生物炭施用對菊花連作土壤性質(zhì)及其生長的影響

摘要：為了明確不同生物碳對菊花連作土壤改良及對連作菊花生長發(fā)育的作用效果，并揭示生物炭緩解菊花連作障礙的作用機(jī)理，以添加不同種類（稻殼、玉米芯、玉米秸稈）、不同用量（2%、4%）生物炭的菊花連作土壤為研究對象，根據(jù)土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分含量及植株生長指標(biāo)、根系性狀和生物量的變化，分析生物炭施用對連作土壤特性和菊花生長發(fā)育的影響。結(jié)果表明，3種生物炭會降低菊花連作土壤容重，提高土壤含水率和有機(jī)碳含量，顯著提升土壤速效氮、速效磷含量。生物炭的種類和添加水平對連作菊花株高、莖粗及干重等生長指標(biāo)影響顯著。與不添加生物炭的連作土壤處理相比，2%玉米秸稈生物炭處理的菊花株高、莖粗、葉面積、葉綠素相對含量分別增加15.00%、25.63%、42.94%、17.54%，地上部和地下部干重分別增加59.38%、70.95%。綜上，生物炭通過改善土壤的理化性質(zhì)提高土壤肥力，發(fā)揮其對連作土壤的改良作用，其中2%玉米秸稈生物碳處理的菊花品質(zhì)最佳，根據(jù)綜合表現(xiàn)，推薦其為生物炭緩解菊花連作障礙的施用參考。

關(guān)鍵詞：生物炭；菊花；連作；土壤性質(zhì)；生長發(fā)育指標(biāo)；土壤容重；土壤含水率

中圖分類號：S682.1⁺10.4；S682.1⁺10.6""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）22-0162-06

菊花（Chrysanthemum morifolium）是菊科菊屬多年生草本花卉^［1］，世界四大切花之一，觀賞與經(jīng)濟(jì)價值極高。在設(shè)施規(guī)?；a(chǎn)中，長期連續(xù)種植導(dǎo)致的連作障礙問題，使植株生長發(fā)育不良，切花觀賞及經(jīng)濟(jì)價值降低^［2］；病蟲害加重增加了農(nóng)藥的施用，造成環(huán)境逐年劣變^［3-4］。因此，探索改良連作土壤重的有效方法，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效的生產(chǎn)目標(biāo)，是設(shè)施菊花重要的研究課題。目前，人們對連作土壤改良的研究主要集中在選育抗性品種、土壤消毒、生物防治、使用土壤改良劑、栽培管理措施等方面^［5］，對于菊花連作土壤改良的研究報道并不多。生物炭是農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在缺氧條件下熱裂解形成的穩(wěn)定富碳產(chǎn)物^［6］，因其固有的結(jié)構(gòu)特征與理化特性，能夠發(fā)揮改土增產(chǎn)和固碳減排的作用^［7］。王彩云等認(rèn)為，生物炭應(yīng)用于多種作物連作障礙的改良，并取得了良好的效果^［8-11］。但生物炭在菊花連作土壤改良方面以及生物炭對連作菊花生長影響的應(yīng)用鮮有報道。本試驗以菊花連作土壤為對象，通過連作菊花對生物碳施用的響應(yīng)研究，探討不同生物炭及添加水平對土壤性能及菊花生長的影響，明確最適宜生物炭種類及添加量，以期為緩解設(shè)施菊花連作障礙提供理論依據(jù)與實踐基礎(chǔ)。

1"材料與方法

1.1"試驗材料

試驗于2023年3—8月在遼寧省經(jīng)濟(jì)作物研究所花卉研發(fā)區(qū)日光溫室內(nèi)進(jìn)行。供試土壤為菊花連作土壤，連作年限15年，基本理化性質(zhì)如下：pH值7.26，有機(jī)質(zhì)含量56.90 g/kg，全氮含量 1.96 g/kg，速效磷含量102.28 mg/kg，速效鉀含量58.60 mg/kg。供試菊花為切花菊品種白扇。生物炭購置于河南省鄭州市立澤環(huán)保科技有限公司，經(jīng)500 ℃限氧高溫裂解，炭化2～3 h制得玉米秸稈、玉米芯和水稻稻殼生物炭（表1）。

表1"供試生物炭基本理化性質(zhì)

