生物炭施入量對大豆生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響

侯偉男，劉靖愉，邢一唱，劉澤華，臧永奎，袁 梅，高 宇，史樹森

（1吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，長春 130118；2北京三聚綠能科技有限公司，北京 100080）

0 引言

生物炭是由木材、秸稈等生物材料在缺氧條件下熱化學(xué)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的高度芳香的固態(tài)物質(zhì)，其孔隙度高，表面官能團(tuán)豐富，具有吸附能力極強(qiáng)、抗氧化、耐分解等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要圍繞環(huán)境、農(nóng)作物、土壤等互作等方面[4-5]，初步證實(shí)具有改善土壤結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)、提高土壤養(yǎng)分的含量及利用率、抑制土壤病害、降低土壤中莠去津的殘留量、提高作物產(chǎn)量等作用，被越來越多的國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注[6-8]。在北方糧食主產(chǎn)區(qū)每年大量的秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物未得到有效處理和利用，因此，將農(nóng)業(yè)廢棄物加工后合理應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，具有廣闊的應(yīng)用前景[9-10]。研究表明，生物炭有效調(diào)控了玉米/大豆、玉米/花生間作系統(tǒng)生長發(fā)育關(guān)鍵期土壤的水肥熱狀況[11]。有利于提高大豆光合作用強(qiáng)度，較高施用量生物炭提高大豆產(chǎn)量和品質(zhì)[9,12]。為了進(jìn)一步明確生物炭施入土壤是否促進(jìn)大豆生長和提高產(chǎn)量，以及不同施入量的效果，本試驗(yàn)采用盆栽法，研究了生物炭6個(gè)不同施入量對大豆的農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀的影響，旨在為進(jìn)一步提高大豆高產(chǎn)栽培技術(shù)水平，以及促進(jìn)通過生物炭途徑解決北方地區(qū)秸稈處理問題提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 生物炭 由北京三聚綠能科技有限公司提供，供試生物炭以稻殼為原料經(jīng)高溫裂解碳化轉(zhuǎn)化而成的一種高度芳香化的富碳物質(zhì)。

1.1.2 大豆品種 供試品種為‘吉農(nóng)38’。

1.1.3 盆栽土壤 試驗(yàn)土壤取自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)基地（43°48’47”N，125°25’4”E，海拔240 m），為黑鈣土，有機(jī)質(zhì)含量21.58 g/kg。

1.1.4 設(shè)備器具 干燥箱(ZXFD-A5250)，塑料花盆（直徑28 cm），鐵鍬，鏟子，剪刀，篩網(wǎng)，吸水紙，記號筆等器具材料。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)處理 設(shè)置生物炭土壤施入量分別為0、105.0、210.0、315.0、420.0、525.0 kg/hm2。按面積折算成每盆生物炭施入量為0、5.3、10.6、15.9、21.2、26.5 g，共6個(gè)試驗(yàn)處理。

1.2.2 播種及栽培管理 采用盆栽試驗(yàn)法，選取直徑為28 cm高30 cm的塑料花盆，裝入80%盆體積的上述土壤，再按上述不同處理將生物炭施入并攪拌均勻，然后澆足底水，將成熟飽滿、大小一致的大豆種子播入盆中，每盆播種10粒，覆2 cm土后輕微鎮(zhèn)壓，每個(gè)處理播種8盆，分別用于大豆生長前期主要農(nóng)藝性狀調(diào)查和成熟期產(chǎn)量性狀及產(chǎn)量調(diào)查，每次調(diào)查各處理4次重復(fù)。出苗后，每盆留5株長勢良好的大豆以供后續(xù)試驗(yàn)。常規(guī)水肥管理并及時(shí)防除病蟲草害。

1.2.3 調(diào)查方法

（1）不同處理大豆生長前期（開花期之前）主要農(nóng)藝性狀的調(diào)查

于大豆播種后20天，各處理盆栽大豆停止出苗后，調(diào)查記錄出苗數(shù)量，計(jì)算大豆出苗率。

于大豆開花期，分別測量大豆地上部分的主要農(nóng)藝性狀（株高、莖葉鮮重和莖葉干重）。測量方法如下：測量大豆從地表到植株頂端生長點(diǎn)的垂直距離，分別記錄植株高度，即為大豆的株高。用水管沖刷花盆內(nèi)土壤，直至根系無土壤附著后，將其置于盛滿清水的塑料盆中反復(fù)清洗。沖洗干凈的大豆植株立即用剪刀將地上與地下部分分離。

地上部分（莖葉）鮮重：將表面水份風(fēng)干的莖葉直接稱重即為鮮重；干重：用吸水紙將大豆莖葉包好并標(biāo)記處理編號，置于70℃烘箱中烘干，直至恒重。稱量烘干的莖葉重量，即為大豆莖葉干重。

地下部分（根系）鮮重：將表面水份已風(fēng)干根系上的根瘤小心取下，記錄根瘤數(shù)，并分別立即稱量根系及根瘤的重量，即為大豆根及根瘤的鮮重；干重：用吸水紙將大豆根系及根瘤分別包好并標(biāo)記處理編號，烘干處理方法同地上部分。

