生物炭介导的连作大豆光合生理代谢及产量响应

吴迪，袁鹤翀，顾闻琦，冯志波，孙媛媛，修立群，张伟明，陈温福

（沈阳农业大学，辽宁省生物炭工程技术研究中心，沈阳 110866）

大豆是我国乃至全球重要的粮油作物之一，在保障国家粮油安全中占据重要地位。我国大豆产量相对较低，大豆种植面积与产能提升受到严重制约，而植物体光合能力是决定光合产物积累及作物产量的重要因素[1]。特别在大豆连作条件下，植物体光合作用受阻会直接影响产量形成[2-3]。研究认为，连作可使作物根际微生态环境发生趋害变化，植物体水分、养分运输以及物质合成、代谢等生理过程受到明显抑制或损害[4-5]，作物光合生理活动减弱、光合能力下降，导致作物光合产物合成、积累受限，进而影响作物生长及产量形成。生物炭是近年国内外研究的热点，利用生物炭技术可将作物光合形成的“碳”，以稳定的碳形式（碳负效应）保存下来[6]，亦可改良土壤结构，改善土壤水、气、热、肥的环境条件，促进作物生长，提高产量[7-9]。本研究旨在明确生物炭长期存在条件下对连作大豆光合生理代谢及产量的响应，揭示生物炭的长期农学效应及其调控作物生长的关键因子，为生物炭应用于大豆生产提供理论基础和依据，对促进大豆生产可持续发展具有重要的现实意义。

前人研究表明，生物炭对作物光合作用等生理功能的调控，是其重要的功效来源[10]。生物炭的添加使植物光合速率提高了27.10%，气孔导度、蒸腾速率、叶绿素浓度分别提高了19.60%、26.90%、16.10%，促进了C3 植物的光合作用，提高了生物量[11]。生物炭对不同磷效率大豆的叶片净光合速率、叶绿素指数、氮平衡指数及可溶性糖、淀粉等均有正向影响，且该影响随施炭量增加而提高[12]。Sarma 等[13]的研究表明，生物炭在提高小麦叶片叶绿素含量、净光合速率、叶片氮浓度的同时，还可以使生物量、籽粒总蛋白、碳水化合物和产量也明显提高。在不同的非生物胁迫条件下，生物炭对植物体光合作用亦有重要影响。Zoghi 等[14]的研究表明，在最低供水条件下，高施炭量（30 g·kg-1）可使植物光合作用、气孔导度分别提高38.00%、39.00%。在干旱或盐胁迫条件下，生物炭可促进植物光合作用、养分吸收和气体交换[15]，缓解干旱和盐胁迫对大豆产量和水分利用效率的负面影响[16]。Huang 等[17]的研究表明，生物炭可通过维持较高的叶片相对含水量和较低的Na+/K+比值，以及增强作物光合作用来缓解盐胁迫，促进籽粒和产量形成。以上研究表明，生物炭对作物光合作用有重要影响，但在生物炭长期存在条件下连作对大豆光合生理代谢、产量等方面的调控作用尚不清楚，亦无相关报道。本研究通过大田长期定位试验，明确生物炭对连作大豆光合能力、产物积累及产量的调控效应及其作用关系，揭示生物炭的长期农用效应及其作物调控因子，为生物炭的农业应用提供理论基础和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验基于始于2013 年的生物炭大田长期定位试验，试验区位于沈阳农业大学科研基地，该地属温带半湿润大陆性气候，全年平均降水量600～800 mm，全年无霜期148～180 d，试验于2021年（第9年）进行。供试土壤为棕壤土，其基本理化特性：有机质18.01 g·kg-1，全氮1.46 g·kg-1，全磷0.58 g·kg-1，全钾18.35 g·kg-1，碱解氮含量为88.00 mg·kg-1，有效磷含量为18.80 mg·kg-1，速效钾含量为83.50 mg·kg-1，pH 为5.46。大豆品种为铁丰40，由辽宁省铁岭市农业科学院提供。生物炭由辽宁金和福农业科技开发股份有限公司提供，其制备条件及基本理化性质如表1所示。

