生物炭配施氮素對陸地棉盛花期根系形態與構型的影響

馮 雷 徐萬里 唐光木 孫寧川 蒲勝海 耿增超

(1.西北農林科技大學資源環境學院， 陜西楊凌 712100； 2.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所， 烏魯木齊 830092)

0 引言

優化根系是提高作物產量的最可行方式之一[1]，卻較少被關注[2-3]。通過生物炭耦合作物根際生物地球化學過程[4]，增強或減弱反應強度[5]，從而減緩資源(水和養分)限制作用并降低機械阻力[6-7]，進而影響植物生理生化反應[8]，這一過程被認為可以較為全面解釋生物炭-土壤-作物連續體之間相互作用機制[9]，但關于核心過程中生物炭如何影響作物根系并改變根系不同水平特征的研究卻仍顯不足[10]。

生物炭對作物根系不同水平(形態、構型、信號傳遞)的影響與作物生產力、源庫物質分配等密切相關。研究表明：4.5～9 t/hm2生物炭促進了主根生長和根系分枝密度增加，但抑制了二級根生長，小麥比根長增加33.57%[11]；文獻[12]也曾報道，添加4 t/hm2生物炭，配施氮156 kg/hm2、磷56 kg/hm2和鉀28 kg/hm2，玉米根系生物量增加近兩倍，根系夾角、比表面積、分枝和細根分別增加(14±11)%、(54±14)%和(70±56)%。SPOKAS等[13]報道生長素可能是影響生物炭修復土壤與增產的關鍵。另據報道，土壤添加生物炭，植物適應性會從根系形態以及生理等方面做出響應[14]。由此說明，不同物種植物、不同級別根系對生物炭響應規律具有一定差異，且存在多樣化的適應資源變化機制。

花鈴期中盛花期是棉花根系形態、構型及品質形成調控的關鍵時期，氮素供給是其主要影響因素之一。一般認為，氮素通過影響作物側根伸長、側根細胞分裂、L-谷氨酸信號傳導，調控作物根系形態生長和發育，其中，低劑量氮素會刺激作物根系進一步生長，其吸收面積、比根長、根長比例等特征均呈顯著增加趨勢[15]；常規施氮即最適施氮雖然可維持作物生長生活史，但吸收氮素根系比例卻顯著降低，一定程度上損失了氮資源，產生潛在水體污染[16]。對于棉花而言，最適氮素供給量在240～320 kg/hm2，其完成生活史后土壤中仍殘存較多氮素[17]，而應用生物炭可以較好解決上述問題。報道稱，中低劑量生物炭復配氮素(1.5%～3.3%，質量比)普遍對植物根系生長產生了積極影響[18]，并顯著提高作物氮素利用效率[19]和增加玉米產量[20]、油麥菜產量[21]，其中，根系體積、根長、活躍吸收面積等形態指標明顯增加，但也有報道稱生物炭降低了根系總量[22]。雖然，生物炭、氮素以及生物炭配施氮素對于作物根系的研究已分別報道，但關于生物炭配施氮素對作物根系構型及不同土層各根級根系響應[23]規律仍存在分歧。

灰漠土是新疆主要耕作土壤類型之一，2017年種植了全國棉花播種總面積60%以上的棉花，豐富的棉花秸稈資源為棉稈炭產學研提供了有利條件。目前，關于生物炭、氮素與棉花根系生長發育已分別有報道：馬云艷[24]曾研究指出，棉花生長21周時，25、100 g/kg生物炭(質量比)處理分別使棉花根系鮮質量和須根數分別較對照增加40.6%和37.9%；于莎等[25]證明，根系氮素代謝能力下降的原因主要是谷氨酰胺合酶/谷氨酸合酶循環介導的氮素同化能力下降，其次為硝酸還原酶介導的氮素還原能力下降。然而，目前尚未見生物炭與氮素協同效應對棉花關鍵生育期根系形態及構型的研究。本文通過設置生物炭和氮素配施，采用廣義加性模型(GMA)和冗余分析(RDA)，探究二者復配對棉花關鍵生育期-盛花期根系構型特征的影響，以期闡明生物炭-土壤-棉花連續體相互作用機理，為新疆灰漠土棉花種植體系可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于新疆維吾爾自治區烏魯木齊市新市區安寧渠鎮“中國國家灰漠土肥力與肥料效益野外科學觀測臺站”，北緯43°95′26″，東經87°46′45″，海拔680～920 m，年均氣溫5～7℃，年降水量180～250 mm，年蒸發量1 600～2 200 mm，屬干旱半干旱荒漠氣候。灰漠土土壤性質為pH值8.35、電導率0.22 mS/cm、有機碳質量比6.91 g/kg，全氮、全磷和全鉀質量比分別為0.47、0.59、16.35 g/kg。

