生物炭施入量对大豆生长发育及产量的影响

侯伟男，刘靖愉，邢一唱，刘泽华，臧永奎，袁 梅，高 宇，史树森

（1吉林农业大学植物保护学院，长春 130118；2北京三聚绿能科技有限公司，北京 100080）

0 引言

生物炭是由木材、秸秆等生物材料在缺氧条件下热化学转化产生的高度芳香的固态物质，其孔隙度高，表面官能团丰富，具有吸附能力极强、抗氧化、耐分解等优点[1-3]。生物炭在农业领域的应用主要围绕环境、农作物、土壤等互作等方面[4-5]，初步证实具有改善土壤结构与理化性质、提高土壤养分的含量及利用率、抑制土壤病害、降低土壤中莠去津的残留量、提高作物产量等作用，被越来越多的国内外学者所关注[6-8]。在北方粮食主产区每年大量的秸秆等农业废弃物未得到有效处理和利用，因此，将农业废弃物加工后合理应用到农业生产上，具有广阔的应用前景[9-10]。研究表明，生物炭有效调控了玉米/大豆、玉米/花生间作系统生长发育关键期土壤的水肥热状况[11]。有利于提高大豆光合作用强度，较高施用量生物炭提高大豆产量和品质[9,12]。为了进一步明确生物炭施入土壤是否促进大豆生长和提高产量，以及不同施入量的效果，本试验采用盆栽法，研究了生物炭6个不同施入量对大豆的农艺性状和产量性状的影响，旨在为进一步提高大豆高产栽培技术水平，以及促进通过生物炭途径解决北方地区秸秆处理问题提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 生物炭 由北京三聚绿能科技有限公司提供，供试生物炭以稻壳为原料经高温裂解碳化转化而成的一种高度芳香化的富碳物质。

1.1.2 大豆品种 供试品种为‘吉农38’。

1.1.3 盆栽土壤 试验土壤取自吉林农业大学教学基地（43°48’47”N，125°25’4”E，海拔240 m），为黑钙土，有机质含量21.58 g/kg。

1.1.4 设备器具 干燥箱(ZXFD-A5250)，塑料花盆（直径28 cm），铁锹，铲子，剪刀，筛网，吸水纸，记号笔等器具材料。

1.2 试验方法

1.2.1 试验处理 设置生物炭土壤施入量分别为0、105.0、210.0、315.0、420.0、525.0 kg/hm2。按面积折算成每盆生物炭施入量为0、5.3、10.6、15.9、21.2、26.5 g，共6个试验处理。

1.2.2 播种及栽培管理 采用盆栽试验法，选取直径为28 cm高30 cm的塑料花盆，装入80%盆体积的上述土壤，再按上述不同处理将生物炭施入并搅拌均匀，然后浇足底水，将成熟饱满、大小一致的大豆种子播入盆中，每盆播种10粒，覆2 cm土后轻微镇压，每个处理播种8盆，分别用于大豆生长前期主要农艺性状调查和成熟期产量性状及产量调查，每次调查各处理4次重复。出苗后，每盆留5株长势良好的大豆以供后续试验。常规水肥管理并及时防除病虫草害。

1.2.3 调查方法

（1）不同处理大豆生长前期（开花期之前）主要农艺性状的调查

于大豆播种后20天，各处理盆栽大豆停止出苗后，调查记录出苗数量，计算大豆出苗率。

于大豆开花期，分别测量大豆地上部分的主要农艺性状（株高、茎叶鲜重和茎叶干重）。测量方法如下：测量大豆从地表到植株顶端生长点的垂直距离，分别记录植株高度，即为大豆的株高。用水管冲刷花盆内土壤，直至根系无土壤附着后，将其置于盛满清水的塑料盆中反复清洗。冲洗干净的大豆植株立即用剪刀将地上与地下部分分离。

地上部分（茎叶）鲜重：将表面水份风干的茎叶直接称重即为鲜重；干重：用吸水纸将大豆茎叶包好并标记处理编号，置于70℃烘箱中烘干，直至恒重。称量烘干的茎叶重量，即为大豆茎叶干重。

