不同種類生物炭對元寶楓育苗基質(zhì)養(yǎng)分及酶活性的影響*

陳夢婕,李小英,2,蘇小娟,陳曉琴,吳思政,王毅雯

(1.西南林業(yè)大學 生態(tài)與環(huán)境學院,云南 昆明 650224;2.云南省高校土壤侵蝕與控制重點實驗室,云南 昆明 650224)

生物炭是在高溫缺氧條件下對生物質(zhì)材料熱解得到的富碳物質(zhì),一般含碳量超過50%,除富含大量碳化組分外,還富含大量N、P、K、Ca、Mg等非碳化組分。生物炭具有pH和碳含量較高、結(jié)構疏松多孔、官能團豐富和吸附能力較強等特點[1-3]。育苗基質(zhì)是植物育苗的重要物質(zhì)基礎和關鍵因素,尤其針對工廠化育苗而言,優(yōu)質(zhì)的育苗基質(zhì)尤為重要[4]。良好的育苗基質(zhì)能為植物提供豐富的養(yǎng)分和相對穩(wěn)定的生長環(huán)境,基質(zhì)理化性質(zhì)能直接影響植物的生長狀況[5-6]。添加生物炭后會提高育苗基質(zhì)的pH,增加陽離子交換能力和營養(yǎng)元素含量[7],如鄒春嬌等[8]研究表明添加3%和5%的生物炭能顯著提高基質(zhì)酶活性。在傳統(tǒng)的苗木生產(chǎn)中,常以土壤和泥炭作為育苗基質(zhì),使用時間過長會造成土壤板結(jié),且大量開發(fā)天然泥炭資源會破壞環(huán)境。此外,傳統(tǒng)育苗基質(zhì)透氣性、保水性和養(yǎng)分含量都較低,難以滿足植株的生長需求。生物炭質(zhì)量輕,作為育苗基質(zhì)中便于運輸并能有效降低運輸成本;生物炭制備原料主要是利用農(nóng)林廢棄物如果園修剪的枝條、秸稈稻殼、畜禽糞便等且無二次污染,既經(jīng)濟又環(huán)保[9-10]。目前,生物炭的應用研究主要集中于農(nóng)業(yè)領域,用于改善農(nóng)田土壤理化性質(zhì),從而增加土壤的固碳能力,進而提高土壤肥力[11-12]。研究發(fā)現(xiàn),生物炭的施用會導致地上生產(chǎn)力和作物產(chǎn)量提高,改良酸性土壤,提高土壤中磷、鉀、總氮、總碳和有機質(zhì)含量,也會提高土壤微生物量和酶活性[13-16]。鑒于生物炭所具有的優(yōu)良特性,其在苗木培育中將得到日益廣泛的應用。