1.2 試驗設計

棉花品種為新陸早49號(GossypiumhirsutumL.49)。播種時間2018年4月24日。試驗采用完全隨機設計，設計5種處理，3次重復，共計15個小區。小區面積33 m2(7.5 m×4.4 m)。棉花采用1.6 m寬膜滴灌栽培模式，一膜4行，膜內寬行距50 cm，窄行距20 cm，接行60 cm，株距10 cm(20+50+20+50+20+60)×10 cm。處理分別為N0(常規施氮，施氮量0.3 t/hm2)，N0+Bc1%(常規施氮0.3 t/hm2+棉桿炭質量為耕層土質量1%)，Nl+Bc1%(低氮量0.21 t/hm2+棉桿炭質量為耕層土質量1%)，Nl+Bc2%(低氮量0.21 t/hm2+棉桿炭質量為耕層土質量2%)，N0+Bc4%(常規施氮0.3 t/hm2+棉桿炭質量為耕層土質量4%)。常規施氮量0.3 t/hm2，低氮量0.21 t/hm2，氮肥施用方式均為基施40%，追施60%。60%追肥分6次隨水追施，按棉花需肥規律施用比例分別為15%、10%、10%、10%、10%、5%。所有處理的磷鉀肥作為基肥一次性施入，磷肥施入量為138 kg/hm2(P2O5)，鉀肥施入量為60 kg/hm2(K2O)。

播種后22 d，苗期滴灌1次，水總定額300 m3/hm2；蕾期滴灌2次，水總定額750 m3/hm2；花鈴期7月12日—8月27日，每9天滴灌1次，總定額2 250 m3/hm2；成熟期滴灌1次，水總定額360 m3/hm2。

1.3 觀測內容

于2018年7月14日棉花盛花期采集樣品，掘根法采集0～10 cm和大于10 cm根系。

1.4 指標及測定方法

根系總長度(L,cm)和平均直徑(D,mm)：采用根系掃描和圖像分析法測定。具體方法：收集洗凈根系，將多級側根及須根分開，盡量使其不與上一級根系交織。利用LA-S系列植物圖像分析儀掃描獲取根系掃描圖像，后用Win RHIZO圖像分析系統(Win RHIZO Pro2004b,version 5.0,加拿大)進行分析，獲得根系總長度和平均根莖。

根系長度(Ln,cm)：采用直尺法測定30～50根排放在玻璃板上的根系長度，求和。

根系干質量(M,g)：60℃干燥24 h后，采用干燥法測定。

土壤體積(V,cm3)：采用直尺法測定根系分布剖面體積。

1.5 指標計算

比根長、根生物量密度、根長密度、根系長度比例計算公式為

S=0.01L/M
G=M/(V×10-6)
R=L/V
B=Ln/L×100%

式中G——根生物量密度，g/m3

R——根長密度，cm/cm3

B——根系長度比例，%

其中，n∈(k,j,h)，k表示極細根(直徑0～0.1 mm)，j表示細根(直徑大于等于0.1 mm小于1 mm)，h表示中等根(直徑大于等于1 mm小于2 mm)，共3種根系總根長[26]。

1.6 統計分析方法

采用GMA分析土壤深度、生物炭施用方式單獨以及交互作用對根節間距影響。用協方差解釋幾者間相關性。進行GMA分析時，殘差用正態性檢驗(Shapiro-Wilk’s test,p>0.05)，若數據不符合正態分布，則進行對數或平方根轉換。分析生物炭施用方式和根節間距因果關系，用Turkey HSD檢驗(p<0.05)。根系特征5次重復。

文獻[1]表明非線性模擬更符合根系生長規律，能夠相對準確反映統計指標的變化趨勢，因此本文選擇對數進行模擬分枝角與細根平均長度。首先，通過SPSS 19.0探索分析剔除數據中測定值與平均值偏差超過兩倍標準差的測定值。然后，將所有樣本的根系分枝角10°等分，每10°求取算術平均值，以降低數據本身對趨勢擬合的干擾。最后，通過對數非線性模型模擬根系分枝角影響棉花細根生長趨勢，其中分枝角和細根根長均以算術平均值(n=13)作為擬合指標。

