生物炭介導的連作大豆光合生理代謝及產量響應

吳迪，袁鶴翀，顧聞琦，馮志波，孫媛媛，修立群，張偉明，陳溫福

（沈陽農業大學，遼寧省生物炭工程技術研究中心，沈陽 110866）

大豆是我國乃至全球重要的糧油作物之一，在保障國家糧油安全中占據重要地位。我國大豆產量相對較低，大豆種植面積與產能提升受到嚴重制約，而植物體光合能力是決定光合產物積累及作物產量的重要因素[1]。特別在大豆連作條件下，植物體光合作用受阻會直接影響產量形成[2-3]。研究認為，連作可使作物根際微生態環境發生趨害變化，植物體水分、養分運輸以及物質合成、代謝等生理過程受到明顯抑制或損害[4-5]，作物光合生理活動減弱、光合能力下降，導致作物光合產物合成、積累受限，進而影響作物生長及產量形成。生物炭是近年國內外研究的熱點，利用生物炭技術可將作物光合形成的“碳”，以穩定的碳形式（碳負效應）保存下來[6]，亦可改良土壤結構，改善土壤水、氣、熱、肥的環境條件，促進作物生長，提高產量[7-9]。本研究旨在明確生物炭長期存在條件下對連作大豆光合生理代謝及產量的響應，揭示生物炭的長期農學效應及其調控作物生長的關鍵因子，為生物炭應用于大豆生產提供理論基礎和依據，對促進大豆生產可持續發展具有重要的現實意義。

前人研究表明，生物炭對作物光合作用等生理功能的調控，是其重要的功效來源[10]。生物炭的添加使植物光合速率提高了27.10%，氣孔導度、蒸騰速率、葉綠素濃度分別提高了19.60%、26.90%、16.10%，促進了C3 植物的光合作用，提高了生物量[11]。生物炭對不同磷效率大豆的葉片凈光合速率、葉綠素指數、氮平衡指數及可溶性糖、淀粉等均有正向影響，且該影響隨施炭量增加而提高[12]。Sarma 等[13]的研究表明，生物炭在提高小麥葉片葉綠素含量、凈光合速率、葉片氮濃度的同時，還可以使生物量、籽粒總蛋白、碳水化合物和產量也明顯提高。在不同的非生物脅迫條件下，生物炭對植物體光合作用亦有重要影響。Zoghi 等[14]的研究表明，在最低供水條件下，高施炭量（30 g·kg-1）可使植物光合作用、氣孔導度分別提高38.00%、39.00%。在干旱或鹽脅迫條件下，生物炭可促進植物光合作用、養分吸收和氣體交換[15]，緩解干旱和鹽脅迫對大豆產量和水分利用效率的負面影響[16]。Huang 等[17]的研究表明，生物炭可通過維持較高的葉片相對含水量和較低的Na+/K+比值，以及增強作物光合作用來緩解鹽脅迫，促進籽粒和產量形成。以上研究表明，生物炭對作物光合作用有重要影響，但在生物炭長期存在條件下連作對大豆光合生理代謝、產量等方面的調控作用尚不清楚，亦無相關報道。本研究通過大田長期定位試驗，明確生物炭對連作大豆光合能力、產物積累及產量的調控效應及其作用關系，揭示生物炭的長期農用效應及其作物調控因子，為生物炭的農業應用提供理論基礎和科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗基于始于2013 年的生物炭大田長期定位試驗，試驗區位于沈陽農業大學科研基地，該地屬溫帶半濕潤大陸性氣候，全年平均降水量600～800 mm，全年無霜期148～180 d，試驗于2021年（第9年）進行。供試土壤為棕壤土，其基本理化特性：有機質18.01 g·kg-1，全氮1.46 g·kg-1，全磷0.58 g·kg-1，全鉀18.35 g·kg-1，堿解氮含量為88.00 mg·kg-1，有效磷含量為18.80 mg·kg-1，速效鉀含量為83.50 mg·kg-1，pH 為5.46。大豆品種為鐵豐40，由遼寧省鐵嶺市農業科學院提供。生物炭由遼寧金和福農業科技開發股份有限公司提供，其制備條件及基本理化性質如表1所示。

