生物炭對東北冷涼區(qū)水稻秧苗根系形態(tài)建成與解剖結(jié)構(gòu)的影響

周勁松閆 平張偉明鄭福余程效義陳溫福,*

1沈陽農(nóng)業(yè)大學水稻研究所 / 遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)部東北水稻生物學與遺傳育種重點實驗室 / 北方超級粳稻育種教育部重點實驗室, 遼寧沈陽 110866;2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院五常水稻研究所, 黑龍江五常 150229

生物炭對東北冷涼區(qū)水稻秧苗根系形態(tài)建成與解剖結(jié)構(gòu)的影響

周勁松1,2閆 平2張偉明1鄭福余2程效義1陳溫福1,*

1沈陽農(nóng)業(yè)大學水稻研究所 / 遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)部東北水稻生物學與遺傳育種重點實驗室 / 北方超級粳稻育種教育部重點實驗室, 遼寧沈陽 110866;2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院五常水稻研究所, 黑龍江五常 150229

在黑龍江省早春水稻旱育苗背景下, 研究了稻田土壤育苗基質(zhì)中添加生物炭對秧苗根系形態(tài)建成與解剖結(jié)構(gòu)的影響, 以明確生物炭在東北冷涼地區(qū)水稻生產(chǎn)上的應(yīng)用潛力和價值。以東北稻田土壤為育苗基質(zhì), 添加0、5.0%、10.0%、15.0%、20.0% (w/w)的生物炭, 進行保護地旱育水稻秧苗。出苗后30 d測定秧苗根系形態(tài)建成和解剖結(jié)構(gòu)等性狀, 分析生物炭對水稻秧苗根系發(fā)育的影響。結(jié)果表明, 在稻田土壤育苗基質(zhì)中添加 5.0%生物炭時, 水稻秧苗根系長度、根系表面積和根系體積等明顯增加; 生物炭添加量為10.0%時, 各項根系形態(tài)指標達到最高值; 生物炭添加量超過 10.0%時, 根系形態(tài)指標下降。根長、根表面積和根體積增加的原因主要是細根增加。同時, 添加 5.0%生物炭時, 根半徑、根截面積、根表皮厚度、根皮層厚度、皮層腔面積、根導管數(shù)量及導管面積等性狀指標也相應(yīng)增加。生物炭添加量為 5.0%～10.0%時, 根解剖結(jié)構(gòu)各項性狀指標達到最大值。當生物炭添加量超過 10.0%時, 根系解剖結(jié)構(gòu)性狀指標也有下降趨勢。根系增粗主要源于根表皮及皮層發(fā)育良好。在東北冷涼地區(qū)進行保護地水稻旱育苗, 基質(zhì)中添加適量生物炭(5.0%～10.0%)有利于秧苗根系的伸長及增粗, 形成發(fā)達根系, 提高秧苗素質(zhì)。

生物炭; 水稻; 根系形態(tài); 解剖結(jié)構(gòu)

東北地區(qū)是中國重要粳稻商品糧生產(chǎn)基地[1],東北粳稻的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)對保障我國糧食安全具有舉足輕重的作用[2-5]。東北地處我國緯度最高區(qū)域, 屬溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風氣候, 冬季寒冷干燥,而夏季高溫多雨, 具有冷濕特征。水稻是喜溫短日照作物, 在東北地區(qū)種植水稻面臨的主要問題是無霜期短、有效積溫不足, 常發(fā)生低溫冷害。水育秧苗時早春常發(fā)生倒春寒, 壞種爛芽和低溫引發(fā)的綿腐病時有發(fā)生, 出苗和成苗率相對較低, 幼苗根少、根淺。自從日本引進、推廣保護地旱育稀植技術(shù)[5-6]以來, 在一定程度上解決了水稻旱育苗時基質(zhì)的水、氣、熱、養(yǎng)分協(xié)調(diào)和水稻生長期有效積溫不足等問題, 提高了水稻秧苗素質(zhì)。水稻旱育苗基質(zhì)主要由旱田土和草炭等組成, 隨著生產(chǎn)發(fā)展, 對大量優(yōu)質(zhì)旱田土或草炭土等不可再生基質(zhì)資源的需求日益增長。過度挖掘、使用旱田土和草炭土, 導致植被、環(huán)境破壞[7], 在一些地區(qū)甚至已面臨無土可用的窘境。不得已采用質(zhì)地黏重的稻田土, 不利于水稻秧苗生長, 導致秧苗素質(zhì)降低[8]。

