施用生物炭肥对黄连木生长及光合特性的影响

吴志庄，王道金，厉月桥，杜旭华，邵琼，刘胜辉

1. 国家林业局竹子研究开发中心，浙江 杭州 310012；2. 安微省林业厅，安微 合肥 230001；3. 中国林科院亚热带林业实验中心，江西 分宜 336600

施用生物炭肥对黄连木生长及光合特性的影响

吴志庄1，王道金2，厉月桥3，杜旭华1，邵琼1，刘胜辉1

1. 国家林业局竹子研究开发中心，浙江 杭州 310012；2. 安微省林业厅，安微 合肥 230001；3. 中国林科院亚热带林业实验中心，江西 分宜 336600

摘要：黄连木（Pistacia chinensis Bunge）是中国重要的能源树种，具有巨大的开发利用价值。通过黄连木人工林施用生物炭肥试验，探讨了黄连木生长和光合生理特性对生物碳肥输入的响应，结果表明：与对照相比，各生物炭肥处理对黄连木生长特性都有不同程度的提高，其中地径、树高、冠幅、比叶面积平均高于对照30.09%、55.08%、23.07%、25.03%，但不同处理之间差异不显著，说明生物炭肥对黄连木生长有促进作用，但与施用量相关性不紧密。通过光合试验发现，不同炭肥处理黄连木光合速率Pn值平均高于对照14.25%，除胞间CO2浓度（Ci）外，黄连木叶片的气孔导度（Cond）、蒸腾速率（Tr）和水分利用效率（wue）各处理都高于对照，说明各生物碳肥都能在一定程度上提高光能利用率和水分利用效率。黄连木最大荧光效率（Fv/Fm）在不同生物炭肥处理间没有显著差异（P>0.05），其中T2处理的Fv/Fm值最大为0.750，略高于对照。PsⅡ（Photosystem II）的活性（Fv/Fo）也是T2处理最高，且显著高于对照，平均值比对照增加14.73%，达到3.006。除T2处理的可变荧光Fv值显著高于对照外，其它各叶绿素荧光参数在处理间的差异都不显著（P>0.05）。综合而言，适量的生物炭肥（T2处理）有利于提高黄连木的Pn值以及叶片Fv/Fm和Fv/Fo值，有效改善黄连木的光合生理特性，进而促进植株生长。

关键词：黄连木；生物炭肥；生长特性；净光合速率；光合特性

引用格式：吴志庄，王道金，厉月桥，杜旭华，邵琼，刘胜辉. 施用生物炭肥对黄连木生长及光合特性的影响[J]. 生态环境学报, 2015, 24(6): 992-997.

WU Zhizhuang, WANG daojin, LI Yueqiao, DU Xuhua, SHAO Qiong, LIU Shenghui. Effects of Biochar Fertilizer Application on Growth Properties and Photosynthetic and Physiological Characteristics of Pistacia chinensis Bunge [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(6): 992-997.

中国黄连木（pistacia Chinensis Bunge）属漆树科黄连木属，落叶乔木，分布广、适应性强，耐干旱盐碱瘠薄，是我国传统的木本油料和用材树种，又是我国极具开发前景的生物柴油树种，具有广泛的开发和应用前景（段劼等，2012）。近年来，为了尽快开发我国这一宝贵的特有树种，中国林科院在全国开展了黄连木优良品种选育和丰产栽培技术研究，并在全国范围内进行引种扩种试验，造林面积不断扩大，有些地区黄连木已成林成材，但还存在丰产栽培技术不配套，盲目扩种，对其大面积种植可能产生的生态效应认识不足等诸多问题，不利于黄连木作为我国主要能源树种的推广应用。

