施用生物炭和復合肥對楨楠生長及養分吸收的影響*

鄧洪濤,肖 琳,馮為迅,黎榮彬,白昆立,李其斌,曾曙才**

(1.廣東省嶺南院勘察設計有限公司,廣東廣州 510405;2.華南農業大學林學與風景園林學院,廣東廣州 510642)

隨著經濟的發展和人口的增長,土壤質量問題日益突出[1]。中國是農業大國,生物質資源豐富,但是由于未得到合理的開發與利用,導致資源浪費嚴重[2]。近年來,將生物質轉化為生物炭(Biochar)并應用于改善造林土壤環境是實現生物質資源有效利用、促進植物生長,以及實現農林業可持續發展的有效途徑[3,4]。生物炭是木材、草、玉米秸稈等農業廢棄物在完全或部分缺氧條件下經過控制性高溫裂解(400-700 ℃)產生的一類高度芳香化的難熔性固態高聚產物[5,6]。自然條件下,生物炭通常堿性較強,被認為是酸性土壤的改良劑和污染修復劑[7]。生物炭具有豐富的養分元素和多孔結構,添加在土壤中可改善土壤結構、增加土壤有效養分的含量,為植物提供養分從而促進其生長[8]。生物炭可以單獨施用,也可以與肥料配合施用,將二者配施既能消除生物炭自身養分含量低的缺陷,又能延緩肥料在土壤中養分的釋放,形成互補與協同作用[9]。國內外研究表明,利用生物炭與有機肥或無機肥料配合施用對作物產量和土壤肥力起促進作用,也可能無顯著影響甚至起抑制作用[10]。例如,Oladele等[11]研究認為相比于單獨添加生物炭,生物炭-氮肥混合施加能顯著提高水稻的產量;白雪等[12]研究發現生物炭與菌肥配施能顯著促進元寶楓(Acertruncatum)幼苗的生長發育;吳志莊等[13]研究發現在黃連木(Pistaciachinensis)人工林施用1 500 kg·hm-2生物炭肥能有效改善黃連木的光合生理特性,進而促進植株生長;Zwieten等[14]研究發現在紅壤上單施生物炭對小麥生物量無顯著影響,而與化肥配施則能顯著提高小麥的生物量;在鈣質土壤中,生物炭單施或與化肥配施均能顯著降低小麥生物量。目前關于生物炭和肥料配施對植物生長影響的研究主要集中在水稻、玉米等農作物或退化土壤恢復等方面,而在林業領域上對野外造林地林木生長發育的影響研究較少。

楨楠(Phoebezhennan)屬樟科(Lauraceae)楠屬(Phoebe)常綠大喬木,國家二級重點保護樹種[15],具有分布廣、適宜性好、抗逆性強等優點,喜弱酸性土壤,擁有較高的觀賞和經濟價值[16],是我國傳統的優質用材樹種[17]。楨楠生長速度緩慢,加之長期的無序采伐,導致楨楠木質資源極度匱乏,而市場對優質木材的需求量在逐漸增大[18]。因此,探究生物炭添加對楨楠生長的影響,對加快楨楠人工用材林培育具有廣闊的應用前景。本研究以楨楠幼苗為對象開展野外林地試驗,探究生物炭及其與復合肥配施對楨楠生長和養分元素吸收的影響,以期為生物炭在造林施肥方面的推廣應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在廣東省德慶林場,位于肇慶市西南部,地理范圍為東經111°41′53″-111°44′50″,北緯23°08′57″-23°10′21″,屬亞熱帶季風氣候區,陽光充足,雨量充沛,水熱同季,夏長冬短,年平均氣溫為21.5 ℃,年平均降水量為1 508.70 mm,土壤為偏酸性的赤紅壤,適宜林木生長[19]。

1.2 材料

在廣東省德慶林場苗圃培育基地選取植株健壯、長勢良好的楨楠幼苗用于試驗,種植前楨楠幼苗平均株高103.11 cm、地徑11.38 mm、冠幅47.61 cm。供試的生物炭為木屑生物炭(Wood Shavings Biochar,WB)和稻殼生物炭(Rice Husk Biochar,RB),由浙江長三角聚農科技開發有限公司提供,是生物質在500 ℃下炭化而成。供試的復合肥為林用復合肥(Compound Fertilizer,F),由雅苒國際貿易(山東)有限公司提供,N含量為15%,P2O5含量為15%,K2O含量為15%。

