施加生物炭對谷子干物質積累、轉運、分配和土壤理化性質的影響

李博洋 葉 茵 楚睿雯 井 苗 張歲岐 嚴加坤,*

1 榆林學院生命科學學院, 陜西榆林 719000; 2 九江市農業科學院, 江西九江 332000; 3 榆林市農業科學研究院, 陜西榆林 719000;4 中國科學院水利部水土保持研究所 / 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西楊凌 712100

谷子(Setariaitalica(L.) Beauv.)起源于中國, 在新石器時代中早期完成馴化, 成為農耕文化的主要栽培作物[1]; 谷子具有較好的耐旱、耐貧瘠性, 適宜在我國北方干旱和半干旱地區種植[2]。我國谷子種植面積約占世界谷子種植面積的80%, 產量占世界谷子總產量的90%[3]。目前, 隨著人們對健康生活的追求日益增加, 具有較高營養價值的谷子(小米)已成為我國北方種植業結構調整和民眾膳食結構改善的主體作物而得到更加廣泛的關注[4]。

生物炭是秸稈等農林廢棄物生物質在缺氧條件下熱裂解形成的穩定的富碳產物[5], 具有原料來源廣泛、空隙結構好、吸附力強等特點[6], 是理想的農用基質材料。國內外研究表明, 適量生物炭可以提高玉米[7-8]、水稻[9]、小麥[10]等作物的產量; 并適當提高了他們的光合速率、干物質積累量、籽粒的分配比例和轉運效率等; 但是有研究發現生物炭對植物生長和作物產量產生的影響會表現出兩面性, 高生物炭施用量使得番茄生物量顯著降低[11]。因此,在不同地區不同作物上使用生物炭需要經過嚴格試驗驗證。目前生物炭農業應用研究主要集中在小麥、水稻等大宗主糧作物上, 少有生物炭對谷子生長影響研究報道。并且相關研究多局限于某一時期或某部位的干物質積累方面, 缺乏對谷子干物質積累轉運及分配方面的系統性研究。生物炭在土壤中可以充當庇護所、提供養分和改善土壤條件; 然而, 生物炭攜帶的可能威脅微生物群落的有毒物質不應被忽視[12]。此前, 主要應用于土壤固碳減排機制[13]、根際微生物群落和根系分泌物[14]以及生態修復[15]等方面, 并且研究多集中于潮土、黑土、壤土等[16]類型土壤上, 有關其對沙地尤其是新開墾沙地土壤理化性質影響的研究還相對較少。因此, 研究生物炭對沙地土壤理化性質的影響并評估其在沙地農業中的應用潛力對于沙地農業可持續發展具有重要意義。

基于此, 本研究利用陜北毛烏素新開墾沙地,以谷子(榆谷抗1)為研究對象, 通過2 年的大田試驗,研究施用不同用量的玉米秸稈生物炭對土壤理化性質及谷子光合參數、干物質及產量等相關指標的影響, 以期為毛烏素沙地及其類似環境新墾地土壤改良及生物炭的合理利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗于2021 年5 月至2022 年10 月在陜西省榆林市榆林學院農牧科教試驗基地(38°23′43′′N、109°43′15′′E, 海拔1080 m)進行。該基地耕地表層覆蓋30 cm 未耕作過的黃土。試驗生物炭的原料為玉米秸稈, 購自遼寧金和福農業科技股份有限公司(生物炭及黃土、沙土相關性質見表1); 供試谷子品種為榆谷抗1, 榆林市農業科學研究院新育成品種, 第十三屆優質食用粟品質鑒評會被評為春谷第1 名;分別于2021 年和2022 年5 月播種, 于2021 年和2022 年10 月收獲。

表1 生物炭及黃土、沙土的性質Table 1 Properties of biochar, loessal soil, and sandy soil

本試驗采用隨機區組設計, 設置對照組CK (不添加生物炭)和3 個生物炭施用量處理: C1 (3.0 t hm-2)、C2 (4.5 t hm-2)、C3 (6.0 t m-2), 3 個重復, 共計12 個小區, 每個小區的種植面積為20 m2(4 m×5 m)。播種前進行翻耕處理, 所有小區均施相同底肥:氮180 kg hm-2, 磷(五氧化二磷計) 90 kg hm-2, 鉀(氧化鉀計) 70 kg hm-2, 不同生物炭所含N、P 以尿素和過磷酸鈣平衡。穴播, 每穴2 株谷子, 穴距8 cm, 行距0.5 m。

