田阿林雷濤鄒應(yīng)斌黃敏*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)教育學(xué)院，長沙410128；2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙410128；第一作者：3403986882＠qq.com；*通訊作者：jxhuangmin＠163.com）

生物炭是指由生物質(zhì)在低氧或缺氧條件下高溫裂解得到的富含碳的有機(jī)物質(zhì)，是多孔性、堿性、吸附能力強(qiáng)、多用途的材料。因其良好的解剖結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，廣泛的材料來源和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景，成為當(dāng)今農(nóng)業(yè)、能源與環(huán)境等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。生物炭用作土壤改良劑返還給農(nóng)田，可有效改善土壤理化性質(zhì)[2]與微生態(tài)環(huán)境[3]，修復(fù)污染土壤[4]，提高土壤生產(chǎn)性能、作物產(chǎn)量及品質(zhì)[5－6]。而水稻是我國的主要糧食作物，也是單產(chǎn)較高的糧食作物[7]。近年來國內(nèi)外大量研究表明，生物炭對水稻生長發(fā)育具有良好的綜合效應(yīng)，生物炭的推廣應(yīng)用是確保水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要途徑之一。因此，認(rèn)識生物炭在水稻上的應(yīng)用價值對于指導(dǎo)生產(chǎn)具有重要意義。

1 生物炭施用的方式與方法

由于生物炭60%以上為碳素，礦質(zhì)養(yǎng)分含量較低，施入土壤往往會提高土壤C/N，降低氮素養(yǎng)分的有效性，單施生物炭在多數(shù)土壤上會導(dǎo)致作物無增產(chǎn)效應(yīng)，甚至減產(chǎn)。因此，生物炭需與肥料配合施用，肥料消除了生物炭養(yǎng)分含量低的缺陷，生物炭的吸附性發(fā)揮作用賦予肥料養(yǎng)分緩釋性能，與肥料形成互補(bǔ)與協(xié)同的關(guān)系[8]。已有大量研究表明，生物炭與肥料配合施用能改善土壤生物學(xué)性狀[9－10]，提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)及氮肥利用效率[5，11－13]。

為彌補(bǔ)生物炭單施的缺陷，炭基肥應(yīng)運(yùn)而生。炭基肥是將生物炭作為載體，與肥料混合制成的一種長效肥料，可有效延緩肥料養(yǎng)分的釋放，有效降低養(yǎng)分的淋失，從而達(dá)到顯著提高氮肥利用率的效果[14－15]。并且炭基肥可部分替代傳統(tǒng)化肥，降低化學(xué)肥料的施用量[16]，有研究報道，生物炭配合尿素作基肥施用，在水稻生長期一次性施肥，并且在適當(dāng)減少氮肥施用量的條件下，還可維持水稻正常產(chǎn)量或表現(xiàn)增產(chǎn)[17－18]。但減氮配施生物炭明顯提高稻田水中總磷的濃度，增加磷素淋失的風(fēng)險[18]。這主要是因為生物炭施用顯著提高土壤有機(jī)碳含量，提高土壤pH值、陽離子交換量、土壤速效磷、速效鉀和礦質(zhì)態(tài)氮含量，增強(qiáng)土壤保肥能力等，促進(jìn)了作物生長和增產(chǎn)[19]。另外，王海候等[20]研究報道，以生物炭作為輔料生產(chǎn)出的炭基有機(jī)肥可以提高水稻產(chǎn)量，提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)土壤氮、磷等養(yǎng)分的有效性，且生物炭與畜禽糞便混合堆制后并不影響其在農(nóng)田土壤中的功能特性。因此，將生物炭與肥料或有機(jī)肥復(fù)合制備成炭基肥料成為生物炭農(nóng)用的一個新的發(fā)展方向。

