劉 會，朱占玲，彭 玲，陳 倩，劉相陽，葛順峰*，姜遠(yuǎn)茂*

（1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院/作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018；2 陜西楓丹百麗生物科技有限公司，陜西千陽 721100）

蘋果是我國第一大水果，2014年中國蘋果種植面積和產(chǎn)量分別為227萬公頃和4092萬噸，分別占世界蘋果面積和產(chǎn)量的50%以上，蘋果產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為果區(qū)農(nóng)民增收的重要支柱產(chǎn)業(yè)。為獲得最大經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，化肥過量使用現(xiàn)象普遍發(fā)生，其中純氮施用量已高達(dá)400～600 kg/hm2[1]。但是，我國蘋果園立地條件較差，土壤有機(jī)碳含量較低，保肥能力較差，肥料的過量施用不僅造成了資源浪費(fèi)，而且也導(dǎo)致了樹體生理紊亂和生理性病害加重、水體富營養(yǎng)化、土壤有益微生物數(shù)量減少、土壤結(jié)構(gòu)和根系環(huán)境遭到破壞，嚴(yán)重影響果園土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其功能的發(fā)揮[2–5]。因此，提高蘋果園土壤有機(jī)碳含量，增強(qiáng)土壤保肥能力，進(jìn)而提高氮肥利用效率，對于減少氮肥用量和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

近年來生物質(zhì)炭成為農(nóng)業(yè)、環(huán)境修復(fù)、能源利用等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6–7]。生物質(zhì)炭是指動植物殘?bào)w或其他生物質(zhì)在完全或部分缺氧的情況下，以及相對較低的溫度 (＜ 700℃) 下經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類富炭物質(zhì)，具有比表面積大、孔隙度好、吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)[8]。大量研究表明，生物質(zhì)炭可以改善土壤理化性狀，提高土壤保肥保水性能，改善土壤養(yǎng)分狀況，優(yōu)化根系和土壤微生物生長環(huán)境，增加有益微生物數(shù)量，進(jìn)而增加作物對養(yǎng)分的吸收[9–11]。但是，生物質(zhì)炭的增產(chǎn)、提高養(yǎng)分利用率的作用有一定的

適用范圍，施用生物質(zhì)炭量過高或過低時(shí)，作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率都有降低的可能，如李程等[12]發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭施用量為10 g/kg時(shí)，增加了黑麥草生物量，同時(shí)改善土壤理化性質(zhì)，為植株提供營養(yǎng)元素和良好的生長環(huán)境，并提高了土壤碳庫；薛超群等[13]在烤煙上的研究也表明，適量生物質(zhì)炭 (600 kg/hm2) 促進(jìn)作物生長和增產(chǎn)，而高用量 (900 kg/hm2)會降低作物生物量及產(chǎn)量。可見，生物質(zhì)炭在不同作物上的最佳施用量不同。目前，關(guān)于生物質(zhì)炭的研究大多集中在大田糧食作物上，且主要研究了生物質(zhì)炭對土壤理化性狀和作物產(chǎn)量的影響[12,14–16]，而關(guān)于生物質(zhì)炭在蘋果園的應(yīng)用以及其對肥料氮在蘋果植株–土壤體系中平衡的研究不足。本文以2年生紅富士蘋果/平邑甜茶為試材，研究不同生物質(zhì)炭用量對植株生長發(fā)育、土壤理化性質(zhì)、根際微生物數(shù)量的影響，并結(jié)合同位素示蹤技術(shù)，研究了其對氮素吸收、利用和損失的影響，以期為蘋果生產(chǎn)中合理的生物質(zhì)炭用量提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年3—10月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝實(shí)驗(yàn)站防雨棚進(jìn)行，試材為2年生紅富士 (Malus domesticaBorkh. cv. Red Fuji)/平邑甜茶 (Malushupehensis)，供試生物質(zhì)炭是由陜西楓丹百麗生物科技有限公司提供，生物質(zhì)炭為400℃亞高溫?zé)峤獾哪静?，基本性質(zhì)為有機(jī)炭286.32 g/kg，全氮4.16 g/kg，全磷0.65 g/kg，全鉀10.37 g/kg。供試土壤為壤土，土壤有機(jī)質(zhì)14.11 g/kg，全氮0.82 g/kg，堿解氮150.77 mg/kg，有效磷37.73 mg/kg，速效鉀233.14 mg/kg。

