高浓度CO2与添加生物炭对水稻根系和产量的交互影响*

张凤哲,谢立勇,赵洪亮,金殿玉

（沈阳农业大学农学院，沈阳 110161）

目前，大气中 CO2浓度已由工业革命前的280µmol·mol−1增至400µmol·mol−1左右，同时以每年 0.5%的速度增长，预计 2050年可能增加到450～550µmol·mol−1（称为CO2倍增），21 世纪末可能达到790～1020µmol·mol−1[1]。CO2是绿色植物进行光合作用的底物，其浓度的升高会使作物光合作用和干物质形成发生相应变化[2]。研究发现，CO2浓度增高对作物的影响表现为作物净光合速率增加，促进了碳水化合物的合成和干物质的积累[3]；亦有研究表明，作物在高CO2浓度环境下存在光合适应现象，且存在品种间差异[4]。为此，大气CO2浓度增高对作物生理代谢的影响及其机理机制研究，一直是气候变化背景下人们关注的科学问题之一。大田作物生产是诸多环境因素与人为干预的过程，CO2浓度的影响也必然与其它环境因子相互促进或相互制约。因此，作物在自然生长状态下，开展人为干预与环境因子的交互影响的研究，更有利于揭示CO2浓度增高对作物生理代谢过程的影响规律。

生物炭不仅能改良土壤，而且能提高土壤蓄水储养的能力，保护土壤中的微生物，在修复污染土壤[5]、提高作物产量[6]等方面也发挥着重要作用。农业秸秆生物炭有利于农业废弃物的资源化利用，在减少农田秸秆焚烧、提供能源、保护环境等方面也具有重要意义[7]。研究发现，生物炭配施化肥的处理可以有效促进水稻生长发育[8-9]，土壤中添加生物炭可以增加其养分含量，并且能促进水稻根系生长[10]。然而对于生物炭的不同研究结果之间差异较大，且在不同环境影响下生物炭所发挥的作用很难总结出共性规律，现阶段对生物炭的研究结果在未来环境变化尤其是高浓度CO2背景下是否相同值得更深入的研究。

水稻根系不仅支撑其正常生长，而且是吸收水分和营养物质的运输器官，根系的形态结构直接调控作物及根部生长环境的理化过程，与水稻的生长发育、产量、品质形成等密切相关。试验发现，稻田施加生物炭能增加水稻生育前期根系形态指标，提高水稻根系吸收面积，生育后期生物炭延缓了根系衰老，整个生育期内维持了较为适宜的根冠比，根系生理功能增强[11]；高继平等试验表明，生物炭可显著提高秧苗地上部和根系生长能力[12]。此外，生物炭还可提高水稻生育前期根系的总吸收面积，在水稻生育后期生物炭又减慢了根系衰老速度[13]。关于大气CO2浓度升高（包括与不同施肥条件互作）对水稻根系及产量的影响已取得一定进展，而在高浓度CO2条件下施加生物炭对水稻的影响研究尚未开展，大气CO2浓度增加和生物质炭化还田对水稻根系的协同作用存在的规律值得更高关注。本文拟通过研究CO2浓度增高和施加生物炭对水稻根系的影响，揭示两因素互作下水稻根系对营养元素的吸收能力和有机物的最终积累情况，为高浓度CO2背景下科学施肥和减少农田排放提供新的理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在中国农业科学院昌平试验基地（40°08′N，116°08′E）进行，该地属暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均日照时数2684h，年平均气温11.8℃，年平均降水量550.3mm。试验区域平均大气CO2浓度约为400µmol·mol−1。

1.2 供试材料

供试水稻品种为吉粳88，生育期140d 左右，需≥10℃积温2900～3100℃·d，由中国农业科学院作物科学研究所提供。供试土壤有机质含量为14.10g·kg−1，全氮0.82g·kg−1，速效磷20.0mg·kg−1，速效钾79.8mg·kg−1，pH 值为8.33。生物炭原材料为玉米秸秆，粒径1.5～2.0mm，pH 值为9.23，含氮1.53%，磷0.78%，钾1.68%，由辽宁省某公司提供。