2 生物炭對水稻生長生理特性的影響

2.1 生物炭對水稻生長的影響

生物炭能夠協(xié)調(diào)土壤的水、肥、氣、熱，促進(jìn)作物生長[6]。生物炭施入土壤后，與土壤直接接觸必然會引起根系的適應(yīng)性響應(yīng)。而根系作為重要的吸收、合成、固定和支持器官，其發(fā)育狀況與地上部器官的形態(tài)建成和產(chǎn)量密切相關(guān)[21]。張偉明等[22－23]研究表明，添加生物炭對水稻生育前期根系的主根長、根體積和根鮮質(zhì)量具有促進(jìn)作用，且根半徑、根截面積、根表皮厚度、根皮層厚度、皮層腔面積、根導(dǎo)管數(shù)量及導(dǎo)管面積等性狀指標(biāo)也相應(yīng)增加[24]，顯著提高秧苗地上部和根系生長能力[23－25]。生物炭對根系生長的這些良好效應(yīng)，首先得益于其豐富的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和理化特性，通過改善土壤結(jié)構(gòu)與生物學(xué)特性、提高土壤有機(jī)碳含量、增加土壤pH值和陽離子交換量等途徑影響根系生長[26]；同時，生物炭自身養(yǎng)分也有一定程度的釋放，但其養(yǎng)分釋放并非是作物吸收的主要供應(yīng)源[27-28]；另一方面，微生物作為土壤中理化反應(yīng)的催化劑，在生物炭作用下其數(shù)量和種群多樣性都得到明顯提高[29]，特別是一些有益菌群，從而改善根際生長環(huán)境[30-31]。此外，生物炭在陳化作用下[32]可能會釋放一些小分子化合物[33]，對根系分泌物產(chǎn)生影響，刺激和干擾根系生理進(jìn)程[34]。

王晉等[35]研究表明，適量濃度生物炭浸提液中的水溶性有機(jī)小分子可以促進(jìn)水稻發(fā)芽和幼苗發(fā)育。已有研究表明，適量添加生物炭有利于提高秧苗綜合素質(zhì)[22-24]。這主要是因為生物炭有助于改善基質(zhì)的水、肥、氣、熱狀況，促進(jìn)水稻根系代謝速率，協(xié)調(diào)水稻源、庫、流三者關(guān)系。高繼平等[36]研究指出，通過炭基質(zhì)培育的水稻幼苗葉齡進(jìn)程快且成苗率高。同時，使水稻基部節(jié)間縮短增粗，莖稈基部干物質(zhì)積累增多。因此，炭基質(zhì)育出的水稻秧苗健壯、充實(shí)度較大且具備較好的抗逆性，能夠達(dá)到機(jī)插秧苗的標(biāo)準(zhǔn)[37]。

另外，生物炭能夠明顯改善水稻群體質(zhì)量。張偉明等[6]研究表明，施用生物炭對水稻株高、莖葉干物質(zhì)積累有一定程度的促進(jìn)作用，葉片干物質(zhì)積累具體表現(xiàn)為前低后高趨勢，延緩了后期葉片衰老；喬志剛等[17]研究發(fā)現(xiàn)，炭基肥處理可有效控制水稻的無效分蘗。而塑造高質(zhì)量群體是作物獲取高產(chǎn)的重要前提。

2.2 生物炭對水稻生理特性的影響

生物炭對作物生理特性也有一定促進(jìn)效應(yīng)，體現(xiàn)為對水稻幼苗的根系形態(tài)[23]、白根比[38]、盤根性等均有促進(jìn)作用，并提高水稻根系總吸收面積、活躍吸收面積和根系傷流強(qiáng)度[22]，明顯縮短秧苗移栽后的返青時間，為水稻生長后期充分灌漿打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)[36]。尤其在水稻生育后期，生物炭在一定程度上延緩了根系衰老，并維持較為適宜的根冠比，根系生理功能增強(qiáng)[22]，使水稻全生育期保持較高的根系傷流速率，呈現(xiàn)前低后高趨勢，有利于增加對地上部營養(yǎng)物質(zhì)的輸送[6]。根系氧化力是衡量根系活力的重要指標(biāo)之一，有研究[6]報道，生物炭處理使根系氧化力在全生育期保持較高水平，具體表現(xiàn)為水稻生長的前期較高，后期有所下降。并在一定程度上提高水稻葉片凈光合速率、光合作用與蒸騰作用的協(xié)同能力，有利于促進(jìn)光合產(chǎn)物積累。苗微等[32]研究表明，添加陳化生物炭顯著降低了水稻苗期的葉綠素和類胡蘿卜素含量。而劉彩虹等[39]則認(rèn)為，秸稈炭化還田提高了水稻葉綠素相對含量，對胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度的增加也存在積極影響。這可能是由生物炭的性質(zhì)差異造成的。但大多數(shù)研究證明，生物炭對水稻的生理特性存在積極作用。

