鄧洪濤,肖 琳,馮為迅,黎榮彬,白昆立,李其斌,曾曙才**

(1.廣東省嶺南院勘察設(shè)計(jì)有限公司,廣東廣州 510405;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院,廣東廣州 510642)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng),土壤質(zhì)量問(wèn)題日益突出[1]。中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),生物質(zhì)資源豐富,但是由于未得到合理的開(kāi)發(fā)與利用,導(dǎo)致資源浪費(fèi)嚴(yán)重[2]。近年來(lái),將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭(Biochar)并應(yīng)用于改善造林土壤環(huán)境是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源有效利用、促進(jìn)植物生長(zhǎng),以及實(shí)現(xiàn)農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[3,4]。生物炭是木材、草、玉米秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物在完全或部分缺氧條件下經(jīng)過(guò)控制性高溫裂解(400-700 ℃)產(chǎn)生的一類高度芳香化的難熔性固態(tài)高聚產(chǎn)物[5,6]。自然條件下,生物炭通常堿性較強(qiáng),被認(rèn)為是酸性土壤的改良劑和污染修復(fù)劑[7]。生物炭具有豐富的養(yǎng)分元素和多孔結(jié)構(gòu),添加在土壤中可改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤有效養(yǎng)分的含量,為植物提供養(yǎng)分從而促進(jìn)其生長(zhǎng)[8]。生物炭可以單獨(dú)施用,也可以與肥料配合施用,將二者配施既能消除生物炭自身養(yǎng)分含量低的缺陷,又能延緩肥料在土壤中養(yǎng)分的釋放,形成互補(bǔ)與協(xié)同作用[9]。國(guó)內(nèi)外研究表明,利用生物炭與有機(jī)肥或無(wú)機(jī)肥料配合施用對(duì)作物產(chǎn)量和土壤肥力起促進(jìn)作用,也可能無(wú)顯著影響甚至起抑制作用[10]。例如,Oladele等[11]研究認(rèn)為相比于單獨(dú)添加生物炭,生物炭-氮肥混合施加能顯著提高水稻的產(chǎn)量;白雪等[12]研究發(fā)現(xiàn)生物炭與菌肥配施能顯著促進(jìn)元寶楓(Acertruncatum)幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育;吳志莊等[13]研究發(fā)現(xiàn)在黃連木(Pistaciachinensis)人工林施用1 500 kg·hm-2生物炭肥能有效改善黃連木的光合生理特性,進(jìn)而促進(jìn)植株生長(zhǎng);Zwieten等[14]研究發(fā)現(xiàn)在紅壤上單施生物炭對(duì)小麥生物量無(wú)顯著影響,而與化肥配施則能顯著提高小麥的生物量;在鈣質(zhì)土壤中,生物炭單施或與化肥配施均能顯著降低小麥生物量。目前關(guān)于生物炭和肥料配施對(duì)植物生長(zhǎng)影響的研究主要集中在水稻、玉米等農(nóng)作物或退化土壤恢復(fù)等方面,而在林業(yè)領(lǐng)域上對(duì)野外造林地林木生長(zhǎng)發(fā)育的影響研究較少。

楨楠(Phoebezhennan)屬樟科(Lauraceae)楠屬(Phoebe)常綠大喬木,國(guó)家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)樹(shù)種[15],具有分布廣、適宜性好、抗逆性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),喜弱酸性土壤,擁有較高的觀賞和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[16],是我國(guó)傳統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)用材樹(shù)種[17]。楨楠生長(zhǎng)速度緩慢,加之長(zhǎng)期的無(wú)序采伐,導(dǎo)致楨楠木質(zhì)資源極度匱乏,而市場(chǎng)對(duì)優(yōu)質(zhì)木材的需求量在逐漸增大[18]。因此,探究生物炭添加對(duì)楨楠生長(zhǎng)的影響,對(duì)加快楨楠人工用材林培育具有廣闊的應(yīng)用前景。本研究以楨楠幼苗為對(duì)象開(kāi)展野外林地試驗(yàn),探究生物炭及其與復(fù)合肥配施對(duì)楨楠生長(zhǎng)和養(yǎng)分元素吸收的影響,以期為生物炭在造林施肥方面的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在廣東省德慶林場(chǎng),位于肇慶市西南部,地理范圍為東經(jīng)111°41′53″-111°44′50″,北緯23°08′57″-23°10′21″,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),陽(yáng)光充足,雨量充沛,水熱同季,夏長(zhǎng)冬短,年平均氣溫為21.5 ℃,年平均降水量為1 508.70 mm,土壤為偏酸性的赤紅壤,適宜林木生長(zhǎng)[19]。

