高濃度CO2與添加生物炭對(duì)水稻根系和產(chǎn)量的交互影響*

張鳳哲,謝立勇,趙洪亮,金殿玉

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，沈陽(yáng) 110161）

目前，大氣中 CO2濃度已由工業(yè)革命前的280μmol·mol?1增至400μmol·mol?1左右，同時(shí)以每年 0.5%的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì) 2050年可能增加到450～550μmol·mol?1（稱為CO2倍增），21 世紀(jì)末可能達(dá)到790～1020μmol·mol?1[1]。CO2是綠色植物進(jìn)行光合作用的底物，其濃度的升高會(huì)使作物光合作用和干物質(zhì)形成發(fā)生相應(yīng)變化[2]。研究發(fā)現(xiàn)，CO2濃度增高對(duì)作物的影響表現(xiàn)為作物凈光合速率增加，促進(jìn)了碳水化合物的合成和干物質(zhì)的積累[3]；亦有研究表明，作物在高CO2濃度環(huán)境下存在光合適應(yīng)現(xiàn)象，且存在品種間差異[4]。為此，大氣CO2濃度增高對(duì)作物生理代謝的影響及其機(jī)理機(jī)制研究，一直是氣候變化背景下人們關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題之一。大田作物生產(chǎn)是諸多環(huán)境因素與人為干預(yù)的過(guò)程，CO2濃度的影響也必然與其它環(huán)境因子相互促進(jìn)或相互制約。因此，作物在自然生長(zhǎng)狀態(tài)下，開(kāi)展人為干預(yù)與環(huán)境因子的交互影響的研究，更有利于揭示CO2濃度增高對(duì)作物生理代謝過(guò)程的影響規(guī)律。

生物炭不僅能改良土壤，而且能提高土壤蓄水儲(chǔ)養(yǎng)的能力，保護(hù)土壤中的微生物，在修復(fù)污染土壤[5]、提高作物產(chǎn)量[6]等方面也發(fā)揮著重要作用。農(nóng)業(yè)秸稈生物炭有利于農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用，在減少農(nóng)田秸稈焚燒、提供能源、保護(hù)環(huán)境等方面也具有重要意義[7]。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭配施化肥的處理可以有效促進(jìn)水稻生長(zhǎng)發(fā)育[8-9]，土壤中添加生物炭可以增加其養(yǎng)分含量，并且能促進(jìn)水稻根系生長(zhǎng)[10]。然而對(duì)于生物炭的不同研究結(jié)果之間差異較大，且在不同環(huán)境影響下生物炭所發(fā)揮的作用很難總結(jié)出共性規(guī)律，現(xiàn)階段對(duì)生物炭的研究結(jié)果在未來(lái)環(huán)境變化尤其是高濃度CO2背景下是否相同值得更深入的研究。

水稻根系不僅支撐其正常生長(zhǎng)，而且是吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸器官，根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)直接調(diào)控作物及根部生長(zhǎng)環(huán)境的理化過(guò)程，與水稻的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)形成等密切相關(guān)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，稻田施加生物炭能增加水稻生育前期根系形態(tài)指標(biāo)，提高水稻根系吸收面積，生育后期生物炭延緩了根系衰老，整個(gè)生育期內(nèi)維持了較為適宜的根冠比，根系生理功能增強(qiáng)[11]；高繼平等試驗(yàn)表明，生物炭可顯著提高秧苗地上部和根系生長(zhǎng)能力[12]。此外，生物炭還可提高水稻生育前期根系的總吸收面積，在水稻生育后期生物炭又減慢了根系衰老速度[13]。關(guān)于大氣CO2濃度升高（包括與不同施肥條件互作）對(duì)水稻根系及產(chǎn)量的影響已取得一定進(jìn)展，而在高濃度CO2條件下施加生物炭對(duì)水稻的影響研究尚未開(kāi)展，大氣CO2濃度增加和生物質(zhì)炭化還田對(duì)水稻根系的協(xié)同作用存在的規(guī)律值得更高關(guān)注。本文擬通過(guò)研究CO2濃度增高和施加生物炭對(duì)水稻根系的影響，揭示兩因素互作下水稻根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收能力和有機(jī)物的最終積累情況，為高濃度CO2背景下科學(xué)施肥和減少農(nóng)田排放提供新的理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院昌平試驗(yàn)基地（40°08′N，116°08′E）進(jìn)行，該地屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均日照時(shí)數(shù)2684h，年平均氣溫11.8℃，年平均降水量550.3mm。試驗(yàn)區(qū)域平均大氣CO2濃度約為400μmol·mol?1。

