施用生物炭對亞熱帶紅壤區(qū)土壤肥力及黑老虎生長的影響

梁忠厚，李有清

(湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林學(xué)院, 湖南 衡陽 421005)

【研究意義】黑老虎[Kadsuracoccinea(Lem.)A. C. Smith]為五味子科南五味子屬木質(zhì)藤本植物，是一種極具價(jià)值的多功能植物，其根莖為傳統(tǒng)民間中藥[1]，果實(shí)營養(yǎng)味美且形態(tài)特異可供觀賞[2]。長期以來，黑老虎主要作為中藥材使用，且其藥材主要來源于野生黑老虎資源，造成黑老虎野生資源的破壞性開采，不僅導(dǎo)致黑老虎種質(zhì)資源的流失，還嚴(yán)重破壞了開采地的生態(tài)環(huán)境[3]。黑老虎的人工栽培，增加了黑老虎藥材的市場供應(yīng)，有利于保護(hù)黑老虎種質(zhì)資源和減少生態(tài)環(huán)境破壞?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】但目前黑老虎人工栽培數(shù)量不多，主要是其栽培技術(shù)還不成熟，其栽培的黑老虎藥材在產(chǎn)量和品質(zhì)上亟待提高。當(dāng)前關(guān)于黑老虎人工栽培技術(shù)的研究很少，未見文獻(xiàn)報(bào)道。在南方紅壤區(qū)推廣種植黑老虎面臨一個(gè)重大問題，即南方紅壤酸度較高，不利于喜微酸和中性土壤環(huán)境的黑老虎生長發(fā)育，且紅壤有機(jī)質(zhì)含量偏低，保水保肥能力較差。為此，提高黑老虎人工栽培效果的首要問題是提高土壤質(zhì)量。生物炭作為一種新興的土壤改良劑，已經(jīng)成為當(dāng)前土壤學(xué)、農(nóng)學(xué)、生態(tài)學(xué)等的研究熱點(diǎn)，且目前國內(nèi)外在黑老虎人工栽培中還未見有使用生物炭的報(bào)道。生物炭(Biochar)一般是指生物質(zhì)如畜禽糞便、農(nóng)作物廢棄物等在無氧或者少氧以及高溫(300～700 ℃)條件下熱裂解而形成的固態(tài)碳化物質(zhì)，具有原料來源廣、生物惰性較高、較高的pH、較大的孔隙度和比表面積和較高的陽離子交換量等特點(diǎn)[4]。研究表明，土壤中添加生物炭能夠顯著促進(jìn)植物生長、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)、提高土壤肥力和實(shí)現(xiàn)固碳減排[5-7]。但也有相反的研究結(jié)論，認(rèn)為生物炭的應(yīng)用存在較多不確定因素，對農(nóng)作物的提升不明顯甚至降低農(nóng)作物生產(chǎn)效率[8]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】考慮到生物炭在其它植物栽培中有較多成功的應(yīng)用案例，為驗(yàn)證并探明生物炭在黑老虎人工栽培中應(yīng)用的效果與潛力。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究首次在林下栽培黑老虎土壤中施入不同梯度用量的生物炭，分析其對土壤肥力及黑老虎生長和品質(zhì)的影響，以期為生物炭在林下栽培黑老虎中的應(yīng)用以及紅壤改良提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016-2018年湖南省衡陽市石鼓區(qū)湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院產(chǎn)業(yè)園示范基地(110°32′16″～113°16′32″E，26°07′05″～27°28′24″N)開展，該區(qū)域位于衡陽市區(qū)西北部，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，氣候溫和，四季分明，雨量充沛，光熱資源豐富，年平均氣溫17.9 ℃，年平均降雨1300 mm，平均蒸發(fā)量1173 mm，最大風(fēng)速為12.7 m/s。土壤類型為紅壤。

