生物炭对土壤理化及树苗生长的影响范文
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摘要：为了探究生物炭对石漠化土壤理化性质和构树幼苗生长的影响，选择贵州喀斯特石漠化退耕还林区石灰性土壤为研究对象，通过盆栽试验，分析4种不同处理（施复合肥处理为NPK，炭肥混施处理施肥量相同，按施炭量为土壤干质量的1％、2％、4％分别记为RH1、RH2、RH4）下土壤理化性质和构树生长状况的变化。结果表明：3种施炭量处理都显著降低了土壤容重，增加了土壤毛管孔隙率和总孔隙率，增加了土壤自然状态下的质量含水量、饱和含水量和毛管持水量，且随施炭量的增加变化越显著；单施肥处理和3种施炭处理均显著增加了土壤中有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量，且各养分含量随着稻壳炭施用量的增加而增加；施肥处理和3种施碳处理对植物株高胸径、地上部分生物量和总生物量的增长有显著的影响，与CK处理相比，仅RH4处理对植物根系生物量的增加有显著影响。可以说明施用生物炭可以改善土壤理化性质，促进构树苗期生长和干物质积累及根系发育，对贵州喀斯特石漠化土壤改良和植被恢复有重要意义。
关键词：石漠化土壤；生物炭；土壤理化性质；幼苗生长；根系形态
喀斯特石漠化是指在温润气候下，由于人类不合理的资源利用和喀斯特石灰岩生态系统自身的脆弱，导致植被破坏、水土流失的现象［1］。贵州省位于我国西南喀斯特石漠化区的中心，也是我国石漠化面积最大、石漠化程度最高、受石漠化危害最严重的省份，石漠化区域面积高达3．7万km2，占全省总面积的21％［2－3］。土壤石漠化导致可耕面积减少，土壤肥力下降，土壤保水性能下降，会进一步加剧人地矛盾、水土流失和生物多样性下降，石漠化已经成为制约贵州省乃至我国整个西南喀斯特地区发展的重大生态问题。改良石漠化土壤的理化性质，是提高土壤质量和促进石漠化山地植被恢复的重要途径［4－6］。生物炭是由生物质在低氧或厌氧的条件下低温热裂解得到的一种化学性质稳定、含碳量高、比表面积大、微孔隙结构丰富的碱性材料。近年来，研究者们就生物炭在土壤改良方面的作用进行了大量的盆栽及野外试验［7－15］，研究结果表明，向土壤中施入生物炭可明显改善土壤的物理结构，增加土壤的持水和吸附利用养分能力，进而促进植物生长。研究者利用生物炭的碱性来改良酸化土壤或中性土壤，但关于对碱性土壤的改良效果却鲜有报道。本研究通过盆栽试验，分析了施用不同量生物炭对于贵州喀斯特山地石漠化土壤理化性质和抗逆性强的构树生长的影响，以期能起到改良碱性土壤特性、促进植物生长的作用，为生物炭在山地石漠化土壤改良和植被修复的利用提供理论依据。
1材料与方法
1．1研究区概况
研究区位于贵州省安顺市普定县城关镇沙湾（105°45′4″E、26°22′18″N）退耕还林区。该区属中亚热带季风气候，气候温和，年平均气温为15．1℃，最冷月为1月，平均气温为5．2℃。雨量充沛，年均降水量1396．9mm。土壤类型为石灰性土。本研究供试土壤采集于沙湾退耕还林区，采样深度为0～20cm，采集的土壤除大石块和落叶等残留物过2mm筛备用。土壤容重为1．15g／cm，土壤pH值7．42，土壤有机质含量为14．44g／kg，碱解氮（AN）含量为65．81mg／kg，有效磷含量（AP）为5．40mg／kg，全磷含量为802．96mg／kg，全钾含量为2．68g／kg。
1．2供试树种
构树（Broussonetiapapyrifera）是桑科构属植物。构树生态适应能力强，耐干旱贫瘠，萌孽能力强，是喀斯特石漠化山区植被修复的主要造林树种之一。本试验所用构树为半年生构树幼苗，购于贵州省安顺市普定县林场。
1．3供试生物炭
供试生物炭为稻壳炭（记为RH），由稻壳在400～500℃下厌氧高温裂解获得，生物炭经粉碎过2mm筛备用。稻壳炭的pH值为9．41，总碳含量为46．3％，总氮含量为600mg／kg，速效磷含量为21310mg／kg，速效钾含量为2540mg／kg，稻壳炭比表面积为91．45mg／kg。
