生物炭提高油菜产量的策略：促进油菜根系生长

摘要：为了研究紫色土壤中补充生物炭对油菜生长的影响，我们设计了1个对照盆栽实验，其中包含3个不同的生物炭水平，分别为CK（无生物炭）、T1（低生物炭）和T2（高生物炭）。每个处理设置3次重复。研究结果表明，油菜的株高和茎径参数分别增加了6.15%-9.80%和16.37%～20.11%。此外，施用生物炭还显著促进了油菜根系的生长，油菜根系总长度增加了约59.20%～67.57%，根系表面积相应增加了49.95%～62.83%。综合以上结果，生物炭能促进油菜根系生长发育，从而增加其产量潜力。

关键词：生物炭；油菜；根系生长；产量

在农业生产领域，施肥是最重要的农艺干预措施，具有提高作物产量的直接潜力。然而，农业用地开发和利用强度的不断提高导致化肥使用量大幅增加。虽然化肥使用量的增加使作物产量显著提高，但同时也引发了一些备受关注的问题。这些问题包括对化肥的大量资金投入、农业生产与投资的比率明显下降、土壤板结和土壤酸化。这不仅造成了化肥的大量浪费，还造成了严重的污染和生态危害。

生物炭是一种黑色固体物质，是有机生物质在缺氧条件下热解的产物。Liu等（2019年）在我国四川省广汉市进行的一项研究中发现，生物炭能够显著降低水稻土的容重[1]。然而，生物炭对土壤饱和水传导性的调节作用随着施用年限的延长而减弱。

有研究表明，生物炭的使用导致了旱地红壤的全氮含量增加。施用生物炭之前，土壤全氮含量在0.83～1.07 g/kg。施用生物炭一年后，高比例施用生物炭（30～40 t/hm2）使土壤全氮含量分别大幅增加了41.9%和 40.8%。此外，生物炭还是一种显著的磷源，Chintala 等（2014年）的研究表明，生物炭富含磷，尤其是在玉米秸秆炭的情况下[2]。

总之，国内外学者在利用生物炭改良土壤方面开展了大量研究。然而，我们必须认识到，生物炭的应用效果经常会产生不同的研究成果，这主要归因于土壤类型的固有差异。值得注意的是，关于生物炭在紫色土中的应用效果的研究相对匮乏，这表明目前在这一特定领域存在知识空白。

1 材料和方法

1.1 试验地点及试验设计

试验在我国西南大学农学与生物技术学院的可控温室设施内进行。研究时间为2021年9月—2022年5月。温室内不使用辅助人工照明，光照强度和光周期等环境条件与外部环境条件同步。进行了盆栽对照实验，包括3个不同的处理，每个处理重复3次。第1种处理涉及不同的生物炭施用量，具体如下：CK（不施用生物炭，施用量为0 t/hm2）、T1（低施用量生物炭，施用量为35 t/hm2）和T2（高施用量生物炭，施用量为50 t/hm2）。每盆土壤、生物炭和肥料的总重量统一为5 000 g。按照当地的种植习惯种植。

1.2 植株和产量分析

系统收集油菜植株在4个不同生长阶段的相关数据，即幼苗期、现蕾期、开花期和成熟期。油菜植株在2022年5月底收获。将植物从各自的花盆中取出后，将它们仔细地分成茎和荚。在75℃的烘箱中干燥48 h后，测定植物样本的干物质含量。

为了分析根系参数，在开花期采集了植物根系，

并进行了细致的除土处理。使用根扫描仪（Epson Perfection

V700）在装有少量水的透明塑料托盘中评估根的特征，包括根的总长度、根的表面积、根的体积和根的平均直径。数据分析采用 WinRhizo Pro 3.10，2007。

1.3 统计分析

数据分析采用了因子方差分析（ANOVA）技术。随后，只对方差分析结果中具有统计学意义的结果进行事后分析，采用最小显著性差异（LSD）检验，显著性水平设定为0.05。这些统计程序是利用SPSS软件17.0版

进行的。使用 Microsoft Excel 生成了数据图表。

2 结果

2.1 生物炭对油菜生长、产量和产量成分的影响

研究结果表明，施用生物炭也导致了叶片和茎干重的增加，如表1所示。在萌芽期，施用生物炭会显著增加叶片干重，与CK相比，T1和T2的叶片干重分别增加了116%和75%。茎干重的增加主要集中在萌芽期和开花期。但值得注意的是，在成熟期，T1和T2的茎干重比CK分别减少了17.51%和10.4%（表2）。如表2所示，施用生物炭大大提高了油菜籽的产量成分。值得注意的是，与CK相比，T1和T2的豆荚数分别增加了31.70%和28.90%。此外，与CK相比，T1和T2的有效荚数分别大幅增加了33.73%和18.16%。此外，与CK相比，T1和T2的豆荚干重分别增加了16.38%和18.90%。