試驗(yàn)采用普通陶盆，每盆裝風(fēng)干土10 kg。試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理，生物質(zhì)炭添加量分別為0、15、30、45、60 g/kg，攪拌均勻后裝盆，依次記錄為CK、T1、T2、T3、T4。一個(gè)月后 (2016年3月26日)，選取長勢基本一致、無病蟲害的富士/平邑甜茶移栽入盆中，待長勢平穩(wěn)后 (2016年5月1號)，每個(gè)處理選取長勢基本一致的4盆進(jìn)行試驗(yàn)，每盆施入15N–尿素 2.0 g，普通尿素5.0 g，硫酸鉀4.6 g，過磷酸鈣9.0 g，各處理生長條件和栽培管理均保持一致，于10月初進(jìn)行破壞性采樣。

1.2 測定項(xiàng)目及方法

1.2.1 植株生長指標(biāo) 植株莖粗測定距地表10 cm處的樹干直徑；選取3～5個(gè)當(dāng)年生新梢，測定所有葉片的總面積，葉面積用臺式掃描儀 (國產(chǎn)NUScan700)掃描，并用圖像分析軟件Delta-T SCAN (Delta-T Devices LTD，Cambridge，U.K.) 計(jì)算葉面積。

1.2.2 根系總表面積和活力 植株根系經(jīng)清水沖洗后，用專業(yè)版WinRH IZO (2007年版) 根系分析系統(tǒng)獲取根系掃描圖像，并用圖像分析軟件Deta-T SCAN(Delta-T Devices LTD，Cambridge，U.K.) 分析根總表面積；根系活力用氯化三苯基四氮唑 (TTC)還原法測定。

1.2.3 根際土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量 采用稀釋平板計(jì)數(shù)法測定根際土壤中微生物數(shù)量，細(xì)菌、放線菌和真菌分別采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、改良高氏I號培養(yǎng)基和馬丁氏培養(yǎng)基進(jìn)行各微生物類群的培養(yǎng)、分離與計(jì)數(shù)。

1.2.4 土壤理化性質(zhì)的測定 土壤容重用不銹鋼環(huán)刀(高5 cm、直徑5 cm) 采集原狀土樣，烘干法測定；土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀分別采用重鉻酸鉀容量法、堿解擴(kuò)散吸收法、鉬藍(lán)比色法和火焰光度法進(jìn)行測定。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)

土壤容重 = [環(huán)刀土壤質(zhì)量 (g) – 環(huán)刀質(zhì)量 (g)]/環(huán)刀體積 (cm3)；

Ndff (%) = (植物樣品中15N豐度 –15N自然豐度)/(肥料中15N 豐度 –15N 自然豐度) × 100；

氮肥分配率 = 各器官從氮肥中吸收的氮量 (g)/總吸收氮量 (g) × 100%；

氮肥利用率 = [Ndff × 器官全氮量 (g)]/施肥量 (g)× 100%。

土層全氮量 (g) = 土壤質(zhì)量 (g) × 全氮 (%)；氮肥殘留率 (%) = Ndff × 土層全氮量/施肥量 (g) × 100；

氮肥損失率 = 100% – 氮肥利用率 – 氮肥殘留率。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行圖表繪制，應(yīng)用DPS 7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析和差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對蘋果植株生長發(fā)育和根系形態(tài)及活力的影響

由表1可見，不同處理植株的株高、莖粗與總干重的高低順序均為：T4 ＞ T3 ＞ T2 ＞ T1 ＞ CK。T4和T3處理株高顯著高于T2和T1；T4、T3和T2處理間莖粗無顯著差異，但均顯著高于T1和CK，T1和CK處理莖粗差異不顯著；T4和T3處理總干重顯著高于其他處理；T4、T3和T2處理間根系活力無顯著差異，但均顯著高于T1和CK處理；T4和T3處理間根系表面積差異不顯著，但均顯著高于其他處理。

表 1 不同處理蘋果植株生長發(fā)育和根系活力Table 1 Growth development and root activity of apple trees

2.2 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響

施用生物質(zhì)炭顯著降低了土壤容重，增加了土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效養(yǎng)分含量 (表2)。T4和T3處理間的土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量差異不顯著，但均顯著高于T2、T1和CK。T4處理土壤容重最低，為1.20 g/cm3，其次是T3處理 (1.22 g/cm3)，兩者間差異不顯著，但均顯著低于T2和T1，T1和CK間差異不顯著。