植物激素作為執(zhí)行細(xì)胞通訊的化學(xué)信息在代謝、生長、形態(tài)建成等植物生理活動的各個方面均起著十分重要的作用[40]。高繼平等[23]研究了生物炭對水稻秧苗內(nèi)源激素的影響，其研究指出，隨施炭水平的增加，葉片、假莖和根系中的內(nèi)源激素（IAA、GA3、CTK）含量呈先升后降趨勢，而ABA則相反，水稻秧苗素質(zhì)指標(biāo)與內(nèi)源激素IAA、GA3和CTK含量均呈正相關(guān)關(guān)系，與內(nèi)源激素ABA呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這驗證了適量添加生物炭對水稻秧苗根系的形態(tài)建成具有明顯的促進(jìn)作用。王晉等[35]研究表明，適量濃度生物炭浸提液中的水溶性有機(jī)小分子可以促進(jìn)脅迫響應(yīng)基因的表達(dá)量，提高秧苗對逆境的耐受能力。甄曉溪等[34]的研究得出相似結(jié)論，生物炭浸提液通過提高秧苗的抗氧化能力、減少活性氧物質(zhì)的積累來提高水稻幼苗對鹽脅迫的耐受能力，顯著促進(jìn)鹽脅迫下水稻鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族成員OsHAK7和OsHAK10基因的表達(dá)，表明水溶活性分子可能調(diào)控根細(xì)胞表面的Na+/K+離子通道，影響Na+/K+離子等進(jìn)出根細(xì)胞的速率和含量等。而植株體內(nèi)的Na+、K+含量和Na+/K+比是影響植株鹽脅迫程度的主要影響因子[41]。說明活性分子可能調(diào)控根細(xì)胞表面的K+離子通道，影響K+離子等進(jìn)出根細(xì)胞的速率和含量[34]，這可能是生物炭表面水溶活性分子提高水稻抗鹽性的機(jī)制之一。另外，鹽脅迫導(dǎo)致植株體內(nèi)的ABA含量增加，從而增強(qiáng)植物應(yīng)對鹽堿脅迫的能力，緩解鹽脅迫對植物造成的滲透脅迫和離子毒害，維持植物體內(nèi)水分平衡，維持細(xì)胞膜的功能，減輕植物在鹽脅迫中受到的損傷[42]。這與高繼平等[23]的研究結(jié)果相呼應(yīng)，說明生物炭表面水溶活性分子可能通過根系直接進(jìn)入體內(nèi)，與關(guān)鍵蛋白/基因結(jié)合，激活/抑制某種新的代謝通路來提高水稻的抗氧化能力；也可能是水稻根系表面的活性分子受體與活性分子結(jié)合后，通過第二信使（如Ca2+或IP3）激活下游ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[34]。其作用機(jī)理可能是，鹽脅迫與生物炭表面水溶活性分子共同促進(jìn)植株ABA的累積，在ABA誘導(dǎo)下使胞外鈣離子內(nèi)流和胞內(nèi)鈣庫鈣離子的釋放共同作用造成胞內(nèi)鈣離子水平升高，刺激外向陰離子通道和外向K+通道的活性，而抑制內(nèi)向通道的活性，提高水稻的抗氧化能力。

2.3 生物炭對水稻養(yǎng)分吸收的影響

生物炭對植株養(yǎng)分的吸收積累具有促進(jìn)作用[2]。氮素是決定水稻產(chǎn)量最重要的因素，施用生物炭有利于水稻對氮素的吸收及氮肥利用率的提高[12，17，43]。陳琳等[44]研究表明，施用炭基肥使水稻籽粒與莖葉吸氮量比值提高，說明施用炭基肥促進(jìn)了氮素向水稻籽粒的分配。周勁松等[25]的研究表明，隨著生物炭用量增加，水稻秧苗地上部礦物質(zhì)元素 N、C、Na、Mn、Cu和 Fe的含量逐漸減少，P和Zn含量增加，K先增加后降低，但S、Mg和Ca含量沒有明顯規(guī)律性變化。王耀鋒等[43]的研究表明，竹炭不論單施還是與化肥配合施用都促進(jìn)水稻秸稈養(yǎng)分的吸收，但在正常施肥條件下水洗竹炭促進(jìn)水稻籽粒中氮磷鉀吸收的效果優(yōu)于竹炭。鐘帥等[38]開展了生物質(zhì)炭對潛育化稻田水稻營養(yǎng)研究，發(fā)現(xiàn)施用生物炭促進(jìn)了水稻各個生育期對氮磷鉀的吸收，并顯著提高花后水稻對鉀的吸收，水稻后期充足的鉀供應(yīng)為碳水化合物向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)、提高千粒重奠定了生理基礎(chǔ)。綜合考慮，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)慎重考慮是否對生物炭進(jìn)行水洗后施用。通常在生物炭生產(chǎn)過程中會生成生物油，而生物油成分中的很多化合物均對生物具有毒性，生物炭中的部分生物油殘留物會抑制水稻種子萌發(fā)和幼苗生長。某些有毒化合物經(jīng)水洗或稀釋后對植物抑制作用減弱或消失[35]。因此，在生物炭作育秧基質(zhì)時應(yīng)使用水洗生物炭。生物炭對作物礦物質(zhì)元素吸收與利用受生物炭的種類和數(shù)量、土壤與作物類型、環(huán)境條件等諸多因素的影響，其中的作用機(jī)制還需要進(jìn)一步的試驗研究。

