甜菜是对除草剂较为敏感的作物，尤其在幼苗期，主根如果接触高浓度农药，就会出现岔根、畸型根等严重抑制生长的现象。异噁草松是防治大豆田顽固性阔叶杂草鸭跖草、苣荬菜、刺菜等常用除草剂，研究表明，异噁草松施用量达1 250 g·hm^-2 （600 g·L^-1），对甜菜的安全周期是16个月^[1]，具有残效期长、药害重的特点。黑龙江省北部是我国大豆的主产区，有些地块连续种植大豆已达20多年，土壤受异噁草松、氟磺胺草醚等长残效除草剂残留影响严重，已经成为下茬甜菜、马铃薯、玉米等高产作物种植的瓶颈。

生物炭是生物质通过热裂解的方法在缺氧或者少氧条件下制备的一种富含有孔隙结构、含炭量高的炭化物质^[2]。研究发现，土壤/沉积物中含有一种高比表面炭类物质（HSACM），无论是极性化合物还是非极性化合物都能在HSACM上发生非线性吸附^[3]。而生物炭（秸秆灰、木炭、黑炭）中含有大量的HSACM，通过对非极性有机物的吸附，控制污染物在土壤环境中的迁移、转化，从而降低其生物学毒性^{[4, 5]}。关于土壤中异噁草松残留对甜菜生长的影响及利用生物炭修复污染土壤还少有报道，因此，在前期研究基础上，开展异噁草松残留下，生物炭对甜菜生长的影响研究，为今后农业生产中利用生物炭修复污染土壤，调整种植结构提供科学依据。

供试土壤为典型黑土，基本理化指标：全氮0.134%、全磷0.118%、全钾2.13%、碱解氮163.0 mg·kg^-1、速效磷63.2 mg·kg^-1、速效钾187.92 mg·kg^-1、有机质34.8 g·kg^-1、pH值6.74。生物炭（C）由沈阳应用生态研究所提供，基本理化性质：全氮0.785%、全磷0.133%、全钾2.41%、有机质583 g·kg^-1，pH值8.56。异噁草松由大连松辽公司生产，标准含量480 g·L^-1。供试甜菜品种为9048，单粒。底肥用量尿素0.04 g·kg^-1、磷酸二铵0.18 g·kg^-1、氯化钾0.61 g·kg^-1，在甜菜叶丛生长期和块根生长期追施氮肥。

试验于2013—2014年在黑龙江省农业科学院盆栽试验场进行。根据大豆田异噁草松标准喷施量2 250 mL·hm^-2，全部残留土壤（土壤容重1.2~1.3 g·cm-3，0~20 cm耕层）为0.48 mg·kg^-1。设计土壤中异噁草松残留量与添加生物炭（C）共12个处理：（1）异噁草松残留量0.06 mg·kg^-1；（2）异噁草松残留量0.12 mg·kg^-1；（3）异噁草松残留量0.24 mg·kg^-1；（4）异噁草松残留量0.48 mg·kg^-1；（5）异噁草松残留量0.72 mg·kg^-1；（6）异噁草松残留量0.06 mg·kg^-1+生物炭（C）300 g；（7）异噁草松残留量0.12 mg·kg^-1+生物炭（C）300 g；（8）异噁草松残留量0.24 mg·kg^-1+生物炭（C）300 g；（9）异噁草松残留量0.48 mg·kg^-1+生物炭（C）300 g；（10）异噁草松残留量0.72 mg·kg^-1+生物炭（C）300 g；（11）异噁草松0 mg·kg^-1；（12）异噁草松0 mg·kg^-1+生物炭（C）300 g。每处理5次重复。

盆栽用桶大小为直径30 cm×高30 cm，将无农药残留土壤统一过3.0 mm筛，每桶装土量20 kg。采用混土施药方法，先将异噁草松稀释成一定浓度后与土壤混拌均匀，再将生物炭与事先混合好的药土混拌、装桶、施肥、播种、覆土。每桶均匀播20粒种子，浇水量1 500 mL·桶^-1。

在甜菜生长第30、40、50 d采用常规方法测定出苗指数、株高、生物量、叶绿素含量，成熟期测定块根重、根冠比、根系形态、含糖率等指标^[6]；叶绿素用日本岛津自动叶绿素仪测定；含糖率采用手持糖度计测量。

