生物炭和秸稈對不同作物生長性狀和養(yǎng)分吸收的影響

關(guān)鍵詞：作物種類；根系；養(yǎng)分吸收；生物炭；玉米秸稈

化肥因其便利性和高效益被大量應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，但過度施用化肥導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化、土壤生態(tài)被破壞，限制了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。土壤環(huán)境和質(zhì)量的惡化影響了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，嚴(yán)重威脅我國糧食安全[2]。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在兩大主要問題：一是土壤生態(tài)環(huán)境惡化，土壤質(zhì)量降低；二是土壤中多限制因子的共同作用，肥料施用量與作物產(chǎn)量和品質(zhì)非完全正相關(guān)[3]。氮（N）、磷（P）、鉀（K）是作物生長必需的營養(yǎng)元素，在作物生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤養(yǎng)分主要依賴化肥的施用[4]，導(dǎo)致農(nóng)田環(huán)境污染嚴(yán)重。

生物炭作為外源有機(jī)物料，在改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤中物質(zhì)循環(huán)、增加土壤養(yǎng)分、提高土壤質(zhì)量等方面有重要作用[5]。研究表明，生物炭施入土壤后，土壤總孔隙度增加2.00%～3.00%、容重減少3.00%～5.00%[6]。水分脅迫負(fù)向影響土壤的生化性質(zhì)，而生物炭改性則正向改善這些性質(zhì)[7]。徐強(qiáng)等[8]研究表明，施用生物炭使土壤保水能力提高15.10%，土壤中作物可利用的水分含量得到有效提升，土壤田間持水量提高18.00%。生物炭對土壤礦質(zhì)養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量的正向作用也得到證實(shí)[7， 9-11]。生物炭的高孔隙度能增強(qiáng)土壤中的微生物活性，促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)的分解[12]，增強(qiáng)作物養(yǎng)分吸收，促進(jìn)作物生長[13]。適量施用生物炭可有效緩解連作障礙，有利于土壤健康發(fā)展[14]。1981—2020年，我國農(nóng)作物秸稈總量增長4.39×108 t，且總體仍呈不斷增長的趨勢；2020年全國作物秸稈理論資源總量約7.72×108 t，其中水稻、小麥和玉米秸稈仍是主要的農(nóng)作物秸稈種類，約占秸稈資源總量的84.00%[15‐16]。然而，長期以來秸稈被作為廢棄物丟棄或焚燒，給土壤和生態(tài)環(huán)境造成了破壞[17‐18]。秸稈作為有機(jī)物，含有豐富的養(yǎng)分資源。宋大利等[19]研究表明，將秸稈全量還田帶入農(nóng)田的平均養(yǎng)分量高達(dá)N 54.4 kg·hm-2、P2O5 15.5 kg·hm-2、K2O 88.1 kg·hm-2，相當(dāng)于化肥用量的38.4%（N）、18.9%（P2O5）和85.5%（K2O）。

當(dāng)前，對生物炭和秸稈影響土壤性質(zhì)和作物生長的研究主要集中在糧食作物方面，初步確定了生物炭和秸稈對作物生長與產(chǎn)量的影響，并確定了生物炭和秸稈在改良土壤中的重要功能；而對于其他作物的研究較少。不同作物對生物炭和秸稈添加的響應(yīng)會因作物種類和生長習(xí)性而存在差異，為探究生物炭和秸稈對種植不同作物土壤理化性質(zhì)和作物生長的影響，選取4種不同科屬作物（根系形態(tài)存在差異）作為供試材料開展研究。通過室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，以不添加外源物料為對照，系統(tǒng)地研究稻殼生物炭和玉米秸稈以及二者配施對不同科屬作物根系性狀和養(yǎng)分吸收的影響，揭示其對不同科屬作物根系性狀和養(yǎng)分效率的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2022年6月13日至7月20日在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)（38°49′23'' N、115°26′31'' E）科研大樓光照培養(yǎng)室進(jìn)行。供試土壤取自河北省保定市滿城區(qū)大固店村（38°87′N、115°34′E）閑置2年的低磷土壤，并經(jīng)盆栽試驗(yàn)（種植作物為白菜）處理后混勻，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如下：土壤pH 8.05，水溶性鹽總量1.28 g·kg-1，有效磷含量142.93 mg·kg-1，速效鉀含量201.72 mg·kg-1，全氮含量1.81 g·kg-1，有機(jī)碳含量15.9 g·kg-1。塑料盆規(guī)格為內(nèi)徑25 cm，底直徑13 cm，盆高15 cm。每個(gè)盆放入1.0 kg風(fēng)干土。