2.2 生物炭对油菜根系生长的影响

如图1所示，施用生物炭对油菜根系生长有显著影响。施用生物炭后，油菜根系在整个生长阶段的总长度明显增加，在萌芽阶段的影响尤为明显。在萌芽期，相对于对照组（CK），处理组T1和T2的根系总长度分别大幅增加了143.09%和190.44%。此外，在开花期，与对照组（CK）相比，处理组T1和T2的总根长分别增加了67.57%和59.20%。与根的总长度类似，施用生物炭也对油菜根的表面积产生了明显的影响。在无性生长阶段，生物炭的影响微乎其微，但在其他生长阶段，生物炭的施用显著增加了根表面积。同样，在开花期，与CK相比，T1和T2的根表面积分别增加了62.83%和49.95%。值得注意的是，生物炭的引入导致油菜的平均根径略有减少。在植物生长期，与CK相比，T1和T2的平均根径分别增加了17.28%和11.11%。油菜根系体积的变化规律与根系表面积相似。虽然生物炭在幼苗期的影响极小，但在其他生长阶段，生物炭的应用却能显著增加根

系体积。

3 讨论

3.1 施用生物炭对生长、产量和产量成分的影响

本研究结果表明，施用生物炭，尤其是施用量较低时，对油菜的株高、茎直径和干物质重量有很大的积极影响。这一结果与早先在水稻和燕麦方面的研究结果一致，都证明了生物炭对植物生长的有益影响[3]。造成这种影响的一个合理解释是，生物炭能够增强土壤的物理化学性质，从而改善土壤的渗透性和肥力[4]。这些改善为油菜根系创造了有利环境，最终促进了植物地上部分的生长和发育。有理由认为，在施用生物炭后观察到的作物产量增加可能与作物光合能力增强和根系发育更健壮有关。

3.2 施用生物炭对根系生长的影响

在根系研究领域，在高地水稻种植中施用生物炭可以提高土壤的渗透性，从而刺激根系生长。研究表明，在无性生长阶段，将生物炭加入土壤后，作物根系的生长和发育更为出色。与不添加生物炭的处理相比，添加生物炭有助于加快根系生长。我们的研究同样发现，在油菜籽生长的各个阶段，施用生物炭都能显著促进根系生长，其中低比例生物炭在这方面更为有效。这一结果可能是由于过量施用生物炭造成的不利影响，生物炭会阻碍油菜根系与土壤建立充分接触的能力。施用生物炭能促进油菜干物质重量和根系生长，最终转化为产量的增加。与不施用生物炭相比，施用低比例生物炭可增加总荚数、有效荚数、千粒重和总产量。Agegnehu等（2016年）在大麦中也发现了类似的趋势，施用生物炭与堆肥结合可促进秸秆生长，提高作物产量[5]。此外，Qian等（2014年）阐明了结合有机物施用生物炭是提高水稻产量和开发土壤中炭基肥料载体的一种新方法[6]。

4 结论

研究结果表明，生物炭的掺入显示出了促进油菜籽植株生长发育的潜力，最终提高了油菜籽的产量。但需要注意的是，过度使用生物炭可能会降低油菜根生长的能力，从而降低油菜植株的光合能力，最终导致总产量下降。

参考文献

[1] Liu X，Zhou J，Chi Z，et al.Biochar provided limited

benefits for rice yield and greenhouse gas mitigation six

years following an amendment in a fertile rice paddy[J].Catena，2019，179：20-28.

[2] Chintala R，Schumacher T E，Mcdonald L M，et al.

Phosphorus Sorption and Availability from Biochars and

Soil/Biochar Mixtures[J].CLEAN-Soil，Air，Water，2014，42（5）：626-634.

[3] Bair D A，Anderson C G，Chung Y，et al.Impact of biochar

on plant growth and uptake of ciprofloxacin，triclocarban

and triclosan from biosolids[J].Journal of Environmental

Science and Health，2020，55（11）：990-1001.

[4] Yan T，Xue J，Zhou Z，et al.Biochar-based fertilizer

amendments improve the soil microbial community

structure in a karst mountainous area[J].Science of The

Total Environment，2021，794：148757.

[5] Agegnehu，Getachew，Nelson，et al.The effects of

biochar，compost and their mixture and nitrogen fertilizer

on yield and nitrogen use efficiency of barley grown on a

Nitisol in the highlands of Ethiopia[J].Science of the Total Environment，2016，569：869-879.

[6] Qian L，Chen L，Joseph S，et al.Biochar compound fertilizer as an option to reach high productivity but low carbon intensity in rice agriculture of China[J].Carbon Management，2014，5（2）：145-154.