生物炭對(duì)水稻根系產(chǎn)量的效應(yīng)

生物炭對(duì)水稻根系產(chǎn)量的效應(yīng)

生物碳通常是指根據(jù)自然界廣泛存在的生物資源，利用特定的碳化技術(shù)，將生物資源在缺氧條件下完全燃燒產(chǎn)生的富碳產(chǎn)品。常見(jiàn)的生物炭有秸稈炭、木炭、花生殼炭等。生物炭可溶性極低,具有高度羧酸酯化和芳香化結(jié)構(gòu),生物質(zhì)在炭化后具有較大的孔隙度和比表面積,吸附能力強(qiáng),成為可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域的一種理想材料。近年來(lái),生物炭受到農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源等領(lǐng)域?qū)＜覀兊膹V泛關(guān)注,被譽(yù)為“黑色黃金”。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果表明,生物炭施入農(nóng)田土壤后可改變土壤理化性質(zhì),對(duì)提高肥料利用效率,增加作物產(chǎn)量,促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等都具有重要作用。來(lái)自巴西亞馬遜河地區(qū)的田間試驗(yàn)表明,在土壤中施入生物炭(以11thm-2標(biāo)準(zhǔn)),2年4個(gè)生長(zhǎng)季后水稻和高粱產(chǎn)量累積增加了約75%。而在熱帶與亞熱帶地區(qū)施用生物炭發(fā)現(xiàn),除了可使大豆、玉米等作物增產(chǎn)外,植株中的鎂、鈣含量也明顯增加。生物炭對(duì)不同作物有一定促長(zhǎng)、增產(chǎn)作用,已成為國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的普遍共識(shí)。但也有研究認(rèn)為,生物炭的增產(chǎn)作用有一定“適用范圍”。當(dāng)生物炭施用量在0.5thm-2時(shí),作物產(chǎn)量有降低趨勢(shì)。作物生產(chǎn)受到氣候環(huán)境、土質(zhì)等諸多因素影響,生物炭在不同區(qū)域的作用也不盡一致。因此,有必要開(kāi)展不同生態(tài)氣候區(qū),特別是在我國(guó)自然環(huán)境和土壤條件下生物炭的作物學(xué)效應(yīng)研究。根系是作物吸收養(yǎng)分、水分和合成某些內(nèi)源激素的重要器官,其發(fā)育狀況與地上部器官的形態(tài)建成和產(chǎn)量密切相關(guān)。而生物炭施入土壤后,成為土壤的直接“接觸者”,必然會(huì)引起根系的適應(yīng)性響應(yīng)。因此,研究生物炭對(duì)根系生長(zhǎng)的影響具有重要意義。目前,在我國(guó)北方耕作條件下,有關(guān)生物炭對(duì)水稻根系影響的相關(guān)研究報(bào)道較少。本文研究了生物炭不同施用量對(duì)北方超級(jí)粳稻根系的形態(tài)特征與生理特性的影響,旨在為生物炭在水稻生產(chǎn)上的應(yīng)用提供參考。1材料和方法1.1供試水稻品種:北方冀葉浸提液20.2009—2010年在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所成果轉(zhuǎn)化基地進(jìn)行盆栽試驗(yàn),盆口直徑25cm,高22cm。盆栽土壤為沙壤土(偏沙),pH6.52,含有機(jī)質(zhì)28.8gkg-1、全氮1.19gkg-1、堿解氮28.6mgkg-1、速效磷6.08mgkg-1、速效鉀61.36mgkg-1。供試水稻品種為北方粳稻沈農(nóng)265。試驗(yàn)用生物炭原材料為玉米秸稈,粒徑1.5~2.0mm。生物炭pH9.23,含氮1.53%、磷0.78%、鉀1.68%,由遼寧金和福農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)提供。