生物炭和氮肥对沿海沙地鼓节竹笋生长和光合特性的效应

王希贤, 吴 君, 李 磊, 江登辉, 荣俊冬, 陈礼光, 赖东永, 郑郁善,

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.福建农林大学园林学院，福建 福州 350002； 3.福建省东山赤山国有防护林场，福建 漳州 363400)

生物碳是一种富碳物质，由生物质不完全燃烧所产生，其可溶性低，抗氧化能力和抗生物分解能力强，具有极强的吸附能力[1-2]，适量的生物炭能有效改善土壤，促进植物的生长发育，过量的生物炭会影响土壤中的养分，对植物的生长造成负面影响[3].生物炭的施加可以有效提高牡丹(Paeoniaostii)[4]、扁核酸红枣(Ziziphusjujuba)[5]、锦葵(Malvasinensis)[6]等植物的产量，施加生物炭后，白芨(Bletillastriata)[7]、茄子(Solanummelongena)[8]的光合特性指标均显著升高，增加了植物对干物质的积累.

氮素参与合成多种与光合作用和呼吸作用相关的化合物，生物炭的施加对土壤中的氮具有吸附性，影响土壤中氮素的循环和有效性，有助于提高植物的氮肥利用率[9-10].研究表明[11-12]，氮肥配施生物炭能显著提高土壤中微生物活性与土壤酶活性，合理配施能够显著增加水稻的有效穗数和总穗量.但生物炭与氮肥多数应用于作物类植物，目前关于沿海沙地土壤竹类植物上的氮肥与生物炭配施研究还未见报道.鼓节竹(Bambusatuldoides‘Swolleninternode’)为簕竹属(Bambusa)，是栽培园艺变种，因竹竿下部的节间缩短膨大，杆形独特，常作为优良的园林观赏性竹种[13].鼓节竹具发达的地下鞭根系统，在防止水土流失等方面效果显著优于其他树种，鼓节竹能改善树种结构，丰富树种多样性，提高防护效能，其作为沿海沙地防护林已经成功引种，但沿海沙地土壤贫瘠，肥力流失严重，提高土壤养分利用率是鼓节竹沿海防护林建设的关键因素.鼓节竹的出笋数与成竹率不仅关系着竹丛的新老交替，还对竹丛的可持续性发展起着至关重要的作用，笋期养分需求量较大.以4年生的鼓节竹作为研究对象，在不同的氮肥和生物炭配施下，研究沿海沙地鼓节竹发笋末期的叶绿素含量、光合特性、出笋量以及成竹率的变化，为鼓节竹发笋末期的科学施肥及高效可持续经营提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在福建省东山县赤山国有林场进行，该地位于福建南部沿海，东经118°18′，北纬23°40′，属亚热带海洋性季风气候，终年无霜冻，年平均降雨量为1 134 mm，降水主要集中在每年的5—9月，旱季发生在11月至翌年2月，降水少，蒸发量大；年平均气温20.8 ℃，受季风和台风影响较大，台风主要发生在夏季，年平均日照2 412.8 h.

1.2 试验材料

表1 因素与水平表Table 1 Factors and levels

表2 正交设计表Table 2 Orthogonal designTable

鼓节竹为多年生的一次性开花植物，笋期在夏秋两季，8—10月为发笋末期.试验采用长势一致的4年生鼓节竹，3种生物炭(水稻、小麦、玉米)均为勤丰众成生物质新材料南京有限公司生产，在450 ℃厌氧环境下烧制而成；氮肥为尿素(含N 46%).

1.3 试验设计

水稻、小麦、玉米分别各设置3个水平，每丛100、400、1 200 g，配施3种水平的氮肥，每丛300、600、900 g，采用4因素3水平L9(34)正交试验设计，以不施肥做为空白对照(CK)，共10个处理，每个处理5丛，每丛5株.于2020年9月中旬，鼓节竹发笋末期时，在鼓节竹滴水线周围开挖环状施肥沟，将生物炭施入沟中，覆上表土；将氮肥均匀施撒在竹丛周围的沟中，并浇水溶解.在施肥前和10月下旬，计算鼓节竹出笋率和成竹率，并在10月下旬进行光合测定，从每丛鼓节竹的东南西北四个方向随机摘取一定数量的叶片混合，进行叶绿素测定(表1、表2).

1.4 测定指标与方法

1.4.1 鼓节竹出笋量和成竹率测定 记录每丛竹子的出笋量及成竹情况，成竹率/%=各处理成竹数/各处理出笋数×100.

1.4.2 叶绿素测定 采用乙醇丙酮浸提法[14]对各处理的鼓节竹叶片进行叶绿素测定.

1.4.3 鼓节竹叶片光合参数测定 在每丛标准竹中选取1株具有代表性的鼓节竹幼苗，在每株幼苗的中上部选择无病虫害且长势良好的功能叶片，除去叶面灰尘等杂物，使用Li-6400 XT便携式光合作用系统(Li-Cor, USA)进行气体交换参数的测定，用设定光强为1 000 μmol·m2·s-1，气体流速为(500±0.5) mmol·s-1，外接CO2小钢瓶，CO2浓度为400 μmol·mol-1，测定时间8：30—11：30，每个处理设定3个重复；测定净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)等基本参数，并计算WUE(植物水分利用效率)=Pn·Tr-1；LS(气孔限制值)=(Ca-Ci)·Ca-1，式中Ca为大气 CO2浓度.

