棉桿生物炭對棉花根系特性及生理代謝的影響

唐光木,侯艷艷,潘金龍,張云舒,馬海剛,徐萬里

(1.新疆農業科學院 土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091； 2.中國農業大學 土地科學與技術學院，北京 100193；3.新疆農業大學 草業與環境科學學院，烏魯木齊 830052)

生物炭是農林廢棄物無氧或缺氧低溫熱裂解形成的，具有多孔、比表面積巨大和化學穩定性的富碳固態物質[1]。生物炭作為一種土壤改良劑，在改善土壤物理性質[2]、提升養分水分資源利用效率[3]、促進作物生長和功能發揮[4]、提高作物產量[5]方面發揮重要的作用。由于生物炭原料來源、炭化工藝流程、施用方式方法以及供試土壤類型、作物和種植管理模式等差異，對作物生產力的影響具有很大的不確定性[5-6]。但生物炭對作物生長和產量的影響，很大程度上取決于作物根系的形態及生理生化特性，開展作物根系及其形態和生理生化特性研究，有助于揭示生物炭對作物生長和產量形成的作用機理。

根系是植物固定、養分吸收和運移的重要器官[7]，是植物激素、有機酸和氨基酸合成的重要場所[8]，根系表型及生理生化特征影響植物地上部生長發育、產量和品質形成[9]，并通過改變根系構型和生理活性特性適應生境的變化。已有研究表明土壤質地類型[10]、耕作[11]以及施肥[12]、灌溉[13]等農田管理措施誘導植物根系形態指標改變。根系可根據直徑大小可分為細根(0～0.4mm)、中根(0.4～1.2mm)和粗根(>1.2mm)[14]。粗根能更好地固結土壤[15]，中根和細根是根系系統最活躍的組成部分，很大程度上決定整個根系系統的形態構建和生理生化指標的改變[16]。研究表明，玉米初生根系和直徑小于2mm 的細根吸收水分和養分能力遠遠大于較老和較粗的根系[17]，直徑小于2mm的根系根長與青椒產量關系密切[18]，并且農田管理措施主要誘導細根的發生[19]，因此，細根對環境變化的響應最為敏感，細根的周轉速率、根系活力以及相關的生理指標可以準確反應根系適應狀況。

棉花是直根系作物，根系生長分布受遺傳因子[20]、管理措施[21]、環境條件[22]等影響，棉花根系在不同生境土壤中的表型特征及其生理活性指標表現各異。生物炭作為土壤改良劑，對小麥[23]、水稻[24]、玉米[25]、煙草[26]等作物根系形態特性的影響開展了大量研究；將棉秸桿炭化還田，有利于降低棉秸桿粉碎直接還田影響播種、出苗和土傳病害的發生，前期的研究表明，棉秸桿生物炭(以下簡稱：棉桿生物炭)施入灰漠土能夠降低土壤體積質量，增加土壤孔隙度，影響棉花根系的生長，但棉桿生物炭對棉花根系構型及生理生化指標影響作用如何？目前還鮮見報道。為此，本研究以棉花盛花期根系為研究對象，開展棉桿生物炭對棉花根系構型及生理代謝指標的影響研究，對實現棉花高產高效和制定科學合理的水肥管理措施具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

田間試驗位于國家灰漠土土壤肥力與肥料效益監測基地(N43°95′26″，E87°46′45″)和新疆生產建設兵團第八師炮臺土壤改良試驗站(N44°47′36″，E85°33′07″)。試驗地土壤類型為灰漠土和風沙土，土壤質地類型為粉砂質壤土(粘粒7%，粉砂46%，砂粒47%)和砂質壤土(粘粒2%，粉砂38%，砂粒59%)，試驗地土壤基本性質見表1。

表1 供試土壤基本性質Table 1 Basic properties of tested soil

將收獲的棉桿風干粉碎成8～10 cm的短枝條，利用自制的炭化爐450 ℃厭氧條件下炭化1 h制備棉桿生物炭。制備的棉桿生物炭自然風干，粉碎過0.25 mm篩，充分混合均勻，備用。