1.2 材料

在廣東省德慶林場(chǎng)苗圃培育基地選取植株健壯、長(zhǎng)勢(shì)良好的楨楠幼苗用于試驗(yàn),種植前楨楠幼苗平均株高103.11 cm、地徑11.38 mm、冠幅47.61 cm。供試的生物炭為木屑生物炭(Wood Shavings Biochar,WB)和稻殼生物炭(Rice Husk Biochar,RB),由浙江長(zhǎng)三角聚農(nóng)科技開(kāi)發(fā)有限公司提供,是生物質(zhì)在500 ℃下炭化而成。供試的復(fù)合肥為林用復(fù)合肥(Compound Fertilizer,F),由雅苒國(guó)際貿(mào)易(山東)有限公司提供,N含量為15%,P2O5含量為15%,K2O含量為15%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),以楨楠幼苗作為研究對(duì)象,單株小區(qū),共設(shè)置不施肥(CK)、施用復(fù)合肥200 g (F)、稻殼生物炭300 g (RB)、木屑生物炭300 g (WB)、稻殼生物炭300 g+復(fù)合肥200 g (RBF)、木屑生物炭300 g+復(fù)合肥200 g (WBF)等6種施肥處理,每種處理作8次重復(fù),共計(jì)48株,具體試驗(yàn)處理見(jiàn)表1。統(tǒng)一整地后,挖種植穴,種植穴規(guī)格40 cm×40 cm×40 cm,密度3 m×3 m,于2021年3月植苗,2021年7月選取長(zhǎng)勢(shì)一致的苗木進(jìn)行施肥試驗(yàn),在距苗木20 cm處均勻挖3個(gè)20 cm深穴施肥,施肥后蓋土,結(jié)束后測(cè)定株高、地徑和冠幅。

表1 生物炭和復(fù)合肥施用量

1.4 指標(biāo)測(cè)定

2022年7月,在試驗(yàn)地用直尺測(cè)定楨楠苗木的株高,用游標(biāo)卡尺測(cè)量地徑,用卷尺測(cè)量冠幅,使用YMJ-BC葉面積測(cè)量?jī)x(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司)測(cè)量葉面積,使用SPAD-502 Plus葉綠素儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司)測(cè)定葉綠素相對(duì)含量(SPAD值)。

將試驗(yàn)苗木整株挖出,用自來(lái)水洗凈植株,將植株分為根、莖和葉,放入烘箱,在105 ℃下殺青30 min,65 ℃下烘至恒重,用電子天平稱得干重。植株樣品經(jīng)濃硫酸-30%過(guò)氧化氫消解,獲得待測(cè)液,氮含量采用奈氏比色法測(cè)定,磷含量采用釩鉬黃比色法測(cè)定,鉀含量采用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定[20]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Office Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算,通過(guò)SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,采用方差分析和Duncan′s多重比較進(jìn)行差異顯著性分析。分析結(jié)果用OriginPro 2022軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭及其與復(fù)合肥混施對(duì)楨楠生長(zhǎng)的影響

2.1.1 生物炭及其與復(fù)合肥混施對(duì)楨楠株高、地徑的影響

由表2可知,除單施稻殼生物炭處理外,其他處理楨楠的株高增長(zhǎng)量與不施肥處理相比均存在顯著差異(P<0.05),其中稻殼生物炭與復(fù)合肥配施處理的株高增長(zhǎng)量最大,與不施肥處理相比顯著增加107.23%;與單施復(fù)合肥處理相比,單施稻殼生物炭、稻殼生物炭與復(fù)合肥配施的株高增長(zhǎng)量存在顯著差異(P<0.05),其中單施稻殼生物炭顯著降低楨楠株高增長(zhǎng)量,稻殼生物炭與復(fù)合肥配施則顯著增加其株高增長(zhǎng)量。與不施肥處理相比,單施復(fù)合肥、稻殼生物炭與復(fù)合肥配施、木屑生物炭與復(fù)合肥配施處理均顯著增加楨楠地徑增長(zhǎng)量;與單施復(fù)合肥處理相比,各施肥處理(RB、WB、RBF、WBF)均對(duì)楨楠地徑增長(zhǎng)無(wú)顯著影響。

