生物炭對水稻根系產量的效應

生物碳通常是指根據自然界廣泛存在的生物資源，利用特定的碳化技術，將生物資源在缺氧條件下完全燃燒產生的富碳產品。常見的生物炭有秸稈炭、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構,生物質在炭化后具有較大的孔隙度和比表面積,吸附能力強,成為可應用于農業、工業等領域的一種理想材料。近年來,生物炭受到農業、環境、能源等領域專家們的廣泛關注,被譽為“黑色黃金”。國內外相關研究結果表明,生物炭施入農田土壤后可改變土壤理化性質,對提高肥料利用效率,增加作物產量,促進農業可持續發展等都具有重要作用。來自巴西亞馬遜河地區的田間試驗表明,在土壤中施入生物炭(以11thm-2標準),2年4個生長季后水稻和高粱產量累積增加了約75%。而在熱帶與亞熱帶地區施用生物炭發現,除了可使大豆、玉米等作物增產外,植株中的鎂、鈣含量也明顯增加。生物炭對不同作物有一定促長、增產作用,已成為國內外研究學者的普遍共識。但也有研究認為,生物炭的增產作用有一定“適用范圍”。當生物炭施用量在0.5thm-2時,作物產量有降低趨勢。作物生產受到氣候環境、土質等諸多因素影響,生物炭在不同區域的作用也不盡一致。因此,有必要開展不同生態氣候區,特別是在我國自然環境和土壤條件下生物炭的作物學效應研究。根系是作物吸收養分、水分和合成某些內源激素的重要器官,其發育狀況與地上部器官的形態建成和產量密切相關。而生物炭施入土壤后,成為土壤的直接“接觸者”,必然會引起根系的適應性響應。因此,研究生物炭對根系生長的影響具有重要意義。目前,在我國北方耕作條件下,有關生物炭對水稻根系影響的相關研究報道較少。本文研究了生物炭不同施用量對北方超級粳稻根系的形態特征與生理特性的影響,旨在為生物炭在水稻生產上的應用提供參考。1材料和方法1.1供試水稻品種:北方冀葉浸提液20.2009—2010年在沈陽農業大學水稻研究所成果轉化基地進行盆栽試驗,盆口直徑25cm,高22cm。盆栽土壤為沙壤土(偏沙),pH6.52,含有機質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265。試驗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%,由遼寧金和福農業開發有限公司生產提供。1.2生物炭與土壤的復合設4個處理,處理1為對照,不添加生物炭(對照);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)。隨機區組試驗設計,各處理重復3次,每個重復10盆。盆栽用土全部過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日選擇長勢相對一致的秧苗移栽,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準折算,按常規水稻大田生產規程管理。1.3測定指標及方法分別于分蘗期(7月8日)、拔節期(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,用電子天平稱量根系鮮重,同時測定該株地上部總鮮重,計算根冠比。于測定當日晚18:00從距盆內土壤表面5cm處橫切斷植株,用已稱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取下脫脂棉稱重,每次收集14h,利用脫脂棉前后重量之差計算傷流速度。用排水法測定根體積,用甲烯藍比色法測定根系總吸收面積與活躍吸收面積,用α-NA氧化法測定根系氧化力。成熟期取每處理5盆測定單株產量和產量構成因素相關指標。兩年試驗結果趨勢基本一致,采用2010年的數據統計分析根系形態特征與生理特性,采用2009年與2010年兩年數據的平均值統計分析產量。利用MicrosoftExcel和SPSS17.0軟件處理與分析數據,采用Duncan’s差異顯著分析方法多重比較各處理。