《Field Crops Research》：Rice straw biochar and mulched drip irrigation synergistically enhance nitrogen fixation and yield of peanut in a dryland cropping system
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花生在干旱地区通过滴灌和生物炭联用可提升产量及固氮效率，稻壳生物炭效果优于花生壳炭，其高pH值、孔隙结构及阳离子交换能力促进根发育和固氮酶活性，进而提高土壤铵态氮含量、根系参数及作物生物量积累。
作者：余毅、刘晓伟、郑俊林、夏贵民、Vijay Pooniya、庞佳音、Kadambot H.M. Siddique、Chi Daocai
沈阳农业大学水利学院，中国沈阳 110866
摘要
背景
覆盖滴灌是一种有效的策略，可以缓解干旱胁迫并提高旱地作物系统的花生产量。然而，它可能会改变花生的根系结构，从而限制根瘤的形成并降低生物固氮（BNF）的效率。生物炭被认为是一种提高BNF效率的潜在解决方案，但其效果因原料来源而异。
目的
本研究旨在探讨两种生物炭对覆盖滴灌下BNF和花生产量的影响，以确定哪种生物炭原料更有利于改善土壤质量和作物表现。
方法
在旱地作物系统中进行了为期两年的田间试验，采用裂区设计，评估灌溉方式（ICK：常规滴灌；IM：覆盖滴灌）和生物炭处理（B0：不施用生物炭；Brp4+-N和NO3–-N含量、根系发育、固氮酶活性、脲苷含量、干物质和氮积累以及花生产量的影响。
结果
两年平均来看，与ICK相比，IM处理在开花期增加了37%的干物质积累，在结荚期增加了113%的土壤NH4+-N含量，在幼苗期增加了25%的固氮酶活性，在结荚期增加了30%的脲苷含量，并使产量提高了60%。然而，它减少了开花期和结荚期的根长。与Bp相比，Br处理使土壤NH4+-N含量增加了34–183%，根瘤干重增加了34–87%，脲苷含量增加了25–40%，花生产量增加了5–15%，这主要归因于其较高的pH值、较大的表面积、孔隙体积、较高的阳离子交换容量和较小的孔径。此外，土壤NH4+-N含量、根系体积、根瘤干重和固氮酶活性与干物质积累、氮积累和花生产量呈正相关。Br处理在IM处理下促进了早期根系生长，增强了BNF，并增加了干物质和氮的积累，最终提高了花生产量。在所有组合处理中，IMBr处理在该地区实现了最高的花生产量。
结论与意义
与常规做法（ICKB0）相比，覆盖滴灌与稻草生物炭的结合（IMBr）提高了BNF和花生产量。因此，我们推荐IMBr作为提高旱地作物系统花生产量的有效策略。
引言
全球气温持续上升，极端事件——特别是热浪和干旱——变得普遍，给农业带来了前所未有的挑战。作为回应，旱地已从“土地储备”转变为全球食物系统韧性的前线（Li等人，2021年）。这些地区居住着超过20亿人，但它们获得的全球农业研发投资不到10%（Lian等人，2021年；Wang等人，2022年）。无休止的农业扩张和集约化已经引发了一系列环境危机，如气候变化、生物多样性丧失和氮污染。在降低这些环境成本的同时实现更高产量已不再是可选项，而是一个不可避免的挑战（Qiu等人，2024年）。
花生（Arachis hypogaea L.）在中国东北部的沙质地区广泛种植，因为它们具有很强的耐旱性，并能在贫瘠的土壤中茁壮成长。然而，该地区的干旱气候和低土壤肥力继续阻碍着可持续的花生生产（Zheng等人，2024年）。因此，需要有效的策略来减轻土壤干旱和养分限制的影响。在花生生长过程中，通过根瘤进行的大气生物固氮（BNF）提供了作物所需氮的55%以上（Peng等人，2017年）。然而，水分胁迫和养分限制会不利地影响根瘤固氮酶的活性（Liu等人，2018年；Liu等人，2024年），从而降低植物中的脲苷含量，表明作物的BNF受到抑制。因此，提高土壤水分和养分的可用性对于提高氮固定效率至关重要。
覆盖滴灌已在沙质地区得到广泛应用，以解决水分限制问题。薄膜覆盖在作物根区创造了相对厌氧的环境，有利于增强固氮酶的活性，从而增加作物中的脲苷含量（Qi等人，2022年；Wang等人，2024a）。此外，该系统保持了浅层湿润的土壤层，创造了有利于作物水分利用效率和产量的水热条件（Liu等人，2017年；Xia等人，2023年；Wang等人，2024b）。然而，由于水分集中在表层，覆盖滴灌往往促进根系浅层发育并限制根系的垂直延伸。例如，Miller（2022年）发现覆盖滴灌由于顶层0–30厘米土壤层中持续的水分供应而限制了大麻根系的生长。同样，Bourion等人（2010年）发现豌豆的根系发育和根瘤形成之间存在强烈的正相关关系，表明受限的根系系统会限制根瘤的形成和BNF。在花生中，覆盖滴灌下受限的根系结构可能会减少养分吸收并阻碍根瘤的形成。因此，解决这些根系限制对于提高BNF和维持此类系统中的花生生产至关重要。