運用Canoco 4.5軟件對淺層根長密度和底層根長密度與環境因子進行RDA分析。利用軟件OriginPro 8.5作圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭與氮素交互作用對棉花根系直徑和長度的影響

圖1a表明，根系平均直徑存在一定差異，其中N0處理根系平均直徑為5.57 μm，顯著低于Nl+Bc1%和N0+Bc1%(p<0.05)，相較二者分別減小1.48 μm和2.53 μm，與Nl+Bc2%和N0+Bc4%沒有顯著差異(p>0.05)。這與HONG等[27]研究結果不同，其認為氮素劑量差異顯著影響平均根系直徑，本次試驗結果可能是Bc1%增強了低劑量氮素對根系生長的促進作用，而高劑量的生物炭可能抑制了根系中硝酸還原酶活性和根系細胞分裂。Nl+Bc1%處理根生物量密度是N0處理2.74倍，達到7 239.52 g/m3。Nl+Bc2%、N0+Bc4%和N0+Bc1%處理根生物量密度分別是N0處理的1.20、0.66、0.60倍。施用1%生物炭而施氮量不同，即施氮量0.21、0.3 t/hm2，前者相較后者棉花根生物量密度增加4.42倍，如圖1b所示。這是因為低劑量生物炭包含的少量激素類物質促進了植物根系發育[28]。

圖1d表明，生物炭也改變了細根的平均根長，N0+Bc1%處理細根平均根長與Nl+Bc2%處理沒有顯著差異(p>0.05)，顯著高于N0+Bc4%、Nl+Bc1%、N0(p<0.05)。其中，N0+Bc1%、Nl+Bc2%處理細根平均根長分別是N0處理的1.66倍和1.53倍，從4.77 cm增加到7.93 cm和7.28 cm。Nl+Bc1%細根平均根長減小1/10，降至4.33 cm。這與RAZAP等[29]報道一致，可能是4%生物炭增強異三聚體G蛋白[30]和谷氨酸轉運蛋白[31]反饋調節，也可能影響了根系細胞壁結構[8]，因而綜合表現為4%生物炭與N配施在一定程度促進了根系伸長。

圖1 生物炭與氮素交互作用對根系平均直徑、根生物量密度、根長比例、細根平均根長的影響Fig.1 Effects of biochar interactionwith nitrogen on average root diameter, root biomass density, root length ratio and root length

2.2 生物炭與氮素交互作用對棉花比根長和根長密度的影響

棉花淺層(0～10 cm)和深層(大于10 cm)根系比根長呈相似變化規律。Nl+Bc2%、N0和N0+Bc1%處理比根長顯著大于Nl+Bc1%和N0+Bc4%(p<0.05)。淺層根系比根長前三者間沒有顯著差異，后兩者之間也未顯示顯著差異(p>0.05)。深層根系Nl+Bc2%比根長顯著小于N0+Bc1%(p<0.05)，N0與兩者沒有顯著差異(p>0.05)，如圖2所示。這與李瑞霞等[11]研究結果類似，即中低劑量生物炭增加了作物比根長。一方面，中低劑量生物炭能夠較大限度增加植物根系細胞膜載體活性[8]，刺激生長素類物質合成與轉運[13]，而高劑量可能抑制激素類轉運過程；另一方面，中低劑量生物炭也可能增強土壤介質氮素擴散系數[32]。

圖2 生物炭與氮素交互作用下不同土層深度棉花比根長比較Fig.2 Comparison of specific root length of cotton in different soil layers under biochar interaction with nitrogen

圖3 生物炭與氮素交互作用下棉花根長密度變化Fig.3 Change of root length density of cotton under biochar interaction with nitrogen

0～10 cm土層棉花根長密度顯著高于大于10 cm土層。Nl+Bc2%的0～10 cm和大于10 cm根長密度具有極顯著差異，且顯著高于其他處理淺層根長密度(p<0.05)，分別是Nl+Bc1%、N0、N0+Bc4%和N0+Bc1%的1.96、2.30、1.54、2.42倍。N0+Bc4%的大于10 cm根長密度顯著高于其他處理，Nl+Bc1%、N0+Bc4%和N0+Bc1%之間沒有顯著差異(圖3)。這是因為淺層土壤施入中等劑量生物炭可保存較多養分和水分[33]，根長密度顯著增加便可獲取這部分資源，從而有利于植株進一步生長；深層土壤中，根系傾向分布于中等緊實度的土壤[34]，而高劑量生物炭能夠降低土壤阻力使根系獲得優良生長環境，所以該層根長密度明顯增大。