1.2生物炭與土壤的復(fù)合設(shè)4個(gè)處理,處理1為對(duì)照,不添加生物炭(對(duì)照);處理2為每千克干土加生物炭10g,折合每盆加生物炭75g(C1);處理3為每千克干土加生物炭20g,折合每盆加生物炭150g(C2);處理4為每千克干土加生物炭40g,折合每盆加生物炭300g(C3)。隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),各處理重復(fù)3次,每個(gè)重復(fù)10盆。盆栽用土全部過(guò)5mm篩,每盆裝土8.6kg(含水量12.8%,折合干土重7.5kg),將生物炭與土壤充分混勻后沉積1周備用。5月29日選擇長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)一致的秧苗移栽,每盆兩穴,每穴1株。移栽后施氮肥(尿素,300kghm-2)、磷肥(磷酸二銨,225kghm-2)、鉀肥(氯化鉀,150kghm-2),另在抽穗期前增施穗肥(尿素,75kghm-2),每盆用量按上述施肥標(biāo)準(zhǔn)折算,按常規(guī)水稻大田生產(chǎn)規(guī)程管理。1.3測(cè)定指標(biāo)及方法分別于分蘗期(7月8日)、拔節(jié)期(7月26日)、抽穗期(8月15日)、灌漿期(9月6日)取樣,每處理取6盆。將每盆植株連根帶土全部放入40目尼龍篩網(wǎng)袋里,用水浸泡約30min,然后用流水小心沖洗根系后,以單株為單位測(cè)定根系鮮重、根體積、根系氧化力、根系吸收面積。先用濾紙輕拭擦干根系表面水分,用電子天平稱(chēng)量根系鮮重,同時(shí)測(cè)定該株地上部總鮮重,計(jì)算根冠比。于測(cè)定當(dāng)日晚18:00從距盆內(nèi)土壤表面5cm處橫切斷植株,用已稱(chēng)量好的脫脂棉覆蓋切口處,外圍用自封袋包扎收集傷流液,次日晨8:00取下脫脂棉稱(chēng)重,每次收集14h,利用脫脂棉前后重量之差計(jì)算傷流速度。用排水法測(cè)定根體積,用甲烯藍(lán)比色法測(cè)定根系總吸收面積與活躍吸收面積,用α-NA氧化法測(cè)定根系氧化力。成熟期取每處理5盆測(cè)定單株產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素相關(guān)指標(biāo)。兩年試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本一致,采用2010年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析根系形態(tài)特征與生理特性,采用2009年與2010年兩年數(shù)據(jù)的平均值統(tǒng)計(jì)分析產(chǎn)量。利用MicrosoftExcel和SPSS17.0軟件處理與分析數(shù)據(jù),采用Duncan’s差異顯著分析方法多重比較各處理。2結(jié)果與分析2.1生物碳對(duì)水稻根系形態(tài)特征的影響2.1.1生物炭對(duì)根系體積的影響如表1所示,生物炭處理的水稻單株主根長(zhǎng)在不同生育期均高于對(duì)照,其中在分蘗期,C1、C3處理與對(duì)照差異顯著?？梢?jiàn),在水稻生長(zhǎng)前期,生物炭有利于提高根系深度下扎,促進(jìn)根系縱向生長(zhǎng)。但隨著生育期推進(jìn),生物炭處理與對(duì)照之間的根長(zhǎng)差異逐漸縮小,無(wú)明顯影響。生物炭對(duì)根系體積也產(chǎn)生了重要影響。在分蘗期與拔節(jié)期,生物炭處理的根體積均大于對(duì)照。分蘗期根體積表現(xiàn)為C1>C2>C3>CK,生物炭處理與對(duì)照差異顯著,較低施炭量對(duì)促進(jìn)根系體積增長(zhǎng)的作用明顯。在抽穗期,生物炭對(duì)根系體積增長(zhǎng)的影響不大。