農(nóng)田土壤中能夠提高作物抗環(huán)境脅迫能力。例如,Akhtar等[15]研究了在不同鹽度水平條件下生物質(zhì)炭對(duì)作物生長(zhǎng)、生理和產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭能夠減少作物對(duì)鈉離子的吸收而提高作物對(duì)鹽脅迫的抗性;Pandit等[16]研究發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭在酸性土壤中能夠提高土壤pH值并增加有效態(tài)磷和鉀養(yǎng)分的含量,緩解貧瘠土壤對(duì)作物的養(yǎng)分脅迫;趙帥等[17]發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭施用于農(nóng)田土壤中能夠降低土壤中重金屬有效性,減少作物對(duì)重金屬的積累,從而緩解重金屬對(duì)作物脅迫的影響。同時(shí),在農(nóng)田土壤中施用生物質(zhì)炭是一種有效的緩解作物干旱脅迫的農(nóng)田管理措施,生物質(zhì)炭能夠提高作物抗干旱脅迫的能力。生物質(zhì)炭對(duì)作物抗干旱脅迫的影響,一方面通過(guò)對(duì)作物根系形態(tài)的調(diào)控,提高作物獲取水分的能力;另一方面通過(guò)生理生化調(diào)控機(jī)制,提高作物抗干旱脅迫能力。

1.1 根系形態(tài)調(diào)控機(jī)制

在干旱條件下,生物質(zhì)炭可能通過(guò)對(duì)根系-土壤過(guò)程的調(diào)控提高作物對(duì)土壤水分的獲取能力,從而改善作物對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力。在逆境脅迫下,作物根系表現(xiàn)出可塑性以適應(yīng)環(huán)境脅迫。同樣,在干旱脅迫下,農(nóng)作物可通過(guò)調(diào)整生物量在作物體內(nèi)的分配來(lái)提高抗干旱能力,特別是通過(guò)對(duì)根系生長(zhǎng)的促進(jìn),即干旱脅迫顯著增加生物量向根系的分配。根系的伸長(zhǎng)增加了與土壤的接觸面積,使作物能夠吸收深層土壤中的水分,保障作物的生長(zhǎng)。有研究指出,生物質(zhì)炭施用于土壤中能夠改善作物根系構(gòu)型有。Liu等[18]在我國(guó)華北北部雨養(yǎng)旱地中施用小麥秸稈炭,發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭能夠改善玉米根系構(gòu)型,促進(jìn)根系生長(zhǎng),進(jìn)而提高玉米產(chǎn)量。Xiang等[19]通過(guò)整合分析研究也發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭處理比對(duì)照顯著提高作物根系生物量,并且改善根系構(gòu)型,特別是根長(zhǎng)、根表面積和根尖數(shù)大幅度提高,使根系與土壤的接觸面積增大,能夠更好地吸收水分和養(yǎng)分,特別是對(duì)深層土壤中水分和養(yǎng)分的吸收,從而提高作物抗干旱脅迫的能力。

