調虧灌溉和施用生物炭對大豆根系生長及耗水的影響

胡劍 孟維忠

摘要：以盆栽大豆為對象，采用雙因素隨機區組試驗布置，研究調虧灌溉和施用生物炭對大豆根系生長及耗水情況的影響。設置生物炭施用量水平分別為B0（0 t/hm2）、B1（6 t/hm2）、B2（12 t/hm2），調虧灌溉水平分別為W1（70%～75%田間持水量）、W2（55%～60%田間持水量）、W3（45%～50%田間持水量）。結果表明：調虧灌溉有利于根干質量和根長的生長，不利于根體積和根粗的生長，而施用生物炭則有利于根系各指標的生長，同時可減免大豆虧水所帶來的負面影響;調虧灌溉及施用生物炭均可以減少大豆的耗水量，W2B1處理的水分利用效率最高，產量與W1B0處理無顯著性差異。建議在輕度調虧灌溉條件下添加6 t/hm2生物炭，可以促進大豆節水增產。

關鍵詞：大豆;調虧灌溉;生物炭;根系;耗水

中圖分類號：S565.1? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2020）05-0003-04

生物炭是指生物質（農林廢棄物、植物組織或動物骨骼等）在缺氧條件下不完全燃燒所形成的穩定的富碳產物。生物炭特有的多孔性、較大比表面積等性質使其具有一定的持水性能和強大的吸附能力，可以有效改善土壤結構，保持土壤養分，從而促進作物生長并提高產量。調虧灌溉是指利用某些作物的生物學特性進行控水，對作物具有正效應、后效應和復水后的生理生態補償效應，即通過對作物生長發育的某些階段人為施加一定的水分脅迫，調節作物生長和營養物質的分配，達到提高產量和節水的目的。根系是作物吸收水分和養分的重要器官，其分布特征和發育情況直接影響作物地上部生長性狀及產量。當作物受到水分虧缺時，會增加光合產物，從而減弱水分虧缺對作物帶來的不利影響。本課題將調虧灌溉和施用生物炭相結合，研究其對大豆根系生長及耗水的影響，以期為大豆節水增產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

大豆品種：開育12號;試驗地點：遼寧省水工程試驗研究中心;試驗土壤：棕壤土;盆栽規格：盆高40 cm，直徑30 cm，瓷盆。

1.2 試驗設計

試驗于2019年5—9月進行。在室外遮雨棚中，將土風干后裝盆，每盆加風干土20 kg后將生物炭及復合肥施入盆中，每盆播種3穴，每穴2粒種子，出苗后間苗，每盆剩余2株。

采取隨機區組試驗，設置兩個因素：生物炭施用量和調虧灌溉程度。生物炭施用量設置3個水平：B0為0 t/hm2，B1為6 t/hm2，B2為12 t/hm2。調虧灌溉灌水上限均為85%田間持水量，分別于大豆開花期、結莢期及鼓粒期進行調虧處理;灌水下限設置3個水平：W1為70%～75%田間持水量，W2為55%～60%田間持水量，W3為45%～50%田間持水量。試驗共9個處理，3次重復。

1.3 試驗方法

1.3.1 根系觀測 大豆收獲后，用剪子在子葉節處將植株剪斷，子葉節以下為大豆的根系，用篩子篩去土，并取凈土中的殘余根系，用流水洗凈完整根系，經掃描儀分析數據后，將根系放入烘箱中105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至質量恒定。

1.3.2 耗水量測定 每天早8∶00用電子秤測定盆栽質量，如盆栽質量在設定范圍下限時則補充水分至上限，2次測定的質量差值即為耗水量。

2 結果與分析

2.1 調虧灌溉和施用生物炭對大豆根系生長的影響

調虧灌溉和施用生物炭對大豆根系生長影響的方差分析及交互作用分析結果見表1。

由表1可知：調虧灌溉對大豆根長、根粗、根體積、根干質量均有顯著影響，施用生物炭對根長、根體積及根粗有顯著影響，而兩者的交互作用僅對根長及根體積有顯著影響。在相同生物炭條件下，調虧灌溉對大豆根長的影響表現為W2>W3>W1，說明調虧灌溉有利于根長生長;對根粗的影響表現為W1>W2>W3，說明調虧灌溉不利于根粗生長，且隨著調虧程度加劇根粗減小;根體積的結果與根粗的結果一致;對根干質量的影響表現為W2>W1>W3，且W2與W1處理無顯著性差異，說明輕度調虧灌溉不會影響作物根系干物質的積累。因此，對大豆進行調虧處理會減小大豆根粗及根體積，但對根長的生長有益。在相同調虧灌溉條件下，施用生物炭對根長的影響表現為W2>W3>W1，且3個處理差異顯著;對根粗、根體積及根干質量的影響表現一致，均隨著生物炭施用量的增大而增大。因此，施用生物炭可以保存土壤中的水分和肥力，有利于大豆根系的生長。從兩者的交互作用分析可知，W2B1，W2B2和W3B2處理根系干質量分別比W1B0處理高出10.21%，21.82%和4.70%，說明施用生物炭可以緩解虧水對大豆根系帶來的不良影響。