而到了灌漿期,根體積表現(xiàn)為C3>C2>C1>CK,隨炭量增加而增大,高施炭量處理(C3)與其他各處理差異顯著,作用明顯。由此可見(jiàn),生物炭可在生長(zhǎng)后期保持一定根系體積,從而延緩根系衰老,有利于滿(mǎn)足后期地上部對(duì)養(yǎng)分的需求。生物炭處理的根系鮮重在全生育期均高于對(duì)照。在分蘗期,根鮮重表現(xiàn)為C1>C2>C3>CK,隨炭量減少而有所增加,生物炭處理與對(duì)照差異顯著。可見(jiàn),生物炭對(duì)提高水稻生長(zhǎng)初期根重的作用明顯。拔節(jié)期根鮮重表現(xiàn)為C3>C2>C1>CK,隨炭量增加而增加,高施炭量處理(C3)與其他各處理差異顯著,作用明顯。而到了生長(zhǎng)后期,生物炭對(duì)根鮮重?zé)o明顯影響?？傮w上看,生物炭在一定程度上促進(jìn)了根系生長(zhǎng),尤以水稻生長(zhǎng)前期對(duì)根長(zhǎng)、根體積與根鮮重的影響較大。2.1.2生物炭對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響如圖1所示,生物炭處理的水稻根冠比在全生育期均高于對(duì)照。其中,分蘗期達(dá)最高值。生物炭處理均高于對(duì)照,其中C1、C2、C3處理分別比對(duì)照提高52.99%、21.86%、6.29%,平均提高25.05%。隨著生育期推進(jìn),生物炭處理與對(duì)照間差異逐漸縮小,到后期影響不大。在水稻生長(zhǎng)前期,生物炭處理保持了較高的根冠比,表明根系發(fā)達(dá),有利于為植株生長(zhǎng)供應(yīng)充足的水分和養(yǎng)分。而在生長(zhǎng)后期根冠比則相對(duì)較小,減少了根系生長(zhǎng)冗余,有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的合理分配。以上結(jié)果表明,生物炭在水稻生長(zhǎng)前期明顯提高了根冠比,促進(jìn)了根系生長(zhǎng)。而在后期,生物炭在一定程度上延緩了根系衰亡,保持了較為適宜的根冠比,有利于提高根系吸收效率,促進(jìn)地上部植株生長(zhǎng)。2.2生物碳對(duì)水稻根系的生理特性的影響2.2.1生物炭對(duì)土壤吸收面積的影響總體上看,生物炭處理的根系總吸收面積與活躍吸收面積在全生育期呈不斷上升趨勢(shì),其中較高施炭量處理(C2、C3)的提升幅度較大。在水稻生長(zhǎng)初期,生物炭明顯提高了根系總吸收面積與活躍吸收面積,對(duì)提升根系吸收能力,提高物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)效率有重要作用。但隨著生育期推進(jìn),生物炭與對(duì)照之間的差異逐漸減小,但仍保持了相對(duì)較高的根系總吸收面積和活躍吸收面積,有利于增強(qiáng)后期根系對(duì)水分、養(yǎng)分等物質(zhì)的持續(xù)供應(yīng)能力。2.2.2全生育期織物處理如圖2所示,除抽穗期C3處理的根系傷流速度小于對(duì)照外,其余各時(shí)期生物炭處理均高于對(duì)照。在分蘗期,根系傷流速度表現(xiàn)為隨炭量增加而降低。在拔節(jié)期,各處理根系傷流速度達(dá)到全生育期最高水平,表現(xiàn)為C3>C2>C1>CK,其中C3、C2、C1處理分別比對(duì)照提高了43.11%、27.9%、22.92%,平均提高了31.31%,促進(jìn)作用明顯。在灌漿期,根系傷流速度表現(xiàn)為隨炭量增加而降低,其中低施炭量處理(C1)與對(duì)照差異顯著,作用明顯?？傮w上看,在水稻生長(zhǎng)前期,生物炭提高了根系傷流速度,有利于提升根系輸送物質(zhì)效率,促進(jìn)地上部植株生長(zhǎng)。而在后期,生物炭在延緩根系衰老的同時(shí),和對(duì)照相比仍保持了較高的根系傷流速度,使根系結(jié)構(gòu)與功能得到了協(xié)調(diào)統(tǒng)一,有利于物質(zhì)積累與產(chǎn)量形成。