表1 生物炭材料的基本理化性質Table 1 Basic physicochemical properties of biochar

1.2 試驗設計

采用大田長期定位試驗，隨機區組排列設計，設置4 個處理：常規施肥處理（施肥，不施炭）作為對照（CK）；3 個生物炭不同用量處理，分別為12、24、48 t·hm-2，記作B1、B2、B3。小區面積為24 m2，每個處理3次重復。常規施肥處理的肥料施用量為N 36 kg·hm-2、P 54 kg·hm-2、K 42 kg·hm-2（根據該大豆品種的推薦肥量）。在大豆種植第一年，將生物炭、肥料均勻混合施入土壤，然后進行翻地、播種等農事操作，其后年份不再施入生物炭，即一次性施入。在大豆生長期間，播種、除草、病蟲害防治等栽培管理措施與當地常規管理方式相同，各處理條件一致。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 光合基礎及生理特性

開花期是決定后期大豆產量形成的最重要時期[18]，在該時期選擇天氣晴朗的上午9：00—11：00，在每小區選取具有代表性且長勢一致的10 株大豆植株，采用便攜式光合測定儀（LI-COR6400，美國）測定大豆功能葉片（倒三葉）的光合生理指標，包括凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）等。同時，在每小區選取有代表性且長勢一致的5 株大豆植株，用暗適應葉夾使葉片處于暗反應狀態15 min后，在飽和脈沖光（3 000 μmol·m-2·s-1）下暴露1 s，采用植物效率分析儀（Handy PEA，英國）測定熒光參數指標。

7月20日，取大豆主莖倒三葉鮮葉去除葉脈后備測，葉綠素含量相關測定采用分光光度法[19-20]。同時，于每小區取1 m2的大豆植株葉片，測定葉面積，并計算葉面積指數，計算公式：

葉面積指數=單位土地上的總葉面積（m2）/單位土地面積（m2）。

1.3.2 光合產物形成與積累

在光合生理指標測定完成后，將葉片用液氮速凍后保存于-80 ℃超低溫冰箱備測。采用蒽酮比色法測定可溶性糖和淀粉含量[21]，采用間苯二酚法測定蔗糖含量[22]，采用考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白含量[23]。同時，于每小區選取3 株長勢一致的代表性大豆植株，取全部葉片放置于烘箱中，于105 ℃殺青0.5 h，然后置于80 ℃將葉片烘至質量恒定，用電子天秤測定葉片干質量，并記錄相關數據。

1.3.3 大豆產量

10 月4 日，于大豆成熟期進行產量測定，按標準測產方法進行[19]。

1.4 數據處理

采用Excel 2019 和SPSS 19.0 軟件對數據進行統計分析，采用單因素（One-way ANOVA）和Duncan 法進行方差分析和多重比較。采用R 4.1.0 軟件進行產量與光合生理特性相關分析。利用Graphpad Prism 5.0軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭對連作大豆葉綠素合成及葉面積的影響

2.1.1 葉綠素含量

如表2所示，生物炭可提高大豆葉片葉綠素a、葉綠素b及總葉綠素（a+b）的含量。其中，大豆葉片葉綠素a含量隨施炭量增加而提高，B3、B2和B1處理分別比CK處理提高23.53%、17.94%和5.00%，且差異顯著。中、高炭量處理（B2、B3）對葉綠素b有顯著影響，B2、B3處理分別比CK處理提高7.92%、9.90%。葉綠素（a+b）含量表現為B3＞B2＞B1＞CK，B3和B2處理分別比CK處理顯著提高20.41%和13.60%。可見，施用生物炭可提高連作大豆葉綠素含量，且較高施炭量的作用更明顯，生物炭為植物體進行光合作用提供了重要物質基礎。

表2 生物炭對連作大豆葉綠素含量的影響（mg·g-1）Table 2 Effect of biochar on soybean chlorophyll content under continuous cropping（mg·g-1）

2.1.2 葉面積及葉面積指數

如圖1 所示，施用生物炭可顯著提高大豆葉面積及葉面積指數，且均表現為B3＞B2＞B1＞CK。B3、B2、B1 處理的葉面積分別比CK 處理顯著提高54.57%、47.75%、40.09%，平均提高47.47%。B3、B2、B1 處理的葉面積指數分別是CK 處理的1.57、1.48、1.40 倍。研究表明，施用生物炭有利于促進連作大豆葉片生長發育，為提高大豆光合利用率提供了先決條件。