1.2 試驗設計

2019年4月23日在國家灰漠土土壤肥力與肥料效益監測基地和新疆生產建設兵團第八師炮臺土壤改良試驗站進行播種，供試棉花品種為‘新陸早54號’。采用膜下滴灌機采棉栽培模式，膜寬2.05 m，一膜3管6行，行距配置(10+66+10)cm，株距9.5 cm(圖1)。試驗設常規施肥處理(NPK)、常規施肥+22.5×103kg/hm2棉桿生物炭(NPK1.5BC)和常規施肥+45.0×103kg/hm2棉桿生物炭(NPK3.0BC)共3個處理，重復3次，18個小區。采用隨機區組排列，小區面積32 m2。常規施肥處理為純N 300 kg/hm2，P2O5138 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2。棉桿生物炭和磷鉀肥作為基肥一次性施入，氮肥40%基施，60%追施(6月3日第二水2%、6月16日第三水5%、6月28日第四水12%、7月9日第五水12%、7月19日第六水12%、7月28日第七水12%、8月5日第八水5%)。田間其他管理方式一致。

圖1 典型的一膜六行模式[27]Fig.1 Typical six line mode unber one film[27]

1.3 測定指標與方法

棉花生長盛花期，每個小區隨機選擇20～30株棉花測定株高和莖粗，采集5～10株棉花測定地上和地下部生物量。同時，每個小區選取 1 m×1 m的區域，采集棉花根系樣品，將土壤中的所有根系挑選出，并立即放入有冰袋的保溫箱中，帶回試驗室，于4 ℃冰箱內保存。

棉花吐絮期，每個小區選擇9.6 m2計算棉花每667 m2株數、單株鈴數，同時隨機采集25個棉桃，風干后測定單鈴質量，計算單位面積棉花籽棉產量。

根據Sullivan等[14]和王慶惠等[16]提供方法，將棉花根系根據根徑大小分為細根(0～0.4 mm)、中根(0.4～1.2 mm)和粗根(>1.2 mm)，并進行根系參數的統計計算。

根系吲哚乙酸含量采用參考何鐘佩[28]的方法測定，丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量測定參考Cui等[29]的硫代巴比妥酸法測定，過氧化氫酶(Catalase，CAT)活性測定參考Liu等[30]的方法測定。

1.4 數據分析

采用WPS 2016和SAS 8.0統計分析軟件進行試驗數據分析和繪圖，多重比較采用LSD法，數據均以“平均值±標準差”表示。

2 結果與分析

2.1 添加棉桿生物炭對棉花生長及產量的影響

添加棉桿生物炭對不同土壤類型棉花生長及產量的影響不同(表2、圖2)?；夷林?，相比NPK處理，NPK1.5BC處理棉花株高提高 14.02%，NPK3.0BC處理顯著提高18.33%；棉桿生物炭處理間，NPK3.0BC處理相比 NPK1.5BC處理提高了棉花株高，但差異不顯著；相比NPK處理，添加棉桿生物炭提高了棉花莖粗、地上部生物量和地下部生物量，不同處理間差異不顯著；NPK3.0BC處理相比NPK1.5BC處理降低了棉花莖粗、地上部生物量和地下部生物量，但差異不顯著。風沙土中，相比NPK處理，NPK1.5BC處理顯著提高了棉花地上部生物量12.16%，NPK3.0BC處理顯著提高了棉花莖粗20.49%，株高、莖粗、地上部生物量和地下部生物量其他各處理間差異不顯著；棉桿生物炭處理間，相比NPK1.5BC處理，NPK3.0BC處理顯著提高了地上部生物量5.87%?？梢?，灰漠土和風沙土中添加棉桿生物炭均促進棉花的生長。

表2 添加棉桿生物炭棉花生長性狀的變化Table 2 Changes of cotton growth with addition of cotton stalk char

添加棉桿生物炭提高灰漠土中棉花籽棉產量，相比NPK處理，NPK1.5BC和NPK3.0BC處理籽棉產量提高7.71%和5.53%，但過量的棉桿生物炭添加降低籽棉產量，相比NPK1.5BC處理，NPK3.0BC處理籽棉產量降低2.03%，不同處理間差異不顯著。風沙土中，相比NPK處理，NPK1.5BC處理籽棉產量提高5.70%，NPK 3.0BC處理則降低5.85%，不同處理間差異不顯著；棉桿生物炭處理間，與NPK1.5BC處理相比，NPK3.0BC處理籽棉產量則顯著降低10.93%。