表2 不同處理對(duì)楨楠株高和地徑增長(zhǎng)量的影響

2.1.2 生物炭及其與復(fù)合肥混施對(duì)楨楠生物量的影響

如圖1所示,除單施稻殼生物炭處理外,其他處理與不施肥處理相比均對(duì)楨楠根生物量有顯著差異(P<0.05),顯著增加63.66%-128.77%;與單施復(fù)合肥處理相比,所有施肥處理(RB、WB、RBF、WBF)的根生物量均無(wú)顯著差異,其中WBF處理的根生物量最大,為157.21 g·株-1。與不施肥處理相比,單施復(fù)合肥、稻殼生物炭與復(fù)合肥配施、木屑生物炭與復(fù)合肥配施的楨楠莖生物量有顯著差異(P<0.05),顯著增加95.39%-157.53%;與單施復(fù)合肥處理相比,只有木屑生物炭與復(fù)合肥配施處理下楨楠莖生物量存在顯著差異(P<0.05)。與不施肥處理相比,兩種生物炭肥處理(RBF、WBF)能顯著增加楨楠葉生物量,而單施木屑生物炭能顯著減少楨楠葉生物量,比不施肥處理減少31.87%;兩種生物炭處理(RB、WB)下的楨楠葉生物量顯著小于單施復(fù)合肥(P<0.05)。與不施肥處理相比,所有處理均增加了楨楠全株生物量,增幅為19.45%-104.13%,其中單施復(fù)合肥、稻殼生物炭與復(fù)合肥配施、木屑生物炭與復(fù)合肥配施有顯著差異,WBF處理的全株生物量最大,為829.95 g·株-1;單施木屑生物炭和單施稻殼生物炭處理下的楨楠全株生物量顯著小于單施復(fù)合肥(P<0.05)。綜上可知,施用生物炭和生物炭肥均能增加楨楠根、莖和全株生物量,其中木屑生物炭與復(fù)合肥配施對(duì)其全株生物量促進(jìn)效果最好。

Different lowercase letters indicated significant differences between different treatments in the same organ (P<0.05).

2.2 生物炭及其與復(fù)合肥混施對(duì)楨楠葉面積和SPAD值的影響

由表3可知,與不施肥處理相比,所有處理的葉面積存在顯著差異(P<0.05),增幅為26.68%-61.76%;與單施復(fù)合肥處理相比,兩種生物炭肥處理(RBF、WBF)均可使楨楠葉面積顯著增加(P<0.05),其中WBF處理的葉面積最大,為2 510.19 mm2。各施肥處理與不施肥處理相比SPAD值均增加,但只有WBF處理存在顯著差異(P<0.05);與單施復(fù)合肥處理相比,所有處理的SPAD值均無(wú)顯著差異。綜上可知,施用生物炭和生物炭肥均能增加楨楠葉面積和SPAD值,木屑生物炭與復(fù)合肥配施處理下的楨楠葉面積和SPAD值達(dá)到最大。

表3 不同處理對(duì)楨楠葉面積和SPAD值的影響

2.3 生物炭及其與復(fù)合肥混施對(duì)楨楠養(yǎng)分吸收的影響

2.3.1 生物炭及其與復(fù)合肥混施對(duì)楨楠N含量的影響

由表4可知,與不施肥處理相比,單施復(fù)合肥、稻殼生物炭與復(fù)合肥配施、木屑生物炭與復(fù)合肥配施處理下楨楠根的N含量差異顯著,增幅為29.78%-43.09%;與單施復(fù)合肥處理相比,單施稻殼生物炭和單施木屑生物炭處理下楨楠根的N含量差異顯著,分別顯著減少13.28%和19.82%。與不施肥處理相比,所有處理楨楠莖的N含量無(wú)顯著差異;與單施復(fù)合肥處理相比,木屑生物炭與復(fù)合肥配施處理顯著減少楨楠莖的N含量。與不施肥處理相比,所有處理楨楠葉的N含量顯著增加,增幅為9.81%-23.09%;與單施復(fù)合肥處理相比,單施稻殼生物炭、稻殼生物炭與復(fù)合肥配施處理顯著減少楨楠葉的N含量。綜上可知,單施生物炭較不施肥處理能顯著促進(jìn)楨楠葉對(duì)N的吸收,生物炭與復(fù)合肥配施處理下楨楠莖、葉對(duì)N的吸收效果不如單施復(fù)合肥。

