生物质炭对土壤保水性和作物抗干旱能力的影响研究进展

张登晓, 介红彬, 张文静, 高 雅, 饶 伟, 李栋浩, 王代长

(河南农业大学资源与环境学院,450002,郑州)

随着气候变化的加剧,干旱、洪涝和暴雨等气象灾害事件频发,降水不均越来越严重,对农业生产造成了严重损失,在区域和全球尺度均严重威胁粮食安全。特别是干旱对作物生长和粮食产量的影响,已成为威胁我国及全球农业生产的主要气候灾害之一[1]。Webber等[2]通过模型分析的方法研究过去和未来气候变化条件下影响作物产量的限制因子,发现干旱胁迫是气候变化导致产量降低的主要影响因素。据报道,我国每年约17%的农田受到干旱胁迫的影响,且70%以上的作物产量减产都与干旱有关[3]。近年来,干旱对我国农业生产带来的严重影响已产生了重大的社会经济损失[4]。特别是持续性的干旱胁迫,可引起农作物新陈代谢的紊乱,甚至导致作物死亡。目前已有大量关于干旱胁迫影响不同作物生长的相关报道。Zhang 等[5]通过对相关文献进行整合分析,研究发现,干旱胁迫下小麦和水稻籽粒产量分别降低了27.5%和25.4%。在长期干旱胁迫中,土壤水分有效性降低是限制作物生长的主要驱动者。水分含量的降低能够导致土壤微生物群落结构和活性以及土壤养分有效性均受到影响,降低作物对氮、磷等养分的吸收,抑制作物的生长[6]。因此,探索适宜于不同条件下的农田管理措施,以提高农作物对干旱胁迫的适应能力和提高土壤的持水性能,对于气候变化背景下促进我国农业的可持续发展和保障粮食安全具有重要意义。

目前研究发现,生物质炭在应对气候变化、退化土壤修复、改善土壤肥力和提高作物产量等方面具有很大应用潜力。由于生物质炭自身具有较高的含碳量和稳定的结构,施用于农田土壤中能够长期稳定存在而增加土壤固碳。同时生物质炭施用于农田土壤后能够减少温室气体,特别是N2O等的排放[7],在农业生产中应对气候变化和实现碳中和过程中具有很大应用潜力。生物质炭在农田土壤中长期存在的同时,能够改善土壤结构,提高土壤保水和保肥能力,对作物生长具有促进作用[8]。正是由于生物质炭对作物生长和土壤质量具有调控作用,因此在干旱条件下,生物质炭可能通过对作物抗性的提高和土壤持水能力的改善而保障作物的生产。该观点被Edeh等[9]和Razzaghi等[10]所证实,即生物质炭的施用对土壤有效水含量和田间持水量均具有提高的效应。大部分生物质炭自身具有较高的孔隙度和比表面积。有报道指出,生物质炭的平均比表面积达125 m2/g,且具有大量的微小孔隙,在土壤中能够提高毛管水含量;而且生物质炭表面含有的大量的羧基、羟基等亲水性基团[11],使其对水分具有较高的吸持能力。生物质炭施入土壤后,通过促进土壤团聚体结构的形成,改善土壤孔隙结构,提高土壤持水能力,保障土壤水分的有效供应[12]。这是生物质炭提高土壤保水性的可能机制。另外,生物质炭施用后对作物抗胁迫能力也具有提高的作用。包括对作物根系构型的改善,提高作物对养分和水分的获取能力[13];调节叶片细胞的渗透势和抗氧化物酶活性等,提高作物对干旱胁迫等的适应能力[14]。这表明生物质炭在提高农作物抗干旱胁迫应用上具有潜力。当然,生物质炭的性质,包括比表面积、孔隙度、灰分和含氧官能团的数量等,与其原料和制备温度等密切相关,导致其在土壤中的效应也具有变异性[11]。

在气候变化加剧导致干旱事件频发的背景下,如何促进我国农业的可持续发展,保障粮食安全,成为亟待解决的问题。由于生物质炭自身性质的变异性,以及土壤质地和肥力等条件的差异,使得生物质炭的应用效果具有很大不确定性。笔者从作物抗干旱胁迫能力和土壤持水能力的角度,探讨干旱胁迫下生物质炭对农业生产的影响及其限制因子,旨在为利用生物质炭提高农田土壤持水性能、保障作物生长、促进农业生态系统的可持续生产提供依据。

