生物炭对花生生长发育及土壤肥力的影响.pdf

花生学报2 0 2 3,52（2）：14-2 1Journal of Peanut Science,Vol.52,No.2,2023DOI:10.14001/j.issn.1002-4093.2023.02.002生物炭对花生生长发育及土壤肥力的影响姜梓渔（沈阳市第二十七中学，辽宁沈阳110 0 11）摘要：为探究生物炭对花生生长发育及土壤肥力的影响，本研究以农花5号为试材，设置不施肥（C K）、常规施肥（CF）、生物炭十常规施肥（BC十CF)和生物炭十化肥减量2 0%（BC十2 0%CF)4个处理，分别对花生的植株形态、光合特性、干物质积累、产量构成、籽仁品质及土壤理化性状进行了测定。结果表明，与CK相比，施用生物炭可有效增加花生的叶面积,BC+CF和BC十2 0%CF处理下结荚期的叶面积分别增加50.59%和58.19%，同时单株产量分别提高47.8 6%和43.3 3%；施用生物炭能显著增加花生籽仁中的蛋白质和亮氨酸含量，而降低硬脂酸和油脂含量；施用生物炭会降低土壤容重的增加幅度，显著提高土壤孔隙度,BC十CF和BC十2 0%CF处理下花生各时期土壤速效钾含量的平均增幅分别为3 5.3 7%和41.0 4%。本研究证明了生物炭对化肥减施和土壤肥力维持的作用，为生物炭在花生生产中的合理应用提供了理论依据。关键词：花生；生物炭；产量；品质；土壤肥力中图分类号：S565.206.1；S156.2Effects of Biochar on Peanut Growth and Soil Fertility(Shenyang No.27 High School,Shenyang 110011,China)Abstract:To explore the effects of biochar on peanut growth and soil fertility,in this study,Nonghua5 was used as the test material,and four treatments of no fertilization(CK),conventionalfertilization(CF),applying biochar based on conventional fertilization(BC+CF),and applying bio-char based on reducing fertilizer by 20%(BC+20%CF)were set,and the peanut morphology,pho-tosynthetic characteristics,dry matter accumulation,yield component,seed quality and soil physico-chemical properties were determined.The results showed that the application of biochar could effec-tively increase the leaf area of peanut compared with CK.Under BC+CF and BC+20%CF treat-ments,the leaf area of peanut at pod-bearing stage increased by 50.59%and 58.19%,respectively;and the yield per plant increased by 47.86%and 43.33%,respectively.Besides,application of biocharcould also significantly increase the contents of protein and leucine but decrease the contents of stearic acid andoil in peanut kernel.Furthermore,the application of biochar could lead to a significantly lower increase in soilbulk density and a significantly higher soil porosity.The average increase of soil available potassium contentunder BC+CF and BC+20%CF treatments was 35.37%and 