生物炭(biochar), 一般指以自然界廣泛存在的生物質(zhì)資源為基礎(chǔ), 利用特定的炭化技術(shù), 由生物質(zhì)在缺氧條件下不完全燃燒所產(chǎn)生的富碳產(chǎn)物[9-12]。生物炭具有大量微孔結(jié)構(gòu), 容重低、含碳量高、灰分含量高、低可溶性和強吸附性, 在一定程度上具備了替代現(xiàn)有不可再生水稻旱育苗基質(zhì)材料的潛質(zhì)[11,13-14]。研究認為, 在土壤中添加生物炭后, 土壤緊實度降低、pH和鹽基飽和度提高、容重變小、通氣透水性提高,可吸附銨態(tài)氮[15-17]、磷酸根離子等[18], 提高土壤有效養(yǎng)分水平。有利于促進土壤微生物的繁衍和群落結(jié)構(gòu)變化[19-21], 抵制根結(jié)線蟲的侵入等[22]。土壤結(jié)構(gòu)與理化特性的良好變化, 必然有利于促進作物生長發(fā)育和產(chǎn)量提高[23]。研究表明, 生物炭對水稻[24-25]、玉米[26]、茶樹、紫荊樹[27]、蕓豆[28]、豇豆[11,16]、蘿卜[29]等具有正向效應(yīng)。因此, 在稻田土壤中添加生物炭作為水稻育苗基質(zhì), 可為解決水稻旱育苗基質(zhì)質(zhì)量下降的問題提供新途徑。以往的研究多集中在生物炭對土壤理化性質(zhì)、作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響等方面, 生物炭對水稻苗期, 尤其是針對東北冷涼地區(qū)水稻保護地旱育秧苗的影響還鮮有報道。本研究在東北冷涼地區(qū)的水稻保護地旱育苗生產(chǎn)中,以生物炭作為主要基質(zhì)添加物, 研究生物炭對水稻苗期根系的形態(tài)建成和解剖結(jié)構(gòu)等的影響, 試圖闡明生物炭對水稻旱育秧苗素質(zhì)的影響, 探索生物炭應(yīng)用于東北水稻保護地旱育苗生產(chǎn)的可行性, 為生物炭的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

試驗于2014—2015年在黑龍江省五常水稻研究所水稻育苗大棚中實施, 在沈陽農(nóng)業(yè)大學北方超級粳稻育種教育部重點實驗室檢測和觀察水稻秧苗根系形態(tài)性狀指標及解剖結(jié)構(gòu)。

1.1 試驗材料

供試水稻品種為粳稻松粳9號(Oryza sativa ssp. japonica cv. Songjing 9), 由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院五常水稻研究所提供。育苗基質(zhì)土壤來源于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院五常水稻研究所水稻試驗田, 土壤 pH 6.24, 含有機質(zhì)21.8 g kg-1、全氮1.69 g kg-1、堿解氮29.01 mg kg-1、速效磷14.59 mg kg-1、速效鉀70.11 mg kg-1。生物炭的原材料為花生殼, 由遼寧金和福農(nóng)業(yè)科技開發(fā)股份有限公司生產(chǎn)提供。生物炭粒徑1.5～2.0 mm, pH 8.63, 含氮1.21%、磷0.88%、鉀1.59%。

1.2 試驗方法

稻田土育苗基質(zhì)中設(shè)置 5個處理, 分別為添加生物炭0、5.0%、10.0%、15.0%、20.0% (生物炭w/稻田土w)。將生物炭按各處理添加比例與過篩稻田土充分混勻。采用隨機區(qū)組設(shè)計, 3次重復。每小區(qū)中用20 cm高的塑料板隔出5 m2的區(qū)域為育苗床,塑料板的13 cm埋于苗床土壤中、7 cm留在苗床土壤上。按照試驗設(shè)計要求, 將各處理育苗土壤填充到相應(yīng)區(qū)域內(nèi), 厚度為5 cm。