供試作物：白菜（Brassica rapa var. GlabraRegel），十字花科蕓薹屬植物，直根系、淺根性；冰草[Agropyron cristatum （L.） Gaertn.]，禾本科冰草屬植物，具下伸根莖、根須狀；石竹（Dianthuschinensis L.），石竹科石竹屬植物，根系發(fā)達(dá)、養(yǎng)分和水分吸收快；紫花苜蓿（Medicago sativa L.），豆科苜蓿屬植物，根粗壯、深入土層、根莖發(fā)達(dá)。

供試物料：①稻殼質(zhì)生物炭，pH 7.63，全磷含量1.85 g·kg-1，全鉀含量32.19 g·kg-1，全氮含量5.04 g·kg-1，有機(jī)碳含量369.28 g·kg-1；②玉米秸稈，pH 7.40，全磷含量1.28 g·kg-1，全鉀含量12.58 g·kg-1，全氮含量9.51 g·kg-1，有機(jī)碳含量404.44 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)采用雙因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。供試作物為白菜、冰草、石竹和紫花苜蓿4種，設(shè)置不添加物料和分別添加稻殼質(zhì)生物炭3 g·盆-1、玉米秸稈3 g·盆-1、稻殼生物炭3 g·盆-1+玉米秸稈3 g·盆-1共4種外施物料處理，共16個(gè)處理，每個(gè)處理4次重復(fù)。土壤經(jīng)過風(fēng)干后過2 mm土篩，過篩后混合均勻，每個(gè)盆裝入1.0 kg風(fēng)干土。使用研磨機(jī)將生物炭和玉米秸稈粉碎并過20 mm篩后與土壤充分混合均勻，按播種量的5倍選取完好的種子，先用10% H2O2 浸泡30 min 滅菌，然后使用飽和CaSO4溶液進(jìn)行浸種并通氣12 h。浸泡完成后在濕潤濾紙上避光催芽30 h。每盆播種3粒種子，出苗1周后，選取長勢較好且均勻的幼苗并間苗至每盆1株。試驗(yàn)期間，通過稱重法（稱取盆土重量）使土壤含水量保持在田間持水量的60%±10%，溫室平均溫度為20 °C，空氣相對濕度為44%～55%。播種時(shí)間為2022 年9 月15 日，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間為2022年10月15日，共30 d。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤pH和養(yǎng)分含量的測定 收集盆栽土壤并對土壤進(jìn)行陰干處理，參照鮑士旦[20]的方法，采用1∶5水土比測定土壤pH，采用火焰光度計(jì)法測定土壤有效鉀含量，采用油浴-K2Cr2O7滴定法測定有機(jī)碳含量，采用凱氏定氮法測定土壤全氮含量，采用NaHCO3浸提?鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量。

1.3.2 作物生長指標(biāo)的測定 收獲前1 d用測量尺和游標(biāo)卡尺分別測量植物的株高和莖粗。收獲時(shí)，用剪刀將植株地上部與根部分離，稱取植株地上部鮮重；將植株放入信封中，放入烘箱中105 ℃殺青30 min后轉(zhuǎn)為75 ℃烘干至恒重并稱取干重。