41.04%,respectively.This study proved theeffect of biochar on fertilizer reduction and soil fertility maintenance,and provided a theoretical basisfor the rational application of biochar in peanut production.Key words:peanut;biochar;yield;quality;soil fertility生物炭是富含炭的固体生物质经热解后而形成的产物，因为具有高芳香族碳结构、高表面积和高孔隙度，近年来被广泛用于农业生产1。众所周知，生物炭自身含有丰富的营养元素，包括氮、收稿日期：2 0 2 2-12-0 7基金项目：沈阳市教育科学“十四五”规划2 0 2 2 年度普通高中学生小课题作者简介：姜梓渔（2 0 0 6 一），女，辽宁沈阳人，沈阳市第二十七中学学生。E-mail：j i a n g z i y u _ 2 0 0 6 16 3.c o m文献标志码：AJIANG Zi-yu磷、钾等大量元素以及硫、钙、镁、硼、锌、锰等微量元素，并能通过其显著的理化和生物学特性提高土壤的养分保持能力，从而促进植物对养分的吸收2-3 。此外，生物炭还是一种有效的土壤改良2期剂,利于调节土壤pH值，富集有机碳，提高全氮含量1-1。当生物炭与化学肥料同时施入土壤时，肥料释放出的氮、磷等元素会与生物炭多孔的表面相互作用，减缓土壤中养分的淋失，从而提高养分吸收率和作物产量。生物炭的性质与它的原料、热解条件等密切相关,对不同作物生长的影响也各不相同6 。研究表明，单季施用生物炭能有效提高土壤氮元素和钾元素含量，使冬小麦一夏玉米的产量提高50%以上7 。施加生物炭可减弱冬小麦开花期和灌浆期的光合午休，提升光合性能8 ,并且采用旋耕、常规翻耕和深翻等方式的生物炭还田能显著增加小麦干物质积累，促进营养物质向籽粒转运，有效提高小麦产量9 。大豆田长期定位试验证明，生物炭对产量的提高具有促进作用，长期施用生物炭后，大豆的光合生理功能和光合产物均有效提高，进而提高了连作大豆的产量10 花生是我国重要的经济作物，是优质植物蛋白的主要来源之一11。近年来，花生种植面积逐年增加，在我国油料作物战略布局中占据重要地位12 。但目前关于生物炭影响花生生长发育及土壤肥力的研究较为有限。因此，本研究以生物炭为试材，通过化学肥料与生物炭不同配比，探究生物炭对提升农田土壤肥力、促进花生生长、提高产量、改良品质的效果，以达到减施化肥、增产提质、节本增效的目的。1材料与方法1.1试验材料试验于2 0 2 2 年5一9 月在辽宁沈阳进行。土壤类型为棕壤土，土壤（0 2 0 cm)铵态氮含量4.8 3mg/kg，硝态氮含量9.9 8 mg/kg，有效磷含量8.0 2mg/kg,速效钾含量112.1mg/kg。供试材料为农花5号，由沈阳农业大学花生研究所选育。1.2试验设计本试验采用盆栽方式进行。以直径2 5cm、高40 cm的培养盆进行土培，每盆土质量2 0 kg。设置4个处理：不施化肥（CK）,即不施任何肥料，作为对照处理；常规施用化肥（CF），即施用花生复合肥（N-P2Os-K,O含量为15-15-15）4g/盆；生物炭十常规施肥（BC十CF），即施用生物炭0.4kg/盆十花生复合肥4g/盆；生物炭十化肥减量姜梓渔：生物炭对花生生长发育及土壤肥力的影响测定项目及方法1.3.1土壤特性和土壤养分的测定在花生的不同生育时期，使用环刀法取样测定土壤容重和孔隙度，使用HM-TYC型土壤肥料养分速测仪测定土壤速效养分。采集土样时除去表面3 cm土层，用环刀取盆中原土用于后续测定。1.3.2花生农艺性状测定在花生苗期、开花期和结荚期使用叶绿素仪（SPA D-50 2，日本）测定花生叶片的SPAD值；随后将花生植株从盆栽桶中小心取出，用直尺测定花生的主茎高与侧枝长；使用打孔称质量法测定花生叶面积；采用烘干法测定干物质积累量。每处理3 次重复。1.3.3花生光合作用的测定用CIRAS-2型光合仪测定花生光合特性。在光线充足、气候适宜的天气测定主茎倒三叶的光合羧化效率(E）净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度(Gs)和胞间二氧化碳浓度（Ci)，设定叶室条件温度2 5，光强12 0 0 mol/ms）,C O 2浓度3 8 0 mol/mol。1.3.4花生产量及品质测定收获期，将花生整株挖出，洗净泥土并自然风干,统计单株荚果数、单株饱果数、双仁果数、百果质量、百仁质量及单株产量。