棉杆生物炭对棉花根系特性及生理代谢的影响

唐光木,侯艳艳,潘金龙,张云舒,马海刚,徐万里

(1.新疆农业科学院 土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091； 2.中国农业大学 土地科学与技术学院，北京 100193；3.新疆农业大学 草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052)

生物炭是农林废弃物无氧或缺氧低温热裂解形成的，具有多孔、比表面积巨大和化学稳定性的富碳固态物质[1]。生物炭作为一种土壤改良剂，在改善土壤物理性质[2]、提升养分水分资源利用效率[3]、促进作物生长和功能发挥[4]、提高作物产量[5]方面发挥重要的作用。由于生物炭原料来源、炭化工艺流程、施用方式方法以及供试土壤类型、作物和种植管理模式等差异，对作物生产力的影响具有很大的不确定性[5-6]。但生物炭对作物生长和产量的影响，很大程度上取决于作物根系的形态及生理生化特性，开展作物根系及其形态和生理生化特性研究，有助于揭示生物炭对作物生长和产量形成的作用机理。

根系是植物固定、养分吸收和运移的重要器官[7]，是植物激素、有机酸和氨基酸合成的重要场所[8]，根系表型及生理生化特征影响植物地上部生长发育、产量和品质形成[9]，并通过改变根系构型和生理活性特性适应生境的变化。已有研究表明土壤质地类型[10]、耕作[11]以及施肥[12]、灌溉[13]等农田管理措施诱导植物根系形态指标改变。根系可根据直径大小可分为细根(0～0.4mm)、中根(0.4～1.2mm)和粗根(>1.2mm)[14]。粗根能更好地固结土壤[15]，中根和细根是根系系统最活跃的组成部分，很大程度上决定整个根系系统的形态构建和生理生化指标的改变[16]。研究表明，玉米初生根系和直径小于2mm 的细根吸收水分和养分能力远远大于较老和较粗的根系[17]，直径小于2mm的根系根长与青椒产量关系密切[18]，并且农田管理措施主要诱导细根的发生[19]，因此，细根对环境变化的响应最为敏感，细根的周转速率、根系活力以及相关的生理指标可以准确反应根系适应状况。

棉花是直根系作物，根系生长分布受遗传因子[20]、管理措施[21]、环境条件[22]等影响，棉花根系在不同生境土壤中的表型特征及其生理活性指标表现各异。生物炭作为土壤改良剂，对小麦[23]、水稻[24]、玉米[25]、烟草[26]等作物根系形态特性的影响开展了大量研究；将棉秸杆炭化还田，有利于降低棉秸杆粉碎直接还田影响播种、出苗和土传病害的发生，前期的研究表明，棉秸杆生物炭(以下简称：棉杆生物炭)施入灰漠土能够降低土壤体积质量，增加土壤孔隙度，影响棉花根系的生长，但棉杆生物炭对棉花根系构型及生理生化指标影响作用如何？目前还鲜见报道。为此，本研究以棉花盛花期根系为研究对象，开展棉杆生物炭对棉花根系构型及生理代谢指标的影响研究，对实现棉花高产高效和制定科学合理的水肥管理措施具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

田间试验位于国家灰漠土土壤肥力与肥料效益监测基地(N43°95′26″，E87°46′45″)和新疆生产建设兵团第八师炮台土壤改良试验站(N44°47′36″，E85°33′07″)。试验地土壤类型为灰漠土和风沙土，土壤质地类型为粉砂质壤土(粘粒7%，粉砂46%，砂粒47%)和砂质壤土(粘粒2%，粉砂38%，砂粒59%)，试验地土壤基本性质见表1。

表1 供试土壤基本性质Table 1 Basic properties of tested soil

将收获的棉杆风干粉碎成8～10 cm的短枝条，利用自制的炭化炉450 ℃厌氧条件下炭化1 h制备棉杆生物炭。制备的棉杆生物炭自然风干，粉碎过0.25 mm筛，充分混合均匀，备用。

