生物炭对甜高粱形态特性的影响

李江鹏，于阳雪，孙璐

(沈阳工学院生命工程学院，辽宁抚顺 113122)

生物炭是在限氧条件下以及在低温下热解炭化得到的一种碳含量非常丰富、性质也非常稳定的物质［1］，作为一种常用的土壤改良剂，具有调节土壤pH、防止土壤养分流失、吸附重金属等多种功能［2－3］。近年来，生物炭受到农业、环境、能源等领域专家们的广泛关注，被誉为“黑色黄金”［4－6］。研究表明，生物炭施入农田土壤可改变土壤理化性质，提高肥料利用效率，增加作物产量，促进农业可持续发展。

甜高粱是粒用高粱的一个变种，不仅有“高能作物”之称，而且也因其具有抗旱、耐涝、耐贫瘠、耐盐碱等特性而享有作物中的“骆驼”之美誉。甜高粱生物产量高，含糖量高，乙醇转化率高，是优良的饲料作物、糖料作物和可再生能源作物，合理开发利用，对我国粮食安全、能源安全具有重大意义。很多研究指出生物炭对于很多作物的生长发育具有影响。在土壤中施入生物炭能增加水稻生育前期根系的主根长、根体积和根鲜重，提高水稻根系总吸收面积和活跃吸收面积。在水稻生育后期，生物炭在一定程度上延缓根系衰老。根系伤流速率、根系活力和可溶性蛋白在整个生育期内均高于对照，同时维持了较为适宜的根冠比，增强根系生理功能;生物炭处理的水稻产量增加，表现为每穴穗数、每穗粒数、结实率提高，比对照平均增产25.28%［7］。鉴于此，笔者研究了生物炭对甜高粱生长发育的影响，旨在为实现作物的高产优质高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料 供试材料为辽甜1号，由辽宁省农业科学院高梁研究所育成，1989年经全国牧草品种委员会审定通过，主要是高粱饲草的新品种［8］。试验土壤采自沈阳工学院生命工程学院试验基地。试验中添加的生物炭来自沈阳农业大学辽宁省生物炭工程技术研究中心。

1.2 试验设计 试验在沈阳工学院生命工程学院实验基地温室大棚中进行。采取盆栽方法，共设4个处理:CK(不添加生物炭)、C1(生物炭7 500 kg/hm2)、C2(生物炭11 250 kg/hm2)和C4(生物炭15 000 kg/hm2)。每个处理5次重复，共种植120盆。

1.3 测定方法 在高粱的不同时期用米尺测量株高;在特定的时期用游标卡尺测量茎基粗;在特定的时期用查数的方式统计并记录绿叶数和主茎节数;根的鲜重:把根从土中完整地挖出，清除根上的泥土，用千分之一电子秤进行测量;根的干重:采用烘干法，把称完鲜重的根放入烘箱中烘至恒重，然后用千分之一电子秤进行称量。

1.4 数据处理 数据采用SPSS 20.0进行统计分析，并用Excel进行图表的制作。

2 结果与分析

2.1 生物炭对高粱株高的影响 由图1可知，同一时期高粱的生理株高和自然株高随着生物炭添加量的增加逐渐增加。差异性检验结果表明，高粱的生理株高与生物炭添加量存在极显著关系，线性关系极好;高粱的自然株高与生物炭存在显著关系。由此表明生物炭对高粱株高的影响很大，添加生物炭有助于高粱株高的增加。

由表1可知，对于生理株高而言，苗期生物炭的浓度对高粱株高影响最大，并且在一定范围内生物炭浓度越大，植物长得越高;拔节期生物炭对高粱株高影响不大甚至产生负效应，生物炭浓度大的植株增长率甚至低于对照组;而在孕穗期内适当浓度生物炭促进株高，如C1、C2处理，而添加量大反而抑制其生长，如C3处理;开花期适当浓度生物炭促进株高，增加浓度影响不大。对于自然株高而言，生物炭对苗期影响最大，并且随浓度的增加影响越明显，生物炭对苗期自然株高的影响要高于生理株高;拔节期生物炭对自然株高起副作用，增长率比对照组要低;孕穗期生物炭对自然株高的影响同生理株高;开花期适当浓度生物炭有助于植株生长。由上可知，添加生物炭有助于高粱株高的增加，其主要影响时期为苗期和孕穗期。

表1 生物炭对高粱各时期生理株高、自然株高影响的百分比

2.2 生物炭对高粱绿叶数的影响 由图2可知，在高粱的各个生育期内，生物炭对绿叶数的影响不大，在施加生物炭和对照试验中，有的时期对照组绿叶数较多，有的时期试验组绿叶数较多，无明显的线性关系，生物炭对各时期绿叶数无明显影响。

2.3 生物炭对高粱主茎节数的影响 由表2和表3可知，在拔节期生物炭对主茎节数产生积极影响，随着生物炭添加量的增加，主茎节数也随之增加;但在孕穗期和开花期，生物炭的添加降低了主茎节数，并且生物炭添加量越大，主茎节数越少。总体来讲，生物炭的添加使高粱的主茎节数变少。