2014年和2015年都是4月1日浸種, 4月11日催芽, 4月12日播種, 播種量為芽種500 g m-2。調(diào)酸、施肥、植保、水分及溫度調(diào)控等育苗期管理措施與當?shù)爻Ｒ?guī)水稻大棚旱育苗方式一致。

出苗后30 d取樣, 從每個小區(qū)隨機選取秧苗40株, 用蒸餾水將根系上的土壤沖洗干凈后待測。其中, 30株用于根系形態(tài)指標測定, 10株用于根系解剖結(jié)構(gòu)觀察。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 根系形態(tài)指標 將每株水稻秧苗根系不定根剪下, 于盛有去離子水的無色透明水槽中, 用鑷子調(diào)整根的位置避免交叉重疊。使用根系掃描儀(日本 EPSON1680)掃描水稻根系, 利用 WinRHIZO根系分析系統(tǒng)(WinRhizo Pro 2004a)分析掃描的根系圖片, 獲得根系形態(tài)指標數(shù)據(jù)。水稻秧苗根系形態(tài)性狀包括總根長度、根表面積、總根體積, 以及不同根直徑(d1: 直徑≤0.3 mm, d2: 0.3＜直徑≤0.6 mm, d3: 0.6＜直徑≤0.9 mm, d4: 直徑＞0.9 mm)的根長、根表面積、根體積。每小區(qū)30株水稻秧苗根系各項指標平均值, 為該小區(qū)水稻秧苗根系形態(tài)指標數(shù)據(jù)。

1.3.2 根系解剖結(jié)構(gòu) 從每個處理取 10株水稻秧苗, 每株水稻秧苗隨機選取一條根并將其從基部剪下, 從根尖到根基部均分為前部根、中部根和后部根 3段。利用石蠟切片技術(shù)觀察水稻秧苗根系解剖結(jié)構(gòu)。參考李正理[30]和鄭國[31]的方法對根段樣品固定、脫水、透明、滲蠟、包埋、切片、脫蠟與復水、染色和封片。

用生物顯微鏡(蔡司Axioplan 2 imaging E, 德國)觀察水稻秧苗根系石蠟切片, 選取層次清晰的切片照相。從每個根段樣品隨機選取一張照片, 應(yīng)用Image pro plus 6.0分析軟件測量與計算根半徑、根截面積、表皮厚度、皮層厚度、皮層腔面積、厚壁組織厚度、中柱半徑、中柱面積、導管數(shù)量、導管面積、皮層厚度/半徑、中柱面積/根截面積等根解剖結(jié)構(gòu)指標。一個處理同一根段(比如前部根、中部根或后部根) 10條根的解剖照片數(shù)量化的根解剖結(jié)構(gòu)數(shù)值的平均, 為該處理該根段的解剖性狀測量值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用2015年的試驗數(shù)據(jù), 統(tǒng)計分析生物炭對水稻秧苗根系形態(tài)指標和解剖結(jié)構(gòu)的影響, 利用Microsoft Excel和SPSS22軟件處理與分析數(shù)據(jù), 應(yīng)用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan’s差異顯著分析方法進行各處理的多重比較(顯著標準為P ＜ 0.05)。采用2014年和2015年的試驗數(shù)據(jù), 進行水稻根系總根長度、根表面積、總根體積和生物炭添加量的回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對水稻秧苗根系形態(tài)建成的影響

2.1.1 對水稻秧苗根長的影響 與純稻田土壤育苗基質(zhì)相比較, 添加 5.0%和 10.0%生物炭的水稻秧苗總根長度顯著增加, 添加15.0%和20.0%生物炭的秧苗總根長度顯著減少(表1)。說明東北早春旱育苗稻田土壤基質(zhì)中添加適量的生物炭, 有利于根的伸長。在稻田土壤育苗基質(zhì)中添加10.0%的生物炭, 秧苗較小直徑的根(d1、d2、d3)根長最高, 較大直徑的根(d4)根長未見顯著增加(表1)。這表明, 稻田土壤育苗基質(zhì)中添加適量生物炭促進秧苗根系伸長的主要原因是細根生長良好。