元寶楓(Acertruncatum)是無患子科(Sapindaceae)槭樹屬(Acer)落葉喬木樹種,天然分布于我國西北以及內(nèi)蒙古、山東、江蘇北部等地區(qū),近年來四川、甘肅、云南、貴州等地區(qū)在荒山造林和退耕還林中大量種植元寶楓[17]。元寶楓種仁含油量為40%～48%(90%以上為不飽和脂肪酸且其中含5%～7%的功能性脂肪酸——神經(jīng)酸),具有促進機體發(fā)育、調(diào)節(jié)脂類代謝、消炎抗氧化、減少心血管疾病等生理作用,所含神經(jīng)酸是組成大腦神經(jīng)細胞膜的重要成分,對于維持大腦神經(jīng)系統(tǒng)的正?；顒印⒋龠M神經(jīng)細胞的生長發(fā)育及預防神經(jīng)退行性疾病有重要作用;元寶楓葉片中黃酮類化合物、綠原酸等物質(zhì)含量較高,具有一定的抗氧化和保健功能,有望成為國家新資源食品[18-19]。元寶楓作為“食藥兩用”樹種,已成為開發(fā)系列保健品和藥品的重要原料[20-21]。同時,元寶楓側(cè)根發(fā)達,具有較強的耐旱、抗寒、抗風害能力,是綠化、景觀和水土保持的理想樹種[22]。元寶楓已于2015年被國家林業(yè)和草原局列為全國重點發(fā)展的木本油料樹種,2019年列入國家儲備林建設樹種目錄?，F(xiàn)階段關于元寶楓開發(fā)利用(涉及油料、栲膠、蛋白質(zhì)資源、醫(yī)藥保健、化工原料等行業(yè))、資源培育的相關研究較多[23],也有部分研究涉及施用化肥、干旱脅迫、重金屬脅迫條件下元寶楓幼苗的生長及生理響應[24-26]。本研究組前期研究發(fā)現(xiàn),添加椰殼生物炭后顯著提高了元寶楓育苗基質(zhì)有機質(zhì)、速效鉀含量和蔗糖酶、過氧化氫酶活性,顯著降低了基質(zhì)酸性[27]。然而,不同制備材料的生物炭其比表面積、粒徑大小和理化性質(zhì)不同,生物炭對育苗基質(zhì)養(yǎng)分和幼苗生長的影響因生物炭種類、添加量和作物種類不同而有所差異。因此,在大范圍推廣生物炭育苗基質(zhì)之前,需根據(jù)生物炭種類、針對不同作物進行深入研究,以篩選出最佳添加量[10]?；诖?本研究以元寶楓為研究對象,通過育苗盆栽試驗,測定不同種類和施用量的生物炭對元寶楓育苗基質(zhì)養(yǎng)分及酶活性的影響,以期篩選出最優(yōu)的生物炭種類及其施用量,為元寶楓育苗基質(zhì)改良及優(yōu)質(zhì)苗木培育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

育苗試驗所用的元寶楓種子采自昆明市石林大道上發(fā)育健壯、樹形豐滿、生長良好和無病蟲害的元寶楓母樹。

調(diào)配育苗基質(zhì)時所用紅土采自昆明市呼馬山,其pH 6.6、有機碳含量1.03 g/kg、全氮0.30 g/kg、全磷1.10 g/kg、全鉀2.45 g/kg、水解性氮22.37 mg/kg、有效磷2.44 mg/kg、速效鉀109.27 mg/kg。

竹炭、橡膠木炭、稻殼炭購買于福建優(yōu)選炭業(yè)有限責任公司。3種生物炭基本特性見表1。

表1 參試生物炭基本特性

1.2 試驗設計

試驗地位于云南省昆明市西南林業(yè)大學樹木園實驗基地。試驗用花盆直徑為17 cm,高12 cm。

共設置11個處理,對照組CK0僅有紅土,不加椰糠、不加生物炭;CK1為常規(guī)輕基質(zhì)(V椰糠∶V紅壤=3∶7),不加生物炭;其余處理均為常規(guī)輕基質(zhì)(V椰糠∶V紅壤=3∶7),并分別添加3個不同比例施用量(3%、5%、7%)的竹炭、橡膠木炭、稻殼炭。各處理試驗設計如表2所示。每個處理設置10個重復。播種前按照試驗設計把足量生物炭與育苗基質(zhì)(0.8 kg)拌勻待用。

表2 不同處理生物炭種類及其用量

元寶楓種子于2022年4月5日播種,播深2～3 cm。播后定期澆水和除草,分別于7月底和8月底追施氮磷鉀復合肥(N∶P∶K=15∶15∶15),每盆施肥8 g。1年后進行生長調(diào)查。

1.3 樣品采集與測定方法

元寶楓生長初期為4—5月、生長后期為8—9月[28-29],因此分別于2022年5月25日和2022年9月25日取基質(zhì)樣品,帶回實驗室經(jīng)自然風干、磨細、過篩后進行基質(zhì)養(yǎng)分和酶活性測定。pH采用pH計測定;基質(zhì)養(yǎng)分含量參考鮑士旦[30]的方法測定,其中有機碳采用油浴加熱-重鉻酸鉀氧化容量法、全氮采用凱氏定氮法、全磷采用高氯酸消解-鉬銻抗比色法、全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計法、水解性氮采用堿解擴散法、有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法、速效鉀采用醋酸銨-火焰光度計法。基質(zhì)酶活性參考關松蔭[31]的方法測定,其中脲酶活性采用靛酚比色法、過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法、蔗糖酶活性采用3-5二硝基水楊酸法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019進行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制;運用SPSS 24.0軟件進行單因素方差分析和通徑分析;運用Origin 2023軟件進行相關性分析和聚類分析;運用Canoco 5軟件進行冗余分析(RDA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類生物炭對基質(zhì)pH及養(yǎng)分含量的影響

