生物炭对水稻根系形态与生理特性及产量的影响

Effect of Biochar on Root Morphological and Physiological Characteristics and Yield in Rice
ZHANG Wei-Ming, MENG Jun, WANG Jia-Yu, FAN Shu-Xiu, and CHEN Wen-Fu*
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
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。
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
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
生物炭对根系体积也产生了重要影响。在分蘖 期与拔节期, 生物炭处理的根体积均大于对照。分 蘖期根体积表现为 C1>C2>C3>CK, 生物炭处理与 对照差异显著, 较低施炭量对促进根系体积增长的 作用明显。在抽穗期, 生物炭对根系体积增长的影 响不大。而到了灌浆期, 根体积表现为 C3>C2>C1> CK, 随炭量增加而增大, 高施炭量处理(C3)与其他 各处理差异显著, 作用明显。由此可见, 生物炭可在 生长后期保持一定根系体积, 从而延缓根系衰老, 有利于满足后期地上部对养分的需求。
第8期
张伟明等: 生物炭对水稻根系形态与生理特性及产量的影响
1447
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
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。
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
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。但随着生 育期推进, 生物炭处理与对照之间的根长差异逐渐 缩小, 无明显影响。
(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。Baidu Nhomakorabea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。
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@126.com 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: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20130104.1734.005.html
Shenyang Agricultural University, Biochar Engineering Technology Research Center of Liaoning Province, Shenyang 110866, China
Abstract: A pot experiment was conducted to clarify the effects of biochar on roots and yield of super japonica rice and the applicable 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 panicle 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
作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2013, 39(8): 1445−1451 ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9
http://www.chinacrops.org/zwxb/ E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2013.01445
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。
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。