生物质炭（biochar）是由植物生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质，具特殊的理化性能，广泛地应用于农业土壤、气候变化与环境生态等领域（Glaser等，2000；Glaser等，2001；Lehmann等，2006），被誉为“黑色黄金”。生物炭在农业领域的应用主要是将生物炭作为改良剂促进作物的生长和产量的提高（Steiner等，2009），但由于生物炭本身养分不足，它的增产效应还受作物、土壤类型及生物炭用量等因素制约，甚至产生相反的结果（吕一甲，2014）。近年来将生物炭作为肥料的载体，与肥料复合制备成为新型生物炭肥成了一个重要的研究方向，它即可以弥补生物炭养分不足的缺陷，还在供给作物养分的同时,实现了生物炭对土壤的改良功能和固碳作用。国内外的研究表明，生物炭肥或生物炭与肥料复合施用赋予肥料缓释功能，可明显改善作物肥效，具有改善土壤结构、保水保肥，调节地温等效应（Steiner等，2007；Masahide等，2006）。因此施用生物炭肥在农业增产增收、低碳循环和可持续发展具有重要的意义。但迄今为止，有关生物炭在林业领域的应用很少（钟哲科等，2009），尤其是生物炭肥在野外造林地的应用还未见报道。本文以安徽省营造的黄连木人工林为基础，开展施用生物炭肥试验，探讨生物炭肥对黄连木人工林的潜在影响，旨在为将来黄连木生态能源林营造和经营管理提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验地概况

试验地设在安徽省沙河集林业总场大柳林场，位于滁州市西北35 km处，地跨东经117°58′～118°06′，北纬32°20′～32°25′，属北亚热带湿润季风气候区，气候温和、日照充足，四季分明，夏热多雨，冬寒干燥，平均气温15 ℃，极端最高温41.5 ℃，极端最低温-23.8 ℃，年平均降水量为939.9～1031.2 mm，全年日照为2217.6～2260.7 h，无霜期为217～219 d。地形以丘陵岗地为主，大部分为中元古界张八岭群施集组的变质角班岩，海拔高度100 m左右，坡度多在6°～15°之间，土壤为薄、中层黄棕壤，有少量厚层黄壤，土壤肥力较为贫瘠。

1.2供试材料

供试生物炭肥由浙江布莱蒙农业科技股份有限公司生产，肥料N含量大于6%，P2O5和K2O含量各大于3.0%，有机质含量大于65%，pH值在5.8～6.0之间。由于肥料中的相当部分N素是以氨基酸形态存在，肥料中氨基酸含量大于14%，使N、P、K的利用率远高于传统肥料，肥料具有缓释性和强大的环境修复功能。

1.3试验方法

生物炭肥试验以黄连木人工林为样地，试验地土壤为山地黄红壤，土壤的质地均为砂质壤土，土壤肥力较为贫瘠。试验布置前（0～20 cm）土壤的基本理化性质如下：pH值4.73，有机质12.84 g·kg-1，全氮1 g·kg-1，有效磷1.43 mg·kg-1，速效钾24.3 mg·kg-1，阳离子交换量（CEC）12.47 cmol·kg-1。黄连木林于2008年播种造林，株行距3 m×3 m。2012年9月，在统一整地后，设4个水平生物C肥处理：0（CK）、750（T1）、1500（T2）、2250 （T3）kg·hm-2，采用沟施，1次性施入，直至实验结束不再施用任何肥料。按照完全随机区组设计，3次重复，每个重复小区100株。实验期间及时防治病虫害，试验地处于半自然状态，仅进行人工收割灌木草。

1.4指标测定方法和数据处理

1.4.1生长形态参数测量

2013年10月进行生长特性测量，于试验地分别测量株高和胸径、冠幅，采回实验室称量叶的鲜质量；放入鼓风干燥箱80 ℃烘干至恒质量后测量干质量，测定相对含水量（RWC），用美国Li2Cor公司生产的叶面积仪（Li23000 Portable AreaMeter）测定植株标记叶片叶面积，计算比叶面积。比叶面积（SLA）=叶面积/叶生物量（cm2·g-1），3次重复。胸径生长速率（DGR）=（D1−D2）/（t1−t2），树高生长速率（HGR）=（H1−H2）/（t1−t2）。其中D1为施肥时黄连木地径，D2为测定时的黄连木地径，H1为施肥前黄连木树高，H2为测定时黄连木树高，t1为施肥时间，t2为测定时间，t1−t2为两次测定间隔的时间。