1.2 试验设计

2019年4月23日在国家灰漠土土壤肥力与肥料效益监测基地和新疆生产建设兵团第八师炮台土壤改良试验站进行播种，供试棉花品种为‘新陆早54号’。采用膜下滴灌机采棉栽培模式，膜宽2.05 m，一膜3管6行，行距配置(10+66+10)cm，株距9.5 cm(图1)。试验设常规施肥处理(NPK)、常规施肥+22.5×103kg/hm2棉杆生物炭(NPK1.5BC)和常规施肥+45.0×103kg/hm2棉杆生物炭(NPK3.0BC)共3个处理，重复3次，18个小区。采用随机区组排列，小区面积32 m2。常规施肥处理为纯N 300 kg/hm2，P2O5138 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2。棉杆生物炭和磷钾肥作为基肥一次性施入，氮肥40%基施，60%追施(6月3日第二水2%、6月16日第三水5%、6月28日第四水12%、7月9日第五水12%、7月19日第六水12%、7月28日第七水12%、8月5日第八水5%)。田间其他管理方式一致。

图1 典型的一膜六行模式[27]Fig.1 Typical six line mode unber one film[27]

1.3 测定指标与方法

棉花生长盛花期，每个小区随机选择20～30株棉花测定株高和茎粗，采集5～10株棉花测定地上和地下部生物量。同时，每个小区选取 1 m×1 m的区域，采集棉花根系样品，将土壤中的所有根系挑选出，并立即放入有冰袋的保温箱中，带回试验室，于4 ℃冰箱内保存。

棉花吐絮期，每个小区选择9.6 m2计算棉花每667 m2株数、单株铃数，同时随机采集25个棉桃，风干后测定单铃质量，计算单位面积棉花籽棉产量。

根据Sullivan等[14]和王庆惠等[16]提供方法，将棉花根系根据根径大小分为细根(0～0.4 mm)、中根(0.4～1.2 mm)和粗根(>1.2 mm)，并进行根系参数的统计计算。

根系吲哚乙酸含量采用参考何钟佩[28]的方法测定，丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量测定参考Cui等[29]的硫代巴比妥酸法测定，过氧化氢酶(Catalase，CAT)活性测定参考Liu等[30]的方法测定。

1.4 数据分析

采用WPS 2016和SAS 8.0统计分析软件进行试验数据分析和绘图，多重比较采用LSD法，数据均以“平均值±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 添加棉杆生物炭对棉花生长及产量的影响

添加棉杆生物炭对不同土壤类型棉花生长及产量的影响不同(表2、图2)。灰漠土中，相比NPK处理，NPK1.5BC处理棉花株高提高 14.02%，NPK3.0BC处理显著提高18.33%；棉杆生物炭处理间，NPK3.0BC处理相比 NPK1.5BC处理提高了棉花株高，但差异不显著；相比NPK处理，添加棉杆生物炭提高了棉花茎粗、地上部生物量和地下部生物量，不同处理间差异不显著；NPK3.0BC处理相比NPK1.5BC处理降低了棉花茎粗、地上部生物量和地下部生物量，但差异不显著。风沙土中，相比NPK处理，NPK1.5BC处理显著提高了棉花地上部生物量12.16%，NPK3.0BC处理显著提高了棉花茎粗20.49%，株高、茎粗、地上部生物量和地下部生物量其他各处理间差异不显著；棉杆生物炭处理间，相比NPK1.5BC处理，NPK3.0BC处理显著提高了地上部生物量5.87%。可见，灰漠土和风沙土中添加棉杆生物炭均促进棉花的生长。

表2 添加棉杆生物炭棉花生长性状的变化Table 2 Changes of cotton growth with addition of cotton stalk char

添加棉杆生物炭提高灰漠土中棉花籽棉产量，相比NPK处理，NPK1.5BC和NPK3.0BC处理籽棉产量提高7.71%和5.53%，但过量的棉杆生物炭添加降低籽棉产量，相比NPK1.5BC处理，NPK3.0BC处理籽棉产量降低2.03%，不同处理间差异不显著。风沙土中，相比NPK处理，NPK1.5BC处理籽棉产量提高5.70%，NPK 3.0BC处理则降低5.85%，不同处理间差异不显著；棉杆生物炭处理间，与NPK1.5BC处理相比，NPK3.0BC处理籽棉产量则显著降低10.93%。