圖1 生物炭對連作大豆葉面積及葉面積指數的影響Figure 1 Effects of biochar on soybean leaf area and leaf area index under continuous cropping

2.2 生物炭介導的連作大豆光合生理響應

2.2.1 光合生理指標

由表3 可知，生物炭處理的凈光合速率、蒸騰速率均高于CK 處理，其中B3 處理的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度，分別比CK 處理提高15.44%、14.98%和117.73%，且差異顯著，說明高施炭量對提升大豆光合能力的作用更明顯。而對于胞間CO2濃度，B2、B3處理均顯著低于CK 處理，表明高施炭量處理的大豆植物體對CO2的利用加快，胞間CO2加速擴散有利于促進大豆光合作用。

表3 生物炭對連作大豆光合生理指標的影響Table 3 Effects of biochar on soybean photosynthesis under continuous cropping

2.2.2 植物效率

植物效率是反映植物體進行光能轉換效率的重要指標。Fv/Fm為PSⅡ反應中心內稟光能轉換效率。由圖2可知，Fv/Fm表現為B3＞B2＞CK＞B1，B3處理的光能轉換效率顯著高于其他處理，表明高施炭量對提高植物體光合作用能力具有重要作用。Fv/Fo為潛在光化學效率，B3、B2處理的Fv/Fo值分別比B1處理提高5.56%和4.00%。Fo/Fm為PSⅡ反應中心熱耗散量子比率，B3處理的Fo/Fm分別比B1、CK處理提高4.56%、4.08%，且差異顯著。總體上，施用生物炭對提升大豆植物效率具有一定促進作用，且高施炭量作用更明顯。

圖2 生物炭對連作大豆植物效率的影響Figure 2 Effects of biochar on soybean plant efficiency under continuous cropping

2.2.3 水-溫響應

如圖3可知，B2處理的大豆葉片水分利用效率比CK 處理顯著提高22.20%，表明適宜的施炭量可提高大豆葉片水分利用效率，在滿足作物光合代謝生理需求的同時，使植物體獲得最優的水分調配和供應。對于葉片溫度，生物炭處理均低于CK 處理，其中B1、B3處理與CK處理差異顯著，這有利于抑制葉片升溫、蒸騰過快對植物生理進程及機體造成的傷害。

圖3 生物炭介導的連作大豆葉片水分和溫度響應Figure 3 Biochar-mediated water and temperature response of soybean leaves under continuous cropping

2.3 生物炭對連作大豆光合產物合成與積累的影響

2.3.1 營養物質合成

如圖4 所示，施用生物炭可顯著提高大豆葉片可溶性蛋白含量，B3、B2 和B1 處理分別是CK 處理的1.93、1.85 倍和1.76 倍，表明生物炭在提高大豆光合能力的同時，有效增強了氮代謝生理活動，促進了大豆營養物質的合成。可溶性糖含量表現為隨施炭量的增加而提高，B2 和B3 處理分別比CK 處理顯著提高36.04%和57.37%，說明較高施炭量有利于促進光合產物合成。

圖4 生物炭對連作大豆可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響Figure 4 Effects of biochar on soybean soluble protein and soluble sugar content under continuous cropping

2.3.2 光合產物積累

如表4 所示，B3 處理大豆葉片淀粉含量比CK 處理顯著提高9.47%，而B1、B2 處理與CK 處理無顯著差異。而對于大豆葉片蔗糖含量，生物炭處理均顯著高于CK 處理，表現為隨施炭量增加而提高，B1、B2和B3 處理分別比CK 處理提高29.12%、39.17% 和58.91%，平均提高42.40%。可見，施用生物炭對促進大豆葉片光合產物（蔗糖）積累具有重要作用。

表4 生物炭對連作大豆光合產物積累的影響Table 4 Effects of biochar on soybean photosynthetic product accumulation under continuous cropping

