生物炭基肥對大豆生長及產量的影響

李煜喆 孔睿敏 李佳琪 都秀俐 邵蕾 孔凡克

(1 中國農業大學煙臺研究院 山東煙臺 264670;2 煙臺市牟平區大窯街道農業綜合服務中心 山東牟平 264117)

大豆（GlycinemaxL.）是中國重要的糧食和油料作物，含有豐富的脂肪和蛋白質，其綜合利用價值很高，是人類不可缺少的作物之一。大豆蛋白質含量一般在40%～42%，比谷類和薯類作物高出很多，甚至比牛羊肉和雞蛋還要高，因此大豆是唯一能代替動物性食物的植物產品。大豆還是重要的油料作物，因此，大豆的生產對中國乃至全世界都具有重要意義［1］。

提高大豆產量，不僅依賴于優良品種的選育，還有賴于生長發育過程中植株對環境因子的響應機制。人為對環境因子進行調控，可以實現最佳配置，發揮大豆的增產潛力，達到高產、穩產、持續增產［2］。施肥是改善土壤養分環境的主要措施，傳統施肥方式不但浪費資源、利用率低下，而且造成嚴重的環境污染［3］。炭基有機肥是生物炭負載有機肥和氮磷鉀肥的復混肥，其具有較發達的孔隙結構［4］，這種表面結構導致生物碳具有良好的吸附特性，而且其具有高度熱穩定性和較強吸附特性，對養分具有很強的持留功能，能促進土壤中碳素的固定，顯著提高氮肥利用率和作物的抗逆能力，能減少肥料施用量和土壤養分的損失［5］。炭基肥對作物生長的影響首先是影響土壤理化性質，進而對植株生長產生影響，與常規化肥相比，施用等量的炭基肥不僅節約資源，同時還促進作物生長、延緩植株衰老，提高作物產量［6］。然而關于炭基肥在大豆生產上的應用較少。因此，本試驗研究生物炭基肥對大豆生長及產量的影響，為大豆的生產提供科學的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試大豆品種為合豐56，籽粒百粒重19 g 左右，其粗蛋白質含量39.68%，粗脂肪含量21.49%。生育日數124 d 左右。供試生物炭基肥由七彩環保科技有限公司提供，其養分含量為：有機質46.8%，氮（N） 2%，磷（P2O5） 2%，鉀（K2O）1.5%。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

大田試驗于2018 年在山東煙臺地區進行，采用隨機區組設計，以化肥處理為對照（CK），設置生物炭基肥3 t（T1）、3.75 t（T2）、4.5 t（T3）和5.5 t（T4），化肥處理施肥量為N 90 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2，生物炭基肥同時施入N 20 kg/hm2、P2O520 kg/hm2、K2O 10 kg/hm2，所有肥料播種前一次性施入。試驗播種日期為5 月4日，采用“三壟”栽培法，栽培密度以30 萬～33萬株/hm2；每小區6 行，行長10 m，行距0.66 m，小區面積33 m2；播種方式為人工精量點播。

1.2.2 指標測定

1.2.2.1 地上干物質的測定

分別在苗期（V4）、盛花期（R2）、盛莢期（R4）、鼓粒期（R6），將植株整體挖出，將地上部和地下部分開，用干凈的吸水紙將莖葉表面擦干凈，放入烘箱中，以150℃殺青30 min，于80℃下烘干至恒重，進行稱重。

1.2.2.2 根系干重和根瘤的測定

將取下的根系，用清水沖洗根部泥土，利用濾網截留根瘤，計算根瘤數目，將根瘤全部取下，采用烘干稱重法分別測定根瘤干重和根系干重。

1.2.2.3 大豆產量及產量構成因素的測定

成熟期在小區內連續選擇有代表性的10 株植株進行考種，項目包括株高、底莢高、分枝數、單株粒數和百粒重，實收小區中間2 行測定籽粒產量。

1.2.2.4 經濟效益分析

純收益=總產值-總投入；總收入=大豆產量×單價；肥料投入-肥料用量×單價；其他投入包括農資、機耕和人工材料費等投入費用總和。

1.2.3 數據分析

應用Excel 和SPSS 24.0 完成數據整理、分析和作圖，用LSD法檢驗差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 生物炭基肥對大豆地上干物質的影響