地下部分（根系）鲜重：将表面水份已风干根系上的根瘤小心取下，记录根瘤数，并分别立即称量根系及根瘤的重量，即为大豆根及根瘤的鲜重；干重：用吸水纸将大豆根系及根瘤分别包好并标记处理编号，烘干处理方法同地上部分。

（2）不同处理大豆产量及其构成因素调查

于各处理盆栽大豆成熟期，调查大豆单株有效荚（至少有一粒正常鼓粒）数、荚粒数、百粒重等产量性状，并进行单株测产。

1.3 数据分析

采用DPS 9.01版统计软件Duncan’s检验法进行差异显著性分析(P＜0.05)，用一元非线性回归法进行指标间相关回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同生物炭处理对大豆生长前期主要农艺性状的影响

2.1.1 对大豆出苗的影响 各生物炭处理下的大豆出苗率与对照之间无显著性差异，不同生物炭施入量出苗率均在90%左右，可见，生物炭施入土壤对大豆出苗情况无显著影响（图1）。

图1 生物炭处理对大豆出苗的影响

2.1.2 对大豆生长前期（开花期）主要农艺性状的影响 施用生物炭对大豆开花期株高、茎叶及根瘤的鲜重和干重均存在显著影响，各项指标都呈现出先增大后减小的趋势。其中，105.0 kg/hm2、210.0 kg/hm2处理株高高于对照处理，315.0 kg/hm2、420.0 kg/hm2、525.0 kg/hm2处理低于对照株高，但差异都不显著，各处理间只有105.0 kg/hm2处理株高显著高于525.0 kg/hm2处理；210.0 kg/hm2处理茎叶鲜重、干重均显著高于对照处理，且在茎叶鲜重、干重达到极大值后，随着生物炭施入量的增加重量逐渐下降。可见，施入生物炭适量可显著增加大豆株高及茎叶的鲜重和干重，对大豆生长可起到促进作用，但过量施入则效果相反。生物炭不同处理对大豆根瘤数的影响为，210.0 kg/hm2＞315.0 kg/hm2＞105.0 kg/hm2，其中210.0 kg/hm2处理根瘤数显著高于对照组，而105.0 kg/hm2、420.0 kg/hm2处理下的根瘤数比对照低，但无显著差异；试验各处理根瘤的鲜重及干重均高于对照处理，且210.0 kg/hm2处理单株大豆平均根瘤鲜重是对照的1.6倍，干重是对照的3.3倍；对于根系鲜重来说，生物炭施入量为105.0 kg/hm2、210.0 kg/hm2时，相比对照分别提高11.36%、16.05%，当达到315.0 kg/hm2时，根系鲜重有所降低，但差异并不显著；生物炭施入量大于210.0 kg/hm2时大豆根系干重与对照相比均有所提高，并且315.0 kg/hm2、420.0 kg/hm2时的根系干重显著高于对照；大豆植株总鲜重在105.0 kg/hm2、210.0 kg/hm2时显著高于对照，其他处理两两之间无显著差异，但各处理总干重之间差异明显，且均高于对照处理，210.0 kg/hm2处理相比对照提高41.13%增幅最大。根冠比方面，对照处理新鲜的大豆植株的根冠比0.73与生物炭各处理差异不明显；烘干后的大豆植株各处理根冠比之间差异极大，当生物炭施入量升高到315.0 kg/hm2时根冠比增长量最大。可见，生物炭不仅可以增加大豆根部的根瘤数量，有利于干物质的积累，而且对大豆的生长策略也有一定的影响。

