施用生物炭對水稻生長生理特性及產量的影響

田阿林雷濤鄒應斌黃敏*

（1湖南農業大學教育學院，長沙410128；2湖南農業大學農學院，長沙410128；第一作者：3403986882＠qq.com；*通訊作者：jxhuangmin＠163.com）

生物炭是指由生物質在低氧或缺氧條件下高溫裂解得到的富含碳的有機物質，是多孔性、堿性、吸附能力強、多用途的材料。因其良好的解剖結構和理化性質，廣泛的材料來源和產業化發展前景，成為當今農業、能源與環境等領域的研究熱點[1]。生物炭用作土壤改良劑返還給農田，可有效改善土壤理化性質[2]與微生態環境[3]，修復污染土壤[4]，提高土壤生產性能、作物產量及品質[5－6]。而水稻是我國的主要糧食作物，也是單產較高的糧食作物[7]。近年來國內外大量研究表明，生物炭對水稻生長發育具有良好的綜合效應，生物炭的推廣應用是確保水稻高產穩產的重要途徑之一。因此，認識生物炭在水稻上的應用價值對于指導生產具有重要意義。

1 生物炭施用的方式與方法

由于生物炭60%以上為碳素，礦質養分含量較低，施入土壤往往會提高土壤C/N，降低氮素養分的有效性，單施生物炭在多數土壤上會導致作物無增產效應，甚至減產。因此，生物炭需與肥料配合施用，肥料消除了生物炭養分含量低的缺陷，生物炭的吸附性發揮作用賦予肥料養分緩釋性能，與肥料形成互補與協同的關系[8]。已有大量研究表明，生物炭與肥料配合施用能改善土壤生物學性狀[9－10]，提高作物產量與品質及氮肥利用效率[5，11－13]。

為彌補生物炭單施的缺陷，炭基肥應運而生。炭基肥是將生物炭作為載體，與肥料混合制成的一種長效肥料，可有效延緩肥料養分的釋放，有效降低養分的淋失，從而達到顯著提高氮肥利用率的效果[14－15]。并且炭基肥可部分替代傳統化肥，降低化學肥料的施用量[16]，有研究報道，生物炭配合尿素作基肥施用，在水稻生長期一次性施肥，并且在適當減少氮肥施用量的條件下，還可維持水稻正常產量或表現增產[17－18]。但減氮配施生物炭明顯提高稻田水中總磷的濃度，增加磷素淋失的風險[18]。這主要是因為生物炭施用顯著提高土壤有機碳含量，提高土壤pH值、陽離子交換量、土壤速效磷、速效鉀和礦質態氮含量，增強土壤保肥能力等，促進了作物生長和增產[19]。另外，王海候等[20]研究報道，以生物炭作為輔料生產出的炭基有機肥可以提高水稻產量，提升土壤有機質含量，增強土壤氮、磷等養分的有效性，且生物炭與畜禽糞便混合堆制后并不影響其在農田土壤中的功能特性。因此，將生物炭與肥料或有機肥復合制備成炭基肥料成為生物炭農用的一個新的發展方向。

2 生物炭對水稻生長生理特性的影響

2.1 生物炭對水稻生長的影響

生物炭能夠協調土壤的水、肥、氣、熱，促進作物生長[6]。生物炭施入土壤后，與土壤直接接觸必然會引起根系的適應性響應。而根系作為重要的吸收、合成、固定和支持器官，其發育狀況與地上部器官的形態建成和產量密切相關[21]。張偉明等[22－23]研究表明，添加生物炭對水稻生育前期根系的主根長、根體積和根鮮質量具有促進作用，且根半徑、根截面積、根表皮厚度、根皮層厚度、皮層腔面積、根導管數量及導管面積等性狀指標也相應增加[24]，顯著提高秧苗地上部和根系生長能力[23－25]。生物炭對根系生長的這些良好效應，首先得益于其豐富的微觀孔隙結構和理化特性，通過改善土壤結構與生物學特性、提高土壤有機碳含量、增加土壤pH值和陽離子交換量等途徑影響根系生長[26]；同時，生物炭自身養分也有一定程度的釋放，但其養分釋放并非是作物吸收的主要供應源[27-28]；另一方面，微生物作為土壤中理化反應的催化劑，在生物炭作用下其數量和種群多樣性都得到明顯提高[29]，特別是一些有益菌群，從而改善根際生長環境[30-31]。此外，生物炭在陳化作用下[32]可能會釋放一些小分子化合物[33]，對根系分泌物產生影響，刺激和干擾根系生理進程[34]。

王晉等[35]研究表明，適量濃度生物炭浸提液中的水溶性有機小分子可以促進水稻發芽和幼苗發育。已有研究表明，適量添加生物炭有利于提高秧苗綜合素質[22-24]。這主要是因為生物炭有助于改善基質的水、肥、氣、熱狀況，促進水稻根系代謝速率，協調水稻源、庫、流三者關系。高繼平等[36]研究指出，通過炭基質培育的水稻幼苗葉齡進程快且成苗率高。同時，使水稻基部節間縮短增粗，莖稈基部干物質積累增多。因此，炭基質育出的水稻秧苗健壯、充實度較大且具備較好的抗逆性，能夠達到機插秧苗的標準[37]。

