李 杰 ，吳 榮 ，尚晶濤 ，張 杰 ，杜慧玲

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院，山西太谷 030801）

生物質(zhì)炭（Biochar）是指由農(nóng)作物廢棄物、植物落葉等生物質(zhì)在缺氧或無氧條件下經(jīng)高溫?zé)崃呀猓ㄍǔ＃?00℃）產(chǎn)生的一類高度芳香化富碳的穩(wěn)定產(chǎn)物[1-3]。生物質(zhì)炭具有良好的孔隙度和較強(qiáng)的吸附能力，作為一種外源輸入的新型功能材料，其在增加土壤碳庫，改良土壤以及提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)方面發(fā)揮作用[4-6]。

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，存在氮肥使用量大，利用率低，環(huán)境污染風(fēng)險大的問題。生物質(zhì)炭具有表面積大，孔隙度高，同時表面還有一定的官能團(tuán)的特點，能夠在其表面吸持一定的養(yǎng)分，增強(qiáng)肥料的緩釋性，提高肥料利用率，促進(jìn)作物生長，提高產(chǎn)量。但生物質(zhì)炭自身養(yǎng)分含量較低，與肥料配施，效果顯著[7]。張萬杰等[8]研究表明，生物質(zhì)炭與氮肥配施可以增加菠菜產(chǎn)量。劉明等[9]研究表明，生物質(zhì)炭與氮肥配施提高了大豆的葉綠素含量，通過調(diào)節(jié)單株粒數(shù)增加了大豆產(chǎn)量。張雯等[10]研究表明，施用不同類型生物質(zhì)炭基氮肥對土壤硝酸還原酶活性具有提高作用。王浩等[11]研究不同氮肥水平下生物質(zhì)炭對高粱苗期生長及有關(guān)生理特性的影響，結(jié)果表明，低量生物質(zhì)炭（1%）有利于高粱種子發(fā)芽和幼苗生長，高量生物質(zhì)炭（5%和10%）和高氮水平（800 kg/hm2）在一定程度上抑制了高粱幼苗的生長；植株硝酸鹽含量隨生物質(zhì)炭施用量的增加而相應(yīng)減少，隨氮肥水平提高而相應(yīng)增加。

谷子作為山西雜糧的“領(lǐng)軍代表”，耐旱耐瘠薄，抗逆性強(qiáng)。谷粒的營養(yǎng)價值高，含豐富的蛋白質(zhì)、脂肪和維生素等。在谷子的生產(chǎn)中，輕簡化栽培以及施肥提高谷子產(chǎn)量的研究報道比較多，但是，生物質(zhì)炭與氮肥配施對谷子生長的影響以及提高氮肥利用率的研究鮮見報道。

本研究采用盆栽試驗，研究生物質(zhì)炭與氮肥配施對谷子生理特性的影響，旨在為谷子生產(chǎn)減肥增效提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試谷子品種為晉谷21，生物質(zhì)炭為玉米秸稈生物質(zhì)炭，來自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)理化實驗室。盆栽所用土壤取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗站耕層土（0～20cm），去除根、枝等殘留物，過2 mm篩裝盆。土壤為石灰性褐土，pH值7.81，堿解氮54.29 mg/kg，速效磷78.09 mg/kg，速效鉀 221.1 mg/kg，有機(jī)質(zhì) 21.74 g/kg；供試氮肥為尿素（含N46%）。

1.2 試驗設(shè)計

采用口徑為27.5 cm，高為25.5 cm的塑料花盆進(jìn)行盆栽試驗，每盆裝風(fēng)干土4.5 kg。設(shè)生物質(zhì)炭和氮肥2個因素，每個因素3個水平。生物質(zhì)炭用量按盆裝土的質(zhì)量計算，分別為 0（C0），2%（C1）和 4%（C2）；氮肥（尿素）分別為 0（N0），0.13（N1），0.26 g/kg（N2）。共9個處理，每個處理重復(fù)3次。將生物質(zhì)炭、尿素和土壤混勻裝盆。選取籽粒飽滿的種子，撒播播種，覆砂子2 cm，在谷子出苗兩葉一心時，每盆定苗10株。