1.2 供試材料

供試水稻品種為吉粳88，生育期140d 左右，需≥10℃積溫2900～3100℃·d，由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供。供試土壤有機(jī)質(zhì)含量為14.10g·kg?1，全氮0.82g·kg?1，速效磷20.0mg·kg?1，速效鉀79.8mg·kg?1，pH 值為8.33。生物炭原材料為玉米秸稈，粒徑1.5～2.0mm，pH 值為9.23，含氮1.53%，磷0.78%，鉀1.68%，由遼寧省某公司提供。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置2 個(gè)CO2濃度，分別為大氣CO2濃度和高濃度CO2（550μmol·mol?1），高濃度CO2環(huán)境應(yīng)用FACE 系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。盆中土壤設(shè)2 個(gè)生物炭處理，分別為不添加生物炭和每千克干土加20g 生物炭。共計(jì)4 組處理，以大氣CO2濃度和土壤中不添加生物炭的處理為對(duì)照（CK），以大氣CO2濃度和土壤中添加生物炭為NB 處理，以高濃度CO2和土壤中不添加生物炭為CN 處理，以高濃度CO2和土壤中添加生物炭為CB 處理。

盆栽用土全部過(guò)5mm 篩，試驗(yàn)用盆長(zhǎng)60cm、寬40cm、高35cm，每盆裝土50kg，施加生物炭處理為將生物炭與土壤混勻后沉積1 周備用。2019年6月4日移栽，每盆6 穴，每穴3 株，盆內(nèi)每穴水稻用透水隔板隔開(kāi)，保證取樣期各穴水稻根系能區(qū)分開(kāi)的同時(shí)水肥條件一致，每組處理栽培12 盆，同時(shí)向FACE 圈內(nèi)增施CO2氣體，使圈內(nèi)CO2濃度穩(wěn)定在550μmol·mol?1，直到試驗(yàn)結(jié)束。每盆施加氮肥（尿素）20g，磷肥（磷酸二銨）20g，鉀肥（氯化鉀）10g，在抽穗期施加穗肥（尿素）10g，4組處理管理方式相同，水分管理為6月4日?7月5日保持潛水層，7月6日?8月1日進(jìn)行多次輕擱田，8月2日以后間歇灌溉。通過(guò)對(duì)水稻的田間觀察，分別于水稻分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期取樣測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 根系形態(tài)指標(biāo)

于試驗(yàn)期各處理分別取3 株長(zhǎng)勢(shì)一致的水稻，連根帶土放入40 目尼龍網(wǎng)袋里，用水浸泡約30min后，用流水沖洗根系，將單株水稻所有不定根剪下，平鋪在塑料凹槽內(nèi)，倒入蒸餾水使根系完全沒(méi)入水中，用鑷子調(diào)整根系位置避免重疊，使用根系掃描儀（EPSON J221B）掃描，掃描得到的圖片利用Win RHIZO 處理為數(shù)據(jù)信息，獲得總根長(zhǎng)、總根表面積指標(biāo)。