1.2 項目測定與方法

1.2.1 光合特征參數 使用LI-6400R 便攜式光合作用儀(LI-COR, Inc, 美國)于晴天上午 09:00—11:30 測定谷子開花期旗葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr), 光合儀參數設定為CO2濃度設置為 500 μmol mol-1, 光合有效輻射(PAR)為1000 μmol m-2s-1。

1.2.2 莖、葉、穗等干物質重 在開花期(2021年8 月和2022 年8 月)至收獲期(2021 年10 月和2022年10 月), 分別在花后0 d (開花期)、7、14、21、28和45 d, 在小區選擇生長良好, 長勢基本一致的谷子, 沿種植列采集種植長度為50 cm (12 株)谷子地上部, 沿著根與莖的分界處收割, 分離莖葉穗, 烘箱105 ℃ 30 min 殺青, 80℃烘干, 烘干后測量全葉、莖、根和穗的干重。2021 年僅測定開花期和收獲期干物質, 各項指標參照宋世龍等[18]和隋鵬祥等[19]的方法, 計算下列指標。計算公式如下:

收獲指數=籽粒產量/地上部干物質總量;

花前干物質轉運量=開花期地上部干物質積累量-成熟期地上部營養器官干物質積累量;

花前干物質轉運效率=花前干物質轉運量/開花期地上部干物質積累量×100%;

花前貯藏同化物對籽粒產量的貢獻率=花前干物質轉運量/成熟期籽粒干重×100%;

花后同化物積累量=成熟期地上部干物質積累量-開花期地上部干物質積累量;

花后同化物對籽粒產量的貢獻率=花后同化物積累量/成熟期籽粒干重×100%;

地上部干物質在各器官中的分配比例=各器官干物質量/地上部干物質總量×100%。

1.2.3 土壤理化性質和相關酶活性 收獲期采集根際土壤, 按照鮑士旦主編《土壤農化分析》相關方法進行電導率、堿解氮、有效磷和有關酶活性的測定。電導率: 電極法(HJ 802-2016); 有效磷: Na-HCO3浸提-鉬銻抗比色法; 堿解氮: 堿解擴散法;脲酶: 苯酚鈉-次氯酸鈉比色法; 蔗糖酶: 3,5-二硝基水楊酸比色法; 過氧化氫酶: 高錳酸鉀滴定法。

1.3 統計分析

采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 18.0 進行試驗數據計算和單因素方差分析、雙因素方差分析以及相關分析; 采用Graphpad Pism 9.5 作圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭添加對谷子開花期旗葉光合特性的影響

2.1.1 凈光合速率(Pn) 谷子開花期旗葉凈光合速率在不同處理間存在差異(圖1-A)。在2021 年, 施加生物炭顯著增加谷子旗葉的凈光合速率, 且與CK 相比分別提高44.25%、65.62%和107.45% (P＜0.05)。而在2022 年施加生物炭提高谷子旗葉凈光合速率, 分別提高42.25%、9.50%和4.65%, 且C1 與CK 差異顯著(P＜ 0.05)。多因素方差分析表明, 年份和處理以及其相互作用極顯著影響谷子的開花期旗葉凈光合速率(PY*T＜ 0.01)。

圖1 生物炭對谷子旗葉光合參數的影響Fig. 1 Effects of biochar application on flag leaf photosynthetic parameters of foxtail millet

2.1.2 氣孔導度(Gs) 谷子開花期旗葉氣孔導度在不同處理間存在差異(圖1-B)。在2021 年, 施加生物炭顯著與對照組之間均存在顯著差異, 施加生物炭顯著降低谷子旗葉的氣孔導度, 與CK 相比分別降低7.05%、19.13%和40.23% (P＜ 0.05)。在2022年, 施加生物炭均可以不同程度地降低谷子旗葉氣孔導度, 與CK 相比分別降低19.57%、38.13%和41.46%, 且C2、C3 與CK 之間差異顯著(P＜ 0.05)。多因素方差分析表明, 年份和處理以及其相互作用極顯著影響谷子的開花期旗葉氣孔導度(PY*T＜ 0.01)。