2.3.3 大豆葉片干物質量與產量

如圖5 所示，施用生物炭可顯著提高大豆葉片干物質量，表現為隨施炭量增加而提高，B1、B2、B3處理分別比CK 處理提高41.77%、54.71%、58.77%，平均提高51.75%。由此可見，生物炭在提升大豆光合能力及產物積累的同時，有效增加了葉片干物質積累，為后期產量形成奠定了基礎。大豆最終產量如圖6 所示，生物炭處理均高于CK處理，表現為隨施炭量的增加而提高，其中B2、B3 處理的大豆產量分別比CK 處理顯著提高7.69%、15.38%。

圖5 生物炭對連作大豆葉片干物質量的影響Figure 5 Effects of biochar on dry matter weight of soybean leaves under continuous cropping

圖6 生物炭對連作大豆產量的影響Figure 6 Effects of biochar on soybean yield under continuous cropping

2.4 產量形成與光合生理特性的相關分析

相關分析結果（圖7）表明，在生物炭長期存在條件下，連作大豆產量與葉綠素a、凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）以及可溶性糖含量（Ssug）呈顯著正相關，對應的pearson 相關系數分別為0.957、0.958、0.985、0.952 和0.981（P＜0.05）。這進一步說明施用生物炭可通過提升大豆自身光合生理功能及其產物積累，對連作大豆產量產生重要影響。

圖7 連作大豆產量形成與光合生理特性的相關分析Figure 7 Correlation analysis of soybean yield formation and photosynthetic physiological characteristics under continuous cropping

3 討論

3.1 生物炭對連作大豆光合生理指標的影響

理想的植物冠層是截獲和有效利用光能的重要基礎條件。本研究發現，施用生物炭可提高連作大豆葉面積及葉面積指數，形成可更多利用光能的群體冠層結構特征，為提高大豆光合能力及效率提供了良好的構型條件。諸多研究表明，生物炭可改良土壤結構，改善土壤水、氣、熱、肥等作物生長環境條件，促進作物根系生長以及植株對土壤養分、水分的吸收利用[24]，為葉片生長提供有效的“源”物質供應，從而促進葉片生長、增加葉面積、提高葉面積指數，為充分接收、利用光能提供了有利條件。

本研究還發現生物炭可提高連作大豆葉綠素含量以及凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度，降低胞間CO2濃度，大豆光合能力明顯提升。葉綠素是植物體進行光合作用的重要載體，本研究中生物炭介導的連作大豆葉綠素a、b 以及總葉綠素含量明顯提高。一般認為，N、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等養分元素是植物體參與葉綠素形成所必需的重要元素。研究表明，生物炭含有種類豐富的養分元素，其中包括N、P、K 等大量元素以及Mg、Fe、Mn、Cu、Zn 等植物體葉綠素合成所必需的中微量元素[7]，且由于生物炭比表面積大、吸附力強，可提高土壤大量養分元素和礦質元素含量[25]，從而為植物體葉綠素合成提供了充足的養分來源。另外，生物炭呈堿性，可提高土壤pH，影響土壤養分有效性，為植物體提供更多可利用的有效養分，從而促進植物體對養分的吸收和利用[26]，進而影響植物體葉綠素合成。