将各处理的花生荚果剥壳，混匀，使用FOSS-1241近红外品质分析仪测定籽粒粗脂肪、蛋白质、油酸和氨基酸含量等。1.4数据处理数据整理使用MicrosoftExcel2016,数据处理统计及方差分析等均采用SPSS22进行。2结果与分析2.1不同处理对花生主茎高、侧枝长的影响图1表明，与对照组CK相比，常规施肥和施加生物炭对花生各生育时期的主茎高和侧枝长均有显著提高。并且在生长前期，常规施肥条件下显著高于其他处理。而随着植株生长，施加生物炭处理的株高和侧枝长逐渐上升，与常规施肥间差异并不显著，但均显著高于对照处理。1520%（BC+2 0%C F），即施用生物炭0.4kg/盆+花生复合肥3.2 g/盆。每盆播种花生4粒，出苗后每盆保留长势一致的2 株进行后续试验。每处理3 盆，3 次重复，共计3 6 盆。1.316花生学报52卷CK3020CFBC+CFBC+20%CF(A)3020(B)10100Fig.1 Difference of main stem height and lateral branch length of peanut under different treatments注：A，主茎高;B，侧枝长。图中不同小写字母表示不同处理间在0.0 5水平上差异显著。Note:A,main stem height;B,lateral branch length.Different letters in the figure indicate significantly differentamong treatments at the 0.05 probability level.20001500苗期SeedlingphaseCKCFBC+CFBC+20%CF花期Floweringphase(A)结英期Pod-bearingphase图1不同处理下花生主茎高、侧枝长苗期Seedlingphase7060花期Floweringphasc(B)结英期Pod-bearingphase1000F500SeedlingphaseTr1.61.4125040F30苗期花期Floweringphase结英期Pod-bearingphase1.312.1苗期Seedling phase(C)花期FloweringphaseTr1.21.1结英期Pod-bearing phaseEGs E0.80.60.90.80.7GsEGs0.80.7PnCi苗期SeedlingphaseFig.2 Differences of photosynthetic parameters in peanut under different treatments注：A，花生叶面积;B,叶片SPAD值;C,花生光合参数。图中不同小写字母表示不同处理间在0.0 5水平上差异显著。Note:A,leaf area;B,SPAD;C,photosynthetic parameters of peanut.Different letters in the figure indicatesignificantly different among treatments at the 0.05 probability level.PnCi花期Floweringphase-CKCF图2 不同处理下花生光合作用相关参数PnCi结英期Pod-bearing phaseBC+CFBC+20%CF2期2.2不同处理对花生光合作用的影响测定花生光合相关性状发现，各处理的叶面积在苗期差异不显著，但随植株生长发育进程推进,其差异越来越明显。BC十2 0%CF处理的花期叶面积显著高于其他处理，与CK和CF相比分别高出141.11%和2 7.55%。结荚期BC+CF和BC十2 0%CF处理的叶面积间差异不显著,较CK分别提高50.59%和58.19%（图2 A）。花期对照处理的SPAD值显著低于其他处理,而在苗期和结荚期各处理间差异不显著（图2 B)。在不同生育时期，各处理的光合作用和羧化效率均高于对照处理，且在花期差异最大。苗期BC十CF处理的羧化效率最高；花期CF处理下气孔导度和蒸腾速率均显著高于其余处理；但植株生长至结荚期时各处理间差异较小，此时BC十20%CF处理的净光合速率、气孔导度和羧化效率最高，但各处理气孔导度与胞间二氧化碳浓度差异较小（图2 C）。(A)6050403020100姜梓渔：生物炭对花生生长发育及土壤肥力的影响果成熟度较高（图3 B）。2.4不同处理对花生产量及产量构成因素的影响不同处理的花生产量及产量构成因素见表1。与对照处理相比，常规施肥与施用生物炭的花生单株产量及产量构成因素均显著提高。