2結果與分析2.1生物碳對水稻根系形態特征的影響2.1.1生物炭對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在不同生育期均高于對照,其中在分蘗期,C1、C3處理與對照差異顯著。可見,在水稻生長前期,生物炭有利于提高根系深度下扎,促進根系縱向生長。但隨著生育期推進,生物炭處理與對照之間的根長差異逐漸縮小,無明顯影響。生物炭對根系體積也產生了重要影響。在分蘗期與拔節期,生物炭處理的根體積均大于對照。分蘗期根體積表現為C1>C2>C3>CK,生物炭處理與對照差異顯著,較低施炭量對促進根系體積增長的作用明顯。在抽穗期,生物炭對根系體積增長的影響不大。而到了灌漿期,根體積表現為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,生物炭可在生長后期保持一定根系體積,從而延緩根系衰老,有利于滿足后期地上部對養分的需求。生物炭處理的根系鮮重在全生育期均高于對照。在分蘗期,根鮮重表現為C1>C2>C3>CK,隨炭量減少而有所增加,生物炭處理與對照差異顯著。可見,生物炭對提高水稻生長初期根重的作用明顯。拔節期根鮮重表現為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。而到了生長后期,生物炭對根鮮重無明顯影響。總體上看,生物炭在一定程度上促進了根系生長,尤以水稻生長前期對根長、根體積與根鮮重的影響較大。2.1.2生物炭對水稻生長的影響如圖1所示,生物炭處理的水稻根冠比在全生育期均高于對照。其中,分蘗期達最高值。生物炭處理均高于對照,其中C1、C2、C3處理分別比對照提高52.99%、21.86%、6.29%,平均提高25.05%。隨著生育期推進,生物炭處理與對照間差異逐漸縮小,到后期影響不大。在水稻生長前期,生物炭處理保持了較高的根冠比,表明根系發達,有利于為植株生長供應充足的水分和養分。而在生長后期根冠比則相對較小,減少了根系生長冗余,有利于營養物質的合理分配。以上結果表明,生物炭在水稻生長前期明顯提高了根冠比,促進了根系生長。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,促進地上部植株生長。2.2生物碳對水稻根系的生理特性的影響2.2.1生物炭對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,其中較高施炭量處理(C2、C3)的提升幅度較大。在水稻生長初期,生物炭明顯提高了根系總吸收面積與活躍吸收面積,對提升根系吸收能力,提高物質轉運效率有重要作用。但隨著生育期推進,生物炭與對照之間的差異逐漸減小,但仍保持了相對較高的根系總吸收面積和活躍吸收面積,有利于增強后期根系對水分、養分等物質的持續供應能力。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照外,其余各時期生物炭處理均高于對照。在分蘗期,根系傷流速度表現為隨炭量增加而降低。在拔節期,各處理根系傷流速度達到全生育期最高水平,表現為C3>C2>C1>CK,其中C3、C2、C1處理分別比對照提高了43.11%、27.9%、22.92%,平均提高了31.31%,促進作用明顯。在灌漿期,根系傷流速度表現為隨炭量增加而降低,其中低施炭量處理(C1)與對照差異顯著,作用明顯。總體上看,在水稻生長前期,生物炭提高了根系傷流速度,有利于提升根系輸送物質效率,促進地上部植株生長。而在后期,生物炭在延緩根系衰老的同時,和對照相比仍保持了較高的根系傷流速度,使根系結構與功能得到了協調統一,有利于物質積累與產量形成。2.2.3生物炭處理生物炭對根系氧化力也產生了重要影響(圖3)。在分蘗期,生物炭處理均高于對照,根系活力隨炭量增加而減小。而在拔節期,生物炭處理的根系氧化力仍高于對照,但表現為隨炭量增加而提高。在抽穗期則與分蘗期表現相同趨勢,生物炭處理均高于對照,隨炭量增加而減小。在灌漿期表現為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個時期較為明顯,表明生物炭對根系生理進程的影響較大。