賈明方，王輝，高玉錄，翟衡*

（山東農業(yè)大學園藝科學與工程學院，山東泰安 271018）

生物炭是由植物生物質在完全或部分缺氧條件下經熱裂解、炭化產生的一類高度芳香化、難溶性的固態(tài)物質[1]。生物炭作為一種土壤改良劑近年來成為農林、環(huán)境及能源諸多研究領域關注的焦點[2-4]。研究表明， 生物炭在土壤中能夠保持長期穩(wěn)定，可以改善土壤理化性質及提高土壤微生物的活性，增加土壤有機質含量[5-6]，促進作物生長和增產[7]。此外，由于生物炭可延緩肥料釋放[8]，降低肥料損失，將其與有機肥混施增產效果更佳。

根系是作物吸收水分、養(yǎng)分和其他溶質溶液的重要器官，其分布特征和發(fā)育情況與地上部生長和產量密切相關[8-12]。生物炭施入土壤后，會對土壤容重、總孔隙度、水分、溫度和陽離子交換量產生明顯的促進作用，進而影響到植株的生長。施加生物炭對植株的影響研究大多集中在蔬菜和小麥、水稻等一年生作物上，而在多年生果樹上少見報道。葡萄作為多年生果樹需要長期穩(wěn)定的優(yōu)良土壤性狀，但近年來生產上大量施用化肥，造成土壤板結、酸化，碳氮比失衡等問題，土壤性狀的惡化已成為制約葡萄產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[13]，因此提高土壤有機碳含量，改善土壤理化性狀是果園生產面臨的一項艱巨任務。本文利用盆栽試驗研究了不同生物炭施用量對‘赤霞珠’葡萄的根系構型參數、生長性狀及土壤根域環(huán)境的影響，旨在為應用生物炭改良土壤、合理施肥、促進葡萄根系發(fā)生提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試材及處理設置

本試驗于2013—2014年在山東農業(yè)大學葡萄示范基地進行。供試材料為‘赤霞珠’葡萄一年生扦插苗。所選用生物炭是以本葡萄園修剪下來的葡萄枝條為原料，風干后粉碎，利用炭化爐在隔絕氧氣的450 ℃下炭化裂解制成的黑色顆粒；商品性生物有機肥的有機質含量高于50%，N、P2O5和K2O含量高于6%。盆栽土壤為壤土，土壤基本指標為含水量6.43%、容重1.41 g/cm3、總孔隙度41.97%、pH為6.86，將土壤、生物炭和有機肥按比例混合均勻，裝入直徑24 cm，高22 cm的花盆。

通過2013年預試驗確定合適的碳氮比例，設5個處理，按照每千克干土中施入生物炭量（g），處理1：對照（CK），即生物炭為0＋有機肥；處理2：施加10 g生物炭＋有機肥，標記為C10；處理3：施加15 g生物炭＋有機肥（標記為C15）；處理4：施加20 g生物炭＋有機肥（標記為C20）；處理5：施加25 g生物炭＋有機肥（標記為C25）。各處理中有機肥的量相同，約1 kg，每盆一株，每處理6個重復。

1.2 分析計算方法

處理180 d后，取植株與土壤樣品，測定各處理的土壤理化指標、植株的生長量以及根系數據。

速效氮測定采用堿解擴散法；pH（水土比2.5∶1）采用電位計法；土壤含水量的測定采用鋁盒烘干法；土壤容重測定采用環(huán)刀法；土壤孔隙度/%=（1-容重/比重）×100。土壤脲酶活性用靛酚藍比色法測定；過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定；蔗糖酶活性用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；熒光素二乙酸酯酶（FDA）活性采用比色法測定。

土壤細菌、真菌、放線菌分別用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基、馬丁氏培養(yǎng)基和改良高氏1號培養(yǎng)基。用卷尺測定新梢生長量，千分之一天平測量地上部和地下部鮮重，75 ℃烘干至恒重，再分別測定干重，根冠比。用NUScan 700平板掃描儀掃描根系圖像，并用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)軟件測定根系總長度、根系表面積、根系體積和根尖數。