且BC十CF处理花生单株荚果数、双仁果数和单株产量最大，营养体Vegetativeparts英果Podsbb172.3不同处理对花生干物质积累的影响图3 A所示,BC十CF处理的苗期营养体生物量积累显著高于其他处理，而生长至花期与结英期,CF、BC+C F和BC十2 0%CF处理间营养体干物质积累的差异不显著，但均显著高于对照处理。荚果干质量测定结果显示，对照处理的荚果干质量显著低于其余处理，而BC+20%CF处理果干质量最高，高于CK处理10 7.2 1%，其次为BC+CF处理，与CK处理相比提高了9 8.3 5%。结荚期对照处理的植株生长状态不佳，荚果数量较少且果率更高。BC十CF和BC十2 0%CF处理下植株的生长状态较好，荚果数量较多,且荚aaababaabbaBC+CFBC+CF苗期Seedlingphase(B)花期Floweringphase结英期Pod-bearingphase&CKFig.3 Difference of dry matter accumulation in peanut under different treatments注：A，干物质积累B,结英期花生生长状态。图中不同小写字母表示不同处理间在0.0 5水平上差异显著。Note:A,dry matter accumulation;B,growth state of peanut at pod-bearing phase.Different letters inthe figure indicate significantly different among treatments at the 0.05 probability level.CF图3 不同处理下花生干物质积累的差异BC+CFBC+20%CF18但与CF和BC+20%CF处理差异不显著。BC十2 0%CF的百果质量和百仁质量最大，但仍未与CF和BC+CF间形成显著差异。单株产量结果显示，相比CK处理，BC十CF和BC十2 0%CF处理分别提高47.8 6%和43.3 3%。2.5不同处理对花生品质的影响表2 所示，施加生物炭后花生籽粒中蛋白质含Table 1 The difference of peanut yield and yield components under different treatments产量性状Yield trait单株荚果数No.of pods/plant!饱果数No.of full pods/plant!双仁果No.of double-kernel pods/plant1百果质量10 0-pod mass/g百仁质量10 0-kernelmass/g单株产量Yield/(gplant)注：表中行内不同小写字母表示不同处理间在0.0 5水平上差异显著。下同。Note:Different letters in the same row of the table indicate significantly different among treatments at the O.05 probabilitylevel.The same as below.品质指标Qualitytrait水分Moisture蛋白质Protein油脂Oil棕榈酸C16：0硬脂酸C18:0油酸C18:1亚油酸C18：2亚麻酸C18：3花生烯酸C20：1菜油酸C22：1丙氨酸Ala精氨酸Arg天冬氨酸Asp半胱氨酸Cys谷氨酸Glu甘氨酸Gly组氨酸His异亮氨酸Ile亮氨酸Leu赖氨酸Lys甲硫氨酸Met苯丙氨酸Phe脯氨酸Pro丝氨酸Ser苏氨酸Thr酪氨酸Tyr缬氨酸Val花生学报量升高，与对照和常规施肥相比分别增加了6.7%和4.3%，油脂含量降低4.9%和2.5%。此外，BC+CF和BC+20%CF处理中的C18：0(硬脂酸)含量显著降低,C22：1(菜油酸)和Leu(亮氨酸)含量升高，但对其他油酸和氨基酸组分的含量影响较小。以上结果表明，施加生物炭有利于花生籽粒中蛋白质和亮氨酸积累,并降低硬脂酸和油脂含量。