1.2 供試材料

黑老虎種苗為來自通道黑老虎中藥材合作社的苗齡1年的實(shí)生苗，選取其中株高、地徑和長勢較一致的種苗120株。生物炭來自廣東百林公司的稻殼生物炭。施用的農(nóng)家肥由湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院小型養(yǎng)殖場提供的牲畜糞便堆肥發(fā)酵制成。供試生物炭和土壤基本理化性狀如表1。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與種植管理 試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為對照CK(不添加生物炭)，T1(生物炭施用量為10 t/hm2)，T2(施用量為20 t/hm2)，T3(施用量為30 t/hm2)。黑老虎種植采用林下樹行間搭架移栽的方式，藤架上方0.5 m處再搭架，便于蓋遮陽網(wǎng)。藤架為十字形，每根竹竿移栽一株，株行距為1 m×1 m。藤架下方起壟，壟高0.3 m，長5 m，寬2 m。每個(gè)壟移栽10株，一個(gè)壟為一個(gè)小區(qū)。每個(gè)處理重復(fù)3次，即有12個(gè)小區(qū)。各小區(qū)隨機(jī)排列。

生物炭施用方法為均勻鋪排于壟上，人工翻耕混勻，翻耕深度為15 cm。除生物炭施用量不一致外，所有小區(qū)的施肥、澆水、遮蔭等管理均一致。黑老虎種苗于2016年5月7日全部移栽，澆透水，農(nóng)家肥和生物炭一起施入土壤，施用量為15 t/hm2。

1.3.2 取樣與測定 指標(biāo)測定類別分為土壤指標(biāo)，生長指標(biāo)，生產(chǎn)指標(biāo)3大類。其中土壤指標(biāo)包括土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)，全氮(TN)，速效氮(AN)，全磷(TP)，速效磷(AP)，全鉀(TK)，速效鉀(AK)，土壤容重(SBD)，陽離子交換量(CEC)，土壤含水率(SWC)，pH，以評價(jià)施用生物炭對紅壤區(qū)土壤肥力的影響；生長指標(biāo)包括株高(皮卷尺)，地徑(游標(biāo)卡尺)，凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Cond)、胞間CO2濃度(Ci)以及蒸騰速率(Tr)，用Pn和Tr之比計(jì)算水分利用效率(WUE)，以評價(jià)施用生物炭對黑老虎生長速度和光合作用的影響；生產(chǎn)指標(biāo)包括生物量(以干重計(jì))，總木脂素含量，以評價(jià)施用生物炭對黑老虎生產(chǎn)效果的影響。

株高和地徑的測定時(shí)間為移栽后第30、60、90、120、150、180、210、240、270天，共計(jì)9次。株高以皮卷尺測定，地徑以游標(biāo)卡尺測定，均為每個(gè)小區(qū)隨機(jī)測定5株。土壤取樣時(shí)間為2018年，每個(gè)小區(qū)用取土器按“S”形隨機(jī)取5點(diǎn)，取土深度為0～20 cm，檢出石子、草根等等雜物，然后混勻，用四分法取對角兩份土壤混合，自然風(fēng)干，分別過40目篩和100目篩，裝袋待測。土壤肥力指標(biāo)根據(jù)《土壤農(nóng)化分析》(鮑士旦著)一書所述方法測定，土壤含水率以“稱重法”測定，容重以“環(huán)刀法”測定，土壤pH用pH計(jì)以水土比2.5∶1測定。用Li-6400光合作用測定系統(tǒng)測定黑老虎光合指標(biāo)，于2018年3月5測定，當(dāng)日天氣晴朗。生物量于光合指標(biāo)測定后取樣，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取3株，然后將地上部與地下部分開，洗凈根系，在105 ℃下殺青半小時(shí)，于80 ℃烘箱中烘干，稱重；黑老虎根粉碎待測；黑老虎根的總木脂素含量按照紫外分光光度法測定[9]。

表1 供試土壤(0～20 cm)和生物炭基本理化性狀

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)用Excel 2007整理，用SPSS18.0進(jìn)行單因素方差分析、Duncan多重比較以及Person相關(guān)性分析(雙側(cè))，Sigmaplot12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用生物炭對紅壤肥力的影響

如圖1A所示，土壤中添加生物炭對土壤全氮和速效氮含量均有顯著影響(P<0.05)。在生物炭施用量小于20 t·hm-2時(shí)，土壤全氮和速效氮含量隨施用量增加而增加，施用且施用生物炭與不施用生物炭之間有顯著性差異，但施用生物炭處理之間無顯著性差異。最高生物炭用量下(30 t·hm-2)，土壤全氮和速效氮含量反而與對照比有所降低，無顯著性差異。所有處理中，以T2處理土壤全氮與速效氮含量最高，分別比對照高出13.3 %和4.2 %。