根系形态特性分析：将洗净的甜菜根系样品放置在30 cm×40 cm树脂玻璃槽内，并注水至3~4 mm深，使根系充分散开，用双面光源扫描系统（EPSON Expression 1640XL，美国EPSON公司）扫描根系，经专用数字化软件（WinRhizo Reg V2004a）分析获得根长、根体积、根表面积及平均根直径等形态指标^[7]。

出苗指数=处理出苗率×100%/对照出苗率；受抑制率=受害株数×100%/出苗数。

采用Excel 2003计算试验数据，DPS 6.55进行统计分析。

土壤中除草剂残留对甜菜出苗有一定的影响。由图 1~图 2可见，随着异噁草松残留量的增加，甜菜出苗率降低，平均出苗率仅为37.91%；当土壤中异噁草松浓度达到0.48、0.72 mg·kg^-1，甜菜出苗率、出苗指数分别为36.67%、61.54%和26.20%、60.46%，幼苗初期生长受重度药害抑制率达100%；当土壤中异噁草松达0.24 mg·kg^-1，幼苗生长受轻度药害抑制率为93.3%；异噁草松浓度低于0.24 mg·kg^-1，甜菜出苗率、出苗指数升高，受抑制率降低，残留量在0.06~0.12 mg·kg^-1，甜菜幼苗均表现不受药害现象。

图 1 不同处理甜菜第30、40 d生物学形态 Figure 1 The biological characteristics of suger beet at the thirtieth and fortieth days with treatments

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图 2 不同处理甜菜出苗率及受抑制率变化 Figure 2 The effect of different treatments on sugar beet seeding and inhabition rate

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生物炭对提高甜菜出苗率，减轻异噁草松残留药害，具有一定的促进作用。由图 1~图 2可见，土壤中添加生物炭后，甜菜出苗率增加，平均为54.67%；当土壤中异噁草松浓度达0.48、0.72 mg·kg^-1，甜菜出苗率为53.33%、46.67%，出苗指数为123.09%、93.34%，均高于不施炭处理；幼苗初期生长仅受轻度药害抑制，抑制率分别为30.30%、45.45%，受重度抑制率为0；当土壤中异噁草松浓度达0.24 mg·kg^-1，幼苗生长受轻度药害抑制率为25%，与同一残留浓度未加炭处理差异显著。

生物炭可降低除草剂残留药害危害，促进作物生长^{[8, 9]}。由表 1可见，土壤中异噁草松浓度在0~0.72 mg·kg^-1，添加一定比例生物炭后，幼苗株高平均增加16.0%，叶绿素含量前期明显高于对照；随生育进程延长，加炭处理株高、叶绿素增加逐渐优势减小，而根冠比增加，这与块根类作物营养生长逐渐向地下部分转移有关；幼苗生长30~50 d内，加炭处理生物量平均增加120.95%、32.86%、52.93%，与对照差异显著，说明生物炭可消减高残留药害对甜菜生长的抑制作用，这一点与前期结果一致^{[9, 10]}。

根冠比是影响作物养分吸收效率的重要因子。有研究认为，环境胁迫条件下，根冠比增加，是作物对逆境的主动适应性反应机制^{[11, 12]}。由表 1和图 1可见，未添加生物炭处理，甜菜幼苗根冠比随着异噁草松浓度的增加而降低，差异显著。添加生物炭后，根冠比呈增加趋势，尤其是在异噁草松0.48、0.72 mg·kg^-1高残留处理间差异不显著，这与添加生物炭后，改善了土壤微域逆境，降低了异噁草松残留药害有关，其机理还有待于进一步研究。

表 1 不同处理下甜菜苗期生物学指标变化 Table 1 The effect of different treatments on sugar beet biological characteristics

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植物吸收养分的能力主要取决于根系的形态^[12]。根系是作物生长所需养分的主要通道，根系形态决定作物获得养分和水分的能力^[13]，根长、根表面积和根体积都直接影响着作物对养分的吸收和运输能力^{[14, 15]}。在甜菜幼苗生长第30 d，由图 3~图 6可见，不同处理下根系形态发生变化。随着异噁草松浓度的增加，加炭处理总根长、总根表面积、总根系体积及根分枝数均高于未加炭处理。当异噁草松浓度达到0.48、0.72 mg·kg^-1，未加炭处理根系各形态指标均最低，说明高浓度异噁草松对甜菜生长有较强的抑制作用。添加生物炭后，抑制作用得以缓解，根系吸收养分和水分的能力增强，表现为根长增加，体积增大，根尖数增多。

