生物炭对水稻根系产量的效应

生物炭对水稻根系产量的效应

生物碳通常是指根据自然界广泛存在的生物资源，利用特定的碳化技术，将生物资源在缺氧条件下完全燃烧产生的富碳产品。常见的生物炭有秸秆炭、木炭、花生壳炭等。生物炭可溶性极低,具有高度羧酸酯化和芳香化结构,生物质在炭化后具有较大的孔隙度和比表面积,吸附能力强,成为可应用于农业、工业等领域的一种理想材料。近年来,生物炭受到农业、环境、能源等领域专家们的广泛关注,被誉为“黑色黄金”。国内外相关研究结果表明,生物炭施入农田土壤后可改变土壤理化性质,对提高肥料利用效率,增加作物产量,促进农业可持续发展等都具有重要作用。来自巴西亚马逊河地区的田间试验表明,在土壤中施入生物炭(以11thm-2标准),2年4个生长季后水稻和高粱产量累积增加了约75%。而在热带与亚热带地区施用生物炭发现,除了可使大豆、玉米等作物增产外,植株中的镁、钙含量也明显增加。生物炭对不同作物有一定促长、增产作用,已成为国内外研究学者的普遍共识。但也有研究认为,生物炭的增产作用有一定“适用范围”。当生物炭施用量在0.5thm-2时,作物产量有降低趋势。作物生产受到气候环境、土质等诸多因素影响,生物炭在不同区域的作用也不尽一致。因此,有必要开展不同生态气候区,特别是在我国自然环境和土壤条件下生物炭的作物学效应研究。根系是作物吸收养分、水分和合成某些内源激素的重要器官,其发育状况与地上部器官的形态建成和产量密切相关。而生物炭施入土壤后,成为土壤的直接“接触者”,必然会引起根系的适应性响应。因此,研究生物炭对根系生长的影响具有重要意义。目前,在我国北方耕作条件下,有关生物炭对水稻根系影响的相关研究报道较少。本文研究了生物炭不同施用量对北方超级粳稻根系的形态特征与生理特性的影响,旨在为生物炭在水稻生产上的应用提供参考。1材料和方法1.1供试水稻品种:北方冀叶浸提液20.2009—2010年在沈阳农业大学水稻研究所成果转化基地进行盆栽试验,盆口直径25cm,高22cm。盆栽土壤为沙壤土(偏沙),pH6.52,含有机质28.8gkg-1、全氮1.19gkg-1、碱解氮28.6mgkg-1、速效磷6.08mgkg-1、速效钾61.36mgkg-1。供试水稻品种为北方粳稻沈农265。试验用生物炭原材料为玉米秸秆,粒径1.5~2.0mm。生物炭pH9.23,含氮1.53%、磷0.78%、钾1.68%,由辽宁金和福农业开发有限公司生产提供。1.2生物炭与土壤的复合设4个处理,处理1为对照,不添加生物炭(对照);处理2为每千克干土加生物炭10g,折合每盆加生物炭75g(C1);处理3为每千克干土加生物炭20g,折合每盆加生物炭150g(C2);处理4为每千克干土加生物炭40g,折合每盆加生物炭300g(C3)。随机区组试验设计,各处理重复3次,每个重复10盆。盆栽用土全部过5mm筛,每盆装土8.6kg(含水量12.8%,折合干土重7.5kg),将生物炭与土壤充分混匀后沉积1周备用。5月29日选择长势相对一致的秧苗移栽,每盆两穴,每穴1株。移栽后施氮肥(尿素,300kghm-2)、磷肥(磷酸二铵,225kghm-2)、钾肥(氯化钾,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标准折算,按常规水稻大田生产规程管理。1.3测定指标及方法分别于分蘖期(7月8日)、拔节期(7月26日)、抽穗期(8月15日)、灌浆期(9月6日)取样,每处理取6盆。将每盆植株连根带土全部放入40目尼龙筛网袋里,用水浸泡约30min,然后用流水小心冲洗根系后,以单株为单位测定根系鲜重、根体积、根系氧化力、根系吸收面积。先用滤纸轻拭擦干根系表面水分,用电子天平称量根系鲜重,同时测定该株地上部总鲜重,计算根冠比。于测定当日晚18:00从距盆内土壤表面5cm处横切断植株,用已称量好的脱脂棉覆盖切口处,外围用自封袋包扎收集伤流液,次日晨8:00取下脱脂棉称重,每次收集14h,利用脱脂棉前后重量之差计算伤流速度。用排水法测定根体积,用甲烯蓝比色法测定根系总吸收面积与活跃吸收面积,用α-NA氧化法测定根系氧化力。成熟期取每处理5盆测定单株产量和产量构成因素相关指标。两年试验结果趋势基本一致,采用2010年的数据统计分析根系形态特征与生理特性,采用2009年与2010年两年数据的平均值统计分析产量。