（2）不同處理大豆產(chǎn)量及其構(gòu)成因素調(diào)查

于各處理盆栽大豆成熟期，調(diào)查大豆單株有效莢（至少有一粒正常鼓粒）數(shù)、莢粒數(shù)、百粒重等產(chǎn)量性狀，并進(jìn)行單株測產(chǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用DPS 9.01版統(tǒng)計(jì)軟件Duncan’s檢驗(yàn)法進(jìn)行差異顯著性分析(P＜0.05)，用一元非線性回歸法進(jìn)行指標(biāo)間相關(guān)回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭處理對大豆生長前期主要農(nóng)藝性狀的影響

2.1.1 對大豆出苗的影響 各生物炭處理下的大豆出苗率與對照之間無顯著性差異，不同生物炭施入量出苗率均在90%左右，可見，生物炭施入土壤對大豆出苗情況無顯著影響（圖1）。

圖1 生物炭處理對大豆出苗的影響

2.1.2 對大豆生長前期（開花期）主要農(nóng)藝性狀的影響 施用生物炭對大豆開花期株高、莖葉及根瘤的鮮重和干重均存在顯著影響，各項(xiàng)指標(biāo)都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。其中，105.0 kg/hm2、210.0 kg/hm2處理株高高于對照處理，315.0 kg/hm2、420.0 kg/hm2、525.0 kg/hm2處理低于對照株高，但差異都不顯著，各處理間只有105.0 kg/hm2處理株高顯著高于525.0 kg/hm2處理；210.0 kg/hm2處理莖葉鮮重、干重均顯著高于對照處理，且在莖葉鮮重、干重達(dá)到極大值后，隨著生物炭施入量的增加重量逐漸下降。可見，施入生物炭適量可顯著增加大豆株高及莖葉的鮮重和干重，對大豆生長可起到促進(jìn)作用，但過量施入則效果相反。生物炭不同處理對大豆根瘤數(shù)的影響為，210.0 kg/hm2＞315.0 kg/hm2＞105.0 kg/hm2，其中210.0 kg/hm2處理根瘤數(shù)顯著高于對照組，而105.0 kg/hm2、420.0 kg/hm2處理下的根瘤數(shù)比對照低，但無顯著差異；試驗(yàn)各處理根瘤的鮮重及干重均高于對照處理，且210.0 kg/hm2處理單株大豆平均根瘤鮮重是對照的1.6倍，干重是對照的3.3倍；對于根系鮮重來說，生物炭施入量為105.0 kg/hm2、210.0 kg/hm2時(shí)，相比對照分別提高11.36%、16.05%，當(dāng)達(dá)到315.0 kg/hm2時(shí)，根系鮮重有所降低，但差異并不顯著；生物炭施入量大于210.0 kg/hm2時(shí)大豆根系干重與對照相比均有所提高，并且315.0 kg/hm2、420.0 kg/hm2時(shí)的根系干重顯著高于對照；大豆植株總鮮重在105.0 kg/hm2、210.0 kg/hm2時(shí)顯著高于對照，其他處理兩兩之間無顯著差異，但各處理總干重之間差異明顯，且均高于對照處理，210.0 kg/hm2處理相比對照提高41.13%增幅最大。根冠比方面，對照處理新鮮的大豆植株的根冠比0.73與生物炭各處理差異不明顯；烘干后的大豆植株各處理根冠比之間差異極大，當(dāng)生物炭施入量升高到315.0 kg/hm2時(shí)根冠比增長量最大。可見，生物炭不僅可以增加大豆根部的根瘤數(shù)量，有利于干物質(zhì)的積累，而且對大豆的生長策略也有一定的影響。

表1 生物炭處理對大豆生長前期（開花期）主要農(nóng)藝性狀的影響

2.2 不同生物炭處理對大豆主要產(chǎn)量性狀的影響

生物炭處理105.0 kg/hm2時(shí)百粒重、單株粒數(shù)顯著高于對照，315.0 kg/hm2時(shí)單株有效莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重顯著高于對照，315.0 kg/hm2時(shí)單株有效莢數(shù)顯著低于對照，其余各項(xiàng)指標(biāo)與對照均沒有顯著差異。當(dāng)生物炭施入量超過315.0 kg/hm2時(shí)，會顯著降低大豆單株莢數(shù)和單株粒數(shù)，百粒重也會受到小幅度減少。綜上所述，不同生物炭處理對大豆產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響表現(xiàn)為：對單株有效莢數(shù)、單株粒數(shù)的影響210.0 kg/hm2＞105.0 kg/hm2＞0 kg/hm2；對百粒重的影響105.0 kg/hm2＞210.0 kg/hm2＞0 kg/hm2，此外可見生物炭對大豆產(chǎn)量性狀的作用方向和影響大小與生物炭土壤施入量有直接關(guān)系。生物炭不同處理對大豆單株產(chǎn)量影響表現(xiàn)為：210.0 kg/hm2處理的大豆平均單株產(chǎn)量可達(dá)21.70 g，其次是105.0 kg/hm2處理的大豆平均單株產(chǎn)量可達(dá)19.47 g，二者均顯著高于對照及其他處理的產(chǎn)量，據(jù)此表明生物炭可以提高大豆產(chǎn)量，并且其產(chǎn)量會隨著生物炭施入量的增加而增加；當(dāng)生物炭施入量為315.0 kg/hm2時(shí)與對照無顯著差異，大于420.0 kg/hm2時(shí)大豆單株產(chǎn)量低于對照，且單株產(chǎn)量420.0 kg/hm2＞525.0 kg/hm2，說明此時(shí)生物炭對大豆單株產(chǎn)量起到一定負(fù)作用，大豆產(chǎn)量隨生物炭的增加呈減少的趨勢。可見，生物炭施入量對大豆產(chǎn)量的影響很大，且適量施入生物炭能夠顯著提高大豆產(chǎn)量，而過量施入則可顯著降低產(chǎn)量。

