吳鵬豹，解 鈺，漆智平，吳蔚東

(1.海南大學(xué) 熱帶作物種質(zhì)資源保護(hù)與開發(fā)利用教育部重點(diǎn)實驗室，海南 ?？?570228；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所，海南 儋州 571737)

生物炭是指生物質(zhì)在低氧或無氧條件下高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的一種富碳固體物質(zhì)[1-2]，具有較高的化學(xué)與生物惰性，可以作為固定大氣溫室氣體的介質(zhì)，其封存于土壤碳庫，可減緩溫室效應(yīng)、對抗氣候變化[3-7]。同時，生物炭由于其較高的比表面積、多孔隙性以及自身含有一定礦質(zhì)營養(yǎng)元素，可作為土壤改良劑(或肥料)來改善土壤肥力、增加作物產(chǎn)量[8-11]，如增加番茄(Solanumlycopersicum)、小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)、水稻(Oryzasativa)、高粱(Sorghumbicolor)、蘿卜(Raphanussativus)等作物產(chǎn)量[10-14]。但也有研究表明，生物炭有可能對作物產(chǎn)量產(chǎn)生的變化不顯著甚至降低作物產(chǎn)量[11,15]。

生物炭對作物產(chǎn)量的影響，與生物炭施用濃度、土壤性質(zhì)、氣候類型等因素有密切關(guān)系，具體影響機(jī)理尚有爭論，需要更廣泛的試驗進(jìn)行探索、論證[2,16]。然而，目前國內(nèi)外對生物炭與作物關(guān)系的研究主要集中于產(chǎn)量特征、養(yǎng)分規(guī)律、生理變化等方面，少有將作物產(chǎn)量與營養(yǎng)品質(zhì)相結(jié)合的研究[2,9,17]。

王草是一種多年生、抗倒伏、抗旱、耐瘠薄、抗病力強(qiáng)、分蘗性能強(qiáng)、生長速度快的速生優(yōu)質(zhì)禾本科牧草，且其莖葉柔嫩多葉、口感好、營養(yǎng)豐富、產(chǎn)量高，是目前我國華南地區(qū)最適于集約化栽培的刈割型禾本科牧草[18]，而磚紅壤是我國華南地區(qū)主要的土壤資源。因此，本試驗以硬質(zhì)木炭為生物炭來源，研究花崗巖磚紅壤條件下，生物炭(炭/土為0.1%～1.0%)對熱研四號王草(Pennisrtumpurpureumxptyphoidevmcv.Reyan No.4)產(chǎn)量及營養(yǎng)品質(zhì)的影響，以期為生物炭的科學(xué)研究及推廣應(yīng)用提供一定科學(xué)依據(jù)與理論支持。

1 材料與方法

1.1試驗地點(diǎn) 試驗地位于海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所試驗基地十隊(109°30′25.4″ E，19°30′39.9″ N，海拔147 m)，屬熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫23.5 ℃，年平均降水量為1 915 mm，旱、雨季明顯，5-10月為雨季，11月-翌年4月為旱季，雨季降水量占全年總降水量的85%左右，旱季為15%左右。前茬作物為橡膠，土壤為花崗巖磚紅壤，基礎(chǔ)肥力情況如下：pH值為5.7，堿解氮為46 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)為0.93%，有效磷為30.2 mg·kg-1，速效鉀為63.9 mg·kg-1。

1.2試驗設(shè)計 本試驗生物炭材料為購于市場的木炭，挑選粗壯硬質(zhì)木炭，經(jīng)粉碎過0.4 mm篩備用，pH值為7.7，灰分含量為6.20%。

本試驗共設(shè)4個處理，每處理3個重復(fù)，采用完全隨機(jī)區(qū)組排列。對照不施用生物炭，T1、T2和T3分別按表層20 cm土壤質(zhì)量的0.1%、0.5%和1.0%的比例施入生物炭,換算成面積施用量分別為0、3、15、30 t·hm-2。