2.1.3 蒸騰速率(Tr) 谷子開花期旗葉蒸騰速率在各處理間存在差異(圖1-C)。在2021 年, 施加生物炭與對照之間存在顯著差異(P＜ 0.05), 施加生物炭顯著降低谷子旗葉的氣孔導度, 隨著生物炭施加量的增加, 谷子旗葉蒸騰速率的逐漸下降, 與CK 相比分別降低16.73%、33.33%和35.48% (P＜ 0.05)。在2022 年, 施加生物炭均可以不同程度地降低谷子旗葉氣孔導度, 與CK 相比分別降低34.66%、37.91%和46.21% (P＜ 0.05)。多因素方差分析表明, 年份和處理以及其相互作極顯著影響谷子的開花期旗葉蒸騰速率(PY*T＜ 0.01)。

2.2 生物炭施加對谷子干物質的影響

2.2.1 生物炭施加對花后谷子葉干物質重的影響

除花后45 d 的旗葉重外, C3 處理其余時期的葉片干物質質量均高于CK 處理; 除花后28 d 的倒七葉和花后21 d 的倒十三葉外, 花后所有時期所有葉片C2 處理下的葉片干物質質量均高于CK處理; 但是C1 處理CK 處理之間不同時期不同部位葉片干物質質量差別不大(圖2-A～M)。對于總葉重來說(圖2-N), C2、C3 處理下花后不同時期葉片總干物質重均高于CK 組, C1 處理與CK 組差別不大。在2021 年開花期, 谷子葉干物質重呈現先增加后減小的趨勢, 以C1 處理下葉干物質增加最多; 在2022 年開花期, 生物炭施加后谷子葉重呈現逐漸上升的趨勢, 以C3 處理下葉干物質增加最多(表2)。在2021 年和2022 年收獲期, 施加生物炭均增加了谷子葉干物質重, 在2021 年葉干物質重呈現先增加后減小的趨勢, 以C2 處理下葉干物質增加最多; 在2022 年以C3 處理下葉干物質增加最多(表3)。年份的變化對開花期葉的干物質重有顯著影響(P＜ 0.01)。

(圖2)

表2 生物炭對谷子開花期葉重、莖重和地上部總重的影響Table 2 Effects of biochar application on leaf weight, stem weight, and gross aboveground weight of millet at flowering stage

表3 生物炭對谷子收獲期葉重、莖重和地上部總重的影響Table 3 Effects of biochar application on leaf weight, stem weight, and gross above-ground weight of millet harvest

2.2.2 生物炭施加對花后谷子莖干物質重的影響

除花后14 d 和花后28 d C1 和C2 莖干物質重略低于CK 外, 其余時期C1、C2、C3 處理下莖干物質重均高于CK 組(圖2-O); 在2021 年開花期, C1 與CK 莖干物質重接近, C2、C3 處理下莖干物質重略有下降; 但是在2022 年開花期, 施加生物炭均提高了谷子莖干物質重, 較 CK 相比分別提升 2.53%、2.92%、6.35% (表2)。在2021 年收獲期(表3), 較CK 相比施加生物炭均提高了谷子莖干物質重, 分別提升14.69%、42.71%、24.95%; 在2022 年收獲期, 較CK 相比施加生物炭均提高了谷子莖干物質重, 分別提升0.46%、1.19%、25.36%。年份的變化對開花期莖的干物質重有顯著影響(P＜ 0.01)。

2.2.3 生物炭施加對花后谷子穗干物質重的影響

施加生物炭在花后不同時期均增加了谷子的穗干物質重, 并且擬合CK、C1、C2、C3 的穗干物質重(圖2-P)發現, 不同處理間谷子穗重的增長率由小到大分別為CK (y= 0.245x+ 3.686,R2= 0.9182)、C1(y= 0.292x+ 3.5467,R2= 0.9663)、C2 (y= 0.3041x+4.0501,R2= 0.9712)、C3 (y= 0.3596x+ 4.3814,R2=0.9733)。表明, 谷子穗重以C3 處理下增長率最高,生物炭的施加對穗干物質重具有積極影響, 且隨著生物炭施加量的增加, 穗干物質增加效果越好。