生物炭pH值有機(jī)碳含量（g/kg）全氮含量（g/kg）全磷含量（g/kg）全鉀含量（g/kg）

玉米秸稈（SC）9.46422.1383.4123.13161.28

玉米芯（CC）8.21450.05107.6417.8110.59

稻殼炭（HC）8.14440.6055.7810.4749.23

1.2"試驗設(shè)計

試驗設(shè)3個生物炭類型（玉米秸稈、玉米芯和稻殼）、2個生物炭添加水平（2%、4%，即添加生物炭量占育苗基質(zhì)重的百分比），分別用SC1、SC2、CC1、CC2、HC1、HC2表示，以不施生物炭的連作土壤（CK1）和菊花頭耕土壤（CK2）作為對照，每個處理3次重復(fù)，共24個處理。盆栽試驗使用高30 cm、直徑30 cm的種植袋。試驗用土采自試驗地0～20 cm 耕層，自然風(fēng)干過5 mm篩，分別添加相應(yīng)用量生物炭混勻后，裝土10 kg/盆，靜置2周。選擇長勢一致健壯生根菊花苗，定植7株/盆，每個處理20盆。統(tǒng)一田間栽培管理。

1.3"測定項目與方法

土壤理化指標(biāo)測定：于菊花收獲后使用環(huán)刀取各種植袋0～20 cm土樣，測定土壤容重、土壤含水率^［12］。土壤酸堿度用雷磁pH計測定；土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；速效氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定；速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用火焰光度計法測定；全氮含量采用半微量凱氏法測定；全磷含量采用鉬銻抗比色法測定；全鉀含量采用火焰光度計法測定^［13］。

土壤容重=烘干土樣重/環(huán)刀容積；

土壤含水率=（烘干前鋁盒及土樣重－烘干后鋁盒及土樣重）/（烘干后鋁盒及土樣重-空鋁盒重）×100%。

菊花性狀測定：在菊花盛花期，每處理隨機(jī)選取5株長勢均勻、無病蟲害的植株，測定其株高、莖粗、葉面積、葉綠素相對含量（以SPAD值）、根長、根表面積、根體積和干物重。用直尺測量基質(zhì)表面到生長點(diǎn)的高度，即株高；用游標(biāo)卡尺測量植株中部莖稈粗度，即莖粗；每株自頂葉起第9、第10、第11張葉片的葉面積平均值記作該株單葉面積；用SPAD-502Plus葉綠素測定儀測定葉片葉綠素相對含量。利用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)測量根長、根表面積和根體積。將菊花地上部分和地下部分分別置于烘箱中105 ℃殺青 30 min，80 ℃烘至恒重后分別記為地上部、地下部植株干重。

1.4"數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和計算，使用Origin Pro 2023軟件繪圖，使用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2"結(jié)果與分析

2.1"生物炭對菊花連作土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1"土壤容重和含水率的差異

由圖1-A可知，添加生物炭的各處理土壤容重均低于CK1，與CK1相比依次降低12.95%、12.88%、7.00%、7.18%、13.84%、20.69%；其中SC1、SC2、HC1、HC2差異達(dá)顯著水平（Plt;0.05）。添加生物炭會增加連作土壤的含水率（圖1-B），且3種生物炭均表現(xiàn)為隨著添加量的增加處理土壤含水率也在增大。在4%添加水平上，3個生物炭處理的土壤含水率與CK1間差異達(dá)到顯著水平。

2.1.2"土壤pH值和有機(jī)碳含量的差異

由圖2-A可知，添加生物炭對菊花連作土壤pH值影響較小，除HC2的土壤pH值顯著低于CK1（Plt;0.05），其他處理與CK1差異不顯著。添加生物炭會增加連作土壤的有機(jī)碳含量，且表現(xiàn)為隨添加量的增加土壤有機(jī)碳含量也在增大，與CK1相比增幅在56.29%～94.48%，差異達(dá)到顯著水平（圖2-B）。

2.1.3"土壤養(yǎng)分含量的差異

由表2可知，各處理中全氮含量略有變化，但與CK1無顯著差異。各處理的速效氮含量變化較大，與CK1相比增幅為7.81%～28.92%，且差異達(dá)到顯著水平（Plt;0.05）。除SC1和HC1，各處理全鉀含量均高于CK1；其中CC2與CK1差異顯著，其他處理與CK1無顯著差異。各處理速效鉀含量均顯著高于CK1，由高到低依次為CC2、SC2、HC2、CC1、SC1、HC1，與CK1相比增幅分別為289.84%、197.58%、159.31%、

133.94%、73.92%、41.52%。各組處理全磷含量均不同程度高于CK1；其中SC1、SC2、CC2、HC2的全磷含量較CK1顯著增加16.22%、8.11%、8.11%、13.51%，CC1、HC1與CK1無顯著差異。各處理中僅HC1的速效磷含量低于CK1；其中SC2、CC1、CC2、HC2的速效磷含量較CK1顯著增加17.37%、14.14%、9.80%、12.67%，SC1、HC1與CK1無顯著差異。