1.5 数据处理

利用Excel 2010对试验数据进行整理，利用SPSS 22.0对数据进行极差分析、方差分析和相关性分析，运用模糊隶属函数法进行综合分析得出最佳施肥处理.

隶属函数公式为：

U(Xj)=(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(1)

U(Xj)=1-(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(2)

在式(1)和式(2)中，U(Xj)表示j指标的标准化值，Xjmin、Xjmax表示j指标的最小值和最大值.当所测定的指标与苗木质量呈正相关的时候采用(1)式计算隶属函数值，反之，若当所测定的指标与苗木质量呈负相关的时候则采用(2)式进行隶属函数值的计算.

权重计算公式：

式中Vj表示j指标的标准差系数，Wj表示j指标在所有指标中的重要程度，即权重.

综合评价计算公式：

式中，D表示不同处理下鼓节竹性状的综合评价值.

2 结果与分析

2.1 不同生物炭与氮肥配施对鼓节竹笋生长指标和叶绿素的影响

鼓节竹作为一种丛生竹，发笋数与成竹率关系着竹丛的更新换代与可持续发展，不同生物炭与氮肥的配施均提高了鼓节竹发笋末期的出笋量和成竹率，处理后的出笋量为6.66～11.00个，处理5的出笋量最高，相比对照提高了83.3%，其次是处理3，与对照相比提高了66.7%，处理1和处理8的出笋量较少.各处理对成竹率的影响不同，处理5的成竹率最高，相比对照组提高了32.4%，处理3和处理7次之，相比对照组提高了20%.说明生物炭与氮肥的配施能有效地提高出笋量和成竹率(图1).极差分析表明(表3)，3种因素对出笋量和成竹率的影响效应为C>A>B，即氮肥用量的影响较大，其次为生物炭种类，生物炭用量影响较小.对出笋量影响的最优处理为A2B3C3，对成竹率影响的最优处理为A2B2C3.生物炭与氮肥配施能有效地提高出笋量，并且显著提高成竹率，有助于鼓节竹的生长.

鼓节竹发笋末期，各处理对叶片叶绿素含量的影响不同(图2)，处理5的叶绿素含量最高(2.79 mg·g-1)，相比对照提升了71.2%，其次是处理4，处理9的叶绿素含量最低.处理5与其余的处理组之间存在显著性差异(P<0.05)，各处理的叶绿素含量均高于对照组(1.63 mg·g-1).说明生物炭与氮肥的配施能有效地提高鼓节竹叶片叶绿素含量.极差分析表明(表3)，3种因素对叶绿素的影响为C>B>A，对叶绿素影响的最优处理为A2B2C3.

不同小写字母表示同一指标在不同处理间差异显著( P<0.05).图1 不同处理对鼓节竹出笋量和成竹率的影响Fig.1 Effect of biochar and N fertilizer applications on shoot yield and maturing rates of B.tuldoides

表3 不同处理对鼓节竹的影响1)Table 3 Effects of biochar and N fertilizer applications on photosynthetic characteristics and shoot yield of B.tuldoides

2.2 不同生物炭与氮肥配施对鼓节竹光合特性的影响

各施肥处理的鼓节竹Pn为1.01～3.64 μmol·m-2·s-1，相比对照组提高了46～427%，其中处理5的Pn最高，其次是处理4，3个因素对鼓节竹Pn的影响为C>B>A.各处理叶片Gs在0.013～0.029 mmol·m-2·s-1之间波动，处理9的Gs最大，处理8的Gs最小，3种因素对Gs的影响效应为C>A>B.各处理的Ci均高于对照组(160.1 μmol·m-2·s-1)，其中处理5最高(291.01 μmol·m-2·s-1)，处理6最低，3种因素对Ci的影响为C>B>A.施肥后的鼓节竹Tr均高于对照组，处理5的Tr比对照提升了216%，达到最大值，3种因素对Tr的影响为C>B>A.WUE能够反映植物干物质积累与用水量之间的关系，是评价植物在缺水状态下生长适宜程度的综合指标之一.处理5的叶片WUE最高(7.46 μmol·m-2·s-1)，处理6叶片WUE最低(3.56 μmol·m-2·s-1)，3种因素对WUE的影响效应为C>B>A.气孔限制值是植物在进行光合作用时，由于Gs的下降，使得进入气孔的CO2量减少，最终导致光合作用效果减弱.处理1的鼓节竹气孔限制值最大，处理2气孔限制值最小，说明生物炭与氮肥能降低鼓节竹叶片气孔限制值.不同的配方施肥均明显提高了鼓节竹发笋末期的Pn、Tr和WUE，降低了气孔限制值.3种因素对气孔限制值的影响为C>B>A，生物炭与氮肥的配施对鼓节竹光合特性各指标影响的最佳组合为A2B2C3.