2.2.4 生物炭施加對花后谷子地上部總重的影響

在2021 年開花期, 施加生物炭降低了谷子地上部總重; 但是在2022 年開花期, 施加生物炭增加了谷子地上部總重, 與CK 相比分別增加6.28%、7.31%、10.26% (表2)。在2021 年和2022 年收獲期(表3), 施加生物炭均增加谷子地上部總重, 與CK相比分別增加33.12%、40.62%、16.74%和9.62%、12.77%、32.08%。年份的變化對葉的干物質重有顯著影響(P＜ 0.01)。

2.3 生物炭施加對谷子花后干物質轉運和干物質分配的影響

生物炭處理下花前干物質轉運量(圖3-A)、花前干物質轉運效率(圖3-B)和花前干物質對籽粒產量的貢獻率(圖3-C)均低于CK 組, 且C2、C3 處理顯著(P＜ 0.05)。施加生物炭谷子花后同化物積累量較CK 分別增加125.72%、114.04%、105.33% (圖3-D),其中以C1 與CK 差異顯著(P＜ 0.05); 花后同化物積累量對籽粒產量的貢獻率較CK 分別增加61.18%、58.49%、64.38% (圖3-E), 但是各處理間無顯著差異。說明, 生物炭施加可以提高花后同化物積累量和花后同化物積累量對籽粒產量的貢獻率進而提高收獲期穗干物質重。

圖3 生物炭施加對谷子干物質轉運的影響Fig. 3 Effect of biochar application on dry matter transport of millet

干物質是生物學產量形成的基礎, 干物質的轉運決定營養物質的流向和產量的高低。干物質的分配比例對谷子高產有著重要貢獻。在開花期, 谷子葉和莖在不同生物炭處理下干物質占比增加且具有顯著性(P＜ 0.05), 且隨著生物炭施加量的增加,葉的干物質占比分別提高5.56%、7.83%、16.72%(圖4-A), 莖的干物質占比分別提高2.70%、4.45%、6.06% (圖4-B); 但是穗的干物質重在各處理略低于CK 處理(圖4-C)。在收獲期, 不同生物炭處理下谷子葉和莖干物質占比逐漸降低且差異具有顯著性(P＜ 0.05), 隨著生物炭施加量的增加, 葉干物質占比分別較CK 組降低5.76%、10.16%、20.15%, 莖干物質占比分別較CK 組降低8.77%、14.10%、13.07%;但是在不同的生物炭施加量下穗干物質重均高于CK 處理, 且C2、C3 要顯著高于CK (P＜ 0.05), 各處理下穗干物質重較CK 分別提高31.79%、20.64%、15.66%。說明, 生物炭的施加可以提高收獲期穗干物質分配的比例, 促進花后谷子干物質在穗部的積累, 從而達到增產的效果。

圖4 生物炭施加對谷子開花期和收獲期各營養器官干物質分配比例的影響Fig. 4 Effects of biochar application on the proportion of dry matter distribution in various vegetative organs at flowering and harvest stages of millet

2.4 生物炭施加對谷子2 年產量、千粒重及收獲指數的影響

由表4 可知, 不同生物炭施加量對谷子產量的影響不同。在2 年的大田試驗中, 不同生物炭處理下谷子產量均呈上升趨勢; 在2021 年中, C2、C3 處理下產量顯著(P＜ 0.05)增加; 在2022 年中, C1、C2、C3 處理下產量顯著增加(P＜ 0.05), 且C3 處理與C2、C1 處理之間產量也增加顯著(P＜ 0.05)。施加生物炭后C1、C2、C3 處理下2 年谷子產量平均增加19.31%、28.26%、38.46%。在2 年的大田試驗中, 不同處理對谷子千粒重的和收獲指數影響不同; 在2021 年, 不同處理間具有一定差異, 生物炭處理下千粒重和收獲指數略低于CK 處理; 在2022 年, 不同的生物炭處理下谷子千粒重和收獲指數均呈現先增大后減小的趨勢, 且C2 處理下的谷子千粒重顯著增高(P＜ 0.05)。在2022 年。另外在2 年的試驗中,生物炭施加量對谷子產量和千粒重具有極顯著影響(P＜ 0.01), 年份和生物炭施加量的交差影響對千粒重也有極顯著影響(P＜ 0.01)。