1.4.2光合参数测量

用Li-6400光合仪测量相关光合参数，选择晴朗无风天气，以冠层中部东南方向的一级枝顶端充分伸展，且生长状况较为一致的当年生树叶作为测试样本，于9∶00─11∶00，活体测定不同处理黄连木的净光合速率（Pn）、气孔导度（Cond）、胞间CO2浓度（Ci）以及蒸腾速率（Tr）。用净光合速率（Pn）蒸腾速率（Tr）之比计算水分利用效率（WUE），重复测定3次。

1.4.3叶绿素荧光参数测定

采用美国产OS-30p型便携式荧光分析仪测定叶绿素荧光参数。选择中部向阳当年生树叶，经暗适应15 min后，测定其初始荧光（Fo）、最大荧光参数（Fm）以及可变荧光强度（Fv）。并分别计算光系统Ⅱ（PsⅡ）的活性（Fv/Fo）、最大荧光效率（Fv/Fm），每处理重复测定10次。实验数据处理由SPSS 15.0完成，采用单因素随机区组进行方差分析和LSD法多重比较。

2　结果与分析

2.1生物炭肥对黄连木生长特性的影响

由表1可知，在施入生物炭肥后黄连木生长特性都有不同程度的提高，但并未随着T1～T3处理浓度加大而增大，其中T2处理表现最好，地径、树高、冠幅各个指标都显著的高于对照（CK）。具体而言，地径除T1处理与CK之间差异不显著，T2与T3处理都显著高于对照（P<0.05），平均值提高了30.09%。树高也与地径有相似的规律，各炭肥处理都与对照有显著差异（P<0.05），平均高于对照55.13%。冠幅各处理也显著高于对照（P<0.05），平均增幅为23.07%。比叶面积各处理也显著大于对照，其中T3处理最大，平均值比对照提高25.03%，生物炭肥对地径生长速率有明显促进作用，各处理地径长生速率都显著高于对照，平均增幅27.19%。树高生长速率仅T2和T3高于对照，T1处理与对照间没有显著的差异。黄连木叶片相对含水率较低，相对含水率平均为48.93%，各处理相对含水率RWC与对照相比略有降低，但没有显著差异（P>0.05）。

表1　不同生物炭肥对黄连木生长特性影响Table 1 Growth characteristics of pistacia Chinensis with different biochar fertilize treatment

表2　不同炭肥处理光合性状测定值比较Table 2 Photosynthetic characteristics of pistacia Chinensis under different biochar fertilize treatment

表3　不同炭肥处理黄连木叶片叶绿素荧光参数测定值比较Table 3 Leaf fluorescence parameters of pistacia Chinensis under different biochar fertilize treatment