1.3 试验设计

试验设置2 个CO2浓度，分别为大气CO2浓度和高浓度CO2（550µmol·mol−1），高浓度CO2环境应用FACE 系统进行调控。盆中土壤设2 个生物炭处理，分别为不添加生物炭和每千克干土加20g 生物炭。共计4 组处理，以大气CO2浓度和土壤中不添加生物炭的处理为对照（CK），以大气CO2浓度和土壤中添加生物炭为NB 处理，以高浓度CO2和土壤中不添加生物炭为CN 处理，以高浓度CO2和土壤中添加生物炭为CB 处理。

盆栽用土全部过5mm 筛，试验用盆长60cm、宽40cm、高35cm，每盆装土50kg，施加生物炭处理为将生物炭与土壤混匀后沉积1 周备用。2019年6月4日移栽，每盆6 穴，每穴3 株，盆内每穴水稻用透水隔板隔开，保证取样期各穴水稻根系能区分开的同时水肥条件一致，每组处理栽培12 盆，同时向FACE 圈内增施CO2气体，使圈内CO2浓度稳定在550µmol·mol−1，直到试验结束。每盆施加氮肥（尿素）20g，磷肥（磷酸二铵）20g，钾肥（氯化钾）10g，在抽穗期施加穗肥（尿素）10g，4组处理管理方式相同，水分管理为6月4日−7月5日保持潜水层，7月6日−8月1日进行多次轻搁田，8月2日以后间歇灌溉。通过对水稻的田间观察，分别于水稻分蘖期、拔节期、抽穗期、成熟期取样测定相关指标。

1.4 测定方法

1.4.1 根系形态指标

于试验期各处理分别取3 株长势一致的水稻，连根带土放入40 目尼龙网袋里，用水浸泡约30min后，用流水冲洗根系，将单株水稻所有不定根剪下，平铺在塑料凹槽内，倒入蒸馏水使根系完全没入水中，用镊子调整根系位置避免重叠，使用根系扫描仪（EPSON J221B）扫描，扫描得到的图片利用Win RHIZO 处理为数据信息，获得总根长、总根表面积指标。

相同取样方法另取3 株水稻洗净，用吸水纸轻拭擦干根系表面水分，将水稻根系距地上部3cm 处切割，用AL104 电子分析天平分别称量根系和地上部鲜重，应用所得数据计算根冠比，随后将根系放入牛皮纸袋中置于烘箱内105℃杀青30 min、75 ℃烘至恒重后称量干重。

1.4.2 根系生理指标

分别于试验当日晚18：00 各处理取3 株水稻测定根系伤流，方法为从距盆内土壤表面10cm 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6：00 取下脱脂棉称重，每次收集12h，利用脱脂棉前后重量之差计算伤流强度。

试验期各处理分别取3 株水稻，连根带土放入40 目尼龙网袋里，用水浸泡约30min 后，用流水冲洗根系，并用吸水纸擦干根系表面水分，以甲烯蓝为吸光物质，利用分光光度计测定根系吸附前后甲烯蓝溶液吸光度，应用比色法得出甲烯蓝溶液浓度，计算根系总吸收面积与活跃吸收面积。

1.4.3 产量指标

水稻成熟后，各处理取植株形态相近、稻穗均匀的10 株水稻样本逐一考察，记录每株穗数、穗粒数，并计算结实率。将成熟期水稻全部脱粒，从样本中随机数出3 组1000 粒，风干后称重（精确到0.01g），得到千粒重。

1.5 数据处理

利用SPSS 22.0 进行数据处理与方差分析，采用Duncan 法进行不同处理间的显著性水平检验（P＜0.05），结果应用Excel 2010 绘制图表。

2 结果与分析

2.1 两因素对水稻根系形态特征的交互影响

2.1.1 总根长和总根表面积

由表1可见，与对照（CK）相比，单施生物炭、单增CO2浓度与互作处理水稻总根长均有不同程度增加。土壤中单施生物炭处理（NB）后，在分蘖期水稻总根长与对照（CK）相比差异不显著，其它各试验期均显著高于CK。单独高浓度CO2处理（CN）在各试验期水稻总根长均显著高于CK 处理。增加CO2浓度同时向土壤中添加生物炭处理（CB）后，总根长在水稻分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期分别增加了3.81%、14.08%、66.00%、153.84%，在水稻分蘖和拔节期仅高于CK，抽穗和成熟期仅低于CN。方差分析表明，CO2和生物炭单一因素对拔节期及其之后的各试验期水稻总根长的影响均通过了0.01 水平的显著性检验，互作处理在各试验期均通过了0.01 水平的显著性检验，说明增加空气中的CO2和土壤中添加生物炭均有利于水稻根系生长，而两者的交互作用则降低了这种效应。