不同字母表示各处理间差异显著(P<0.05)，下同

两种土壤类型间都表现为相比NPK处理，NPK1.5BC处理提高籽棉产量，NPK3.0BC处理降低籽棉产量。

2.2 添加棉杆生物炭对棉花根系形态的影响

添加棉杆生物炭影响灰漠土中棉花根系形态(表3)，棉花根长表现为细根>中根>粗根，相比NPK处理，NPK1.5BC处理细根根长显著增加32.60%，NPK3.0BC处理增加了细根根长但差异不显著；相比NPK处理，棉杆生物炭添加处理降低了中根和粗根根长，不同处理间差异不显著。棉花根表面积表现为中根>粗根>细根，与NPK处理相比，NPK1.5BC处理细根和中根表面积提高111.10%和17.49%，NPK3.0BC处理细根表面积显著增加100.00%；NPK1.5BC和NPK 3.0BC处理降低了粗根表面积，但差异不显著。根体积表现为细根>中根>粗根，不同处理间对中根和粗根根体积无显著影响，相比NPK处理，NPK1.5BC和NPK3.0BC处理细根根体积显著提高129.03%和83.87%。不同棉杆生物炭处理间表现为过量的棉杆生物炭抑制了棉花根系的生长，相比NPK1.5BC处理，NPK3.0BC处理则降低棉花根长、根表面积和根体积，但差异不显著(细根根长除外)。

表3 添加棉杆生物炭灰漠土棉花根系参数Table 3 Cotton root parameters of grey desert soil under addition of cotton stalk char

风沙土中，根长和根表面积表现为细根>中根>粗根，不同根径大小之间根体积变化不明显(表4)。不同处理棉杆生物炭添加降低了中根和粗根的根长和根表面积，高量的棉杆生物炭则增加了细根的根长和根表面积，与NPK处理相比，NPK1.5BC处理降低细根根长和根表面积，NPK3.0BC处理增加了细根根长和根表面积，但差异不显著；棉杆生物炭处理间，与NPK1.5BC处理相比，NPK3.0BC处理细根根长和根表面分别显著增加43.21%和27.61%；中根和粗根根长和根表面积则随棉杆生物炭添加量的增加而降低，与NPK处理相比，NPK3.0BC处理中根根长和根表面积分别显著降低50.57%和53.19%，粗根根长和根表面积则显著降低65.38%、 67.92%；不同处理对棉花根系不同根径的根体积影响不大。两种土壤类型中，棉杆生物炭添加都降低了中根和粗根根长、根表面积(灰漠土NPK 1.5BC除外)，对其根体积影响不显著；对细根根长和根表面积影响存在不同，不同处理中，灰漠土中NPK1.5BC处理细根根长最长、体积最大，风沙土中NPK3.0BC处理细根根长最长、体积 最大。

表4 添加棉杆生物炭风沙土棉花根系参数Table 4 Cotton root parameters of aeolian sandy soil under addition of cotton stalk char

2.3 添加棉杆生物炭棉花根系生理活性变化

吲哚乙酸(IAA)是植物内源激素中最重要的一种。棉杆生物炭添加对灰漠土和风沙土根系IAA的影响不同(图3)。灰漠土中，不同处理间棉花根系中IAA含量表现为NPK1.5BC>NPK>NPK3.0BC，相比NPK处理，NPK1.5BC处理棉花根系IAA显著提高49.57%，NPK3.0BC则显著降低39.32%；不同棉杆生物炭处理间，相比NPK1.5BC处理，NPK3.0BC处理根系IAA显著降低59.43%。风沙土中，不同处理间根系IAA则表现为NPK3.0BC>NPK>NPK1.5BC，相比NPK处理，NPK1.5BC处理根系IAA降低27.12%，NPK3.0BC则显著提高137.33%；不同棉杆生物炭处理间，相比NPK1.5BC处理，NPK3.0BC处理根系IAA显著提高225.65%。

图3 添加棉杆生物炭棉花根系IAA含量的变化Fig.3 Cotton root system of IAA content under addition of cotton stalk char

MDA是细胞质膜过氧化的最终产物，反映细胞质膜过氧化程度和对逆境的反应程度，不同处理对棉花根系MDA含量影响不同(表5)。灰漠土中，NPK1.5BC处理根系MDA含量低于NPK处理，但差异不显著，NPK3.0BC处理相比NPK处理根系MDA含量则显著提高 75.00%。风沙土中，棉杆生物炭添加提高了根系MDA含量，相比NPK处理，NPK1.5BC和NPK3.0BC处理则分别增加了5倍和2倍。

表5 添加棉杆生物炭棉花根系MDA含量和CAT活性的变化Table 5 Root’s MDA content and CAT activity under addition of cotton stalk char