表1 生物炭材料的基本理化性质Table 1 Basic physicochemical properties of biochar

1.2 试验设计

采用大田长期定位试验，随机区组排列设计，设置4 个处理：常规施肥处理（施肥，不施炭）作为对照（CK）；3 个生物炭不同用量处理，分别为12、24、48 t·hm-2，记作B1、B2、B3。小区面积为24 m2，每个处理3次重复。常规施肥处理的肥料施用量为N 36 kg·hm-2、P 54 kg·hm-2、K 42 kg·hm-2（根据该大豆品种的推荐肥量）。在大豆种植第一年，将生物炭、肥料均匀混合施入土壤，然后进行翻地、播种等农事操作，其后年份不再施入生物炭，即一次性施入。在大豆生长期间，播种、除草、病虫害防治等栽培管理措施与当地常规管理方式相同，各处理条件一致。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 光合基础及生理特性

开花期是决定后期大豆产量形成的最重要时期[18]，在该时期选择天气晴朗的上午9：00—11：00，在每小区选取具有代表性且长势一致的10 株大豆植株，采用便携式光合测定仪（LI-COR6400，美国）测定大豆功能叶片（倒三叶）的光合生理指标，包括净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）等。同时，在每小区选取有代表性且长势一致的5 株大豆植株，用暗适应叶夹使叶片处于暗反应状态15 min后，在饱和脉冲光（3 000 μmol·m-2·s-1）下暴露1 s，采用植物效率分析仪（Handy PEA，英国）测定荧光参数指标。

7月20日，取大豆主茎倒三叶鲜叶去除叶脉后备测，叶绿素含量相关测定采用分光光度法[19-20]。同时，于每小区取1 m2的大豆植株叶片，测定叶面积，并计算叶面积指数，计算公式：

叶面积指数=单位土地上的总叶面积（m2）/单位土地面积（m2）。

1.3.2 光合产物形成与积累

在光合生理指标测定完成后，将叶片用液氮速冻后保存于-80 ℃超低温冰箱备测。采用蒽酮比色法测定可溶性糖和淀粉含量[21]，采用间苯二酚法测定蔗糖含量[22]，采用考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量[23]。同时，于每小区选取3 株长势一致的代表性大豆植株，取全部叶片放置于烘箱中，于105 ℃杀青0.5 h，然后置于80 ℃将叶片烘至质量恒定，用电子天秤测定叶片干质量，并记录相关数据。

1.3.3 大豆产量

10 月4 日，于大豆成熟期进行产量测定，按标准测产方法进行[19]。

1.4 数据处理

采用Excel 2019 和SPSS 19.0 软件对数据进行统计分析，采用单因素（One-way ANOVA）和Duncan 法进行方差分析和多重比较。采用R 4.1.0 软件进行产量与光合生理特性相关分析。利用Graphpad Prism 5.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 生物炭对连作大豆叶绿素合成及叶面积的影响

2.1.1 叶绿素含量

如表2所示，生物炭可提高大豆叶片叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素（a+b）的含量。其中，大豆叶片叶绿素a含量随施炭量增加而提高，B3、B2和B1处理分别比CK处理提高23.53%、17.94%和5.00%，且差异显著。中、高炭量处理（B2、B3）对叶绿素b有显著影响，B2、B3处理分别比CK处理提高7.92%、9.90%。叶绿素（a+b）含量表现为B3＞B2＞B1＞CK，B3和B2处理分别比CK处理显著提高20.41%和13.60%。可见，施用生物炭可提高连作大豆叶绿素含量，且较高施炭量的作用更明显，生物炭为植物体进行光合作用提供了重要物质基础。

表2 生物炭对连作大豆叶绿素含量的影响（mg·g-1）Table 2 Effect of biochar on soybean chlorophyll content under continuous cropping（mg·g-1）

2.1.2 叶面积及叶面积指数

如图1 所示，施用生物炭可显著提高大豆叶面积及叶面积指数，且均表现为B3＞B2＞B1＞CK。B3、B2、B1 处理的叶面积分别比CK 处理显著提高54.57%、47.75%、40.09%，平均提高47.47%。B3、B2、B1 处理的叶面积指数分别是CK 处理的1.57、1.48、1.40 倍。研究表明，施用生物炭有利于促进连作大豆叶片生长发育，为提高大豆光合利用率提供了先决条件。

