生物炭對玉米拔節期根系、土壤的影響

聶金銳 廖梅芳 王柏 王智慧 趙長江 王洪義

摘 要：本試驗分析在黑龍江西部半干旱地區弱堿性草甸土壤中不同的生物炭添加量對玉米根系、土壤的影響，采用玉米盆栽種植方法測定4種生物炭的不同添加量（0、1%、5%、9%）對玉米拔節期根系、土壤的影響。結果表明，將生物炭施入土壤中可提高玉米根系總投影面積、根表面積、根體積、根長，有利根系生長;添加生物炭可在一定程度上使土壤全氮、速效鉀的含量增加;生物炭處理（V1、V2、V3）各項土壤酶活性（包括過氧化氫酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶）均顯著高于不施生物炭處理（CK），且添加9%生物炭處理（V3）的堿性磷酸酶活性比CK增加了32.81%。

關鍵詞：生物炭;根系;土壤酶

文章編號：1004-7026（2020）16-0072-03? ? ? ? ?中國圖書分類號：S513 ? ? ? ? 文獻標志碼：A

近年來，隨著家用電器、煤氣使用日益廣泛，人們對柴草的需求量下降。每年我國產生的農作物秸稈多達數億噸，但其利用率極低。除少部分秸稈作為飼料被家畜食用外，剩下大部分被直接焚燒，導致土壤中微生物種類及數量減少并造成嚴重的大氣污染。

秸稈還田技術受到了越來越多學者的關注，作為一項比較先進的保護性耕作技術，不僅可以降低秸稈焚燒所帶來的環境污染，還有利于增加作物產量，其中生物炭可高效地利用農作物秸稈。生物炭（Biochar）是由生物質在缺氧條件下不完全燃燒所產生的富碳產物[1]。

生物炭具有表面積較大、孔隙結構發達、吸附性強等諸多優良特性，將其施入土壤中有利于微團聚體的形成，減少養分的淋溶流失。生物炭已成為農業、環境、能源等領域關注的焦點，有極為廣闊的應用前景。

同時，生物炭對土壤微生物活性和土壤理化性質起著積極作用，可以促進作物生長，提高作物產量及品質[2]。

玉米是我國主要糧食作物，玉米產量高低會影響我國糧食安全。良好的根系是作物高產的前提[3]。根系在植株整個生長發育階段和產量形成過程中均發揮著不可忽視的作用，根系愈發達，對作物的生長發育就愈有利。

玉米根系為深根系，入土深廣，因此有關生物炭與玉米根系的研究較困難。土壤酶是土壤的重要組成部分，可加速土壤生化反應速率，在轉化營養物質、分解有機質、降解及修復腐殖質方面有重要作用。土壤中各種酶活性的強弱直接影響根系對土壤中有機質及養分的轉化與利用。

本研究通過盆栽試驗，初步探究了在土壤中施用不同水平的生物炭對玉米拔節期根系、土壤的影響，以期為生物炭的應用提供參考。

1? 材料與方法

1.1? 供試材料

試驗所用的土壤為弱堿性草甸土，pH為7.87，基本性質為有機質25.92 g/kg，全氮1.35 g/kg，速效磷15.59 mg/kg。生物炭為玉米秸稈炭，基本性質為有機碳440.62 g/kg，全氮15.34 g/kg，全磷7.81 g/kg，pH為7.94。

1.2? 試驗設計

供試品種為鄭單958，每個試驗桶種3粒。生物炭一次性與土壤混勻，其用量為4個水平：對照CK（0%）、V1（1%）、V2（5%）、V3（9%），每個處理設3次重復。生物炭用量不同，氮、鉀、磷肥（尿素、硫酸鉀、二銨）折合成純養分N-K2O-P2O5為235-90-120 kg/hm2，于播種前一次性施入各個盆中。

1.3? 樣品采集與檢測

玉米拔節期收集根系，洗凈晾干后利用EPSON Expression 12000XL掃描儀對根系進行掃描。取根際土，烘干后用于測定。土壤過氧化氫酶采用紫外分光光度計法，脲酶采用靛酚藍比色法，堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法，蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法[4]。

2? 結果與分析

2.1? 添加生物炭對玉米根系的影響

由圖1（A）可以看出，不施生物炭處理（CK）的根長低于施用生物炭處理（V1、V2、V3），這說明生物炭的施用能夠促進玉米根系的伸長。由圖1（B）可以看出，各處理平均根直徑無顯著差異。由圖1（C）可以看出，9%生物炭處理（V3）根體積較CK、V1、V2處理分別提高138.67%、111.05%、127.72%，這表明在土壤中施用高水平生物炭有利于根系體積增大。由圖1（D）、（E）可以看出，各處理對玉米根系表面積、根系總投影面積的影響趨勢一致，且均呈現V3>V2>V1>CK的趨勢;同時施入生物炭處理（V1、V2、V3）根系總投影面積分別為對照處理CK的1.33、1.49、2.64倍，這表明施加生物炭可以增加玉米根系表面積及總投影面積。由圖1（F）可以看出，生物炭處理（V1、V2、V3）的根系較CK處理根系生長更為旺盛，因此生物炭對玉米的根系生長有促進作用。