特別是在生育后期,生物炭仍維持了相對較高的根系活力,在一定程度上延緩了根系生理衰老,對提高根系吸收能力,促進物質吸收、轉運與分配具有重要作用。2.3生物炭對產量的影響從表3可以看出,生物炭處理的水稻每穴產量均高于對照,表現為C2>C1>C3>CK,生物炭各處理比對照平均提高了25.28%。其中以C2處理的每穴產量最高,比對照提高了33.21%,且差異顯著。說明適宜的生物炭用量對增產有重要作用。產量構成因素中,生物炭處理的每穴穗數均高于對照,其中C2處理與對照差異顯著。生物炭處理的每穗粒數、結實率亦均高于對照,其中C1處理與對照差異顯著。生物炭提高了水稻每穴穗數、每穗粒數與結實率,是增產的主要原因。3生物炭對作物基本理化性質的影響國內外研究認為,施用生物炭對土壤理化性質和不同作物生長發育與產量提高有著積極作用。生物炭對作物的良好效應,已經為越來越多的試驗研究所證實。目前,關于生物炭與作物的研究報道大多集中于低緯度地區,其他不同區域的研究結果也不盡相同,但生物炭對作物有正向效應的總體趨勢是一致的。由于生物炭材質、施炭量、土壤類型和環境條件等差異,使生物炭對作物產量等的提升作用局限于一定范圍內。生物炭對作物的影響機制,特別是對作物根系的相關研究還較少。由于年際間效應和環境變化等綜合因素影響,生物炭的作物學效應還有待進一步長時間田間驗證,但其良好的綜合效應已得到了眾多專家和學者認可。本試驗研究表明,生物炭提高了水稻根系主根長、根體積、根鮮重、總吸收面積和活躍吸收面積,尤以生長前期促進作用明顯,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,同時維持了較為適宜的根冠比,最終產量也得到了明顯提高。生物炭對根系的這些良好效應,首先得益于其豐富的微觀孔隙結構和理化特性。很多研究結果表明,生物質在炭化以后較好保留了原有生物質的細微組織結構(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和較強的吸附能力。同時,富含多種元素,其中不乏一些作物生長所需的營養元素和微量元素。生物炭所具有的優良結構和理化特性,使其對土壤理化性質產生重要影響。生物炭本身質輕、多孔,施入土壤后首先對土壤物理結構產生直接影響。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,表現為隨炭量增加而有所提高。土壤pH的變化對作物尤其是根系的生長有直接影響。水稻秧苗移栽前的育苗土為偏酸性,移栽后由于秧苗對pH的變化較為敏感,若土壤pH有較高變幅,并不利于其生長。而施用較低量生物炭不會對土壤pH值產生較大影響,從而保持了較為適宜的pH值范圍,有利于促進前期作物根系生長;而生物炭表面豐富的官能團和較大的比表面積,則可以提高土壤陽離子交換量,吸附更多養分離子,避免養分流失,從而提高土壤肥力和肥料利用效率,起到一定的養分吸附和緩釋作用。特別是對氮素,生物炭對銨離子有很強的吸附性,可降低氮素的揮發,對提高氮肥利用率,促進根系生長有重要作用。同時,生物炭在一定條件下其自身養分也可能有一定程度的釋放,但其養分釋放并非是土壤養分的主要“供應源”。隨著環境變化,其釋放可能存在“高峰期”和“臨界點”。生物炭對土壤養分的吸附與控釋效應及其自身的養分釋放,動態調節了土壤供肥狀況,強化了土壤“肥源”的持續供應能力,直接影響了根系的生長,并在不同時期有不同表現。在抽穗期,生物炭處理的根系體積相對較小,則可能與抽穗期前施入肥料,生物炭對養分離子有一定吸附和控釋作用,從而影響根系對肥料養分的吸收利用有關;另一方面,微生物作為土壤各種理化反應的“催化劑”,在生物炭作用下其數量和種群多樣性都得到了提高,特別是一些有益菌群。微生物活動的增強,改善了根際生長環境,因而有利于促進根系生長。另有研究者在試驗過程中發現,生物炭在水、土交融作用下可能會釋放一些小分子如乙烯等,或者產生激素類物質,對根系分泌物產生影響,從而刺激和干擾根系生理進程,影響根系生長。但目前尚沒有相關大量、系統的試驗結果支持,尚需深入研究。綜上,土壤中輸入生物炭促使土壤水、肥、氣、熱等環境條件得到了改善,土壤