2.1.2 對水稻秧苗根表面積的影響 冷涼氣候條件進行保護地旱育水稻秧苗時, 稻田土壤育苗基質(zhì)中添加適量(10.0%)生物炭促進了秧苗根表面積特別是較細根的表面積增加。由表2可見, 添加10.0%的生物炭時, 根表面積, 較細根(d1、d2、d3)表面積均達到最大值。根系與土壤顆粒及土壤溶液接觸面積增大, 吸收水分及養(yǎng)分能力增強, 有利于培育壯苗。

表1 生物炭對水稻秧苗根長的影響Table 1 Effects of biochar on root length of rice seedling

表2 生物炭對水稻秧苗根表面積的影響Table 2 Effects of biochar on root surface area of rice seedling

2.1.3 對水稻秧苗根體積的影響 總根體積與生物炭的關(guān)系和總根長度及表面積的情況類似。在純稻田土壤基質(zhì)中開始添加生物炭, 總根體積及較細根(d1、d2、d3)體積增加; 添加10.0%生物炭時, 總根體積及較細根體積最大; 繼續(xù)添加生物炭, 總根體積及較細根體積下降(表3)。東北早春旱育水稻秧苗,稻田土壤基質(zhì)中添加適量(10.0%)生物炭有利于根系及新根發(fā)育, 為增強水稻秧苗素質(zhì)提供了保障。

表3 生物炭對水稻秧苗根體積的影響Table 3 Effects of biochar on root volume of rice seedling

2.1.4 生物炭與水稻秧苗根形態(tài)建成的關(guān)系 由圖 1可見, 總根長度、根表面積、總根體積與生物炭之間均呈拋物線關(guān)系, 各項形態(tài)指標最高值出現(xiàn)在添加5.0%～10.0%生物炭之間。2014年和2015年試驗結(jié)果重復性良好。稻田土壤育苗基質(zhì)中添加適量生物炭有利于東北冷涼區(qū)水稻秧苗根系形態(tài)建成。

2.2 生物炭對水稻秧苗根系解剖結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 對水稻秧苗根系影響 由水稻秧苗根的石蠟切片(部分)照片(圖 2)初步可見, 相同生物炭添加量的育苗土壤中, 秧苗根粗、根表皮厚度、皮層厚度和中柱粗均表現(xiàn)前段根＜中段根＜后段根。不同生物炭添加量的育苗土壤中, 秧苗根粗、根表皮厚度、皮層厚度和中柱粗是有差異的, 添加5.0%～10.0%生物炭時, 根的解剖結(jié)構(gòu)較好。并且, 石蠟切片層次清晰, 表皮、皮層、中柱及導管等各個解剖部位區(qū)分明顯, 可以利用某些軟件進行數(shù)量化的深入分析。

2.2.2 對根粗的影響 由圖 3可知, 根半徑和根截面積為前段根＜中段根＜后段根, 從根尖到根基部,根逐漸變粗。稻田土壤基質(zhì)中添加生物炭使各段根的根半徑、根截面積增加, 但繼續(xù)添加生物炭根粗反而下降。用添加5.0%～10.0%生物炭的稻田土壤進行旱育水稻秧苗, 有利于秧苗根的增粗生長。

2.2.3 對根表皮發(fā)育的影響 水稻秧苗根的前段、中段、后段表皮厚度未見明顯不同。根表皮厚度和添加生物炭數(shù)量呈單峰曲線關(guān)系, 添加 10.0%生物炭時根表皮最厚(圖4)。說明, 稻田土壤育苗基質(zhì)中添加適量生物炭(10.0%)有利于秧苗根表皮發(fā)育。

圖1 水稻根系形態(tài)(y)與生物炭添加量(x)的關(guān)系Fig. 1 Regression relationship between root morphology of rice seedlings (y) and dosage of biochar (x)

圖2 不同生物炭施用量條件下水稻秧苗根系不同部位解剖結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Anatomical structures photograph of different parts of rice root under the condition of different biochar percentages

圖3 不同用量生物炭對水稻秧苗根粗的影響Fig. 3 Impacts of biochar application on root thickness of rice seedling誤差線表示3次重復的標準差。Error bars show the standard deviations of three replicates.