相同取樣方法另取3 株水稻洗凈，用吸水紙輕拭擦干根系表面水分，將水稻根系距地上部3cm 處切割，用AL104 電子分析天平分別稱量根系和地上部鮮重，應(yīng)用所得數(shù)據(jù)計(jì)算根冠比，隨后將根系放入牛皮紙袋中置于烘箱內(nèi)105℃殺青30 min、75 ℃烘至恒重后稱量干重。

1.4.2 根系生理指標(biāo)

分別于試驗(yàn)當(dāng)日晚18：00 各處理取3 株水稻測(cè)定根系傷流，方法為從距盆內(nèi)土壤表面10cm 處橫切斷植株，用已稱量好的脫脂棉覆蓋切口處，外圍用自封袋包扎收集傷流液，次日6：00 取下脫脂棉稱重，每次收集12h，利用脫脂棉前后重量之差計(jì)算傷流強(qiáng)度。

試驗(yàn)期各處理分別取3 株水稻，連根帶土放入40 目尼龍網(wǎng)袋里，用水浸泡約30min 后，用流水沖洗根系，并用吸水紙擦干根系表面水分，以甲烯藍(lán)為吸光物質(zhì)，利用分光光度計(jì)測(cè)定根系吸附前后甲烯藍(lán)溶液吸光度，應(yīng)用比色法得出甲烯藍(lán)溶液濃度，計(jì)算根系總吸收面積與活躍吸收面積。

1.4.3 產(chǎn)量指標(biāo)

水稻成熟后，各處理取植株形態(tài)相近、稻穗均勻的10 株水稻樣本逐一考察，記錄每株穗數(shù)、穗粒數(shù)，并計(jì)算結(jié)實(shí)率。將成熟期水稻全部脫粒，從樣本中隨機(jī)數(shù)出3 組1000 粒，風(fēng)干后稱重（精確到0.01g），得到千粒重。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 22.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與方差分析，采用Duncan 法進(jìn)行不同處理間的顯著性水平檢驗(yàn)（P＜0.05），結(jié)果應(yīng)用Excel 2010 繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩因素對(duì)水稻根系形態(tài)特征的交互影響

2.1.1 總根長(zhǎng)和總根表面積

由表1可見(jiàn)，與對(duì)照（CK）相比，單施生物炭、單增CO2濃度與互作處理水稻總根長(zhǎng)均有不同程度增加。土壤中單施生物炭處理（NB）后，在分蘗期水稻總根長(zhǎng)與對(duì)照（CK）相比差異不顯著，其它各試驗(yàn)期均顯著高于CK。單獨(dú)高濃度CO2處理（CN）在各試驗(yàn)期水稻總根長(zhǎng)均顯著高于CK 處理。增加CO2濃度同時(shí)向土壤中添加生物炭處理（CB）后，總根長(zhǎng)在水稻分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期分別增加了3.81%、14.08%、66.00%、153.84%，在水稻分蘗和拔節(jié)期僅高于CK，抽穗和成熟期僅低于CN。方差分析表明，CO2和生物炭單一因素對(duì)拔節(jié)期及其之后的各試驗(yàn)期水稻總根長(zhǎng)的影響均通過(guò)了0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)，互作處理在各試驗(yàn)期均通過(guò)了0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明增加空氣中的CO2和土壤中添加生物炭均有利于水稻根系生長(zhǎng)，而兩者的交互作用則降低了這種效應(yīng)。

表1 高濃度CO2 和添加生物炭對(duì)水稻各試驗(yàn)期總根長(zhǎng)的影響（m）Table 1 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on the total root length in each test periods of rice(m)