图1 生物炭对连作大豆叶面积及叶面积指数的影响Figure 1 Effects of biochar on soybean leaf area and leaf area index under continuous cropping

2.2 生物炭介导的连作大豆光合生理响应

2.2.1 光合生理指标

由表3 可知，生物炭处理的净光合速率、蒸腾速率均高于CK 处理，其中B3 处理的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，分别比CK 处理提高15.44%、14.98%和117.73%，且差异显著，说明高施炭量对提升大豆光合能力的作用更明显。而对于胞间CO2浓度，B2、B3处理均显著低于CK 处理，表明高施炭量处理的大豆植物体对CO2的利用加快，胞间CO2加速扩散有利于促进大豆光合作用。

表3 生物炭对连作大豆光合生理指标的影响Table 3 Effects of biochar on soybean photosynthesis under continuous cropping

2.2.2 植物效率

植物效率是反映植物体进行光能转换效率的重要指标。Fv/Fm为PSⅡ反应中心内禀光能转换效率。由图2可知，Fv/Fm表现为B3＞B2＞CK＞B1，B3处理的光能转换效率显著高于其他处理，表明高施炭量对提高植物体光合作用能力具有重要作用。Fv/Fo为潜在光化学效率，B3、B2处理的Fv/Fo值分别比B1处理提高5.56%和4.00%。Fo/Fm为PSⅡ反应中心热耗散量子比率，B3处理的Fo/Fm分别比B1、CK处理提高4.56%、4.08%，且差异显著。总体上，施用生物炭对提升大豆植物效率具有一定促进作用，且高施炭量作用更明显。

图2 生物炭对连作大豆植物效率的影响Figure 2 Effects of biochar on soybean plant efficiency under continuous cropping

2.2.3 水-温响应

如图3可知，B2处理的大豆叶片水分利用效率比CK 处理显著提高22.20%，表明适宜的施炭量可提高大豆叶片水分利用效率，在满足作物光合代谢生理需求的同时，使植物体获得最优的水分调配和供应。对于叶片温度，生物炭处理均低于CK 处理，其中B1、B3处理与CK处理差异显著，这有利于抑制叶片升温、蒸腾过快对植物生理进程及机体造成的伤害。

图3 生物炭介导的连作大豆叶片水分和温度响应Figure 3 Biochar-mediated water and temperature response of soybean leaves under continuous cropping

2.3 生物炭对连作大豆光合产物合成与积累的影响

2.3.1 营养物质合成

如图4 所示，施用生物炭可显著提高大豆叶片可溶性蛋白含量，B3、B2 和B1 处理分别是CK 处理的1.93、1.85 倍和1.76 倍，表明生物炭在提高大豆光合能力的同时，有效增强了氮代谢生理活动，促进了大豆营养物质的合成。可溶性糖含量表现为随施炭量的增加而提高，B2 和B3 处理分别比CK 处理显著提高36.04%和57.37%，说明较高施炭量有利于促进光合产物合成。

图4 生物炭对连作大豆可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响Figure 4 Effects of biochar on soybean soluble protein and soluble sugar content under continuous cropping

2.3.2 光合产物积累

如表4 所示，B3 处理大豆叶片淀粉含量比CK 处理显著提高9.47%，而B1、B2 处理与CK 处理无显著差异。而对于大豆叶片蔗糖含量，生物炭处理均显著高于CK 处理，表现为随施炭量增加而提高，B1、B2和B3 处理分别比CK 处理提高29.12%、39.17% 和58.91%，平均提高42.40%。可见，施用生物炭对促进大豆叶片光合产物（蔗糖）积累具有重要作用。

表4 生物炭对连作大豆光合产物积累的影响Table 4 Effects of biochar on soybean photosynthetic product accumulation under continuous cropping