1.3 測定項目及方法

在谷子拔節(jié)期，選取長勢均勻一致的新鮮植株5株，采用ARNON[12]的方法測定光合色素含量；采用硫代巴比妥酸分光光度法測定丙二醛（MDA）含量；采用愈創(chuàng)木酚法[13]測定過氧化物酶（POD）活性；采用氮藍(lán)四唑（NBT）光化還原抑制法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性；采用磺胺比色法[14]測定硝酸還原酶（NR）活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel作圖，用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析，用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭與氮肥配施對谷子光合色素含量的影響

由表1可知，在不施氮肥的情況（N0）下，施用生物質(zhì)炭顯著增加了谷子葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素的含量。其中，與C0相比，C1，C2處理的葉綠素b含量的增幅分別為42.3%，44.6%，而類胡蘿卜素含量顯著降低19.8%，20.2%。在N1水平下，C1處理的谷子葉片葉綠素a、總?cè)~綠素含量較C0均顯著降低，降幅分別為29.5%，9.4%，而葉綠素b含量顯著增加26.2%，類胡蘿卜素含量差異不顯著；C2處理的葉綠素a和類胡蘿卜素含量較C0分別顯著降低27.3%和13.7%，葉綠素b含量顯著增加41.6%。在N2水平下，與C0相比，C1處理的谷子葉片葉綠素a、類胡蘿卜素、總?cè)~綠素含量均顯著降低，降幅分別為21.3%，13.5%，16.0%；C2處理谷子葉片的類胡蘿卜素含量顯著降低15.6%，但葉綠素a含量顯著增加3.5%。表明總?cè)~綠素含量和類胡蘿卜素含量與土壤C/N有關(guān)，隨著C/N的增大總?cè)~綠素含量增加，而類胡蘿卜素含量減少。

表1 生物質(zhì)炭與氮肥配施對谷子光合色素含量的影響 mg/g

與C0N0處理相比，對葉綠素a增幅最大的是 N2C2處理，增幅高達(dá)40.4%，N1C1處理增加了19.1%；N1C2處理對葉綠素b含量的增幅高達(dá)56.6%，是對葉綠素b含量增幅最大的處理，對葉綠素b增幅最低的處理為N1C0，增幅為25.8%；對總?cè)~綠素含量增幅最大的也是N2C2處理，增幅為41.4%，最低的為N1C1，為28.7%。

2.2 生物質(zhì)炭與氮肥配施對谷子丙二醛（MDA）含量的影響

由圖1可知，生物質(zhì)炭的不同水平下，均表現(xiàn)為隨著氮肥用量的增加丙二醛含量降低，特別是在C1，C2水平時，顯著降低了丙二醛含量。C1N1，C2N1處理與C0N1處理相比，分別降低了66.1%和81.6%，C1N2，C2N2處理與C0N2處理相比，分別降低了55.9%和70.0%。表明生物質(zhì)炭和氮肥配施能夠抵抗膜脂的過氧化，起到保護(hù)細(xì)胞的作用，有利于作物的生長。N2C2處理與N0C0處理相比，MDA含量降低了142%，降幅最大。

2.3 生物質(zhì)炭與氮肥配施對谷子硝酸還原酶（NR）、過氧化物酶 （POD）、超氧化物歧化酶（SOD）活性的影響

由圖2可知，隨著施用生物質(zhì)炭量的增加，谷子葉片硝酸還原酶（NR）活性呈上升趨勢，并且在C的同一水平下，隨著施氮量的增加硝酸還原酶活性增加。說明生物質(zhì)炭與氮肥配施對硝酸還原酶活性具有一定的協(xié)同作用。N2C2處理與C0N0處理相比，NR增加最多，達(dá)到了47.8%。

