生物炭基肥对大豆生长及产量的影响

李煜喆 孔睿敏 李佳琪 都秀俐 邵蕾 孔凡克

(1 中国农业大学烟台研究院 山东烟台 264670;2 烟台市牟平区大窑街道农业综合服务中心 山东牟平 264117)

大豆（GlycinemaxL.）是中国重要的粮食和油料作物，含有丰富的脂肪和蛋白质，其综合利用价值很高，是人类不可缺少的作物之一。大豆蛋白质含量一般在40%～42%，比谷类和薯类作物高出很多，甚至比牛羊肉和鸡蛋还要高，因此大豆是唯一能代替动物性食物的植物产品。大豆还是重要的油料作物，因此，大豆的生产对中国乃至全世界都具有重要意义［1］。

提高大豆产量，不仅依赖于优良品种的选育，还有赖于生长发育过程中植株对环境因子的响应机制。人为对环境因子进行调控，可以实现最佳配置，发挥大豆的增产潜力，达到高产、稳产、持续增产［2］。施肥是改善土壤养分环境的主要措施，传统施肥方式不但浪费资源、利用率低下，而且造成严重的环境污染［3］。炭基有机肥是生物炭负载有机肥和氮磷钾肥的复混肥，其具有较发达的孔隙结构［4］，这种表面结构导致生物碳具有良好的吸附特性，而且其具有高度热稳定性和较强吸附特性，对养分具有很强的持留功能，能促进土壤中碳素的固定，显著提高氮肥利用率和作物的抗逆能力，能减少肥料施用量和土壤养分的损失［5］。炭基肥对作物生长的影响首先是影响土壤理化性质，进而对植株生长产生影响，与常规化肥相比，施用等量的炭基肥不仅节约资源，同时还促进作物生长、延缓植株衰老，提高作物产量［6］。然而关于炭基肥在大豆生产上的应用较少。因此，本试验研究生物炭基肥对大豆生长及产量的影响，为大豆的生产提供科学的理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试大豆品种为合丰56，籽粒百粒重19 g 左右，其粗蛋白质含量39.68%，粗脂肪含量21.49%。生育日数124 d 左右。供试生物炭基肥由七彩环保科技有限公司提供，其养分含量为：有机质46.8%，氮（N） 2%，磷（P2O5） 2%，钾（K2O）1.5%。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

大田试验于2018 年在山东烟台地区进行，采用随机区组设计，以化肥处理为对照（CK），设置生物炭基肥3 t（T1）、3.75 t（T2）、4.5 t（T3）和5.5 t（T4），化肥处理施肥量为N 90 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2，生物炭基肥同时施入N 20 kg/hm2、P2O520 kg/hm2、K2O 10 kg/hm2，所有肥料播种前一次性施入。试验播种日期为5 月4日，采用“三垄”栽培法，栽培密度以30 万～33万株/hm2；每小区6 行，行长10 m，行距0.66 m，小区面积33 m2；播种方式为人工精量点播。

1.2.2 指标测定

1.2.2.1 地上干物质的测定

分别在苗期（V4）、盛花期（R2）、盛荚期（R4）、鼓粒期（R6），将植株整体挖出，将地上部和地下部分开，用干净的吸水纸将茎叶表面擦干净，放入烘箱中，以150℃杀青30 min，于80℃下烘干至恒重，进行称重。

1.2.2.2 根系干重和根瘤的测定

将取下的根系，用清水冲洗根部泥土，利用滤网截留根瘤，计算根瘤数目，将根瘤全部取下，采用烘干称重法分别测定根瘤干重和根系干重。

1.2.2.3 大豆产量及产量构成因素的测定

成熟期在小区内连续选择有代表性的10 株植株进行考种，项目包括株高、底荚高、分枝数、单株粒数和百粒重，实收小区中间2 行测定籽粒产量。

1.2.2.4 经济效益分析

纯收益=总产值-总投入；总收入=大豆产量×单价；肥料投入-肥料用量×单价；其他投入包括农资、机耕和人工材料费等投入费用总和。

1.2.3 数据分析

应用Excel 和SPSS 24.0 完成数据整理、分析和作图，用LSD法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 生物炭基肥对大豆地上干物质的影响

