韓曉亮，王秀茹，侯 琨，賈芳芳，孫 妍，趙 森，王銘浩，閻世煜，馬景行

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京100083）

水分和養(yǎng)分是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育各項(xiàng)生理指標(biāo)的重要環(huán)境因子，合理的灌溉制度及肥料補(bǔ)給是作物高效生產(chǎn)的重要保障［1－2］。作物對(duì)于土壤養(yǎng)分的吸收主要是依賴于其根系活性，適宜的土壤環(huán)境能夠有效促進(jìn)根系對(duì)于土壤氮、磷、鉀元素的吸收，從而保證作物果實(shí)的積累和有效物質(zhì)的生成［3－5］。生物質(zhì)炭作為一種新型的土壤改良劑，具有孔隙度高、表面積大，并且聚集大量負(fù)電荷的性能［6－7］。生物質(zhì)炭的施入可以有效地改善農(nóng)田土壤的顆粒結(jié)構(gòu)組成，調(diào)節(jié)土壤的酸堿平衡［8］，提高土壤的保水效果［9］，吸附養(yǎng)分并提高其利用效率［10］，為作物生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境，提高水肥利用效率，確保糧食的穩(wěn)定增產(chǎn)。學(xué)者們針對(duì)生物質(zhì)炭的調(diào)節(jié)改良作用進(jìn)行了大量研究，表明生物質(zhì)炭有極強(qiáng)的吸附性及抗氧化性，對(duì)于土壤理化改良、土壤養(yǎng)分狀況改善具顯著的效果［11］。生物質(zhì)炭提升了土壤的通透性［12］、持水性以及滲透性［13－14］，進(jìn)而調(diào)節(jié)了土壤的水熱特征參數(shù)，有效地減小了土壤的地表徑流和土壤侵蝕過(guò)程，提升了水土保持效果。生物質(zhì)炭具有較大的比表面積、較強(qiáng)的表面負(fù)電荷量以及較高的電子密度等特點(diǎn)［15］，這些性質(zhì)增強(qiáng)了土壤的吸附和金屬固持能力。生物質(zhì)炭能夠有效調(diào)節(jié)土壤的酸堿性，為作物生長(zhǎng)提供良好的土壤環(huán)境［16］。同時(shí)，生物質(zhì)炭與肥料施配能夠顯著提高肥料利用效率，進(jìn)而改善玉米Zea mays產(chǎn)量構(gòu)成因素，提升玉米產(chǎn)量［17－18］。大量研究大多側(cè)重于土壤的結(jié)構(gòu)以及養(yǎng)分的調(diào)節(jié)效應(yīng)，對(duì)于植株根系的養(yǎng)分吸收以及呼吸代謝效應(yīng)研究較少。本研究立足于東北松嫩平原黑土耕作區(qū)，探究不同生物質(zhì)炭施入方式對(duì)于夏玉米植株的根系生長(zhǎng)狀況、氮素利用效率以及根系的呼吸作用的影響，旨在探索黑土區(qū)生物質(zhì)炭對(duì)于植株生物性狀的改善以及氮素利用效率的提升，為提升黑土區(qū)生物質(zhì)炭還田技術(shù)及水土資源的高效利用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

該試驗(yàn)區(qū)位于哈爾濱市水利科學(xué)研究院萬(wàn)家試驗(yàn)站（45°53′～45.13′N， 123°45′～124°13′E）， 黑龍江省南部，地處松嫩平原腹地，平均海拔為134 m。該區(qū)域四季分明，冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季高溫多雨。全年平均降水量為578.4 mm，受溫帶大陸性季風(fēng)氣候的影響，降水主要集中在夏季的7－8月，約占全年降水量的60%，為夏季作物生長(zhǎng)提供了充足的水分補(bǔ)給。該區(qū)域的主要土壤類型為黑色壤土，經(jīng)取樣分析（表1）可知，土壤的平均干容重為1.28 g·cm-3，飽和含水率為46.92%，田間持水率為36.88%。另外，通過(guò)NKT 6100-C型激光粒度儀檢測(cè)土壤中的顆粒機(jī)械組成成分，其中黏粒（＜0.002 mm）占19.58%，粉粒（0.002～0.020 mm）占33.21%，砂粒（≥0.020 mm）占47.21%。土壤顆粒結(jié)構(gòu)空隙相對(duì)較大，持水性較強(qiáng)。區(qū)域土壤養(yǎng)分較為豐富，經(jīng)取樣分析可知，土壤有機(jī)質(zhì)為3.44 g·kg-1，速效磷為25.90 mg·kg-1，速效鉀為 251.80 mg·kg-1， 堿解氮為 69.60 mg·kg-1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤物理參數(shù)Table 1 Soil physical parameters