表1 高浓度CO2 和添加生物炭对水稻各试验期总根长的影响（m）Table 1 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on the total root length in each test periods of rice(m)

由表2可看出，单施生物炭处理（NB）在抽穗期和成熟期均显著增加了水稻总根表面积。单独高浓度CO2处理（CN）在分蘖期、抽穗期和成熟期显著增加了水稻总根表面积，拔节期增加效应不显著。增加CO2浓度同时向土壤中添加生物炭处理（CB）后，在各试验期较CK 分别增加了18.59%、17.07%、93.44%、125.48%，在分蘖期仅高于CK，在拔节期及其之后的各试验期均显著增加了水稻根系总吸收面积。方差分析表明，单施生物炭处理在拔节期和抽穗期对水稻总根表面积的影响极显著，单独高浓度CO2及互作处理在各试验期对水稻总根表面积的影响均表现为极显著，说明单一因素及互作处理均可增加水稻总根表面积，这与对水稻总根长的影响基本一致。

表2 高浓度CO2 和添加生物炭对水稻各试验期总根表面积的影响（cm2）Table 2 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on the total root surface area in each test periods of rice(cm2)

2.1.2 根重和根冠比

单施生物炭处理（NB）处理后，水稻根系干重在各试验期分别增加了67.16%、13.43%、5.73%和42.17%，在分蘖期和成熟期达到显著水平（表3）。单独高浓度CO2处理（CN）在分蘖期水稻根系干重较对照降低了39.24%，为4 组处理中最低，在抽穗期和成熟期根系干重显著高于其它3 组处理。互作处理（CB）在水稻分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期分别较对照增加了40.68%、75.62%、154.41%和129.03%，在分蘖期根系干重仅低于NB，拔节期最高，抽穗期和成熟期仅低于CN。方差分析表明，CO2对水稻根系干重的影响在除分蘖期外的各试验期均达到极显著水平，单施生物炭处理在分蘖期和拔节期对水稻根系干重的影响达到极显著水平，而在抽穗和成熟期则表现为差异不显著，互作处理在分蘖期和抽穗期对水稻根系干重影响不显著，在拔节期和成熟期极显著增加了根系干重，说明互作效应存在但随生育期推进而无明显规律性。

表3 高浓度CO2 与添加生物炭对各试验期水稻根系干重的影响（g）Table 3 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on the root dry weight in each test periods of rice(g)

根冠比是反映同化产物在水稻植株内部分配的重要指标。从图1可以看出，单因素和互作处理较对照在各试验期水稻根冠比均有所增加。在分蘖期，CN 处理根冠比显著高于其它3 组处理，CK、NB 和CB 处理间差异不显著。拔节期CB 处理根冠比显著高于其它3 组处理，CK、NB 和CN 处理间差异不显著。抽穗期4 组处理间差异均不显著。成熟期NB 和CN 处理根冠比显著高于CK 和CB 处理。互作处理在各试验期使水稻根冠比分别增加了27.93%、27.15%、26.31%、17.36%，在分蘖期、抽穗期和成熟期的增幅依然低于单一因素处理。

图1 高浓度CO2和添加生物炭对各试验期水稻根冠比的影响Fig.1 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on the root-shoot ratio in each test periods of rice

2.2 两因素对水稻根系生理特性的交互影响

2.2.1 根系伤流强度

水稻根系伤流强度反映了植株根系活动能力的强弱。从图2可以看出，单一因素和互作处理在分蘖期均显著增加了水稻根系伤流强度，其中互作处理增幅最高，达到148.10%。拔节期CB 处理使水稻根系伤流强度增加了34.21%，且显著高于其它3组处理。在抽穗期4 组处理间差异不显著，NB 处理较CK 增加了8.71%，CN 处理较CK 增加了14.12%，CB 处理较CK 增加了6.13%。在成熟期互作处理仅高于对照，增幅为40.43%。由此可见，水稻进入抽穗期后互作处理的水稻根系伤流强度均低于单一因素处理。

