生物炭對谷子幼苗生長及光合特性的影響

劉慧敏，張圣也，郭懷剛，林俊俊，李佐同，閆鳳超，朱廣石，徐晶宇，趙長江

(1.黑龍江八一農墾大學農學院，黑龍江省秸稈資源化利用工程技術研究中心/黑龍江省現代農業栽培技術與作物種質改良重點實驗室，黑龍江 大慶 163319； 2.黑龍江省農墾科學院，黑龍江 哈爾濱 150000 )

秸稈作為農作物生產伴生的副產品，因其種類多、數量大、分布廣，成為生物質能資源的重要來源之一。以秸稈等農業廢棄物生物質資源為原料，在無氧或低氧環境下通過高溫裂解產生生物質炭，為呈堿性非石墨化碳結構，不僅具有多孔性、高比表面積和豐富表面官能團的特點，而且含少量礦物質和揮發性有機化合物，不易被微生物分解[1]。近年來，生物炭已被廣泛應用于環境、農業、能源等各個領域[2-3]。生物質炭的廣泛應用，一方面可以節約利用資源、提高農業生產效益，另一方面還可以將碳封存在土壤中有效地減少CO2氣體的排放，同時作為很好的土壤改良劑，提高土壤肥力和生產力[4-5]。

近年來，已有大量研究表明，生物炭可改善土壤孔隙結構，降低土壤容重[6]，增加土壤比表面積[7-8]，提高土壤的C/N比[9]，提高土壤持水能力[10]等，生物炭對貧瘠土壤改良效果尤為顯著。然而，土壤中生物炭的施用對作物生產的影響存在一定的變異，盡管多數研究表明生物炭對植物具有顯著的促進作用，但也有抑制作用或基本無任何影響的報道[11]。通過對大豆、豇豆、蘿卜、番茄和水稻的研究，發現生物炭對上述作物具有顯著的促生和增產作用[12-17]。其中，生物炭不僅能夠促進C4作物玉米出苗，顯著促進玉米株高、莖粗[18]；而且生物炭對輕度鹽堿種植的C3作物小麥幼苗生長具有顯著的促生作用[19]。

谷子(Setariaitalica)因其營養價值高而成為重要的雜糧作物，而且谷子具有較好的抗旱、節水、耐瘠薄能力，在干旱貧瘠的土壤上種植，具有良好的穩產性[20]。在中國北方常年大面積種植，效益顯著[21-22]。但是，關于生物炭對谷子幼苗生長影響相關的研究鮮見報道。本研究通過盆栽試驗中不同比例生物炭的添加，測試分析了谷子幼苗植株地上部和地下部生物量和形態以及葉片光合性能相關指標，初步揭示生物炭對谷子幼苗生長的影響及光合調控機制，旨在明確生物炭在谷子有機種植中的應用前景。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

谷子品種為祥谷3號，購買自黑龍江省肇源縣農資市場。生物炭材料采購于大連興龍墾有限公司，用立式炭化爐燒制，原材料為花生殼炭,制備溫度為400℃～500℃。基本性質：pH 8.34，含碳53.64%、氮1.23%、磷0.89%、鉀1.56%。

1.2 試驗設計

試驗設4個處理，即生物炭含量分別占風干土質量0 g·kg-1(BC0)，10 g·kg-1(BC1)，50 g·kg-1(BC5)，90 g·kg-1(BC9)，每個處理5次重復。將大慶地區田間草甸黑鈣土和生物炭全部過2 mm篩，與化肥混勻后等量裝入11 cm×7.5 cm×10 cm的花盆中,每盆裝土1 kg，澆透水待播種。基肥用量分別為N150 mg·kg-1、P2O5100 mg·kg-1、K2O 70 mg·kg-1。

播前先用蒸餾水清洗2遍去除秕谷，再用10%次氯酸鈉溶液消毒10 min，最后用蒸餾水沖洗5遍。每盆均勻擺放30粒種子置于黑龍江八一農墾大學農學院植物生長室內，培養30 d后用于指標測定。培養條件：晝夜溫度為(25±2)℃/(20±2)℃，每天光照12 h，光強為1 000 μmol·m-2·s-1，相對濕度為60%～80%。