由表2可看出，單施生物炭處理（NB）在抽穗期和成熟期均顯著增加了水稻總根表面積。單獨(dú)高濃度CO2處理（CN）在分蘗期、抽穗期和成熟期顯著增加了水稻總根表面積，拔節(jié)期增加效應(yīng)不顯著。增加CO2濃度同時(shí)向土壤中添加生物炭處理（CB）后，在各試驗(yàn)期較CK 分別增加了18.59%、17.07%、93.44%、125.48%，在分蘗期僅高于CK，在拔節(jié)期及其之后的各試驗(yàn)期均顯著增加了水稻根系總吸收面積。方差分析表明，單施生物炭處理在拔節(jié)期和抽穗期對(duì)水稻總根表面積的影響極顯著，單獨(dú)高濃度CO2及互作處理在各試驗(yàn)期對(duì)水稻總根表面積的影響均表現(xiàn)為極顯著，說(shuō)明單一因素及互作處理均可增加水稻總根表面積，這與對(duì)水稻總根長(zhǎng)的影響基本一致。

表2 高濃度CO2 和添加生物炭對(duì)水稻各試驗(yàn)期總根表面積的影響（cm2）Table 2 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on the total root surface area in each test periods of rice(cm2)

2.1.2 根重和根冠比

單施生物炭處理（NB）處理后，水稻根系干重在各試驗(yàn)期分別增加了67.16%、13.43%、5.73%和42.17%，在分蘗期和成熟期達(dá)到顯著水平（表3）。單獨(dú)高濃度CO2處理（CN）在分蘗期水稻根系干重較對(duì)照降低了39.24%，為4 組處理中最低，在抽穗期和成熟期根系干重顯著高于其它3 組處理。互作處理（CB）在水稻分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期分別較對(duì)照增加了40.68%、75.62%、154.41%和129.03%，在分蘗期根系干重僅低于NB，拔節(jié)期最高，抽穗期和成熟期僅低于CN。方差分析表明，CO2對(duì)水稻根系干重的影響在除分蘗期外的各試驗(yàn)期均達(dá)到極顯著水平，單施生物炭處理在分蘗期和拔節(jié)期對(duì)水稻根系干重的影響達(dá)到極顯著水平，而在抽穗和成熟期則表現(xiàn)為差異不顯著，互作處理在分蘗期和抽穗期對(duì)水稻根系干重影響不顯著，在拔節(jié)期和成熟期極顯著增加了根系干重，說(shuō)明互作效應(yīng)存在但隨生育期推進(jìn)而無(wú)明顯規(guī)律性。

表3 高濃度CO2 與添加生物炭對(duì)各試驗(yàn)期水稻根系干重的影響（g）Table 3 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on the root dry weight in each test periods of rice(g)

根冠比是反映同化產(chǎn)物在水稻植株內(nèi)部分配的重要指標(biāo)。從圖1可以看出，單因素和互作處理較對(duì)照在各試驗(yàn)期水稻根冠比均有所增加。在分蘗期，CN 處理根冠比顯著高于其它3 組處理，CK、NB 和CB 處理間差異不顯著。拔節(jié)期CB 處理根冠比顯著高于其它3 組處理，CK、NB 和CN 處理間差異不顯著。抽穗期4 組處理間差異均不顯著。成熟期NB 和CN 處理根冠比顯著高于CK 和CB 處理?；プ魈幚碓诟髟囼?yàn)期使水稻根冠比分別增加了27.93%、27.15%、26.31%、17.36%，在分蘗期、抽穗期和成熟期的增幅依然低于單一因素處理。

圖1 高濃度CO2和添加生物炭對(duì)各試驗(yàn)期水稻根冠比的影響Fig.1 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on the root-shoot ratio in each test periods of rice

2.2 兩因素對(duì)水稻根系生理特性的交互影響

2.2.1 根系傷流強(qiáng)度

水稻根系傷流強(qiáng)度反映了植株根系活動(dòng)能力的強(qiáng)弱。從圖2可以看出，單一因素和互作處理在分蘗期均顯著增加了水稻根系傷流強(qiáng)度，其中互作處理增幅最高，達(dá)到148.10%。拔節(jié)期CB 處理使水稻根系傷流強(qiáng)度增加了34.21%，且顯著高于其它3組處理。在抽穗期4 組處理間差異不顯著，NB 處理較CK 增加了8.71%，CN 處理較CK 增加了14.12%，CB 處理較CK 增加了6.13%。在成熟期互作處理僅高于對(duì)照，增幅為40.43%。由此可見(jiàn)，水稻進(jìn)入抽穗期后互作處理的水稻根系傷流強(qiáng)度均低于單一因素處理。