图2 高浓度CO2 和添加生物炭对各试验期水稻根系伤流强度的影响Fig.2 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on root bleeding intensity in each test periods of rice

2.2.2 根系吸收面积

水稻根系活力与水稻对土壤中养分吸收及产量形成密切相关。由表4、表5可看出，单因素及互作处理水稻根系总吸收面积和活跃吸收面积相较对照均有不同程度增加。NB 处理水稻总吸收面积在成熟期前的各试验期高于CK，但差异不显著，成熟期显著高于CK，而活跃吸收面积在各试验期与CK 相比差异均不显著。CN 处理在成熟期根系总吸收面积显著高于CK，在抽穗期根系活跃吸收面积显著高于CK 和NB 处理，其它生育期两项指标与CK、NB 间差异均不显著。CB 处理总吸收面积在各试验期较对照分别增加了 46.97%、48.99%、44.40%和55.52%，在分蘖期、抽穗期和成熟期显著高于CK，与单因素处理间差异不显著，CB 处理活跃吸收面积在各试验期较对照分别增加了56.99%、108.35%、60.00%和30.73%，在拔节期显著高于其它3 组处理，其它生育期与单因素处理间差异不显著。方差分析表明，单施生物炭处理对水稻根系总吸收面积的影响在成熟期达极显著水平，对水稻根系活跃吸收面积的影响在分蘖期和拔节期达到显著水平。单独高浓度CO2处理对水稻根系总吸收面积的影响在抽穗期达到显著水平，在成熟期达到极显著水平，对水稻根系活跃吸收面积的影响在拔节期达到显著水平，在抽穗期达到极显著水平。互作处理仅在拔节期对水稻根系活跃吸收面积的影响达到显著水平，说明互作效应降低了单一因素对水稻根系吸收面积的影响。

表4 高浓度CO2 和添加生物炭对水稻各试验期根系总吸收面积的影响（m2）Table 4 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on the total absorption area of the root system in each test periods of rice(m2)

表5 高浓度CO2 和添加生物炭对水稻各试验期根系活跃吸收面积的影响（m2）Table 5 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on the active absorption area of the root system in each test periods of rice(m2)

2.3 两因素对水稻产量构成的交互影响

单一因素和互作处理后水稻每穴穗数、穗粒数和千粒重均有不同程度增加（表6）。NB 处理每穴穗数、结实率和千粒重与CK 相比差异不显著，显著增加了水稻的每穗粒数。CN 处理显著增加了水稻每穴穗数和每穗粒数，结实率和千粒重差异不大。CB 处理使水稻每穴穗数增加了41.67%，每穗粒数和千粒重增幅分别为0.11%和3.39%，使结实率降低了8.42 个百分点，为4 组处理中最低，但处理间差异不显著。方差分析表明，单一因素及互作处理对水稻每穗粒数的影响均达到极显著水平，对千粒重影响不显著，互作处理对水稻结实率的影响表现为负效应，说明不同处理对水稻产量的影响主要作用在对水稻每穗粒数指标上。

表6 高浓度CO2 和添加生物炭对水稻产量构成的影响Table 6 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on rice yield

3 结论与讨论

3.1 讨论

CO2作为植物光合作用的底物，其浓度的增加理论上将影响作物原本的生长发育状态。多数研究表明，CO2浓度增加对作物有积极影响，表现为提高了水稻的光合作用效率[14]。本试验中关于水稻根系形态指标结果表明，除在分蘖期降低了根系干重外，高浓度CO2处理提高了各试验期水稻根系形态指标中的总根长、总根表面积及根冠比，这与李中阳等应用水培试验的研究结果相一致，该研究发现CO2浓度升高显著增加了水稻根冠比、根系生物量、幼苗根系总根长、表面积及细根比例[15]。武慧彬等的研究结果也表明，CO2浓度升高条件下水稻根长、密度、表面积和体积均有不同程度增加[16]，可能是CO2浓度增加提升了水稻光合作用强度，使积累的有机物质向地下部传输更多进而促进了根系的增长。前人对CO2浓度增加条件下水稻根系生理特性的研究结果显示，高浓度CO2处理使不同生育时期单位干质量水稻根系的总吸收面积、活跃吸收面积等根系活性指标均小于对照[17-19]，沙霖楠等的研究结果则表明，CO2浓度升高增加了水稻根系总吸收面积和活跃吸收面积[20]，出现结论不一致的原因可能是试验设置条件及数据处理方式不同所致。本试验结果显示，高浓度CO2处理下水稻根系伤流强度及吸收面积均高于对照，这与CO2浓度升高处理对水稻根系形态指标的变化趋势一致。结合已有研究合理推断出如下结论，高CO2浓度影响糖类物质和各种激素之间形成综合效应导致植物根系形态发生变化，并且通过影响细胞分裂、伸长以及基因的表达等活动来影响根系的生长发育[21]。

