生物炭對風沙地披堿草生長特征的影響

摘要 為揭示生物炭類型和梯度對風沙土的改良效果，以披堿草為研究對象，木炭、秸稈炭、草炭3種生物炭為材料，設(shè)置1、2、3、4、5 kg/m2不同施用量，研究不同處理下披堿草各生育期株高、莖粗、根系指標的變化特征。結(jié)果表明，木炭、秸稈炭、草炭對披堿草生長指標有明顯促進作用。株高和莖粗在成熟期達到最大值，根系總根長、根尖數(shù)和根系直徑在抽穗期達到最大值。木炭T4（4 kg/m2）+秸稈炭T5（5 kg/m2）+草炭T4（4 kg/m2）對披堿草株高和莖粗的影響最明顯，木炭T3（3 kg/m2）+秸稈炭T5（5 kg/m2）+草炭T4（4 kg/m2）對披堿草根系總根長、根尖數(shù)、根系直徑的影響最明顯。株高和莖粗均與根系總根長、根尖數(shù)、根系直徑呈正相關(guān)。綜上所述，生物炭可以有效促進風沙地披堿草生長發(fā)育，其中木炭T4（4 kg/m2）或T3（3 kg/m2）+秸稈炭T5（5 kg/m2）+草炭T4（4 kg/m2）效果最佳。

關(guān)鍵詞 生物炭；披堿草；生長特征；風沙地改良；土地退化

中圖分類號 S157 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）15-0062-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.15.014

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Effect of Biochar on the Growth Characteristics of Elymus dahuricus in Sandy Land

DING Meng1， DENG Ting-ting2

（1. Heishan County Government Service Center， Jinzhou， Liaoning 121400;2. College of Environmental Science and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin， Liaoning 123000）

Abstract To reveal the improvement effect of biochar types and gradients on aeolian sandy soil， Elymus dahuricus was selected as the test crop， and charcoal， straw charcoal， peat were selected as the test improvers. Five different factors of field experiments （1， 2， 3， 4 and 5 kg/m2） were set to study the changes in plant height， stem diameter and root system indicators of Elymus dahuricus at different growth stages under different treatments. The results showed that charcoal， straw charcoal and peat could promote the growth indexes of Elymus dahuricus. The plant height and stem diameter reached their maximum values at maturity， while the total root length， number of root tips and root diameter reached their maximum values at heading stage. The effects of charcoal T4 （4 kg/m2）， straw charcoal T5 （5 kg/m2） and peat T4 （4 kg/m2） on plant height and stem diameter of Elymus dahuricus were the most significant. The effects of charcoal T3 （3 kg/m2）， straw charcoal T5 （5 kg/m2）， and peat T4 （4 kg/m2） on total root length， root tip number， and root diameter of Elymus dahuricus were the most significant. Plant height and stem diameter were positively correlated with total root length， root tip number and root diameter. The effect of biochar on promoting the growth and development of Elymus dahuricus was significant， of which the effect of charcoal T4 （4 kg/m2） or T3 （3 kg/m2）+straw charcoal T5 （5 kg/m2）+peat T4 （4 kg/m2） was the best.

Key words Biochar;Elymus dahuricus;Growth characteristic;Sandy land melioration;Land degradation

土地沙化是指在干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，導致區(qū)域植被退化或消失，形成風力作用下的風沙運動，是一種典型的土地退化［1］。我國是世界上沙化土地面積大、分布廣、危害重的國家之一，嚴重的土地沙化威脅著我國生態(tài)安全和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展［2］。土地沙化所形成的風沙土由于本身顆粒較粗，土壤膠體含量偏低，保水保肥能力差，造成土壤中的有機質(zhì)與細粒物質(zhì)流失，導致土壤進一步粗化、肥力進一步下降的惡性循環(huán)，土地生產(chǎn)力嚴重衰退，作物抗逆能力降低，土壤病蟲害加劇，不利于作物的生長發(fā)育。因此，開展風沙土的改良和修復研究對維持農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟以及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

