添加生物炭對黃壤種植油用牡丹生長的影響

黃 嫻，張興偉，王震洪，2*

(1.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

牡丹在我國有3000多年栽培歷史，屬芍藥科芍藥屬牡丹組的木本植物。油用牡丹是在藥用牡丹(鳳丹)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的木本油料植物[1]。油用牡丹籽油含有人體不能合成的油酸、亞麻酸，它們是人體細(xì)胞構(gòu)成和代謝過程的必需物質(zhì)，具有特殊的營養(yǎng)價(jià)值，因而牡丹籽油被專家稱為世界上最好的食用油[2]。油用牡丹除了具有重要的經(jīng)濟(jì)效益外，它還有生態(tài)綜合效益，如植株耐干旱、耐瘠薄、耐高寒，能有效綠化荒山荒坡，減少水土流失，美化環(huán)境。在干旱區(qū)對水土保持、防風(fēng)固沙、改善土壤品質(zhì)等方面具有非常重要的作用。

近幾年貴州在多個(gè)生態(tài)脆弱地區(qū)引種油用牡丹栽培[3]。然而，貴州多雨潮濕，土壤粘重、酸度大。要使油用牡丹種植形成產(chǎn)業(yè)，并產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，需要改良土壤。

大量研究表明，生物炭具有孔隙發(fā)達(dá)，比表面積大、表面負(fù)電荷多等特性[4]。施用生物炭對于增加土壤pH，改善土壤質(zhì)量、保持土壤肥力及促進(jìn)作物生長等方面具有重要作用。其中生物炭對多數(shù)作物的生長具有促進(jìn)作用已經(jīng)得到了驗(yàn)證。然而，油用牡丹目前的研究主要集中在繁殖育苗、生理生態(tài)、油份提取等方面，關(guān)于土壤中施用生物炭對油用牡丹的生長及養(yǎng)分吸收的影響尚未見報(bào)道。基于此，本文以油用牡丹“鳳丹”為研究對象，研究不同生物炭添加量對油用牡丹生長及各器官養(yǎng)分含量的影響，為黃壤上合理施用生物炭改良土壤，促進(jìn)油用牡丹在貴州的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于貴州省貴陽市花溪區(qū)貴州大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)基地，屬于亞熱帶濕潤溫和氣候區(qū)，具有明顯的高原性和季風(fēng)性氣候特點(diǎn)，四季分明，年均氣溫14.9℃，無霜期平均246 d，年雨量1100～1200 mm。試驗(yàn)地土壤類型為黃壤，pH值5.08；土壤中主要營養(yǎng)物質(zhì)含量為：全氮1.68 g/kg，全磷0.97 g/kg，速效磷20.2 mg/kg，速效氮86.8 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試牡丹苗采購于山東眾達(dá)牡丹合作社。牡丹苗為2年生、長勢良好，大小均勻的“鳳丹”油用牡丹。苗平均高為27.2 cm、莖粗為0.4 cm。研究所用生物炭采購于沈陽隆泰生物工程有限公司，以純稻殼為原料450℃熱裂解所得，pH值為7.86，碳45.59%，全氮7.59 g/kg，全磷1.09 g/kg。試驗(yàn)所用肥料為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，其氮、磷、鉀含量分別為46%、18%、60%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是施肥區(qū)，另一個(gè)為不施肥區(qū)。每個(gè)區(qū)域設(shè)4個(gè)生物炭水平，每個(gè)水平設(shè)3個(gè)重復(fù)。施肥區(qū)施肥量比貴州農(nóng)田常規(guī)施肥量低，即施氮量180 kg/hm2，施磷量65 kg/hm2，施鉀量40 kg/hm2。4個(gè)水平的生物炭用量分別為：0 kg/m2、2 kg/m2、4 kg/m2、 6 kg/m2。共24個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為120 cm×140 cm，小區(qū)編號如表1 所示。

試驗(yàn)時(shí)間從2016年10月至2017年11月。2016年10月底將生物炭施加到耕作層土壤中(0-20 cm)，使土壤和生物炭充分混合均勻，并在施肥區(qū)各小區(qū)施加等量的氮磷鉀肥，接著種植2年生油用牡丹，株行距為20 cm×50 cm，每個(gè)小區(qū)種植12株。

表1 田間試驗(yàn)處理和設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental treatments and design

