高寒地区土壤生物炭改良和增温对暴马丁香生长量的影响分析

阿得安

(青海省互助县北山林场，青海 海东 810500)

青海省互助县地处36°30′—37°9′ N和101°46′—102°45′ E，是一个典型的高寒、半干旱地区[1]。县内最低海拔2 100 m，最高海拔4 384 m[2]。由于祁连山脉支脉贯穿全境，各个区域之间的差异也比较大[3]。互助县气候类型为高原大陆性气候，年平均气温仅为3.4 ℃[4]，年积温不足，植物生长缓慢。降水稀少且时空分布不均，年均降水500 mm。黄土高原和青藏高原在此区域镶嵌过渡使得县内黄土堆积，水土流失较为严重，土地瘠薄，土壤养分缺失[5]。由于特殊的地理环境，气象灾害如雹灾、干旱、霜冻等发生也较为频繁[6]。种种因素导致该地树木的生长发育迟缓，严重制约了互助县林业的发展。

暴马丁香(Syringareticulata) 是木犀科丁香属的一种多年生灌木或小乔木，又名白丁香、暴马子，是青海省的乡土树种[4]。暴马丁香对环境的适应性强，能够在多种生态环境中生长[5]，在我国东北、华北、华中、西北均有分布[7]。其耐寒、抗旱、耐瘠薄的特性[8]，对互助县的林业发展和城乡绿化具有重要意义。近年来，暴马丁香的药用价值也被不断开发[6]。本试验通过探究互助县不同生物炭占比土壤改良和土壤增温对暴马丁香生长量的综合影响，为当地的城乡绿化提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于互助县北山，属于典型的高原大陆性气候。平均海拔3 100 m，年平均气温3～5 ℃，昼夜温差大，气温变化幅度大，降水稀少，年平均降水500 mm，蒸发量大；苗圃地土质为砂质壤土。

1.2 试验材料

苗木：3年实生暴马丁香；

土壤改良剂：生物炭；

增温设备：陶瓷太阳能集热设备(由青海万通新能源公司提供)

1.3 试验设计

试验设4种生物炭比例的土壤改良，分别在土中添加10%、20%、30%、40%比例的生物炭，不同程度的改良处理中，再增设4种不同程度的土壤增温处理，分别增温1.0±0.1 ℃、2.0±0.1 ℃、3.0±0.1 ℃、4.0±0.1 ℃；同时设立不做任何处理的对照组CK。每个处理组中种植100株暴马丁香并确保生长期内每个处理组除土壤改良方式不同以外，其他的抚育管理保持一致。在每个试验组中随机选定10株暴马丁香，分别在暴马丁香生长期内的6月1日、11月1日对其树高、胸径、冠幅进行观测，计算生长量的平均值。

1.4 测定指标

树高、胸径、冠幅。

2 结果与分析

2.1 土壤改良和土壤增温对暴马丁香生长量的综合影响

6月1日和11月1日分别记录暴马丁香的树高、胸径和冠幅，计算增长量，并对每个处理组的平均值进行对比，见表1。

表1 不同生物炭占比土壤改良和增温对暴马丁香生长量的影响

注：不同字母表示在P<0.05水平差异显著。

由表1可知，暴马丁香树高、胸径和冠幅的生长量受不同生物炭占比土壤改良及增温的影响存在显著性差异(P<0.05)。各处理中暴马丁香树高、胸径及冠幅增长量均高于对照组。其中，暴马丁香的树高和冠幅随生物炭比例的增加呈先增加后减少，随土壤温度的增加同样呈现相同趋势；本土中添加30%生物炭且土壤增温3 ℃时，树高和冠幅达到最大增长量23.39 cm和20.17 cm。胸径则随生物炭比例及土壤温度的增加一直呈逐渐递增的趋势。土壤增温4 ℃，本土中添加40%生物炭时，胸径达到最大生长量1.50 cm。

2.2 土壤改良和土壤增温与暴马丁香生长量的相关性

2.2.1 土壤改良和土壤增温与暴马丁香树高的相关性 将暴马丁香各处理中的树高增量利用ORIGIN9.0进行拟合，构建模型，得出土壤改良和土壤增温与暴马丁香树高增长量的相关性如下：

图1 土壤改良和土壤增温与暴马丁香树高的相关性

由图1可知，不同增温梯度下暴马丁香的树高由于添加生物炭占比的不同存在较大差异。土壤生物炭占比和土壤增温对暴马丁香树高的综合影响呈现出一个“单峰”的模型。增温较低时，树高随生物炭比例的增加逐渐增加；增温3 ℃时，树高随生物炭比例的增减呈现先升高后降低的趋势。增温4 ℃时，树高又恢复为随生物炭比例的增加逐渐增加的趋势。结果表明，在一定的土壤生物炭占比范围内，生物炭占比的增加能显著促进暴马丁香树高的增长；但当超过某个临界点时，生物炭占比的增加反而会抑制树高的增长。随土壤温度的不同，土壤改良对暴马丁香树高的影响效果会产生较大差异，最有利于暴马丁香树高生长的土壤温度也会因为土壤生物炭占比的不同而产生变化。本土中添加30%生物炭且土壤增温3 ℃时，树高达到最大增长量23.39 cm。