表4 生物炭對對谷子產量、千粒重及收獲指數的影響Table 4 Effects of biochar application on millet yield, 1000-seed weight, and harvest index

2.5 相關性分析

相關性分析(表5)表明, 凈光合速率與收獲期葉重、開花期旗葉重、開花期葉重、開花期莖重、開花期地上部總重呈極顯著正相關(P＜ 0.01); 與收獲期莖重、開花期全株總重呈顯著正相關(P＜ 0.05)。收獲期產量與收獲期穗重呈極顯著正相關(P＜ 0.01);與收獲期莖重、收獲期地上部總重、收獲期全株總重呈顯著正相關(P＜ 0.05)。收獲期莖重與開花期旗葉重、開花期葉重、開花期莖重、開花期地上部總重、開花期全株總重呈極顯著正相關(P＜ 0.01)。收獲期穗重與收獲期莖重、收獲期地上部總重、收獲期全株總重呈顯著正相關(P＜ 0.05)。收獲期地上部總重與收獲期全株總重呈極顯著正相關(P＜ 0.01)。

2.6 生物炭施加對土壤理化性質的影響

2.6.1 生物炭施加對土壤養分的影響 在2 年的試驗中, 生物炭處理下土壤電導率在2 年的試驗中均呈現先上升后下降的趨勢(圖5-A), 且所有處理均高于CK; C2、C3 在2 年中均與CK 處理存在顯著差異(P＜ 0.05), 且均以C2 處理下最高; 在2 年生物炭處理下, 年份和處理對土壤電導率影響極顯著(P＜0.01), 其相互作用對土壤電導率影響顯著(PY*T＜0.05)。堿解氮在2021 年所有處理均與CK 存在顯著差異(P＜ 0.05), 且C2 與C1、C3 葉存在顯著差異(圖5-B,P＜ 0.05); 在2022 年呈現上升的趨勢, C3 處理與CK 存在顯著差異(P＜ 0.05); 在2 年生物炭處理下,年份和處理及其相互作用對土壤堿解氮影響極顯著(PY*T＜ 0.05)。土壤有效磷含量在2 年的試驗中均呈現先上升后下降的趨勢, 在2021 年, C1、C2 處理顯著高于CK (P＜ 0.05), C3 處理略低于CK (圖5-C);在2022 年, C2 處理顯著高于CK 處理(P＜ 0.05), C1、C3 處理高于CK 處理, 但無顯著差異; 在2 年生物炭處理下, 年份和處理及其相互作用對土壤有效磷影響極顯著(PY*T＜ 0.01)。

圖5 生物炭對土壤理化性質的影響Fig. 5 Effects of amounts of biochar on soil physicochemical properties

2.6.2 生物炭施加對土壤酶活性的影響 生物炭施加后過氧化氫酶(圖6-A)和蔗糖酶活性(圖6-C)在2021 年呈現逐漸上升, 在2022 年呈現先上升后下降的趨勢。2021 年, 過氧化氫酶活性C2、C3 處理與CK 之間差異顯著(P＜ 0.05); 蔗糖酶活性所有處理均與CK 存在顯著差異, 且C3 與C2、C1 之間也存在顯著差異(P＜ 0.05)。2022 年, 不同生物炭處理下過氧化氫酶均高于CK 處理, C1、C2 處理與CK 處理存在顯著差異(P＜ 0.05); 不同生物炭處理下蔗糖酶活性均高于CK 處理, 且C2 與CK、C1、C3 存在顯著差異(P＜ 0.05)。脲酶活性在2 年試驗中均呈現先增大后減小的趨勢(圖6-B), 在2021 年, C1、C2與CK 存在顯著差異(P＜ 0.05); 在2022 年, C2 與CK、C1、C3 存在顯著差異(P＜ 0.05)。在2 年生物炭處理下, 在2 年生物炭處理下, 年份和處理及其相互作用對土壤有效磷影響極顯著(PY*T＜ 0.01)。