2.1.1 基質(zhì)pH和有機碳

圖1顯示,CK0和CK1處理基質(zhì)呈弱酸性,施用生物炭明顯增加了不同時期基質(zhì)的pH。添加生物炭后生長初期基質(zhì)pH變化范圍為6.69～7.23,生長后期基質(zhì)pH變化范圍為6.89～7.21。不同時期竹炭處理基質(zhì)的pH隨施炭量的增加而增加。

圖1 不同處理不同時期基質(zhì)pH和有機碳含量

不同處理對基質(zhì)有機碳含量存在顯著差異(P<0.05)。與不加生物炭處理相比,DK7%處理顯著增加了生長初期和生長后期基質(zhì)有機碳含量,比CK0分別提高了92.20%、81.46%,比CK1分別提高了71.15%、34.11%;其余處理基質(zhì)有機碳含量均較不加生物炭處理有不同程度增加。

2.1.2 基質(zhì)全量養(yǎng)分

圖2顯示,施用生物炭能有效提升基質(zhì)中全氮、全磷、全鉀的含量,各處理均高于不加生物炭處理。各處理間全氮含量差異性顯著(P<0.05),稻殼炭處理對基質(zhì)全氮含量提升效果最為顯著,DK7%含量最高,不同時期分別提高了68.52%、76.38%。生長初期,竹炭處理對基質(zhì)全磷和全鉀含量提升效果最為突出,且隨施炭量增加呈先增加后減少的趨勢,以ZT5%處理最高,全磷和全鉀分別提高了55.78%、31.73%;生長后期橡膠木炭處理對基質(zhì)全磷和全鉀含量提升效果最好,全磷以XJ3%處理最高,提高了80.56%;全鉀以XJ7%處理最高,提高了52.79%。

圖2 不同處理不同時期基質(zhì)全量養(yǎng)分含量

2.1.3 基質(zhì)速效養(yǎng)分

由圖3可知,不同處理下不同時期基質(zhì)水解性氮、有效磷、速效鉀養(yǎng)分含量存在顯著差異(P<0.05)。從整體看水解性氮含量生長后期高于生長初期,有效磷含量生長后期低于生長初期,速效鉀含量兩個時期浮動不大。生長初期稻殼炭處理對基質(zhì)水解性氮、有效磷、速效鉀含量提升效果最好,且最優(yōu)處理都為DK7%,分別提高了45.26%、63.67%、43.03%。生長后期水解性氮以DK3%處理最高,提高了56.66%;有效磷和速效鉀均以ZT5%處理最高,分別提高了82.22%和36.77%。

圖3 不同處理不同時期基質(zhì)速效養(yǎng)分含量

2.2 不同種類生物炭對基質(zhì)酶活性的影響

表3顯示,不同種類生物炭不同施用量對基質(zhì)三種酶(脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶)活性均表現(xiàn)為促進作用,各處理對3種酶均有顯著影響(P<0.05)。從整體看,添加生物炭后生長后期基質(zhì)酶活性均高于生長初期;施用稻殼炭的處理基質(zhì)脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶的活性均明顯高于竹炭和橡膠木炭處理。不同時期,基質(zhì)脲酶活性隨稻殼炭施炭量的增加而增加,提升效果最好的處理均為DK7%。在整個生長期,施加生物炭后的各處理其基質(zhì)過氧化氫酶活性一直持續(xù)在較高水平且十分穩(wěn)定,基質(zhì)過氧化氫酶活性均是DK7%提升效果最好。從生長初期到生長后期各處理的蔗糖酶活性都顯著提高了;DK3%在不同生長時期對基質(zhì)蔗糖酶活性的提升效果均最好,分別提高了43.40%和67.06%。