1.3 試驗設計

試驗采用完全隨機區組設計,以楨楠幼苗作為研究對象,單株小區,共設置不施肥(CK)、施用復合肥200 g (F)、稻殼生物炭300 g (RB)、木屑生物炭300 g (WB)、稻殼生物炭300 g+復合肥200 g (RBF)、木屑生物炭300 g+復合肥200 g (WBF)等6種施肥處理,每種處理作8次重復,共計48株,具體試驗處理見表1。統一整地后,挖種植穴,種植穴規格40 cm×40 cm×40 cm,密度3 m×3 m,于2021年3月植苗,2021年7月選取長勢一致的苗木進行施肥試驗,在距苗木20 cm處均勻挖3個20 cm深穴施肥,施肥后蓋土,結束后測定株高、地徑和冠幅。

表1 生物炭和復合肥施用量

1.4 指標測定

2022年7月,在試驗地用直尺測定楨楠苗木的株高,用游標卡尺測量地徑,用卷尺測量冠幅,使用YMJ-BC葉面積測量儀(浙江托普云農科技股份有限公司)測量葉面積,使用SPAD-502 Plus葉綠素儀(浙江托普云農科技股份有限公司)測定葉綠素相對含量(SPAD值)。

將試驗苗木整株挖出,用自來水洗凈植株,將植株分為根、莖和葉,放入烘箱,在105 ℃下殺青30 min,65 ℃下烘至恒重,用電子天平稱得干重。植株樣品經濃硫酸-30%過氧化氫消解,獲得待測液,氮含量采用奈氏比色法測定,磷含量采用釩鉬黃比色法測定,鉀含量采用原子吸收分光光度計測定[20]。

1.5 數據處理與分析

采用Microsoft Office Excel 2016對數據進行整理和計算,通過SPSS 22.0軟件進行數據分析,采用方差分析和Duncan′s多重比較進行差異顯著性分析。分析結果用OriginPro 2022軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭及其與復合肥混施對楨楠生長的影響

2.1.1 生物炭及其與復合肥混施對楨楠株高、地徑的影響

由表2可知,除單施稻殼生物炭處理外,其他處理楨楠的株高增長量與不施肥處理相比均存在顯著差異(P<0.05),其中稻殼生物炭與復合肥配施處理的株高增長量最大,與不施肥處理相比顯著增加107.23%;與單施復合肥處理相比,單施稻殼生物炭、稻殼生物炭與復合肥配施的株高增長量存在顯著差異(P<0.05),其中單施稻殼生物炭顯著降低楨楠株高增長量,稻殼生物炭與復合肥配施則顯著增加其株高增長量。與不施肥處理相比,單施復合肥、稻殼生物炭與復合肥配施、木屑生物炭與復合肥配施處理均顯著增加楨楠地徑增長量;與單施復合肥處理相比,各施肥處理(RB、WB、RBF、WBF)均對楨楠地徑增長無顯著影響。

表2 不同處理對楨楠株高和地徑增長量的影響

2.1.2 生物炭及其與復合肥混施對楨楠生物量的影響

如圖1所示,除單施稻殼生物炭處理外,其他處理與不施肥處理相比均對楨楠根生物量有顯著差異(P<0.05),顯著增加63.66%-128.77%;與單施復合肥處理相比,所有施肥處理(RB、WB、RBF、WBF)的根生物量均無顯著差異,其中WBF處理的根生物量最大,為157.21 g·株-1。與不施肥處理相比,單施復合肥、稻殼生物炭與復合肥配施、木屑生物炭與復合肥配施的楨楠莖生物量有顯著差異(P<0.05),顯著增加95.39%-157.53%;與單施復合肥處理相比,只有木屑生物炭與復合肥配施處理下楨楠莖生物量存在顯著差異(P<0.05)。與不施肥處理相比,兩種生物炭肥處理(RBF、WBF)能顯著增加楨楠葉生物量,而單施木屑生物炭能顯著減少楨楠葉生物量,比不施肥處理減少31.87%;兩種生物炭處理(RB、WB)下的楨楠葉生物量顯著小于單施復合肥(P<0.05)。與不施肥處理相比,所有處理均增加了楨楠全株生物量,增幅為19.45%-104.13%,其中單施復合肥、稻殼生物炭與復合肥配施、木屑生物炭與復合肥配施有顯著差異,WBF處理的全株生物量最大,為829.95 g·株-1;單施木屑生物炭和單施稻殼生物炭處理下的楨楠全株生物量顯著小于單施復合肥(P<0.05)。綜上可知,施用生物炭和生物炭肥均能增加楨楠根、莖和全株生物量,其中木屑生物炭與復合肥配施對其全株生物量促進效果最好。

Different lowercase letters indicated significant differences between different treatments in the same organ (P<0.05).