2.3 不同處理對蘋果植株根際可培養(yǎng)微生物數(shù)量的影響

由表3可見，施用生物質(zhì)炭的各處理根際土壤中細(xì)菌、放線菌、真菌的數(shù)量顯著大于未施生物質(zhì)炭的CK。根際土壤中的微生物均以細(xì)菌居優(yōu)勢(62.33 × 106～251.33 × 106CFU/g)，放線菌次之(39.24 × 105～128.51 × 105CFU/g)，真菌最少 (13.05 ×103～32.32 × 103CFU/g)。根際土壤細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量均以T3和T4處理最高。

2.4 不同處理對氮素吸收、土壤殘留和損失的影響

由表4可見，不同處理顯著影響植株對15N的吸收利用，T4、T3、T2、T1和CK處理的氮素利用率分別為15.63%、15.18%、13.87%、11.44%和9.45%；土壤中的15N殘留率，以T4處理最高，為38.16%，T3次之，為38.05%，T1處理最低，僅為30.02%；4個(gè)施用生物質(zhì)炭處理的氮素?fù)p失率顯著低于不施生物質(zhì)炭的對照，T4、T3、T2、T1和CK處理氮素?fù)p失率分別為46.21%、46.77%、48.78%、58.54%和65.88%?？梢姡┯蒙镔|(zhì)炭可以顯著降低氮素?fù)p失率，以T4處理效果最好。

2.5 適宜生物質(zhì)炭用量的確定

植株生物量和氮素利用效率是評價(jià)植株生長和氮素利用特性的重要指標(biāo)。為確定本試驗(yàn)條件下的適宜生物質(zhì)炭用量，我們將這兩個(gè)指標(biāo)與生物質(zhì)炭用量進(jìn)行了擬合分析。由圖1可見，植株生物量和氮素利用效率與生物質(zhì)炭用量的關(guān)系呈拋物線狀，即隨著生物質(zhì)炭用量的升高，這兩個(gè)指標(biāo)均呈先上升后下降的變化趨勢。通過計(jì)算，植株生物量和氮素利用效率出現(xiàn)最大值時(shí)的生物質(zhì)炭用量分別為64 g/kg和55 g/kg。因此，綜合考慮這兩個(gè)指標(biāo)，本試驗(yàn)條件下富士蘋果生長發(fā)育適宜的生物質(zhì)炭用量為 55～64 g/kg。

表 2 不同處理土壤的理化性狀Table 2 Soil physical and chemical properties under different treatments

表 3 不同處理對根際土壤微生物數(shù)量 (CFU/g) 的影響Table 3 Effects of different treatments on rhizosphere soil microbial quantity

表 4 不同處理氮素的吸收、殘留和損失 (%)Table 4 Effects of different treatments on nitrogen uptake, nitrogen residue and loss

圖 1 植株生物量、氮素利用效率與生物質(zhì)炭用量的關(guān)系Fig. 1 Relation between biochar input and plant biomass and nitrogen utilization efficiency (NUE)

3 結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)，添加生物質(zhì)炭顯著增加了蘋果植株的株高和干重。結(jié)合生物質(zhì)炭對土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量和物理性質(zhì)的影響來看，生物質(zhì)炭對植株生長的促進(jìn)作用主要基于以下兩方面：一方面，生物質(zhì)炭施入土壤后，顯著提高了土壤速效養(yǎng)分含量，這是因?yàn)樘砑由镔|(zhì)炭后根際土壤微生物數(shù)量顯著提高，從而間接地提高了土壤養(yǎng)分的有效性[6]；同時(shí)，生物質(zhì)炭的多孔性和比表面積較大的特性有利于減少土壤中速效養(yǎng)分的隨水淋失；另外，生物質(zhì)炭灰分中水溶性礦質(zhì)元素的存在，也可以直接提高土壤中的速效養(yǎng)分含量[17]。翟勇等[18]在棉花上的研究也表明在一定生物質(zhì)炭用量范圍內(nèi)，施用生物質(zhì)炭顯著提高了土壤速效養(yǎng)分含量，且植株對氮、磷、鉀的吸收量隨著生物質(zhì)炭用量的增加而增加。另一方面，施用生物質(zhì)炭后，土壤容重降低了0.06～0.11 g/cm3，顯著改善了土壤透氣性，為根系的生長發(fā)育創(chuàng)造了適宜的條件，有利于增強(qiáng)根系活力，促進(jìn)根表面積增加，從而促進(jìn)了地上部器官的生長[19]，這與Chen等[20]和Laird等[21]的研究結(jié)果一致。但是，當(dāng)生物炭施入量過多時(shí)，會導(dǎo)致土壤容重過低，過松的土壤使植物根系難以扎穩(wěn)，保水能力差，土壤養(yǎng)分也易隨水流失[22]，這可能也是本實(shí)驗(yàn)條件下隨著生物質(zhì)炭用量越來越高，其對植株生長的促進(jìn)作用越來越小的原因之一。由于本研究所設(shè)生物質(zhì)炭用量梯度的限制，植株生物量在最大生物質(zhì)炭用量處理時(shí)仍表現(xiàn)為最大，但其促進(jìn)作用已不顯著，進(jìn)一步對植株生物量與生物質(zhì)炭施用量進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)植株生物量出現(xiàn)最大值時(shí)的生物質(zhì)炭施用量為64 g/kg，超過此用量后會抑制植株生長。