農(nóng)作物根系構(gòu)型的變化必然導(dǎo)致根系分泌物產(chǎn)生量的變化,并通過(guò)根系和土壤之間的交互作用影響作物抗逆性能。根系分泌物是生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)干旱的驅(qū)動(dòng)因素之一。Pei等[20]研究水稻田中施入玉米芯生物質(zhì)炭后根系分泌物的變化,發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭處理能夠增加根系分泌物如氨基酸、植物生長(zhǎng)素和脫落酸等的釋放,這些促生物質(zhì)一方面能夠進(jìn)一步促進(jìn)根系的伸長(zhǎng),保障作物的生長(zhǎng)。另一方面,有機(jī)酸類(lèi)物質(zhì)等進(jìn)入土壤中,通過(guò)改變根際土壤pH值和影響根際微生物群落結(jié)構(gòu)和活性而改變土壤養(yǎng)分有效性。根系分泌物,特別是小分子的有機(jī)酸和糖類(lèi)物質(zhì),能夠增加土壤中Fe、P、Mg等養(yǎng)分的溶解,也可以為根際土壤中的微生物活動(dòng)提供碳源和能源,顯著增加土壤中微生物的豐度,塑造不同的微生物類(lèi)群和功能,促進(jìn)根際微生物活性和土壤呼吸,同時(shí)促進(jìn)土壤礦化和有機(jī)質(zhì)的分解,并進(jìn)一步影響土壤水分和養(yǎng)分有效性等,從而影響作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和作物生長(zhǎng)[21]。另外,干旱條件下可能導(dǎo)致根系過(guò)氧化氫的外排,根際過(guò)氧化物酶等酶活性的增加有助于清除壞損根細(xì)胞中的活性氧(ROS),從而改善水分關(guān)系[22]。Ouyang等[23]報(bào)道指出,由于生物質(zhì)炭中較高的養(yǎng)分和溶解態(tài)有機(jī)碳的含量,不同類(lèi)型的生物質(zhì)炭施入土壤中均能提高土壤過(guò)氧化物酶等的活性。因此,生物質(zhì)炭也具有促進(jìn)干旱下作物健康生長(zhǎng)的潛力。

同時(shí),生物質(zhì)炭對(duì)作物根系及根系分泌物的影響也存在很大的變異性,在不同土壤條件、生物質(zhì)炭類(lèi)型等因素之間具有很大差別。Zou 等[24]通過(guò)整合分析研究發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭在砂質(zhì)土壤中對(duì)根系生物量的增加效應(yīng)大于壤質(zhì)土壤,且隨土壤pH值的增加,生物質(zhì)炭對(duì)作物根系的伸長(zhǎng)效應(yīng)呈現(xiàn)降低的效應(yīng);在不同類(lèi)型生物質(zhì)炭之間,作物秸稈炭對(duì)作物生長(zhǎng)的效果比木炭更好,且與生物質(zhì)炭的pH值、養(yǎng)分含量和比表面積等性質(zhì)有關(guān)。因此,在干旱脅迫條件下,生物質(zhì)炭在不同土壤和植物下對(duì)根系影響存在不確定性,應(yīng)進(jìn)一步研究生物質(zhì)炭-根際-根系之間的交互作用。

1.2 生理生化調(diào)控機(jī)制

在干旱脅迫下,生物質(zhì)炭一方面通過(guò)對(duì)作物根系的影響使其獲取更多的水分,另一方面通過(guò)影響作物的生理生化過(guò)程以適應(yīng)干旱環(huán)境。有研究發(fā)現(xiàn),干旱環(huán)境下適量施用生物質(zhì)炭能夠改善葉片葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度和光合效率等指標(biāo),提高作物的光合效率,增加生物量的積累,從而緩解干旱脅迫對(duì)作物產(chǎn)量或生物量造成的影響[25]。另外,生物質(zhì)炭對(duì)作物抗干旱性能的提高可能與作物細(xì)胞滲透勢(shì)的提高有關(guān)。在干旱脅迫下,由于葉片蒸騰作用損失的水分速率大于根系吸收水分速率,從而造成作物缺水。生物質(zhì)炭自身含有的多種礦質(zhì)養(yǎng)分元素,以及大量的有機(jī)活性成分,也能夠促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收,特別是鉀元素等在作物細(xì)胞內(nèi)的積累[26],能夠提高作物滲透勢(shì),減少水分蒸騰損失對(duì)作物細(xì)胞和組織造成的損傷,從而提高作物抗旱性。有研究報(bào)道,與空白對(duì)照處理相比,生物質(zhì)炭處理能夠提高作物葉片相對(duì)含水量和滲透勢(shì)[14]。作物滲透勢(shì)的增加,氣孔導(dǎo)度的提高等,能夠維持干旱條件下作物的蒸散速率,保持較高的光合效率,提高水分利用效率。同時(shí),也有報(bào)道指出,生物質(zhì)炭對(duì)作物水分利用效率的影響與生物質(zhì)炭和土壤性質(zhì)等因素相關(guān)。例如在土壤pH值、生物質(zhì)炭的原料和生產(chǎn)溫度等都是影響作物水分利用效率的因素[27]。