1．4施肥量确定
试验开始前对试验地土壤进行取样，测得试验地土壤的N、P、K养分含量，再根据研究者对黔中喀斯特无石漠化的林地土壤养分状况研究结果［16－17］，将石灰土还原成养分状况良好的林地土壤，并换算成（NH2）2CO和KH2PO4的用量。除空白处理外，各处理的施肥量相同，试验在植物的生长期内不再追肥。（NH2）2CO用量：测定试验土壤原始养分状况NO，NO＝AN＝65．81mg／kg，取研究结果中贵州省中部喀斯特山地无石漠化林地土壤平均氮素养分值NF，NF＝250mg／kg，土质量为8kg，（NH2）2CO总用量NT＝（NF－NO）／［NAR×2／（NH2）2COAR］×8＝3157．54mg。每个盆栽中（NH2）2CO用量为3．16g。其中，NAR为N的相对原子质量，为14；（NH2）2COAR为（NH2）2CO相对分子质量，为60。KH2PO4用量：测定试验土壤原始养分状况PO，PO＝AP＝5．40mg／kg，取研究结果中贵州省中部喀斯特山地无石漠化林地土壤平均氮素养分值PF，PF＝12．80mg／kg，土质量为8kg，KH2PO4总用量PT＝（PF－PO）／（PAR／KH2PO4AR）×8＝259．72mg。每个盆栽中KH2PO4用量为0．26g。其中，PAR为P的相对原子质量，为31；KH2PO4AR为KH2PO4相对分子质量，为136。
1．5试验设计与样品采集
于2017年3—11月在南京林业大学下蜀林场进行试验。采用盆栽试验，试验共设置5个处理：不施加稻壳炭和复合肥的为对照组，记为CK；不施加稻壳炭但添加了复合肥的记为NPK；施炭量为土壤干质量1％，记为RH1；施炭量为土壤干质量2％，记为RH2；施炭量为土壤干质量4％，记为RH4，施炭处理均添加复合肥。每个处理设置18个重复，共90盆。在2017年3月，采用30cm×15cm×30cm（上径×下径×高）的花盆进行栽植试验，选择株高、地径、长势基本一致的构树幼苗进行移栽。栽植苗木的塑料盆每盆土样干质量8kg，与稻壳炭、肥料混合均匀后装入盆中，盆底铺5cm厚的碎石块，以利于苗木根部通气，试验在构树幼苗生长期间不再追肥，按正常抚育管理、正常浇水。
1．6测定项目
1．6．1土壤物理性质测定土壤含水量的测定采用烘干法，烘干至恒质量，即可计算出土壤含水量。土壤水分物理性质（容重、田间持水量、毛管持水量、毛管孔隙度及非毛管孔隙度等）测定采用环刀法及水浸法，可计算出土壤容重及在不同持水性能下的持水量及土壤孔隙度。以上分析方法参照我国林业行业标准［18］。
1．6．2土壤化学性质测定带回实验室的土壤放置在风干架上，自然风干，风干后磨碎过筛，用于测定碱解氮、有效磷等指标。土壤化学指标测定方法均参照我国林业行业标准［19－24］：土壤碱解氮含量采用碱解－扩散法测定；土壤全磷含量采用酸溶－钼锑抗比色法测定；土壤有效磷含量采用盐酸－硫酸浸提法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化－外加热法测定；土壤pH值采用电位法测定。
1．6．3植物生长指标测定植物株高和地径采用直接测量法，分别使用2m卷尺和游标卡尺进行测量，并记录数据。在植物休眠期将地上部分剪断，再挖出根系，按地上部分、地下部分分装在密封袋中。带回实验室后，将植株各部分洗净，并收集所有断根。通过数字化扫描仪（EPSONV750）将根系图像存入计算机，用Win－RHIZO根系分析系统（RegentInstrumentInc．Canada）对根系总根长、总表面积、根体积等进行分析，进一步计算可得构树根长密度和比根长。在根系扫描完后，将植物地上部分和根部分装入牛皮纸袋中，105℃下杀青30min，60℃下烘干至恒质量，并称质量，进一步可计算出构树幼苗地下部分与地上部分干质量比值，即根冠比。1．7数据处理数据用Excel2016整理后，用SPSS18．0进行方差分析，并采用Duncans多重检验法对各个处理的指标进行差异显著性检验。
2结果与分析
2．1土壤理化性质分析