1.4 檢測指標(biāo)與方法

2017年2～9月每月用卷尺對苗高進(jìn)行測量，用游標(biāo)卡尺對地徑進(jìn)行測量；4～9月以SPAD 502 Plus手持式葉綠素儀測定葉片的SPAD值。10月對植株進(jìn)行隨機(jī)取樣，將植株分根、莖、葉三部分于105℃下殺青30 min，80℃烘干至恒重測定干樣品中氮、磷含量。植株全氮含量用H2S04-H202消煮-凱氏定氮法測定；全磷含量用H2S04-H202：消煮-鉬銻抗吸光光度法。

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS 18.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，數(shù)據(jù)圖表均用Microsoft office 2007軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對土壤養(yǎng)分含量的影響

從表2可以看出，試驗(yàn)結(jié)束后雖然土壤仍表現(xiàn)為弱酸性，但各處理土壤的pH值都有增加，B2、B4和B6土壤pH值比B0分別提高了0.03、0.27、0.28個(gè)單位，F(xiàn)B2、FB4和FB6土壤pH值比FB0分別提高了0.03、0.22、0.26個(gè)單位。同樣，試驗(yàn)后施肥區(qū)與未施肥區(qū)中生物炭的添加均提高了土壤全氮、全磷、速效氮和速效磷的含量，且隨著生物炭添加量的增加而增加。其中兩個(gè)區(qū)域的各處理間土壤全氮含量差異不顯著。在未施肥區(qū)，B2、B4和B6土壤全磷含量比B0分別增加了11%、17%、30%; B4和B6土壤速效氮含量比B0分別顯著增加了10%與17%; B2、B4和B6土壤速效磷含量比B0分別增加了18%、23%、39%。施肥區(qū)，F(xiàn)B4和FB6處理土壤全磷、速效氮和速效磷的含量均顯著高于FB0，但處理間差異不顯著，其中添加生物炭量最大的FB6處理，土壤全磷較FB0增加了35%、速效氮增加了21%、土壤速效磷增加了45%。可見，施加生物炭有助于改善土壤。

2.2 生物炭對油用牡丹株高的影響

油用牡丹栽植后于次年2月開始發(fā)芽。未施肥區(qū)與施肥區(qū)相比，施肥區(qū)中各處理的株高均高于未施肥區(qū)等炭量處理，說明生物炭與肥料配施能提高油用牡丹的株高(圖1)。在未施肥區(qū)，生物炭的施用均提高牡丹的株高，且從4月份開始隨著添加量的增加株高不斷增加，其中B6處理最高，較B0顯著提高了10.43%，B2、B4分別較B0提高4.07%和8.31%，且B2、B4、B6間差異顯著。在施肥區(qū)，不同用量生物炭均提高了油用牡丹的株高，各處理中株高大小為FB4(40.72 cm) >FB6(39.90 cm)> FB2(39.11 cm)> FB0(37.98 cm)，F(xiàn)B4提高效果最好，較FB0顯著提高了7.21%，F(xiàn)B6、FB2較FB0顯著提高了5.06%和2.98%。

圖1 生物炭施用量對油用牡丹株高的影響Fig.1 Effects of adding biochar on plant height of oil peony

2.3 生物炭對油用牡丹地徑的影響

在未施肥區(qū)，2～9月各處理均是隨著生物炭添加量的增多，地徑不斷增大，但2～5月B0與B2、B4差異不明顯，只與B6有顯著差異(圖2)；6～9月未添加生物炭的處理B0與B2、B4、B6均有顯著差異；9月B2、B4、B6較B0地徑分別增加5.16%、7.30%、10.69%。說明生物炭對油用牡丹地徑有一定的促進(jìn)作用。在施肥區(qū)，不同生物炭添加量均增加了油用牡丹的地徑，從3月起，處理間的大小依次為FB4 >FB6> FB2> FB0，F(xiàn)B4增加效果最好，最終地徑較FB0增加了4.95%，F(xiàn)B6、FB2較FB0增加了2.75%和0.55%。整個(gè)試驗(yàn)期，生物炭與肥料配施均比單施生物炭處理地徑值高，說明一定量的生物炭和肥料配施有利于植株的生長。