牧草為熱研四號王草，以營養(yǎng)莖扦插方式種植，株行距為0.5 m×0.7 m，每小區(qū)共種植42株。王草生長整齊后，刈割一次，2009年9月7日施肥一次(尿素、鈣鎂磷肥、氯化鉀用量分別為255、330、105 kg·hm-2)，常規(guī)管理。由于本試驗前兩次刈割的王草產(chǎn)量、營養(yǎng)品質(zhì)數(shù)據(jù)已發(fā)表[19]，故本文只討論第2次刈割以后的數(shù)據(jù)。

1.3采樣和測定方法

1.3.1采樣時間和方法 2009年6月初-2011年4月初，對王草進(jìn)行8次刈割，刈割時間分別為2009年8月14日、2009年10月30日、2010年9月7日、2010年5月10日、2010年7月10日、2010年9月19日、2010年12月6日和2011年4月9日，留茬高度為10 cm。每次刈割后，將所有王草殘體移出試驗小區(qū)。每次刈割時采樣，每小區(qū)隨機(jī)選取10株王草，全株切碎、混合、四分法取樣、稱量，打包帶回實驗室，于105 ℃殺青30 min，然后在75 ℃下烘干至質(zhì)量恒定，測定鮮草含水量，粉碎裝袋，供營養(yǎng)品質(zhì)分析。

1.3.2測定方法 產(chǎn)量測定：鮮草產(chǎn)量，每次刈割后，將每小區(qū)所有王草稱量，計算小區(qū)產(chǎn)量；干草產(chǎn)量，通過鮮草產(chǎn)量與鮮草含水量計算獲得。

營養(yǎng)品質(zhì)測定：粗蛋白(CP)采用H2SO4-H2O2消煮-開氏法，酸性洗滌纖維(ADF)采用酸性洗滌劑法，粗灰分(Ash)采用干灰化法，粗脂肪(EE)采用乙醚-索氏提取法，無氮浸出物(NFE)=100%-(水分+灰分+粗蛋白質(zhì)+粗脂肪+粗纖維)%[20-21]。

1.4牧草品質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)度分析 按灰色系統(tǒng)的理論，把采樣的各處理看成是一個灰色系統(tǒng)，各次采樣的各處理則是該系統(tǒng)中的一個因素，分析系統(tǒng)中各因素的聯(lián)系程度，關(guān)聯(lián)度越大，因素的相似程度就越高[22-23]。先設(shè)一個“參考處理”，以其各項性能指標(biāo)所構(gòu)成的數(shù)列作為參考數(shù)列，以各次采樣各處理的各項性能指標(biāo)所構(gòu)成的數(shù)列作為比較數(shù)列。計算各次采樣的各處理與“參考處理”之間的關(guān)聯(lián)度，從而確定各處理的優(yōu)劣。

灰色關(guān)聯(lián)度分析法步驟：

1)最優(yōu)指標(biāo)集確定

把6次采樣的24個生物炭處理作為評價對象，用i表示。5項營養(yǎng)成分與2項產(chǎn)量特征為評價指標(biāo)，以k表示。各對象(i)各指標(biāo)(k)值表示為Xi(k)，7項指標(biāo)中，因粗灰分與酸性洗滌纖維含量“越小越好”[24-25]，選最小值為最優(yōu)指標(biāo)，其余5項指標(biāo)均選擇最大值為最優(yōu)。

2)同一化處理

為了保證評價指標(biāo)的可比性，對評價指標(biāo)集進(jìn)行同一化數(shù)量處理。對越大越優(yōu)的指標(biāo)利用：

(i=1,2,3,…,24;k=1,2,3,…,7)；

(1)

越小越優(yōu)的指標(biāo)利用：

(i=1,2,3,…,24;k=1,2,3,…,7)；

(2)