圖4 生物炭對水稻秧苗根系表皮發(fā)育的影響Fig. 4 Impacts of biochar application on the epidermis development of rice seedling root誤差線表示3次重復的標準差。Error bars show the standard deviations of three replicates.

2.2.4 對根皮層發(fā)育的影響 在育苗土壤固定的情況下, 水稻秧苗根的皮層厚度根前段顯著小于根中段及根后段, 皮層腔的面積也是根前段明顯小于根中段及根后段, 皮層厚度/根半徑的比率, 根前段及根后段之間差異不明顯, 厚壁組織厚度在不同根段也未見明顯差別(圖5)。這說明, 從根尖到根基變粗, 原因之一是皮層絕對厚度增加。在稻田土壤育苗基質(zhì)中添加適量生物炭, 根中段和根后段皮層變厚, 根皮層腔面積增大; 根前、中和后段的皮層厚度/根半徑增加; 若再增加生物炭, 根中和后段的皮層厚度和皮層腔面積開始下降; 厚壁組織厚度和生物炭間關(guān)系未見明顯規(guī)律性(圖5)。這表明, 稻田土壤育苗基質(zhì)中添加適量生物炭可促進根皮層發(fā)育, 有利于根通氣組織形成。

2.2.5 對根中柱發(fā)育的影響 稻田土壤中添加生物炭, 秧苗根的中柱粗細度變化不大, 根中柱面積/根截面積的比率呈下降趨勢(圖6)。根的前、中、后各段中柱內(nèi)導管數(shù)量和導管面積與生物炭關(guān)系呈單峰曲線, 極大值出現(xiàn)在添加5.0%～10.0%生物炭范圍內(nèi)(圖6)。結(jié)合圖3-A、B, 圖4和圖5-A、B、C、D, 稻田土壤育苗基質(zhì)中添加適量生物炭促進根的增粗, 主要原因是表皮變厚和皮層變厚。雖然未見根中柱變粗, 但適量生物炭促進了根中柱內(nèi)導管的發(fā)育。綜上表明, 稻田土壤基質(zhì)中添加適量生物炭促進根的表皮、皮層、皮層腔和導管發(fā)育, 使根變粗和根系發(fā)達, 通氣能力增強, 輸導水分無機鹽能力增強。稻田土壤育苗基質(zhì)中添加適量生物炭, 優(yōu)化了東北冷涼區(qū)水稻秧苗根系解剖結(jié)構(gòu), 能夠培育壯苗。

3 討論

根系既是水分和養(yǎng)分吸收的主要器官, 又是多種激素、有機酸和氨基酸合成的重要場所, 其形態(tài)和生理特性與地上部生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)均有密切關(guān)系[32-35]。在水稻育苗生產(chǎn)中, 發(fā)達的秧苗根系,有利于移栽后快速返青、促進分蘗早生快發(fā), 是衡量秧苗是否健壯的重要指標之一。本研究表明, 在東北冷涼氣候條件下, 在水稻育苗基質(zhì)中添加適量生物炭, 秧苗根表皮細胞、皮層組織發(fā)達, 導管數(shù)量增加, 根長、根表面積和根體積明顯提高, 根系生理結(jié)構(gòu)及形態(tài)發(fā)育良好。

生物炭具有非常豐富的多微孔結(jié)構(gòu)(圖7), 施用生物炭可明顯降低土壤容重、增加土壤孔隙, 從而改善土壤的通氣、透水性[36]。土壤水、氣條件協(xié)調(diào)、優(yōu)化, 必然為促進根系生理結(jié)構(gòu)及形態(tài)發(fā)育提供良好的生態(tài)環(huán)境。而土壤的物理結(jié)構(gòu)性改變, 尤其是土壤孔隙度提高, 則為根系生長提供了更多延展空間[37]。本研究中, 水稻總根長增加、側(cè)根占比大幅上升也進一步印證了這個觀點。其次, 生物炭呈黑色, 具有明顯的吸熱屬性, 施入土壤后可提高土壤溫度[38], 益于減輕東北早春低溫冷害, 為根系生長發(fā)育提供有利條件。同時, 生物炭含有豐富的N、P、K、S、Ca、Mg、Fe等營養(yǎng)元素, 且對養(yǎng)分具有一定吸附和緩釋能力[39], 可提高土壤養(yǎng)分供給水平, 從而為根系組織發(fā)育和形態(tài)建成提供重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖5 生物炭對水稻秧苗根系皮層發(fā)育的影響Fig. 5 Impacts of biochar application on cortex development of rice seedling root誤差線表示3次重復的標準差。Error bars show the standard deviations of three replicates.

