高寒地區(qū)土壤生物炭改良和增溫對暴馬丁香生長量的影響分析

阿得安

(青海省互助縣北山林場，青海 海東 810500)

青海省互助縣地處36°30′—37°9′ N和101°46′—102°45′ E，是一個典型的高寒、半干旱地區(qū)[1]?？h內(nèi)最低海拔2 100 m，最高海拔4 384 m[2]。由于祁連山脈支脈貫穿全境，各個區(qū)域之間的差異也比較大[3]?；ブh氣候類型為高原大陸性氣候，年平均氣溫僅為3.4 ℃[4]，年積溫不足，植物生長緩慢。降水稀少且時空分布不均，年均降水500 mm。黃土高原和青藏高原在此區(qū)域鑲嵌過渡使得縣內(nèi)黃土堆積，水土流失較為嚴重，土地瘠薄，土壤養(yǎng)分缺失[5]。由于特殊的地理環(huán)境，氣象災(zāi)害如雹災(zāi)、干旱、霜凍等發(fā)生也較為頻繁[6]。種種因素導(dǎo)致該地樹木的生長發(fā)育遲緩，嚴重制約了互助縣林業(yè)的發(fā)展。

暴馬丁香(Syringareticulata) 是木犀科丁香屬的一種多年生灌木或小喬木，又名白丁香、暴馬子，是青海省的鄉(xiāng)土樹種[4]。暴馬丁香對環(huán)境的適應(yīng)性強，能夠在多種生態(tài)環(huán)境中生長[5]，在我國東北、華北、華中、西北均有分布[7]。其耐寒、抗旱、耐瘠薄的特性[8]，對互助縣的林業(yè)發(fā)展和城鄉(xiāng)綠化具有重要意義。近年來，暴馬丁香的藥用價值也被不斷開發(fā)[6]。本試驗通過探究互助縣不同生物炭占比土壤改良和土壤增溫對暴馬丁香生長量的綜合影響，為當?shù)氐某青l(xiāng)綠化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于互助縣北山，屬于典型的高原大陸性氣候。平均海拔3 100 m，年平均氣溫3～5 ℃，晝夜溫差大，氣溫變化幅度大，降水稀少，年平均降水500 mm，蒸發(fā)量大；苗圃地土質(zhì)為砂質(zhì)壤土。

1.2 試驗材料

苗木：3年實生暴馬丁香；

土壤改良劑：生物炭；

增溫設(shè)備：陶瓷太陽能集熱設(shè)備(由青海萬通新能源公司提供)

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)4種生物炭比例的土壤改良，分別在土中添加10%、20%、30%、40%比例的生物炭，不同程度的改良處理中，再增設(shè)4種不同程度的土壤增溫處理，分別增溫1.0±0.1 ℃、2.0±0.1 ℃、3.0±0.1 ℃、4.0±0.1 ℃；同時設(shè)立不做任何處理的對照組CK。每個處理組中種植100株暴馬丁香并確保生長期內(nèi)每個處理組除土壤改良方式不同以外，其他的撫育管理保持一致。在每個試驗組中隨機選定10株暴馬丁香，分別在暴馬丁香生長期內(nèi)的6月1日、11月1日對其樹高、胸徑、冠幅進行觀測，計算生長量的平均值。

1.4 測定指標

樹高、胸徑、冠幅。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤改良和土壤增溫對暴馬丁香生長量的綜合影響

6月1日和11月1日分別記錄暴馬丁香的樹高、胸徑和冠幅，計算增長量，并對每個處理組的平均值進行對比，見表1。

表1 不同生物炭占比土壤改良和增溫對暴馬丁香生長量的影響

注：不同字母表示在P<0.05水平差異顯著。

由表1可知，暴馬丁香樹高、胸徑和冠幅的生長量受不同生物炭占比土壤改良及增溫的影響存在顯著性差異(P<0.05)。各處理中暴馬丁香樹高、胸徑及冠幅增長量均高于對照組。其中，暴馬丁香的樹高和冠幅隨生物炭比例的增加呈先增加后減少，隨土壤溫度的增加同樣呈現(xiàn)相同趨勢；本土中添加30%生物炭且土壤增溫3 ℃時，樹高和冠幅達到最大增長量23.39 cm和20.17 cm。胸徑則隨生物炭比例及土壤溫度的增加一直呈逐漸遞增的趨勢。土壤增溫4 ℃，本土中添加40%生物炭時，胸徑達到最大生長量1.50 cm。