生物炭孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)良、比表面積大，具有較好的吸附能力［3］，且成本較低，可以有效地提高土壤質(zhì)量、改善土壤結(jié)構(gòu)、促進植物生長［4-5］，常將其應(yīng)用在土地退化區(qū)域或生態(tài)修復區(qū)域。相關(guān)研究表明，施加生物炭可以促進植物生長發(fā)育［6-8］，而這種促進作用受到生物炭種類、施用量以及土壤類型等的影響［9-10］。Hossain等［11］、Zhang等［12］、Zhang等［13］分別研究了生物炭對番茄、水稻、玉米產(chǎn)量的影響，其結(jié)果均表明生物炭可以不同程度地提高作物產(chǎn)量。施加生物炭會改變土壤結(jié)構(gòu)和土壤性質(zhì)，進而影響植物根系以及地上部分的生長發(fā)育。因此，筆者以披堿草為研究對象，研究不同生物炭類型和水平條件下披堿草不同生長周期株高、莖粗、根系總根長、根尖數(shù)、根系直徑的變化特征，揭示不同處理條件下披堿草生長指標的差異性，探討披堿草各生長指標之間的相關(guān)性，以期為風沙地植被恢復與生態(tài)環(huán)境修復提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省阜新市章古臺鎮(zhèn)，地處遼西地區(qū)，科爾沁沙地南緣，四季分明，年降雨量510 mm，主要集中在6—8月，年蒸發(fā)量1 350 mm，年平均氣溫7.2 ℃，年平均風速3.7 m/s，年無霜期為150 d。研究區(qū)土壤類型主要以風沙土為主，砂粒含量多，土壤養(yǎng)分含量偏低，土壤呈弱酸性。植被類型以抗旱性強、防風固沙效果好的草原植物和中旱生植物為主。人工固沙林主要的優(yōu)勢樹種為樟子松f37364a010ad8e71b4e2d63dabfe30cb8d7f7007cfd24165ba5c6bf3348813e4（Pinus sylvestris var.mongolica Litv.）、云杉（Picea asperata Mast.）、榆樹（Ulmus pumila L.）、楊樹（Populus L.）等；林下植被以沙生植被為主，代表植物有黃蒿（Artemisia scoparia Waldst.& Kit.）、賴草［Leymus secalinus（Georgi）Tzvelev］、狗尾巴草［Setaria viridis（L.）Beauv.］、披堿草（Elymus dahuricus）、苜蓿草（Lotuscorniculatus L）、蒺藜（Tribulus terrestris L.）、興安胡枝子（Lespedeza davurica Laxm.）等。

1.2 試驗材料

披堿草由遼寧省風沙地改良利用研究所提供。披堿草是禾本科披堿草屬多年生叢生草本植物，具有抗寒、耐貧瘠、抗風沙等特性，廣泛分布在我國內(nèi)蒙古、青海、山西、遼寧、吉林等地區(qū)［14］。披堿草生長力強，具有較好的抗蟲性和抗逆性，尤其是根系發(fā)達，適應(yīng)能力強，在抗風沙災害、水土保持、土壤肥力等方面具有較好的作用，是風沙地、鹽堿地等生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)修復與重建的主要草種［15-16］。

生物炭購自沈陽農(nóng)業(yè)大學生物炭工程技術(shù)中心，包括木炭、秸稈炭、草炭3種，其有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量見表1。