1.3 生長指標的測定

隨機選取各處理代表性幼苗10株，測定地上株高和莖粗以及葉面積 (托普YMJ-B葉面積儀)；然后用自來水沖洗根系周圍土壤獲得完整植株，在蒸餾水中測定根長，吸干植株表面水分，測定鮮重，地上和地下部分置于干燥箱中，105℃殺青30 min后80℃烘至恒重，稱取干重。

1.4 根系形態的測定

利用根系掃描儀(Epson Perfection V800photo)對上述代表性植株根系進行掃描成像，并用WinRHIZO根系分析軟件對主根長、根總長度、根總表面積、根總體積、根尖數、分枝數進行分析。

1.5 葉片光合相關指標的測定

隨機選取各處理代表性幼苗10株，于播種后第30天用便攜式光合儀(Li6400)測定倒數第2位葉的最大葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)與蒸騰速率(Tr)，并依據Pn/Tr計算葉片水分利用效率(WUE)。同時，采用葉綠素儀(SPAD-502 Plus)測定相對葉綠素含量。

1.6 數據統計

用Excel對試驗數據進行整理和相關圖表的制作，用SPSS軟件對數據進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭對谷子幼苗生物量累積的影響

與未施用生物炭(BC0，對照)相比，施入不同劑量(10、50、90 g·kg-1)生物炭的處理都顯著促進谷子幼苗生物量的積累，無論地上部分鮮重和干重，還是地下部分鮮重和干重(表1)。而且，隨著生物炭施入量的增加，谷子幼苗的地上部與地下部重量均呈現先增加后下降的趨勢。與未施用生物碳(BC0)相比，BC5處理谷子幼苗地上和地下部生物量積累達到最高值，地上鮮重和干重、地下鮮重和干重分別增加220%、181%和500%、350%；高劑量生物炭BC9處理谷子幼苗生物量增加幅度低于中劑量的BC5處理，表明中等劑量生物炭更有利于谷子幼苗生物量積累。

根冠比能夠反映出作物地上和地下部分的協調性，根冠比越大表明其根系發育越好，植株因此會具有較強的吸收水分和礦物質的能力。施入不同劑量生物炭處理谷子幼苗的根冠比較對照高36.9%～41.7%，均達到顯著水平；隨著生物炭施入量的增加，谷子幼苗的根冠比與生物量變化趨勢一致，但是不同劑量間差異不顯著(表1)。結果表明，土壤中生物炭的添加可促進谷子幼苗地上和地下部分生物量的積累，對地下部分根系的促進效果更為顯著。

表1 生物炭對谷子幼苗生物量的影響

注：BC0、BC1、BC5、BC9代表生物炭的施入量分別為0、10、50、90 g·kg-1。不同字母表示處理間差異達P<0.05顯著水平。下同。

Note: BC0， BC1, BC5, BC9 represents the amount of biochar applied to 0, 10, 50 g·kg-1and 90 g·kg-1. Different letters indicate a significant difference atP<0.05 level between treatments. The same below.

2.2 生物炭對谷子幼苗地上部生長的影響

與未施用生物炭(BC0)對照相比，施入不同劑量生物炭的處理都顯著促進谷子幼苗的株高、莖粗、葉面積及葉片寬(表2)。而且，隨著生物炭施入量的增加，谷子幼苗的地上部生長指標均呈現先增加后下降的趨勢。其中BC5處理谷子幼苗株高、莖粗、葉面積及葉片寬度達到最高值，分別增加48%、50%和159%、39%；BC9處理谷子地上部生長低于BC5處理。上述研究表明，適量生物炭能增加谷子幼苗株高和莖粗，而且增加谷子葉面積。葉面積的增加為谷子幼苗的高效光合作用提供了物質基礎，秸稈加粗不僅有助于有機物和礦物質的運輸，而且加強了谷子的抗倒伏能力。

表2 生物炭對谷子幼苗地上部生長的影響

2.3 生物炭對谷子幼苗光合參數的影響

光合作用是植物生長和物質積累的基礎，對植物生長發育具有重要意義[23]。與未施用生物炭(BC0)對照相比，施入不同劑量生物炭的處理均提高谷子幼苗葉片的凈光合速率(Pn)、葉片氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)；同時不同程度地降低了胞間CO2濃度(Ci)(圖1)。而且，隨著生物炭施入量的增加，谷子幼苗的凈光合速率(Pn)、葉片氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)均呈現先增加后下降的趨勢。其中BC5處理對谷子凈光合速率(Pn)、葉片氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)的促進效果最好，分別增加167%、47%、45.5%，達顯著水平(P<0.05)；而胞間CO2濃度(Ci)顯著降低。研究表明，中劑量生物炭可促進谷子幼苗光合,而且，適合劑量生物炭對作物凈光合的促進具有非氣孔性因素的影響，其中最大凈光合受原料CO2供應影響。