2.2 生物炭及其與復合肥混施對楨楠葉面積和SPAD值的影響

由表3可知,與不施肥處理相比,所有處理的葉面積存在顯著差異(P<0.05),增幅為26.68%-61.76%;與單施復合肥處理相比,兩種生物炭肥處理(RBF、WBF)均可使楨楠葉面積顯著增加(P<0.05),其中WBF處理的葉面積最大,為2 510.19 mm2。各施肥處理與不施肥處理相比SPAD值均增加,但只有WBF處理存在顯著差異(P<0.05);與單施復合肥處理相比,所有處理的SPAD值均無顯著差異。綜上可知,施用生物炭和生物炭肥均能增加楨楠葉面積和SPAD值,木屑生物炭與復合肥配施處理下的楨楠葉面積和SPAD值達到最大。

表3 不同處理對楨楠葉面積和SPAD值的影響

2.3 生物炭及其與復合肥混施對楨楠養分吸收的影響

2.3.1 生物炭及其與復合肥混施對楨楠N含量的影響

由表4可知,與不施肥處理相比,單施復合肥、稻殼生物炭與復合肥配施、木屑生物炭與復合肥配施處理下楨楠根的N含量差異顯著,增幅為29.78%-43.09%;與單施復合肥處理相比,單施稻殼生物炭和單施木屑生物炭處理下楨楠根的N含量差異顯著,分別顯著減少13.28%和19.82%。與不施肥處理相比,所有處理楨楠莖的N含量無顯著差異;與單施復合肥處理相比,木屑生物炭與復合肥配施處理顯著減少楨楠莖的N含量。與不施肥處理相比,所有處理楨楠葉的N含量顯著增加,增幅為9.81%-23.09%;與單施復合肥處理相比,單施稻殼生物炭、稻殼生物炭與復合肥配施處理顯著減少楨楠葉的N含量。綜上可知,單施生物炭較不施肥處理能顯著促進楨楠葉對N的吸收,生物炭與復合肥配施處理下楨楠莖、葉對N的吸收效果不如單施復合肥。

2.3.2 生物炭及其與復合肥混施對楨楠P含量的影響

由表5可知,與不施肥處理相比,單施復合肥、木屑生物炭與復合肥配施處理下楨楠根的P含量顯著增加;與單施復合肥處理相比,除木屑生物炭與復合肥配施處理外,其余施肥處理的楨楠根的P含量無顯著差異。單施木屑生物炭、稻殼生物炭與復合肥配施、木屑生物炭與復合肥配施的楨楠莖的P含量與不施肥處理相比顯著減少;與單施復合肥處理相比,單施稻殼生物炭楨楠莖的P含量顯著增加了33.82%。與不施肥處理相比,單施復合肥、單施木屑生物炭、稻殼生物炭與復合肥配施、木屑生物炭與復合肥配施處理下楨楠葉的P含量均顯著增加;單施稻殼生物炭處理下楨楠葉的P含量顯著小于單施復合肥。

表4 不同處理對楨楠各部位N含量的影響

表5 不同處理對楨楠各部位P含量的影響

2.3.3 生物炭及其與復合肥混施對楨楠K含量的影響

由表6可知,與不施肥處理相比,單施復合肥、單施木屑生物炭、稻殼生物炭與復合肥配施、木屑生物炭與復合肥配施處理下楨楠根的K含量顯著增加,其中單施木屑生物炭處理下楨楠根的K含量是不施肥處理的1.31倍,單施稻殼生物炭處理下楨楠根的K含量無顯著差異;與單施復合肥處理相比,木屑生物炭與復合肥配施處理楨楠根的K含量顯著增加,單施木屑生物炭、稻殼生物炭與復合肥配施處理無顯著差異,單施稻殼生物炭處理下楨楠根的K含量顯著減少。與不施肥處理相比,所有處理的楨楠莖、葉的K含量均無顯著差異。綜上可知,施用生物炭和生物炭肥對楨楠根的K含量影響較大。