1.3 試驗設(shè)計

試驗樣地位于遼寧省風沙地改良利用研究所彰武臺試驗基地，始建于2017年，總面積為27 m×18 m，共設(shè)計54個樣方，每個樣方面積為3 m×3 m；同時，在樣方邊緣再布置3個空白對照樣地，其面積為3 m×3 m。在種植披堿草之前，對每個樣方進行前期處理。首先，除去每個樣方內(nèi)的雜草、雜物、石塊等物質(zhì)，利用鐵鍬和鋤頭翻動20 cm土層范圍內(nèi)的土壤，使其松散；再將木炭、秸稈炭、草炭按照樣方編號均勻地撒到每個樣方內(nèi)，為了使生物炭與土壤充分接觸、混合，再一次翻動土壤，在翻動過程中用鋤頭敲擊可能出現(xiàn)的土塊，使生物炭與土壤混合均勻。生物炭梯度依次為0 kg/m2（CK）、1 kg/m2（T1）、2 kg/m2（T2）、3 kg/m2（T3）、4 kg/m2（T4）、5 kg/m2（T5），分析不同生物炭組合對風沙土的改良效應(yīng)。

1.4 測定項目與方法

試驗為披堿草生長全周期，共設(shè)計拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期4個時間點，每個時間點采集各樣方5株長勢良好的披堿草。利用鏟子將整株披堿草完整取出，采用直尺測量披堿草株高，采用游標卡尺測量披堿草莖粗。將整株披堿草完整地放入密封袋內(nèi)并帶回實驗室，采用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)測定根系總根長、根尖數(shù)、根系直徑等指標。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 22.0進行方差分析、相關(guān)性分析，采用LSD法進行顯著性檢驗，以P<0.05為顯著性檢驗水平，以P<0.01為極顯著性檢驗水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對披堿草株高和莖粗的影響

由圖1可知，在一個完整的生長周期內(nèi)，披堿草株高隨著時間的增加而增大，拔節(jié)期披堿草株高最低，抽穗期和灌漿期株高增高，直到成熟期株高達到最大值。生物炭類型和水平會影響披堿草株高，其影響程度不同。在拔節(jié)期，不同水平下木炭、秸稈炭、草炭披堿草株高的增加幅度分別為16.51%～47.41%、29.54%～70.06%、13.13%～83.89%，其中木炭T4、秸稈炭T5、草炭T4的增加幅度最大。披堿草抽穗期株高會明顯增大，是4個時期株高增加幅度最大的一個時期，木炭、秸稈炭、草炭3種生物炭不同處理披堿草株高分別

為46.89～59.13、52.43～65.43、48.05～78.06 cm；灌漿期和成熟期，披堿草株高繼續(xù)增大并且達到最大值，3種生物炭不同處理披堿草株高分別為65.87～74.89、69.85～94.27、67.85～97.45 cm。與對照樣地相比，施用生物炭可以明顯提高披堿草株高，對披堿草株高有一定的促進作用，其不同生物炭類型的促進作用不同，總體上表現(xiàn)為秸稈炭>草炭>木炭。

由圖1可知，披堿草莖粗在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期持續(xù)增大，且生物炭類型和水平對披堿草莖粗的增加程度也不同。在拔節(jié)期，木炭、秸稈炭、草炭3種生物炭不同處理披堿草莖粗分別為2.02～2.45、2.30～2.78、2.43～2.68 cm，且木炭T4、秸稈炭T5、草炭T4的增加幅度最大，這與披堿草株高增加幅度的變化規(guī)律相一致，說明披堿草莖粗和株高之間具有一定的一致性。隨著披堿草進入抽穗期、灌漿期、成熟期，不同處理披堿草莖粗逐漸增大，成熟期3種生物炭不同處理披堿草莖粗分別為2.68～2.95、2.77～3.26、2.98～3.54 cm。與對照樣地相比，施用生物炭可以明顯提高披堿草莖粗，促進披堿草的生長發(fā)育，其中以草炭的促進作用最為顯著，木炭次之，秸稈炭的促進作用最差。