由图1可知，大豆地上干物质随生育进程的推进呈逐渐上升的变化趋势。

图1 生物炭基肥对大豆地上干物质积累的影响

在苗期，各处理间没有显著差异；在盛花期，对照处理最高，显著高于生物炭基肥处理，炭基肥处理随施用量的增加呈逐渐上升的趋势；在盛荚期，炭基肥处理的地上干物质随施用量的增加呈先上升后下降的变化的趋势，其中T3 处理达到最大值，T1 处理显著低于CK，T2 处理和CK 没有显著差异，T3 和T4 处理均显著高于CK，分别高9.69%和5.77%；在鼓粒期，变化趋势和盛荚期相似，T1 处理显著低于CK，T2、T3 和T4 处理均显著高于CK，分别高7.25%、11.63%和7.41%。

2.2 生物炭基肥对大豆根系干重的影响

由图2可知，大豆根系干重随生育进程的推进呈先上升后趋于平缓的变化的趋势。在苗期，CK最高，显著高于生物炭基肥处理，炭基肥处理间没有显著差异；在盛花期，炭基肥处理的根系干重随炭基肥施用量的增加呈逐渐上升的变化趋势，T1、T2 和T3 处理均显著低于CK，T4 处理显著高于CK，高13.85%；在盛荚期，根系干重随炭基肥施用量的增加呈先上升后下降的变化趋势，在T3 处理时达到最大值，T1 和CK 没有显著差异，T2、T3和T4 处理均显著高于CK，分别高5.28%、10.65%和6.32%；在鼓粒期，变化趋势和盛荚期相似，T2、T3 和T4 处理均显著高于CK，分别高出6.62%、11.86%和6.44%。

图2 生物炭基肥对大豆根系干物质的影响

2.3 生物炭基肥对大豆根瘤数量的影响

由图3可知，大豆根系根瘤数随生育进程的推进呈先上升后趋于平缓的变化趋势。在苗期，生物炭基肥处理根瘤数和CK 没有显著差异；在盛花期，生物炭基肥处理的根瘤数随施用量的增加呈逐渐上升的变化趋势，T1 处理显著低于CK，T2 和T3 处理和CK 没有显著差异，T4 处理显著高于CK，高出13.13%；在盛荚期，根瘤数随生物炭基肥施用量的增加呈先上升后下降的变化趋势，在T3 处理时达到最大值，T1 和CK 没有显著差异，T2、T3和T4 处理均显著高于CK，分别高7.08%、11.51%和5.31%；在鼓粒期，变化趋势和盛荚期相似，T2、T3 和T4 处理均显著高于CK，分别高4.63%、8.41%和2.53%。

图3 生物炭基肥对大豆根瘤数量的影响

2.4 生物炭基肥对大豆根瘤干重的影响

由图4可知，大豆根瘤干重随生育进程的推进呈先上升后趋于平缓的变化趋势。

图4 生物炭基肥对大豆根瘤干重的影响

在苗期，CK 根瘤干重最大，显著高于生物炭基肥处理，生物炭基肥的根瘤干重随施用量的增加呈逐渐上升的变化趋势；在盛花期，生物炭基肥处理的根瘤干重随施用量的增加呈逐渐上升的变化趋势，T1和T2处理显著低于CK，T3处理和CK没有显著差异，T4 处理显著高于CK，高16.41%；在盛荚期，根瘤干重随生物炭基肥施用量的增加呈先上升后下降的变化趋势，在T3 处理时达到最大值，T1 处理显著低于CK，T2、T3 和T4 处理均显著高于CK，分别高9.36%、24.31%和9.55%；在鼓粒期，变化趋势和盛荚期相似，T2、T3 和T4 处理均 显 著 高 于CK，分 别 高10.01%、24.63% 和13.00%。

2.5 生物炭基肥对大豆产量及产量构成因素的影响

由表1可看出，生物炭基肥与化肥处理的大豆有效荚数没有显著差异；每株粒数随生物炭基肥施用量的增加呈先上升后下降的变化趋势，在T3处理时达到最大值，T3 处理显著高于CK （高10.41%），其他处理和CK没有显著差异；T3处理百粒重显著高于CK，高5.54%，T1 显著低于CK，T2、T4 处理和CK 没有显著差异；大豆产量表现为T3＞T2＞T4＞T1＞CK，T3显著高于CK，高出7.84%。