1 在作物抗干旱胁迫中的作用

生物质炭应用于农业生产中表现出提高土壤肥力,促进作物生长和提高农作物抗性等方面的作用。Chen等[7]指出,生物质炭施用于土壤能够提高作物的生物量和产量,促进土壤团聚体结构的形成,提高土壤养分有效性和肥料利用率的作用。在作物抗性方面,有研究发现,生物质炭施用于农田土壤中能够提高作物抗环境胁迫能力。例如,Akhtar等[15]研究了在不同盐度水平条件下生物质炭对作物生长、生理和产量的影响,发现生物质炭能够减少作物对钠离子的吸收而提高作物对盐胁迫的抗性;Pandit等[16]研究发现,生物质炭在酸性土壤中能够提高土壤pH值并增加有效态磷和钾养分的含量,缓解贫瘠土壤对作物的养分胁迫;赵帅等[17]发现,生物质炭施用于农田土壤中能够降低土壤中重金属有效性,减少作物对重金属的积累,从而缓解重金属对作物胁迫的影响。同时,在农田土壤中施用生物质炭是一种有效的缓解作物干旱胁迫的农田管理措施,生物质炭能够提高作物抗干旱胁迫的能力。生物质炭对作物抗干旱胁迫的影响,一方面通过对作物根系形态的调控,提高作物获取水分的能力;另一方面通过生理生化调控机制,提高作物抗干旱胁迫能力。

1.1 根系形态调控机制

在干旱条件下,生物质炭可能通过对根系-土壤过程的调控提高作物对土壤水分的获取能力,从而改善作物对干旱胁迫的适应能力。在逆境胁迫下,作物根系表现出可塑性以适应环境胁迫。同样,在干旱胁迫下,农作物可通过调整生物量在作物体内的分配来提高抗干旱能力,特别是通过对根系生长的促进,即干旱胁迫显著增加生物量向根系的分配。根系的伸长增加了与土壤的接触面积,使作物能够吸收深层土壤中的水分,保障作物的生长。有研究指出,生物质炭施用于土壤中能够改善作物根系构型有。Liu等[18]在我国华北北部雨养旱地中施用小麦秸秆炭,发现施用生物质炭能够改善玉米根系构型,促进根系生长,进而提高玉米产量。Xiang等[19]通过整合分析研究也发现,生物质炭处理比对照显著提高作物根系生物量,并且改善根系构型,特别是根长、根表面积和根尖数大幅度提高,使根系与土壤的接触面积增大,能够更好地吸收水分和养分,特别是对深层土壤中水分和养分的吸收,从而提高作物抗干旱胁迫的能力。

农作物根系构型的变化必然导致根系分泌物产生量的变化,并通过根系和土壤之间的交互作用影响作物抗逆性能。根系分泌物是生态系统响应干旱的驱动因素之一。Pei等[20]研究水稻田中施入玉米芯生物质炭后根系分泌物的变化,发现生物质炭处理能够增加根系分泌物如氨基酸、植物生长素和脱落酸等的释放,这些促生物质一方面能够进一步促进根系的伸长,保障作物的生长。另一方面,有机酸类物质等进入土壤中,通过改变根际土壤pH值和影响根际微生物群落结构和活性而改变土壤养分有效性。根系分泌物,特别是小分子的有机酸和糖类物质,能够增加土壤中Fe、P、Mg等养分的溶解,也可以为根际土壤中的微生物活动提供碳源和能源,显著增加土壤中微生物的丰度,塑造不同的微生物类群和功能,促进根际微生物活性和土壤呼吸,同时促进土壤矿化和有机质的分解,并进一步影响土壤水分和养分有效性等,从而影响作物对养分的吸收和作物生长[21]。另外,干旱条件下可能导致根系过氧化氢的外排,根际过氧化物酶等酶活性的增加有助于清除坏损根细胞中的活性氧(ROS),从而改善水分关系[22]。Ouyang等[23]报道指出,由于生物质炭中较高的养分和溶解态有机碳的含量,不同类型的生物质炭施入土壤中均能提高土壤过氧化物酶等的活性。因此,生物质炭也具有促进干旱下作物健康生长的潜力。

同时,生物质炭对作物根系及根系分泌物的影响也存在很大的变异性,在不同土壤条件、生物质炭类型等因素之间具有很大差别。Zou 等[24]通过整合分析研究发现,生物质炭在砂质土壤中对根系生物量的增加效应大于壤质土壤,且随土壤pH值的增加,生物质炭对作物根系的伸长效应呈现降低的效应;在不同类型生物质炭之间,作物秸秆炭对作物生长的效果比木炭更好,且与生物质炭的pH值、养分含量和比表面积等性质有关。因此,在干旱胁迫条件下,生物质炭在不同土壤和植物下对根系影响存在不确定性,应进一步研究生物质炭-根际-根系之间的交互作用。