2.2生物炭肥对黄连木光合生理参数的影响

光合作用是植物有机物质合成、能量贮存与转化的基础，净光合速率是影响光合生产力的重要因素，其大小反映了植物同化物生产能力的强弱（吴志庄等，2013）。由表2可知，不同炭肥处理黄连木光合速率Pn值平均达到4.795 µmol·m-2·s-1，高于对照14.254%，说明各处理都能在一定程度上提高对光能的利用率。各处理中以T2处理Pn值最高，较CK提高了10%，达到显著性差异，而T1和T3处理的净光合速率也都高于CK，但没有显著差异（P>0.05）。黄连木胞间CO2浓度（Ci）均处于中等水平，各处理都在260～288 μmol CO2·mol-1之间，不同处理与对照没有显著差异，其中CK的Ci值最高，为288.437 μmol·mol-1也只是高出最低处理的5%。气孔导度（Cond）越大越有利于光合作用的进行，各处理Cond值依次为T3>T2>T1>CK，进一步说明碳处理有利于提高光合固碳能力。蒸腾速率（Tr）较低，平均为1.305 µmol·m-2·s-1，Tr值从大到小依次为T2>T1>CK>T3。水分利用效率（wue）各处理也都高于对照，其是T3处理最高达到5.064 µmol·mmol-1，依次为T3>T2>T1>CK，说明炭肥处理有利于提高黄连木的水分用效率。方差分析结果表明，不同处理除蒸腾速率（Tr）差异达到显著水平（P<0.05）外，净光合速率（Pn）、气孔导度（cond）、胞间CO2浓度（Ci）、和水分利用效率差异均未达到显著水平（P>0.05）。

2.3生物炭肥对黄连叶片叶绿素荧光特性的影响

最大荧光效率Fv/Fm的变化可以反映出光化学转化速率，并能推测是否有光抑制产生，由表3可知，不同生物炭肥条件下，黄连木最大荧光效率（Fv/Fm）差异不显著（P>0.05），其中T2处理最大，Fv/Fm值为0.750，略高于T1和T3处理和对照，PsⅡ（Photosystem II）的活性（Fv/Fo）T2处理最高且显著高于对照，平均值比对照显著增加14.73%，达到3.006，其它各处理与对照没有明显差异，表现为T2>T3>CK>T1。基础荧光（Fo）是PSII反应中心全部开放时的荧光产量，它的增加表明逆境对作物叶片PSII反应中心不易逆转的破坏或可逆失活（Tian，1992）。最大荧光（Fm）是PSII反应中心全部关闭时的荧光，反映通过PSII的电子传递情况。可变荧光（Fv）的大小反应了PSII最初的电子受体QA的氧化还原状况（Zhang，1999）。由表3还可看出，黄连木初始荧光参数（Fo）平均为0.156，最大荧光参数（Fm）平均为0.584，以及可变荧光（Fv）平均0.428，仅T2处理Fv值及Fv/Fo显著高于对照，其它各处理荧光参数的差异都不显著（P>0.05），说明适量的生物炭肥处理可提高黄连木的光合荧光特性，但还没有产生显著的影响。

3　讨论

生物炭比表面积大，离子吸附能力强，具有保水保肥、提高土壤肥力的作用（Liang等，2010），有研究表明，森林火灾后在土壤中保留的炭在森林更新、土壤增碳和维护土壤生产力等多方面都具有十分重要的意义，这一现象也被许多科学家称为“在人类进化过程中大自然给予人类如何利用炭的最好的示范”。近年来，生物炭作为一种有效的土壤改良剂和固碳剂，广泛应用于固碳减排、持水保肥、改良土壤、环境修复等领域（张又弛和李会丹，2015）。多数研究都集中在生物炭的理化特性和环境功能等方面（刘玉学等，2009；张阿凤等，2009），而将生物炭用于农田土壤改良，提高作物生产量也取得了一些成果（Steiner等，2008；陈红霞等，2011；王丹丹等，2013），但这些研究基本上都是在实验室或者温室中得到，还缺乏田间试验条件下生物炭对土壤物理、化学、生物的影响长期的、系统的试验研究（陈心想等，2013；朱鸿杰等，2014）。虽然研究指出，生物炭会提高植物养分吸收效率，可以实现土壤地力的提高和一定程度上的农林业增产（Lecroy，2013；曾爱等，2013），但是生物炭本身可被作物利用的养分含量较少，如果单纯以生物炭来替代化学肥料存在一定的难度，而将生物炭作为肥料载体制备生物炭基肥，即可以发挥生物炭自身优势,又能够减少肥料投入，改善土壤结构，提高地力，达到增产增收的目的，成为近年来生物炭应用研究中的一个新的重要课题（钟雪梅等，2006；卢广远等，2011；Kim等，2014）。已有研究表明生物炭与肥料之间存在互补或者协同作用，生物炭与肥料的复合可弥补生物炭养分不足的缺陷，保证养分供应的同时达到了固碳减排的目的（高海英，2012）。由于目前生物炭作为肥料载体的研究尚未得到应有的重视，生物炭的应用研究，尤其是生物炭在林业领域的应用还未见报道，因此将生物炭肥的应用扩展到山地人工林建设中有更大的实际意义。