2.3 生物炭對棉花根分枝角和節間距的影響

生物炭未明顯改變0～10 cm土層極細根分枝角而顯著改變棉花細根分枝角。其中N0+Bc4%處理0～10 cm土層根系分枝角為88°41′，Nl+Bc2%、Nl+Bc1%、N0和N0+Bc1% 分枝角分別為80°21′、80°40′、83°34′和83°04′，平均為83°17′，這說明高劑量的生物炭抑制根系垂直生長，如圖4所示。對于大于10 cm土層棉花細根而言，生物炭有利于細根水平延伸，其中Nl+Bc2%分枝角最大，為101°48′且更傾向于向淺層生長，這種表現可能是根系對資源異質性作出的響應。生物炭活化了土壤固定養分的有效性并且阻礙了氮素向深層淋失進而促進植物根系伸展[4]，ROYCHOUDHRY等[34]進一步研究指出氮素虧缺引起的硝酸根不足能夠增大根系向地性夾角。FORDE[31]也曾在植物氮素信號傳遞途徑指出，根系構型主要受到主側根之間氮的相互作用調控，側根系氮素含量增加，主側根分枝角則可能變大。擬南芥中AtDRO1過表達近來也被證實可以增加其向地性夾角[35]。

圖4 生物炭與氮素交互作用對不同土層根系分枝角的影響Fig.4 Effect of biochar and nitrogen on branching angle of root systems in different soil layers

由圖5(圖中α、β、η、γ、θ分別表示不同處理根系分枝角，1、2、3、4表示與來水方向夾角(90°、180°、270°、360°))可知，α1、β1、η1、γ1、θ1根節長度相近，約為0.76 cm。不同處理根節長度的差異主要表現在α3、β3、η3、γ3、θ3，分別為1.24、0.99、1.13、4.00、1.60 cm。這種差異可能是由不同土層水分及養分擴散速率所決定。

圖5 生物炭施用方式、根分枝角交互作用對根節長度的影響Fig.5 Effects of interaction between application methods of biochar and branching angle on root space

分枝角與細根平均根長呈極顯著負相關(R2=0.82,p≤6.93×10-6)，符合y=-52.24×ln(0.20lnx)(圖6)。這與葉子奇等[36]研究結果一致，其研究認為垂直分枝角越小則土壤相對疏松，細根則可以累積相對較多物質支撐根系伸展。鄭慧玲等[37]也曾報道根系分枝角與根長負相關，正是由于植物對資源配置的權衡所導致。

圖6 著生于主根的細根平均根長與根分枝角非線性模擬Fig.6 Nonlinear simulation between fine root length and branch angle of fine root born on taproot

2.4 生物炭影響根系特征的廣義加性模型和冗余分析

圖7 生物炭施用方式與根系特征冗余分析Fig.7 Redundancy analysis of application mode of biochar and root characteristics

廣義加性模型(GMA)表明，生物炭施用方式對棉花根系節間距有極顯著影響(p<0.001)，而根系垂直夾角對根系節間距沒有產生顯著影響(p>0.061)。二者交互作用顯著影響棉花根系節間距(p<0.021)。土層深度(p<0.001)和生物炭交互作用(p<0.02)對棉花根長密度產生顯著影響，并且土層深度影響效應高于生物炭。淺層根長密度和淺層細根分枝角呈極顯著負相關。深層根長密度與淺層細根分枝角及淺層中等根分別呈極顯著正相關和顯著負相關。細根根長比例和極細根根長比例、中等根根長比例分別呈顯著和極顯著負相關，與根系平均直徑呈顯著正相關。淺層極細根分枝角與深層中等根分枝角呈極顯著正相關(圖7a)。這主要是由于生物炭導致不同土層深度各水平根系物質分配有所變化，另外，激素類物質的合成及運輸也可能對上述結果產生一定程度影響。

冗余分析(RDA)表明，根系可塑性、形態特征、根長比例3類影響因素總疊加效應解釋棉花淺層根長密度和深層根長密度(極細根根長比例、細根根長比例、中等根根長比例)、淺層(極細根、細根和中等根)分枝角、深層(極細根、細根和中等根)垂直分枝夾角、平均根系直徑、單位體積根系質量變異的89.1%(圖7b，圖中Rs表示深層根長密度，Rt表示淺層根長密度，Vt表示淺層極細根分枝角，Ft表示細根分枝角，Mt表示中等根分枝角，Ms表示深層中等根分枝角)，其中淺層根長密度和深層根長密度均受到淺層細根和中等根分枝角以及深層細根分枝角極顯著影響(p<0.01)。上述規律可能是由于土壤資源有效性或者不同土層氮素配置誘導而形成。