过氧化氢酶(CAT)是植物体内重要的抗氧化酶，催化细胞内过氧化氢的分解，使细胞免于过氧化氢的毒害。灰漠土和风沙土中，棉杆生物炭添加增加了根系CAT活性，表现为NPK1.5BC>NPK3.0BC>NPK处理；相比NPK处理，NPK1.5BC处理灰漠土和风沙土棉花根系CAT活性分别显著提高423.26%和154.68%；相比NPK处理，NPK3.0BC处理灰漠土中棉花根系CAT活性显著提高194.19%，风沙土中提高 3.60%，但差异不显著。

3 结论与讨论

生物炭施用影响作物生长和产量形成，但生物炭原料来源、炭化工艺流程、施用量和方式方法以及区域环境特点、土壤条件、田间管理措施等影响生物炭对作物生长和产量形成的作用效果[5-6]，并存在诸多的不确定性。本研究中，灰漠土和风沙土中添加棉杆生物炭促进棉花生长和产量的提高，但棉杆生物炭添加量达到45.0×103kg/hm2时一定程度上抑制棉花生长和产量提高，这与魏永霞等[31]、刘慧敏等[32]研究结果相一致，究其原因是因为生物炭施用降低土壤体积质量，增加土壤孔隙度和比表面积，提高土壤保水保肥性能[2]，促进作物生长和产量的提高；但过量生物炭施入改变土壤酸碱度，并与作物产生养分、水分竞争作用，抑制作物根系生长和养分水分吸收利用，同时提高土壤碳氮比值，影响土壤微生物群落结构和功能[33]；同时，生物炭含有的易挥发性成分，可能对作物产生一定的毒害作用[34]，从而抑制作物生长和产量提高。

根系是土壤最直接的“接触者”，生物炭通过改善土壤物理、化学和微生物特性，从而影响作物根系的生长发育和形态特征。张伟明等[24]研究表明生物炭施用增加水稻生育前期主根长、根体积，进而提高根系总吸收面积；蒋健等[25]对玉米的研究中指出生物炭增加玉米根系总根长、根体积，进而增加玉米根系活跃吸收面积。本研究中，两种土壤类型中添加棉杆生物炭对棉花细根的影响比较明显，对中根、粗根的影响相对较小，这与陈伟等[35]的研究结果相一致，说明生物炭对根系形态特性的影响主要集中在细根，添加生物炭细根根系辐射面积和土壤的接触面积更大，更加有利于养分、水分的吸收利用，从而有利于作物生长和产量的提高。

根系生理活性指标是根系吸收、合成、氧化和还原能力的综合体现[36]，反映根系生长状况和受伤害程度。赵宏伟等[37]研究表明冷水灌溉显著提高根系CAT活性和MDA含量，降低内源激素IAA含量，Liu 等[38]认为施氮可增强干旱处理棉花根系CAT活性，降低复水后MDA活性，罗宏海等[39]指出水氮双重亏缺加剧棉花根系MDA含量的大幅上升和CAT活性的下降。本研究表明，生物炭添加影响棉花根系内源激素IAA、MDA含量和CAT活性，生物炭对灰漠土和风沙土中棉花根系IAA影响不同，这可能与试验地土壤质地和棉花生长季气温有关。生物炭添加增加根系MDA含量和CAT活性，这是因为生物炭施用导致棉花根系膜脂过氧化伤害加强，根系为了减轻活性氧对根系细胞膜脂的伤害从而激发根系CAT活性，清除自由基，起到保护根系的作用；添加棉杆生物炭对灰漠土和风沙土中根系IAA含量、MDA含量和CAT活性影响不同，究其原因在于两种土壤的质地、养分及其微环境存在不同，根系IAA含量、MDA含量和CAT活性作出的相应响应的结果[40]。

综合可知，添加棉杆生物炭22.5×103kg/hm2时，能够有效促进棉花生长、产量形成、根系形态构建和生理活性指标提高，过量棉杆生物炭施用(45.0×103kg/hm2)抑制棉花生长、产量形成和根系形态构建，同时，由于生物炭施用对作物根系构型及其生理指标的研究还处于起步阶段，应加强生物炭影响作物根系构型和生理指标的深入研究，为生物炭的应用提供更加有力的数据支撑和理论依据。