另外，生物炭能夠明顯改善水稻群體質量。張偉明等[6]研究表明，施用生物炭對水稻株高、莖葉干物質積累有一定程度的促進作用，葉片干物質積累具體表現為前低后高趨勢，延緩了后期葉片衰老；喬志剛等[17]研究發現，炭基肥處理可有效控制水稻的無效分蘗。而塑造高質量群體是作物獲取高產的重要前提。

2.2 生物炭對水稻生理特性的影響

生物炭對作物生理特性也有一定促進效應，體現為對水稻幼苗的根系形態[23]、白根比[38]、盤根性等均有促進作用，并提高水稻根系總吸收面積、活躍吸收面積和根系傷流強度[22]，明顯縮短秧苗移栽后的返青時間，為水稻生長后期充分灌漿打下了堅實的基礎[36]。尤其在水稻生育后期，生物炭在一定程度上延緩了根系衰老，并維持較為適宜的根冠比，根系生理功能增強[22]，使水稻全生育期保持較高的根系傷流速率，呈現前低后高趨勢，有利于增加對地上部營養物質的輸送[6]。根系氧化力是衡量根系活力的重要指標之一，有研究[6]報道，生物炭處理使根系氧化力在全生育期保持較高水平，具體表現為水稻生長的前期較高，后期有所下降。并在一定程度上提高水稻葉片凈光合速率、光合作用與蒸騰作用的協同能力，有利于促進光合產物積累。苗微等[32]研究表明，添加陳化生物炭顯著降低了水稻苗期的葉綠素和類胡蘿卜素含量。而劉彩虹等[39]則認為，秸稈炭化還田提高了水稻葉綠素相對含量，對胞間CO2濃度和氣孔導度的增加也存在積極影響。這可能是由生物炭的性質差異造成的。但大多數研究證明，生物炭對水稻的生理特性存在積極作用。

植物激素作為執行細胞通訊的化學信息在代謝、生長、形態建成等植物生理活動的各個方面均起著十分重要的作用[40]。高繼平等[23]研究了生物炭對水稻秧苗內源激素的影響，其研究指出，隨施炭水平的增加，葉片、假莖和根系中的內源激素（IAA、GA3、CTK）含量呈先升后降趨勢，而ABA則相反，水稻秧苗素質指標與內源激素IAA、GA3和CTK含量均呈正相關關系，與內源激素ABA呈負相關關系。這驗證了適量添加生物炭對水稻秧苗根系的形態建成具有明顯的促進作用。王晉等[35]研究表明，適量濃度生物炭浸提液中的水溶性有機小分子可以促進脅迫響應基因的表達量，提高秧苗對逆境的耐受能力。甄曉溪等[34]的研究得出相似結論，生物炭浸提液通過提高秧苗的抗氧化能力、減少活性氧物質的積累來提高水稻幼苗對鹽脅迫的耐受能力，顯著促進鹽脅迫下水稻鉀離子轉運蛋白家族成員OsHAK7和OsHAK10基因的表達，表明水溶活性分子可能調控根細胞表面的Na+/K+離子通道，影響Na+/K+離子等進出根細胞的速率和含量等。而植株體內的Na+、K+含量和Na+/K+比是影響植株鹽脅迫程度的主要影響因子[41]。說明活性分子可能調控根細胞表面的K+離子通道，影響K+離子等進出根細胞的速率和含量[34]，這可能是生物炭表面水溶活性分子提高水稻抗鹽性的機制之一。另外，鹽脅迫導致植株體內的ABA含量增加，從而增強植物應對鹽堿脅迫的能力，緩解鹽脅迫對植物造成的滲透脅迫和離子毒害，維持植物體內水分平衡，維持細胞膜的功能，減輕植物在鹽脅迫中受到的損傷[42]。這與高繼平等[23]的研究結果相呼應，說明生物炭表面水溶活性分子可能通過根系直接進入體內，與關鍵蛋白/基因結合，激活/抑制某種新的代謝通路來提高水稻的抗氧化能力；也可能是水稻根系表面的活性分子受體與活性分子結合后，通過第二信使（如Ca2+或IP3）激活下游ABA信號轉導[34]。其作用機理可能是，鹽脅迫與生物炭表面水溶活性分子共同促進植株ABA的累積，在ABA誘導下使胞外鈣離子內流和胞內鈣庫鈣離子的釋放共同作用造成胞內鈣離子水平升高，刺激外向陰離子通道和外向K+通道的活性，而抑制內向通道的活性，提高水稻的抗氧化能力。