表3 不同處理不同時期基質(zhì)酶活性

2.3 基質(zhì)pH、養(yǎng)分含量與酶活性的相關性分析和冗余分析

圖4顯示,基質(zhì)pH、養(yǎng)分含量與酶活性之間有一定相關性?；|(zhì)pH與過氧化氫酶、全氮與脲酶、水解性氮與蔗糖酶、脲酶與過氧化氫酶呈極顯著正相關(P<0.01),基質(zhì)pH與速效鉀、有機碳與全氮、有機碳與脲酶、全氮與全鉀、全鉀與速效鉀、水解性氮與速效鉀、水解性氮與脲酶、速效鉀與過氧化氫酶、脲酶與蔗糖酶呈顯著正相關(P<0.05)。

圖4 基質(zhì)pH、養(yǎng)分含量與酶活性之間的相關性分析

采用冗余分析可以較好地描述基質(zhì)養(yǎng)分與酶活性之間的相關性。由圖5可知,第一約束軸為67.94%,第二約束軸為14.42%,由解釋量可以看出8個基質(zhì)養(yǎng)分解釋了82.35%的總特征值,進而說明基質(zhì)養(yǎng)分對酶活性存在一定的影響。對酶活性影響較大的養(yǎng)分因子是水解性氮和pH,其余相關性結(jié)果與圖4一致。

圖5 基質(zhì)pH、養(yǎng)分含量與酶活性之間的冗余分析

2.4 基質(zhì)養(yǎng)分與酶活性的相互關系

上述簡單的相關分析不能全面反映變量間的內(nèi)在聯(lián)系,采用通徑分析方法進一步分析基質(zhì)養(yǎng)分對酶活性的影響程度。由表4可知,基質(zhì)養(yǎng)分中對脲酶影響較大的前4個因素依次為:速效鉀(-0.735)>全氮(0.682)>全鉀(0.679)>有機碳(0.479)。各因素通過速效鉀和全氮對脲酶的間接通徑系數(shù)較大,分別為-0.517和0.456,表明速效鉀和全氮是對脲酶影響較大的養(yǎng)分因子。對過氧化氫酶影響較大的前4個因素為全氮、pH、全鉀和速效鉀,其直接通徑系數(shù)分別為0.682、0.539、0.487、-0.362。各因素通過全氮和pH對過氧化氫酶的間接通徑系數(shù)較大,分別為0.456和0.379,表明過氧化氫酶的直接影響因素是全氮和pH。對蔗糖酶影響較大的前4個因素依次為:水解性氮(1.468)>全鉀(-1.426)>全磷(0.668)>全氮(-0.598)。各因素通過全鉀和水解性氮對蔗糖酶的間接通徑系數(shù)較大,分別為-0.954和0.890,表明蔗糖酶的直接影響因素是全鉀和水解性氮。

表4 基質(zhì)養(yǎng)分與酶活性的通徑系數(shù)

2.5 不同處理與基質(zhì)養(yǎng)分含量酶活性的聚類分析

如圖6所示,XJ3%處理對全磷含量表達量較高,ZT5%處理對有效磷含量表達量較高,DK7%處理對全氮和脲酶含量表達量較高,CK0處理對各指標含量表達量都較低。對各處理進行聚類分析按相似親疏程度將其劃分為4個類群:第一類是CK0和CK1處理,這一類的基質(zhì)養(yǎng)分含量水平較低,屬于低等肥力水平;第二類是ZT3%、DK3%、DK5%、ZT7%、XJ3%、XJ5%和XJ7%處理,這類處理對基質(zhì)養(yǎng)分含量和酶活性的提升效果一般,屬于一般肥力水平;第三類是ZT5%處理,這類處理對基質(zhì)養(yǎng)分含量和酶活性的提升效果中等,屬于中等肥力水平;第四類是DK7%處理,這類處理對基質(zhì)養(yǎng)分含量和酶活性的提升效果顯著,屬于高等肥力水平。

圖6 元寶楓不同處理與基質(zhì)養(yǎng)分含量酶活性的聚類分析熱圖

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本研究表明,不同種類、不同施用量的生物炭添加均不同程度提高了基質(zhì)pH值和養(yǎng)分含量。添加生物炭處理的基質(zhì)pH值范圍為6.89～7.21,更適宜元寶楓生長,改善了元寶楓幼苗生長環(huán)境,這與劉新等[32]研究結(jié)果基本一致。本研究中施入生物炭顯著提高了基質(zhì)有機碳含量,這與劉凱傳[33]的研究結(jié)果一致?？赡苁且驗樯锾恐泻写罅康挠袡C碳,短時間內(nèi)能迅速提高基質(zhì)有機碳含量[34]。從整體來看,基質(zhì)有機碳含量在生長初期高于生長后期,可能是由于生長過程中有機碳被植物所吸收,但其具體機理還待進一步研究。