作物在干旱脅迫下也會(huì)通過(guò)生理、生化和細(xì)胞途徑來(lái)保證和延續(xù)植物的生長(zhǎng)發(fā)育,例如干旱誘導(dǎo)作物體內(nèi)脫落酸和茉莉酸的合成。這些物質(zhì)能夠調(diào)控作物葉片氣孔的開(kāi)合,維持作物水分平衡,同時(shí)可刺激作物體內(nèi)抗氧化酶的轉(zhuǎn)錄和活性。如過(guò)氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和過(guò)氧化物酶(POD)等,抑制作物體內(nèi)活性氧(ROS)的產(chǎn)生或清除ROS,減少干旱脅迫引起的氧化損傷[28]。有報(bào)道指出,生物質(zhì)炭的施用可影響作物葉片中脫落酸等的含量,增強(qiáng)作物抗干旱能力[29]。同時(shí),生物質(zhì)炭處理能夠降低作物體內(nèi)MDA含量并提高SOD、POD等酶活性,降低干旱脅迫對(duì)作物造成的損傷[30]?？傊?生物質(zhì)炭能夠通過(guò)提高葉片組織的滲透勢(shì)和氣孔導(dǎo)度等,提高干旱條件下作物的光合效率,提高水分利用效率,并通過(guò)抗氧化酶活性的調(diào)節(jié),減少干旱脅迫最作物組織的損傷,保障作物的健康生長(zhǎng)。

2 對(duì)土壤持水能力的影響

提高農(nóng)田土壤的水分固持能力對(duì)作物抗干旱和保障農(nóng)作物生長(zhǎng)具有重要意義。由于生物質(zhì)炭具有較高的比表面積和孔隙度,并且其表面附著大量親水性官能團(tuán),因此其本身具有較好的保水性[11]。生物質(zhì)炭施入土壤后,對(duì)土壤持水性能的影響也有很多研究。劉小寧等[31]通過(guò)田間定位試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)添加生物質(zhì)炭能夠提高土壤飽和含水量、田間持水量以及有效水含量。Zhang等[32]監(jiān)測(cè)了褐土雨養(yǎng)旱地中施用生物質(zhì)炭后土壤含水量的變化,結(jié)果顯示,生物質(zhì)炭一次性施用后土壤含水量連續(xù)兩年比不施炭顯著提高。這與Villagra-Mendoza等[33]在偏砂質(zhì)土壤中的研究結(jié)果一致。然而也有研究發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭對(duì)土壤保水能力沒(méi)有顯著性影響,甚至具有降低土壤含水量的效應(yīng)。例如Madari等[34]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施用于土壤后第一年顯著增加水分有效性,而第五年沒(méi)有顯著影響。Mannan等[35]在偏黏質(zhì)的土壤中研究發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭添加對(duì)大豆的吸收水量沒(méi)有影響。因此,生物質(zhì)炭對(duì)土壤持水性的影響具有一定的變異性,可能與作物類(lèi)型、土壤類(lèi)型和施用年限等因素有關(guān)?；诖?Edeh等[9]和Razzaghi等[10]通過(guò)整合分析的方法,研究了不同土壤條件下施用生物質(zhì)炭對(duì)土壤有效水含量和田間持水量等的影響及其影響因素。結(jié)果表明,生物質(zhì)炭施用于農(nóng)田土壤后,土壤田間持水量平均提高20.4%,土壤有效水含量提高28.5%。同時(shí),該研究也表明,土壤質(zhì)地、生物質(zhì)炭顆粒大小、比表面積等,是影響生物質(zhì)炭對(duì)土壤持水能力的主要限制因子。