2.2.2 土壤改良和土壤增温与暴马丁香胸径生长的相关性 将暴马丁香各处理中的胸径增量利用ORIGIN9.0进行拟合，构建模型，得出土壤改良生物炭占比和土壤增温与暴马丁香胸径增长量的相关性如下：

图2 土壤改良和土壤增温与暴马丁香胸径的相关性

由图2可知，暴马丁香的胸径由于土壤改良生物炭占比的不同存在较大差异。试验范围内，暴马丁香胸径的增长量与本土中生物炭添加占比及土壤温度均表现出一种正相关的关系。暴马丁香胸径增长量随添加生物炭比例和增温梯度的增加均呈现增长的趋势。相同土壤增温条件下，土壤中生物炭占比增加时，暴马丁香胸径增长量逐渐增加；相同生物炭占比条件下，不同土壤增温对暴马丁香胸径生长量的影响效果差异较小。土壤增温不同，暴马丁香胸径增长量随生物炭比例的提高而增加的速率不同。结果表明，土壤改良和土壤增温对暴马丁香的胸径增长有明显影响，且土壤改良的影响明显大于土壤增温的影响。暴马丁香土壤增温4 ℃，本土中添加40%生物炭时，胸径达到最大增长量1.50 cm。

2.2.3 土壤生物炭改良和土壤增温与暴马丁香冠幅的相关性 将暴马丁香各处理中的冠幅增量利用ORIGIN9.0进行拟合，构建模型，得出土壤改良和土壤增温与暴马丁香冠幅增长量的相关性如下：

由图3可知，不同增温梯度下暴马丁香的冠幅由于土壤添加生物炭比例的不同存在较大差异。土壤改良及土壤增温对暴马丁香冠幅的综合影响同样呈现出一个“单峰”的模型，但与树高的模型又有所差异。在此范围中，生物炭占比及土壤温度较低时，暴马丁香冠幅的增长较低。随着土壤温度的增加和生物炭占比的提高，暴马丁香冠幅生长量会逐渐增加。结果表明，土壤改良和土壤增温对暴马丁香的冠幅增长有明显影响。当土壤中添加生物炭占比超过20%且增温超过2 ℃时，冠幅呈现爆发式增长的现象，土壤中生物炭占比达到30%，增温3 ℃时达到最大值20.17 cm；而当生物炭占比超过30%、增温超过3 ℃时，冠幅生长量随生物炭比例和土壤温度的增加的趋势又会骤然降低，但仍远高于生物炭比例较低、增温温度较低时的增长量。

图3 土壤生物炭改良和土壤增温与暴马丁香冠幅的相关性

3 讨论

作为陆生植物的生长载体，土壤的特性对植物的生长具有决定性的作用[6]。Robson Schaff Corrêa等[9]验证了土壤的理化性质与生物量高低的关系；张弼弘从土壤的密实度、养分、水分3个方面探讨了土壤对植物生长的影响[14]。Walker的研究指出，植物生长过程中，土温只需变化1 ℃，植物的生长量就会发生显著变化[10]。土壤改良的研究主要集中于对土壤pH、有机质及土壤结构等方面。陈燕霞等[11]为了减少菜园中酸化土壤中的铝毒，利用向土壤中添加石灰或沸石的方法，成功降低了交换性铝的含量，提高了土壤pH值。李吉进等[12]通过采用向沙土中添加膨润土的方式改良沙土，增加了沙土中的含水量，提高了沙土中植物的成活率。目前，如何有效利用太阳能进行土壤增温的研究正受到全世界的广泛关注。王奉钦等[13]就曾将太阳能加热系统作为一种辅助加温措施与温室内的供暖系统相结合来增加土壤的温度。

然而，在土壤改良的研究中，鲜有关于高寒地区的土壤改良研究。国内外研究土壤改良及土壤温度与植物生长的相关性时，也大多只是将单方面的因素作为主要研究对象。本试验着手于高寒地区土壤改良的同时，就该地区温度较低的影响也囊括在内。通过对高寒地区土壤进行改良的同时，辅以土壤温度的研究，探讨其对暴马丁香生长的影响，填补了这一空白。本试验选用易于获取且成本低廉的生物炭等作为土壤改良的材料，增温设备成本也较为低廉，具有可推广性，为该地区的城乡绿化提供一定的参考。

4 结论

4.1 土壤生物炭改良和土壤增温对暴马丁香生长量的影响存在协同和胁迫作用。土壤改良生物炭占比不同，适宜于暴马丁香生长的土壤温度也不同，反之亦然。

4.2 综合各项指标，不同生物炭比例的土壤改良和土壤增温处理均对暴马丁香的生长有促进作用。其中，以30%～40%比例的生物炭，同时辅以2～3 ℃的土壤增温处理时，暴马丁香的各项生长量达到最大值，树高、胸径、冠幅的最大增量依次为23.39 cm、1.5 cm和21.17 cm。

4.3 土壤改良时，生物炭配比或土壤增温温度中的任何一项偏离最适范围，暴马丁香生长量都会发生显著下降。