1.2 生理生化调控机制

在干旱胁迫下,生物质炭一方面通过对作物根系的影响使其获取更多的水分,另一方面通过影响作物的生理生化过程以适应干旱环境。有研究发现,干旱环境下适量施用生物质炭能够改善叶片叶绿素含量、气孔导度和光合效率等指标,提高作物的光合效率,增加生物量的积累,从而缓解干旱胁迫对作物产量或生物量造成的影响[25]。另外,生物质炭对作物抗干旱性能的提高可能与作物细胞渗透势的提高有关。在干旱胁迫下,由于叶片蒸腾作用损失的水分速率大于根系吸收水分速率,从而造成作物缺水。生物质炭自身含有的多种矿质养分元素,以及大量的有机活性成分,也能够促进作物对养分的吸收,特别是钾元素等在作物细胞内的积累[26],能够提高作物渗透势,减少水分蒸腾损失对作物细胞和组织造成的损伤,从而提高作物抗旱性。有研究报道,与空白对照处理相比,生物质炭处理能够提高作物叶片相对含水量和渗透势[14]。作物渗透势的增加,气孔导度的提高等,能够维持干旱条件下作物的蒸散速率,保持较高的光合效率,提高水分利用效率。同时,也有报道指出,生物质炭对作物水分利用效率的影响与生物质炭和土壤性质等因素相关。例如在土壤pH值、生物质炭的原料和生产温度等都是影响作物水分利用效率的因素[27]。

作物在干旱胁迫下也会通过生理、生化和细胞途径来保证和延续植物的生长发育,例如干旱诱导作物体内脱落酸和茉莉酸的合成。这些物质能够调控作物叶片气孔的开合,维持作物水分平衡,同时可刺激作物体内抗氧化酶的转录和活性。如过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)等,抑制作物体内活性氧(ROS)的产生或清除ROS,减少干旱胁迫引起的氧化损伤[28]。有报道指出,生物质炭的施用可影响作物叶片中脱落酸等的含量,增强作物抗干旱能力[29]。同时,生物质炭处理能够降低作物体内MDA含量并提高SOD、POD等酶活性,降低干旱胁迫对作物造成的损伤[30]。总之,生物质炭能够通过提高叶片组织的渗透势和气孔导度等,提高干旱条件下作物的光合效率,提高水分利用效率,并通过抗氧化酶活性的调节,减少干旱胁迫最作物组织的损伤,保障作物的健康生长。

2 对土壤持水能力的影响

提高农田土壤的水分固持能力对作物抗干旱和保障农作物生长具有重要意义。由于生物质炭具有较高的比表面积和孔隙度,并且其表面附着大量亲水性官能团,因此其本身具有较好的保水性[11]。生物质炭施入土壤后,对土壤持水性能的影响也有很多研究。刘小宁等[31]通过田间定位试验,发现添加生物质炭能够提高土壤饱和含水量、田间持水量以及有效水含量。Zhang等[32]监测了褐土雨养旱地中施用生物质炭后土壤含水量的变化,结果显示,生物质炭一次性施用后土壤含水量连续两年比不施炭显著提高。这与Villagra-Mendoza等[33]在偏砂质土壤中的研究结果一致。然而也有研究发现,生物质炭对土壤保水能力没有显著性影响,甚至具有降低土壤含水量的效应。例如Madari等[34]发现生物质炭施用于土壤后第一年显著增加水分有效性,而第五年没有显著影响。Mannan等[35]在偏黏质的土壤中研究发现,生物质炭添加对大豆的吸收水量没有影响。因此,生物质炭对土壤持水性的影响具有一定的变异性,可能与作物类型、土壤类型和施用年限等因素有关。基于此,Edeh等[9]和Razzaghi等[10]通过整合分析的方法,研究了不同土壤条件下施用生物质炭对土壤有效水含量和田间持水量等的影响及其影响因素。结果表明,生物质炭施用于农田土壤后,土壤田间持水量平均提高20.4%,土壤有效水含量提高28.5%。同时,该研究也表明,土壤质地、生物质炭颗粒大小、比表面积等,是影响生物质炭对土壤持水能力的主要限制因子。