葉面積指數提高為提升植物體光能利用率創造了構型條件，而生物炭介導的植物體葉綠素增加，則為提高大豆光合生理能力提供了重要的代謝物質基礎。另外，由于生物炭本身含有極其豐富的多微孔，且具有較強的吸附力，因此可增加土壤孔隙度，提高土壤通氣透水性，提升土壤溫度，改善土壤水、溫、氣等環境因子[27]，并進而影響大豆光合生理進程。特別地，生物炭可通過釋放、吸持以及促進微生物分解、礦化等作用途徑，提高土壤N、P、K 等養分含量及其有效性[24-25]。其中，K 是植物體進行光合作用的必要元素，K匱乏可導致葉綠素含量下降、CO2擴散受阻及羧化受限[28-29]，而生物炭對K 的增促調控有效避免了K匱乏的負效應。P 則是參與CO2富集、卡爾文循環和組成電子傳遞系統蛋白質的主要元素，可影響植物光合速率和干物質積累[30]，生物炭對土壤P 的促控作用，也為提高植物光合能力提供了養分基礎和條件。此外，土壤有機質損失可導致作物光合作用和產量下降[31-32]，生物炭富碳，施入土壤可增加土壤碳匯，提高土壤有機質，從而促進植物光合作用。與此同時，本試驗發現葉片水-溫、胞間CO2濃度和植物光合效率之間的協同作用，可能主要來源于生物炭的多微孔結構，該結構可提高土壤持水能力[33]，為大豆生長提供充足水分，從而為提高葉片蒸騰速率、增加氣孔導度提供了驅動力，而蒸騰速率、氣孔導度以及光合作用升高耗用更多CO2，使葉片胞間CO2濃度降低，同時代謝活動的增強，也進一步增加了熱耗散，從而降低了葉片溫度，這種協同響應使植物體處于高效光合狀態。而進一步的研究發現，施用生物炭尤其是高施炭量處理的PSⅡ反應中心內Fv/Fm、Fv/Fo 和PSⅡ反應中心Fo/Fm 也明顯提高，植物效率提升。葉綠素熒光參數變化反映植物葉綠體光系統PSⅠ、PSⅡ（主要是PSⅡ）的光能吸收利用、傳遞及耗散過程，體現植物體光合的驅體變化及生理效率。本研究中，生物炭通過增加大豆光合代謝底物、擴大受光葉面積、提高光合速率來提高大豆光合生理能力，使大豆葉片避免強光脅迫而發生光抑制，提高PSⅡ反應中心的光能轉化率及其實際光合代謝能力，從而提高大豆光合的植物效率。

3.2 生物炭對連作大豆光合產物形成與積累的影響

碳、氮代謝是植物體最為重要的代謝途徑，決定著光合產物的形成與積累。本試驗表明，生物炭的輸入可提高大豆葉片可溶性蛋白含量，說明氮代謝活躍程度提高，植株氮代謝庫增加[34]。而可溶性糖、蔗糖和淀粉是植物碳代謝的主要產物，其含量變化與光合作用密切相關[35]。本研究中，生物炭提高了大豆光合能力及效率，促使光合產物（碳水化合物）增加，同時土壤水分、養分等理化特性的改善，為可溶性糖、蔗糖及淀粉的合成、轉化等提供了充足的代謝底物供應，從而增加了碳代謝產物，并進一步體現于葉片干物質積累的增加。

總體來看，施用生物炭可提高連作大豆光合代謝的基礎（葉綠素含量及葉面積）、光合生理能力（凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度）及植物效率（光系統PSⅡ的Fv/Fm、Fv/Fo和Fo/Fm），促進大豆光合產物積累，增加葉干物質量，從而提高連作大豆產量。有研究表明，在白漿土中施用生物炭可有效改良土壤，使大豆產量隨連作年限增加而呈上升趨勢[8]，而在黑土坡耕地連續施用2 a生物炭（50 t·hm-2），第二年的大豆產量比第一年提高15.23%[36]，這與本研究結果基本一致。通過相關分析進一步發現，生物炭長期存在條件下介導的連作大豆葉綠素a、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、可溶性糖含量與產量呈顯著正相關，是影響連作大豆產量的重要因子。生物炭介導下的大豆光合生理正向、協同響應，是其促使連作大豆增產的重要途徑，為促進大豆產能提升和可持續發展提供了新途徑。

4 結論

（1）生物炭長期存在可提高連作大豆葉綠素含量、葉面積及葉片干物質量，為光合反應提供重要物質基礎和條件。同時，生物炭可提高大豆凈光合速率、蒸騰速率及光合植物效率（光系統PSⅡ），降低胞間CO2濃度，增強大豆光合生理功能。

（2）生物炭可提升大豆可溶性蛋白、可溶性糖及蔗糖含量，增加大豆光合產物積累，提高連作大豆產量，其中高炭量處理（48 t·hm-2）的增產作用更明顯。

（3）生物炭介導的連作大豆葉綠素a 含量、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度及可溶性糖含量與產量呈顯著正相關，是調控連作大豆增產的重要因子。生物炭可提高連作大豆光合能力及產量，對提升大豆種植面積和產能、促進大豆生產可持續發展具有重要的現實意義。