2.3.2 生物炭及其與復(fù)合肥混施對(duì)楨楠P含量的影響

由表5可知,與不施肥處理相比,單施復(fù)合肥、木屑生物炭與復(fù)合肥配施處理下楨楠根的P含量顯著增加;與單施復(fù)合肥處理相比,除木屑生物炭與復(fù)合肥配施處理外,其余施肥處理的楨楠根的P含量無(wú)顯著差異。單施木屑生物炭、稻殼生物炭與復(fù)合肥配施、木屑生物炭與復(fù)合肥配施的楨楠莖的P含量與不施肥處理相比顯著減少;與單施復(fù)合肥處理相比,單施稻殼生物炭楨楠莖的P含量顯著增加了33.82%。與不施肥處理相比,單施復(fù)合肥、單施木屑生物炭、稻殼生物炭與復(fù)合肥配施、木屑生物炭與復(fù)合肥配施處理下楨楠葉的P含量均顯著增加;單施稻殼生物炭處理下楨楠葉的P含量顯著小于單施復(fù)合肥。

表4 不同處理對(duì)楨楠各部位N含量的影響

表5 不同處理對(duì)楨楠各部位P含量的影響

2.3.3 生物炭及其與復(fù)合肥混施對(duì)楨楠K含量的影響

由表6可知,與不施肥處理相比,單施復(fù)合肥、單施木屑生物炭、稻殼生物炭與復(fù)合肥配施、木屑生物炭與復(fù)合肥配施處理下楨楠根的K含量顯著增加,其中單施木屑生物炭處理下楨楠根的K含量是不施肥處理的1.31倍,單施稻殼生物炭處理下楨楠根的K含量無(wú)顯著差異;與單施復(fù)合肥處理相比,木屑生物炭與復(fù)合肥配施處理楨楠根的K含量顯著增加,單施木屑生物炭、稻殼生物炭與復(fù)合肥配施處理無(wú)顯著差異,單施稻殼生物炭處理下楨楠根的K含量顯著減少。與不施肥處理相比,所有處理的楨楠莖、葉的K含量均無(wú)顯著差異。綜上可知,施用生物炭和生物炭肥對(duì)楨楠根的K含量影響較大。

表6 不同處理對(duì)楨楠各部位K含量的影響

3 討論

生長(zhǎng)指標(biāo)可直觀反映施用生物炭和復(fù)合肥對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)效果[21]。本研究結(jié)果進(jìn)一步表明不同的生物炭種類對(duì)楨楠生長(zhǎng)的影響也不同。單施木屑生物炭能顯著增加楨楠的株高和根生物量,說(shuō)明木屑生物炭促進(jìn)楨楠的生長(zhǎng)發(fā)育,可能是由于生物炭自身具有多孔結(jié)構(gòu),添加到土壤中可改善根系周圍土壤的理化性質(zhì)[22],為根系提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境,促進(jìn)根系生長(zhǎng),增強(qiáng)根際效應(yīng),有利于植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的吸收利用[23]。而單施稻殼生物炭則對(duì)楨楠生長(zhǎng)無(wú)顯著影響,可能是生物炭原材料組成和結(jié)構(gòu)差異所致[24,25]。Saha等[26]研究發(fā)現(xiàn)生物炭-無(wú)機(jī)肥混施較單獨(dú)施用無(wú)機(jī)肥顯著增加了穿心蓮根生物量、莖生物量和葉生物量;Mete等[27]研究發(fā)現(xiàn)生物炭-無(wú)機(jī)肥混施較單施無(wú)機(jī)肥顯著增加大豆植株生物量和種子產(chǎn)量,這與本研究中生物炭與復(fù)合肥配施較單施復(fù)合肥相比更能促進(jìn)楨楠生長(zhǎng)發(fā)育的研究結(jié)果一致,可能與生物炭和復(fù)合肥混合施用產(chǎn)生的協(xié)同作用有關(guān)[28,29]。生物炭和肥料配施能改善生物炭直接養(yǎng)分有限的情況,延緩肥料養(yǎng)分的釋放期,促進(jìn)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收,有利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育[9]。