1.2 試驗(yàn)布置

該試驗(yàn)于2017年4-11月之間進(jìn)行，夏玉米的品種選用 ‘鄭單958’ ‘Zhengdan 958’。該品種適合于東北地區(qū)砂質(zhì)壤土，具有明顯的高產(chǎn)抗旱優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)共設(shè)置30個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，各小區(qū)大小為6 m×8 m。結(jié)合區(qū)域的土壤結(jié)構(gòu)狀況以及養(yǎng)分指標(biāo)水平，試驗(yàn)區(qū)的生物質(zhì)炭施入量共設(shè)置3個(gè)水平：C5（5 t·hm-2），C10（10 t·hm-2）和 C15（15 t·hm-2）。 同時(shí)， 各水平生物質(zhì)炭的施加時(shí)期為前 1 年秋季（F1）和春秋兩季各施一半（F2）和春季（F3）等3種方式。另外，設(shè)置1個(gè)對(duì)照處理（BL），重復(fù)3次·處理-1。供試土壤類型為黑色壤土，生物質(zhì)炭的類型為玉米秸稈生物質(zhì)炭，采購(gòu)于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司。制備方式為在無(wú)氧條件下450℃高溫裂解。經(jīng)檢驗(yàn)可知：生物質(zhì)炭的總有機(jī)碳為702.10 g·kg-1，全氮為 12.76 g·kg-1， 全磷為 2.54 g·kg-1。在播種前期，統(tǒng)一施加肥料，肥料類型選用尿素，施肥方式采用開(kāi)溝填埋，并且在玉米大喇叭口期進(jìn)行相同劑量的追加施肥。在作物全生育過(guò)程中，土壤含水率保持在70%～100%田間持水率。夏玉米植株的行間距為30 cm（具體布置方式如圖1）。

圖1 土壤取樣方式Figure 1 Soil sampling method

1.3 指標(biāo)測(cè)量

根系特征參數(shù)：在作物生長(zhǎng)的不同時(shí)期內(nèi)，按照土壤剖面法，以植株莖稈為中心，以30 cm為半徑，用根鉆在植株根系的下方位置分層取樣至50 cm處，將根系裝入尼龍網(wǎng)中，在水中浸泡30 min，用清水將其沖洗干凈。采用HP Scanjet 8200掃描儀對(duì)不同土層處植株根系進(jìn)行圖片掃描，最后用軟件（Delta-T Area Meter Type AMB2,Delta-T Devices,Cambridge）分析植株根系的長(zhǎng)度（cm）， 根表面積（cm2）和根體積（cm3），同時(shí)采用烘干法測(cè)定植株根質(zhì)量（g）。

土壤硝態(tài)氮空間分布：以植株根系為中心，在根系分布區(qū)域內(nèi)，設(shè)置3個(gè)分布均勻的取樣點(diǎn)，并且取樣的層面分別為10，20，30，40，50 cm。在各個(gè)取樣點(diǎn)分別稱取12 g的新鮮土壤樣品，采用流動(dòng)分析儀器（BRAN＋LUEBBE）測(cè)定土壤硝態(tài)氮。

空間吻合度計(jì)算：根據(jù)根密度與土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乘積來(lái)計(jì)算空間吻合度［19-20］。種植行根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RLD-N）=種植行根長(zhǎng)密度×土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)；種植行根干質(zhì)量密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RWD-N）=種植行根干質(zhì)量密度×土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

根系呼吸：采用LICOR公司生產(chǎn)的LI-8100型土壤呼吸儀測(cè)定土壤呼吸效率，研究中利用根系排除法來(lái)計(jì)算根系的呼吸強(qiáng)度，即用根區(qū)土壤呼吸強(qiáng)度減去非根區(qū)土壤的呼吸強(qiáng)度［21-22］。

