调亏灌溉和施用生物炭对大豆根系生长及耗水的影响

胡剑 孟维忠

摘要：以盆栽大豆为对象，采用双因素随机区组试验布置，研究调亏灌溉和施用生物炭对大豆根系生长及耗水情况的影响。设置生物炭施用量水平分别为B0（0 t/hm2）、B1（6 t/hm2）、B2（12 t/hm2），调亏灌溉水平分别为W1（70%～75%田间持水量）、W2（55%～60%田间持水量）、W3（45%～50%田间持水量）。结果表明：调亏灌溉有利于根干质量和根长的生长，不利于根体积和根粗的生长，而施用生物炭则有利于根系各指标的生长，同时可减免大豆亏水所带来的负面影响;调亏灌溉及施用生物炭均可以减少大豆的耗水量，W2B1处理的水分利用效率最高，产量与W1B0处理无显著性差异。建议在轻度调亏灌溉条件下添加6 t/hm2生物炭，可以促进大豆节水增产。

关键词：大豆;调亏灌溉;生物炭;根系;耗水

中图分类号：S565.1    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2020）05-0003-04

生物炭是指生物质（农林废弃物、植物组织或动物骨骼等）在缺氧条件下不完全燃烧所形成的稳定的富碳产物。生物炭特有的多孔性、较大比表面积等性质使其具有一定的持水性能和强大的吸附能力，可以有效改善土壤结构，保持土壤养分，从而促进作物生长并提高产量。调亏灌溉是指利用某些作物的生物学特性进行控水，对作物具有正效应、后效应和复水后的生理生态补偿效应，即通过对作物生长发育的某些阶段人为施加一定的水分胁迫，调节作物生长和营养物质的分配，达到提高产量和节水的目的。根系是作物吸收水分和养分的重要器官，其分布特征和发育情况直接影响作物地上部生长性状及产量。当作物受到水分亏缺时，会增加光合产物，从而减弱水分亏缺对作物带来的不利影响。本课题将调亏灌溉和施用生物炭相结合，研究其对大豆根系生长及耗水的影响，以期为大豆节水增产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

大豆品种：开育12号;试验地点：辽宁省水工程试验研究中心;试验土壤：棕壤土;盆栽规格：盆高40 cm，直径30 cm，瓷盆。

1.2 试验设计

试验于2019年5—9月进行。在室外遮雨棚中，将土风干后装盆，每盆加风干土20 kg后将生物炭及复合肥施入盆中，每盆播种3穴，每穴2粒种子，出苗后间苗，每盆剩余2株。

采取随机区组试验，设置两个因素：生物炭施用量和调亏灌溉程度。生物炭施用量设置3个水平：B0为0 t/hm2，B1为6 t/hm2，B2为12 t/hm2。调亏灌溉灌水上限均为85%田间持水量，分别于大豆开花期、结荚期及鼓粒期进行调亏处理;灌水下限设置3个水平：W1为70%～75%田间持水量，W2为55%～60%田间持水量，W3为45%～50%田间持水量。试验共9个处理，3次重复。

1.3 试验方法

1.3.1 根系观测 大豆收获后，用剪子在子叶节处将植株剪断，子叶节以下为大豆的根系，用筛子筛去土，并取净土中的残余根系，用流水洗净完整根系，经扫描仪分析数据后，将根系放入烘箱中105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至质量恒定。

1.3.2 耗水量测定 每天早8∶00用电子秤测定盆栽质量，如盆栽质量在设定范围下限时则补充水分至上限，2次测定的质量差值即为耗水量。

2 结果与分析

2.1 调亏灌溉和施用生物炭对大豆根系生長的影响

调亏灌溉和施用生物炭对大豆根系生长影响的方差分析及交互作用分析结果见表1。

由表1可知：调亏灌溉对大豆根长、根粗、根体积、根干质量均有显著影响，施用生物炭对根长、根体积及根粗有显著影响，而两者的交互作用仅对根长及根体积有显著影响。在相同生物炭条件下，调亏灌溉对大豆根长的影响表现为W2>W3>W1，说明调亏灌溉有利于根长生长;对根粗的影响表现为W1>W2>W3，说明调亏灌溉不利于根粗生长，且随着调亏程度加剧根粗减小;根体积的结果与根粗的结果一致;对根干质量的影响表现为W2>W1>W3，且W2与W1处理无显著性差异，说明轻度调亏灌溉不会影响作物根系干物质的积累。因此，对大豆进行调亏处理会减小大豆根粗及根体积，但对根长的生长有益。在相同调亏灌溉条件下，施用生物炭对根长的影响表现为W2>W3>W1，且3个处理差异显著;对根粗、根体积及根干质量的影响表现一致，均随着生物炭施用量的增大而增大。因此，施用生物炭可以保存土壤中的水分和肥力，有利于大豆根系的生长。从两者的交互作用分析可知，W2B1，W2B2和W3B2处理根系干质量分别比W1B0处理高出10.21%，21.82%和4.70%，说明施用生物炭可以缓解亏水对大豆根系带来的不良影响。