2.1 生物質(zhì)炭的性質(zhì)與土壤保水性之間的關(guān)系

從生物質(zhì)炭自身的性質(zhì)角度來(lái)看,生物質(zhì)炭對(duì)土壤持水性的影響與其自身對(duì)水分的親/疏水性相關(guān),生物質(zhì)炭對(duì)水分的親和性與其表面親水官能團(tuán)、比表面積和孔隙度、灰分含量等因素相關(guān)。一方面,生物質(zhì)炭持水能力可能與其表面官能團(tuán)的性質(zhì),特別是含氧官能團(tuán)的數(shù)量顯著相關(guān)[36]。Mao等[37]利用傅里葉紅外光譜技術(shù)研究也發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭表面的羧基官能團(tuán)數(shù)量與其對(duì)水分的親和性關(guān)系密切。該現(xiàn)象被王昊等[38]進(jìn)一步證實(shí),即隨著生物質(zhì)炭的老化,其表面羧基官能團(tuán)的數(shù)量增加,且親水性隨之提高。另一方面,生物質(zhì)炭對(duì)水分的親和性與其比表面積和孔隙度相關(guān)。有研究表明,生物質(zhì)炭對(duì)水分的親和能力與其比表面積和孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系[37]。Hyv?luoma等[39]利用X射線(xiàn)斷層成像技術(shù)分析發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭?jī)?nèi)孔隙主要由可調(diào)控植物有效水大小的孔隙組成。因此,孔隙結(jié)構(gòu)和含氧官能團(tuán)是影響生物質(zhì)炭持水性的關(guān)鍵因子。而生物質(zhì)炭比表面積和孔隙度的大小,以及含氧官能團(tuán)的數(shù)量與其裂解溫度有關(guān)。一般隨著溫度的增加,生物質(zhì)炭的比表面積和孔隙度增加,且疏水的脂肪族化合物減少而親水的羧基等含氧官能團(tuán)數(shù)量增加[40]。另外,有研究表明,生物質(zhì)炭對(duì)水分的親和性可能與其灰分含量相關(guān)。Kinney等[40]研究發(fā)現(xiàn),在相同的原料下,生物質(zhì)炭的灰分含量與其持水性呈正相關(guān)關(guān)系,而在不同的原料下,生物質(zhì)炭的灰分含量與其持水性沒(méi)有顯著相關(guān)關(guān)系。與生物質(zhì)炭持水性相關(guān)的這些性質(zhì)主要由其原料和制備溫度決定。因此,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用生物質(zhì)炭改善土壤持水性能時(shí),應(yīng)考慮生物質(zhì)炭的性質(zhì)與其生態(tài)功能之間的關(guān)系,選擇合適的生物質(zhì)炭。

2.2 對(duì)土壤持水性的影響與土壤條件的關(guān)系

從土壤條件的角度來(lái)看,生物質(zhì)炭對(duì)土壤持水性的影響與土壤質(zhì)地、孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量等因素相關(guān)。Mao等[37]研究發(fā)現(xiàn),在有機(jī)質(zhì)含量豐富的黑土中,添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤田間持水量沒(méi)有影響,而在有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低的紅壤和黃壤中,生物質(zhì)炭顯著提高了田間持水量。有機(jī)質(zhì)含量高的土壤一般具有較好的結(jié)構(gòu),并且含有大量的腐殖質(zhì)和含氧官能團(tuán),本身對(duì)水分具有較高的親和力,生物質(zhì)炭的效應(yīng)較小。而在有機(jī)質(zhì)含量低的土壤中添加生物質(zhì)炭,能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,特別是大量表面含氧官能團(tuán)和溶解態(tài)有機(jī)質(zhì)的輸入,能夠提高土壤對(duì)水分的親和性。因此,在較低有機(jī)質(zhì)含量的土壤中,生物質(zhì)炭對(duì)土壤持水性可能具有更好的提高作用。另外,生物質(zhì)炭對(duì)土壤持水性的影響與土壤質(zhì)地相關(guān)。Razzaghi等[10]發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭的施用能夠增加土壤水分有效性,其中質(zhì)地較差的土壤中增加幅度為45%,而質(zhì)地較好的土壤中平均增加14%,該研究結(jié)果與Omondi等[41]和Edeh等[9]相一致。生物質(zhì)炭對(duì)田間持水量的增加與其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改善有關(guān)。生物質(zhì)炭的添加降低了土壤密度,增加了土壤孔隙度和孔隙數(shù)量,促進(jìn)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成,增加了土壤毛管水吸力,使土壤持水性能增加[42]。特別是在結(jié)構(gòu)相對(duì)較差的偏砂質(zhì)土壤中,生物質(zhì)炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改善效果更好[41]。因此,在質(zhì)地偏砂和有機(jī)質(zhì)偏低的土壤中施用生物質(zhì)炭具有更好的保水效果。