当前全球气候变暖给我国经济可持续发展带来了巨大的压力与挑战，已引起世界各国的强烈关注，我国已承诺到2020年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降40%～45%（刘玉学等，2013），因此如何减少温室气体的排放、增加陆地生态系统碳汇为当前林业提出了新的挑战。黄连木作为我国重要的能源树种，黄连木生态能源林的营造，即可为生物柴油产业提供源源不断的原料，也可为改善林区环境保护，碳汇减排发挥作用。自本世纪以来，为了改变我国生物柴油资源短缺和原料供应不足的状况，能源植物开发利用倍受关注，黄连木作为重要树种已被列入国家科技支撑重大项目，各地发展的积极性很高，生态能源林建设呈现出规模化发展的趋势。本课题组自2006年以来，在全国黄连木适生区进行了引种栽培试验和丰产栽培模式研究，目前在安微、重庆、河南、河北等地进行了大面积的扩种，由于时间短，生态效应尚不明显。生物炭具有提升土壤碳库储量稳定性，减少温室气体排放，是一种农林业增汇减排的新途径（房彬，2014）。本研究首次将新型生物炭肥应用于林业野外造林地，通过不同炭肥处理黄连木光合荧光特性与黄连木生长特性协同的分析，了解黄连木生长和光合生理特性对生物碳输入的响应，可为将来黄连木生态能源林大规模营造和经营管理提供理论依据，同时为生物炭肥在江淮丘陵区农林业生产中的推广应用提供参考。

虽然黄连木耐瘠薄、抗旱能力强，是干旱地区理想的造林树种，但为了促进黄连木尽快成林和结实，进行合理的施肥可显著提高幼苗、幼树的生长（魏玉君，2000），生物炭具有较大的比表面积，施入土壤后可以吸附多种离子，从而提高土壤的保肥性能（Kolb等，2009），但其对养分是一种选择性吸持，对NH+4、NO-3吸附作用较强（Kimetu，2010）。本实验供试生物炭肥中相当部分N素是以氨基酸形态存在，肥料中氨基酸含量大于14%，远高于传统肥料，施用生物炭肥后黄连木高平均增55.13%，地径平均增长30.09%，增产效果明显。但由于生物炭肥对植物的效应受其自身性质、土壤类型及植物生长状况的影响，黄连木实验地为砂质壤土，肥力条件差，土壤水分不足，导致黄连木总体长势不良。光合作用是植物生物量和植物经济产量形成的生理基础，而叶绿素荧光常用来判断逆境胁迫对植物光合作用造成的伤害（张毅龙，2014）。实验地黄连木净光合速率（Pn）平均为4.65 µmol·m-2·s-1，蒸腾速率（Tr）仅1.305 µmol·m-2·s-1，最大荧光效率（Fv/Fm）仅0.731，说明不良的立地条件使黄连木光合作用受阻，光合固炭能力明显降低，因此要发挥生物炭肥的作用，还需适宜的立地条件，尤其是充足水份供给情况下才可充分发挥其肥效，从而达到促进林木生长的良好效果。本试验中，T2处理表现最为突出，光合荧光特性都明显优于其它处理，黄连木生长并没有随着生物炭肥量的增加而表现出明显优势，可能与生物炭肥对氮素的固定转化有关（王浩等，2014），由于本试验时间较短，生物炭肥的有效释放及土壤中C/N值的变化特征还需将来深入的研究。