3 討論

生物炭可促進根系生長并優化作物地上地下資源分配[38-40]。本文研究表明，1%～2%生物炭與氮素復配處理下棉花根系平均直徑和細根比例明顯增加。這與RAZAP等[29]研究結果相似，即均促進細根生長。這是因為生物炭活化了干旱階段土壤固定養分[12]，減少養分淋失，從而可能定向誘導根系生長和發育。GRABER等[28]則認為生物炭包含的低劑量激素類物質促進根系生長，SPOKAS等[13]通過進一步研究指出生長素可能是影響其修復效果和作物增產的關鍵；而KOLTON等[40]則認為植物表現性能與生物炭影響的根際微生物多樣性和代謝潛力強烈相關。本文試驗表明，低氮0.21 t/hm2配施1%～2%生物炭處理根生物量密度顯著高于常規施氮0.3 t/hm2配施相同生物炭或4%生物炭，可能是因為1%～2%生物炭彌補氮素不足并加快不同根級間氮素轉運，而高劑量生物炭則可能增強了異三聚體G蛋白[30]和谷氨酸轉運蛋白[31]反饋調節。由此表明，根系生長發育可能受到生物炭作用下多種因素耦合效應的共同影響。

根系構型及可塑性是植物適應環境變化、覓食的綜合表征，與根系和資源的有效接觸面積密切相關，其中比根長、根長密度、根系分枝角等特征決定養分攝取速率和轉運效率[41]。比根長(單位質量的根長)和根長密度(單位體積根長)相比生物量更能反映植物根系投入產出比。研究表明，氮有效性較高土層，較多細根分布于該層并且根長密度較高，而氮有效性較低時則反之[41]。本文研究表明：0～10 cm土層比根長和根長密度顯著高于大于10 cm土層，這與趙占軍[42]在黃花苜蓿研究中的報道一致。與此同時，試驗表明1%～2%生物炭顯著增加大于10 cm土層根系比根長和根長密度，這是由于生物炭的活化以及吸附作用影響養分有效性，并且可能刺激主側根氮素信號傳遞途徑從而影響了根系構型中比根長和根長密度[31]，其中將主根局部暴露于高濃度硝酸根會促進側根發育和形成[43]。

根系分枝角也是根系構型的主要構成因子，垂直根系分枝角通常被稱為向地性[34]，能夠反映植物根系生理變化，并能夠對環境及資源變化作出反饋。垂直根系分枝角主要由激素梯度分布所決定，而硝酸根濃度會影響激素轉運效率，低濃度硝酸根抑制激素轉運及信號傳遞從而導致向地性顯著減小[15,30]。近年來，模擬植物擬南芥AtDRO1過表達被證實增加垂直根系分枝角[35]。本文研究表明，0～10 cm土層根系垂直分枝角未發生明顯變化，而大于10 cm土層根系分枝角發生顯著變化，這與MITCHELL等[4]研究結果一致。另外，1%～2%生物炭可能減緩硝酸根淋失并抑制土壤中細菌反硝化作用，生物炭包含的少量激素或刺激植物根系激素合成及轉運效率進而影響根系構型也可能是重要的影響因素。

4 結論

(1)生物炭與氮素協同作用影響棉花盛花期淺層(0～10 cm)和深層(大于10 cm)根系形態特征，具有顯著差異，生物炭與氮素協同作用下0～10 cm土層根系特征未發生顯著變化，而低劑量N和2%生物炭使大于10 cm土層的比根長、根長密度顯著增加。1%～2%生物炭主要改變了深層(大于10 cm)棉花根系構型及形態，大于10 cm土層根系分枝角顯著增大。氮素不足的條件下，2%生物炭增強根系資源獲取能力。

(2)廣義加性模型(GMA)顯示，生物炭施用方式極顯著影響根系節間距，分枝角未對根系節間距產生顯著影響，與來水方向270°根系節間距變化最明顯，γ3最大，為4 cm；生物炭和土層深度對棉花根長密度均有顯著影響，交互作用小于土層深度單獨對根長密度的影響。

(3)冗余分析(RDA)表明，根長比例、淺層和底層根系分枝角、平均根系直徑以及根生物量密度可解釋根長密度變異的89.1%。