2.4 生物炭對谷子幼苗葉綠素含量和水分利用效率的影響

葉綠素含量是反映植物葉片光合能力及植株健康狀態的重要指標。與未施用生物炭(BC0)對照相比，施入不同劑量生物炭的處理均促進谷子幼苗葉綠素含量(圖2)的增加。而且，隨著生物炭施入量的增加，谷子幼苗的葉綠素含量均呈現先增加后下降的趨勢。其中BC5處理谷子幼苗葉綠素含量最高，與對照相比增加21.01%，差異達顯著水平(P<0.05)；BC9處理高劑量生物炭引起谷子幼苗葉綠素含量增加幅度低于中劑量的BC5處理。表明低、中劑量生物炭可促進谷子幼苗葉綠素含量的增加，從而促進光合，促進幼苗生物量的積累。

單葉水分利用效率是瞬時水分利用效率，它反映了作物光合作用狀況[24]。施入不同劑量生物炭處理谷子幼苗的水分利用效率均顯著高于對照(圖2)。盡管不同劑量間生物炭施用對水分利用效率影響差異不顯著，最高值仍為中等劑量BC5處理。表明生物碳可協調氣孔導度和蒸騰，提高水分利用效率，減少損耗，而且葉片蒸騰作用的增強促進作物根部吸收更多的水分和養分，促進作物生長。

2.5 生物炭對谷子幼苗根系形態的影響

與未施用生物炭(BC0)對照相比，施入不同劑量生物炭處理均顯著促進谷子根系發育，主根長、總根長、根系表面積、根尖數以及分枝數均有提高(表3)。隨著生物炭施入量的增加，谷子的根系各項指標均呈現先增加后下降的趨勢。其中BC5處理谷子主根長和總根長、根系表面積、根尖數以及分枝數均達到最高，分別提高124%、216%、323%和86.4%、279%。總體來說，BC9處理高劑量生物炭促進根系發育的幅度低于中劑量的BC5處理，表明中等劑量的生物炭更有利于根系生長發育，尤其是根系與土壤接觸面積顯著增加，吸收水分和礦質營養的能力顯著增強，而且有助于谷子抗倒伏和耐旱等逆境耐受能力提升。

圖1 生物炭對谷子幼苗葉片光合參數的影響Fig.1 Effects of biochar on photosynthetic parameters of millet seedlings

圖2 生物炭對谷子葉片葉綠素含量(SPAD值)和水分利用率(WUE)的影響Fig.2 Effects of biochar on chlorophyll content (SPAD) and water use efficiency of millet seedlings leaves

表3 生物炭對谷子幼苗根系特征參數的影響

3 討 論

本研究采用室內盆栽試驗的方式，分析土壤中添加3種不同量的生物炭(10、50、90 g·kg-1)對谷子幼苗生長的影響，研究發現生物炭添加可以改善幼苗期谷子地下根系和地上莖葉形態以及葉片光合能力，從而促進谷子幼苗地上和地下部分生物量的積累，其中以中等劑量生物炭(50 g·kg-1)對谷子供試指標的影響最為明顯。當然，由于本試驗采用的是溫室盆栽試驗，與自然的田間環境有所差異，所以本研究結果對于谷子田間種植應用仍需進一步深入驗證探討。

3.1 施用生物炭對谷子地上部分生長的影響

植株生物量或產量能夠直接反映出作物的生長狀況，不僅與地上部分光合能力密切相關，而且與地下部分與地上部分生長協調性密切相關。本研究得出不同劑量生物炭的添加使谷子幼苗的光合能力顯著提高，主要通過對胞間CO2同化能力的提升實現，表明光合能力提升的限制并非氣孔因素，而是CO2供應限制，還存在較大的提升潛力。結合在玉米、水稻和煙草等作物的研究[25-29]，生物炭可顯著提高玉米葉片的凈光合速率、葉綠素含量和葉面積指數，不僅有助于提高葉片光合效率，而且增加的植株光合作用面積和葉綠素含量有助于維持后期光合性能，促進干物質的積累，為后期產量的形成奠定基礎。可能與生物炭添加提高植物葉片PSII反應中心的光能轉換效率有關[30]。同時，生物炭添加促進谷子幼苗株高和莖粗，也與對玉米的研究結論一致[15]。