2.2 生物炭對披堿草根系指標的影響

由圖2可知，披堿草根系總根長在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期并非一直持續(xù)增長狀態(tài)，而是在抽穗期達到最大值。在拔節(jié)期，木炭、秸稈炭、草炭3種生物炭不同處理披堿草根系總根長分別為1 621.45～1 892.32、1 742.32～2 664.45、1 978.34～2 834.14 cm，其中木炭T3、秸稈炭T5、草炭T4的增加幅度最大；在抽穗期達到最大，根系總根長分別為2 878.98～3 256.35、3 011.11～4 223.12、3 245.34～4 847.13 cm，該階段根系總根長的增加幅度也最大，相比于拔節(jié)期，木炭、秸稈炭、草炭抽穗期根系總根長的增加幅度分別為65.13%～84.46%、51.80%～72.82%、45.41%～97.30%。與抽穗期相比，灌漿期和成熟期披堿草根系總根長均降低，灌漿期3種生物炭不同處理披堿草根系總根長分別為2 198.11～2 582.55、2 345.12～3 210.98、2 566.32～4 308.45 cm，成熟期分別為1 578.45～2 032.45、1 679.45～2 345.87、2 078.54～2 543.51 cm。總體來看，與對照樣地相比，施用生物炭可以明顯提高披堿草根系長度，說明生物炭可以促進植物根系生長發(fā)育，為根系延伸、穿插提供空間和條件，進而植物通過根系可以吸收更多的水分和養(yǎng)分等。不同類型生物炭對披堿草根系總根長的促進作用不同，表現(xiàn)為草炭>秸稈炭>木炭。

由圖2可知，披堿草根尖數(shù)在生長周期內(nèi)呈先增大后減小的變化趨勢，在抽穗期達到最大值，這與根系總根長的變化規(guī)律相一致。在拔節(jié)期，木炭、秸稈炭、草炭3種生物炭不同處理披堿草根尖數(shù)分別為654～701、687～887、739～988個，隨后，披堿草根尖數(shù)繼續(xù)增大，進入抽穗期達到最大值，且增加幅度也最大，3種生物炭不同處理披堿草根尖數(shù)分別為867～995、956～1 321、976～2 564 個；灌漿期和成熟期披堿草根尖數(shù)持續(xù)降低，成熟期3種生物炭不同處理披堿草根尖數(shù)分別為620～789、698～1 023、878～1 231 個。施用生物炭可以有效地提高披堿草根系生長，促進披堿草根系分蘗，擴大植物根系分布范圍，增強植物根系吸收水分和養(yǎng)分的能力，為提高披堿草抗逆性以及快速生長發(fā)育提供基礎(chǔ)。披堿草根系直徑在抽穗期達到最大值，3種生物炭不同處理披堿草根系直徑分別為0.457～0.477、0.465～0.502、0.479～0.551 cm，相比于拔節(jié)期分別增加11.93%～22.85%、14.35%～21.55%、16.75%～24.42%，灌漿期和成熟期披堿草根系直徑均降低，成熟期3種生物炭不同處理披堿草根系直徑分別為0.318～0.348、0.321～0.348、0.342～0.416 cm。與對照樣地相比，不同處理生物炭披堿草根尖數(shù)和根系直徑均明顯提高，表現(xiàn)為草炭>秸稈炭>木炭?？傮w來看，木炭T3（3 kg/m2）+秸稈炭T5（5 kg/m2）+草炭（4 kg/m2）對披堿草根系總根長、根尖數(shù)、根系直徑的影響最明顯。

對比不同生物炭處理拔節(jié)期到抽穗期披堿草各生長指標增加幅度（圖3）可知，生物炭可以促進披堿草生長發(fā)育，對披堿草不同生長指標的促進程度表現(xiàn)為根系總根長>根尖數(shù)>株高>根系直徑>莖粗。