2.2 土壤改良和土壤增溫與暴馬丁香生長量的相關(guān)性

2.2.1 土壤改良和土壤增溫與暴馬丁香樹高的相關(guān)性 將暴馬丁香各處理中的樹高增量利用ORIGIN9.0進行擬合，構(gòu)建模型，得出土壤改良和土壤增溫與暴馬丁香樹高增長量的相關(guān)性如下：

圖1 土壤改良和土壤增溫與暴馬丁香樹高的相關(guān)性

由圖1可知，不同增溫梯度下暴馬丁香的樹高由于添加生物炭占比的不同存在較大差異。土壤生物炭占比和土壤增溫對暴馬丁香樹高的綜合影響呈現(xiàn)出一個“單峰”的模型。增溫較低時，樹高隨生物炭比例的增加逐漸增加；增溫3 ℃時，樹高隨生物炭比例的增減呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。增溫4 ℃時，樹高又恢復(fù)為隨生物炭比例的增加逐漸增加的趨勢。結(jié)果表明，在一定的土壤生物炭占比范圍內(nèi)，生物炭占比的增加能顯著促進暴馬丁香樹高的增長；但當超過某個臨界點時，生物炭占比的增加反而會抑制樹高的增長。隨土壤溫度的不同，土壤改良對暴馬丁香樹高的影響效果會產(chǎn)生較大差異，最有利于暴馬丁香樹高生長的土壤溫度也會因為土壤生物炭占比的不同而產(chǎn)生變化。本土中添加30%生物炭且土壤增溫3 ℃時，樹高達到最大增長量23.39 cm。

2.2.2 土壤改良和土壤增溫與暴馬丁香胸徑生長的相關(guān)性 將暴馬丁香各處理中的胸徑增量利用ORIGIN9.0進行擬合，構(gòu)建模型，得出土壤改良生物炭占比和土壤增溫與暴馬丁香胸徑增長量的相關(guān)性如下：

圖2 土壤改良和土壤增溫與暴馬丁香胸徑的相關(guān)性

由圖2可知，暴馬丁香的胸徑由于土壤改良生物炭占比的不同存在較大差異。試驗范圍內(nèi)，暴馬丁香胸徑的增長量與本土中生物炭添加占比及土壤溫度均表現(xiàn)出一種正相關(guān)的關(guān)系。暴馬丁香胸徑增長量隨添加生物炭比例和增溫梯度的增加均呈現(xiàn)增長的趨勢。相同土壤增溫條件下，土壤中生物炭占比增加時，暴馬丁香胸徑增長量逐漸增加；相同生物炭占比條件下，不同土壤增溫對暴馬丁香胸徑生長量的影響效果差異較小。土壤增溫不同，暴馬丁香胸徑增長量隨生物炭比例的提高而增加的速率不同。結(jié)果表明，土壤改良和土壤增溫對暴馬丁香的胸徑增長有明顯影響，且土壤改良的影響明顯大于土壤增溫的影響。暴馬丁香土壤增溫4 ℃，本土中添加40%生物炭時，胸徑達到最大增長量1.50 cm。

2.2.3 土壤生物炭改良和土壤增溫與暴馬丁香冠幅的相關(guān)性 將暴馬丁香各處理中的冠幅增量利用ORIGIN9.0進行擬合，構(gòu)建模型，得出土壤改良和土壤增溫與暴馬丁香冠幅增長量的相關(guān)性如下：