另外，基于葉片蒸騰速率和氣孔導度的水分利用效率的顯著增大，則促使谷子吸收土壤養分向地上部分進行營養物質運輸，從而有助于增強谷子地上部分的快速生長。一方面是生物炭改善土壤理化性質和根際周圍環境，調控作物對養分的吸收、運轉，使根系有較高的活力和較強的生理功能，延緩葉片衰老，增強“源-庫”關系，保障了地上部光合產物的形成、積累與轉化，逐步釋放養分供谷子利用。另一方面是生物炭促使葉面積增大，單位面積葉綠素含量得到提高，進而為更高效的光合作用提供了物質基礎。

3.2 施用生物炭對谷子根系建成的影響

根系既是水分和養分吸收的主要器官, 又是多種激素、有機酸和氨基酸合成的重要場所, 其形態和生理特性與地上部生長發育、產量和品質均有密切關[31-34]。蔣健等[35]研究得出生物炭可增加玉米根系的總根長、根體積和根的干物質質量，提高玉米根系總的吸收面積和活躍吸收面積，同時維持較為適宜的根冠比，增強根系的生理功能。周勁松[36]研究也得出適量的生物炭可改善水稻根系形態結構，顯著提升水稻的生物量和產量。本研究結果與上述結論基本一致，不同生物炭處理后均使谷子幼苗植株根長增長、根表面積增大、根平均直徑增粗、根尖數和分枝數增多，增加了谷子幼苗根系與土壤接觸面積和生物量，尤其是地下生物量優于地上增長，為作物水分和礦質營養的供應提供了物質保障；另一方也增加了谷子幼苗的抗倒伏能力，甚至抗旱能力。關于生物炭對谷子幼苗根系的促進，可能涉及生物炭添加后土壤物理因素、化學因素和生物因素等單因素或多因素的改變，在本研究中，因為供試植物生長周期短，我們推論可能與生物炭添加造成的土壤物理結構改變密切相關，施入土壤后可以降低土壤容重、增大總孔隙度，改善土壤的持水和供水能力，從而為根系生長創造良好的條件。當然還可能與生物炭本身帶來的營養元素等肥力因素有關。

在供試的3個生物炭劑量中，盡管都促進了谷子幼苗的地上和地下部分生長，但是在50 g·kg-1添加量時生物炭對谷子幼苗的促生效果明顯，90 g·kg-1生物炭的促生效果減弱。與周勁松[36]研究得出的高濃度生物炭對水稻生長抑制的結果不一致。抑制的原因，可能是土壤孔隙度過高,加速水分、養分流失,也會導致根系對養分吸收利用不足；也可能是添加過量生物炭導致土壤酸堿度發生較大改變[37-38], 抑制根系生長和養分吸收；也可能是生物炭引起碳氮失調或者是部分生物炭導致氮的固定和吸附[39-41]，降低了土壤中有效氮，一定程度上限制了植株對有效氮的吸收，從而對植物生長產生抑制作用。生物炭添加對于土壤的改良和作物的促生作用，不僅與生物炭的施入量有關，還與生物炭的特性和成分構成、土壤性質、作物的品種或生育期以及環境條件等因素有關，仍需后續研究進一步探討。

4 結 論

1)谷子生物量累積和地上部生長隨生物炭施入量的增加呈現先增加后減少的趨勢，與對照相比，施用中量生物炭處理(50 g·kg-1)，谷子地上部和地下部鮮重、干重，莖粗、株高、葉面積及葉片寬度的增長達到最高。

2)谷子葉片葉綠素含量、光合參數隨生物炭施入量的增加呈現先增加后減少的趨勢，與對照相比，施用中量生物炭處理(50 g·kg-1)，葉綠素含量、葉片凈光合速率(Pn)、葉片氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)含量最高，分別增加21.01%、167%、47%、46%。

3)谷子根系形態隨生物炭施入量的增加呈現先增加后減少的趨勢，與對照相比，施用中量生物炭處理(50 g·kg-1)，主根長、總根長，根系表面積、根尖數以及分枝數增長效果均達到最高，分別提高124%、215%、323%和86%、279%，但對根系平均直徑影響效果不顯著。