生物質(zhì)炭施用于農(nóng)田土壤中對(duì)作物生產(chǎn)和土壤理化性質(zhì)均表現(xiàn)出長(zhǎng)期效應(yīng)[43],而對(duì)土壤持水性的長(zhǎng)期效應(yīng)目前研究較少。生物質(zhì)炭在土壤中的老化過(guò)程,能夠?qū)ι镔|(zhì)炭自身比表面積和親/疏水性產(chǎn)生影響,老化過(guò)程使生物質(zhì)炭表面親水性的含氧官能團(tuán)數(shù)量增加,能夠增加其持水能力[44]。因此,生物質(zhì)炭對(duì)土壤持水性的影響可能存在長(zhǎng)期效應(yīng),研究生物質(zhì)炭一次性施入后對(duì)土壤水力特性的長(zhǎng)期效應(yīng)及其機(jī)制,成為亟需解決的問(wèn)題。

3 結(jié)論及展望

在全球氣候變化背景下,地區(qū)間降水不均加劇導(dǎo)致干旱事件頻發(fā),對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全造成威脅。生物質(zhì)炭在農(nóng)田土壤中的施用表現(xiàn)出提高土壤保水保肥性能和作物抗干旱脅迫的作用。生物質(zhì)炭能夠促進(jìn)根系的伸長(zhǎng),改善作物根系構(gòu)型,并通過(guò)影響根際微生物活性等提高作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收。生物質(zhì)炭能夠調(diào)節(jié)作物抗氧化酶活性和滲透性等,從而提高作物抗干旱脅迫能力。生物質(zhì)炭施用于土壤中能夠提高土壤田間持水量和水分有效性。該效應(yīng)可能與生物質(zhì)炭自身的性質(zhì)以及土壤條件等有關(guān),并且生物質(zhì)炭對(duì)土壤保水性的影響可能存在長(zhǎng)期持續(xù)效應(yīng)。

目前研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對(duì)作物抗干旱脅迫性和土壤保水性的影響具有很大變異性,在作物類(lèi)型、土壤條件和生物質(zhì)炭類(lèi)型等因素之間的效應(yīng)不同。在理論上,將來(lái)需要系統(tǒng)性研究生物質(zhì)炭對(duì)土壤保水性和作物抗干旱脅迫的作用機(jī)制和關(guān)鍵影響因子;在實(shí)踐上,需要在不同的土壤和氣候條件下進(jìn)行試驗(yàn)示范和相應(yīng)炭基保水劑產(chǎn)品的研發(fā):1)研究土壤保水性的變化與生物質(zhì)炭特性和土壤性質(zhì)的關(guān)系,及其持續(xù)效應(yīng);2)研究干旱脅迫下生物質(zhì)炭對(duì)作物形態(tài)結(jié)構(gòu)和抗干旱脅迫相關(guān)生理性狀的影響,明確生物質(zhì)炭對(duì)作物抗干旱脅迫的生理響應(yīng)機(jī)制;3)探索不同土壤條件的生物質(zhì)炭應(yīng)用方式,開(kāi)發(fā)相應(yīng)的炭基保水劑產(chǎn)品等,為提高農(nóng)田水分高效利用,促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。