由圖3可知，不同增溫梯度下暴馬丁香的冠幅由于土壤添加生物炭比例的不同存在較大差異。土壤改良及土壤增溫對暴馬丁香冠幅的綜合影響同樣呈現(xiàn)出一個“單峰”的模型，但與樹高的模型又有所差異。在此范圍中，生物炭占比及土壤溫度較低時，暴馬丁香冠幅的增長較低。隨著土壤溫度的增加和生物炭占比的提高，暴馬丁香冠幅生長量會逐漸增加。結(jié)果表明，土壤改良和土壤增溫對暴馬丁香的冠幅增長有明顯影響。當土壤中添加生物炭占比超過20%且增溫超過2 ℃時，冠幅呈現(xiàn)爆發(fā)式增長的現(xiàn)象，土壤中生物炭占比達到30%，增溫3 ℃時達到最大值20.17 cm；而當生物炭占比超過30%、增溫超過3 ℃時，冠幅生長量隨生物炭比例和土壤溫度的增加的趨勢又會驟然降低，但仍遠高于生物炭比例較低、增溫溫度較低時的增長量。

圖3 土壤生物炭改良和土壤增溫與暴馬丁香冠幅的相關(guān)性

3 討論

作為陸生植物的生長載體，土壤的特性對植物的生長具有決定性的作用[6]。Robson Schaff Corrêa等[9]驗證了土壤的理化性質(zhì)與生物量高低的關(guān)系；張弼弘從土壤的密實度、養(yǎng)分、水分3個方面探討了土壤對植物生長的影響[14]。Walker的研究指出，植物生長過程中，土溫只需變化1 ℃，植物的生長量就會發(fā)生顯著變化[10]。土壤改良的研究主要集中于對土壤pH、有機質(zhì)及土壤結(jié)構(gòu)等方面。陳燕霞等[11]為了減少菜園中酸化土壤中的鋁毒，利用向土壤中添加石灰或沸石的方法，成功降低了交換性鋁的含量，提高了土壤pH值。李吉進等[12]通過采用向沙土中添加膨潤土的方式改良沙土，增加了沙土中的含水量，提高了沙土中植物的成活率。目前，如何有效利用太陽能進行土壤增溫的研究正受到全世界的廣泛關(guān)注。王奉欽等[13]就曾將太陽能加熱系統(tǒng)作為一種輔助加溫措施與溫室內(nèi)的供暖系統(tǒng)相結(jié)合來增加土壤的溫度。

然而，在土壤改良的研究中，鮮有關(guān)于高寒地區(qū)的土壤改良研究。國內(nèi)外研究土壤改良及土壤溫度與植物生長的相關(guān)性時，也大多只是將單方面的因素作為主要研究對象。本試驗著手于高寒地區(qū)土壤改良的同時，就該地區(qū)溫度較低的影響也囊括在內(nèi)。通過對高寒地區(qū)土壤進行改良的同時，輔以土壤溫度的研究，探討其對暴馬丁香生長的影響，填補了這一空白。本試驗選用易于獲取且成本低廉的生物炭等作為土壤改良的材料，增溫設(shè)備成本也較為低廉，具有可推廣性，為該地區(qū)的城鄉(xiāng)綠化提供一定的參考。

4 結(jié)論

4.1 土壤生物炭改良和土壤增溫對暴馬丁香生長量的影響存在協(xié)同和脅迫作用。土壤改良生物炭占比不同，適宜于暴馬丁香生長的土壤溫度也不同，反之亦然。

4.2 綜合各項指標，不同生物炭比例的土壤改良和土壤增溫處理均對暴馬丁香的生長有促進作用。其中，以30%～40%比例的生物炭，同時輔以2～3 ℃的土壤增溫處理時，暴馬丁香的各項生長量達到最大值，樹高、胸徑、冠幅的最大增量依次為23.39 cm、1.5 cm和21.17 cm。

4.3 土壤改良時，生物炭配比或土壤增溫溫度中的任何一項偏離最適范圍，暴馬丁香生長量都會發(fā)生顯著下降。