植株氮素積累：將不同生育時(shí)期獲取的植株樣品烘干、稱量、粉碎，采用硫酸-過(guò)氧化氫（H2SO4-H2O2）對(duì)樣品進(jìn)行聯(lián)合消煮，進(jìn)而采用Bran＋Luebbe AA3型號(hào)流動(dòng)分析儀測(cè)定植株氮素，生育期氮素積累量某生育期各器官含氮量（mg·kg-1）×干物質(zhì)積累量（g）/1 000。

植株產(chǎn)量測(cè)定：在成熟期各個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)取30個(gè)果穗，裝入尼龍網(wǎng)袋中，曬干后進(jìn)行脫粒稱量，得到籽粒產(chǎn)量。

氮素利用效率（kg·kg-1）：作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量/植株氮素累積量。作物收獲指數(shù)：產(chǎn)量/生物量。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

在研究過(guò)程中，采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)整理，采用SPSS 19.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)采用軟件Origin 8.0和SigmaPlot 12.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對(duì)植株根系特征的影響

不同生物質(zhì)炭調(diào)控模式下夏玉米根系的特征參數(shù)如表2所示?？傮w分析可知：施炭量對(duì)玉米的各個(gè)拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期各項(xiàng)生理指標(biāo)的影響均達(dá)到了極顯著水平（P＜0.01），生物質(zhì)炭施加時(shí)間在各個(gè)生育期對(duì)于拔節(jié)期植株的根長(zhǎng)影響不顯著，而兩者的交叉作用對(duì)于抽穗期植株的根表面積和根質(zhì)量影響不顯著。

表2 不同生物質(zhì)炭調(diào)控模式下夏玉米根系特征Table 2 Characteristics of root systems of summer maize under different biological charcoal regulation modes

在拔節(jié)期內(nèi)，C5F1處理下，植株根系的總長(zhǎng)為5 476.22 cm，由于生物質(zhì)炭施入量的差異，C10F1和C15F1處理下的總根長(zhǎng)分別相對(duì)于C5F1處理增加了630.95和261.14 cm，表明在F1方案處理下（前1年秋季施加生物質(zhì)炭），隨著生物質(zhì)炭施入量的增加，生物質(zhì)炭對(duì)于土壤的空隙結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分供應(yīng)具有較好的調(diào)節(jié)作用，并且C10F1處理下根系的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)顯著，能夠有效促進(jìn)根系的生長(zhǎng)。與此同時(shí)，對(duì)比F2時(shí)期下的3種生物質(zhì)炭調(diào)控模式可知，C5F2，C10F2和C15F3調(diào)控模式下的玉米根系長(zhǎng)度總體水平上相對(duì)于F1時(shí)期有所降低，同時(shí)，C10F2處理下總長(zhǎng)分別相對(duì)于C5F2和C15F2條件增加了8.17%和2.14%。此外，C5F3，C10F3，C15F3處理下根系的總長(zhǎng)分別相對(duì)于F1和F2時(shí)期施加生物質(zhì)炭處理有所降低。由此可以發(fā)現(xiàn)：從生物質(zhì)炭施加方案角度分析，F(xiàn)1方案要優(yōu)于F2和F3，而從有機(jī)碳施入量的角度分析，隨著生物質(zhì)炭施入量的增加，C10處理要優(yōu)于C5和C15，表明在一定范圍內(nèi)增加生物質(zhì)炭的施入量可有效促進(jìn)根系的生長(zhǎng)，而過(guò)量的生物質(zhì)炭對(duì)于玉米植株根系的發(fā)育影響不顯著。

抽穗期內(nèi)，植株對(duì)于土壤養(yǎng)分的吸收能力不斷增強(qiáng)，根系總長(zhǎng)度也在不斷的增加。具體分析可知：C5F1處理?xiàng)l件下植株根系總長(zhǎng)達(dá)到6 832.23 cm，而C10F1和C15F1處理分別相對(duì)于C5F1處理增加了1 335.08和699.30 cm，隨著植株生育期的進(jìn)行，根系總長(zhǎng)的差異顯著。與拔節(jié)期變化趨勢(shì)相似，在F2方案模式下，其根系的整體長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)于F1方案有所減弱，但隨著施入量的增加，C10F2處理下植株根系長(zhǎng)勢(shì)突出，根系長(zhǎng)度從高到低依次為C10F2，C15F2，C5F2。而在F3時(shí)期施加生物質(zhì)炭，植株根系的總長(zhǎng)度整體水平弱于F1和F2水平，但是其根系生長(zhǎng)水平均優(yōu)于對(duì)照處理（BL）。