2.2.3生物炭處理生物炭對(duì)根系氧化力也產(chǎn)生了重要影響(圖3)。在分蘗期,生物炭處理均高于對(duì)照,根系活力隨炭量增加而減小。而在拔節(jié)期,生物炭處理的根系氧化力仍高于對(duì)照,但表現(xiàn)為隨炭量增加而提高。在抽穗期則與分蘗期表現(xiàn)相同趨勢(shì),生物炭處理均高于對(duì)照,隨炭量增加而減小。在灌漿期表現(xiàn)為C2>C3>CK>C1,較高施炭量(C2、C3)仍有助于維持一定根系活力。總體上看,生物炭明顯提高了水稻全生育期的根系活力,尤以前3個(gè)時(shí)期較為明顯,表明生物炭對(duì)根系生理進(jìn)程的影響較大。特別是在生育后期,生物炭仍維持了相對(duì)較高的根系活力,在一定程度上延緩了根系生理衰老,對(duì)提高根系吸收能力,促進(jìn)物質(zhì)吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)與分配具有重要作用。2.3生物炭對(duì)產(chǎn)量的影響從表3可以看出,生物炭處理的水稻每穴產(chǎn)量均高于對(duì)照,表現(xiàn)為C2>C1>C3>CK,生物炭各處理比對(duì)照平均提高了25.28%。其中以C2處理的每穴產(chǎn)量最高,比對(duì)照提高了33.21%,且差異顯著。說(shuō)明適宜的生物炭用量對(duì)增產(chǎn)有重要作用。產(chǎn)量構(gòu)成因素中,生物炭處理的每穴穗數(shù)均高于對(duì)照,其中C2處理與對(duì)照差異顯著。生物炭處理的每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率亦均高于對(duì)照,其中C1處理與對(duì)照差異顯著。生物炭提高了水稻每穴穗數(shù)、每穗粒數(shù)與結(jié)實(shí)率,是增產(chǎn)的主要原因。3生物炭對(duì)作物基本理化性質(zhì)的影響國(guó)內(nèi)外研究認(rèn)為,施用生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)和不同作物生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量提高有著積極作用。生物炭對(duì)作物的良好效應(yīng),已經(jīng)為越來(lái)越多的試驗(yàn)研究所證實(shí)。目前,關(guān)于生物炭與作物的研究報(bào)道大多集中于低緯度地區(qū),其他不同區(qū)域的研究結(jié)果也不盡相同,但生物炭對(duì)作物有正向效應(yīng)的總體趨勢(shì)是一致的。由于生物炭材質(zhì)、施炭量、土壤類(lèi)型和環(huán)境條件等差異,使生物炭對(duì)作物產(chǎn)量等的提升作用局限于一定范圍內(nèi)。生物炭對(duì)作物的影響機(jī)制,特別是對(duì)作物根系的相關(guān)研究還較少。由于年際間效應(yīng)和環(huán)境變化等綜合因素影響,生物炭的作物學(xué)效應(yīng)還有待進(jìn)一步長(zhǎng)時(shí)間田間驗(yàn)證,但其良好的綜合效應(yīng)已得到了眾多專(zhuān)家和學(xué)者認(rèn)可。本試驗(yàn)研究表明,生物炭提高了水稻根系主根長(zhǎng)、根體積、根鮮重、總吸收面積和活躍吸收面積,尤以生長(zhǎng)前期促進(jìn)作用明顯,并在一定程度上延緩了后期根系衰老。生物炭提高了根系生理活性如根系傷流速率、氧化力等,同時(shí)維持了較為適宜的根冠比,最終產(chǎn)量也得到了明顯提高。生物炭對(duì)根系的這些良好效應(yīng),首先得益于其豐富的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和理化特性。