2.1 生物质炭的性质与土壤保水性之间的关系

从生物质炭自身的性质角度来看,生物质炭对土壤持水性的影响与其自身对水分的亲/疏水性相关,生物质炭对水分的亲和性与其表面亲水官能团、比表面积和孔隙度、灰分含量等因素相关。一方面,生物质炭持水能力可能与其表面官能团的性质,特别是含氧官能团的数量显著相关[36]。Mao等[37]利用傅里叶红外光谱技术研究也发现,生物质炭表面的羧基官能团数量与其对水分的亲和性关系密切。该现象被王昊等[38]进一步证实,即随着生物质炭的老化,其表面羧基官能团的数量增加,且亲水性随之提高。另一方面,生物质炭对水分的亲和性与其比表面积和孔隙度相关。有研究表明,生物质炭对水分的亲和能力与其比表面积和孔隙度呈正相关关系[37]。Hyväluoma等[39]利用X射线断层成像技术分析发现,生物质炭内孔隙主要由可调控植物有效水大小的孔隙组成。因此,孔隙结构和含氧官能团是影响生物质炭持水性的关键因子。而生物质炭比表面积和孔隙度的大小,以及含氧官能团的数量与其裂解温度有关。一般随着温度的增加,生物质炭的比表面积和孔隙度增加,且疏水的脂肪族化合物减少而亲水的羧基等含氧官能团数量增加[40]。另外,有研究表明,生物质炭对水分的亲和性可能与其灰分含量相关。Kinney等[40]研究发现,在相同的原料下,生物质炭的灰分含量与其持水性呈正相关关系,而在不同的原料下,生物质炭的灰分含量与其持水性没有显著相关关系。与生物质炭持水性相关的这些性质主要由其原料和制备温度决定。因此,在农业生产中应用生物质炭改善土壤持水性能时,应考虑生物质炭的性质与其生态功能之间的关系,选择合适的生物质炭。

2.2 对土壤持水性的影响与土壤条件的关系

从土壤条件的角度来看,生物质炭对土壤持水性的影响与土壤质地、孔隙度和有机质含量等因素相关。Mao等[37]研究发现,在有机质含量丰富的黑土中,添加生物质炭对土壤田间持水量没有影响,而在有机质含量相对较低的红壤和黄壤中,生物质炭显著提高了田间持水量。有机质含量高的土壤一般具有较好的结构,并且含有大量的腐殖质和含氧官能团,本身对水分具有较高的亲和力,生物质炭的效应较小。而在有机质含量低的土壤中添加生物质炭,能够提高土壤有机质含量,特别是大量表面含氧官能团和溶解态有机质的输入,能够提高土壤对水分的亲和性。因此,在较低有机质含量的土壤中,生物质炭对土壤持水性可能具有更好的提高作用。另外,生物质炭对土壤持水性的影响与土壤质地相关。Razzaghi等[10]发现,生物质炭的施用能够增加土壤水分有效性,其中质地较差的土壤中增加幅度为45%,而质地较好的土壤中平均增加14%,该研究结果与Omondi等[41]和Edeh等[9]相一致。生物质炭对田间持水量的增加与其对土壤结构的改善有关。生物质炭的添加降低了土壤密度,增加了土壤孔隙度和孔隙数量,促进土壤团聚体结构的形成,增加了土壤毛管水吸力,使土壤持水性能增加[42]。特别是在结构相对较差的偏砂质土壤中,生物质炭对土壤结构的改善效果更好[41]。因此,在质地偏砂和有机质偏低的土壤中施用生物质炭具有更好的保水效果。

生物质炭施用于农田土壤中对作物生产和土壤理化性质均表现出长期效应[43],而对土壤持水性的长期效应目前研究较少。生物质炭在土壤中的老化过程,能够对生物质炭自身比表面积和亲/疏水性产生影响,老化过程使生物质炭表面亲水性的含氧官能团数量增加,能够增加其持水能力[44]。因此,生物质炭对土壤持水性的影响可能存在长期效应,研究生物质炭一次性施入后对土壤水力特性的长期效应及其机制,成为亟需解决的问题。

3 结论及展望

在全球气候变化背景下,地区间降水不均加剧导致干旱事件频发,对我国农业可持续发展和粮食安全造成威胁。生物质炭在农田土壤中的施用表现出提高土壤保水保肥性能和作物抗干旱胁迫的作用。生物质炭能够促进根系的伸长,改善作物根系构型,并通过影响根际微生物活性等提高作物对水分和养分的吸收。生物质炭能够调节作物抗氧化酶活性和渗透性等,从而提高作物抗干旱胁迫能力。生物质炭施用于土壤中能够提高土壤田间持水量和水分有效性。该效应可能与生物质炭自身的性质以及土壤条件等有关,并且生物质炭对土壤保水性的影响可能存在长期持续效应。

目前研究发现生物质炭对作物抗干旱胁迫性和土壤保水性的影响具有很大变异性,在作物类型、土壤条件和生物质炭类型等因素之间的效应不同。在理论上,将来需要系统性研究生物质炭对土壤保水性和作物抗干旱胁迫的作用机制和关键影响因子;在实践上,需要在不同的土壤和气候条件下进行试验示范和相应炭基保水剂产品的研发:1)研究土壤保水性的变化与生物质炭特性和土壤性质的关系,及其持续效应;2)研究干旱胁迫下生物质炭对作物形态结构和抗干旱胁迫相关生理性状的影响,明确生物质炭对作物抗干旱胁迫的生理响应机制;3)探索不同土壤条件的生物质炭应用方式,开发相应的炭基保水剂产品等,为提高农田水分高效利用,促进农业可持续发展提供理论和应用基础。