2．1．1土壤容重和各级孔隙度分析由表1可以看出，生物炭的施用对喀斯特石漠化山地土壤容重和各级孔隙度均会产生一定的影响。生物炭施用的比例越高，土壤容重越低，与CK处理相比，施用生物炭均可降低土壤的容重，并在RH4处理下差异最为显著（P＜0．05），容重达最小值，为0．97g／cm3。随着生物炭施用量的增加，土壤总孔隙度和毛管孔隙度也有显著增加，这与生物炭的多孔性结构有关。土壤非毛管孔隙度并没有随着施炭量的增加呈线性的变化，与CK处理相比，在RH1处理下，非毛管孔隙度达到最大值，除此之外，依次是RH4处理、NPK处理、RH2处理。
2．1．2土壤水分特性分析如表2所示，添加生物炭可显著增加土壤质量含水量、田间持水量和饱和含水量。与CK处理比较，NPK施肥处理的土壤质量含水量和饱和含水量没有显著差异，RH1、RH2质量含水量与CK差异不显著，RH4处理下土壤质量含水量显著大于对照（P＜0．05）；RH1、RH2和RH4处理田间持水量显著高于CK（P＜0．05）；RH1饱和含水量与CK差异不显著，RH2和RH4处理土壤的饱和含水量显著高于CK（P＜0．05）。随着施炭量的增加，土壤质量含水量、田间持水量和饱和含水量均呈现线性增长，田间持水量的斜率最大，其次是饱和含水量，质量含水量的斜率最小。
2．1．3土壤化学性质分析生物炭本身具有较高的基础养分，不同量生物炭施用后，土壤相应的养分指标会有不同程度的增加。试验除CK处理外，其他处理均施肥，这部分速效肥的增加也会对相对应的土壤养分有一定的提高作用。如表3所示，添加生物炭后，土壤pH值呈上升的趋势，RH4处理下土壤pH值增加量最大，但与CK相比，差异未达显著水平。施用生物炭后土壤的有机质含量显著增加（P＜0．05），NPK、RH1、RH2、RH4各处理的有机质含量比CK处理分别增加了10．15％、11．12％、19．74％、31．67％。施用生物炭后各处理土壤的碱解氮、有效磷和速效钾含量均增加，且在RH4处理下达到最大值，最大值对比CK处理分别增加了87．97％、348．56％、42．25％。施加生物炭后各处理土壤全磷含量均有所增加，但仅RH4处理下，增加达显著水平（P＜0．05），对比CK处理增加了27．83％。
2．2构树生长状况分析
2．2．1构树幼苗生长特性分析由表4可以看出，施肥和施生物炭处理对构树幼苗的株高、地径等生长特性指标都有不同程度的促进作用。与CK处理相比，稻壳炭处理的促进作用随试验所设置浓度范围内施用量增加而增加，株高、地径、根系生物量、地上部分生物量、总生物量与对照相比均有增加，在RH4处理效果最好，株高与CK处理相比增加了68％，地径与CK处理相比增加了94％，根系生物量与CK处理相比增加了78％，地上部分生物量与CK处理相比增加了74％，总生物量与CK处理相比增加了76％。同时，通过不同处理间的根冠比数值比较可发现，除了RH4处理与CK处理相比增加了2％，其他不同稻壳炭施用量处理均降低了根冠比，NPK、RH1、RH2这3个处理构树根冠比分别降低了17％、31％和21％，降低效果达显著水平（P＜0．05）。
2．2．2构树根系生长状况分析由表5可知，与CK处理相比，施用复合肥和生物炭的各处理对构树幼苗的总根长、根系表面积和根系体积的增加均有促进作用。NPK处理下，总根长对比CK处理增加了29．58％，增加未达显著水平，RH1、RH2、RH4对比CK处理分别增加了172．36％、282．99％和504．61％，RH2、RH4增加量达显著水平（P＜0．05）。生物炭施用后对构树幼苗的根系表面积、根系体积的增加有着显著的作用（P＜0．05），对比CK处理，根系表面积的增加幅度为54．09％～425．96％，根系体积的增加幅度为80．59％～343．75％。根长密度是指单位体积土壤内的根系长度，是表征土壤资源有效利用的一个重要指标。从表5可以看出，生物炭施用后可以促进构树根长密度的增加，但仅在RH2和RH4处理下，增加量对比CK处理差异达显著水平（P＜0．05）。比根长是根长与生物量的比值，是表征根系收益与花费关系的重要参数。由表5可以看出，NPK处理下的比根长有所增加，但差异未达显著水平，生物炭的使用可以明显增加构树幼苗细根的比根长，RH1、RH2、RH4对比CK处理分别增加了269．05％，261．01％和352．49％，且RH4处理与CK差异达显著水平（P＜0．05）。
