生物炭施入量對大豆生長發育及產量的影響

侯偉男，劉靖愉，邢一唱，劉澤華，臧永奎，袁 梅，高 宇，史樹森

（1吉林農業大學植物保護學院，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轉化產生的高度芳香的固態物質，其孔隙度高，表面官能團豐富，具有吸附能力極強、抗氧化、耐分解等優點[1-3]。生物炭在農業領域的應用主要圍繞環境、農作物、土壤等互作等方面[4-5]，初步證實具有改善土壤結構與理化性質、提高土壤養分的含量及利用率、抑制土壤病害、降低土壤中莠去津的殘留量、提高作物產量等作用，被越來越多的國內外學者所關注[6-8]。在北方糧食主產區每年大量的秸稈等農業廢棄物未得到有效處理和利用，因此，將農業廢棄物加工后合理應用到農業生產上，具有廣闊的應用前景[9-10]。研究表明，生物炭有效調控了玉米/大豆、玉米/花生間作系統生長發育關鍵期土壤的水肥熱狀況[11]。有利于提高大豆光合作用強度，較高施用量生物炭提高大豆產量和品質[9,12]。為了進一步明確生物炭施入土壤是否促進大豆生長和提高產量，以及不同施入量的效果，本試驗采用盆栽法，研究了生物炭6個不同施入量對大豆的農藝性狀和產量性狀的影響，旨在為進一步提高大豆高產栽培技術水平，以及促進通過生物炭途徑解決北方地區秸稈處理問題提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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高溫裂解碳化轉化而成的一種高度芳香化的富碳物質。

1.1.2 大豆品種 供試品種為‘吉農38’。

1.1.3 盆栽土壤 試驗土壤取自吉林農業大學教學基地（43°48’47”N，125°25’4”E，海拔240 m），為黑鈣土，有機質含量21.58 g/kg。

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

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗處理 設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個試驗處理。

1.2.2 播種及栽培管理 采用盆栽試驗法，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土后輕微鎮壓，每個處理播種8盆，分別用于大豆生長前期主要農藝性狀調查和成熟期產量性狀及產量調查，每次調查各處理4次重復。出苗后，每盆留5株長勢良好的大豆以供后續試驗。常規水肥管理并及時防除病蟲草害。

1.2.3 調查方法

（1）不同處理大豆生長前期（開花期之前）主要農藝性狀的調查

于大豆播種后20天，各處理盆栽大豆停止出苗后，調查記錄出苗數量，計算大豆出苗率。

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：將表面水份已風干根系上的根瘤小心取下，記錄根瘤數，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記處理編號，烘干處理方法同地上部分。

（2）不同處理大豆產量及其構成因素調查

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

1.3 數據分析

采用DPS 9.01版統計軟件Duncan’s檢驗法進行差異顯著性分析(P＜0.05)，用一元非線性回歸法進行指標間相關回歸分析。

2 結果與分析

2.1 不同生物炭處理對大豆生長前期主要農藝性狀的影響

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，各項指標都呈現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處理根瘤數顯著高于對照組，而105.0 kg/hm2、420.0 kg/hm2處理下的根瘤數比對照低，但無顯著差異；試驗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，相比對照分別提高11.36%、16.05%，當達到315.0 kg/hm2時，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，當生物炭施入量升高到315.0 kg/hm2時根冠比增長量最大。可見，生物炭不僅可以增加大豆根部的根瘤數量，有利于干物質的積累，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）主要農藝性狀的影響

2.2 不同生物炭處理對大豆主要產量性狀的影響

生物炭處理105.0 kg/hm2時百粒重、單株粒數顯著高于對照，315.0 kg/hm2時單株有效莢數、單株粒數、百粒重顯著高于對照，315.0 kg/hm2時單株有效莢數顯著低于對照，其余各項指標與對照均沒有顯著差異。當生物炭施入量超過315.0 kg/hm2時，會顯著降低大豆單株莢數和單株粒數，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量構成因素的影響表現為：對單株有效莢數、單株粒數的影響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系。生物炭不同處理對大豆單株產量影響表現為：210.0 kg/hm2處理的大豆平均單株產量可達21.70 g，其次是105.0 kg/hm2處理的大豆平均單株產量可達19.47 g，二者均顯著高于對照及其他處理的產量，據此表明生物炭可以提高大豆產量，并且其產量會隨著生物炭施入量的增加而增加；當生物炭施入量為315.0 kg/hm2時與對照無顯著差異，大于420.0 kg/hm2時大豆單株產量低于對照，且單株產量420.0 kg/hm2＞525.0 kg/hm2，說明此時生物炭對大豆單株產量起到一定負作用，大豆產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量的影響很大，且適量施入生物炭能夠顯著提高大豆產量，而過量施入則可顯著降低產量。

表2 生物炭處理對大豆產量構成因素及單株產量的影響

2.3 不同生物炭施入量與大豆主要產量性狀及單株產量的相關性分析

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

表3 生物炭施入量與大豆主要產量性狀及單株產量的回歸分析

3 討論

大豆產量是保證經濟收益的根本。而大豆百粒重、單株莢數和單株粒數是決定大豆產量的主要因素[14-15]。本試驗結果表明，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，同時大豆地下部分包括根瘤數、根瘤鮮重及干重、根部鮮重及干重也有明顯增多，這與其他研究結果相似[16-17]。一般而言，作物產量受不同品種、施肥條件及土壤類型等的影響。在本試驗土壤和供試品種材料條件下，生物炭最佳施入量為210 kg/hm2，對大豆產量有明顯的促進作用，可使大豆平均單株產量達到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、單株粒數，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（有機質含量21.58 g/kg）對大豆生長發育確有促進作用，施用量過高則存在抑制作用。進一步明確了生物炭對提高土壤養分利用率，促進作物增產增收的有效價值。

生物炭在農業、能源、環境等方面的優勢逐漸凸顯，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]。在養分含量相對較高的堿性鈣質土中施用生物炭，對作物生長的影響存在爭議[20]。本文僅針對黑鈣土壤環境下生物炭對大豆生長發育及產量的影響進行了初步研究，而對于土壤有機質含量不同的環境下生物炭施用量與大豆生長發育及產量的內在關系仍需繼續深入研究。

圖2 生物炭施入量與大豆單株產量的相關性分析

4 結論

土壤施入生物炭對大豆出苗無顯著影響，土壤環境中適量施入生物炭對大豆的生長發育及產量有明顯的促進作用，但過量施入則抑制大豆生長并導致產量降低。生物炭施入量與大豆（‘吉農38’）產量之間的關系符合二次函數模型(2)：Y產量=-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（有機質含量21.58 g/kg）的施入量。