由圖3可知，N0水平下，隨著生物質(zhì)炭用量的增加過氧化物酶活性降低，即N0C2處理＜N0C1處理＜N0C0處理，與N0C0處理相比，N0C1，N0C2處理分別降低了31.6%和48.3%。N1，N2水平下，與C0處理相比，C1處理使酶活增加，C2處理使酶活降低，以N2C1處理增加最多，為12.0%。表明生物質(zhì)炭與氮肥配施對過氧化物酶活性的影響具有一定的劑量效應(yīng)。

由圖4可知，生物質(zhì)炭與氮肥配施對超氧化物歧化酶活性影響不大，隨著生物質(zhì)炭和氮肥施用量的增加，谷子葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性呈下降趨勢。

3 討論與結(jié)論

生物質(zhì)炭對作物的效應(yīng)受其自身性質(zhì)、土壤類型及施肥狀況的制約[15]。葉綠素和類胡蘿卜素是影響植物葉片光合速率的重要因素，光合色素含量高低是反映作物光合能力和生理活性變化的重要指標(biāo)之一[16]。本研究表明，施用生物質(zhì)炭對谷子葉片的光合色素有顯著影響。其中，施用生物質(zhì)炭雖降低了類胡蘿卜素含量，但顯著增加了谷子葉片葉綠素含量，特別是生物質(zhì)炭與氮肥配施，隨著施用量的增加葉綠素含量增加，N2C2處理葉綠素a含量的增加幅度最大，為40.4%，N1C1處理增加量最少，增加了19.1%；葉綠素b含量增加最大的為N1C2處理（56.6%），最低為CON1處理（25.8%）；總?cè)~綠素含量的最高增幅為41.4%（N2C2處理），最低增幅為28.7%（C1N0處理）。這與王歡歡等[17]研究得出隨生物質(zhì)炭施加量的增加，烤煙旺長期中部葉SPAD值增加的結(jié)論一致。生物質(zhì)炭與氮肥配施顯著提高了總?cè)~綠素含量。葉綠素含量直接影響植物的光合作用及產(chǎn)量[18]。故生物質(zhì)炭與氮肥配施為提高作物產(chǎn)量奠定了基礎(chǔ)。

硝酸還原酶（NR）是硝酸鹽同化中的第一個酶，處于植物氮代謝的關(guān)鍵位置，與植物吸收利用氮肥有關(guān)，對農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)有重要影響，因而，硝酸還原酶活性被當(dāng)作植物營養(yǎng)或農(nóng)田施肥的指標(biāo)之一。本研究中生物質(zhì)炭與氮肥配施，隨著生物質(zhì)炭和氮肥用量的增加，硝酸還原酶活性增大，與C0N0處理相比，C2N2處理硝酸還原酶活性增加了47.8%。說明生物質(zhì)炭有利于提高氮肥利用率。

POD，SOD是植物保護(hù)酶系統(tǒng)中重要的抗氧化酶，是植物體內(nèi)清除自由基的關(guān)鍵酶，MDA是膜脂過氧化產(chǎn)物，其含量可以衡量膜脂過氧化程度，評價細(xì)胞膜受傷害程度[19]。本研究中，生物質(zhì)炭與氮肥配施，隨著生物質(zhì)炭和氮肥用量的增加，MDA含量降低。與C0N0處理相比，丙二醛降低最多達(dá)142.0%；POD隨著生物質(zhì)炭施用量的增加而降低，在C1處理時，配施以氮肥N1的酶活性最大；生物質(zhì)炭與氮肥配施隨著施用量的增加SOD酶活性呈降低趨勢，但差異不顯著。說明生物質(zhì)炭與氮肥配施能夠降低膜脂過氧化，提高作物的抗逆性。

生物質(zhì)炭本身含有礦質(zhì)養(yǎng)分和有機(jī)碳，所以，在一定程度上能夠供給植物生長的養(yǎng)分；同時由于生物質(zhì)炭具有比較大的表面積，對養(yǎng)分有吸持作用[20-21]，能夠起到緩釋作用，提高肥料利用率，實現(xiàn)減肥增效。

本研究探討了生物質(zhì)炭和氮肥配施對谷子拔節(jié)期葉片光合色素和保護(hù)酶的影響，生物質(zhì)炭與氮肥配施對產(chǎn)量和氮肥利用率的影響及機(jī)制有待進(jìn)一步探索。

［1］ ANTAL M J，GRONLI M.The art，science and technology of charcoal production[J].Industr Engin Chem，2003，42：1619-1640.