3讨论与结论
3．1生物炭对土壤性质的影响
为了探明生物炭处理对土壤物理性质的影响机制，本研究利用环刀法和浸水法测量了0～10cm表层土壤的饱和含水量、毛管持水量和土壤孔隙等土壤水分物理指标，结果表明，生物炭有利于改善土壤结构和土壤水分状况。3种不同施炭量处理均显著降低了土壤容重，有效增加了土壤毛管孔隙率，提高了土壤中的毛管持水量，改善的效果随施炭量增加而增加，这主要是因为生物炭具有丰富的孔隙结构、较小的密度和较大的比表面积［25］。这与张明月的研究结果［26］一致。生物炭对于土壤水分特性的改善效果受土壤种类、土壤石漠化程度、生物炭种类及生物炭施用量等多方面的影响［26－28］。在以往的研究中，当土壤处于酸性或中性状态下，施用碱性生物炭往往能提高土壤的pH值［29］，但在本研究中，生物炭3种施用量处理下土壤的pH值均有所增加但增加量与对照相比未发生显著变化，这与方培结的研究结果［28］一致。刘祥宏的研究结果表示，对于向碱性土中施加生物炭，甚至可以降低土壤的pH值［30］。生物炭的碱性对土壤的影响是最直接的，土壤还受到土壤微生物作用，如短期内土壤的硝化作用会降低土壤pH值，除此之外还受到土壤酸碱缓冲容量、作物种类等的影响。在以往的研究中，研究者指出，炭肥混施对比单独使用肥料或生物炭对土壤养分和植物生长有更好的改良和促进效果［31－32］。本研究中，均施加定量的速效肥料，结果显示炭肥混施显著增加了土壤有机质和速效养分的含量。一方面生物炭具有孔隙结构和吸附性，可减少养分的淋失，将养分留在土壤中，另一方面，生物炭表面具有较高的有效养分，在施入土壤后，带入土壤，增加了土壤养分含量［33－34］。在以后的研究中，可设置不同栽培植物的处理，来探究施炭处理对于速效氮素的影响。生物炭影响土壤磷有效性的途径是通过吸附和解吸来完成。有些研究表明生物炭对磷无吸附能力［35－36］，但研究生物炭种类单一，土壤状况差距大，研究不够深入，无法说明问题。还有研究表明，不同原料制作的生物炭会对磷产生吸附［37］。后有研究者在利用生物炭处理废水时，对生物炭进行改性处理，可使生物炭对磷产生吸附。在以后的研究中，可增加对不同原料制作的生物炭磷素吸附及其机理的研究。
3．2生物炭对植物生长的影响
目前大部分研究表明，施用生物炭可促进植物生长及增产。如施用生物炭可促进黄连木、水稻、香蕉等的生长［38－41］，可促进铁皮石斛、玉米的增产［42－43］。在本研究中，施肥处理和炭肥混施处理均显著促进了构树幼苗株高、地径的增加，促进了植物地上及地下部分的干物质积累，半年生构树苗经过一个生长季，最高的长到了197cm。生物炭对植物生长的促进作用随施炭量的增加而增加。植物根系是植物摄取和运输营养物质合成和储存有机化合物的重要器官。一些研究表明，生物炭的施用还可促进植物根系生长，如陈懿等在研究烟杆生物炭对烤烟根系生长的影响时发现，施炭可促进烤烟前期的根系生长和根系体积的提高［44］；如程效义等在探究生物炭对玉米生产的影响时发现，施炭可以增加玉米灌浆期的总根长、根表面积和根体积［45］。这些研究与本研究的结果一致。总根长、根表面积及根体积等根系形态指标是根系摄取养分和水分的能力指标［46］。在本研究中，单独施肥处理对植物根系生长有一定的促进作用，效果并不显著，施炭处理对植物根系生长的促进作用显著，施炭量越多作用效果越显著。土壤水分和养分条件是影响植物根系生长和分布的主要因素，生物炭的施用改良了土壤的物理结构，改善了土壤的水分和养分条件，进而提高了植物根系吸收和代谢的效率，进而促进了植物地上部分的生长发育。本研究表明，施用生物炭可以改善石漠化土壤的理化性质，对构树幼苗生长和根系发育等各项指标都具有显著的促进作用。因此，生物炭在喀斯特石漠化山地的石漠化土壤改良和植被恢复方面有着重要的作用。通过试验验证，在构树苗期施用4％稻壳炭的效果最佳。
作者：张曼玉 高婷 吴永波 薛建辉 单位：南京林业大学江苏省南方现代林业协同创新中心