式中，max[Xi(k)]、min[Xi(k)]分別為評價指標(biāo)集[Xi(k)]中的第k項指標(biāo)的最大值與最小值。利用(1)或(2)式對各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行同一化處理，結(jié)果為di(k)(i=1,2,3,…,24;k=1,2,3,…,7)。最優(yōu)指標(biāo)集{X0(k)}成為參考數(shù)列{d0(k)}。

3)求關(guān)聯(lián)系數(shù)ζi(k)

將最優(yōu)化指標(biāo)集{d0(k)}和各項指標(biāo)集{di(k)}根據(jù)下式計算出各評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(i=1,2,3,…,24;k=1,2,3,…,7)。

4)求關(guān)聯(lián)度γi

利用所求出的關(guān)聯(lián)系數(shù)ζi(k)，通過下式計算關(guān)聯(lián)度γi：

(i=1,2,3,…,24;k=1,2,3,…,7)。

1.5數(shù)據(jù)處理 本研究數(shù)據(jù)采用DPS軟件進(jìn)行LSD顯著性差異檢驗、均值比較和相關(guān)性分析，MS Excel 2003軟件進(jìn)行制表。

2 結(jié)果與分析

2.1低量生物炭對王草產(chǎn)量特征的影響 與對照相比，各生物炭處理有減少王草第3-8次刈割鮮草、干草累積產(chǎn)量的趨勢，其降低幅度的大小順序為1.0%>0.5%>0.1%。如0.1%、0.5%、1.0%處理下第6次刈割的鮮草與干草產(chǎn)量平均降幅分別為7.05%、7.96%、10.65%和7.93%、9.67%、9.89%，但差異都沒有達(dá)到顯著水平(P>0.05)(表1)。

生物炭處理對王草各次刈割鮮草產(chǎn)量的降低效應(yīng)有所差異，其中，第7次刈割的降低效應(yīng)最大，平均降幅達(dá)到15.87%，第5次刈割最小，平均降幅為0.73%。干草產(chǎn)量卻以第3次刈割的平均降幅最大，為16.73%，但第5次刈割中，生物炭處理有增加王草干草產(chǎn)量的趨勢，平均增幅為4.50%。

表1 生物炭對王草產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of biochar on King grass’s yield t·hm-2

2.2低量生物炭對王草營養(yǎng)品質(zhì)的影響 各生物炭處理對王草粗蛋白含量的影響整體表現(xiàn)為微小的降低效應(yīng)，如各次刈割中，處理0.1%、0.5%、1.0%比對照分別平均降低1.21%、0.72%、1.46%(表2)。第4、5、6次刈割與對照相比，粗蛋白含量分別平均降低5.48%、4.59%、17.57%，其中只有第6次刈割中，生物炭處理0.5%與對照差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，而第3、7、8次刈割有增加王草粗蛋白含量的趨勢，平均增幅分別為12.36%、0.67%、7.83%，但與對照差異均不顯著(P>0.05)。

粗脂肪含量變化趨勢與生物炭濃度有較大關(guān)系，如各次刈割中，處理0.1%比對照平均增加7.97%，而處理0.5%、1.0%分別比對照平均降低1.34%、2.25%(表2)。與對照相比，第3次刈割的平均增幅最大，達(dá)到30.56%，其余各次的平均變幅較小，為4.32%～14.25%，但只有第6次刈割中，處理0.5%與對照差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

生物炭處理下王草無氮浸出物含量的變化趨勢與粗脂肪的相反，如處理0.1%比對照平均降低5.67%，處理0.5%、1.0%則分別比對照平均增加0.09%、1.93%(表2)，但只有處理0.1%在第3次刈割中與對照差異顯著(P<0.05)。各次刈割中，與對照相比，生物炭處理的無氮浸出物含量的平均變幅為0.66%～7.45%。

表2 生物炭對各次刈割王草營養(yǎng)成分的影響Table 2 Effects of biochar on King grass’s nutritional components