在灌漿期內(nèi)，植株個(gè)體基本發(fā)育成熟，因此，植株根系之間的差異逐漸減弱。比較分析可知：C10（10 t·hm－2）施入水平條件下植株根系的長(zhǎng)勢(shì)具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，并且在C10F1處理下最為明顯。由此可知，在F1，F(xiàn)2和F3這3種施肥方案下，F(xiàn)1方案能夠較好地滿足作物根系生長(zhǎng)的需要，同時(shí)，適量的施加生物質(zhì)炭可以有效促進(jìn)根系的生長(zhǎng)。

在此基礎(chǔ)之上，分析植株根系的表面積、根體積和根系質(zhì)量可知，在各個(gè)生育期內(nèi)生長(zhǎng)趨勢(shì)與總根長(zhǎng)相似?？芍涸?種不同時(shí)期施入生物質(zhì)炭具有不同的調(diào)節(jié)效果，其中，前1年秋季施加生物質(zhì)炭，土壤經(jīng)歷了冬季的凍融循環(huán)作用，土壤的通透性、養(yǎng)分含量得到良好的休整，能夠?yàn)橹仓甑纳L(zhǎng)提供適宜的水肥環(huán)境，有效提升了植株根系的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，而在秋季和春季各施加一半、春季施加2種方案的作用效果有所減弱。隨著生物質(zhì)炭的施入量增加，適量的生物質(zhì)炭補(bǔ)給能夠提高土壤的保水保肥效果，而過(guò)量的生物質(zhì)炭補(bǔ)給對(duì)于植株分析的長(zhǎng)勢(shì)效果差異影響減弱。

2.2 生物質(zhì)炭對(duì)土壤硝態(tài)氮空間變異影響

在夏玉米生育過(guò)程中，按照上述圖1示例進(jìn)行土壤取樣，圖1中北方向代表1號(hào)點(diǎn)位，東北方向代表2號(hào)點(diǎn)位，東方向代表3號(hào)點(diǎn)位，其他點(diǎn)位依次排列。研究中取各個(gè)點(diǎn)位土壤硝態(tài)氮平均值代表不同處理?xiàng)l件下土壤硝態(tài)氮的空間變異狀況。

由圖2可知：在拔節(jié)期，C5F1，C10F1，C15F1處理下的土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22.34，25.61和223.56 mg·kg－1，分別相對(duì)于BL處理提升了5.52，8.70和6.65 mg·kg－1。由于生物質(zhì)炭具有一定的吸附效果，減弱了土壤受雨水沖刷以及水土流失所導(dǎo)致的氮素消耗，固氮能力顯著增強(qiáng)，在F1方案條件下，C10F1調(diào)控模式效果最為明顯。同時(shí)，比較F2方案下土壤硝態(tài)氮的空間變異狀況可知，C5F2，C10F2和C15F2處理下土壤硝態(tài)氮分別相對(duì)于BL處理提升了4.20，6.39和5.78 mg·kg－1，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升水平相對(duì)于F1方案下的3種處理作用效果有所減弱。此外，在F3方案下，C5F3，C10F3和C15F3處理下土壤硝態(tài)氮分別相對(duì)于BL處理提升了8.92%，21.57%和14.13%，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體相對(duì)F1和F2方案均呈現(xiàn)出不同程度的降低，同時(shí)，C10F3處理下的土壤固氮效果明顯。

圖2 不同生物質(zhì)炭調(diào)控模式下夏玉米根區(qū)硝態(tài)氮分布狀況Figure 2 Nitrate-N distribution in the root region of summer maize under different biological charcoal regulation modes