輕輕去掉植株根部的大塊土壤，用自封袋收集粘附于植株根上最內(nèi)部的土壤，從而獲取植株根際土用以測定根際土壤pH。隨后將根系用自來水沖洗干凈，用吸水紙吸水后放入自封袋中，置于-20 ℃保存。將根系置于透明塑料托盤中，在水中將根系散開，通過掃描儀（Epson Expression1600 pro， Nagano， Japan）對根系進(jìn)行掃描（分辨率400 dpi）。掃描得到的根系圖像使用Win-Rhizo軟件（Regent Instruments Inc.， Quebec， QC， Canada）進(jìn)行分析，獲取根長、根系直徑等根系參數(shù)。隨后將植物根系放入信封中，于烘箱中105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒重并稱取干重。采用以下公式計(jì)算根冠比和比根長。

1.3.3 植物地上部和根部養(yǎng)分含量的測定 用研磨機(jī)分別將植株地上部和根部研磨為粉狀，以H2SO4-H2O2 法消煮后吸取上清液并加入相關(guān)試劑進(jìn)行顯色，分別以分光光度計(jì)405 nm 波長、700 nm波長和火焰光度計(jì)測定植株地上部和根部的N、P和K含量。植物N含量采用凱氏定氮法進(jìn)行測定，植物P含量采用鉬銻鈧比色法測定，植物K含量采用火焰光度計(jì)進(jìn)行測定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

取作物在不同處理下的均值，以不添加物料為基礎(chǔ)，通過下列公式計(jì)算各指標(biāo)對3種物料處理的變異系數(shù)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016 進(jìn)行整理，采用SPSS 26.0進(jìn)行分析，通過雙因素方差分析檢驗(yàn)作物、物料處理及二者交互作用的顯著性，運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性分析；采用Origin2022 繪制圖表，運(yùn)用Fisher LSD （least-significantdifference）檢驗(yàn)法檢驗(yàn)數(shù)據(jù)在0.05水平的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物和物料處理對土壤pH、養(yǎng)分含量及作物生長性狀的影響

對種植不同作物的土壤養(yǎng)分、pH、植株地上部和根部生長性狀及養(yǎng)分含量進(jìn)行方差分析（表1）發(fā)現(xiàn)，作物、物料處理及二者交互作用對24個(gè)指標(biāo)均有顯著影響（Plt;0.05），其中作物、物料處理及二者交互作用對20 個(gè)指標(biāo)均有極顯著影響（Plt;0.001）。

2.1.1 不同處理對種植不同作物土壤pH和養(yǎng)分含量的影響 由圖1可知，物料處理導(dǎo)致了種植冰草、石竹和紫花苜蓿土壤pH 的差異，添加玉米秸稈降低了種植冰草和石竹土壤的pH，添加生物炭、玉米秸稈以及二者配施均顯著降低了種植紫花苜蓿土壤的pH。添加生物炭、玉米秸稈以及二者配施影響了土壤養(yǎng)分（全氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)碳）含量，變化幅度分別為?28.78%～40.41%、?17.85%～53.20% 和?3.45%～62.51%。種植不同作物的土壤有機(jī)碳含量對物料處理的響應(yīng)存在顯著差異。生物炭、玉米秸稈和二者配施均顯著提高了種植大白菜和石竹的土壤中速效鉀含量，且顯著提高了種植大白菜、冰草和石竹的土壤中的全氮含量。生物炭與玉米秸稈配施顯著提高了種植紫花苜蓿的土壤的速效鉀、全氮和有效磷含量。玉米秸稈以及生物炭與玉米秸稈配施顯著提高了種植冰草的土壤的速效鉀含量。生物炭與玉米秸稈配施顯著提高了種植大白菜、冰草和紫花苜蓿的土壤的有效磷含量。