2.2"生物炭對連作菊花生長的影響

2.2.1"菊花植株生長指標(biāo)的差異

不同生物質(zhì)及其添加水平對連作菊花株高、莖粗、葉面積及葉綠素相對含量的影響見圖3。與CK1相比，SC1、SC2、HC1植株株高分別顯著增加15.00%、13.89%、6.22%（Plt;0.05）；其他處理植株株高均低于CK1（圖3-a）。SC1植株莖粗、葉面積、葉綠素相對含量分別比CK1顯著增加25.63%、42.94%、17.54%；其他處理莖粗、葉面積和葉綠素相對含量與CK1無顯著差異（圖 3-B、圖3-C、圖3-D）。由圖3還可知，SC1的莖粗和葉面積與CK2無顯著差異，葉綠素相對含量顯著高于CK2；其他處理的各生長指標(biāo)均低于CK2，其中植株莖粗和葉面積與CK2差異達(dá)顯著水平，葉綠素相對含量與CK2無顯著差異。

2.2.2"菊花根系指標(biāo)的差異

由表3可知，生物炭種類及添加水平對連作菊花根系生長均有較大影響。與連作土壤CK1相比，3種生物炭2%添加水平的根長、根表面積和根體積均高于CK1，其中HC1的根長和根表面積、CC1的根表面積和根體積與CK1差異達(dá)到顯著水平（Plt;0.05）。與頭耕土壤CK2相比，3種生物炭2%添加水平的根系指標(biāo)與CK2無顯著差異，其中SC1的根體積、CC1的根表面積和根體積、HC1的根長均高于CK2。

2.2.3"菊花物質(zhì)積累的差異

由圖4可知，與CK1相比，SC1地上部和地下部干重分別顯著增加59.38%、70.95%。CC1和HC1處理的地下部干重略高于CK1，但差異不顯著。其他處理干重均低于CK1且不顯著。另外，僅SC1處理的地上部和地下部干重高于CK2，但不顯著。其他處理干重均顯著低于CK2。

綜上，添加生物炭會增加菊花株高、莖粗、葉面積及葉綠素相對含量，促進(jìn)根系生長，提高菊花總干重，在一定程度上改善連作引起的植株生長不良問題。其中，2%添加水平的玉米秸稈炭處理效果最佳，該處理植株生長指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于頭耕土壤菊花生長水平。

2.3"菊花生長指標(biāo)與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性分析

為進(jìn)一步了解土壤理化性質(zhì)對菊花生長的影響，將菊花主要生長指標(biāo)，即重要品質(zhì)指標(biāo)株高、莖粗、葉面積和地上部干重與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析。由圖5可知，植株株高與全氮（TN）、全磷（TP）含量呈極顯著正相關(guān)；莖粗和地上部干重與TP含量呈極顯著正相關(guān)；葉面積與速效氮（AN）、TP含量顯著正相關(guān)，與速效磷（AP）含量顯著負(fù)相關(guān)。土壤容重與TN、有機(jī)碳（SOC）含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與TP含量顯著負(fù)相關(guān)。有機(jī)碳與AP、AN含量呈極顯著正相關(guān)，與TN、TP含量呈顯著正相關(guān)。說明添加生物炭可以改善連作土壤的結(jié)構(gòu)，提升土壤養(yǎng)分含量和利用率，進(jìn)而對菊花生長產(chǎn)生積極影響。

3"討論

3.1"生物炭對菊花連作土壤理化性質(zhì)的影響

生物炭的多孔特性及大比表面積能夠改善土壤結(jié)構(gòu)及水分儲存^［14-17］。本研究供試生物炭均降低了連作土壤容重，增加了土壤的含水率，此外3種生物碳處理均表現(xiàn)出隨著添加量的增加，土壤含水率增大的趨勢。大多數(shù)生物炭的堿性特征，對堿性土壤的pH值影響較小^［18-19］。本試驗菊花連作土壤pH值為7.26，供試3種生物炭均為堿性，因此添加生物炭后各處理土壤pH值變化不顯著，這與前人的研究結(jié)果一致。劉佳遙等認(rèn)為， 添加生物炭能夠顯著提高土壤養(yǎng)分含量^［20-25］。本研究結(jié)果表明，除速效鉀含量表現(xiàn)為隨著生物炭添加量的增加而增大外，不同生物炭、不同添加水平的處理間土壤氮磷鉀養(yǎng)分含量的變化趨勢不盡相同。這可能是原料、炭化程度的差異，導(dǎo)致生物炭表面的官能團(tuán)、孔隙結(jié)構(gòu)、離子交換量等不同^［26］，進(jìn)而影響其對土壤中不同養(yǎng)分元素的吸附固定作用。因此，為發(fā)揮生物炭的積極作用，有效改良連作土壤，應(yīng)從生物炭種類、適宜用量方面綜合分析考量。