隨著生育期的進(jìn)行，由于在玉米大喇叭口期進(jìn)行了追肥處理，因此，在抽穗期，土壤的硝態(tài)氮出現(xiàn)了大幅度的增加，而該時(shí)期氮素的有效供應(yīng)直接影響植株的干物質(zhì)積累及果實(shí)的形成。對(duì)比不同處理?xiàng)l件下土壤硝態(tài)氮的水平可知：C5F1處理下，土壤硝態(tài)氮的為34.69 mg·kg－1，在F1方案下，隨著生物質(zhì)炭施入量的增加，C10F1和C15F1處理下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別相對(duì)于C5F1增加了1.70和0.69 mg·kg－1，C10F1處理下土壤硝態(tài)氮的水平較高，為植株的生長(zhǎng)提供充足的氮素補(bǔ)給。此外，在F2和F3方案下，其土壤硝態(tài)氮相對(duì)于F1有所降低，但其整體水平均優(yōu)于BL，并且在C10F2和C10F3處理下表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

在灌漿期內(nèi)，作物生長(zhǎng)基本趨于成熟，土壤硝態(tài)氮水平將影響第2年春季播種期土壤氮素的供應(yīng)。比較分析可知：該時(shí)期土壤硝態(tài)氮水平與拔節(jié)期和抽穗期的變化趨勢(shì)相似，在秋季施加生物質(zhì)炭，經(jīng)過(guò)冬季凍融循環(huán)作用，生物質(zhì)炭與土壤進(jìn)行了較好地融合，并且營(yíng)造了良好的土壤生態(tài)環(huán)境，對(duì)于土壤氮素的截留具有很好的作用，使得氮素能夠穩(wěn)定地儲(chǔ)存在耕層土壤中。因此，F(xiàn)1方案要優(yōu)于F2和F3方案，并且隨著生物質(zhì)炭施入量的增加，在C10水平下達(dá)到最佳效果。

2.3 生物質(zhì)炭對(duì)植株根系呼吸強(qiáng)度影響

整體分析植株根系呼吸強(qiáng)度的變化趨勢(shì)可知：不同處理?xiàng)l件下的根系呼吸速率均呈現(xiàn)單峰型變化。由于植株長(zhǎng)勢(shì)以及養(yǎng)分供應(yīng)的差異，在一定程度上影響著植株根系的呼吸代謝作用。由圖3A可知：研究期內(nèi) C5F1， C10F1和 C15F1處理下植株根系的平均呼吸速率分別為 257.45， 296.98， 266.54 mg·m－2·h－1，植株根系平均呼吸速率從大到小依次為C10F1，C15F1，C5F1，分別比BL增加了 33.42%，19.72%和15.66%，并且這種差異性在植株生長(zhǎng)的抽穗期表現(xiàn)最為明顯。

圖3 不同生物質(zhì)炭調(diào)控模式下植株根系呼吸強(qiáng)度Figure 3 Respiration intensity of plant root systems under different biological charcoal control modes

分析F2方案下3種調(diào)控模式狀況，其中，在C5F2處理下，拔節(jié)期根系的呼吸速率為186.35 mg·m－2·h－1。隨著生育期的進(jìn)行，抽穗期根系的呼吸速率變?yōu)?24.74 mg·m－2·h－1，灌漿期時(shí)，植株各項(xiàng)生理活動(dòng)進(jìn)一步減弱，其呼吸速率減小為231.37 mg·m－2·h－1，其呼吸速率經(jīng)歷先增加后減小的變化趨勢(shì)。在C10F2和C15F2處理下，其植株根系的呼吸速率與C5F2的整體變化趨勢(shì)一致，但是C10F2處理下的植株根系呼吸效果明顯增強(qiáng)，而C15F2處理下植株的呼吸強(qiáng)度介于C5F2和C10F2之間。

在農(nóng)田土壤生態(tài)體系中，土壤的呼吸作用主要由植株的根系呼吸和微生物的呼吸組成，因而，在上述分析植株根系呼吸強(qiáng)度的基礎(chǔ)上探索根系對(duì)于土壤呼吸的貢獻(xiàn)度。分析圖4A可知：在拔節(jié)期，植株根系呼吸作用所占比例為45%～65%，并且生物質(zhì)炭調(diào)控處理下的植株根系呼吸比例均高于BL處理。其中，C5F1處理下，植株根系呼吸所占比例為62.35%，而隨著生物質(zhì)炭施入量的增加，在C10F1和C15F1處理下，其呼吸比例依次增長(zhǎng)為65.89%和63.77%，C10F1處理下根系呼吸的比例最大，表明其根系呼吸代謝能力顯著。同樣，在C5F2，C10F2和C15F2處理下，其根系呼吸強(qiáng)度比例相對(duì)于F1方案下的3種處理有所降低，但是變化趨勢(shì)上仍然表現(xiàn)為C10F2最強(qiáng)。