由圖1可知，大豆地上干物質隨生育進程的推進呈逐漸上升的變化趨勢。

圖1 生物炭基肥對大豆地上干物質積累的影響

在苗期，各處理間沒有顯著差異；在盛花期，對照處理最高，顯著高于生物炭基肥處理，炭基肥處理隨施用量的增加呈逐漸上升的趨勢；在盛莢期，炭基肥處理的地上干物質隨施用量的增加呈先上升后下降的變化的趨勢，其中T3 處理達到最大值，T1 處理顯著低于CK，T2 處理和CK 沒有顯著差異，T3 和T4 處理均顯著高于CK，分別高9.69%和5.77%；在鼓粒期，變化趨勢和盛莢期相似，T1 處理顯著低于CK，T2、T3 和T4 處理均顯著高于CK，分別高7.25%、11.63%和7.41%。

2.2 生物炭基肥對大豆根系干重的影響

由圖2可知，大豆根系干重隨生育進程的推進呈先上升后趨于平緩的變化的趨勢。在苗期，CK最高，顯著高于生物炭基肥處理，炭基肥處理間沒有顯著差異；在盛花期，炭基肥處理的根系干重隨炭基肥施用量的增加呈逐漸上升的變化趨勢，T1、T2 和T3 處理均顯著低于CK，T4 處理顯著高于CK，高13.85%；在盛莢期，根系干重隨炭基肥施用量的增加呈先上升后下降的變化趨勢，在T3 處理時達到最大值，T1 和CK 沒有顯著差異，T2、T3和T4 處理均顯著高于CK，分別高5.28%、10.65%和6.32%；在鼓粒期，變化趨勢和盛莢期相似，T2、T3 和T4 處理均顯著高于CK，分別高出6.62%、11.86%和6.44%。

圖2 生物炭基肥對大豆根系干物質的影響

2.3 生物炭基肥對大豆根瘤數量的影響

由圖3可知，大豆根系根瘤數隨生育進程的推進呈先上升后趨于平緩的變化趨勢。在苗期，生物炭基肥處理根瘤數和CK 沒有顯著差異；在盛花期，生物炭基肥處理的根瘤數隨施用量的增加呈逐漸上升的變化趨勢，T1 處理顯著低于CK，T2 和T3 處理和CK 沒有顯著差異，T4 處理顯著高于CK，高出13.13%；在盛莢期，根瘤數隨生物炭基肥施用量的增加呈先上升后下降的變化趨勢，在T3 處理時達到最大值，T1 和CK 沒有顯著差異，T2、T3和T4 處理均顯著高于CK，分別高7.08%、11.51%和5.31%；在鼓粒期，變化趨勢和盛莢期相似，T2、T3 和T4 處理均顯著高于CK，分別高4.63%、8.41%和2.53%。

圖3 生物炭基肥對大豆根瘤數量的影響

2.4 生物炭基肥對大豆根瘤干重的影響

由圖4可知，大豆根瘤干重隨生育進程的推進呈先上升后趨于平緩的變化趨勢。

圖4 生物炭基肥對大豆根瘤干重的影響

在苗期，CK 根瘤干重最大，顯著高于生物炭基肥處理，生物炭基肥的根瘤干重隨施用量的增加呈逐漸上升的變化趨勢；在盛花期，生物炭基肥處理的根瘤干重隨施用量的增加呈逐漸上升的變化趨勢，T1和T2處理顯著低于CK，T3處理和CK沒有顯著差異，T4 處理顯著高于CK，高16.41%；在盛莢期，根瘤干重隨生物炭基肥施用量的增加呈先上升后下降的變化趨勢，在T3 處理時達到最大值，T1 處理顯著低于CK，T2、T3 和T4 處理均顯著高于CK，分別高9.36%、24.31%和9.55%；在鼓粒期，變化趨勢和盛莢期相似，T2、T3 和T4 處理均 顯 著 高 于CK，分 別 高10.01%、24.63% 和13.00%。

2.5 生物炭基肥對大豆產量及產量構成因素的影響

由表1可看出，生物炭基肥與化肥處理的大豆有效莢數沒有顯著差異；每株粒數隨生物炭基肥施用量的增加呈先上升后下降的變化趨勢，在T3處理時達到最大值，T3 處理顯著高于CK （高10.41%），其他處理和CK沒有顯著差異；T3處理百粒重顯著高于CK，高5.54%，T1 顯著低于CK，T2、T4 處理和CK 沒有顯著差異；大豆產量表現為T3＞T2＞T4＞T1＞CK，T3顯著高于CK，高出7.84%。