3.2"生物炭對連作菊花生長的影響

生物炭在作物增產(chǎn)提質(zhì)方面潛力巨大，關(guān)于其在作物生長發(fā)育方面表現(xiàn)出的正效應(yīng)已有諸多報道。田敏嬌等認(rèn)為，生物炭可以有效促進(jìn)番茄植株生長，增加產(chǎn)量，并顯著提高果實中維生素C和蔗糖含量，提升番茄品質(zhì)^［5］。卜曉莉等將木炭、稻殼炭與泥炭組成多種復(fù)合基質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其對馬纓杜鵑幼苗的生長、光合代謝和礦質(zhì)元素吸收均有不同程度的促進(jìn)作用^［27］。唐光木等認(rèn)為，與常規(guī)施肥相比，施用生物炭能夠有效促進(jìn)棉花根系形態(tài)建成，增加棉花細(xì)根根長、根表面積和根體積^［28］。本研究添加玉米秸稈炭可以顯著增加連作菊花的株高、莖粗、葉面積以及干重，玉米芯炭和稻殼炭在上述指標(biāo)方面的影響并不理想，但對根系生長起到積極作用。整體而言，玉米秸稈炭對連作菊花生長的正效應(yīng)更明顯。另外，3種生物炭對于多數(shù)生長指標(biāo)的影響均表現(xiàn)為隨著添加水平的增加生長指標(biāo)呈降低趨勢，即高施用量的生物炭對菊花生長產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng)。這與生物炭在藍(lán)莓、黃瓜、辣椒、烤煙等作物中的研究結(jié)論^［29-32］一致。因此，生物炭對作物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響與生物炭性質(zhì)、連作土壤特性以及作物生物學(xué)屬性均密切相關(guān)^［7］。將生物炭應(yīng)用于改善作物連作障礙，需要綜合考量上述諸多方面的影響，以確定生物炭的最佳施用量，確保其改土增產(chǎn)提質(zhì)的正效應(yīng)得以充分利用。

4"結(jié)論

生物炭的施用能夠顯著改善菊花連作土壤的理化性質(zhì)，促進(jìn)菊花生長發(fā)育，提高切花品質(zhì)。3種生物炭會降低菊花連作土壤容重，提高土壤含水率、有機(jī)碳含量和氮磷鉀含量。但生物炭的類型和添加水平對連作菊花株高、莖粗及干重等生長指標(biāo)的影響差異顯著，綜上2%玉米秸稈炭處理的菊花品質(zhì)最佳，達(dá)到或超過頭耕土壤菊花生長指標(biāo)。因此，玉米秸稈生物炭在菊花連作土壤改良上具有一定的應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)：

［1］中國科學(xué)院中國植物志編輯委員會. 中國植物志（第七十三卷第二分冊）［M］. 北京：科學(xué)出版社，1983.

［2］劉曉珍，肖"逸，戴傳超. 鹽城藥用菊花連作障礙形成原因初步研究［J］. 土壤，2012，44（6）：1035-1040.

［3］邢宇俊，程智慧，周艷麗，等. 保護(hù)地蔬菜連作障礙原因及其調(diào)控［J］. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2004，13（1）：120-123.

［4］高"群，孟憲志，于洪飛. 連作障礙原因分析及防治途徑研究［J］. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，38（3）：60-63.

［5］田敏嬌，李"樂，李建設(shè)，等. 土壤改良劑和嫁接栽培對日光溫室土壤性狀與番茄品質(zhì)產(chǎn)量的影響［J］. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2020，33（11）：2577-2583.

［6］Antal M J，Grnli M. The art，science，and technology of charcoal production［J］. Industrial amp; Engineering Chemistry Research，2003，42（8）：1619-1640.

［7］陳溫福，張偉明，孟"軍. 農(nóng)用生物炭研究進(jìn)展與前景［J］. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，46（16）：3324-3333.

［8］王彩云，武春成，曹"霞，等. 生物炭對溫室黃瓜不同連作年限土壤養(yǎng)分和微生物群落多樣性的影響［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2019，30（4）：1359-1366.

［9］馬"麗，郭學(xué)良，齊紅志，等. 生物炭對連作草莓光合特性及光響應(yīng)的影響［J］. 西北林學(xué)院學(xué)報，2020，35（2）：72-78.