很多研究結(jié)果表明,生物質(zhì)在炭化以后較好保留了原有生物質(zhì)的細(xì)微組織結(jié)構(gòu)(圖4),孔隙豐富。且pH值較高,比表面積較大,具有豐富的表面官能團(tuán)和較強(qiáng)的吸附能力。同時(shí),富含多種元素,其中不乏一些作物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素和微量元素。生物炭所具有的優(yōu)良結(jié)構(gòu)和理化特性,使其對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。生物炭本身質(zhì)輕、多孔,施入土壤后首先對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接影響。研究表明,施用生物炭可使土壤容重降低9%,而總孔隙率則從45.7%增加到50.6%。土壤容重降低和通氣孔隙提高為根系提供了良好的生長(zhǎng)空間,有利于根系的深扎和伸展,提高抗倒伏能力;此外,生物炭本身大都呈堿性,能夠在一定程度上提高土壤pH值和鹽基飽和度,表現(xiàn)為隨炭量增加而有所提高。土壤pH的變化對(duì)作物尤其是根系的生長(zhǎng)有直接影響。水稻秧苗移栽前的育苗土為偏酸性,移栽后由于秧苗對(duì)pH的變化較為敏感,若土壤pH有較高變幅,并不利于其生長(zhǎng)。而施用較低量生物炭不會(huì)對(duì)土壤pH值產(chǎn)生較大影響,從而保持了較為適宜的pH值范圍,有利于促進(jìn)前期作物根系生長(zhǎng);而生物炭表面豐富的官能團(tuán)和較大的比表面積,則可以提高土壤陽(yáng)離子交換量,吸附更多養(yǎng)分離子,避免養(yǎng)分流失,從而提高土壤肥力和肥料利用效率,起到一定的養(yǎng)分吸附和緩釋作用。特別是對(duì)氮素,生物炭對(duì)銨離子有很強(qiáng)的吸附性,可降低氮素的揮發(fā),對(duì)提高氮肥利用率,促進(jìn)根系生長(zhǎng)有重要作用。同時(shí),生物炭在一定條件下其自身養(yǎng)分也可能有一定程度的釋放,但其養(yǎng)分釋放并非是土壤養(yǎng)分的主要“供應(yīng)源”。隨著環(huán)境變化,其釋放可能存在“高峰期”和“臨界點(diǎn)”。生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的吸附與控釋效應(yīng)及其自身的養(yǎng)分釋放,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)了土壤供肥狀況,強(qiáng)化了土壤“肥源”的持續(xù)供應(yīng)能力,直接影響了根系的生長(zhǎng),并在不同時(shí)期有不同表現(xiàn)。在抽穗期,生物炭處理的根系體積相對(duì)較小,則可能與抽穗期前施入肥料,生物炭對(duì)養(yǎng)分離子有一定吸附和控釋作用,從而影響根系對(duì)肥料養(yǎng)分的吸收利用有關(guān);另一方面,微生物作為土壤各種理化反應(yīng)的“催化劑”,在生物炭作用下其數(shù)量和種群多樣性都得到了提高,特別是一些有益菌群。微生物活動(dòng)的增強(qiáng),改善了根際生長(zhǎng)環(huán)境,因而有利于促進(jìn)根系生長(zhǎng)。另有研究者在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),生物炭在水、土交融作用下可能會(huì)釋放一些小分子如乙烯等,或者產(chǎn)生激素類(lèi)物質(zhì),對(duì)根系分泌物產(chǎn)生影響,從而刺激和干擾根系生理進(jìn)程,影響根系生長(zhǎng)。但目前尚沒(méi)有相關(guān)大量、系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果支持,尚需深入研究。綜上,土壤中輸入生物炭促使土壤水、肥、氣、熱等環(huán)境條件得到了改善,土壤