表1不同处理下花生产量及产量构成因素CK17.67 2.52 b13.001.73 b10.671.15 b160.076.00b63.636.59 b21.761.35 b表2 不同处理下花生品质性状（%）Table 2Difference of peanut quality traits under different treatmentsCK4.830.09a23.520.07 b47.740.27 a11.620.24a2.980.09a40.620.90a38.410.75 a0.050.00a1.460.05 a1.020.08b0.940.01 a2.92 0.02 a2.970.00 a0.150.01 a5.490.03 a1.430.01 a0.580.01 a0.790.01 a1.590.01 d0.840.01 a0.210.01 a1.140.02a0.870.01 a0.950.01 a0.690.01a0.770.01 a1.180.01 a52卷CFBC+CF24.334.04 ab26.334.93a19.674.16 a20.672.08 a16.003.00 ab19.334.51 a198.5719.79a204.077.51 a82.402.30.a84.606.44a29.422.12ab32.185.42 aCFBC+CF4.790.08 a4.860.06a24.060.33 b24.740.33a46.540.81b46.570.18 b11.580.03 a11.600.07a2.940.14 a2.690.09b41.520.72 a41.450.35a37.110.40 a37.070.78 a0.050.01 a0.050.00.a1.480.04 a1.480.05 a1.390.30 ab1.480.18 a0.950.01 a0.960.01 a3.020.07a3.050.03a3.030.03 a3.060.03a0.190.03a0.200.03a5.580.03 a5.620.06 a1.440.02a1.450.01 a0.600.01a0.600.01.a0.820.01 a0.830.01 a1.630.01 c1.670.01 b0.870.01 a0.880.01 a0.230.01 a0.230.01 a1.210.03 a1.230.03 a0.890.01 a0.890.01 a0.990.02a1.000.01a0.710.01 a0.720.01 a0.780.03 a0.780.01 a1.200.03 a1.210.01 aBC+20%CF24.001.00 ab21.332.08 a18.671.53 a207.076.98a85.534.38 a31.194.23 aBC+20%CF5.100.23a25.110.44 a45.370.15c11.890.38 a2.490.11 c40.391.35a38.960.88a0.050.01a1.420.06a1.590.04a0.940.01a2.920.03a3.020.05a0.150.06a5.620.10a1.440.02 a0.590.00a0.800.02a1.680.02a0.840.03a0.210.02a1.130.08 a0.880.01a0.920.02a0.690.01a0.760.02a1.190.03a2期重干姜梓渔：生物炭对花生生长发育及土壤肥力的影响苗期Seedlingphase花期Floweringphase1.5(A)1.41.31.219结荚期Pod-bearingphase50(B)工4030BC+CFBC+CFBC+20%CF图4不同处理下土壤容重与土壤总孔隙度Fig.4 Difference of soil bulk density and total soil porosity under different treatments注：A,土壤容重;B,土壤总孔隙度。苗期Seedlingphase(A)654Note:A,soil bulk density;B,total porosity.花期Floweringphase12111098结荚期Pod-bearingphase(B)3BC+CF14BC+20%CF160BC+20%CF(C)13(D)140工12111012010080CFHHBC+CFBC+CFBC+20%CF图5不同处理下土壤养分变化Fig.5Differences of soil nutrients under different treatments注：A,铵态氮含量；B,硝态氮含量；C,有效磷含量D,速效钾含量。Note:A,ammonium nitrogen content;B,nitrate nitrogen concentration;C,available phosphorus content;D,available potassium content.202.6方施加生物炭处理对土壤主要物理性质的影响如图4所示，随着花生的生长，在重力和浇水的影响下，各处理的土壤容重均有所增加,孔隙度降低，但其变化程度在各处理间存在差异。