2.2 调亏灌溉和施用生物炭对大豆产量的影响各处理大豆产量如图1所示。

由图1可以看出：在相同调亏灌溉条件下，大豆产量均表现为B1>B2>B0。当生物炭施用量为B0和B1时，大豆产量均表现为W1>W2>W3;当生物炭施用量为B2时，大豆产量表现为W2>W1>W3。各处理中，产量最高为W1B1处理，其次为W2B1处理，二者之间无显著性差异，分别比W1B0处理增产19.8%和16.0%。说明施用生物炭可以提高大豆产量，以施用量为6t/hm2时增产效果最为明显;而轻度调亏灌溉不影响大豆产量，重度调亏会造成严重减产。

2.3 调亏灌溉和施用生物炭对大豆阶段耗水量的影响

各处理大豆不同生育期耗水量如图2所示，阶段耗水量多重比较结果见表2。

由图2和表2可以看出：大豆阶段耗水量整体呈先升高后降低的趋势，鼓粒期耗水量最高，其次是结荚期。在出苗期，由于未进行调亏灌溉，大豆耗水量均表现为B0>B1>B2，但差异并不显著，其中B1和B2处理耗水量分别比B0处理降低3.13%和7.97%，说明生育前期土壤中加入生物炭可以减少土壤的蒸发蒸腾量。在分枝期，大豆耗水量表现为B1>B2>B0，其中B1和B2处理差异不显著，B1和B2处理耗水量分别比B0处理升高6.36%和3.41%。在开花期，开始进行调亏灌溉，大豆耗水量表现为施用生物炭各处理差异不显著，调亏灌溉各处理差异显著，两者的交互作用差异不显著。在相同生物炭条件下，调亏灌溉对大豆开花期耗水量影响表现为W1>W2>W3，说明调亏灌溉可以显著降低大豆开花期耗水量，并随着调亏程度加剧耗水量降低;在相同调亏灌溉条件下，生物炭施用量对大豆开花期耗水量影响表现为B2>B1>B0，但差异不显著。在结荚期，调亏灌溉和施用生物炭及两者的交互作用均对大豆耗水量有显著影响。其中，调亏灌溉与开花期规律基本一致，在相同调亏灌溉条件下，生物炭施用量对大豆结荚期耗水量影响表现为B1>B2>B0;由于交互作用显著，在结荚期耗水量最高的为W1B1处理，最低的为W3B0处理。在鼓粒期，大豆耗水量明显增加，占全生育期耗水量的40%左右，调亏灌溉和施用生物炭及两者的交互作用均对大豆耗水量有显著影响，表现与结荚期一致。在成熟期，植株耗水差别不大，仅调亏灌溉对大豆耗水量影响显著，表现为W1>W2>W3，其中W1与W2处理差异不显著。

2.4 调亏灌溉和施用生物炭对大豆总耗水量及水分利用效率的影响各处理大豆总耗水量如图3所示。

由图3可以看出：调亏灌溉和施用生物炭对大豆总耗水量均有显著影响，而两者的交互作用无显著影响。在相同生物炭条件下，调亏灌溉对大豆总耗水量影响表现为W1>W2>W3，且差异显著，其中W2和W3处理总耗水量分别比W1降低10.03%和24.84%;在相同调亏灌溉条件下，生物炭施用量对大豆总耗水量影响表现为B1>B2>B0。说明调亏灌溉可以显著影响大豆总耗水量，并随着调亏程度加剧总耗水量降低;而施用生物炭会使大豆总耗水量升高，这可能是因为施用生物炭后作物地上部分长势好、叶面积增加，导致耗水量增加。

水分利用效率是衡量消耗水量与产出物质之间关系的重要指标。大豆水分利用效率如图4所示。

由图4可以看出：3种不同程度的调亏灌溉中，W2处理水分利用效率最高，与W3处理无显著性差异，W2和W3处理水分利用效率分别比W1处理升高7.98%和6.90%。B1处理水分利用效率显著高于B2和B0处理，分别升高8.14%和22.98%。

综合来看，耗水量最低为W3B0处理、最高为W1B1处理，水分利用效率最高为W2B1处理。

3 结论

试验结果表明：施用生物炭可以提高大豆产量，与不施加生物炭的B0处理相比，B1和B2處理分别增产20.30%和9.40%。这可能是因为生物炭改善了土壤理化性状，提高了土壤有效养分含量，从而促进了大豆生长。常规灌溉和适度调亏灌溉下施用生物炭的增产效益显著，调亏灌溉可以减少耗水量，提高水分利用效率。但在相同灌溉条件下，施用适量生物炭会使大豆耗水量升高，这可能是由于施用生物炭后大豆叶面积指数升高、根系充分吸水，促进了大豆的生长发育，导致耗水量升高。W2B1处理的水分利用效率最高，比W1B0处理升高22.10%，这说明在适度调亏灌溉下施用生物炭能刺激大豆的生长发育，虽然提高了耗水量，但同时也增加了产量，因而提高了水分利用效率。

将生物炭引入调亏灌溉中，可以调节土壤持水能力，改善调亏灌溉下作物生长不良带来的影响，提高水分利用效率，进而提高产量。在适度调亏灌溉模式下，施加6 t/hm2的生物炭可以显著提高大豆水分利用效率及产量，该结果可以作为实际生产的参考。

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