利用MicrosoftExcel和SPSS17.0软件处理与分析数据,采用Duncan’s差异显著分析方法多重比较各处理。2结果与分析2.1生物碳对水稻根系形态特征的影响2.1.1生物炭对根系体积的影响如表1所示,生物炭处理的水稻单株主根长在不同生育期均高于对照,其中在分蘖期,C1、C3处理与对照差异显著。可见,在水稻生长前期,生物炭有利于提高根系深度下扎,促进根系纵向生长。但随着生育期推进,生物炭处理与对照之间的根长差异逐渐缩小,无明显影响。生物炭对根系体积也产生了重要影响。在分蘖期与拔节期,生物炭处理的根体积均大于对照。分蘖期根体积表现为C1>C2>C3>CK,生物炭处理与对照差异显著,较低施炭量对促进根系体积增长的作用明显。在抽穗期,生物炭对根系体积增长的影响不大。而到了灌浆期,根体积表现为C3>C2>C1>CK,随炭量增加而增大,高施炭量处理(C3)与其他各处理差异显著,作用明显。由此可见,生物炭可在生长后期保持一定根系体积,从而延缓根系衰老,有利于满足后期地上部对养分的需求。生物炭处理的根系鲜重在全生育期均高于对照。在分蘖期,根鲜重表现为C1>C2>C3>CK,随炭量减少而有所增加,生物炭处理与对照差异显著。可见,生物炭对提高水稻生长初期根重的作用明显。拔节期根鲜重表现为C3>C2>C1>CK,随炭量增加而增加,高施炭量处理(C3)与其他各处理差异显著,作用明显。而到了生长后期,生物炭对根鲜重无明显影响。总体上看,生物炭在一定程度上促进了根系生长,尤以水稻生长前期对根长、根体积与根鲜重的影响较大。2.1.2生物炭对水稻生长的影响如图1所示,生物炭处理的水稻根冠比在全生育期均高于对照。其中,分蘖期达最高值。生物炭处理均高于对照,其中C1、C2、C3处理分别比对照提高52.99%、21.86%、6.29%,平均提高25.05%。随着生育期推进,生物炭处理与对照间差异逐渐缩小,到后期影响不大。在水稻生长前期,生物炭处理保持了较高的根冠比,表明根系发达,有利于为植株生长供应充足的水分和养分。而在生长后期根冠比则相对较小,减少了根系生长冗余,有利于营养物质的合理分配。以上结果表明,生物炭在水稻生长前期明显提高了根冠比,促进了根系生长。而在后期,生物炭在一定程度上延缓了根系衰亡,保持了较为适宜的根冠比,有利于提高根系吸收效率,促进地上部植株生长。2.2生物碳对水稻根系的生理特性的影响2.2.1生物炭对土壤吸收面积的影响总体上看,生物炭处理的根系总吸收面积与活跃吸收面积在全生育期呈不断上升趋势,其中较高施炭量处理(C2、C3)的提升幅度较大。在水稻生长初期,生物炭明显提高了根系总吸收面积与活跃吸收面积,对提升根系吸收能力,提高物质转运效率有重要作用。但随着生育期推进,生物炭与对照之间的差异逐渐减小,但仍保持了相对较高的根系总吸收面积和活跃吸收面积,有利于增强后期根系对水分、养分等物质的持续供应能力。2.2.2全生育期织物处理如图2所示,除抽穗期C3处理的根系伤流速度小于对照外,其余各时期生物炭处理均高于对照。在分蘖期,根系伤流速度表现为随炭量增加而降低。在拔节期,各处理根系伤流速度达到全生育期最高水平,表现为C3>C2>C1>CK,其中C3、C2、C1处理分别比对照提高了43.11%、27.9%、22.92%,平均提高了31.31%,促进作用明显。在灌浆期,根系伤流速度表现为随炭量增加而降低,其中低施炭量处理(C1)与对照差异显著,作用明显。总体上看,在水稻生长前期,生物炭提高了根系伤流速度,有利于提升根系输送物质效率,促进地上部植株生长。而在后期,生物炭在延缓根系衰老的同时,和对照相比仍保持了较高的根系伤流速度,使根系结构与功能得到了协调统一,有利于物质积累与产量形成。2.2.3生物炭处理生物炭对根系氧化力也产生了重要影响(图3)。在分蘖期,生物炭处理均高于对照,根系活力随炭量增加而减小。而在拔节期,生物炭处理的根系氧化力仍高于对照,但表现为随炭量增加而提高。在抽穗期则与分蘖期表现相同趋势,生物炭处理均高于对照,随炭量增加而减小。在灌浆期表现为C2>C3>CK>C1,较高施炭量(C2、C3)仍有助于维持一定根系活力。总体上看,生物炭明显提高了水稻全生育期的根系活力,尤以前3个时期较为明显,表明生物炭对根系生理进程的影响较大。