表2 生物炭處理對大豆產(chǎn)量構(gòu)成因素及單株產(chǎn)量的影響

2.3 不同生物炭施入量與大豆主要產(chǎn)量性狀及單株產(chǎn)量的相關(guān)性分析

大豆單株產(chǎn)量及各性狀指標(biāo)與生物炭土壤施入量之間的回歸分析結(jié)果可知，生物炭施入量與大豆單株粒數(shù)、百粒重呈三次函數(shù)的關(guān)系，與單株有效莢數(shù)、單株產(chǎn)量呈二次函數(shù)的關(guān)系，生物炭施入土壤對大豆產(chǎn)量性狀及單株產(chǎn)量存在明顯影響，根據(jù)生物炭施入量與大豆產(chǎn)量之間的關(guān)系符合二次函數(shù)模型式(2)，可知在生物炭施入量為186.36 kg/hm2時(shí)，大豆單株產(chǎn)量達(dá)到最大值20.00 g。

表3 生物炭施入量與大豆主要產(chǎn)量性狀及單株產(chǎn)量的回歸分析

3 討論

大豆產(chǎn)量是保證經(jīng)濟(jì)收益的根本。而大豆百粒重、單株莢數(shù)和單株粒數(shù)是決定大豆產(chǎn)量的主要因素[14-15]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，生物炭適量施入土壤后對大豆生長可起到有效的促進(jìn)作用，增加大豆地上部分株高、莖葉鮮重及干重，提高作物生物量，同時(shí)大豆地下部分包括根瘤數(shù)、根瘤鮮重及干重、根部鮮重及干重也有明顯增多，這與其他研究結(jié)果相似[16-17]。一般而言，作物產(chǎn)量受不同品種、施肥條件及土壤類型等的影響。在本試驗(yàn)土壤和供試品種材料條件下，生物炭最佳施入量為210 kg/hm2，對大豆產(chǎn)量有明顯的促進(jìn)作用，可使大豆平均單株產(chǎn)量達(dá)到21.70 g，與對照相比提高38.48%。施用適量的生物炭可以有效增加大豆百粒重、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)，與未施用生物炭相比可最高分別提高26.90%、14.85%和17.08%。生物炭適量施入黑鈣土壤（有機(jī)質(zhì)含量21.58 g/kg）對大豆生長發(fā)育確有促進(jìn)作用，施用量過高則存在抑制作用。進(jìn)一步明確了生物炭對提高土壤養(yǎng)分利用率，促進(jìn)作物增產(chǎn)增收的有效價(jià)值。

生物炭在農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)境等方面的優(yōu)勢逐漸凸顯，然而，生物炭在很多方面仍眾說紛紜，如由于生物炭含碳量高，施入土壤后會提高土壤的碳氮比，降低土壤氮的有效性[18-19]。在養(yǎng)分含量相對較高的堿性鈣質(zhì)土中施用生物炭，對作物生長的影響存在爭議[20]。本文僅針對黑鈣土壤環(huán)境下生物炭對大豆生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響進(jìn)行了初步研究，而對于土壤有機(jī)質(zhì)含量不同的環(huán)境下生物炭施用量與大豆生長發(fā)育及產(chǎn)量的內(nèi)在關(guān)系仍需繼續(xù)深入研究。

圖2 生物炭施入量與大豆單株產(chǎn)量的相關(guān)性分析

4 結(jié)論

土壤施入生物炭對大豆出苗無顯著影響，土壤環(huán)境中適量施入生物炭對大豆的生長發(fā)育及產(chǎn)量有明顯的促進(jìn)作用，但過量施入則抑制大豆生長并導(dǎo)致產(chǎn)量降低。生物炭施入量與大豆（‘吉農(nóng)38’）產(chǎn)量之間的關(guān)系符合二次函數(shù)模型(2)：Y產(chǎn)量=-0.00011x2+0.0410x+16.2182 (R2=0.9368，P=0.0159)，其中186.36 kg/hm2為生物炭最佳黒鈣土壤（有機(jī)質(zhì)含量21.58 g/kg）的施入量。