圖2 高濃度CO2 和添加生物炭對(duì)各試驗(yàn)期水稻根系傷流強(qiáng)度的影響Fig.2 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on root bleeding intensity in each test periods of rice

2.2.2 根系吸收面積

水稻根系活力與水稻對(duì)土壤中養(yǎng)分吸收及產(chǎn)量形成密切相關(guān)。由表4、表5可看出，單因素及互作處理水稻根系總吸收面積和活躍吸收面積相較對(duì)照均有不同程度增加。NB 處理水稻總吸收面積在成熟期前的各試驗(yàn)期高于CK，但差異不顯著，成熟期顯著高于CK，而活躍吸收面積在各試驗(yàn)期與CK 相比差異均不顯著。CN 處理在成熟期根系總吸收面積顯著高于CK，在抽穗期根系活躍吸收面積顯著高于CK 和NB 處理，其它生育期兩項(xiàng)指標(biāo)與CK、NB 間差異均不顯著。CB 處理總吸收面積在各試驗(yàn)期較對(duì)照分別增加了 46.97%、48.99%、44.40%和55.52%，在分蘗期、抽穗期和成熟期顯著高于CK，與單因素處理間差異不顯著，CB 處理活躍吸收面積在各試驗(yàn)期較對(duì)照分別增加了56.99%、108.35%、60.00%和30.73%，在拔節(jié)期顯著高于其它3 組處理，其它生育期與單因素處理間差異不顯著。方差分析表明，單施生物炭處理對(duì)水稻根系總吸收面積的影響在成熟期達(dá)極顯著水平，對(duì)水稻根系活躍吸收面積的影響在分蘗期和拔節(jié)期達(dá)到顯著水平。單獨(dú)高濃度CO2處理對(duì)水稻根系總吸收面積的影響在抽穗期達(dá)到顯著水平，在成熟期達(dá)到極顯著水平，對(duì)水稻根系活躍吸收面積的影響在拔節(jié)期達(dá)到顯著水平，在抽穗期達(dá)到極顯著水平。互作處理僅在拔節(jié)期對(duì)水稻根系活躍吸收面積的影響達(dá)到顯著水平，說(shuō)明互作效應(yīng)降低了單一因素對(duì)水稻根系吸收面積的影響。

表4 高濃度CO2 和添加生物炭對(duì)水稻各試驗(yàn)期根系總吸收面積的影響（m2）Table 4 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on the total absorption area of the root system in each test periods of rice(m2)

表5 高濃度CO2 和添加生物炭對(duì)水稻各試驗(yàn)期根系活躍吸收面積的影響（m2）Table 5 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on the active absorption area of the root system in each test periods of rice(m2)

2.3 兩因素對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成的交互影響

單一因素和互作處理后水稻每穴穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均有不同程度增加（表6）。NB 處理每穴穗數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重與CK 相比差異不顯著，顯著增加了水稻的每穗粒數(shù)。CN 處理顯著增加了水稻每穴穗數(shù)和每穗粒數(shù)，結(jié)實(shí)率和千粒重差異不大。CB 處理使水稻每穴穗數(shù)增加了41.67%，每穗粒數(shù)和千粒重增幅分別為0.11%和3.39%，使結(jié)實(shí)率降低了8.42 個(gè)百分點(diǎn)，為4 組處理中最低，但處理間差異不顯著。方差分析表明，單一因素及互作處理對(duì)水稻每穗粒數(shù)的影響均達(dá)到極顯著水平，對(duì)千粒重影響不顯著，互作處理對(duì)水稻結(jié)實(shí)率的影響表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，說(shuō)明不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響主要作用在對(duì)水稻每穗粒數(shù)指標(biāo)上。