施加常规肥的处理土壤容重增加最大，其次为对照处理。添加生物炭后,BC十CF与BC十2 0%CF的容重变化较小，与苗期相比，结荚期的土壤容重分别增加6.9%和8.8%，而CK与CF分别增加了10.78%和15.41%。土壤总孔隙度与容重呈现相反的变化趋势。在对照处理和施用常规肥的处理中，土壤的总孔隙度下降幅度较大，而添加生物炭后土壤的孔隙度整体高于未添加处理。2.7施加生物炭对土壤肥力的影响施肥和施加生物炭会对土壤肥力产生影响。由图5A可以看出，施加生物炭后有利于土壤中铵态氮含量的提高。在本试验中，施加生物炭的处理铵态氮升高,BC十CF处理下花生中铵态氮含量在苗期、花期和结荚期分别提高了3 6.14%、35.01%和2 7.0 7%，平均增幅为3 2.7 3%。BC十20%CF处理下不同时期的土壤铵态氮含量与CK相比分别提高了2 9.9 7%、3 9.8 3%和3 5.13%，平均增幅为3 4.9 8%。但结果显示对硝态氮含量影响较小。此外,施加生物炭降低了土壤中有效磷的含量，但在各时期测定结果显示有效磷的含量较稳定(图5C)。施加生物炭后,土壤中的速效钾含量有显著提高，与对照相比,BC十CF的速效钾含量在苗期、花期和结英期分别提高了2 5.7 6%、3 8.42%和41.9 3%，平均增幅为3 5.3 7%。BC+20%CF处理下不同时期的速效钾含量分别提高了3 2.3 7%、39.72%和51.0 4%，平均增幅为41.0 4%（图5D）。以上结果表明，施加生物炭有利于提高土壤铵态氮和速效钾的含量。3讨论与结论自绿色革命以来，无机肥料被广泛应用于农业生产以提高土壤生产力，而连续且过量的无机肥施用已经伤害了土壤品质和生态系统健康，因此如何在保证作物不减产的情况下减少化肥的施用成为当今农业领域的热点问题13-14。近年来，国内外学者将生物炭作为一种环境功能型材料开展了大量研究并应用于农业生产和环境保护等诸花生学报多方面15。生物炭对农业生产和生态环境的作用主要得益于其独特的理化性质。生物炭具有比表面积大、吸附能力强等优点，施入土壤后其丰富的表面官能团和孔隙结构可以优化土壤结构，降低土壤容重，从而改善土壤呼吸能力16 。本研究结果与前人结论相一致。氮肥在作物生产中的作用至关重要，但在实际生产中，养分离子淋溶常造成氮素流失与水体富营养化，导致肥料利用率降低17-18 。而生物炭中的碳元素主要由单质碳、芳香烃或类石墨结构的碳构成，其结构和理化性质相对稳定,具有极强的抗生物分解能力，且能够将自身的碳封存于土壤中,有效抑制土壤中养分流失19 。已有研究表明稻壳生物炭对铵态氮有较强的吸附作用，因此有利于铵态氮的保留2 0 。在本研究中，添加生物炭后增加了土壤中的铵态氮含量，但对硝态氮的影响较小。此外，生物炭含有作物生长所需的诸多大量元素和中微量元素，如钙、钾等，且具有较高的阳离子交换量，施入农田后能促进作物生长，提高作物产量2 1-2 2 。钾元素作为三大营养元素之一，有利于提高二氧化碳的同化率和气孔导度2 3 ,并且速效钾的含量会显著影响棉花的干物质积累2 4。本试验结果显示，施加生物炭有效提高了土壤速效钾含量，降低了胞间二氧化碳浓度和蒸腾速率，并提高了光合羧化效率和气孔导度，与前人研究结果一致。叶片作为植株的源器官，承担着植株9 0%以上的光合作用，植株叶面积的增加有利于植株整体光合产能的提升2 5。在玉米中的研究发现，不同处理下随着植株叶面积指数的增加，玉米的产量也显著升高2 6 。水稻叶面积指数与总穗数和穗粒数成正相关关系，产量随着叶面积指数的增加而增加2 7 。在本研究中，施加生物炭的处理与常规施肥处理相比，花生的主茎高与侧枝长未见显著差异,但叶面积显著增加。因此,生物炭的施加有利于增加花生的叶面积，提高植株整体的光合产能，从而提高花生的生物量积累和产量。另外,BC十CF和BC十2 0%CF处理之间的叶面积指数、干物质积累、产量及产量构成因素无显著差异，说明施加生物炭后适量减施化肥依然对花生的生长发育有促进作用，因此BC十2 0%CF处理在减少化学肥料施用的同时有利于花生的生长发育。52卷2期参考文献：1陈温福，张伟明，孟军.农用生物炭研究进展与前景J.中国农业科学,2 0 13,46（16）：3 3 2 4-3 3 3 3.2 NGUYEN T TN,XUC Y,TAHMASBIANI,etal.Effects of biochar on soil available inorganic nitro-gen:A review and meta-analysis 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