除2月份外，

注：不同小寫字母表示同一區(qū)域相同指標(biāo)不同處理間在P < 0.05 水平上存在顯著性差異。

圖2 生物炭施用量對油用牡丹地徑的影響Fig.2 Effects of adding biochar on stem diameter of oil peony

2.4 生物炭對油用牡丹葉片葉綠素含量的影響

葉綠素含量是反應(yīng)植株葉片光合能力及植株健康狀態(tài)的主要指標(biāo)[5]。研究結(jié)果顯示，生物炭對油用牡丹葉片葉綠素含量有一定的影響(圖3)。牡丹生長到4月份時(shí)，未添加生物炭和肥料的處理(B0)葉片SPAD值最低，其次為單施肥未添加生物炭處理(FB0)。葉綠素含量最高的是施肥+6 kg/m2生物炭(FB6)。未施肥區(qū)葉片的SPAD值均是隨著生物炭的添加量的增加而顯著增加，在而施肥區(qū)，僅4～5月葉片的SPAD值隨著生物炭的添加量的增加而增加，而6～9月則葉片SPAD值大小發(fā)生了波動(dòng)，順序?yàn)镕B4 >FB6> FB2> FB0，添加4 kg/m2生物炭量葉片SPAD值最大，但與FB6差異不顯著。整個(gè)試驗(yàn)期，全部8個(gè)處理，油用牡丹葉片的葉綠素含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，但FB4和FB6處理先升高后下降后，基本維持在一個(gè)水平上。生物炭能延緩肥料在土壤中的釋放，后期釋放部分養(yǎng)分以滿足植物對養(yǎng)分的持久需求，這表明一定量生物炭和肥料配施更有利于牡丹光合作用。

2.5 生物炭對油用牡丹各器官氮磷含量的影響

不論施肥與不施肥，生物炭的施用均可以提高植物各器官中的氮、磷含量(表2)。在未施肥區(qū)，油用牡丹的根、莖、葉中氮、磷含量均是隨著生物炭的增加而升高，但不同添加量生物炭對植物各器官磷的含量沒有顯著作用；而高生物炭水平下，植物各器官中氮含量最高，B6與B0相比，根、莖、葉中氮含量分別提高了9.84%、6.22%、8.9%。在施肥區(qū)， 隨著生物炭用量的增加，牡丹各器官氮含量大小均是FB4 >FB6> FB2> FB0，其中FB4和FB6與FB0、FB2比較，根、莖、葉中氮含量達(dá)到顯著水平；FB4與FB6之間差異不顯著；FB2處理中油用牡丹的葉和莖中氮含量顯著高于FB0，但根中的氮含量與FB0差異不顯著。牡丹各器官的磷含量隨著生物炭用量的增加，各處理莖和根中磷含量沒有顯著差異；FB4與FB6葉片中的磷含量顯著高于FB0，但FB4與FB6之間差異不顯著?？傮w而言，施肥區(qū)添加生物炭的三個(gè)處理中，植物根、莖、葉中氮含量均高于未施肥區(qū)的等炭量處理；三個(gè)處理中除莖外，根和葉中的磷含量也均高于未施肥區(qū)的等炭量處理。綜上，說明一定量生物炭和肥料的配施一定程度上可以促進(jìn)植物對養(yǎng)分的吸收。

圖3 不同用量生物炭對油用牡丹葉片SPAD值的影響Fig.3 Effect of adding biochar on SPAD value of oil peony

3 結(jié)論與討論

3.1 生物炭對油用牡丹生長的影響

生物炭具有疏松多孔、吸附能力強(qiáng)等的特點(diǎn)，施入土壤后對肥力和養(yǎng)分起到吸附和緩釋的作用，進(jìn)而改良土壤[6]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施用生物炭均增加了油用牡丹的株高和地徑，且肥料與生物炭的配施較單施生物炭的效果更好，其中最佳生物炭施用量和配施肥料有關(guān)，在不施肥時(shí)，生物炭最佳施用量較高，為6 kg/m2；當(dāng)配施一定肥料時(shí)，最佳生物炭量為4 kg/m2?？赡艿脑蛴?，油用牡丹適宜生長的土壤為壤土或沙質(zhì)壤土，要求土壤疏松透氣、排水良好，適宜pH值為6.5～8.0，而黃壤質(zhì)地較粘，酸度比較大，不利于油用牡丹的生長。生物炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，施入土壤后不僅能調(diào)節(jié)土壤容重和孔隙率，增加通氣量[7]，而且生物炭本身含有Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子，進(jìn)入土壤以后會(huì)有一定程度的釋放，交換土壤中的H+和Al3+，從而降低其濃度，提高鹽基飽和度并增加土壤pH值[8]，因此，添加生物炭后的黃壤更有利于油用牡丹的植物生長。