图 3 不同处理甜菜根系总根长变化 Figure 3 The effect of different treatments on sugar beet total root length

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图 4 不同处理甜菜根系总根表面积变化 Figure 4 The effect of different treatments on sugar beet total surface area

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图 5 不同处理甜菜根系总根体积变化 Figure 5 The effect of different treatments on sugar beet total root volume

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图 6 不同处理甜菜根系根尖数变化 Figure 6 The effect of different treatments on sugar beet total tip numbers

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甜菜是主要的糖料作物，含糖量一般为14%~20%。由图 7可见，加炭处理甜菜含糖量升高，平均为15.01%，较不加炭处理增加1.10%；未加炭处理，甜菜含糖量随异噁草松浓度增加略有提高，可能与高浓度残留下块根产量降低有关，但差异不显著。

图 7 不同处理甜菜块根含糖率变化 Figure 7 The effect of different treatments on sugar beet sugar rate

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收获期产量调查表明，生物炭对提高甜菜块根产量和产糖量有一定的促进作用。由图 8~图 9可见，添加生物炭后，甜菜块根产量随异噁草松浓度的增加而增加，符合二次曲线y=790.75x2+22.343x+650.32 （R2=0.925 1），块根总产糖量与异噁草松浓度符合二次曲线y=790.75x2+22.343x+650.32 （R2=0.913），差异显著。未添加生物炭处理，甜菜块根产量随异噁草松浓度的增加而降低，符合二次曲线方程y=-1 275.1x2+1 032.2x+511.68 （R2=0.466 4），块根总产糖量符合二次曲线y=-1 587.6x2+1 316.7x+738.13 （R2=0.309 3），均呈负相关。

图 8 不同处理甜菜块根产量变化 Figure 8 The effect of different treatments on sugar beet yields

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图 9 不同处理甜菜产糖量变化 Figure 9 The effect of different treatments on sugar beet total sugar content

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据不完全统计，中国有近900万hm2的耕地遭受着不同程度的农药污染，各类可见性药害至少造成粮食减产5%~10%^[16]。甜菜属于除草剂敏感的作物，对异噁草松的安全周期较长（16个月）。因此，在除草剂残留条件下，明确生物炭对作物生长的促进作用，对于降低药害残留，增加粮食产量具有一定的科学意义。

前茬除草剂残留对下茬作物是否都存在药害决定于除草剂在土壤中的残留量。试验表明，当土壤中异噁草松浓度达到0.48~0.72 mg·kg^-1，甜菜幼苗初期生长受重度药害抑制率达100%；当土壤中异噁草松达0.24 mg·kg^-1，幼苗生长受轻度药害抑制率达93.3%。添加生物炭后，甜菜受药害症状减轻或不受药害，生长旺盛，这一点与前期研究上一致^{[9, 10]}，生物炭通过短时间内的吸附作用，可降低除草剂残留药害对作物的抑制^{[17, 18]}。

根、冠作为植株生长过程的两大功能器官，是相互依存相互竞争的统一体^[19]。根冠比是影响作物养分吸收效率的重要因子，环境胁迫条件下，作物根冠比增加，这是作物对逆境的主动适应性反应机制，已为许多学者所证实^{[11, 12]}。未添加生物炭处理，甜菜幼苗的根冠比随着异噁草松浓度的增加而降低，差异显著。添加生物炭后，根冠比增加，这与添加生物炭后，土壤微域环境得到改善，提高了除草剂在土壤中的生物降解速率，促进作物生长有关，其机理还有待于进一步研究。

甜菜的糖分积累受环境条件影响较大。添加生物炭后，甜菜含糖量升高，较不加炭处理增加1.10%，同时甜菜块根产量、块根总产糖量增加，与不加炭处理差异显著。

（1）土壤中异噁草松残留达一定量后，对甜菜生长有明显的抑制作用，并且随异噁草松土壤残留量增加抑制作用增强。

（2）添加生物炭后土壤中高浓度异噁草松残留对甜菜的生物有害性得到抑制，甜菜生长发育良好，根冠比增加，产糖率、产糖量提高。

（3）生物炭施入土壤后，一方面通过吸附作用，在短时间内降低除草剂残留对作物的药害，一方面通过改善土壤微域环境，加速除草剂的生物降解，促进甜菜的生长。通过本试验研究，可为农业生产上利用生物炭消除除草剂残留药害进一步提供科学理论依据。