圖6 生物炭對土壤酶活性的影響Fig. 6 Effects of biochar application amounts on soil enzyme activity

3 討論

3.1 生物炭施加對谷子旗葉光合特性的調控作用

光合作用是作物合成有機物的基本生理代謝過程[20], 它所產生的有機物為作物提供90%～95%的干物質積累, 籽粒產量的20%～30%也來自于植物的光合作用[21], 可見光合作用與作物產量密切相關。葉片是作物進行光合作用的主要器官, 其光合能力的高低是作物生長發育及產量形成的重要因素[22]。提高作物葉片的凈光合速率, 可促進光合產物積累及轉運, 可提高粒重, 進而增加產量[23-26]。Liu 等[27]發現不同生物炭施加量均增強了植物葉片對葉片CS的光能吸收、捕獲和運輸, 從而有助于提高番茄產量。趙輝等[28]在對玉米的研究中發現凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均隨施炭量的增加而增大。還有研究發現施入生物炭可以提高作物葉片的凈光合速率、葉片氣孔導度和蒸騰速率[29-31], 有利于干物質的積累, 從而提高產量。本研究結果表明, 不同生物炭施加量均可以提高谷子的凈光合速率, 從而增加干物質的積累; 但是隨著生物炭施用量的增加氣孔導度和蒸騰速率呈下降趨勢, 說明凈光合速率受氣孔和非氣孔因素的共同作用, 且非氣孔因素起主導作用。結果表明不同的生物炭施用量可以促進谷子旗葉光合色素含量和凈光合速率使其在花后維持較高水平, 增加同化生產能力, 促進光合產物的合成與積累[32]。與CK 處理相比, 不同生物炭施加量均可以改善谷子旗葉開花期光和性能, 加快光合產物的合成、轉運和積累, 促進谷子發育, 提高谷子產量。

3.2 生物炭施加對谷子干物質積累和轉運的影響

作物花后同化物的積累和轉運對產量形成有直接的影響[33]。程凱樂等[34]對棉花的研究中發現棉花各時期單株干物質積累量均隨著炭基肥配施比例的升高而出現先上升后下降的趨勢。柳瑞等[35]研究發現施生物炭在一定程度上能增加水稻干物質積累量。宋明丹等[36]研究發現生物炭施加對馬鈴薯塊莖干物質重也有顯著促進效果。但是生物炭添加下谷子干物質積累及轉運特性的研究較少。本研究表明,生物炭施加可以提高谷子莖、葉、穗和地上部總的干物質重以及花后同化物積累量、花后同化物積累量對籽粒產量的貢獻率, 從而提高作物產量, 并以C3 處理下干物質量提高最多。從干物質分配比例角度來說, 生物炭施加提高開花期莖和葉的分配比例,莖和葉生物量積累增強, 使其積累的光合產物可以在花后大量向籽粒轉移, 成為谷子產量形成的關鍵過程[37-38]; 圖5 中C、D、E 收獲期莖葉干物質量下降, 穗的干物質量上升則證明了這一過程。在本試驗中, C1 處理下谷子花后同化物積累量及穗的干物質分配比例最高, 隨著生物炭施加花后同化物積累量及穗的干物質分配比例逐漸降低; 但是由于C3 處理下積累了較多的干物質, 可以抵消由于轉運量降低帶來的產量減少的可能性?？梢娚锾磕軌蛴绊懝茸踊ê笸锓e累和轉運特性, 有利于穗部積累較多的生物量, 從而對最終產量形成一定的正面影響。