表1 生物炭基肥对大豆产量及产量构成因素的影响

2.6 生物炭基肥对大豆生产经济效益的影响

由表2可知，随生物炭基肥施用量的增加，产量和收入先升高后降低，T3 处理时到达最大值，T1 处理低于CK，其它处理均高于CK；肥料投入呈逐渐增加趋势，其中，T1 处理低于CK，其它处理均高于CK；所有处理的其它投入均相同；T1 处理纯收入低于CK，T3 处理纯收入最高，比对照高230.88元/hm2。

表2 生物炭基肥对大豆生产经济效益的影响

3 讨论

肥料是作物高产的必要条件，合理施肥一直是农业生产的重要话题［7］。生物炭基肥是生物炭和化肥、粪肥等生产出的混合肥料，施入土壤后首先影响土壤理化性质，进而对植株生长产生影响。与常规化肥相比，施用等量的生物炭基肥不仅节约资源，同时还促进作物生长、延缓植株衰老，提高作物产量和品质［8］。刘晴［9］研究表明，施用生物炭基肥能够促进甘薯地上部提早发育，提高生长高峰期叶面积系数和干物质积累量。Schulz 等［10］研究表明，单施生物炭可促进作物生长，而生物炭基肥效果更明显。本研究结果表明，地上部干物质积累量随生育进程的推进呈逐渐上升的变化趋势。在盛花期，化肥处理的地上干物质显著高于炭基肥处理，主要是由于生物炭基肥肥效较缓慢，在前期养分释放量相对较少，从而使植株吸收养分较少。在盛荚期和鼓粒期，生物炭基肥处理的地上干物质含量逐渐上升，高于化肥处理，主要是由于在大豆生长中后期，生物炭基肥养分释放达到高峰，能够为植株提供充足的养分，为光合作用提供充足的能量，保证植株正常生长。

根系是作物重要组成部分，不仅起着吸收养分、固定和支持等作用，还是多种激素、氨基酸的合成部位［11］。大量研究表明，作物根系生长发育与环境条件密切相关［12］，土壤环境差异直接影响根系生长、分布、结构和生理代谢功能，并最终影响植物的生长和发育。寇媛媛［13］研究结果表明，施用生物炭基肥的苹果树新生根系数量和幼苗根尖数显著增加。本研究结果表明，在生长前期，生物炭基肥处理的根系干重随施用量的增加呈逐渐上升的变化的趋势，但是仅T4 处理显著高于对照；在生长后期，根系干重随炭基肥施用量的增加呈先上升后下降的变化趋势，在T3 处理时达到最大值，T2、T3 和T4 处理均显著高于对照，可能是由于生物炭基肥处理养分释放需要一定时间，在生育后期充分释放，有效提高了生长后期根系对养分的吸收，延缓根系衰老的时间。发达的根系能够有效吸收土壤养分，提高激素、有机酸和酶等的合成、分泌活性，从而为地上部的生长提供良好的条件。

根瘤菌是大豆的重要氮素来源之一，受土壤温度、水分、养分含量及酸碱度等环境因素的影响较大［14］。塔莉［15］研究表明，增施有机肥有利于大豆根瘤菌形成。闫峰［16］研究表明，有机肥处理的大豆根瘤干重、根瘤血红蛋白含量相对较高。本研究表明，生物炭基肥能够提高大豆根系根瘤数和根瘤干重，在盛花期，T4 处理显著高于对照；在盛荚期和鼓粒期，T2、T3 和T4 处理均显著高于对照。可能是由于施用生物炭基肥提高了土壤有机质含量，为根瘤的形成提供了良好的条件，也有可能是施用生物炭基肥使得土壤pH 值向中性环境靠近，有利于瘤菌生长，从而提高了瘤菌的数量和重量。大豆每株粒数、百粒重和产量随生物炭基肥施用量的增加呈先上升后下降的变化趋势，在T3 处理时达到最大值，分别较对照高10.41%、5.54%和7.84%。主要是由于施用生物炭基肥使得肥料-土壤-作物协同配合，有效提高了根系的吸收能力，实现了高产型根系的构建，给地上部提供充足的养分；同时，干物质积累量增加，为物质积累、转运提供基础，最终提高了大豆产量。