表1 生物炭基肥對大豆產量及產量構成因素的影響

2.6 生物炭基肥對大豆生產經濟效益的影響

由表2可知，隨生物炭基肥施用量的增加，產量和收入先升高后降低，T3 處理時到達最大值，T1 處理低于CK，其它處理均高于CK；肥料投入呈逐漸增加趨勢，其中，T1 處理低于CK，其它處理均高于CK；所有處理的其它投入均相同；T1 處理純收入低于CK，T3 處理純收入最高，比對照高230.88元/hm2。

表2 生物炭基肥對大豆生產經濟效益的影響

3 討論

肥料是作物高產的必要條件，合理施肥一直是農業生產的重要話題［7］。生物炭基肥是生物炭和化肥、糞肥等生產出的混合肥料，施入土壤后首先影響土壤理化性質，進而對植株生長產生影響。與常規化肥相比，施用等量的生物炭基肥不僅節約資源，同時還促進作物生長、延緩植株衰老，提高作物產量和品質［8］。劉晴［9］研究表明，施用生物炭基肥能夠促進甘薯地上部提早發育，提高生長高峰期葉面積系數和干物質積累量。Schulz 等［10］研究表明，單施生物炭可促進作物生長，而生物炭基肥效果更明顯。本研究結果表明，地上部干物質積累量隨生育進程的推進呈逐漸上升的變化趨勢。在盛花期，化肥處理的地上干物質顯著高于炭基肥處理，主要是由于生物炭基肥肥效較緩慢，在前期養分釋放量相對較少，從而使植株吸收養分較少。在盛莢期和鼓粒期，生物炭基肥處理的地上干物質含量逐漸上升，高于化肥處理，主要是由于在大豆生長中后期，生物炭基肥養分釋放達到高峰，能夠為植株提供充足的養分，為光合作用提供充足的能量，保證植株正常生長。

根系是作物重要組成部分，不僅起著吸收養分、固定和支持等作用，還是多種激素、氨基酸的合成部位［11］。大量研究表明，作物根系生長發育與環境條件密切相關［12］，土壤環境差異直接影響根系生長、分布、結構和生理代謝功能，并最終影響植物的生長和發育。寇媛媛［13］研究結果表明，施用生物炭基肥的蘋果樹新生根系數量和幼苗根尖數顯著增加。本研究結果表明，在生長前期，生物炭基肥處理的根系干重隨施用量的增加呈逐漸上升的變化的趨勢，但是僅T4 處理顯著高于對照；在生長后期，根系干重隨炭基肥施用量的增加呈先上升后下降的變化趨勢，在T3 處理時達到最大值，T2、T3 和T4 處理均顯著高于對照，可能是由于生物炭基肥處理養分釋放需要一定時間，在生育后期充分釋放，有效提高了生長后期根系對養分的吸收，延緩根系衰老的時間。發達的根系能夠有效吸收土壤養分，提高激素、有機酸和酶等的合成、分泌活性，從而為地上部的生長提供良好的條件。

根瘤菌是大豆的重要氮素來源之一，受土壤溫度、水分、養分含量及酸堿度等環境因素的影響較大［14］。塔莉［15］研究表明，增施有機肥有利于大豆根瘤菌形成。閆峰［16］研究表明，有機肥處理的大豆根瘤干重、根瘤血紅蛋白含量相對較高。本研究表明，生物炭基肥能夠提高大豆根系根瘤數和根瘤干重，在盛花期，T4 處理顯著高于對照；在盛莢期和鼓粒期，T2、T3 和T4 處理均顯著高于對照。可能是由于施用生物炭基肥提高了土壤有機質含量，為根瘤的形成提供了良好的條件，也有可能是施用生物炭基肥使得土壤pH 值向中性環境靠近，有利于瘤菌生長，從而提高了瘤菌的數量和重量。大豆每株粒數、百粒重和產量隨生物炭基肥施用量的增加呈先上升后下降的變化趨勢，在T3 處理時達到最大值，分別較對照高10.41%、5.54%和7.84%。主要是由于施用生物炭基肥使得肥料-土壤-作物協同配合，有效提高了根系的吸收能力，實現了高產型根系的構建，給地上部提供充足的養分；同時，干物質積累量增加，為物質積累、轉運提供基礎，最終提高了大豆產量。