不同字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)，下同

兩種土壤類型間都表現為相比NPK處理，NPK1.5BC處理提高籽棉產量，NPK3.0BC處理降低籽棉產量。

2.2 添加棉桿生物炭對棉花根系形態的影響

添加棉桿生物炭影響灰漠土中棉花根系形態(表3)，棉花根長表現為細根>中根>粗根，相比NPK處理，NPK1.5BC處理細根根長顯著增加32.60%，NPK3.0BC處理增加了細根根長但差異不顯著；相比NPK處理，棉桿生物炭添加處理降低了中根和粗根根長，不同處理間差異不顯著。棉花根表面積表現為中根>粗根>細根，與NPK處理相比，NPK1.5BC處理細根和中根表面積提高111.10%和17.49%，NPK3.0BC處理細根表面積顯著增加100.00%；NPK1.5BC和NPK 3.0BC處理降低了粗根表面積，但差異不顯著。根體積表現為細根>中根>粗根，不同處理間對中根和粗根根體積無顯著影響，相比NPK處理，NPK1.5BC和NPK3.0BC處理細根根體積顯著提高129.03%和83.87%。不同棉桿生物炭處理間表現為過量的棉桿生物炭抑制了棉花根系的生長，相比NPK1.5BC處理，NPK3.0BC處理則降低棉花根長、根表面積和根體積，但差異不顯著(細根根長除外)。

表3 添加棉桿生物炭灰漠土棉花根系參數Table 3 Cotton root parameters of grey desert soil under addition of cotton stalk char

風沙土中，根長和根表面積表現為細根>中根>粗根，不同根徑大小之間根體積變化不明顯(表4)。不同處理棉桿生物炭添加降低了中根和粗根的根長和根表面積，高量的棉桿生物炭則增加了細根的根長和根表面積，與NPK處理相比，NPK1.5BC處理降低細根根長和根表面積，NPK3.0BC處理增加了細根根長和根表面積，但差異不顯著；棉桿生物炭處理間，與NPK1.5BC處理相比，NPK3.0BC處理細根根長和根表面分別顯著增加43.21%和27.61%；中根和粗根根長和根表面積則隨棉桿生物炭添加量的增加而降低，與NPK處理相比，NPK3.0BC處理中根根長和根表面積分別顯著降低50.57%和53.19%，粗根根長和根表面積則顯著降低65.38%、 67.92%；不同處理對棉花根系不同根徑的根體積影響不大。兩種土壤類型中，棉桿生物炭添加都降低了中根和粗根根長、根表面積(灰漠土NPK 1.5BC除外)，對其根體積影響不顯著；對細根根長和根表面積影響存在不同，不同處理中，灰漠土中NPK1.5BC處理細根根長最長、體積最大，風沙土中NPK3.0BC處理細根根長最長、體積 最大。

表4 添加棉桿生物炭風沙土棉花根系參數Table 4 Cotton root parameters of aeolian sandy soil under addition of cotton stalk char

2.3 添加棉桿生物炭棉花根系生理活性變化

吲哚乙酸(IAA)是植物內源激素中最重要的一種。棉桿生物炭添加對灰漠土和風沙土根系IAA的影響不同(圖3)?；夷林校煌幚黹g棉花根系中IAA含量表現為NPK1.5BC>NPK>NPK3.0BC，相比NPK處理，NPK1.5BC處理棉花根系IAA顯著提高49.57%，NPK3.0BC則顯著降低39.32%；不同棉桿生物炭處理間，相比NPK1.5BC處理，NPK3.0BC處理根系IAA顯著降低59.43%。風沙土中，不同處理間根系IAA則表現為NPK3.0BC>NPK>NPK1.5BC，相比NPK處理，NPK1.5BC處理根系IAA降低27.12%，NPK3.0BC則顯著提高137.33%；不同棉桿生物炭處理間，相比NPK1.5BC處理，NPK3.0BC處理根系IAA顯著提高225.65%。

圖3 添加棉桿生物炭棉花根系IAA含量的變化Fig.3 Cotton root system of IAA content under addition of cotton stalk char

MDA是細胞質膜過氧化的最終產物，反映細胞質膜過氧化程度和對逆境的反應程度，不同處理對棉花根系MDA含量影響不同(表5)?；夷林?，NPK1.5BC處理根系MDA含量低于NPK處理，但差異不顯著，NPK3.0BC處理相比NPK處理根系MDA含量則顯著提高 75.00%。風沙土中，棉桿生物炭添加提高了根系MDA含量，相比NPK處理，NPK1.5BC和NPK3.0BC處理則分別增加了5倍和2倍。