4　结论

生物炭肥总体上能促进黄连木的生长，有效增加黄连木地径、树高、冠幅、比叶面积等生长指标，但黄连木生长量但并未随着生物炭肥浓度加大而增大，其原因还有待进一步试验研究。对比不同处理黄连木光合和荧光参数发现，生物炭肥处理在一定程度上提高了黄连木对光能利用率和水分的利用效率，提高了黄连木的抗旱保水能力，进而促进植物的生长。但仅T2处理对黄连木生长的影响最好，说明只有施入适量的生物炭肥，才有利于提高黄连木的Pn值以及叶片Fv/Fm和Fv/Fo值，改善黄连木的光合生理特性，进而促进植株生长。总体而言，生物炭肥在黄连木人工林的实验，拓展了生物炭肥的应用范围，可为将来林业领域的推广应用提供参考。

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Effects of Biochar Fertilizer Application on Growth Properties and Photosynthetic and Physiological Characteristics of Pistacia chinensis Bunge

WU Zhizhuang1, WANG daojin2, LI Yueqiao3, DU Xuhua1, SHAO Qiong1, LIU Shenghui1
1. China National Bamboo Research Center ,Hangzhou, Zhejiang 310012, China; 2. Forestry Department of Anhui Province, Hefei 230001, China; 3. Experimental Center for Subtropical Forestry, CAF, Fenyi 336600, China

Abstract:Pistacia chinensis Bunge is an important biodiesel woody energy plant in China with a broad prospect of exploitation and utilization. A field experiment was conducted to investigate the effects of biochar fertilizer application on growth properties, photosynthetic and physiological characteristics of Pistacia chinensis. The experimental results showed that when compared with the control, the growth properties of Pistacia chinensis rose after applying biochar fertilizer; and its DBH, height, canopy and leaf area ratio also increased by 30.09%, 55.08%, 23.07%, 25.03% respectively on average. However, there are no significant differences for biochar treatments which indicated that the biological carbon fertilizer could improve Pistacia chinensis’ growth, but its effect has little close relation to the dosage. Under the conditions of different fertilizer treatments, the average photosynthetic rate (Pn) was higher than that of control by 14.25% through the experiment of photosynthesis of Pistacia chinensis; except for the intercellular CO2concentration (Ci), the stomatal conductance (Cond), transpiration rate (Tr) and water use efficiency (WUE) of each treatment were higher than that of the control, which indicated biochar fertilizer could enhance efficiency of light energy and improve moisture utilization rate to a certain extent. Pistacia’s maximum fluorescence efficiency (Fv/Fm) had no significant difference in different biological carbon fertilizer treatment (P>0.05). The Fv/Fm value of T2 treatment was the highest amounting to 0.750 on average, which is slightly higher than the control. The activity of photosystemⅡ(Fv/Fo) of T2 treatment also looked remarkably higher at the first instance than that of control, which increased by 14.73% and reached 3.006. In addition to variable fluorescence (Fv), its Fvvalue of T2 treatment was significantly higher than that of control and the other parameters of chlorophyll fluorescence in the treatments had no significant differences (P>0.05). In general, the biological carbon fertilizer is conducive to raising the value of Pn, Fv/Fmand Fv/Fovalues; improving photosynthetic physiological characteristics effectively and promoting the growth of Pistacia chinensis Bunge.

Key words:Pistacia chinensis bunge; biochar fertilizer; growth properties; net photosynthetic rate; photosynthetic characteristics

收稿日期：2015-03-10

*通信作者：杜旭华（1982年生）男，博士，主要从事经济植物生理生态学研究

作者简介：吴志庄（1969年生），男，博士，主要从事林木遗传育种和能源植物开发利用研究。E-mail: wzzcaf@126.com

基金项目：十二五国家科技支撑计划项目（2011BAD22B08）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（CAFYBB2012025）

中图分类号：Q948, X173

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2015）06-0992-06

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.06.013