施用生物質(zhì)炭后，生物質(zhì)炭特殊的多孔性和表面積特性能為微生物提供良好的棲息環(huán)境，為其提供附著載體，減少了微生物間的生存競爭，保護(hù)土壤有益微生物數(shù)量，同時(shí)為微生物提供碳源、能量和礦物質(zhì)營養(yǎng)，使它們更好地生存和繁衍，也為微生物生長提供了有利條件[23–24]。因此，生物質(zhì)炭使土壤中細(xì)菌、真菌等繁殖率與活性也有明顯提高，Kolb等[25]也發(fā)現(xiàn)施入生物質(zhì)炭后，土壤有益微生物數(shù)量顯著提高，與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。

本研究表明，添加生物質(zhì)炭顯著增加氮素利用率，同時(shí)也顯著增加了耕層土壤的氮素殘留量，相應(yīng)地降低了氮素向深層土壤的淋失風(fēng)險(xiǎn)，氮素?fù)p失顯著減少，主要原因在于施用生物質(zhì)炭后，一方面提高了土壤對氮的吸附，降低了土壤液相中銨態(tài)氮含量，進(jìn)而抑制了氨揮發(fā)[26]；另一方面，施用生物質(zhì)炭后促進(jìn)了土壤微生物的活動能力，提高其活性，過量而不能被根系吸收的氮素可被同化到微生物體內(nèi)轉(zhuǎn)化為較穩(wěn)定的有機(jī)含氮物，從而有效降低了氮的氣態(tài)和深層淋溶損失[27–28]。有試驗(yàn)表明，生物質(zhì)炭施用量過高時(shí)，土壤中的微生物大量繁殖，而微生物的大量繁殖需要消耗一部分氮素，就會出現(xiàn)微生物與植株共同競爭土壤中的氮素，影響植株的生長和根系對養(yǎng)分的吸收[29]。因此，適量的生物質(zhì)炭能夠限制土壤微生物的活動能力，降低有機(jī)碳和有機(jī)氮的分解礦化速度，有利于土壤有機(jī)碳的固存，同時(shí)也不至于使土壤微生物對施入氮素的“固持”強(qiáng)度太高，有利于充分發(fā)揮肥料氮的有效性，促進(jìn)植株對肥料氮的吸收利用[30]。

綜合生物質(zhì)炭對蘋果植株生長及氮素利用狀況的影響來看，生物質(zhì)炭施用量顯著影響了植株生長和氮素吸收。對植株生物量和氮素利用效率與生物質(zhì)炭施用量進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)兩者出現(xiàn)最大值時(shí)的生物質(zhì)炭施用量分別為64 g/kg和55 g/kg。因此，綜合考慮這兩個(gè)指標(biāo)，得出本試驗(yàn)條件下適宜的生物質(zhì)炭施用量為55～64 g/kg。在此范圍內(nèi)，植株生物量和氮素利用率均維持在較高的水平，且變化較小，說明該范圍內(nèi)的生物炭用量既能促進(jìn)植株的生長發(fā)育，又可以獲得較高的氮素利用率。另外，本試驗(yàn)所采用的土壤質(zhì)地為壤土，而不同類型的土壤由于其自身通氣性及持水保肥能力的不同也會影響植株對施用生物質(zhì)炭的反應(yīng)，比如沙土的通氣性較好，但保水保肥能力較弱，因此可能就需要添加較多的生物質(zhì)炭為根系創(chuàng)造最優(yōu)的生長空間。同時(shí)，本試驗(yàn)是在盆栽條件下進(jìn)行的，由于空間的局限會影響根系的生長，因此大田條件下蘋果植株對生物質(zhì)炭施用量的反應(yīng)仍需進(jìn)一步研究。

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