2.2? 添加生物炭對土壤養分的影響

從圖2可以看出，施加生物炭處理（V1、V2、V3）土壤中的速效磷含量雖然高于不施生物炭處理，但并無顯著差異。而土壤中的全氮含量呈現出V3>V2>

V1>CK的趨勢，且5%、9%生物炭處理（V2、V3）全氮含量顯著高于對照處理。圖2表明，在土壤中施入生物炭可在一定程度上提高土壤養分。這有可能是因為生物炭有利于土壤中微團聚體的形成從而減少養分流失，其次可能是生物炭本身就含有礦質養分。

2.3? 添加生物炭對土壤酶活性的影響

由圖3（A）可知，隨著生物炭施入量的增加，過氧化氫酶活性呈現出V3>V2>V1>CK的趨勢，由此可見生物炭的施入對土壤過氧化氫酶活性有促進作用，且隨著生物炭施用量增大，土壤過氧化氫酶活性增高。由圖3（B）可知，施入生物炭處理（V1、V2、V3）之間的堿性磷酸酶活性雖無顯著差異，但均顯著高于對照處理CK。由圖3（C）可知，對照處理（CK）土壤中的蔗糖酶活性僅為生物炭處理（V1、V2、V3）的0.90、0.78、0.85倍，V1處理與CK處理的蔗糖酶活性并無顯著差異，這表明土壤蔗糖酶活性與生物炭施用量成正比。由圖3（D）可知，V3處理的脲酶活性為對照處理CK的1.14倍，且兩者之間具有顯著差異，這表明生物炭施用量高對土壤脲酶具有更明顯的促進作用。

3? 討論

根系是作物進行物質交換的重要橋梁，根系是否強壯決定著植株的生長發育和產量。生物炭具有的一些特殊性質，其在土壤中可以直接接觸到作物的根系并增加作物根系長度以及活力[5]。本研究發現，施入生物炭對玉米拔節期的根系生長具有促進作用，可增加根系的總投影面積、表面積、總長度以及體積，使根系能夠更加充分地吸收利用營養物質和水分。該結論與有些學者較為一致，例如張偉明等（2013）[6]發現在土壤中施入生物炭在水稻生育前期可增加根系的主根長、體積和鮮重，提高水稻根系總吸收面積和活躍吸收面積。

本研究還發現，施入生物炭處理的速效磷和全氮含量均高于對照處理，這有可能是因為生物炭本身含有一定量的碳源和礦物質，同時生物炭的多孔特性有利于養分的積累以及土壤內環境的保持。這與王智慧等（2019）[7]所得出的結論有相似之處。

土壤酶是土壤內有機物和礦物質的主要分解者，對轉化和吸收土壤養分有不可忽視的作用，同時在土壤生態系統的物質循環和能量流動方面有重要作用。土壤理化性質、肥力狀況和農業措施均可影響其活性[8]。過氧化氫酶通過破壞植株根系所生成的過氧化氫將其分解為水和氧氣，從而減輕活性氧產生的危害。蔗糖酶能夠將土壤中的蔗糖分子分解成小分子的果糖和葡萄糖，從而對土壤活性有機碳的形成提供助力，是表征土壤碳素循環和土壤生物化學活性的重要酶[9]。脲酶對轉化土壤中的有機態氮分解有著十分重要的積極作用，加速尿素水解為氨、水和二氧化碳。通過本次室外盆栽試驗發現，V3處理土壤的各項酶活性與對照相比有所增強，表明高水平生物炭的添加對土壤酶活性有一定的積極作用。這有可能是因為生物炭能為土壤中的微生物聚集、生長繁殖提供良好的棲息環境，有利于土壤微生物的快速繁殖，可以增加土壤微生物數量和活性[10]。

4? 結束語

在弱堿性草甸土壤中施入生物炭，對根系的生長具有顯著的促進作用。隨著土壤中生物炭添加量的增加，可在不同程度上提高過氧化氫酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶的活性，進而對土壤有機碳積累起到促進作用。其中9%生物炭施入土壤內的過氧化氫酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性均顯著高于不施生物炭處理。

參考文獻：

[1]陳溫福，張偉明，孟軍，等.生物炭應用技術研究[J].中國工程科學，2011，13（2）：83-89.

[2]丁艷麗，劉杰，王瑩瑩.生物炭對農田土壤微生物生態的影響研究進展[J].應用生態學報，2013，24（11）：3311-3317.

[3]宋日，吳春勝，牟金明，等.深松土對玉米根系生長發育的影響[J].吉林農業大學學報，2000（4）：73-75，80.

[4]關松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京：北京農業出版社，1986.

[5]程效義，孟軍，黃玉威，等.生物炭對玉米根系生長和氮素吸收及產量的影響[J].沈陽農業大學學報，2016，47（2）：218-223.

[6]張偉明，孟軍，王嘉宇，等.生物炭對水稻根系形態與生理特性及產量的影響[J].作物學報，2013，39（8）：1445-1451.

[7]王智慧，殷大偉，王洪義，等.生物炭對土壤養分、酶活性及玉米產量的影響[J].東北農業科學，2019，44（3）：14-19.

[8]張志丹，趙蘭坡.土壤酶在土壤有機培肥研究中的意義[J].土壤通報，2006（2）：2362-2368.

[9]尚杰，耿增超，王月玲，等.施用生物炭對（土婁）土微生物量碳、氮及酶活性的影響[J].中國農業科學，2016，49（6）：1142-1151.

[10]許云翔，何莉莉，劉玉學，等.施用生物炭6年后對稻田土壤酶活性及肥力的影響[J].應用生態學報，2019，30（4）：1110-1118.