生物炭處理對王草粗灰分影響的整體效應(yīng)為增加作用，如處理0.1%、0.5%、1.0%分別平均增加4.67%、7.37%、5.32%(表2)。各次刈割中，與對照相比，第3、4、5、6次低量生物炭處理表現(xiàn)為增加王草粗灰分含量效應(yīng)，而第7、8次則變?yōu)榻档托?yīng)。但是除第3次刈割中，處理0.1%、0.5%的粗灰分含量顯著高于對照(P<0.05)外，其余各次刈割的各生物炭處理與對照差異均不顯著(P>0.05)。

生物炭處理條件下，王草的酸性洗滌纖維含量平均變化幅度比較小，如處理0.1%、0.5%處理比對照平均增加3.00%、1.12%，而處理1.0%則稍微比對照平均降低1.31%(表2)。各次刈割中，第6次刈割王草的ADF平均增幅最大，達(dá)到10.01%，而其余各次刈割的變幅較小，范圍為0.82%～3.34%。除第6次刈割中，處理0.1%的ADF顯著高于對照(P<0.05)外，其余各次刈割的各處理與對照差異都沒有達(dá)到顯著水平(P>0.05)。

2.3灰色關(guān)聯(lián)度分析法對各處理王草整體品質(zhì)的評價 通過灰色關(guān)聯(lián)度分析法對各次刈割王草的產(chǎn)量、營養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，對照的平均關(guān)聯(lián)度值最大，為0.557，處理0.1%、0.5%、1.0%的平均關(guān)聯(lián)度值分別為0.528、0.517、0.539，其中，處理0.5%的平均關(guān)聯(lián)度值顯著小于對照的(P<0.05)，說明生物炭處理0.1%、0.5%、1.0%有降低王草產(chǎn)量、營養(yǎng)品質(zhì)綜合品質(zhì)的作用，且處理0.5%的降低效果最大(表3)。

各次刈割中，第3-6次刈割，各生物炭處理的關(guān)聯(lián)度均小于對照，而第7、8次刈割中，除第7次刈割中處理0.5%的關(guān)聯(lián)度小于對照外，其余各生物炭處理的關(guān)聯(lián)度都大于對照。這說明第3-6次刈割中，低量生物炭處理有降低王草產(chǎn)量、營養(yǎng)品質(zhì)綜合品質(zhì)的效應(yīng)，且隨著刈割次數(shù)的增加，到第7、8次刈割，其作用逐漸變?yōu)樵黾有?yīng)。

表3 生物炭處理對王草綜合質(zhì)量影響的灰色關(guān)聯(lián)度分析Table 3 Effects of biochar on King grass’s quality by gry relational grade analysis

3 討論

與王草前兩次刈割結(jié)果相似[25]，本研究的生物炭處理對后6次刈割王草的產(chǎn)量及營養(yǎng)品質(zhì)也產(chǎn)生了降低效應(yīng)。而目前有許多研究顯示，生物炭具有提高作物生物產(chǎn)量、改善作物生產(chǎn)性能的潛能，如Jeffery等[26]通過對已有關(guān)于生物炭與作物產(chǎn)量的資料，利用元分析方法研究生物炭與作物之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)生物炭對作物整體產(chǎn)生一種幅度較小但統(tǒng)計學(xué)上達(dá)到顯著水平的增產(chǎn)效果。許多短期盆栽試驗的結(jié)果[9,27-28]表明，生物炭可提高作物生產(chǎn)性能，而本研究采用的是田間試驗，得到了相反的結(jié)論，可能與試驗條件有關(guān)。然而，也有一些超過1年時間的田間試驗得出增產(chǎn)的結(jié)果。如Steiner等[29]以11 t·hm-2的生物炭處理一種氧化土，種植水稻與高粱，兩年收獲4次，發(fā)現(xiàn)水稻與高粱的累積產(chǎn)量比對照高75%。Kimetu等[30]以7 t·hm-2的生物炭施入種植玉米的土壤，兩年后，玉米的累積產(chǎn)量是對照的兩倍。