表6 高濃度CO2 和添加生物炭對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成的影響Table 6 Effects of high concentration of CO2 and biochar addition on rice yield

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

CO2作為植物光合作用的底物，其濃度的增加理論上將影響作物原本的生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)。多數(shù)研究表明，CO2濃度增加對(duì)作物有積極影響，表現(xiàn)為提高了水稻的光合作用效率[14]。本試驗(yàn)中關(guān)于水稻根系形態(tài)指標(biāo)結(jié)果表明，除在分蘗期降低了根系干重外，高濃度CO2處理提高了各試驗(yàn)期水稻根系形態(tài)指標(biāo)中的總根長(zhǎng)、總根表面積及根冠比，這與李中陽(yáng)等應(yīng)用水培試驗(yàn)的研究結(jié)果相一致，該研究發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高顯著增加了水稻根冠比、根系生物量、幼苗根系總根長(zhǎng)、表面積及細(xì)根比例[15]。武慧彬等的研究結(jié)果也表明，CO2濃度升高條件下水稻根長(zhǎng)、密度、表面積和體積均有不同程度增加[16]，可能是CO2濃度增加提升了水稻光合作用強(qiáng)度，使積累的有機(jī)物質(zhì)向地下部傳輸更多進(jìn)而促進(jìn)了根系的增長(zhǎng)。前人對(duì)CO2濃度增加條件下水稻根系生理特性的研究結(jié)果顯示，高濃度CO2處理使不同生育時(shí)期單位干質(zhì)量水稻根系的總吸收面積、活躍吸收面積等根系活性指標(biāo)均小于對(duì)照[17-19]，沙霖楠等的研究結(jié)果則表明，CO2濃度升高增加了水稻根系總吸收面積和活躍吸收面積[20]，出現(xiàn)結(jié)論不一致的原因可能是試驗(yàn)設(shè)置條件及數(shù)據(jù)處理方式不同所致。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，高濃度CO2處理下水稻根系傷流強(qiáng)度及吸收面積均高于對(duì)照，這與CO2濃度升高處理對(duì)水稻根系形態(tài)指標(biāo)的變化趨勢(shì)一致。結(jié)合已有研究合理推斷出如下結(jié)論，高CO2濃度影響糖類物質(zhì)和各種激素之間形成綜合效應(yīng)導(dǎo)致植物根系形態(tài)發(fā)生變化，并且通過(guò)影響細(xì)胞分裂、伸長(zhǎng)以及基因的表達(dá)等活動(dòng)來(lái)影響根系的生長(zhǎng)發(fā)育[21]。

相關(guān)試驗(yàn)證明，生物炭能夠積極協(xié)調(diào)土壤的水、肥、氣、熱，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育[22]。胡茜等研究發(fā)現(xiàn)，生物炭配施化肥可以提高土壤的有機(jī)碳含量及堿解氮含量，對(duì)水稻生長(zhǎng)具有明顯的促進(jìn)作用[8]。亦有研究表明，生物炭對(duì)減輕鹽脅迫對(duì)水稻幼苗的抑制作用起到了積極作用，促進(jìn)水稻植株生長(zhǎng)[10]。本試驗(yàn)將生物炭作為肥料因子添加到水稻土壤中，探究其在大氣CO2濃度升高的環(huán)境下對(duì)水稻根系及最終產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，單施生物炭處理增加了水稻根系的總根長(zhǎng)、總根表面積、根系干重及根冠比，增加了水稻根系傷流強(qiáng)度及吸收面積，主要是因?yàn)槭┘由锾亢笸寥揽紫抖仍黾樱欣诟敌螒B(tài)的生長(zhǎng)，試驗(yàn)中施加生物炭后可以改善土壤理化性質(zhì)，維持水稻根系生長(zhǎng)的環(huán)境。