采用Excel 2007和DPS 7.05軟件對數據進行處理分析，P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 生物炭對土壤理化性狀的影響

2.1.1 生物炭對土壤物理性狀的影響

生物炭的多孔隙結構能夠提高土壤的保水能力。施入生物炭均提高了土壤的含水量（圖1-A），并且隨著施炭量的增加而逐漸加強，變化趨勢為C25＞C20＞C15＞C10＞CK，其中C25的含水量比CK高1.28倍；當土壤失水至干旱（含水量小于8%）時，CK的含水量為7.72%，而C25處理的為17.64%，為適合植株生長的墑情。

生物炭處理的土壤容重均小于CK（圖1-B），并且隨著施炭量增加而降低，變化趨勢為CK＞C10＞C15＞C20＞C25，其中C25處理的土壤容重1.27 g/cm3，比CK降低了8.6%，是較為緊實的土壤。如圖1-C所示，生物炭處理總孔隙度均顯著高于CK，隨著施炭量的增加而逐漸增大，其中以C25最高為60.52%，比CK提高了56.4%。

2.1.2 生物炭對土壤pH的影響

生物炭處理具有緩解土壤酸化的作用，隨著施炭量的增加，土壤pH也隨之提高，生物炭處理的土壤pH表現為C25＞C20＞C15＞C10＞CK。CK與C10，C15與C20處理間并無明顯差異，可能是因為本試驗原始土壤pH較高，生物炭灰分中的可溶性鹽基離子溶于水后不能顯著提高土壤鹽基離子飽和度（圖2）。

圖1 生物炭對土壤物理性狀的影響Figure 1 Effects of biochar on soil physical property

圖2 生物炭對土壤pH的影響Figure 2 Effects of biochar on soil pH

2.1.3 生物炭對土壤堿解氮的影響

生物炭處理的土壤堿解氮含量均高于CK，表現為C15＞C10＞C25＞C20＞CK（圖3）。生物炭C10、C15、C20、C25處理分別比CK提高了5.2%、13.3%、3.1%、5.0%。土壤堿解氮的提高，可為作物生長提供更多的可利用氮源，有利于促進作物生長發(fā)育。

圖3 生物炭對土壤堿解氮的影響Figure 3 Effects of biochar on available N content

2.2 生物炭對土壤酶活性的影響

由表1可以看出生物炭處理對土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性影響顯著。生物炭處理的脲酶活性分別為CK的101%、111%、120%、126%；過氧化氫酶活性分別為CK的100.9%、101.3%、101.9%、101.4%；蔗糖酶活性分別為CK的115%、126%、134%、149%。FDA作為一種能夠較好地反映土壤微生物活性和土壤質量的酶，施加生物炭后能夠明顯提高FDA的活性，生物炭處理的FDA活性分別為CK的104%、109%、103%、107%。

2.3 生物炭對土壤微生物多樣性的影響

由表2可以看出，生物炭處理都顯著提高了土壤中細菌、真菌和放線菌的數量。在細菌和放線菌數量上以C20提高的最明顯，分別為CK的189%和187%；而在真菌數量上，以C25提高的最明顯，是對照的134%。

2.4 生物炭對‘赤霞珠’葡萄植株生長的影響

2.4.1 生物炭對‘赤霞珠’葡萄植株生長量的影響

生物炭對‘赤霞珠’生長起到了促進作用（表3），株高變化趨勢為C25＞C20＞C15＞C10＞CK，以C25處理最為顯著，是對照的126%。同時施用生物炭也促進了干物質積累，且地上部和地下部的干物質積累變化趨勢與株高變化均勢一致。除C15處理外，生物炭處理均提高了植株的根冠比，其中以C25處理最為顯著，為對照處理的124%。