磷是植物生長所需的重要養(yǎng)分之一,施加生物炭可以通過吸附土壤中的磷,增加土壤有效磷含量,從而提高植物對磷的吸收[39]。生物炭能長效緩釋出磷,也可減少土壤對磷吸附固定,從而降低土壤中磷淋溶,提高土壤磷素含量和可利用性[40]。本研究中添加不同種類、不同施用量生物炭均提高了基質(zhì)全磷和有效磷含量。比表面積越大,對磷的吸附能力越強[41],同時磷淋失量越少[42],磷含量就會相對較高。生長后期施用橡膠木炭的處理其基質(zhì)全磷含量優(yōu)于竹炭和稻殼炭處理,這可能受3種炭比表面積大小影響,從而基質(zhì)全磷含量也以比表面積最大的橡膠木炭最高。施入生物炭后顯著提高了基質(zhì)速效鉀含量,且整個生長期都呈現(xiàn)較高的趨勢,這與修立群[43]的研究結(jié)果一致,但與張紅雪等[44]研究結(jié)果不一致,可能是由于在兩個研究中生物炭和植物種類的不同所致,或是因為其參試植物的生長時間短于本研究從而未得出生物炭對全鉀長期作用的效果。

土壤酶活性是影響新陳代謝的重要因素,也是判斷土壤活躍程度、養(yǎng)分循環(huán)狀況和微生物活性的重要指標[45]。本研究發(fā)現(xiàn),施用不同種類的生物炭均可顯著提高基質(zhì)酶活性,這與吳強建等[46]研究結(jié)果一致?？赡苁巧锾课交|(zhì)中的反應底物,加強了酶促反應,進而提高了基質(zhì)酶活性[47]。土壤酶活性與養(yǎng)分含量之間存在顯著或極顯著相關性[48],本研究結(jié)果與此相同。運用通徑分析可計算出直接和間接通徑系數(shù),通過系數(shù)絕對值大小可分析各環(huán)境因子對酶活性的直接和間接影響大小,能更加準確地說明各環(huán)境因子與酶活性之間的關系[49]。本研究中通徑分析結(jié)果表明,基質(zhì)養(yǎng)分與酶活性之間存在直接或間接作用,這與前人研究結(jié)果一致[50]。各養(yǎng)分指標對3種酶活性的直接影響均大于各自的間接影響,說明這些養(yǎng)分指標主要通過直接作用影響酶活性,這與張雅茜等[51]的研究結(jié)果不一致,可能是因為本研究中育苗基質(zhì)添加了生物炭,基質(zhì)水熱條件較好,使得基質(zhì)養(yǎng)分積累較多且快速轉(zhuǎn)化,直接影響了基質(zhì)微生物活性,導致基質(zhì)養(yǎng)分與酶活性與之間的相關性顯著[52]。

3.2 結(jié)論

育苗基質(zhì)中添加生物炭能提高基質(zhì)養(yǎng)分及酶活性。施用稻殼炭處理其基質(zhì)酶活性、pH、有機碳、全氮、水解性氮含量提高效果優(yōu)于竹炭和橡膠木炭處理,DK7%對基質(zhì)酶活性提升效果最好?；|(zhì)養(yǎng)分與酶活性之間存在顯著或極顯著相關關系,對酶活性影響較大的養(yǎng)分因子為水解性氮和pH;聚類分析結(jié)果顯示DK7%處理對基質(zhì)養(yǎng)分含量和酶活性的提升效果顯著。綜合來看,添加不同種類生物炭對元寶楓育苗基質(zhì)pH、養(yǎng)分含量及酶活性均有影響,7%稻殼炭為最佳施炭量。研究結(jié)果可為元寶楓生物炭基質(zhì)優(yōu)良苗木培育提供參考。