2.2 調虧灌溉和施用生物炭對大豆產量的影響各處理大豆產量如圖1所示。

由圖1可以看出：在相同調虧灌溉條件下，大豆產量均表現為B1>B2>B0。當生物炭施用量為B0和B1時，大豆產量均表現為W1>W2>W3;當生物炭施用量為B2時，大豆產量表現為W2>W1>W3。各處理中，產量最高為W1B1處理，其次為W2B1處理，二者之間無顯著性差異，分別比W1B0處理增產19.8%和16.0%。說明施用生物炭可以提高大豆產量，以施用量為6t/hm2時增產效果最為明顯;而輕度調虧灌溉不影響大豆產量，重度調虧會造成嚴重減產。

2.3 調虧灌溉和施用生物炭對大豆階段耗水量的影響

各處理大豆不同生育期耗水量如圖2所示，階段耗水量多重比較結果見表2。

由圖2和表2可以看出：大豆階段耗水量整體呈先升高后降低的趨勢，鼓粒期耗水量最高，其次是結莢期。在出苗期，由于未進行調虧灌溉，大豆耗水量均表現為B0>B1>B2，但差異并不顯著，其中B1和B2處理耗水量分別比B0處理降低3.13%和7.97%，說明生育前期土壤中加入生物炭可以減少土壤的蒸發蒸騰量。在分枝期，大豆耗水量表現為B1>B2>B0，其中B1和B2處理差異不顯著，B1和B2處理耗水量分別比B0處理升高6.36%和3.41%。在開花期，開始進行調虧灌溉，大豆耗水量表現為施用生物炭各處理差異不顯著，調虧灌溉各處理差異顯著，兩者的交互作用差異不顯著。在相同生物炭條件下，調虧灌溉對大豆開花期耗水量影響表現為W1>W2>W3，說明調虧灌溉可以顯著降低大豆開花期耗水量，并隨著調虧程度加劇耗水量降低;在相同調虧灌溉條件下，生物炭施用量對大豆開花期耗水量影響表現為B2>B1>B0，但差異不顯著。在結莢期，調虧灌溉和施用生物炭及兩者的交互作用均對大豆耗水量有顯著影響。其中，調虧灌溉與開花期規律基本一致，在相同調虧灌溉條件下，生物炭施用量對大豆結莢期耗水量影響表現為B1>B2>B0;由于交互作用顯著，在結莢期耗水量最高的為W1B1處理，最低的為W3B0處理。在鼓粒期，大豆耗水量明顯增加，占全生育期耗水量的40%左右，調虧灌溉和施用生物炭及兩者的交互作用均對大豆耗水量有顯著影響，表現與結莢期一致。在成熟期，植株耗水差別不大，僅調虧灌溉對大豆耗水量影響顯著，表現為W1>W2>W3，其中W1與W2處理差異不顯著。

2.4 調虧灌溉和施用生物炭對大豆總耗水量及水分利用效率的影響各處理大豆總耗水量如圖3所示。

由圖3可以看出：調虧灌溉和施用生物炭對大豆總耗水量均有顯著影響，而兩者的交互作用無顯著影響。在相同生物炭條件下，調虧灌溉對大豆總耗水量影響表現為W1>W2>W3，且差異顯著，其中W2和W3處理總耗水量分別比W1降低10.03%和24.84%;在相同調虧灌溉條件下，生物炭施用量對大豆總耗水量影響表現為B1>B2>B0。說明調虧灌溉可以顯著影響大豆總耗水量，并隨著調虧程度加劇總耗水量降低;而施用生物炭會使大豆總耗水量升高，這可能是因為施用生物炭后作物地上部分長勢好、葉面積增加，導致耗水量增加。

水分利用效率是衡量消耗水量與產出物質之間關系的重要指標。大豆水分利用效率如圖4所示。

由圖4可以看出：3種不同程度的調虧灌溉中，W2處理水分利用效率最高，與W3處理無顯著性差異，W2和W3處理水分利用效率分別比W1處理升高7.98%和6.90%。B1處理水分利用效率顯著高于B2和B0處理，分別升高8.14%和22.98%。

綜合來看，耗水量最低為W3B0處理、最高為W1B1處理，水分利用效率最高為W2B1處理。

3 結論

試驗結果表明：施用生物炭可以提高大豆產量，與不施加生物炭的B0處理相比，B1和B2處理分別增產20.30%和9.40%。這可能是因為生物炭改善了土壤理化性狀，提高了土壤有效養分含量，從而促進了大豆生長。常規灌溉和適度調虧灌溉下施用生物炭的增產效益顯著，調虧灌溉可以減少耗水量，提高水分利用效率。但在相同灌溉條件下，施用適量生物炭會使大豆耗水量升高，這可能是由于施用生物炭后大豆葉面積指數升高、根系充分吸水，促進了大豆的生長發育，導致耗水量升高。W2B1處理的水分利用效率最高，比W1B0處理升高22.10%，這說明在適度調虧灌溉下施用生物炭能刺激大豆的生長發育，雖然提高了耗水量，但同時也增加了產量，因而提高了水分利用效率。

將生物炭引入調虧灌溉中，可以調節土壤持水能力，改善調虧灌溉下作物生長不良帶來的影響，提高水分利用效率，進而提高產量。在適度調虧灌溉模式下，施加6 t/hm2的生物炭可以顯著提高大豆水分利用效率及產量，該結果可以作為實際生產的參考。

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