表1 生物炭处理对大豆生长前期（开花期）主要农艺性状的影响

2.2 不同生物炭处理对大豆主要产量性状的影响

生物炭处理105.0 kg/hm2时百粒重、单株粒数显著高于对照，315.0 kg/hm2时单株有效荚数、单株粒数、百粒重显著高于对照，315.0 kg/hm2时单株有效荚数显著低于对照，其余各项指标与对照均没有显著差异。当生物炭施入量超过315.0 kg/hm2时，会显著降低大豆单株荚数和单株粒数，百粒重也会受到小幅度减少。综上所述，不同生物炭处理对大豆产量构成因素的影响表现为：对单株有效荚数、单株粒数的影响210.0 kg/hm2＞105.0 kg/hm2＞0 kg/hm2；对百粒重的影响105.0 kg/hm2＞210.0 kg/hm2＞0 kg/hm2，此外可见生物炭对大豆产量性状的作用方向和影响大小与生物炭土壤施入量有直接关系。生物炭不同处理对大豆单株产量影响表现为：210.0 kg/hm2处理的大豆平均单株产量可达21.70 g，其次是105.0 kg/hm2处理的大豆平均单株产量可达19.47 g，二者均显著高于对照及其他处理的产量，据此表明生物炭可以提高大豆产量，并且其产量会随着生物炭施入量的增加而增加；当生物炭施入量为315.0 kg/hm2时与对照无显著差异，大于420.0 kg/hm2时大豆单株产量低于对照，且单株产量420.0 kg/hm2＞525.0 kg/hm2，说明此时生物炭对大豆单株产量起到一定负作用，大豆产量随生物炭的增加呈减少的趋势。可见，生物炭施入量对大豆产量的影响很大，且适量施入生物炭能够显著提高大豆产量，而过量施入则可显著降低产量。

表2 生物炭处理对大豆产量构成因素及单株产量的影响

2.3 不同生物炭施入量与大豆主要产量性状及单株产量的相关性分析

大豆单株产量及各性状指标与生物炭土壤施入量之间的回归分析结果可知，生物炭施入量与大豆单株粒数、百粒重呈三次函数的关系，与单株有效荚数、单株产量呈二次函数的关系，生物炭施入土壤对大豆产量性状及单株产量存在明显影响，根据生物炭施入量与大豆产量之间的关系符合二次函数模型式(2)，可知在生物炭施入量为186.36 kg/hm2时，大豆单株产量达到最大值20.00 g。

表3 生物炭施入量与大豆主要产量性状及单株产量的回归分析

3 讨论

大豆产量是保证经济收益的根本。而大豆百粒重、单株荚数和单株粒数是决定大豆产量的主要因素[14-15]。本试验结果表明，生物炭适量施入土壤后对大豆生长可起到有效的促进作用，增加大豆地上部分株高、茎叶鲜重及干重，提高作物生物量，同时大豆地下部分包括根瘤数、根瘤鲜重及干重、根部鲜重及干重也有明显增多，这与其他研究结果相似[16-17]。一般而言，作物产量受不同品种、施肥条件及土壤类型等的影响。在本试验土壤和供试品种材料条件下，生物炭最佳施入量为210 kg/hm2，对大豆产量有明显的促进作用，可使大豆平均单株产量达到21.70 g，与对照相比提高38.48%。施用适量的生物炭可以有效增加大豆百粒重、单株荚数、单株粒数，与未施用生物炭相比可最高分别提高26.90%、14.85%和17.08%。生物炭适量施入黑钙土壤（有机质含量21.58 g/kg）对大豆生长发育确有促进作用，施用量过高则存在抑制作用。进一步明确了生物炭对提高土壤养分利用率，促进作物增产增收的有效价值。

生物炭在农业、能源、环境等方面的优势逐渐凸显，然而，生物炭在很多方面仍众说纷纭，如由于生物炭含碳量高，施入土壤后会提高土壤的碳氮比，降低土壤氮的有效性[18-19]。在养分含量相对较高的碱性钙质土中施用生物炭，对作物生长的影响存在争议[20]。本文仅针对黑钙土壤环境下生物炭对大豆生长发育及产量的影响进行了初步研究，而对于土壤有机质含量不同的环境下生物炭施用量与大豆生长发育及产量的内在关系仍需继续深入研究。

图2 生物炭施入量与大豆单株产量的相关性分析

4 结论

土壤施入生物炭对大豆出苗无显著影响，土壤环境中适量施入生物炭对大豆的生长发育及产量有明显的促进作用，但过量施入则抑制大豆生长并导致产量降低。生物炭施入量与大豆（‘吉农38’）产量之间的关系符合二次函数模型(2)：Y产量=-0.00011x2+0.0410x+16.2182 (R2=0.9368，P=0.0159)，其中186.36 kg/hm2为生物炭最佳黒钙土壤（有机质含量21.58 g/kg）的施入量。