如圖1B所示，添加生物炭顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，顯著降低土壤容重(P<0.05)。隨著生物炭施用量的增加，土壤有機(jī)質(zhì)呈逐漸升高的趨勢，且各處理差異顯著(P<0.05)。其中以T3處理對土壤有機(jī)質(zhì)含量的提升幅度最大，分別比CK、T1、T2高出20.4 %、11.5 %和5.8 %。生物炭施用量達(dá)到20 t·hm-2時(shí)能夠顯著降低土壤容重，超過20 t·hm-2時(shí)降低幅度變小，與對照相比，T2處理降低土壤容重達(dá)14.9 %。

如圖1C所示，施用生物炭能夠有效提高土壤陽離子交換量和土壤含水率(P<0.05)。隨生物炭施用量增加，土壤陽離子交換量逐漸增加，但施用量達(dá)30 t·hm-2時(shí)，與T2處理沒有顯著性差異，說明生物炭對土壤陽離子交換量的提升有一定的限度。與對照相比，土壤陽離子交換量提升量最高達(dá)14.9 %。而生物炭施用量越高，土壤含水率提升越顯著，T2處理與CK的土壤含水率無顯著差異，最高為T3處理，分別比CK、T1、T2高出19.5 %、15.4 %和6.8 %。

如圖1D所示，施用生物炭顯著提高土壤全磷含量，隨施用量的提升而逐漸提高(P<0.05)。以T3處理提升土壤全磷含量幅度最大，達(dá)0.81 g·kg-1，分別比CK、T1、T2高出65.3 %、19.1 %、12.5 %。雖然施用生物炭也能提高土壤速效磷含量，與不施用生物炭相比有顯著性差異，但施用量超過10 t·hm-2時(shí)，提高效果不顯著。

圖中不同小寫字母表示有顯著性差異，P<0.05，下同Different letters in picture represent significant difference at the level of 0.05, the same as below

圖2 不同生物炭施用梯度下黑老虎移栽后株高的動態(tài)變化

如圖1E所示，施用生物炭對土壤全鉀和速效鉀含量無顯著影響(P>0.05)。但是施用生物炭可以顯著提高土壤pH，且隨生物炭施用量增加而增加。與CK相比，生物炭施用量達(dá)30 t·hm-2時(shí)土壤pH顯著提高了46.1 %，說明施用生物炭可以較好地改良酸性土壤。

2.2 施用生物炭對黑老虎生長速度的影響

2.2.1 株高 如圖2所示，不同處理下黑老虎株高隨時(shí)間的變化趨勢基本一致，在第180 天前快速增高，180 d后株高增長速度變得緩慢。所不同在于施用生物炭處理均比未施用生物炭株高增加的速度快，且生物炭的高施用量比低施用量株高增加速度更快。第60天后，施用生物炭處理株高均顯著高于對照(P<0.05)。各處理中株高最高的為T3處理，且最終T3處理株高顯著高于T1和CK，與T2差異不顯著。T3處理株高在第270天時(shí)分別比CK、T1、T2高出15.6 %、5.5 %和1.8 %。

2.2.2 地徑 如圖3所示，與株高一樣，不同處理下黑老虎地徑隨時(shí)間的變化趨勢基本一致，但CK地徑增長速度減慢的拐點(diǎn)出現(xiàn)在第150天，施用生物炭處理地徑增長速度減慢觀點(diǎn)出現(xiàn)在第180天。同樣，施用生物炭處理地徑增長速度比未施用生物炭處理快，且各測定時(shí)期地徑均顯著高于CK(P<0.05)，但施用生物炭處理間沒有顯著性差異(P>0.05)。T3處理地徑最高，在第270天時(shí)比CK、T1、T2分別高出13.8 %、2.1 %和0.6 %。