2.1.2 不同處理對不同作物地上部生長性狀的影響 由圖2可知，添加物料影響了作物地上部的生長。與不添加物料相比，生物炭與玉米秸稈配施使大白菜、冰草和石竹的地上部干重分別顯著增加41.95%、23.74% 和80.89%；生物炭、玉米秸稈和二者配施分別使冰草、石竹和紫花苜蓿的株高增加4.55%～12.48%、3.22%～27.42%和12.76%～37.61%；與不添加物料相比，各處理對大白菜和紫花苜蓿莖粗的促進(jìn)效果為生物炭+玉米秸稈gt;生物炭gt;玉米秸稈；各處理對冰草和石竹莖粗的促進(jìn)效果為玉米秸稈gt;生物炭gt;生物炭+玉米秸稈；生物炭與玉米秸稈配施對大白菜和冰草葉綠素含量的提升效果最好，分別顯著增加20.45%和17.67%；添加生物炭對石竹的葉綠素含量提升效果最好，增幅達(dá)23.24%；玉米秸稈對紫花苜蓿的葉綠素含量提升效果顯著，增幅為15.47%。

2.1.3 不同處理對不同作物根部生長性狀的影響 由圖3可知，與不添加物料相比，生物炭、玉米秸稈以及二者配施均顯著增加了冰草和石竹的根部干重，添加玉米秸稈及二者配施顯著增加了大白菜的根部干重，二者配施顯著增加了紫花苜蓿的根部干重；生物炭、玉米秸稈以及二者配施分別使4 種作物的根長增加22.51%～77.91%、25.86%～80.45%和45.93%～149.24%；石竹的根表面積對生物炭與玉米秸稈配施的響應(yīng)強(qiáng)烈，而紫花苜蓿的根表面積對各物料處理的響應(yīng)差異不顯著。整體上，生物炭與玉米秸稈配施在增強(qiáng)作物根系各性狀方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，包括根直徑、根體積、根尖數(shù)、細(xì)根長和根冠比，但部分作物的某一根系性狀對物料處理的響應(yīng)差異性不顯著。各物料處理對冰草比根長沒有顯著影響；3種物料處理均使石竹比根長顯著降低，降幅為62.51%～72.67%；對于大白菜和紫花苜蓿2種作物，添加生物炭使它們的比根長分別顯著增加48.24% 和18.89%，而添加玉米秸稈及二者配施對大白菜的比根長沒有顯著影響，但顯著降低了紫花苜蓿的比根長。

2.1.4 不同處理對不同作物地上部和根部養(yǎng)分含量的影響 由圖4可知，與不添加物料相比，生物炭、玉米秸稈及二者配施分別使4種作物的地上部N 含量顯著增加21.46%～143.73%、48.07%～162.19% 和65.04%～216.89%；使地上部P 含量增加3.40%～56.77%、32.05%～90.51% 和60.65%～135.69%；使地上部K 含量增加6.90%～46.36%、1.07%～51.32% 和9.82%～ 1.96%；生物炭、玉米秸稈及二者配施分別使根部N 含量增加4.65%～10.12%、13.93%～22.32% 和18.05% ～ 78.06%；使根部P含量增加7.33%～83.64%、27.26%～120.20%和51.51%～290.32%；使根部K 含量增加4.61%～52.96%、15.82%～188.80%和24.17%～238.48%。

2.2 土壤pH、養(yǎng)分含量及作物生長性狀對外施物料的響應(yīng)

土壤pH、養(yǎng)分含量及作物生長性狀等指標(biāo)均受到添加生物炭、玉米秸稈及二者配施的影響（表1）。由圖5可知，土壤有效磷含量、作物細(xì)根長、地上部P含量、根部N和P含量對生物炭、玉米秸稈及二者配施的響應(yīng)存在顯著差異（P lt; 0.05）。土壤有效磷含量、地上部和根部P含量對物料處理的響應(yīng)程度為生物炭+玉米秸稈gt;玉米秸稈gt;生物炭；作物細(xì)根長對物料處理的響應(yīng)程度為生物炭+玉米秸稈gt;生物炭gt;玉米秸稈。