3 生物炭對水稻產(chǎn)量的影響

生物炭和肥料配施對水稻產(chǎn)量的增長有明顯的促進(jìn)作用[12，20，45]。王耀鋒等[43]研究報道，生物炭單施或與化肥配施均可提高水稻籽粒和秸稈產(chǎn)量。但生物炭施用對作物產(chǎn)量的影響在不同試驗條件下表現(xiàn)不一。張斌等[45]在四川將生物炭連續(xù)2年施用于稻田，相同氮肥處理下，對水稻產(chǎn)量基本沒有影響。張愛平等[12，46]研究表明，不施氮肥情況下，添加生物炭對水稻產(chǎn)量沒有顯著影響，對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響亦不明顯。說明生物炭中有效氮含量有限，單施遠(yuǎn)不能滿足水稻生長對氮的需求。鄭小龍等[18]的研究表明，減氮施肥結(jié)合生物質(zhì)炭施用與常規(guī)施肥相比水稻增產(chǎn)顯著。這是因為其可有效控制水稻的無效分蘗，降低了氮素在稻草中的相對分配比例，水稻的谷草比提高，促進(jìn)了光合產(chǎn)物向籽粒的輸送，以及與炭基肥低氮施用使抽穗期葉綠素含量較高有關(guān)[17]。

生物炭用量較低時提高作物生物量，用量較高時則相反[38，47]。對于生物炭高量施用導(dǎo)致減產(chǎn)的原因，一方面土壤有效氮素含量本身較低，降低水稻葉片葉綠素含量，從而使作物產(chǎn)量下降[48]；另一方面也可能是生物炭具有較高的C/N，增加了氮的固定，進(jìn)而降低水稻植物對氮素的吸收利用[10]。作物產(chǎn)量對生物炭施用的響應(yīng)，取決于生物炭原料特性、理化性質(zhì)、施用量、施用方式、土壤質(zhì)地和作物類型以及不同施肥管理方式。因此，對于生物炭增產(chǎn)或減產(chǎn)的機(jī)理研究還需要長期多生態(tài)點(diǎn)的定位試驗。

3 展望

生物炭對作物的良好的綜合效應(yīng)已得到了眾多專家和學(xué)者認(rèn)可。通過對目前生物炭對水稻影響的研究動態(tài)概述，作者認(rèn)為尚有幾個方向的研究還存在不足。

（1）由于年際間效應(yīng)和環(huán)境變化等綜合因素影響，生物炭對作物根系與產(chǎn)量的長期效應(yīng)還有待進(jìn)一步田間試驗驗證，并對其作用機(jī)制等科學(xué)問題進(jìn)行系統(tǒng)研究和深入探討。

（2）生物炭施入土壤，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生的變化，根系是直接的接觸者。因此，需要開展生物炭對根際生態(tài)的研究。

（3）生物炭對水稻生育后期尤其是最為關(guān)鍵的抽穗拔節(jié)時期以及稻米品質(zhì)的影響還需通過長期、系統(tǒng)的實(shí)驗進(jìn)行驗證。

（4）我國土壤類型眾多，生物炭在不同土壤上的表現(xiàn)肯定不同，目前多數(shù)研究的周期較短，研究大多停留在室內(nèi)模擬和小區(qū)田間試驗及盆栽試驗階段，缺乏生物炭長期效應(yīng)的田間試驗。必須開展全國多點(diǎn)和聯(lián)網(wǎng)研究。

（5）生物炭與肥料配合施用具有良好的正效應(yīng)。因此，研究生物炭與肥料合理配施的方式與方法是研究者需要進(jìn)一步解決的問題。

（6）生物炭表面有機(jī)小分子可能參與了某些蛋白的合成，從而調(diào)節(jié)了水稻秧苗的生長和發(fā)育進(jìn)程，其作用機(jī)制十分復(fù)雜，有待于進(jìn)一步深入研究。例如，目前對生物炭表面水溶活性分子提高作物抗鹽性的機(jī)制尚不明確。

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