2.3 施用生物炭對黑老虎光合作用的影響

如圖4所示，施用生物炭對黑老虎葉片氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度均沒有顯著影響(P>0.05)，但是施用生物炭顯著提高了黑老虎葉片光合速率、蒸騰速率和水分利用效率(P<0.05)。如圖1A所示，施用量不超過20 t·hm-2時(shí)，黑老虎葉片光合速率隨生物炭施用量增加而顯著增加；而30 t·hm-2的生物炭施用量反而降低了黑老虎葉片的光合速率，與T2處理相比，顯著降低了10.8 %(P<0.05)。施用生物炭對黑老虎蒸騰速率的影響規(guī)律同對光合速率的影響一致，且T3處理下黑老虎蒸騰速率下降更低，甚至低于CK，與T2相比下降幅度達(dá)85.0 %，與CK相比下降幅度達(dá)36.1 %。如圖4C所示，生物炭施用量低于30 t·hm-2時(shí)，雖然黑老虎葉片水分利用效率有所提高，但與CK相比沒有顯著差異。T3處理則顯著提高了黑老虎葉片的水分利用效率，與CK、T1、T2分別高出95.3 %、73.5 %和67.0 %。

2.4 施用生物炭對黑老虎生物量和根總木脂素含量的影響

如圖5所示，與對照相比，施用生物炭均能顯著提高黑老虎生物量和根總木脂素含量(P<0.05)。隨生物炭施用量增加，黑老虎生物量和根總木脂素含量呈增加趨勢，但生物炭施用量的增加并沒有顯著提高根總木脂素含量。T3處理下黑老虎生物量最大，達(dá)165.4 g·m-2，分別比CK、T1、T2高出25.8 %、7.0 %和5.6 %，T1與T2間無顯著差異。T3處理下黑老虎根總木脂素含量最大，達(dá)24.65 mg·g-1，高出CK達(dá)43.0 %。

圖3 不同生物炭施用梯度下黑老虎移栽后地徑的動態(tài)變化

圖4 不同生物炭施用梯度下黑老虎光合性狀的比較

2.5 黑老虎產(chǎn)量和性狀與土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)性分析

如表2所示，除土壤容重外，黑老虎產(chǎn)量和性狀與土壤肥力指標(biāo)為正相關(guān)關(guān)系。黑老虎生物量、根總木脂素含量、株高和地徑等均與土壤全磷、速效磷呈極顯著相關(guān)關(guān)系，生物量、根總木脂素含量和株高與陽離子交換了以及pH呈顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均為0.9以上，說明這幾個(gè)土壤肥力指標(biāo)是在紅壤土中種植時(shí)黑老虎而限制其生產(chǎn)與生長的關(guān)鍵土壤肥力因子，對黑老虎產(chǎn)量和品質(zhì)影響很大。

3 討 論

3.1 施用生物炭對紅壤肥力的影響

土壤肥力表征土地的生產(chǎn)力，其本質(zhì)是土壤能夠順暢地供應(yīng)植物生長發(fā)育所需要的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，通過土壤物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和生物調(diào)控能力三方面綜合體現(xiàn)[10]。我國南方亞熱帶紅壤區(qū)土壤肥力水平較低，表現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)含量低，土壤酸化以及水土流失嚴(yán)重；尤其紅壤中鐵鋁化合物含量較高，易和磷反應(yīng)生成溶解性低的鐵磷和鋁磷，對磷的有效性影響較大，因此缺磷一直是我國南方亞熱帶地區(qū)作物生產(chǎn)的主要養(yǎng)分限制因子之一[11]。生物炭在土壤中具有較高惰性和抗降解性，因此能夠有效提高土壤有機(jī)碳含量[12]；生物炭通常具有較為發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能團(tuán)，這使生物炭能夠有效提高土壤陽離子交換量和持水性，減少礦質(zhì)元素流失，提高礦質(zhì)元素利用效率[13-14]；生物炭表面存在大量的堿性基團(tuán)，因此其施入土壤后能夠提高土壤pH[15]。大量理論研究與實(shí)踐應(yīng)用表明，生物炭有利于提高土壤肥力，促進(jìn)農(nóng)作物生長，增加作物產(chǎn)量[16-17]。

圖5 不同生物炭施用梯度下黑老虎根莖生物量與根總木脂素含量比較

表2 黑老虎產(chǎn)量和性狀與土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

注：*表示差異顯著(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01)。

Note: * indicated significant difference at 0.05 level, **indicated significant difference at 0.01 level．