3.3 生物炭施加對土壤理化性質及酶活性的影響

土壤中包含作物生長所必須的養分, 土壤理化性質直接影響作物根系的生長與養分吸收, 根系區域環境是作物生存之根本[39]。生物炭本身含有氮、磷、鉀等植物生長所需的各種養分元素, 施入土壤中可以起到補充土壤養分的作用[40]。生物炭豐富的孔隙結構和巨大的比表面積使它能夠吸附大量的養分有效抑制淋溶、下滲等因素導致的養分損失, 可以緩慢持續的釋放養分[41]。姚奇等[42]在對冬小麥土壤養分和作物產量的研究中發現, 施用生物炭為5 t hm-2時, 土壤有效磷含量最高。張芙蓉等[43]研究發現施用生物炭可以顯著降低土壤電導率。魏永霞等[44]在黑土區的研究中發現施炭量和施用年限對土壤堿解氮含量均有極顯著的影響。本研究結果表明,除2022 年脲酶含量隨生物炭施用量上升外, 生物炭施用后土壤電導率、堿解氮和有效磷的含量, 均呈現先上升后下降的趨勢。這是因為生物炭自身礦物質多的特性, 施加到土壤中可增加土壤養分, 但施炭量過高導致氮和磷的固定, 導致含量降低。由此可見施炭量和施用年限均對土壤養分有影響。為此本研究將施炭量、施用年限以及二者交互作用對土壤養分含量進行方差分析, 結果表明, 除了施用年限和生物炭的交叉作用為顯著影響, 其余均有極顯著影響。上述結果亦可證明施加生物炭可提高土壤養分, 且以C2 處理下, 土壤養分含量增高最多。

武雪萍等[45]和張美存等[46]研究表明, 土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶可作為關鍵土壤酶學指標,反映土壤的健康狀況。王智慧等[47]研究表明, 施用生物炭能夠顯著提高草甸土土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性。本試驗結果表明, 生物炭施加增加了土壤脲酶、蔗糖酶以及過氧化氫酶的活性, 這與郭書亞等[48]的研究結果一致; 但隨著生物炭施用量的增加及年份的變化, 較高的生物炭施用量反而不利于酶活性的提高。生物炭還田后,由于自身具有多孔結構及良好的吸附性能, 可以吸附酶促反應的底物, 為土壤酶提供更多的結合位點,提高酶活性; 但是隨著施用量及年份的變化, 有研究指出較高的生物炭施用量會呈現更多的C-O 結合位點, 表現出較強的吸附能力[49-50], 可吸附更多的酶分子, 阻礙酶與底物的結合, 進而影響酶活性。

3.4 生物炭施加對谷子產量調控及相關性的影響

谷子千粒重對產量的形成具有重要意義。許多學者認為施加生物炭可提高作物產量及其構成要素[51]。陳歡等[52]認為施加生物炭可以提高小麥產量穩定性;姜慧敏等[53]經過3 年試驗研究得出施加生物炭可以提高東北春玉米產量的可持續性, 王志丹等[54]在對玉米的研究中發現施用生物炭增加了玉米穗長、穗行數、穗質量和穗粒質量, 從而提高產量。除此之外研究表明生物炭能夠提高番茄[55]、高粱[56]、大麥[57]、水稻[58]等作物的產量。本研究結果表明, 不同生物炭施用量均可增加谷子產量, 增加谷子干物質重以及收獲期穗重比例。相關分析結果表明, 谷子產量與收獲期穗重、收獲期莖重、收獲期地上部總重和收獲期總重呈顯著或者極顯著相關。生物炭可以促進花后谷子總的干物質積累, 促進莖、葉干物質向穗部轉移, 促進穗部干物質積累, 最終增加谷子產量。

4 結論

不同生物炭施加量均施加提高了谷子開花期凈光合速率、花后穗干物質積累量、收獲期總干物質量和產量, 且隨著生物炭施用量的增加而增加, 以C3 處理下增加最為顯著, 與CK 相比提高22.53%、44.42%、62.25%、38.46%; 在干物質轉運及營養器官干物質量分配方面, 施加生物炭還提高了谷子花后同化物積累量、花后同化物積累量對籽粒產量的貢獻率以及收獲期穗的干物質分配比例, 但是不同生物炭施加量處理之間增長不顯著或略有下降。在土壤理化性質方面, 不同生物炭施加量下土壤電導率、堿解氮及有效磷含量均有所提升, 且以C2 處理下提升最高, 與CK 相比提高20.24%、32.88%、108.74%; 在土壤酶活性方面, 不同生物炭施加量下土壤脲酶、蔗糖酶和以及過氧化氫酶較CK 處理均有所提高, 且以C2 處理下提升最高, 與CK 相比提高66.76%、81.82%、9.78%。不同生物炭施加量均可以谷子產量, 干物質積累、轉運及土壤理化性質有積極影響, 其中以C3 (6.0 t hm-2)處理對谷子增產效果最好。