生物质炭施用对水稻根系形态及根际土壤性质的影响研究

Recently, there is an increasing interest on the effect of biochar soil amendment on soil environment and crop productivity. Although a lot of studies have shown that biochar could increase crop yield globally, the mechanism of how biochar influences crop growth is still unclear. The capacity of soil nutrient supply and plant root morphology contribute to the changes of crop productivity. Therefore, it is a critical issue to understand the changes of root morphology and nutrient supply under biochar soil amendment. The objective of this project was to reveal the mechanism how biochar amendment influence crop growth and the yield. A pot experiment will be set up to study the effect of biochar application on rice growth. The root morphology, root activity, root exudate were determined to investigate the effect of root growth under biochar amendment on rice yield change. The nutrient content, microbial community and enzyme activity in the rhizospheric soils were measured to access the change of soil nutrient supply and its effect on rice yield. The methods used in this project include the traditional chemical methods in soil science and molecular techniques. We aim to reveal the mechanism of biochar effect on rice growth through the changes of soil nutrient supply and the morphology of root to take up nutrients.

生物质炭农田施用及其对土壤环境和作物生产力的影响是近年来研究的热点问题。尽管已有研究表明生物质炭施用能够提高作物产量，但其影响机制并不是很清楚。作物生产力的变化直接反映了土壤养分供应能力和根系对土壤养分及水分资源的利率效率。因此，研究根系形态学特征的变化和根际土壤养分供应能力是阐明生物质炭对作物产量影响机制的关键。本项目针对生物质炭施用对作物生产力的影响这一关键问题，以水稻土-水稻系统为研究对象，从根系生长及其与土壤相互作用关系入手，结合传统土壤化学分析与现代分子生物学技术，研究生物质炭施用对根系形态学及其分泌物特征、根际土壤养分及微生物学特性的影响，试图揭示生物质炭施用对水稻生长的影响机制。

将作物秸秆等农业废弃物经低温热裂解技术转化为生物质炭，是近年来新发展的一项废弃物资源化利用技术。将生物质炭施用于农田土壤中，可提升土壤肥力、增加作物产量、增加土壤固碳及促进温室气体减排。因此，生物质炭化还田具有广阔的应用前景。尽管有许多研究表明生物质炭还田可以提高农作物产量，但其增产机制并不是很清楚。生物质炭施用后作物产量的变化受到土壤肥力、生物质炭类型和用量、作物类型等因素的控制。本项目以水稻和玉米为研究对象，通过盆栽和田间试验评价生物质炭施用对作物产量的影响，并从根系形态学特征、养分吸收和微生物学特性变化等方面揭示生物质炭的增产机制。主要发现如下：首先，生物质炭施用提高了水稻和玉米籽粒产量。从产量构成要素分析，水稻产量增加主要通过提高籽粒粒重而与穗数和穗粒数无关；而玉米产量增加主要通过提高穗粒数，而与单位面积穗数和粒重无关。水稻和玉米根系生长对生物质炭施用的响应不同，生物质炭提高了玉米根系长度、表面积、直径、体积和根尖数等形态学指标；而生物质炭施用对水稻根系各形态学指标和根系生物量无显著影响，但提高了抽穗拔节期根系活力。其次，尽管生物质炭提高了作物产量和生物量，但养分吸收并未因稀释效应而降低，相反，一些养分吸收（如钾）在施用生物质炭处理中显著提升。这一方面得益于根系形态学的改变，另一方面得益于土壤微生物数量、组成和酶活性的改变。对水稻根际土壤微生物组成和酶活性分析表明，生物质炭显著提升了土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、磷酸酶等酶活性；同时，土壤微生物数量和组成也不同程度改变。最后，生物质炭施用后根系的变化是作物增产的关键，对旱作生态系统（如玉米），植物主要通过增大根系与土壤的接触机会而获取更多的养分、水分资源以增加生物量和产量；而对水田（如水稻），植物主要通过增强根系活力及其与土壤微生物的互作关系以提高土壤养分资源的利用效率，从而实现增产。