表5 添加棉桿生物炭棉花根系MDA含量和CAT活性的變化Table 5 Root’s MDA content and CAT activity under addition of cotton stalk char

過氧化氫酶(CAT)是植物體內重要的抗氧化酶，催化細胞內過氧化氫的分解，使細胞免于過氧化氫的毒害?；夷梁惋L沙土中，棉桿生物炭添加增加了根系CAT活性，表現為NPK1.5BC>NPK3.0BC>NPK處理；相比NPK處理，NPK1.5BC處理灰漠土和風沙土棉花根系CAT活性分別顯著提高423.26%和154.68%；相比NPK處理，NPK3.0BC處理灰漠土中棉花根系CAT活性顯著提高194.19%，風沙土中提高 3.60%，但差異不顯著。

3 結論與討論

生物炭施用影響作物生長和產量形成，但生物炭原料來源、炭化工藝流程、施用量和方式方法以及區域環境特點、土壤條件、田間管理措施等影響生物炭對作物生長和產量形成的作用效果[5-6]，并存在諸多的不確定性。本研究中，灰漠土和風沙土中添加棉桿生物炭促進棉花生長和產量的提高，但棉桿生物炭添加量達到45.0×103kg/hm2時一定程度上抑制棉花生長和產量提高，這與魏永霞等[31]、劉慧敏等[32]研究結果相一致，究其原因是因為生物炭施用降低土壤體積質量，增加土壤孔隙度和比表面積，提高土壤保水保肥性能[2]，促進作物生長和產量的提高；但過量生物炭施入改變土壤酸堿度，并與作物產生養分、水分競爭作用，抑制作物根系生長和養分水分吸收利用，同時提高土壤碳氮比值，影響土壤微生物群落結構和功能[33]；同時，生物炭含有的易揮發性成分，可能對作物產生一定的毒害作用[34]，從而抑制作物生長和產量提高。

根系是土壤最直接的“接觸者”，生物炭通過改善土壤物理、化學和微生物特性，從而影響作物根系的生長發育和形態特征。張偉明等[24]研究表明生物炭施用增加水稻生育前期主根長、根體積，進而提高根系總吸收面積；蔣健等[25]對玉米的研究中指出生物炭增加玉米根系總根長、根體積，進而增加玉米根系活躍吸收面積。本研究中，兩種土壤類型中添加棉桿生物炭對棉花細根的影響比較明顯，對中根、粗根的影響相對較小，這與陳偉等[35]的研究結果相一致，說明生物炭對根系形態特性的影響主要集中在細根，添加生物炭細根根系輻射面積和土壤的接觸面積更大，更加有利于養分、水分的吸收利用，從而有利于作物生長和產量的提高。

根系生理活性指標是根系吸收、合成、氧化和還原能力的綜合體現[36]，反映根系生長狀況和受傷害程度。趙宏偉等[37]研究表明冷水灌溉顯著提高根系CAT活性和MDA含量，降低內源激素IAA含量，Liu 等[38]認為施氮可增強干旱處理棉花根系CAT活性，降低復水后MDA活性，羅宏海等[39]指出水氮雙重虧缺加劇棉花根系MDA含量的大幅上升和CAT活性的下降。本研究表明，生物炭添加影響棉花根系內源激素IAA、MDA含量和CAT活性，生物炭對灰漠土和風沙土中棉花根系IAA影響不同，這可能與試驗地土壤質地和棉花生長季氣溫有關。生物炭添加增加根系MDA含量和CAT活性，這是因為生物炭施用導致棉花根系膜脂過氧化傷害加強，根系為了減輕活性氧對根系細胞膜脂的傷害從而激發根系CAT活性，清除自由基，起到保護根系的作用；添加棉桿生物炭對灰漠土和風沙土中根系IAA含量、MDA含量和CAT活性影響不同，究其原因在于兩種土壤的質地、養分及其微環境存在不同，根系IAA含量、MDA含量和CAT活性作出的相應響應的結果[40]。

綜合可知，添加棉桿生物炭22.5×103kg/hm2時，能夠有效促進棉花生長、產量形成、根系形態構建和生理活性指標提高，過量棉桿生物炭施用(45.0×103kg/hm2)抑制棉花生長、產量形成和根系形態構建，同時，由于生物炭施用對作物根系構型及其生理指標的研究還處于起步階段，應加強生物炭影響作物根系構型和生理指標的深入研究，為生物炭的應用提供更加有力的數據支撐和理論依據。