(圖6)

圖6 生物炭對水稻秧苗根系中柱發(fā)育的影響Fig. 6 Impacts of biochar application on stele of rice seedling root誤差線表示3次重復的標準差。Error bars show the standard deviations of three replicates.

圖7 花生殼炭表面微觀掃描(SEM)Fig. 7 Micrographs of the peanut shell char (SEM)

生物炭使土壤水、氣、熱、養(yǎng)分等生態(tài)因子得到改善, 有利于根系對水分、養(yǎng)分等物質(zhì)的吸收、轉(zhuǎn)運與合成, 促進根系組織結(jié)構(gòu)發(fā)育。解剖結(jié)構(gòu)觀察表明: 添加適量生物炭使根表皮細胞體積增大、排列疏松, 皮層厚度增加, 裂生通氣組織發(fā)達; 較高施炭量處理的根表皮細胞幾乎完全脫落、皮層發(fā)育受到抑制。根表皮細胞、皮層組織發(fā)育良好, 將直接促進根毛數(shù)量增加、根增粗, 使根體積和吸收面積增大。而通氣組織發(fā)達, 則可提高根系通氣能力, 增強呼吸作用和 ATP供應(yīng), 促進根系對水和礦物質(zhì)元素的吸收[40]。

此外, 我們也觀察到, 在本試驗條件下當生物炭添加量超過一定范圍(＞10%)時, 根系生長受到抑制。生物炭材質(zhì)、炭化工藝條件、施用量等是決定生物炭結(jié)構(gòu)及理化特性的重要因素[39], 其在不同土壤、作物類型上的應(yīng)用效果也差異較大[41]。本試驗中, 生物炭呈堿性(pH 8.63)、含炭量較高(50.28%)。因此, 添加過量生物炭可使土壤酸堿度發(fā)生較大改變, 并可能同根系對養(yǎng)分產(chǎn)生競爭性吸附作用, 抑制根系生長和養(yǎng)分吸收。土壤酸堿度和養(yǎng)分條件發(fā)生改變, 特別是 C/N大幅提高, 可能對某些土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生一定負效應(yīng), 影響根系生理功能。另外, 添加過量生物炭可能使育苗基質(zhì)土壤孔隙度過高, 加速水分、養(yǎng)分散失, 導致根系對養(yǎng)分吸收利用不足, 從而影響根系生長。一些探索性研究則認為, 生物炭的某些易揮發(fā)性成分也可能抑制作物生長[42], 但仍需較大規(guī)模的精確、驗證性試驗。

綜上, 在東北冷涼區(qū)水稻育苗基質(zhì)中添加適量生物炭, 有利于協(xié)調(diào)、優(yōu)化土壤水、肥、氣、熱等生態(tài)因子, 從而促進根系生理功能組織發(fā)育, 提高根系抗逆及物質(zhì)吸收能力, 促進根系形態(tài)建成。生物炭可應(yīng)用于東北冷涼區(qū)水稻育苗生產(chǎn), 對提高水稻秧苗素質(zhì)、促進秧苗生長發(fā)育具有重要作用。但其基于土壤—作物系統(tǒng)的調(diào)控機制、作用機制等還有待進一步研究探索和試驗驗證。