本研究結(jié)果也表明，施用生物炭能夠顯著改善土壤肥力狀況，具體表現(xiàn)為顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤陽離子交換量、土壤含水率、土壤全磷和速效磷含量以及土壤pH，且隨生物炭施用量的增加而提高。這與張祥等、李明等以及靖彥等在紅壤中施用生物炭的研究結(jié)果一致[11,18-19]。施用生物炭也能提高土壤全氮和速效氮含量，但是較高的生物炭施用量(30 t·hm-2)反而降低土壤氮素含量，甚至比對照的速效氮含量低。生物炭本身養(yǎng)分含量很低，因此，其提高土壤中養(yǎng)分含量的機(jī)制主要是依靠其物理性狀，即較高的比表面積和孔隙度，對土壤中的氮磷元素進(jìn)行吸附，減少土壤氮磷元素的淋濕。但是較高的生物炭施用量極大的提高了土壤碳氮比，抑制了土壤微生物活性，因此降低了土壤氮素的有效性，從而表現(xiàn)為土壤氮素含量的降低。

3.2 施用生物炭對黑老虎生長的影響

施用生物炭改良了土壤狀況，提高了土壤肥力，增加了土壤養(yǎng)分供應(yīng)，因此有利于黑老虎的生長和發(fā)育。黑老虎喜微酸和中性環(huán)境[3]，而紅壤酸度高，施用生物炭提高了土壤pH達(dá)到微酸環(huán)境甚至中性環(huán)境，使得黑老虎能正常生長發(fā)育。黑老虎生長需要大量磷肥，在生產(chǎn)實(shí)踐中，除了施用農(nóng)家肥之外，常常需要單獨(dú)施用大量磷肥，以保證磷肥供應(yīng)。本研究中并沒有單獨(dú)施用磷肥，但施入的生物炭能夠有效固持農(nóng)家肥和土壤中原有的磷素，提高了土壤中磷肥的含量，因此與對照相比，促進(jìn)了黑老虎的生長，且其株高和地徑均隨著生物炭施用量增加而增加。本研究的相關(guān)性分析也表明，土壤磷素供應(yīng)狀況，陽離子交換量大小，以及土壤pH均與黑老虎的株高和地徑增長呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，這三個(gè)因子是限制黑老虎生長的重要因素。而紅壤中土壤磷素含量低，由于有機(jī)質(zhì)含量低而陽離子交換量低，且土壤酸度高，施用生物炭能夠較好地解決紅壤中這三個(gè)因子的限制狀況。

3.3 施用生物炭對黑老虎生物量和根藥用品質(zhì)的影響

施用生物炭解決了紅壤肥力較低的問題，促進(jìn)了黑老虎的生長，同時(shí)，本研究結(jié)果表明施用生物炭也提高了黑老虎的光合速率和蒸騰速率。但施用生物炭并沒有顯著提高黑老虎氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度，因此，其對黑老虎光合速率以及蒸騰速率的提高是通過其它的機(jī)制，具體還有待進(jìn)一步探明。

植物有機(jī)物的積累與光合作用效率有關(guān)，因此，施用生物炭提高光合作用進(jìn)而提高了黑老虎生物量。本研究結(jié)果中，施用生物炭能夠顯著提高黑老虎根總木脂素含量，但提高生物炭施用量對根總木脂素的提高不明顯。這說明施用生物炭改善黑老虎生長環(huán)境條件，提高黑老虎生物量，并不能改善黑老虎根總木脂素合成的機(jī)制或條件，而是通過促進(jìn)黑老虎的快速生長間接地提高了根總木脂素的合成量，具體機(jī)制有待于針對黑老虎根系總木脂素合成規(guī)律開展進(jìn)一步的深入研究。

4 結(jié) 論

(1)施用生物炭改善了紅壤區(qū)土壤物理化學(xué)性狀，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤養(yǎng)分含量，提高了土壤的保水保肥性能，降低了土壤酸度。

(2)施用生物炭能夠有效促進(jìn)黑老虎的生長和光合作用效率，提高黑老虎水分利用效率，并且能夠提高黑老虎產(chǎn)量和根藥用品質(zhì)。

(3)土壤磷素含量、陽離子交換量以及pH是限制黑老虎生產(chǎn)的3個(gè)關(guān)鍵因子，而施用生物炭能夠較好地解決紅壤含磷低，陽離子交換量低以及土壤酸化問題，是在我國南方亞熱帶紅壤區(qū)林下推廣黑老虎種植的良好栽培措施。