［10］達(dá)艷鳳，崔佳佳，劉青林，等. 生物炭施用量對蘭州百合連作障礙的緩解效應(yīng)［J］. 中藥材，2020，43（12）：2874-2878.

［11］董秀秀，張智勇，王紹明，等. 生物炭添加對新疆連作棉花不同根序根系形態(tài)和生理特征的影響［J］. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2022，28（6）：1430-1436.

［12］呂貽忠，李保國. 土壤學(xué)實驗［M］. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2010.

［13］鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析［M］. 3版.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

［14］He M J，Xiong X N，Wang L，et al. A critical review on performance indicators for evaluating soil biota and soil health of biochar-amended soils［J］. Journal of Hazardous Materials，2021，414：125378.

［15］Adekiya A O，Agbede T M，Olayanju A，et al. Effect of biochar on soil properties，soil loss，and cocoyam yield on a tropical sandy loam alfisol［J］. The Scientific World Journal，2020，2020：9391630.

［16］Ahmadi S H，Ghasemi H，Sepaskhah A R. Rice husk biochar influences runoff features，soil loss，and hydrological behavior of a loamy soil in a series of successive simulated rainfall events［J］. CATENA，2020，192：104587.

［17］Randolph P，Bansode R R，Hassan O A，et al. Effect of biochars produced from solid organic municipal waste on soil quality parameters［J］. Journal of Environmental Management，2017，192：271-280.

［18］Lin X W，Xie Z B，Zheng J Y，et al. Effects of biochar application on greenhouse gas emissions，carbon sequestration and crop growth in coastal saline soil［J］. European Journal of Soil Science，2015，66（2）：329-338.

［19］王薇薇，梅"燚，吳永成，等. 玉米芯生物炭對辣椒連作土壤性質(zhì)和辣椒生長的影響［J］. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2023，35（1）：156-163.

［20］劉佳遙，王占海，魏尊苗，等. 不同秸稈生物炭對土壤質(zhì)量及油莎豆生長的影響［J］. 東北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2023，48（2）：72-77.

［21］周冉冉，馬司光，張文晶，等. 生物炭與生物基質(zhì)對設(shè)施黃瓜連作土壤改良效果研究［J］. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2021，43（3）：537-546.

［22］喬"光，田"田，洪"怡，等. 生物炭對瑪瑙紅櫻桃生長、果實品質(zhì)及土壤礦質(zhì)元素的影響［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2017，33（4）：904-908.

［23］高敬堯，王宏燕，許毛毛，等. 生物炭施入對農(nóng)田土壤及作物生長影響的研究進(jìn)展［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（10）：10-15.

［24］周桂玉，竇"森，劉世杰. 生物質(zhì)炭結(jié)構(gòu)性質(zhì)及其對土壤有效養(yǎng)分和腐殖質(zhì)組成的影響［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011，30（10）：2075-2080.

［25］桂意云，李海碧，韋金菊，等. 生物炭對旱坡地宿根甘蔗土壤養(yǎng)分、酶活性及微生物多樣性的影響［J］. 南方農(nóng)業(yè)學(xué)報，2022，53（3）：776-784.

［26］孫"濤，朱新萍，李典鵬，等. 不同原料生物炭理化性質(zhì)的對比分析［J］. 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報，2017，34（6）：543-549.

［27］卜曉莉，姬慧娟，馬青林，等. 生物炭-泥炭復(fù)合基質(zhì)對馬纓杜鵑生長和生理的影響［J］. 植物資源與環(huán)境學(xué)報，2021，30（5）：58-68.

［28］唐光木，侯艷艷，潘金龍，等. 棉桿生物炭對棉花根系特性及生理代謝的影響［J］. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2022，31（3）：370-378.

［29］韋繼光，賈明云，蔣佳峰，等. 不同生物質(zhì)炭對藍(lán)莓幼苗葉片光合性能和生長的影響［J］. 植物資源與環(huán)境學(xué)報，2023，32（1）：69-76.

［30］黃馨怡，陸建增，周麗顏，等. 添加生物炭對連作黃瓜生長及營養(yǎng)吸收的影響［J］. 福建農(nóng)業(yè)學(xué)報，2023，38（6）：707-713.

［31］牟舒敏，關(guān)月明，高晶霞，等. 添加生物炭對連作辣椒生長及根系生理代謝和產(chǎn)量的影響［J］. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2024，33（9）：1667-1680.

［32］陳"燕，賈"孟，孔"明，等. 煙稈生物質(zhì)炭對連作植煙土壤養(yǎng)分及煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響［J］. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2023，36（9）：2019-2025.