2.3 披堿草生長指標相關(guān)性分析

由表2可知，披堿草在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期的株高和莖粗均與根系總根長、根尖數(shù)、根系直徑呈顯著或極顯著正相關(guān)（P<0.05、P<0.01），說明披堿草地上生長指標與地下生長指標關(guān)系密切。在拔節(jié)期，株高、莖粗、根系總根長、根尖數(shù)、根系直徑兩兩之間均達到極顯著正相關(guān)（P<0.01），其中株高與其他指標的相關(guān)程度為根系直徑>總根長>莖粗>根尖數(shù)，莖粗與其他指標的相關(guān)程度為根尖數(shù)>總根長>株高>根系直徑。在抽穗期，株高與總根長、根尖數(shù)、根系直徑呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與莖粗呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；莖粗與總根長、根系直徑呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與根尖數(shù)呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；總根長與根尖數(shù)、根系直徑呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）；根尖數(shù)與根系直徑呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）；株高與其他指標的相關(guān)程度為總根長>根尖數(shù)>根系直徑>莖粗，莖粗與其他指標的相關(guān)程度為根系直徑>總根長>根尖數(shù)>株高。在灌漿期，株高、莖粗、根系總根長、根尖數(shù)、根系直徑兩兩之間均達到極顯著正相關(guān)（P<0.01），其中株高與其他指標的相關(guān)程度為莖粗>根系直徑>總根長>根尖數(shù)，莖粗與其他指標的相關(guān)程度為根尖數(shù)=總根長>根系直徑>株高。在成熟期，株高、莖粗、根系總根長、根尖數(shù)、根系直徑兩兩之間均達到極顯著正相關(guān)（P<0.01），其中株高與其他指標的相關(guān)程度為莖粗>根系直徑>總根長>根尖數(shù)，莖粗與其他指標的相關(guān)程度為總根長>根尖數(shù)>根系直徑>株高。

3 討論

研究區(qū)降雨量少、蒸發(fā)量大，土壤為風沙土，砂粒含量高而黏粒、有機質(zhì)、養(yǎng)分含量低，不利于植物的生長發(fā)育［17］。披堿草作為一種典型的抗貧瘠、抗風沙、耐旱、適應(yīng)能力強的禾本科草本，具有較強的生命力和發(fā)達根系，是風沙地生態(tài)修復的主要草種［14］。株高和莖粗是最直觀反映披堿草地上生長狀況的2個指標，根系總根長、根尖數(shù)、根系直徑是體現(xiàn)根系的重要指標。由該研究結(jié)果可知，施加生物炭可以有效地提高披堿草株高、莖粗、根系總根長、根尖數(shù)、根系直徑，促進披堿草生長，改善風沙土土壤性質(zhì)。披堿草株高和莖粗在不同生長周期呈現(xiàn)持續(xù)增加的變化趨勢，且拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期的增加幅度不同，不同類型生物炭由拔節(jié)期到抽穗期表現(xiàn)為木炭T4、秸稈炭T5、草炭T4的增加幅度最大，說明在披堿草生長前期高水平生物炭梯度對披堿草的影響相對明顯，可以使披堿草株高和莖粗得到明顯提高。對比不同生物炭處理拔節(jié)期到抽穗期各披堿草生長指標增加幅度可知，生物炭可以促進披堿草生長發(fā)育，對披堿草不同生長指標的促進程度表現(xiàn)為根系總根長>根尖數(shù)>株高>根系直徑>莖粗。因此，生物炭施用可以提高披堿草生長發(fā)育和根系延伸、擴展，不僅可以有效改良土壤團聚體、土壤孔隙結(jié)構(gòu)等土壤特性，還能降低干旱和風沙環(huán)境對植物生長發(fā)育的抑制作用，提高披堿草抗逆性，這與焦敏娜等［18］的研究結(jié)果相一致。此外，生物炭的施用可以改善土壤微生物環(huán)境，加快披堿草新陳代謝和養(yǎng)分轉(zhuǎn)移，進一步促進了披堿草生長發(fā)育。

4 結(jié)論

施用生物炭對披堿草各生育期株高、莖粗、根系總根長、根尖數(shù)、根系直徑有促進作用，且生物炭類型和梯度對披堿草生長指標的影響程度不同，其中木炭T4、秸稈炭T5、草炭T4對披堿草株高和莖粗的影響最明顯，木炭T3、秸稈炭T5、草炭T4對披堿草根系總根長、根尖數(shù)、根系直徑的影響最明顯。在生長周期內(nèi)，披堿草株高、莖粗、根系總根長、根尖數(shù)、根系直徑之間具有顯著正相關(guān)關(guān)系。

參考文獻

［1］ 王濤.中國沙漠與沙漠化［M］.石家莊：河北科學技術(shù)出版社，2003：13-16.