在作物抽穗期內(nèi)，植株發(fā)育以及各項(xiàng)生理活動(dòng)處于快速發(fā)展階段，因此，其植株根系的呼吸強(qiáng)度比例也有所增強(qiáng)，約占土壤呼吸的70%～90%。在C5F1處理下，植株根系呼吸所占比例為81.21%，而在C10F1和C15F1處理下，植株根系呼吸強(qiáng)度所占比例分別為89.34%和85.27%。由此可知：該時(shí)期內(nèi)植株根系呼吸對(duì)于土壤呼吸貢獻(xiàn)最為顯著。而在F2和F3方案下，各處理?xiàng)l件下植株根系的呼吸作用所占比例相對(duì)于F1方案有所降低，但相對(duì)于BL處理提升幅度較大，其整體仍處于較高的水平，表明生物質(zhì)炭有效促進(jìn)了植株根系的呼吸代謝效果，而抑制了微生物生命活動(dòng)，有利于作物的各項(xiàng)生命活動(dòng)的運(yùn)行。

圖4 不同生物質(zhì)炭調(diào)控下根系呼吸比例變化Figure 4 Respiration intensities of plant root systems under different biological charcoal control modes

植株根系呼吸是土壤孔隙結(jié)構(gòu)、氮素供應(yīng)以及根系長(zhǎng)勢(shì)等因素共同作用的結(jié)果，而生物質(zhì)炭的調(diào)控作用改善了土壤的物理結(jié)構(gòu)，加之充足的養(yǎng)分供給，極大程度促進(jìn)了植株根系的呼吸代謝作用，也因此為植株地上部分的各項(xiàng)生命代謝活動(dòng)提供了能量支持。綜合上述分析可知：在前1年秋季施加生物質(zhì)炭（F1）對(duì)于植株根系呼吸作用的影響較為明顯，此外，過(guò)量施用生物質(zhì)炭，土壤結(jié)構(gòu)對(duì)于植株根系的呼吸影響效果減弱。

2.4 生物質(zhì)炭對(duì)植株氮素利用效率影響

在植株生長(zhǎng)過(guò)程中，其根系具有一定的向水性和向肥性，其生長(zhǎng)分布對(duì)于土壤水分和肥力具有一定的適應(yīng)性和趨向性。植株吸收養(yǎng)分的能力一方面取決于根系的長(zhǎng)度及根表面積，另一方面取決于根系分布與土壤的養(yǎng)分空間分布的吻合程度。在研究中，計(jì)算植株根系的根長(zhǎng)密度與硝態(tài)氮空間吻合度如圖5A所示。

拔節(jié)期，在C5F1處理?xiàng)l件下，植株根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮的吻合度為0.898，而在C10F1和C15F1處理下，二者的吻合度分別為1.091和0.961，分別比C5F1處理提升了21.46%和7.14%，C10F1處理下兩者的吻合度較高。同理，在F2和F3方案下，由于生物質(zhì)炭的施加時(shí)期不同，對(duì)于土壤養(yǎng)分的空間分布調(diào)控能力有所差異，這2種條件下植株根系的根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮之間的吻合度有所減低。在抽穗期，上述提到在玉米大喇叭口期追施肥料，因此，該時(shí)期植株根系根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮的吻合度大幅度提升，但是它在整體變化趨勢(shì)上仍然呈現(xiàn)出隨著生物質(zhì)炭的施用量增加，其吻合度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。分析圖5B可知：針對(duì)于植株根干質(zhì)量密度與土壤硝態(tài)氮的空間吻合度，其變化過(guò)程與根長(zhǎng)密度在空間上的吻合度效果相似，而這種良好的吻合效果對(duì)于植株生長(zhǎng)過(guò)程的養(yǎng)分吸收和運(yùn)輸提供了堅(jiān)實(shí)的保障，進(jìn)而促進(jìn)了作物果實(shí)的形成。

