生物炭提高油菜產量的策略：促進油菜根系生長

摘要：為了研究紫色土壤中補充生物炭對油菜生長的影響，我們設計了1個對照盆栽實驗，其中包含3個不同的生物炭水平，分別為CK（無生物炭）、T1（低生物炭）和T2（高生物炭）。每個處理設置3次重復。研究結果表明，油菜的株高和莖徑參數分別增加了6.15%-9.80%和16.37%～20.11%。此外，施用生物炭還顯著促進了油菜根系的生長，油菜根系總長度增加了約59.20%～67.57%，根系表面積相應增加了49.95%～62.83%。綜合以上結果，生物炭能促進油菜根系生長發育，從而增加其產量潛力。

關鍵詞：生物炭；油菜；根系生長；產量

在農業生產領域，施肥是最重要的農藝干預措施，具有提高作物產量的直接潛力。然而，農業用地開發和利用強度的不斷提高導致化肥使用量大幅增加。雖然化肥使用量的增加使作物產量顯著提高，但同時也引發了一些備受關注的問題。這些問題包括對化肥的大量資金投入、農業生產與投資的比率明顯下降、土壤板結和土壤酸化。這不僅造成了化肥的大量浪費，還造成了嚴重的污染和生態危害。

生物炭是一種黑色固體物質，是有機生物質在缺氧條件下熱解的產物。Liu等（2019年）在我國四川省廣漢市進行的一項研究中發現，生物炭能夠顯著降低水稻土的容重[1]。然而，生物炭對土壤飽和水傳導性的調節作用隨著施用年限的延長而減弱。

有研究表明，生物炭的使用導致了旱地紅壤的全氮含量增加。施用生物炭之前，土壤全氮含量在0.83～1.07 g/kg。施用生物炭一年后，高比例施用生物炭（30～40 t/hm2）使土壤全氮含量分別大幅增加了41.9%和 40.8%。此外，生物炭還是一種顯著的磷源，Chintala 等（2014年）的研究表明，生物炭富含磷，尤其是在玉米秸稈炭的情況下[2]。

總之，國內外學者在利用生物炭改良土壤方面開展了大量研究。然而，我們必須認識到，生物炭的應用效果經常會產生不同的研究成果，這主要歸因于土壤類型的固有差異。值得注意的是，關于生物炭在紫色土中的應用效果的研究相對匱乏，這表明目前在這一特定領域存在知識空白。

1 材料和方法

1.1 試驗地點及試驗設計

試驗在我國西南大學農學與生物技術學院的可控溫室設施內進行。研究時間為2021年9月—2022年5月。溫室內不使用輔助人工照明，光照強度和光周期等環境條件與外部環境條件同步。進行了盆栽對照實驗，包括3個不同的處理，每個處理重復3次。第1種處理涉及不同的生物炭施用量，具體如下：CK（不施用生物炭，施用量為0 t/hm2）、T1（低施用量生物炭，施用量為35 t/hm2）和T2（高施用量生物炭，施用量為50 t/hm2）。每盆土壤、生物炭和肥料的總重量統一為5 000 g。按照當地的種植習慣種植。

1.2 植株和產量分析

系統收集油菜植株在4個不同生長階段的相關數據，即幼苗期、現蕾期、開花期和成熟期。油菜植株在2022年5月底收獲。將植物從各自的花盆中取出后，將它們仔細地分成莖和莢。在75℃的烘箱中干燥48 h后，測定植物樣本的干物質含量。

為了分析根系參數，在開花期采集了植物根系，

并進行了細致的除土處理。使用根掃描儀（Epson Perfection

V700）在裝有少量水的透明塑料托盤中評估根的特征，包括根的總長度、根的表面積、根的體積和根的平均直徑。數據分析采用 WinRhizo Pro 3.10，2007。

1.3 統計分析

數據分析采用了因子方差分析（ANOVA）技術。隨后，只對方差分析結果中具有統計學意義的結果進行事后分析，采用最小顯著性差異（LSD）檢驗，顯著性水平設定為0.05。這些統計程序是利用SPSS軟件17.0版

進行的。使用 Microsoft Excel 生成了數據圖表。

2 結果

2.1 生物炭對油菜生長、產量和產量成分的影響

研究結果表明，施用生物炭也導致了葉片和莖干重的增加，如表1所示。在萌芽期，施用生物炭會顯著增加葉片干重，與CK相比，T1和T2的葉片干重分別增加了116%和75%。莖干重的增加主要集中在萌芽期和開花期。但值得注意的是，在成熟期，T1和T2的莖干重比CK分別減少了17.51%和10.4%（表2）。如表2所示，施用生物炭大大提高了油菜籽的產量成分。值得注意的是，與CK相比，T1和T2的豆莢數分別增加了31.70%和28.90%。此外，與CK相比，T1和T2的有效莢數分別大幅增加了33.73%和18.16%。此外，與CK相比，T1和T2的豆莢干重分別增加了16.38%和18.90%。