2.3 土壤pH、養(yǎng)分含量及作物生長性狀的相關(guān)性分析

對不同物料處理下土壤pH、養(yǎng)分含量及作物生長性狀進(jìn)行相關(guān)性分析（表2）發(fā)現(xiàn)，作物根系性狀間彼此相互影響，存在顯著相關(guān)性，其中，根長與根表面積呈顯著正相關(guān)，根表面積與根直徑、根體積、根尖數(shù)和細(xì)根長等均呈顯著相關(guān)。作物地上部和根部養(yǎng)分（N、P、K）含量也與根系性狀存在顯著相關(guān)性，地上部K含量與根部干重、根長、根直徑、根表面積、根體積、根尖數(shù)、細(xì)根長均呈顯著正相關(guān)，與比根長呈顯著負(fù)相關(guān)。地上部生長性狀也受到土壤養(yǎng)分和根系性狀的相互作用。

3 討論

3.1 生物炭和玉米秸稈調(diào)節(jié)作物生長

根系與土壤直接接觸，是作物從土壤中吸收和運(yùn)輸養(yǎng)分的重要器官，作物的根系性狀會因土壤養(yǎng)分等環(huán)境變化而作出適應(yīng)性調(diào)整[21‐22]。作物根系形態(tài)的變化與根系吸收養(yǎng)分的能力相關(guān)[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭或玉米秸稈均促進(jìn)了4種作物根部干重的積累，增加了根長、根表面積、根直徑、根體積、根尖數(shù)和細(xì)根長，說明生物炭或玉米秸稈均能促進(jìn)作物根系的發(fā)育。生物炭疏松多孔的特性能改善土壤孔隙度，改善作物根系生長環(huán)境，提高根系生長活力，同時(shí)增加根際分泌物和微生物活性[5， 24]。研究表明，生物炭改善了根際土壤pH、土壤速效養(yǎng)分和總養(yǎng)分含量，增加了大豆（Glycine max L.）的根長、根表面積和根體積[24‐25]，增加根系生物量的積累。同時(shí)，生物炭可能誘導(dǎo)了根系相關(guān)酶的活性，包括超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和抗壞血酸過氧化物酶，刺激了作物根系發(fā)育[25]。玉米秸稈施入土壤被腐解后，其攜帶的養(yǎng)分釋放到土壤中，為作物根系生長創(chuàng)造了良好的營養(yǎng)環(huán)境[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭和秸稈均增加了4種作物的根冠比，這與路文杰等[27]研究結(jié)果相似，生物炭雖降低了作物地上部生物量，但根系生物量比重增加。本研究發(fā)現(xiàn)，添加玉米秸稈及二者配施降低了比根長，表明它們對根長的貢獻(xiàn)更高，原因可能是生物炭會降低土壤的容重，降低作物根系在土壤中受到的物理約束，使根系變得細(xì)長[28]；而生物炭的效果因作物不同表現(xiàn)出差異，4種作物的地上部性狀因施用生物炭和玉米秸稈顯著增強(qiáng)。地上部性狀與根部性狀間存在顯著相關(guān)性，一方面生物炭和玉米秸稈直接增加了土壤養(yǎng)分，促進(jìn)了作物養(yǎng)分吸收和向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)株高、莖粗的發(fā)育和生物量的積累；另一方面，生物炭和玉米秸稈的施用也增高了葉片SPAD含量，加快了光合速率，增強(qiáng)了光合作用，有助于光合產(chǎn)物的積累。生物炭還可通過增加土壤水分保持率而促進(jìn)作物生長[29]。