生物炭是一种富含碳的材料，通过在限氧条件下热解生物质产生（Wang和Wang，2019年；Woolf等人，2021年），被认为是一种有效的土壤改良剂。它可以改善土壤的物理和化学性质，提高水分和氮的利用效率，并有助于稳定作物产量（Alsamadany等人，2022年；Taheri等人，2024年）。生物炭的好处包括提高土壤水分保持能力（El-Naggar等人，2019年；Pacheco等人，2020年）、通气性（Zhang等人，2020a）、有机质含量（Tian等人，2016年）、阳离子交换容量（Huff等人，2018年）、pH值（Meng等人，2023年）和养分可用性（Song等人，2019年；Bashir等人，2020年）。然而，生物炭对根瘤形成和BNF的影响尚不确定，可能因原料而异。例如，Li等人（2022年）报告称玉米秸秆生物炭破坏了土壤的C:N平衡并抑制了大豆的根瘤形成。相比之下，稻草生物炭使大豆的BNF提高了79%（Lin等人，2023年）。Xiu等人（2021年）和Liu等人（2024年）观察到玉米秸秆生物炭对花生和大豆的根瘤形成和产量有积极影响。Zhang等人（2020b）报告称，生物炭的应用显著提高了固氮酶活性，这是因为较高的pH值促进了土壤中钼（Mo）的可用性（Liu等人，2019年），因为钼对固氮酶的合成至关重要。固氮酶活性的提高直接增加了植物中的脲苷合成和积累（Peng等人，2025年）。同样，Mia等人（2014年）报告称草源生物炭促进了红三叶草的固氮酶活性和生物量积累。Güere?a等人（2015年）强调了生物炭对根瘤菌活性的原料依赖性影响，这种影响可能是有益的，也可能是抑制性的。此外，花生壳生物炭在中国黄壤和红壤中促进了大白菜的生长，尤其是在红壤中效果更为明显（Lv等人，2018年）。然而，不同原料来源的生物炭在沙质地区覆盖滴灌下对花生BNF的影响机制仍不清楚。
为了克服覆盖滴灌对根系发育的限制并提高BNF效率和花生产量，我们评估了两种生物炭——花生壳和稻草衍生生物炭——在这种灌溉系统下的效果。本研究评估了这些生物炭对旱地作物系统中花生土壤NH4+-N和NO3–-N含量、根系生长、根瘤形成、固氮酶活性、脲苷含量以及干物质和氮积累的影响。
实验地点和材料
2022年和2023年的花生生长季节（5月至10月），在中国东北部辽宁省张武县阿二乡的沙漠生态园进行了为期两年的田间试验（42°49′ N，122°23′ E，海拔257.63米）。该地点的土壤为风成沙土，具有以下特性：0.7克/千克的土壤有机质，1.67克/立方厘米的容重，17.29%（体积百分比）的田间持水量，7.2毫克/千克的有效氮，1.7毫克/千克的有效磷，19.1毫克/千克的可交换钾，pH值为
土壤NH4+-N和NO3–-N含量
2022年，与B0相比，Br处理在开花期和结荚期分别使土壤NH4+-N含量增加了140%和108%，而Bp处理在开花期使其增加了145%（图2a）。同样，与ICK相比，IM处理在幼苗期和结荚期分别使NH4+-N含量增加了24%和100%（图2b）。2023年，与B0相比，Br处理在幼苗期和开花期分别使NH4+-N含量增加了148%和223%，Bp处理使NH4+-N含量增加了85%
IM和生物炭对旱地生产力的影响
本研究系统地比较了不同灌溉和生物炭处理下的花生根系、根瘤、干物质积累（DMA）和产量，结果清楚地表明，薄膜覆盖和生物炭的应用都提高了旱地花生的生产力，其中Br的处理效果优于Bp处理。在本研究中，覆盖滴灌（IM）在开花期增加了干物质积累，在结荚期增加了根系表面积、根瘤数量和花生产量，但在开花期和结荚期减少了根长
结论
在我们的研究中，与花生壳生物炭（Bp）相比，稻草生物炭（Br）通过提高土壤NH4+-N含量、根长、根系体积、根系表面积、根瘤数量和根瘤重量，显著提高了固氮酶活性和脲苷含量，从而提高了氮和干物质的积累，最终提高了花生产量。与常规滴灌（ICK）相比，覆盖滴灌（IM）减少了根长，但增加了土壤NH4+-N含量，从而提高了根瘤
作者贡献声明
Vijay Pooniya：撰写 – 审稿与编辑。
Guimin Xia：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取。
Jiayin Pang：撰写 – 审稿与编辑。
Daocai Chi：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源。
Kadambot H.M. Siddique：撰写 – 审稿与编辑。
Yi Wu：撰写 – 初稿撰写、调查、数据分析、数据管理。
Junlin Zheng：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、概念构思。
Xiaowei Liu：调查、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号52209063）和国家自然科学基金联合基金（编号U21A20217）的支持。