2.2 生物炭對油菜根系生長的影響

如圖1所示，施用生物炭對油菜根系生長有顯著影響。施用生物炭后，油菜根系在整個生長階段的總長度明顯增加，在萌芽階段的影響尤為明顯。在萌芽期，相對于對照組（CK），處理組T1和T2的根系總長度分別大幅增加了143.09%和190.44%。此外，在開花期，與對照組（CK）相比，處理組T1和T2的總根長分別增加了67.57%和59.20%。與根的總長度類似，施用生物炭也對油菜根的表面積產生了明顯的影響。在無性生長階段，生物炭的影響微乎其微，但在其他生長階段，生物炭的施用顯著增加了根表面積。同樣，在開花期，與CK相比，T1和T2的根表面積分別增加了62.83%和49.95%。值得注意的是，生物炭的引入導致油菜的平均根徑略有減少。在植物生長期，與CK相比，T1和T2的平均根徑分別增加了17.28%和11.11%。油菜根系體積的變化規律與根系表面積相似。雖然生物炭在幼苗期的影響極小，但在其他生長階段，生物炭的應用卻能顯著增加根

系體積。

3 討論

3.1 施用生物炭對生長、產量和產量成分的影響

本研究結果表明，施用生物炭，尤其是施用量較低時，對油菜的株高、莖直徑和干物質重量有很大的積極影響。這一結果與早先在水稻和燕麥方面的研究結果一致，都證明了生物炭對植物生長的有益影響[3]。造成這種影響的一個合理解釋是，生物炭能夠增強土壤的物理化學性質，從而改善土壤的滲透性和肥力[4]。這些改善為油菜根系創造了有利環境，最終促進了植物地上部分的生長和發育。有理由認為，在施用生物炭后觀察到的作物產量增加可能與作物光合能力增強和根系發育更健壯有關。

3.2 施用生物炭對根系生長的影響

在根系研究領域，在高地水稻種植中施用生物炭可以提高土壤的滲透性，從而刺激根系生長。研究表明，在無性生長階段，將生物炭加入土壤后，作物根系的生長和發育更為出色。與不添加生物炭的處理相比，添加生物炭有助于加快根系生長。我們的研究同樣發現，在油菜籽生長的各個階段，施用生物炭都能顯著促進根系生長，其中低比例生物炭在這方面更為有效。這一結果可能是由于過量施用生物炭造成的不利影響，生物炭會阻礙油菜根系與土壤建立充分接觸的能力。施用生物炭能促進油菜干物質重量和根系生長，最終轉化為產量的增加。與不施用生物炭相比，施用低比例生物炭可增加總莢數、有效莢數、千粒重和總產量。Agegnehu等（2016年）在大麥中也發現了類似的趨勢，施用生物炭與堆肥結合可促進秸稈生長，提高作物產量[5]。此外，Qian等（2014年）闡明了結合有機物施用生物炭是提高水稻產量和開發土壤中炭基肥料載體的一種新方法[6]。

4 結論

研究結果表明，生物炭的摻入顯示出了促進油菜籽植株生長發育的潛力，最終提高了油菜籽的產量。但需要注意的是，過度使用生物炭可能會降低油菜根生長的能力，從而降低油菜植株的光合能力，最終導致總產量下降。

參考文獻

[1] Liu X，Zhou J，Chi Z，et al.Biochar provided limited

benefits for rice yield and greenhouse gas mitigation six

years following an amendment in a fertile rice paddy[J].Catena，2019，179：20-28.

[2] Chintala R，Schumacher T E，Mcdonald L M，et al.

Phosphorus Sorption and Availability from Biochars and

Soil/Biochar Mixtures[J].CLEAN-Soil，Air，Water，2014，42（5）：626-634.

[3] Bair D A，Anderson C G，Chung Y，et al.Impact of biochar

on plant growth and uptake of ciprofloxacin，triclocarban

and triclosan from biosolids[J].Journal of Environmental

Science and Health，2020，55（11）：990-1001.

[4] Yan T，Xue J，Zhou Z，et al.Biochar-based fertilizer

amendments improve the soil microbial community

structure in a karst mountainous area[J].Science of The

Total Environment，2021，794：148757.

[5] Agegnehu，Getachew，Nelson，et al.The effects of

biochar，compost and their mixture and nitrogen fertilizer

on yield and nitrogen use efficiency of barley grown on a

Nitisol in the highlands of Ethiopia[J].Science of the Total Environment，2016，569：869-879.

[6] Qian L，Chen L，Joseph S，et al.Biochar compound fertilizer as an option to reach high productivity but low carbon intensity in rice agriculture of China[J].Carbon Management，2014，5（2）：145-154.