表6 不同處理對楨楠各部位K含量的影響

3 討論

生長指標可直觀反映施用生物炭和復合肥對植物生長的促進效果[21]。本研究結果進一步表明不同的生物炭種類對楨楠生長的影響也不同。單施木屑生物炭能顯著增加楨楠的株高和根生物量,說明木屑生物炭促進楨楠的生長發育,可能是由于生物炭自身具有多孔結構,添加到土壤中可改善根系周圍土壤的理化性質[22],為根系提供良好的生長環境,促進根系生長,增強根際效應,有利于植物對營養物質和水分的吸收利用[23]。而單施稻殼生物炭則對楨楠生長無顯著影響,可能是生物炭原材料組成和結構差異所致[24,25]。Saha等[26]研究發現生物炭-無機肥混施較單獨施用無機肥顯著增加了穿心蓮根生物量、莖生物量和葉生物量;Mete等[27]研究發現生物炭-無機肥混施較單施無機肥顯著增加大豆植株生物量和種子產量,這與本研究中生物炭與復合肥配施較單施復合肥相比更能促進楨楠生長發育的研究結果一致,可能與生物炭和復合肥混合施用產生的協同作用有關[28,29]。生物炭和肥料配施能改善生物炭直接養分有限的情況,延緩肥料養分的釋放期,促進植物對營養的吸收,有利于植物的生長發育[9]。

本研究結果表明,單施生物炭相較于不施肥處理、生物炭與復合肥混施相較于單施復合肥均顯著增加了楨楠葉面積,這與很多研究結果相似。如吳志莊等[13]研究發現添加生物炭肥能提高黃棕壤土中黃連木的水分利用效率,改善其光合生理特性;周翠香[30]研究發現添加2%-8%的生物炭能夠顯著提高盆栽狗牙根(Cynodondactylon)的凈光合速率,改善其葉片光合特性,有利于光合產物的形成。這可能是因為添加適量的生物炭能改良土壤性狀,提高土壤保水、保濕性,增加土壤內部的表面活性區域,減少水分向根際下方流失,增加植物對水的使用效率,進而改善光合作用的速率[30,31];也可能是因為生物炭與肥料配施能調節植物根系生長和形態,增加葉綠素含量和葉面積,延長葉片的功能期,提高植物生產力[12]。此外,由于楨楠喜陰的特性,其可能通過增大葉面積,來維持自身的代謝平衡[16]。

生物炭對植物養分吸收的影響效應表現不一,總體上均能促進植物對養分的吸收[32]。本研究結果表明,與不施肥處理相比,單施稻殼生物炭和單施木屑生物炭均能提高楨楠葉的N、P含量,可能是因為生物炭能夠改善土壤養分、pH值、孔隙度等土壤理化性質,進而提高土壤的有效養分,并增強其養分的供應能力[33]。張偉明[34]研究發現生物炭處理對大豆全生育期葉片氮含量的促進效果較為顯著,與本研究結果一致,說明生物炭對植株養分的吸收、積累具有重要的促進作用。此外,與不施肥處理相比,單施木屑生物炭或與復合肥混施均顯著促進楨楠根對K的吸收,這與Uzoma等[35]研究中生物炭顯著增加玉米中鉀含量的研究結果一致。然而單施復合肥較施用生物炭肥對楨楠葉和莖N的吸收效果更好,可能是由于生物炭具有很高的C/N比,部分生物炭分解導致氮元素固定,降低了土壤中的有效氮,從而限制了植株對有效氮的吸收[36]。本研究還發現單施木屑生物炭與不施肥處理相比顯著降低了楨楠莖的P含量,這與高林等[37]和Yan等[38]的研究結果類似,可能是施用生物炭降低了磷和某些微量元素的有效性,從而不利于植物對磷元素的吸收。目前的研究普遍認為施用生物炭可以提高養分的吸收利用效率,但生物炭對植物生長和吸收累積營養元素的影響受到土壤類型、植物種類和生物炭特征等因素制約[39],因此在不同的環境條件下,生物炭在促進植物生長和養分吸收等方面的研究結果也存在差異。

4 結論

施用生物炭和復合肥總體上均能促進楨楠的生長發育,能有效增加楨楠的株高、地徑、全株生物量、葉面積等生長指標,促進植物對N、P、K的吸收。其中施用木屑生物炭較稻殼生物炭對楨楠的株高、生物量及養分吸收的促進效果更明顯,因此木屑生物炭在楨楠造林基質方面更具潛力。此外,生物炭與復合肥配施較二者單施對楨楠生長和養分吸收的促進效果更佳,但關于生物炭對N、P、K的吸附固定特性以及其施用比例仍需進一步研究?？傮w而言,本研究進一步拓展了生物炭和生物炭肥的應用范圍,可為將來在林業領域的推廣應用提供參考。