通過(guò)上述對(duì)于植株根系特征參數(shù)、根系呼吸代謝效果以及氮素空間分布特征的分析，適當(dāng)施加生物質(zhì)炭對(duì)玉米植株的生理過(guò)程具積極作用。在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步分析不同處理下植株氮素生產(chǎn)效率的差異。通過(guò)圖6A可知：C5F1處理?xiàng)l件下作物的產(chǎn)量為9 579.25 kg·hm－2，而在相同生物質(zhì)炭施入水平下，C5F2和C5F3處理下作物產(chǎn)量分別相對(duì)于C5F1處理降低了6.51%和9.54%。另外，在C10生物質(zhì)炭施入水平的條件下，C10F1處理下的產(chǎn)量更為顯著，并且C10F1，C10F2和C10F3條件下的作物產(chǎn)量分別相對(duì)于C5F1，C5F2和C5F3呈現(xiàn)不同水平的升高。當(dāng)生物質(zhì)炭的施用量增加為C15水平時(shí)，其作物產(chǎn)量則介于C5和C10之間，表明適量增加生物質(zhì)炭的使用量可以有效提升作物的生產(chǎn)效果。同理，植株對(duì)于氮素的吸收效果與作物的產(chǎn)量變化趨勢(shì)相一致。

進(jìn)一步探究不同處理?xiàng)l件下植株的氮素利用效率和收獲指數(shù)的變異規(guī)律可知（圖6B），在F1方案下，生物質(zhì)炭的適用量與植株氮素利用效率之間呈現(xiàn)出顯著的二次函數(shù)關(guān)系，擬合拋物線的決定系數(shù)R2=0.887。基于這種二次函數(shù)關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，隨著生物質(zhì)炭施入量的增加，植株的氮素利用效率呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，因此證明生物質(zhì)炭施入量與植株氮素利用效率之間的數(shù)值關(guān)系存在一個(gè)峰值最優(yōu)解，在適量的生物質(zhì)炭施入水平時(shí)最大限度地提升植株氮素的利用效率。對(duì)比F1，F(xiàn)2和F3施加生物質(zhì)炭的方案，其效果的優(yōu)劣水平從高到低依次為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3。生物質(zhì)炭的施入量與植株的收獲指數(shù)之間，同樣體現(xiàn)出顯著的二次相關(guān)關(guān)系。

圖5 植株根系與土壤硝態(tài)氮的空間吻合度Figure 5 Spatial consistency of plant roots and nitrate nitrogen in soil

3 討論

根系生長(zhǎng)狀況是作物對(duì)水肥利用重要體現(xiàn)，受到土壤顆粒結(jié)構(gòu)、孔隙度以及持水性的直接影響，隨著生物質(zhì)炭的施入量以及施入時(shí)期的調(diào)整，其根系體現(xiàn)出一定的趨向性。F3方案下的植株根系生長(zhǎng)效果相對(duì)于F1和F2顯著，凍結(jié)過(guò)程對(duì)于碳-土復(fù)合系統(tǒng)水養(yǎng)環(huán)境調(diào)節(jié)效果較好。正如王麗學(xué)等［23］研究提出的在前1年進(jìn)行生物質(zhì)炭翻耕覆蓋處理能夠有效調(diào)節(jié)土壤的水熱狀況和養(yǎng)分，進(jìn)而提升土壤生產(chǎn)能力。另外，隨著生物質(zhì)炭施入量增加，作物生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)出先增加后減小的過(guò)程，生物質(zhì)炭的施入量也在很大程度上影響植株根系生長(zhǎng)狀態(tài)。正如劉超等［24］發(fā)現(xiàn)的適量的生物質(zhì)炭可以有效地促進(jìn)玉米生長(zhǎng)發(fā)育，也增加了玉米的日耗水量，而過(guò)量施入生物質(zhì)炭反而會(huì)抑制其影響效果。

圖6 不同生物質(zhì)炭調(diào)控下氮素利用效率Figure 6 Nitrogen use efficiency under the control of different biological charcoal