4 結(jié)論

在東北冷涼地區(qū)保護地水稻旱育苗生產(chǎn)中, 以生物炭作為主要育苗基質(zhì)添加物, 添加適量生物炭(10.0%)使水稻秧苗根系總根長度、根系表面積和根系總根體積等明顯增加, 而超過適宜生物炭用量時產(chǎn)生一定抑制作用。適量生物炭處理的根長、根表面積和根體積增加的原因主要來自細根增加。同時,添加適量生物炭(5.0%～10.0%)使根半徑、根截面積、根表皮厚度、根皮層厚度、皮層腔面積、根導管數(shù)量及導管橫截面積等明顯增加, 若再增加生物炭添加量時根解剖結(jié)構(gòu)性狀指標呈現(xiàn)下降趨勢; 適量生物炭促進根粗發(fā)育的原因是根表皮及皮層發(fā)育良好。添加適量(5.0%～10.0%)生物炭有利于水稻秧苗根系的形態(tài)建成及伸長和增粗, 從而形成發(fā)達根系,提高秧苗素質(zhì), 具有較好的應(yīng)用前景。

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Effect of Biochar on Root Morphogenesis and Anatomical Structure of Rice Cultivated in Cold Region of Northeast China

ZHOU Jin-Song1,2, YAN Ping2, ZHANG Wei-Ming1, ZHENG Fu-Yu2, CHENG Xiao-Yi1, and CHEN Wen-Fu1,*1Rice Research Institute, Shenyang Agricultural University / Biochar Engineering Technology Research Center of Liaoning Province / Northeast Key Laboratory of Rice Biology and Genetic Breeding, Ministry of Agriculture / Northern Key Laboratory of Super Rice Breeding, Ministry of Education, Shenyang 110866, China;2Wuchang Rice Institute, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Wuchang 150229, China

To explore potential and practical application value of biochar in rice production in the cold region of Northeast China, we added 0-20.0% (w/w) biochar in rice nursery substrate of paddy soil and studied the root morphogenesis and anatomical structure of rice at 30 days after seed germination, The treatment of 5.0% biochar significantly increased the root length, root surface area and root volume, with the maximum value for all the root morphological indexes in the treatment of 10.0% biochar. When the biochar added more than 10.0%, the root morphological indexes started to decrease. It was indicated that the increase of root length, root surface area and root volume was the consequence of producing more fine roots. Meanwhile, when 5.0% biochar added in the rice nursery substrate, root epidermis thickness, cortex thickness, sclerenchyma tissue, number of vessels, sectional area of vessels, cortex cavity area, sectional area of whole root and root radius increased in comparison with those of the control.In the treatment of 5.0%-10.0% biochar application, all the indexes of anatomical structure of root reached the maximum. When the biochar added more than 10.0%, all the indexes of anatomical structure of root had a descending trend. It was revealed that the well-developed root epidermis and cortex were the main reason of promoting enlargement of roots when a moderate amount of biochar was added in the rice nursery substrate. Taken together, we conclude that the proper addition of 5.0%-10.0% (w/w) biochar is advantageous to the elongation, enlargement and formation of well-developed root system ,resulting in improved quality of rice seedlings in the dry rice-nursery of protected area when the paddy soil is used as the nursery substrate in the cold region of Northeast China.

Biochar; Rice (Oryza sativa L.); Root morphology; Anatomical structure

10.3724/SP.J.1006.2017.00072

本研究由國家重點研發(fā)計劃稻作區(qū)土壤培肥與豐產(chǎn)增效耕作技術(shù)(2016YFD0300904), 遼寧省高校重大科技平臺建設(shè)項目(生物炭工程技術(shù)研究中心), 沈陽市應(yīng)用基礎(chǔ)研究專項(F16-205-1-38), 國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201303095)和教育部創(chuàng)新團隊項目(IRT13079)資助。

This study was supported by the State Key Special Program of Soil Fertility Improvement and Cropping Innovation for High Yield with High Efficiency in Rice Cropping Areas (2016YFD0300904), the Liaoning Provincial Major Science and Technology Platform for Universities (Biochar Engineering and Technical Research Center), the Shenyang Special Program for Apply Basic Research Program (F16-205-1-38), Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest Program of China (201303095), and Program for Innovative Research Team of Ministry of Education (IRT13079).

*通訊作者(Corresponding author): 陳溫福, E-mail: wfchen5512@126.com

聯(lián)系方式: E-mail: zhoujinsong168@126.com

稿日期): 2016-06-11; Accepted(接受日期): 2016-09-18; Published online(

日期): 2016-09-29.

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160929.1451.002.html