本研究結(jié)果表明,單施生物炭相較于不施肥處理、生物炭與復(fù)合肥混施相較于單施復(fù)合肥均顯著增加了楨楠葉面積,這與很多研究結(jié)果相似。如吳志莊等[13]研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭肥能提高黃棕壤土中黃連木的水分利用效率,改善其光合生理特性;周翠香[30]研究發(fā)現(xiàn)添加2%-8%的生物炭能夠顯著提高盆栽狗牙根(Cynodondactylon)的凈光合速率,改善其葉片光合特性,有利于光合產(chǎn)物的形成。這可能是因?yàn)樘砑舆m量的生物炭能改良土壤性狀,提高土壤保水、保濕性,增加土壤內(nèi)部的表面活性區(qū)域,減少水分向根際下方流失,增加植物對(duì)水的使用效率,進(jìn)而改善光合作用的速率[30,31];也可能是因?yàn)樯锾颗c肥料配施能調(diào)節(jié)植物根系生長(zhǎng)和形態(tài),增加葉綠素含量和葉面積,延長(zhǎng)葉片的功能期,提高植物生產(chǎn)力[12]。此外,由于楨楠喜陰的特性,其可能通過(guò)增大葉面積,來(lái)維持自身的代謝平衡[16]。

生物炭對(duì)植物養(yǎng)分吸收的影響效應(yīng)表現(xiàn)不一,總體上均能促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收[32]。本研究結(jié)果表明,與不施肥處理相比,單施稻殼生物炭和單施木屑生物炭均能提高楨楠葉的N、P含量,可能是因?yàn)樯锾磕軌蚋纳仆寥鲤B(yǎng)分、pH值、孔隙度等土壤理化性質(zhì),進(jìn)而提高土壤的有效養(yǎng)分,并增強(qiáng)其養(yǎng)分的供應(yīng)能力[33]。張偉明[34]研究發(fā)現(xiàn)生物炭處理對(duì)大豆全生育期葉片氮含量的促進(jìn)效果較為顯著,與本研究結(jié)果一致,說(shuō)明生物炭對(duì)植株養(yǎng)分的吸收、積累具有重要的促進(jìn)作用。此外,與不施肥處理相比,單施木屑生物炭或與復(fù)合肥混施均顯著促進(jìn)楨楠根對(duì)K的吸收,這與Uzoma等[35]研究中生物炭顯著增加玉米中鉀含量的研究結(jié)果一致。然而單施復(fù)合肥較施用生物炭肥對(duì)楨楠葉和莖N的吸收效果更好,可能是由于生物炭具有很高的C/N比,部分生物炭分解導(dǎo)致氮元素固定,降低了土壤中的有效氮,從而限制了植株對(duì)有效氮的吸收[36]。本研究還發(fā)現(xiàn)單施木屑生物炭與不施肥處理相比顯著降低了楨楠莖的P含量,這與高林等[37]和Yan等[38]的研究結(jié)果類似,可能是施用生物炭降低了磷和某些微量元素的有效性,從而不利于植物對(duì)磷元素的吸收。目前的研究普遍認(rèn)為施用生物炭可以提高養(yǎng)分的吸收利用效率,但生物炭對(duì)植物生長(zhǎng)和吸收累積營(yíng)養(yǎng)元素的影響受到土壤類型、植物種類和生物炭特征等因素制約[39],因此在不同的環(huán)境條件下,生物炭在促進(jìn)植物生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收等方面的研究結(jié)果也存在差異。

4 結(jié)論

施用生物炭和復(fù)合肥總體上均能促進(jìn)楨楠的生長(zhǎng)發(fā)育,能有效增加楨楠的株高、地徑、全株生物量、葉面積等生長(zhǎng)指標(biāo),促進(jìn)植物對(duì)N、P、K的吸收。其中施用木屑生物炭較稻殼生物炭對(duì)楨楠的株高、生物量及養(yǎng)分吸收的促進(jìn)效果更明顯,因此木屑生物炭在楨楠造林基質(zhì)方面更具潛力。此外,生物炭與復(fù)合肥配施較二者單施對(duì)楨楠生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收的促進(jìn)效果更佳,但關(guān)于生物炭對(duì)N、P、K的吸附固定特性以及其施用比例仍需進(jìn)一步研究。總體而言,本研究進(jìn)一步拓展了生物炭和生物炭肥的應(yīng)用范圍,可為將來(lái)在林業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供參考。