表1 生物炭處理對土壤酶活性的影響Table 1 Effects of biochar on soil enzyme activities

表2 生物炭處理對土壤微生物數量的影響Table 2 Effects of biochar on the amounts of soil microorganism

處理Treatment株高Plant height/cm地下部干物質Underground dry matter weight/g地上部干物質Overground dry matter weight/g根冠比Root/shoot CK 59.333c 12.680c 10.997b 1.170ab C10 60.033bc 13.450c 11.090b 1.213ab C15 67.533ab 13.913c 13.433b 1.045b C20 71.400a 21.521b 17.187a 1.253ab C25 74.933a 27.823a 19.157a 1.453a

表4 生物炭對‘赤霞珠’葡萄根系特征的影響Table 4 Effects of biochar on root character of 'Cabernet Sauvignon' grapevine

2.4.2 生物炭對‘赤霞珠’葡萄植株根系構型的影響

對植株進行根系掃描發(fā)現，施加生物炭處理均促進了根系的生長（表4），其中以C25的最顯著，根長、根直徑、根表面積、根系體積、根尖數均顯著提高，分別為CK的164%、104%、153%、128%、154%。

3 討論與結論

生物炭作為一種含碳量豐富的多孔性物質，其容重小，比表面積大，吸附能力強，穩(wěn)定性強，在自然條件下通常呈堿性。土壤中添加生物炭后對土壤水肥氣熱等環(huán)境條件產生重要影響。生物炭的多孔結構能夠提高土壤的持水能力，提高土壤持水量，提高土壤中可供作物利用的有效含水量，對植株生長產生積極影響[14]。本試驗研究結果也證明了施加生物炭提高了土壤的持水能力，并且隨著施炭量的增加，持水能力越強。

生物炭的容重遠低于礦質土壤，因此，將生物炭添加到土壤中可以降低土壤的容重[15-17]。Eastman[14]在粉砂壤土上施用25 g/kg的生物炭，土壤容重從1.52 g/cm3降低到1.33 g/cm3。本試驗研究結果表明，在土壤本底容重是1.39 g/kg的背景下，施入25 g/kg生物炭后，土壤容重降為1.27 g/kg，是葡萄生長發(fā)育適合的容重。生物炭的加入顯著降低了土壤容重，提高了土壤的總孔隙度，并且隨著生物炭量的增加，效果越明顯。

生物炭的結構和性質在影響土壤物理性質的同時也會影響土壤的化學性質。土壤中加入生物炭后，土壤pH將會發(fā)生變化[18]。試驗結果顯示，土壤施入生物炭后，pH明顯提高，說明可以緩解土壤酸化的問題。Lehmann等[2]的研究表明，生物炭的結構和性質能夠提高對一些表面富含多種官能團有機物質的吸持能力，提高土壤有效養(yǎng)分含量，減少養(yǎng)分流失，對土壤肥力的提高起到重要促進作用。本試驗結果顯示施入生物炭后，堿解氮含量明顯提高。

Lehmann等[2]研究發(fā)現，生物炭會促進與N、P等礦質元素利用相關的土壤酶活性，但會降低參與土壤碳礦化等生態(tài)學過程的土壤酶活性。張偉等[19]研究發(fā)現，長期的秸稈還田，增強了土壤中過氧化氫酶和蔗糖酶的活性，但降低了脲酶的活性。本試驗結果顯示生物炭顯著提高了土壤中脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和FDA酶的活性。生物炭的多孔性和表面特性為土壤微生物生長與繁殖提供了良好的棲息環(huán)境[20]，本試驗結果顯示生物炭施入土壤后，微生物的數量明顯提高。

研究發(fā)現，施加較高比例的生物炭促進了根系的發(fā)育，促進了地上部的生長和干物質的積累，目前有關生物炭對葡萄根系的影響研究還不多，值得深入研究。