相关试验证明，生物炭能够积极协调土壤的水、肥、气、热，促进作物生长发育[22]。胡茜等研究发现，生物炭配施化肥可以提高土壤的有机碳含量及碱解氮含量，对水稻生长具有明显的促进作用[8]。亦有研究表明，生物炭对减轻盐胁迫对水稻幼苗的抑制作用起到了积极作用，促进水稻植株生长[10]。本试验将生物炭作为肥料因子添加到水稻土壤中，探究其在大气CO2浓度升高的环境下对水稻根系及最终产量的影响，结果表明，单施生物炭处理增加了水稻根系的总根长、总根表面积、根系干重及根冠比，增加了水稻根系伤流强度及吸收面积，主要是因为施加生物炭后土壤孔隙度增加，有利于根系形态的生长，试验中施加生物炭后可以改善土壤理化性质，维持水稻根系生长的环境。

现有研究发现，在大气CO2浓度增加条件下，生物炭抑制土壤有机碳分解的作用将会减弱[23]，并且降低了稻田土壤CH4和N2O 排放[24]，而目前有关二者互作对水稻的影响相关研究尚未见报道。本试验中，从整个生育期来看，高浓度CO2与生物炭互作对水稻根系形态指标和生理指标均表现为积极影响，通过与单一因素处理的对比可发现，互作处理对拔节期水稻总根表面积、根系干重、根冠比的增幅表现为3 组处理中最高，分蘖期和拔节期根系伤流、总吸收面积及活跃吸收面积增幅最高，结合产量构成中互作处理后水稻每穴穗数增幅最高，可推论出互作处理促进了水稻分蘖−拔节期根系对土壤中养分的吸收转运能力，增加了水稻分蘖数，保证了后期每穴穗数的增长。

多数关于高浓度CO2处理对水稻产量影响的相关研究表明，FACE 处理极显著提高了水稻产量[25-26]，杨连新在10a 水稻FACE 的产量响应中表示，光合作用增强是高CO2条件下水稻增产的主要原因[27]。大量研究证实，土壤中添加生物炭可提高作物产量[6，27-29]。本试验结果显示，高浓度CO2处理显著增加了水稻每穴穗数和每穗粒数，降低了水稻结实率，提高了千粒重，但均未到达显著水平，单施生物炭处理显著增加了水稻每穗粒数，对每穴穗数、结实率和千粒重影响不显著，互作处理极显著增加了水稻的每穴穗数，对结实率的影响表现为负效应，对每穗粒数和千粒重的增加效应未达到显著水平，可能是由于高浓度CO2处理促进了水稻生长，同时增加了水稻的空秕粒，导致结实率降低。限于盆栽试验条件和土壤中生物炭添加量的多少等因素影响，对水稻根系与产量的长期效应还需进一步试验研究，并对其作用机制等科学问题进一步探索讨论。

3.2 结论

（1）与大气CO2浓度不添加生物炭的对照组相比，单独高浓度CO2和单施生物炭处理对水稻根系形态及生理特征均表现为增加效应，且二者增幅基本一致，高浓度CO2和添加生物炭对水稻根系总根长及总根表面积的互作效应均达到极显著水平，互作效应对拔节期和分蘖期水稻根系干重的影响达极显著水平，并维持了较高根冠比，提高了各试验期水稻根系伤流强度，对吸收面积的影响不显著；

（2）方差分析表明，单一因素及互作处理对水稻产量构成中每穗粒数的影响均达到极显著水平，对千粒重的影响不显著，高浓度CO2处理降低了水稻结实率。相比单一因素处理，高浓度CO2和添加生物炭对水稻根系生理功能的互作效应并不显著，未来应加强其作用机制及对水稻地上部分的影响等相关问题的试验研究。