表3 生物炭對油用牡丹根、莖、葉氮磷含量的影響Tab.3 Effect of adding biochar on nitrogen and phosphorus contents in roots、stem and leaves of oil peony

注：不同小寫字母表示同一區(qū)域同一器官相同指標(biāo)不同處理間在P < 0.05 水平上存在顯著性差異。

3.2 生物炭對油用牡丹葉綠素含量的影響

植株葉片SPAD值常常被用來反映葉片氮素養(yǎng)分狀況[9-10]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能提高葉片的SPAD值，未施肥區(qū)生物炭施用量為6 kg/m2的葉片SPAD值最大，施肥區(qū)生物炭施用量為4 kg/m2葉片SPAD值最大，但與FB6處理沒有達(dá)到顯著差異，可能是由于生物炭具有很高的碳氮比，在生物炭施用量較大時(shí)，生物炭導(dǎo)致氮的固定，降低了土壤的有效氮，限制了植株對有效氮的吸收[11]。試驗(yàn)期間，葉片SPAD值在6月份升到最高，七月份開始下降，其中施肥區(qū)的FB4、FB6處理在9月份有一個(gè)緩慢的回升。可能是由于生物炭具有較大的比表面積、發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、較高的陽離子交換量，因此施用到土壤中的生物炭可以增加養(yǎng)分的吸持能力、有機(jī)質(zhì)含量以及養(yǎng)分有效性等[12-14]。生物炭的這些特性可作為肥料養(yǎng)分的載體吸持部分肥料養(yǎng)分，能夠在后期釋放部分養(yǎng)分以滿足植物對養(yǎng)分的持久需求，從而延緩肥料在土壤中的釋放與淋失[15]。因此，將生物炭作為肥料載體與肥料混合有一定養(yǎng)分緩釋功能，提高肥料利用率，可減少化肥施用量。

3.3 生物炭對油用牡丹各器官氮磷含量的影響

一些研究證明，生物炭能促進(jìn)植物對養(yǎng)分的吸收[16-17]。本試驗(yàn)表明，無論是施肥還是未施肥，油用牡丹的根、莖、葉中磷含量均是隨著生物炭的增加而升高。生物炭施入土壤后，能夠促使有效磷低的土壤閉蓄態(tài)磷轉(zhuǎn)化為有效態(tài)磷，直接增加土壤中有效磷含量[18]。同時(shí)，生物炭經(jīng)高溫?zé)峤夂?，其自身部分穩(wěn)定態(tài)磷被激活，轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈶B(tài)磷，可以供作物吸收利用[19]。但生物炭在對外源磷有效性轉(zhuǎn)化的能力與土壤類型有關(guān)。這也可能是本試驗(yàn)中各處理間差異不顯著的原因。另外，本試驗(yàn)中，中等用量生物炭和肥料配施可以顯著提高油用牡丹根、莖、葉中的氮含量?？赡苁翘砑由锾亢蟠龠M(jìn)土壤的硝化速度，加快系統(tǒng)中氮的循環(huán)，使得土壤中可溶性氮提高，而高劑量生物炭添加可能同時(shí)抑制牡丹根系的生長與吸收能力[20-21]。所以中等用量生物炭和肥料配施效果最好。

在本試驗(yàn)條件下，無論施肥還是未施肥，生物炭的添加均提高了土壤pH值、土壤全氮、全磷、速效氮和速效磷的含量，改善黃壤性質(zhì)。從而對油用牡丹的株高、地徑、葉片SPAD值和各器官中的氮磷含量均有促進(jìn)作用，其中生物炭中等用量處理(4 kg/m2)與肥料配施可以顯著提高油用牡丹幼苗的株高、地徑，提高葉片的SPAD值，同時(shí)提高油用牡丹根、莖、葉中的氮含量，且效果最好。綜上考慮，黃壤上種植油用牡丹，生物炭用量控制在4 kg/m2比較適宜。

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