植株根系的呼吸強(qiáng)度在一定程度上體現(xiàn)了其養(yǎng)分吸收能力和代謝強(qiáng)度，而適宜的土壤空隙結(jié)構(gòu)和水養(yǎng)環(huán)境能夠較大程度地促進(jìn)植株的呼吸效果。在本研究中，隨著生物質(zhì)炭施入量增加，C10處理植株呼吸強(qiáng)度效果要優(yōu)于C15和C5處理。正如田冬等［25］總結(jié)得出的，生物質(zhì)炭還田對(duì)土壤溫度具有“削高填低”效應(yīng)，平緩了土壤水分和溫度的變化幅度，促進(jìn)植株根系的呼吸效果。同時(shí)，F(xiàn)3處理方案下，碳-土復(fù)合體經(jīng)歷凍融循環(huán)作用，生物質(zhì)炭與土壤能夠進(jìn)行較好融合，土壤空隙結(jié)構(gòu)得到良好調(diào)節(jié)，進(jìn)而也提升了植株的適應(yīng)性和活動(dòng)性。該發(fā)現(xiàn)也驗(yàn)證了張晗芝等［26］提出的生物質(zhì)炭與土壤充分的混合能夠有效提升土壤的理化性狀，極大程度促進(jìn)植株根系的呼吸代謝和養(yǎng)分吸收。

充足的氮素補(bǔ)給對(duì)作物的產(chǎn)量具有顯著的影響，而生物質(zhì)炭的調(diào)節(jié)作用影響土壤有機(jī)碳和氮素的組成與數(shù)量，進(jìn)而改變土壤供氮能力。比較分析C5F1，C10F1和C15F1這3種生物質(zhì)炭施入量水平條件下土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)可知，分別相對(duì)于BL處理提升了5.52，8.70和6.65 mg·kg－1，這與宋大利等［27］研究結(jié)果相似，即生物質(zhì)炭能夠較好地調(diào)節(jié)土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的比例平衡，并且適宜的生物質(zhì)炭對(duì)于土壤氮素的調(diào)節(jié)的效果顯著，能夠有效促進(jìn)植株的生長(zhǎng)和糧食產(chǎn)量的提升。此外，植株氮素的利用效率與生產(chǎn)指數(shù)與土壤氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有顯著的正相關(guān)性。因此，生物質(zhì)炭通過(guò)激發(fā)土壤微生物活性促進(jìn)氮素循環(huán)以及良好的氮素固持效應(yīng)，對(duì)作物產(chǎn)量起間接作用。

4 結(jié)論

作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，生物質(zhì)炭的大空隙性和養(yǎng)分吸附性影響著植株根系的長(zhǎng)勢(shì)，而不同時(shí)期、不同用量施加生物質(zhì)炭也會(huì)改善根系生長(zhǎng)特征。隨著生物質(zhì)炭施入量的增加，在C5F1，C10F1和C15F1處理下，植株根系的長(zhǎng)度、根質(zhì)量和體積分別表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，在一定范圍內(nèi)適量增加生物質(zhì)炭施入量可以顯著提升根系生長(zhǎng)狀況。此外，F(xiàn)1方案處理效果較為明顯，冬季凍融循環(huán)能夠最大限度的改良土壤環(huán)境狀況。

植物的呼吸效果、氮素累計(jì)體現(xiàn)了植株的代謝能力，旺盛的呼吸能力以及充足的氮素積累為生物體的各項(xiàng)生理過(guò)程提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。生物質(zhì)炭的施入改善了植株根系的呼吸強(qiáng)度及氮素的吸收效果，并且在C10水平下，植株根系的呼吸效果最強(qiáng)。另外，植株的吸氮量變異規(guī)律和根系呼吸強(qiáng)度能夠較好吻合，并且同樣在C10水平下達(dá)到最佳效果。

生物質(zhì)炭的施加影響作物產(chǎn)量的積累，進(jìn)而改善氮素的生產(chǎn)效率以及收獲指數(shù)。適宜時(shí)期生物質(zhì)炭調(diào)節(jié)可以有效提升作物的產(chǎn)量，從施加時(shí)期角度分析，F(xiàn)1方案施加生物質(zhì)炭的調(diào)控效果更為顯著。而從生物質(zhì)炭的施入量角度分析，隨著生物質(zhì)炭施入量的增加，在C10水平下達(dá)到最佳水平。氮素的利用效率以及收獲指數(shù)表現(xiàn)出相同的效果，并且與生物質(zhì)炭施入量之間具有顯著的二次相關(guān)關(guān)系。