作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2013, 39(8): 1445−1451/zwxb/ ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9E-mail: xbzw@本研究由国家自然科学基金项目(31101105), 院士专项基金和辽宁工程技术研究计划基金项目(2011402021)资助。
*通讯作者(Corresponding author): 陈温福, E-mail: wfchen5512@Received(收稿日期): 2012-11-06; Accepted(接受日期): 2013-04-22; Published online(网络出版日期): 2013-01-04. URL: /kcms/detail/11.1809.S.20130104.1734.005.htmlDOI: 10.3724/SP.J.1006.2013.01445生物炭对水稻根系形态与生理特性及产量的影响张伟明 孟 军 王嘉宇 范淑秀 陈温福*沈阳农业大学 / 辽宁省生物炭工程技术研究中心, 辽宁沈阳110866摘 要: 为明确生物炭对水稻根系与产量的效应, 探明生物炭在水稻生产上应用的潜力与价值。
采用盆栽试验研究了生物炭对超级粳稻不同生育期根系生长、形态特征及生理特性的影响。
结果表明, 土壤中施入生物炭能增加水稻生育前期根系的主根长、根体积和根鲜重, 提高水稻根系总吸收面积和活跃吸收面积。
在水稻生育后期, 生物炭在一定程度上延缓了根系衰老。
根系伤流速率与根系活力在整个生育期内均高于对照, 同时维持了较为适宜的根冠比, 根系生理功能增强; 生物炭处理的水稻产量增加, 表现为每穴穗数、每穗粒数、结实率提高, 比对照平均增产25.28%。
以每千克干土加20 g 生物炭处理的产量最高, 比对照提高了33.21%。
生物炭处理对水稻根系形态特征的优化与生理功能的增强具有一定的促进作用。
关键词: 生物炭; 水稻; 根系性状; 产量Effect of Biochar on Root Morphological and Physiological Characteristics and Yield in RiceZHANG Wei-Ming, MENG Jun, WANG Jia-Yu, FAN Shu-Xiu, and CHEN Wen-Fu *Shenyang Agricultural University, Biochar Engineering Technology Research Center of Liaoning Province, Shenyang 110866, ChinaAbstract: A pot experiment was conducted to clarify the effects of biochar on roots and yield of super japonica rice and the ap-plicable value of biochar in rice production. In early growing stage, biochar application increased the main root length and volume and fresh weight of roots, leading to enlarged root total absorption area and active absorption area. In late growing stage, biochar application delayed root senescence in some extents and maintained relatively high activity of rice roots. Compared to the control, biochar treatments showed higher root physiological activity, which resulted in increased bleeding rate and root activity in the whole growing period. The average yield of biochar treatments was 25.28% higher than that of the control, due to improved pani-cle number per hill, grain number per panicle, and seed-setting rate. The optimal amount of biochar application was 20 g in one kilogram of dry soil, which produced the highest yield with 33.21% increase over the control. Therefore, biochar is favorable to optimize root morphology and physiological characteristics in rice. Keywords: Biochar; Rice; Root traits; Yield生物炭(Biochar), 通常是指以自然界广泛存在的生物质资源为基础, 利用特定的炭化技术, 由生物质在缺氧条件下不完全燃烧所产生的富碳产 物[1]。