2.3 生物炭對水稻養分吸收的影響

生物炭對植株養分的吸收積累具有促進作用[2]。氮素是決定水稻產量最重要的因素，施用生物炭有利于水稻對氮素的吸收及氮肥利用率的提高[12，17，43]。陳琳等[44]研究表明，施用炭基肥使水稻籽粒與莖葉吸氮量比值提高，說明施用炭基肥促進了氮素向水稻籽粒的分配。周勁松等[25]的研究表明，隨著生物炭用量增加，水稻秧苗地上部礦物質元素 N、C、Na、Mn、Cu和 Fe的含量逐漸減少，P和Zn含量增加，K先增加后降低，但S、Mg和Ca含量沒有明顯規律性變化。王耀鋒等[43]的研究表明，竹炭不論單施還是與化肥配合施用都促進水稻秸稈養分的吸收，但在正常施肥條件下水洗竹炭促進水稻籽粒中氮磷鉀吸收的效果優于竹炭。鐘帥等[38]開展了生物質炭對潛育化稻田水稻營養研究，發現施用生物炭促進了水稻各個生育期對氮磷鉀的吸收，并顯著提高花后水稻對鉀的吸收，水稻后期充足的鉀供應為碳水化合物向籽粒的轉運、提高千粒重奠定了生理基礎。綜合考慮，實際生產中應慎重考慮是否對生物炭進行水洗后施用。通常在生物炭生產過程中會生成生物油，而生物油成分中的很多化合物均對生物具有毒性，生物炭中的部分生物油殘留物會抑制水稻種子萌發和幼苗生長。某些有毒化合物經水洗或稀釋后對植物抑制作用減弱或消失[35]。因此，在生物炭作育秧基質時應使用水洗生物炭。生物炭對作物礦物質元素吸收與利用受生物炭的種類和數量、土壤與作物類型、環境條件等諸多因素的影響，其中的作用機制還需要進一步的試驗研究。

3 生物炭對水稻產量的影響

生物炭和肥料配施對水稻產量的增長有明顯的促進作用[12，20，45]。王耀鋒等[43]研究報道，生物炭單施或與化肥配施均可提高水稻籽粒和秸稈產量。但生物炭施用對作物產量的影響在不同試驗條件下表現不一。張斌等[45]在四川將生物炭連續2年施用于稻田，相同氮肥處理下，對水稻產量基本沒有影響。張愛平等[12，46]研究表明，不施氮肥情況下，添加生物炭對水稻產量沒有顯著影響，對水稻產量構成因素的影響亦不明顯。說明生物炭中有效氮含量有限，單施遠不能滿足水稻生長對氮的需求。鄭小龍等[18]的研究表明，減氮施肥結合生物質炭施用與常規施肥相比水稻增產顯著。這是因為其可有效控制水稻的無效分蘗，降低了氮素在稻草中的相對分配比例，水稻的谷草比提高，促進了光合產物向籽粒的輸送，以及與炭基肥低氮施用使抽穗期葉綠素含量較高有關[17]。

生物炭用量較低時提高作物生物量，用量較高時則相反[38，47]。對于生物炭高量施用導致減產的原因，一方面土壤有效氮素含量本身較低，降低水稻葉片葉綠素含量，從而使作物產量下降[48]；另一方面也可能是生物炭具有較高的C/N，增加了氮的固定，進而降低水稻植物對氮素的吸收利用[10]。作物產量對生物炭施用的響應，取決于生物炭原料特性、理化性質、施用量、施用方式、土壤質地和作物類型以及不同施肥管理方式。因此，對于生物炭增產或減產的機理研究還需要長期多生態點的定位試驗。

3 展望

生物炭對作物的良好的綜合效應已得到了眾多專家和學者認可。通過對目前生物炭對水稻影響的研究動態概述，作者認為尚有幾個方向的研究還存在不足。

（1）由于年際間效應和環境變化等綜合因素影響，生物炭對作物根系與產量的長期效應還有待進一步田間試驗驗證，并對其作用機制等科學問題進行系統研究和深入探討。

（2）生物炭施入土壤，導致土壤結構和功能發生的變化，根系是直接的接觸者。因此，需要開展生物炭對根際生態的研究。

（3）生物炭對水稻生育后期尤其是最為關鍵的抽穗拔節時期以及稻米品質的影響還需通過長期、系統的實驗進行驗證。

（4）我國土壤類型眾多，生物炭在不同土壤上的表現肯定不同，目前多數研究的周期較短，研究大多停留在室內模擬和小區田間試驗及盆栽試驗階段，缺乏生物炭長期效應的田間試驗。必須開展全國多點和聯網研究。

（5）生物炭與肥料配合施用具有良好的正效應。因此，研究生物炭與肥料合理配施的方式與方法是研究者需要進一步解決的問題。

（6）生物炭表面有機小分子可能參與了某些蛋白的合成，從而調節了水稻秧苗的生長和發育進程，其作用機制十分復雜，有待于進一步深入研究。例如，目前對生物炭表面水溶活性分子提高作物抗鹽性的機制尚不明確。

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