2.3.3 大豆叶片干物质量与产量

如图5 所示，施用生物炭可显著提高大豆叶片干物质量，表现为随施炭量增加而提高，B1、B2、B3处理分别比CK 处理提高41.77%、54.71%、58.77%，平均提高51.75%。由此可见，生物炭在提升大豆光合能力及产物积累的同时，有效增加了叶片干物质积累，为后期产量形成奠定了基础。大豆最终产量如图6 所示，生物炭处理均高于CK处理，表现为随施炭量的增加而提高，其中B2、B3 处理的大豆产量分别比CK 处理显著提高7.69%、15.38%。

图5 生物炭对连作大豆叶片干物质量的影响Figure 5 Effects of biochar on dry matter weight of soybean leaves under continuous cropping

图6 生物炭对连作大豆产量的影响Figure 6 Effects of biochar on soybean yield under continuous cropping

2.4 产量形成与光合生理特性的相关分析

相关分析结果（图7）表明，在生物炭长期存在条件下，连作大豆产量与叶绿素a、净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）以及可溶性糖含量（Ssug）呈显著正相关，对应的pearson 相关系数分别为0.957、0.958、0.985、0.952 和0.981（P＜0.05）。这进一步说明施用生物炭可通过提升大豆自身光合生理功能及其产物积累，对连作大豆产量产生重要影响。

图7 连作大豆产量形成与光合生理特性的相关分析Figure 7 Correlation analysis of soybean yield formation and photosynthetic physiological characteristics under continuous cropping

3 讨论

3.1 生物炭对连作大豆光合生理指标的影响

理想的植物冠层是截获和有效利用光能的重要基础条件。本研究发现，施用生物炭可提高连作大豆叶面积及叶面积指数，形成可更多利用光能的群体冠层结构特征，为提高大豆光合能力及效率提供了良好的构型条件。诸多研究表明，生物炭可改良土壤结构，改善土壤水、气、热、肥等作物生长环境条件，促进作物根系生长以及植株对土壤养分、水分的吸收利用[24]，为叶片生长提供有效的“源”物质供应，从而促进叶片生长、增加叶面积、提高叶面积指数，为充分接收、利用光能提供了有利条件。

本研究还发现生物炭可提高连作大豆叶绿素含量以及净光合速率、蒸腾速率、气孔导度，降低胞间CO2浓度，大豆光合能力明显提升。叶绿素是植物体进行光合作用的重要载体，本研究中生物炭介导的连作大豆叶绿素a、b 以及总叶绿素含量明显提高。一般认为，N、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等养分元素是植物体参与叶绿素形成所必需的重要元素。研究表明，生物炭含有种类丰富的养分元素，其中包括N、P、K 等大量元素以及Mg、Fe、Mn、Cu、Zn 等植物体叶绿素合成所必需的中微量元素[7]，且由于生物炭比表面积大、吸附力强，可提高土壤大量养分元素和矿质元素含量[25]，从而为植物体叶绿素合成提供了充足的养分来源。另外，生物炭呈碱性，可提高土壤pH，影响土壤养分有效性，为植物体提供更多可利用的有效养分，从而促进植物体对养分的吸收和利用[26]，进而影响植物体叶绿素合成。