關(guān)于生物炭增加作物產(chǎn)量的機(jī)理，因試驗條件不同產(chǎn)生許多不同觀點(diǎn)。如Kishimoto和Sugiura[15]以5、15 t·hm-2的生物炭施入種植大豆(Glycinemax)和玉米的火山灰土，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)量降低，認(rèn)為是生物炭提高了土壤pH值，導(dǎo)致P及一些微量元素有效性降低所致。而Major等[11]以8、20 t·hm-2的生物炭處理哥倫比亞熱帶草原氧化土，連續(xù)耕作4年，發(fā)現(xiàn)除第1年玉米產(chǎn)量與對照無顯著差異，其余3年都顯著高于對照，并認(rèn)為增產(chǎn)的原因是生物炭的施用使土壤有效性Ca、Mg離子提高77%～320%所致。本研究中，王草灰分含量從開始的高于對照水平，呈現(xiàn)隨著刈割次數(shù)增加，逐漸變?yōu)榻咏鼘φ账?，說明試驗初期生物炭能提高土壤礦質(zhì)元素含量，但是可能由于施用濃度較低，礦質(zhì)元素提高幅度沒有達(dá)到增加王草產(chǎn)量的水平。另外，Chan等[31]以10、50、100 t·hm-2的生物炭施入一種淋溶土，當(dāng)不另施N肥時，即使100 t·hm-2的生物炭使用量，也沒有顯著增加蘿卜產(chǎn)量，然而當(dāng)同時施入N肥時，蘿卜產(chǎn)量隨生物炭施用濃度而顯著增加，因此，他們認(rèn)為生物炭能提高作物對N肥的利用率。本研究中，各生物炭處理的王草粗蛋白含量平均低于對照，表明王草對N素的吸收受到了一定抑制。其可能原因是，本研究只于2009年6月追肥一次，但6、7月正是海南雨季，在強(qiáng)降水的淋洗下，保留在土壤中的肥料所剩無幾。由于生物炭的強(qiáng)吸附作用，進(jìn)一步降低了土壤中有些養(yǎng)分的含量，從而對王草產(chǎn)量、營養(yǎng)品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響。其他學(xué)者也有類似觀點(diǎn)。如Asai等[9]發(fā)現(xiàn)，單施生物炭(16 t·hm-2)不施N肥，能降低水稻葉片的葉綠素含量，認(rèn)為是由土壤有效N素降低所致，并且進(jìn)一步指出，如果在自身N素水平較低的土壤中僅僅施入生物炭，可能導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降。Lehmann等[32]也認(rèn)為高C/N的生物炭，會導(dǎo)致土壤大量N素的固定，從而降低植物對N素的吸收利用。

通過本研究的關(guān)聯(lián)度分析發(fā)現(xiàn)，隨著刈割次數(shù)增加，雖然關(guān)聯(lián)度整體呈下降趨勢，但是各生物炭處理的關(guān)聯(lián)度逐漸由小于對照變?yōu)榇笥趯φ?，表明生物炭對緩解王草衰退有積極作用。如Major等[11]與Steiner等[29]也發(fā)現(xiàn)，生物炭在連續(xù)種植幾年后，雖然整體產(chǎn)量下降，但生物炭處理相對于對照的產(chǎn)量增幅較前期更大。因此，如果基礎(chǔ)肥力較低的天然牧場引入生物炭，對緩解牧草的衰退有著重要意義。

4 結(jié)論

1)生物炭處理對王草各次刈割產(chǎn)量沒有產(chǎn)生顯著影響，但有一定的下降趨勢。

2)生物炭處理下，王草的營養(yǎng)品質(zhì)(CP、EE、NFE、Ash、ADF)整體呈下降趨勢，但只有第3次與第6次刈割的一些指標(biāo)與對照有顯著差異。

3)生物炭處理(炭/土，0.5%)各次刈割的平均關(guān)聯(lián)度顯著低于對照的，說明生物炭處理降低了王草產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)。

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