3.2 生物炭和玉米秸稈調(diào)節(jié)作物養(yǎng)分吸收

生物炭和玉米秸稈自身均含有豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分，施入土壤可改善土壤養(yǎng)分狀況[30]。本研究表明，施用生物炭和玉米秸稈提高了土壤中養(yǎng)分含量，單施生物炭增加土壤養(yǎng)分的作用也十分明顯。生物炭因表面攜帶電荷而具有一定的吸附性，在土壤中通過吸附作用能延長養(yǎng)分在土壤中的滯留，增加養(yǎng)分和有機(jī)碳的固存[31-35]。同時(shí)，生物炭的高孔隙度能為微生物提供適宜的生存環(huán)境，增強(qiáng)土壤中的微生物活性，而微生物能促進(jìn)有機(jī)質(zhì)等物質(zhì)的分解，促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)[12]。秸稈還田也直接補(bǔ)充了土壤養(yǎng)分，為土壤微生物代謝和作物生長提供良好的營養(yǎng)環(huán)境，進(jìn)而提高土壤微生物呼吸[36-40]。研究表明，生物炭與秸稈配施可抑制土壤羥胺還原酶與硝酸還原酶活性，減少土壤NH3揮發(fā)和N2O排放[41‐42]，增加土壤微生物碳、氮含量。生物炭和秸稈對養(yǎng)分的這些保留、微生物活化等作用直接提高了土壤中養(yǎng)分含量。本研究中，施用生物炭、玉米秸稈以及二者配施也增加了作物地上部和根部的養(yǎng)分含量，根長與地上部和根部的養(yǎng)分含量、作物根長與根直徑、細(xì)根長、比根長這些根系形態(tài)間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。生物炭和玉米秸稈促進(jìn)了作物根系的發(fā)育，而作物根系的延伸和擴(kuò)大能增強(qiáng)其與土壤的接觸面積，使根系在土壤中能探索到更廣的空間，增加作物吸收養(yǎng)分的范圍[26， 43]。

3.3 不同科屬作物對外施生物炭和秸稈的響應(yīng)差異

本研究中，除比根長外，4種作物生長性狀及養(yǎng)分吸收效率對生物炭和玉米秸稈添加的響應(yīng)不存在顯著差異，而比根長在一定程度上取決于作物自身的地上部和根部結(jié)構(gòu)分配。研究表明，植物在生長的過程中，體內(nèi)會積累一定量的堿基（有機(jī)陰離子），在熱解過程中，這些堿基被濃縮，使得生物炭呈堿性；生物炭進(jìn)入土壤后，這些堿性物質(zhì)被釋放，提高土壤pH[44-46]。與已有研究結(jié)果不同，本研究中在添加物料后種植冰草和石竹的土壤pH增加，而種植大白菜的土壤pH沒有顯著變化，種植紫花苜蓿土壤pH降低。由于本研究并未對作物根系生理結(jié)構(gòu)以及根際微生物和酶環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證，因此暫時(shí)無法解釋這種差異，這可能與作物根系結(jié)構(gòu)的發(fā)育程度相關(guān)。而其他3種作物的根系較大白菜相對發(fā)達(dá)，在較短的試驗(yàn)周期內(nèi)其對土壤添加物料反應(yīng)可能更加迅速；其中紫花苜蓿具有廣泛的主根系統(tǒng)，根系結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，根系生理活性可能更強(qiáng)烈，能在較短的生長期內(nèi)分泌更多的酸性物質(zhì)中和生物炭和玉米秸稈的堿性。

整體上，生物炭和玉米秸稈對4種作物生長均有顯著的促進(jìn)作用，4種不同科屬作物對施用生物炭和玉米秸稈的響應(yīng)未展現(xiàn)出明顯差異。但與不添加物料處理相比，都表現(xiàn)出顯著的積極作用。生物炭和玉米秸稈直接增加了土壤中全氮、速效鉀和有效磷等土壤養(yǎng)分含量，同時(shí)也促進(jìn)了4種作物的根長、根表面積、根直徑和根體積等根系形態(tài)特征生長。生物炭和玉米秸稈通過增強(qiáng)根系發(fā)育來增加土壤中養(yǎng)分的可利用性，促進(jìn)作物的養(yǎng)分吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，來增強(qiáng)地上部性狀。