特别是在生育后期,生物炭仍维持了相对较高的根系活力,在一定程度上延缓了根系生理衰老,对提高根系吸收能力,促进物质吸收、转运与分配具有重要作用。2.3生物炭对产量的影响从表3可以看出,生物炭处理的水稻每穴产量均高于对照,表现为C2>C1>C3>CK,生物炭各处理比对照平均提高了25.28%。其中以C2处理的每穴产量最高,比对照提高了33.21%,且差异显著。说明适宜的生物炭用量对增产有重要作用。产量构成因素中,生物炭处理的每穴穗数均高于对照,其中C2处理与对照差异显著。生物炭处理的每穗粒数、结实率亦均高于对照,其中C1处理与对照差异显著。生物炭提高了水稻每穴穗数、每穗粒数与结实率,是增产的主要原因。3生物炭对作物基本理化性质的影响国内外研究认为,施用生物炭对土壤理化性质和不同作物生长发育与产量提高有着积极作用。生物炭对作物的良好效应,已经为越来越多的试验研究所证实。目前,关于生物炭与作物的研究报道大多集中于低纬度地区,其他不同区域的研究结果也不尽相同,但生物炭对作物有正向效应的总体趋势是一致的。由于生物炭材质、施炭量、土壤类型和环境条件等差异,使生物炭对作物产量等的提升作用局限于一定范围内。生物炭对作物的影响机制,特别是对作物根系的相关研究还较少。由于年际间效应和环境变化等综合因素影响,生物炭的作物学效应还有待进一步长时间田间验证,但其良好的综合效应已得到了众多专家和学者认可。本试验研究表明,生物炭提高了水稻根系主根长、根体积、根鲜重、总吸收面积和活跃吸收面积,尤以生长前期促进作用明显,并在一定程度上延缓了后期根系衰老。生物炭提高了根系生理活性如根系伤流速率、氧化力等,同时维持了较为适宜的根冠比,最终产量也得到了明显提高。生物炭对根系的这些良好效应,首先得益于其丰富的微观孔隙结构和理化特性。很多研究结果表明,生物质在炭化以后较好保留了原有生物质的细微组织结构(图4),孔隙丰富。且pH值较高,比表面积较大,具有丰富的表面官能团和较强的吸附能力。同时,富含多种元素,其中不乏一些作物生长所需的营养元素和微量元素。生物炭所具有的优良结构和理化特性,使其对土壤理化性质产生重要影响。生物炭本身质轻、多孔,施入土壤后首先对土壤物理结构产生直接影响。研究表明,施用生物炭可使土壤容重降低9%,而总孔隙率则从45.7%增加到50.6%。土壤容重降低和通气孔隙提高为根系提供了良好的生长空间,有利于根系的深扎和伸展,提高抗倒伏能力;此外,生物炭本身大都呈碱性,能够在一定程度上提高土壤pH值和盐基饱和度,表现为随炭量增加而有所提高。土壤pH的变化对作物尤其是根系的生长有直接影响。水稻秧苗移栽前的育苗土为偏酸性,移栽后由于秧苗对pH的变化较为敏感,若土壤pH有较高变幅,并不利于其生长。而施用较低量生物炭不会对土壤pH值产生较大影响,从而保持了较为适宜的pH值范围,有利于促进前期作物根系生长;而生物炭表面丰富的官能团和较大的比表面积,则可以提高土壤阳离子交换量,吸附更多养分离子,避免养分流失,从而提高土壤肥力和肥料利用效率,起到一定的养分吸附和缓释作用。特别是对氮素,生物炭对铵离子有很强的吸附性,可降低氮素的挥发,对提高氮肥利用率,促进根系生长有重要作用。同时,生物炭在一定条件下其自身养分也可能有一定程度的释放,但其养分释放并非是土壤养分的主要“供应源”。随着环境变化,其释放可能存在“高峰期”和“临界点”。生物炭对土壤养分的吸附与控释效应及其自身的养分释放,动态调节了土壤供肥状况,强化了土壤“肥源”的持续供应能力,直接影响了根系的生长,并在不同时期有不同表现。在抽穗期,生物炭处理的根系体积相对较小,则可能与抽穗期前施入肥料,生物炭对养分离子有一定吸附和控释作用,从而影响根系对肥料养分的吸收利用有关;另一方面,微生物作为土壤各种理化反应的“催化剂”,在生物炭作用下其数量和种群多样性都得到了提高,特别是一些有益菌群。微生物活动的增强,改善了根际生长环境,因而有利于促进根系生长。另有研究者在试验过程中发现,生物炭在水、土交融作用下可能会释放一些小分子如乙烯等,或者产生激素类物质,对根系分泌物产生影响,从而刺激和干扰根系生理进程,影响根系生长。但目前尚没有相关大量、系统的试验结果支持,尚需深入研究。综上,土壤中输入生物炭促使土壤水、肥、气、热等环境条件得到了改善,土壤