［2］于嬌妲，殷丹陽，李瑩，等.生物炭對土壤磷素循環(huán)影響機(jī)制研究進(jìn)展[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（18）：17-21.

［3］張玉蘭，曹明明，王俊宇，等.生物炭在土壤中礦化的研究進(jìn)展[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，48（4）：482-487.

［4］王寧，焦曉燕，武愛蓮，等.生物炭對土壤磷、鉀養(yǎng)分影響研究進(jìn)展[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（9）：1402-1405，1420.

［5］張玉銘，胡春勝，張佳寶，等.農(nóng)田土壤主要溫室氣體（CO2，CH4，N2O）的源/匯強(qiáng)度及其溫室效應(yīng)研究進(jìn)展[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011，19（4）：966-975.

［6］王寧，焦曉燕，武愛蓮，等.生物炭及施肥對土壤環(huán)境和高粱產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（11）：1633-1637.

［7］何緒生，張樹清，佘雕，等.生物炭對土壤肥料的作用及未來研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2011，27（15）：16-25.

［8］張萬杰，李志芳，張慶忠，等.生物質(zhì)炭和氮肥配施對菠菜產(chǎn)量和硝酸鹽含量的影響 [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011，30（10）：1946-1952.

［9］劉明，來永才，李煒，等.生物炭與氮肥施用量對大豆生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響[J].大豆科學(xué)，2015，34（1）：87-92.

［10］張雯，何緒生，耿增超，等.新型生物炭基氮肥對土壤-冬小麥系統(tǒng)氮素累積及相關(guān)生物活性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2014，33（7）：1394-1401.

［11］王浩，焦曉燕，王勁松，等.不同氮肥水平下生物炭對高粱苗期生長及有關(guān)生理特性的影響 [J].華北農(nóng)學(xué)報，2014，29（6）：195-201.

［12］ ARNON D I.Copper enzymes in isolated chloroplasts：Polyphenol oxidase in Bata vulgaris[J].Plant Physiology，1949，24：1-15.

［13］鄭炳松.現(xiàn)代植物生理生化研究技術(shù)[M].北京：氣象出版社，2006：41-42，91-92.

［14］周樹，鄭相穆.硝酸還原酶體內(nèi)分析方法的探討[J].植物生理學(xué)通訊，1985（1）：47-49.

［15］黃劍.生物炭對土壤微生物量及土壤酶的影響研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2012．

［16］王軍杰，田翔，王海崗，等.施氮時期對糜子光合特性和各器官氮素含量的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（8）：1087-1091.

［17］王歡歡，任天寶，張志浩，等.生物質(zhì)炭對烤煙長期根系發(fā)育及光合特性的影響[J].水土保持學(xué)報，2017，31（2）：287-292.

［18］廖德志，陳家法，劉球，等.水澇脅迫對不同種源青岡櫟幼苗葉綠素含量和抗氧化酶活性的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2017，37（9）：1-6.

［19］王麗燕.NaCl處理對野大豆生理生化特性的影響 [J].大豆科學(xué)，2008，27（6）：1067-1071.

［20］劉卉，周清明，黎娟，等.生物炭與氮肥配施對烤煙生長及煙葉主要化學(xué)成分的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報，2016，31（5）：159-166.

［21］潘全良，宋濤，陳坤，等.連續(xù)6年施用生物炭和炭基肥對棕壤生物活性的影響 [J].華北農(nóng)學(xué)報，2016，31（3）：225-232.