表2 生物炭对高粱主茎节数的影响

2.4 生物炭对高粱茎基粗的影响 茎基的粗细将直接影响植物的抗倒伏性，粗茎基将加强高粱的抗倒伏，为高粱抵御不利的外界环境、保产保收奠定良好的基础。由表4可知，相同时期，添加生物炭的处理组高粱主茎基数都变粗，并且随着生物炭含量的增加主茎基粗变大;同一植株在拔节期到孕穗期期间主茎基粗有下降趋势，不同程度地变细，但试验组与对照组植株相比，试验组下降幅度较小甚至保持平衡。差异显著性检验结果表明，茎基粗与生物炭含量存在显著关系。由此得出生物炭的添加对高粱茎基粗有积极影响。

表3 生物炭对高粱主茎节数影响的百分比

表4 生物炭对高粱茎基粗的影响 cm

2.5 生物炭对高粱根鲜、干重的影响

2.5.1 生物炭对高粱根鲜重的影响。由表5可知，生物炭对高粱根鲜重有很大的影响。苗期随着生物炭添加量的增加，高粱根鲜重也在不断增加，特别是C3处理根鲜重增加最突出;在拔节期试验组C3的根鲜重比对照组高，而C1和C2低于对照组;孕穗期所有试验组的根鲜重都要低于对照组，其中C3变化最明显;开花期高粱的根鲜重随着生物炭添加量的增加而增加，其中C3最明显。

2.5.2 生物炭对高粱根干重的影响。由表5可知，在拔节期低浓度生物炭处理(C2)的根干重比对照组要低，而高浓度生物炭处理的根干重要高于对照组;孕穗期所有处理的根干重都要比对照组低，其中C3处理差别最大;开花期时添加生物炭的试验组根干重迅速积累，均远大于对照组，特别是C3，根干重达到了525.00 g。由上可知，添加生物炭可有效增加高粱根的干重，但在不同的生长期作用结果不同;对照组在孕穗期就已经基本完成根干重的积累，在孕穗期到开花期变化不大，生物炭起显著作用主要集中在孕穗期到开花期，在短时间内根干重迅速增加，而在拔节期和孕穗期内添加生物炭的促进效果不明显，有的甚至存在抑制。

表5 生物炭对高粱各时期根鲜、干重的影响 g

3 讨论

在甜高粱作为新兴的糖料、饲料和能源作物越来越受到人们重视的今天，改善高粱种植环境、增加高粱产量日益迫切。来自巴西亚马逊河地区的田间试验结果表明，在土壤中施入生物炭(以11 t/hm2标准)，2年4个生长季后水稻和高粱产量累积增加了75%［9］。而在热带与亚热带地区施用生物炭发现，除了使大豆、玉米等作物增产外，植株中的镁、钙含量也明显增加［10］。该研究结果表明，在高粱的种植过程中生物炭的添加使高粱的形态特征发生重大的改变，植株高大，茎基粗壮，根系发达，必然导致产量的增加。同时生物炭的添加有助于土壤的改良，这对于高粱的栽培和种植有指导性的作用，所以该项技术应该在高粱的种植过程中广泛运用。

［1］宋延静，龚骏.施用生物炭对土壤生态系统功能的影响［J］.鲁东大学学报:自然科学版，2010，26(4):361 －365.

［2］LUO Y，DURENKAMP M，DENOBILI M，et al.Short term soil priming effects and the mineralisation of biochar following its incorporation to soils of different pH［J］.Soil Biology ＆ Biochemistry，2011，43(11):2304 －2314.

［3］UCHIMIYA M，WARTELLE L H，KLASSON K T，et al.Influence of pyrolysis temperature on biochar property and function as a heavy metal sorbent in soil［J］.J Agric Food Chem，2011，59(6):2501 －2510.

［4］LEHMANN J，SILVA JR J P，STEINER C，et al.Nutrient availability and leaching in an archaeological anthrosol and a ferralsol of central amazonia:Fertilizer，and charcoal amendments［J］.Plant and Soil，2003，249:343 －357.

［5］LEHMANN J，JOSEPH S.Biochar for environmental managementscience and technology［M］.UK and USA:Earthscan，2009.

［6］WHITMAN T，LEHMANN J.Biochar－one way forward for soil carbon in offset mechanisms in Africa?［J］.Environmental Science ＆ Policy，2009 12(7):1024－1027.

［7］CHEN W F，ZHANG W M，MENG J，et al.Researches on biochar application technology［J］.Engineering Sci，2011，13(2):83 －89.

［8］裴淑华，卢庆善，王伯伦.辽宁省农作物品种志(1974～1998)［M］.长春:辽宁科学技术出版社，1999.

［9］STEINER C，BLUM W E H，ZECH W，et al.Long term effects of manure，charcoal，and mineral:fertilization on crop production and fertility on a highly weathered central Amazonian upland soil［J］.Plant Soil，2007，291:275－290.

［10］LEHMANN J，WEIGL D，PETER I，et al.Nutrient interactions of alleycropped Sorghum bicolor and Acacia saligna in a run off irrigation system in Northern Kenya［J］.Plant Soil，1999，210:249 －262.