叶面积指数提高为提升植物体光能利用率创造了构型条件，而生物炭介导的植物体叶绿素增加，则为提高大豆光合生理能力提供了重要的代谢物质基础。另外，由于生物炭本身含有极其丰富的多微孔，且具有较强的吸附力，因此可增加土壤孔隙度，提高土壤通气透水性，提升土壤温度，改善土壤水、温、气等环境因子[27]，并进而影响大豆光合生理进程。特别地，生物炭可通过释放、吸持以及促进微生物分解、矿化等作用途径，提高土壤N、P、K 等养分含量及其有效性[24-25]。其中，K 是植物体进行光合作用的必要元素，K匮乏可导致叶绿素含量下降、CO2扩散受阻及羧化受限[28-29]，而生物炭对K 的增促调控有效避免了K匮乏的负效应。P 则是参与CO2富集、卡尔文循环和组成电子传递系统蛋白质的主要元素，可影响植物光合速率和干物质积累[30]，生物炭对土壤P 的促控作用，也为提高植物光合能力提供了养分基础和条件。此外，土壤有机质损失可导致作物光合作用和产量下降[31-32]，生物炭富碳，施入土壤可增加土壤碳汇，提高土壤有机质，从而促进植物光合作用。与此同时，本试验发现叶片水-温、胞间CO2浓度和植物光合效率之间的协同作用，可能主要来源于生物炭的多微孔结构，该结构可提高土壤持水能力[33]，为大豆生长提供充足水分，从而为提高叶片蒸腾速率、增加气孔导度提供了驱动力，而蒸腾速率、气孔导度以及光合作用升高耗用更多CO2，使叶片胞间CO2浓度降低，同时代谢活动的增强，也进一步增加了热耗散，从而降低了叶片温度，这种协同响应使植物体处于高效光合状态。而进一步的研究发现，施用生物炭尤其是高施炭量处理的PSⅡ反应中心内Fv/Fm、Fv/Fo 和PSⅡ反应中心Fo/Fm 也明显提高，植物效率提升。叶绿素荧光参数变化反映植物叶绿体光系统PSⅠ、PSⅡ（主要是PSⅡ）的光能吸收利用、传递及耗散过程，体现植物体光合的驱体变化及生理效率。本研究中，生物炭通过增加大豆光合代谢底物、扩大受光叶面积、提高光合速率来提高大豆光合生理能力，使大豆叶片避免强光胁迫而发生光抑制，提高PSⅡ反应中心的光能转化率及其实际光合代谢能力，从而提高大豆光合的植物效率。

3.2 生物炭对连作大豆光合产物形成与积累的影响

碳、氮代谢是植物体最为重要的代谢途径，决定着光合产物的形成与积累。本试验表明，生物炭的输入可提高大豆叶片可溶性蛋白含量，说明氮代谢活跃程度提高，植株氮代谢库增加[34]。而可溶性糖、蔗糖和淀粉是植物碳代谢的主要产物，其含量变化与光合作用密切相关[35]。本研究中，生物炭提高了大豆光合能力及效率，促使光合产物（碳水化合物）增加，同时土壤水分、养分等理化特性的改善，为可溶性糖、蔗糖及淀粉的合成、转化等提供了充足的代谢底物供应，从而增加了碳代谢产物，并进一步体现于叶片干物质积累的增加。

总体来看，施用生物炭可提高连作大豆光合代谢的基础（叶绿素含量及叶面积）、光合生理能力（净光合速率、蒸腾速率和气孔导度）及植物效率（光系统PSⅡ的Fv/Fm、Fv/Fo和Fo/Fm），促进大豆光合产物积累，增加叶干物质量，从而提高连作大豆产量。有研究表明，在白浆土中施用生物炭可有效改良土壤，使大豆产量随连作年限增加而呈上升趋势[8]，而在黑土坡耕地连续施用2 a生物炭（50 t·hm-2），第二年的大豆产量比第一年提高15.23%[36]，这与本研究结果基本一致。通过相关分析进一步发现，生物炭长期存在条件下介导的连作大豆叶绿素a、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、可溶性糖含量与产量呈显著正相关，是影响连作大豆产量的重要因子。生物炭介导下的大豆光合生理正向、协同响应，是其促使连作大豆增产的重要途径，为促进大豆产能提升和可持续发展提供了新途径。

4 结论

（1）生物炭长期存在可提高连作大豆叶绿素含量、叶面积及叶片干物质量，为光合反应提供重要物质基础和条件。同时，生物炭可提高大豆净光合速率、蒸腾速率及光合植物效率（光系统PSⅡ），降低胞间CO2浓度，增强大豆光合生理功能。

（2）生物炭可提升大豆可溶性蛋白、可溶性糖及蔗糖含量，增加大豆光合产物积累，提高连作大豆产量，其中高炭量处理（48 t·hm-2）的增产作用更明显。

（3）生物炭介导的连作大豆叶绿素a 含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度及可溶性糖含量与产量呈显著正相关，是调控连作大豆增产的重要因子。生物炭可提高连作大豆光合能力及产量，对提升大豆种植面积和产能、促进大豆生产可持续发展具有重要的现实意义。