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，在大氣CO2濃度增加條件下，生物炭抑制土壤有機(jī)碳分解的作用將會(huì)減弱[23]，并且降低了稻田土壤CH4和N2O 排放[24]，而目前有關(guān)二者互作對(duì)水稻的影響相關(guān)研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)中，從整個(gè)生育期來(lái)看，高濃度CO2與生物炭互作對(duì)水稻根系形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)均表現(xiàn)為積極影響，通過(guò)與單一因素處理的對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，互作處理對(duì)拔節(jié)期水稻總根表面積、根系干重、根冠比的增幅表現(xiàn)為3 組處理中最高，分蘗期和拔節(jié)期根系傷流、總吸收面積及活躍吸收面積增幅最高，結(jié)合產(chǎn)量構(gòu)成中互作處理后水稻每穴穗數(shù)增幅最高，可推論出互作處理促進(jìn)了水稻分蘗?拔節(jié)期根系對(duì)土壤中養(yǎng)分的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力，增加了水稻分蘗數(shù)，保證了后期每穴穗數(shù)的增長(zhǎng)。

多數(shù)關(guān)于高濃度CO2處理對(duì)水稻產(chǎn)量影響的相關(guān)研究表明，F(xiàn)ACE 處理極顯著提高了水稻產(chǎn)量[25-26]，楊連新在10a 水稻FACE 的產(chǎn)量響應(yīng)中表示，光合作用增強(qiáng)是高CO2條件下水稻增產(chǎn)的主要原因[27]。大量研究證實(shí)，土壤中添加生物炭可提高作物產(chǎn)量[6，27-29]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，高濃度CO2處理顯著增加了水稻每穴穗數(shù)和每穗粒數(shù)，降低了水稻結(jié)實(shí)率，提高了千粒重，但均未到達(dá)顯著水平，單施生物炭處理顯著增加了水稻每穗粒數(shù)，對(duì)每穴穗數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重影響不顯著，互作處理極顯著增加了水稻的每穴穗數(shù)，對(duì)結(jié)實(shí)率的影響表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，對(duì)每穗粒數(shù)和千粒重的增加效應(yīng)未達(dá)到顯著水平，可能是由于高濃度CO2處理促進(jìn)了水稻生長(zhǎng)，同時(shí)增加了水稻的空秕粒，導(dǎo)致結(jié)實(shí)率降低。限于盆栽試驗(yàn)條件和土壤中生物炭添加量的多少等因素影響，對(duì)水稻根系與產(chǎn)量的長(zhǎng)期效應(yīng)還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究，并對(duì)其作用機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題進(jìn)一步探索討論。

3.2 結(jié)論

（1）與大氣CO2濃度不添加生物炭的對(duì)照組相比，單獨(dú)高濃度CO2和單施生物炭處理對(duì)水稻根系形態(tài)及生理特征均表現(xiàn)為增加效應(yīng)，且二者增幅基本一致，高濃度CO2和添加生物炭對(duì)水稻根系總根長(zhǎng)及總根表面積的互作效應(yīng)均達(dá)到極顯著水平，互作效應(yīng)對(duì)拔節(jié)期和分蘗期水稻根系干重的影響達(dá)極顯著水平，并維持了較高根冠比，提高了各試驗(yàn)期水稻根系傷流強(qiáng)度，對(duì)吸收面積的影響不顯著；

（2）方差分析表明，單一因素及互作處理對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成中每穗粒數(shù)的影響均達(dá)到極顯著水平，對(duì)千粒重的影響不顯著，高濃度CO2處理降低了水稻結(jié)實(shí)率。相比單一因素處理，高濃度CO2和添加生物炭對(duì)水稻根系生理功能的互作效應(yīng)并不顯著，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)其作用機(jī)制及對(duì)水稻地上部分的影響等相關(guān)問(wèn)題的試驗(yàn)研究。