常见的生物炭有秸秆炭、木炭、花生壳炭等。
生物炭可溶性极低, 具有高度羧酸酯化和芳香化结构[2-3], 生物质在炭化后具有较大的孔隙度和比表面积[2], 吸附能力强, 成为可应用于农业、工业等领域的一种理想材料。
近年来, 生物炭受到农业、环境、能源等领域专家们的广泛关注, 被誉为“黑色黄金”。
国内外相关研究结果表明, 生物炭施入农田土壤后可改变土壤理化性质, 对提高肥料利用效率, 增加作物产量,促进农业可持续发展等都具有重要作用[4-10]。
来自巴西亚马逊河地区的田间试验表明, 在土壤中施入生物炭(以11 t hm −2标准), 2年4个生长季后水稻和高粱产量累积增加了约75% [8]。
而在热带与亚热带地区施用生物炭发现, 除了可使大豆、玉米等作物增产外, 植株中的镁、钙含量也明显增加[11]。
生物炭1446作物学报第39卷对不同作物有一定促长、增产作用, 已成为国内外研究学者的普遍共识。
但也有研究认为, 生物炭的增产作用有一定“适用范围”。
当生物炭施用量在0.5 t hm−2时, 作物产量有降低趋势[12]。
作物生产受到气候环境、土质等诸多因素影响, 生物炭在不同区域的作用也不尽一致。
因此, 有必要开展不同生态气候区, 特别是在我国自然环境和土壤条件下生物炭的作物学效应研究。
根系是作物吸收养分、水分和合成某些内源激素的重要器官, 其发育状况与地上部器官的形态建成和产量密切相关[13-16]。
而生物炭施入土壤后, 成为土壤的直接“接触者”, 必然会引起根系的适应性响应。
因此, 研究生物炭对根系生长的影响具有重要意义。
目前, 在我国北方耕作条件下, 有关生物炭对水稻根系影响的相关研究报道较少。
本文研究了生物炭不同施用量对北方超级粳稻根系的形态特征与生理特性的影响, 旨在为生物炭在水稻生产上的应用提供参考。
1材料与方法1.1试验材料2009—2010年在沈阳农业大学水稻研究所成果转化基地进行盆栽试验, 盆口直径25 cm, 高22 cm。
盆栽土壤为沙壤土(偏沙), pH 6.52, 含有机质28.8 g kg−1、全氮1.19 g kg−1、碱解氮28.6 mg kg−1、速效磷6.08 mg kg−1、速效钾61.36 mg kg−1。
供试水稻品种为北方粳稻沈农265。
试验用生物炭原材料为玉米秸秆, 粒径1.5~2.0 mm。
生物炭pH 9.23, 含氮1.53%、磷0.78%、钾1.68%, 由辽宁金和福农业开发有限公司生产提供。
1.2试验方法设4个处理, 处理1为对照, 不添加生物炭(对照); 处理2为每千克干土加生物炭10 g, 折合每盆加生物炭75 g (C1); 处理3为每千克干土加生物炭20 g, 折合每盆加生物炭150 g (C2); 处理4为每千克干土加生物炭40 g, 折合每盆加生物炭300 g (C3)。
随机区组试验设计, 各处理重复3次, 每个重复10盆。
盆栽用土全部过5 mm筛, 每盆装土8.6 kg (含水量12.8%, 折合干土重7.5 kg), 将生物炭与土壤充分混匀后沉积1周备用。
5月29日选择长势相对一致的秧苗移栽, 每盆两穴, 每穴1株。
移栽后施氮肥(尿素, 300 kg hm−2)、磷肥(磷酸二铵, 225 kg hm−2)、钾肥(氯化钾, 150 kg hm−2), 另在抽穗期前增施穗肥(尿素, 75 kg hm−2), 每盆用量按上述施肥标准折算, 按常规水稻大田生产规程管理。
1.3测定项目分别于分蘖期(7月8日)、拔节期(7月26日)、抽穗期(8月15日)、灌浆期(9月6日)取样, 每处理取6盆。
将每盆植株连根带土全部放入40目尼龙筛网袋里, 用水浸泡约30 min, 然后用流水小心冲洗根系后, 以单株为单位测定根系鲜重、根体积、根系氧化力、根系吸收面积。
先用滤纸轻拭擦干根系表面水分, 用电子天平称量根系鲜重, 同时测定该株地上部总鲜重, 计算根冠比。
于测定当日晚18:00从距盆内土壤表面5 cm处横切断植株, 用已称量好的脱脂棉覆盖切口处, 外围用自封袋包扎收集伤流液, 次日晨8:00取下脱脂棉称重, 每次收集14 h, 利用脱脂棉前后重量之差计算伤流速度。
用排水法测定根体积[17], 用甲烯蓝比色法[17]测定根系总吸收面积与活跃吸收面积, 用α-NA氧化法[18]测定根系氧化力。
成熟期取每处理5盆测定单株产量和产量构成因素相关指标。
两年试验结果趋势基本一致, 采用2010年的数据统计分析根系形态特征与生理特性, 采用2009年与2010年两年数据的平均值统计分析产量。
利用Microsoft Excel和SPSS17.0软件处理与分析数据, 采用Duncan’s差异显著分析方法多重比较各处理。
2结果与分析2.1 生物炭对水稻根系形态特征的影响2.1.1 对根系主根长、根体积与根鲜重的影响 如表1所示, 生物炭处理的水稻单株主根长在不同生育期均高于对照, 其中在分蘖期, C1、C3处理与对照差异显著。
可见, 在水稻生长前期, 生物炭有利于提高根系深度下扎, 促进根系纵向生长。