［2］ 姜英，楊聯(lián)安，孫景梅，等.中國沙化土地動態(tài)變化分析［J］.水土保持通報，2006，26（5）：62-64.

［3］ 王欣，尹帶霞，張鳳，等.生物炭對土壤肥力與環(huán)境質(zhì)量的影響機制與風險解析［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31（4）：248-257.

［4］ 王忠江，劉卓，曹振，等.生物炭對東北黑土持水特性的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35（17）：147-153.

［5］ 孫寧川，唐光木，劉會芳，等.生物炭對風沙土理化性質(zhì)及玉米生長的影響［J］.西北農(nóng)業(yè)學報，2016，25（2）：209-214.

［6］ KAMMANN C I，LINSEL S，GLING J W，et al.Influence of biochar on drought tolerance of Chenopodium quinoa Willd and on soil-plant relations ［J］.Plant and soil，2011，345（1/2）：195-210.

［7］ BUSSCHER W J，NOVAK J M，EVANS D E，et al.Influence of pecan biochar on physical properties of a Norfolk loamy sand ［J］.Soil science，2010，175（1）：10-14.

［8］ SOLAIMAN Z M，MURPHY D V，ABBOTT L K.Biochars influence seed germination and early growth of seedlings ［J］.Plant and soil，2012，353（1）：273-287.

［9］ RAJKOVICH S，ENDERS A，HANLEY K，et al.Corn growth and nitrogen nutrition after additions of biochars with varying properties to a temperate soil ［J］.Biology and fertility of soils，2012，48（3）：271-284.

［10］ NOGUERA D，RONDN M，LAOSSI K R，et al.Contrasted effect of biochar and earthworms on rice growth and resource allocation in different soils ［J］.Soil biology & biochemistry，2010，42（7）：1017-1027.

［11］ HOSSAIN M K，STREZOV V，CHAN K Y，et al.Agronomic properties of wastewater sludge biochar and bioavailability of metals in production of cherry tomato（Lycopersicon esculentum）［J］.Chemosphere，2010，78（9）：1167-1171.

［12］ ZHANG A F，CUI L Q，PAN G X，et al.Effect of biochar amendment on yield and methane and nitrous oxide emissions from a rice paddy from Tai Lake plain，China ［J］.Agriculture，ecosystems & environment，2010，139（4）：469-475.

［13］ ZHANG A F，LIU Y M，PAN G X，et al.Effect of biochar amendment on maize yield and greenhouse gas emissions from a soil organic carbon poor calcareous loamy soil from Central China Plain ［J］.Plant and soil，2012，351（1）：263-275.

［14］ 王沛，陳玖紅，王平，等.披堿草屬植物抗逆性研究現(xiàn)狀和存在的問題［J］.草業(yè)學報，2019，28（5）：151-162.

［15］ SHAIBU A S，MOTAGI B N，MUHAMMAD K S.Peanut genotypes with high chlorophyll content and low leaf temperature are preferred in breeding program for drought prone areas［J］.Legume research，2019，42（6）：763-767.

［16］ 付娟娟，劉建，孫永芳，等.冷脅迫對2種垂穗披堿草生長和生理特性的影響［J］.草地學報，2014，22（4）：789-795.

［17］ 張云舒，唐光木，葛春輝，等.生物炭對灌耕風沙土土壤性質(zhì)及玉米產(chǎn)量的影響［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2018，36（6）：180-183.

［18］ 焦敏娜，周鵬，孫權(quán)，等.不同改性生物炭及施用量對風沙土土壤團聚體及牧草產(chǎn)量的影響［J］.中國土壤與肥料，2020（6）：34-40.