不同小写字母表示同一指标在不同处理间差异显著( P<0.05)图3 不同处理对鼓节竹光合特性的影响Fig.3 Effects of biochar and N fertilizer applications on photosynthetic characteristics of B.tuldoides

2.3 不同生物炭与氮肥配施对鼓节竹的综合评价

处理5的出笋量、成竹率和叶绿素含量隶属函数值最高(表4)，说明处理5的出笋量、成竹率和叶绿素含量最佳.处理9的Gs隶属函数值最高，说明处理9的气孔导度最大，处理5的Pn和WUE均达到最佳.在Tr方面，处理6的Tr隶属函数值最大，说明处理2的Tr最佳，LS和Ci为处理7的隶属函数值最大.

表4 不同生物炭与氮肥配施对鼓节竹效应的综合评价1)Table 4 Comprehensive evaluation of different combinations of biochar and N fertilizer

3 讨论

氮肥与生物炭是促进植物生长的重要措施，氮元素是植物生长发育过程中的主要营养元素之一，施用氮肥能够促进植物生长，使植物体内干物质增加，增强植物对恶劣环境的适应性和抗性.生物炭能减少氮肥的流失，改善土壤理化性质，增强土壤肥力，促进植物对养分的吸收[15].关于的红枣研究表明[16]，生物炭与氮肥的配施能显著提高红枣的产量和品质，该研究结果与对苹果[17]的研究结果一致.本试验结果表明，生物炭与氮肥配施对鼓节竹发笋末期的出笋量有显著的提升作用，氮肥用量对出笋量有较大的影响，处理5的出笋量最大，说明氮肥含量与出笋数密切相关，氮肥的施用与出笋数成正比，再次验证了氮元素对发笋期的重要性.高浓度生物炭的促进效果反而欠佳，可能是因为过量的生物炭使土壤的碳氮比增高，降低了土壤中有效氮素的有效性，导致植物对养分吸收效率降低，生长发育受到限制.过量的生物炭会导致水稻产量降低，这与赵艳泽[12]的研究结果相似.因此，选择适量的生物炭与氮肥的配比组合才能更好地促进植物生长，适当减量才能使促进效果达到最大化.

植物的光合作用和光形态建成主要在叶片中进行，植物叶片的生理生化动态能够直观地反映出植物生长的优劣以及各项生命活动特征.光合作用是生态系统中物质传递和能量流动的重要过程，而叶绿素含量是反映光合作用强弱的重要指标[18]，叶绿素含量越高，叶片光合作用能力越强，有机物的合成越多，对植物的生长促进作用增强，这与刘术均等[8]的研究结果一致.本试验研究结果表明，生物炭与氮肥的配施对鼓节竹发笋末期叶片中叶绿素的含量有显著提高作用，进而影响植物净光合作用和生长发育，这可能是因为生物炭表面多孔疏松的结构，增加了土壤对氮素的吸附性，减少沙地土壤中氮素的流失，使得鼓节竹能够更好地在土壤中吸收养分.但当生物炭用量在达到最佳促进作用后，再继续施用生物炭反而会降低促进效果，叶绿素的含量随着氮肥用量的增加呈现出持续增长的趋势，说明氮肥对鼓节竹叶片的叶绿素含量有着重要的作用，氮元素关系着叶绿素的合成，而生物炭则促进了鼓节竹对养分的吸收.光合作用是植物生长和代谢的生理基础，叶片的光合特性主要集中体现在Pn、Tr、Gs、Ci、WUE和LS等方面[19].本试验结果表明，生物炭与氮肥的配施对鼓节竹发笋末期的Pn、Tr、Gs和WUE的影响与对叶绿素的影响一致，均有显著的促进作用，这可能是因为随着生物炭的施入，叶绿素含量和气孔导度的增加，鼓节竹捕获更多的光能且吸收更多的CO2，进而促进了净光合速率的提高.生物炭与氮肥的配施加快了鼓节竹的水分运输，提高了鼓节竹代谢物质的合成、分解与转化速率，利于植物叶片对氮元素的吸收，也促进了对光合物质的合成，从而提高植物的光合作用，随着生物炭和氮肥的施入，Ci和LS均有所降低.有研究表明[20]，施用生物炭能有效地提升毛竹叶片的Pn、Tr、Gs和WUE，Ci和LS，在谷子(Setariaitalica)[21]、番茄(Lycopersiconesculentum)[22]的研究中再次验证了此观点.

4 结论

生物炭与氮肥的配施能够有效地提升鼓节竹的叶绿素含量，有效提高鼓节竹叶片的光合特性，从而促进鼓节竹的生长，进而提高鼓节竹的出笋量和成竹率.400 g·丛-1小麦生物炭配施900 g·丛-1氮肥对鼓节竹出笋末期的出笋量、成竹率和光合特性的影响效果最佳.这为今后在沿海沙地促进鼓节竹生长及演替提供了理论基础.

在生物炭种类、生物炭用量和氮肥用量因素中，对鼓节竹出笋末期影响最大的是氮肥用量，生物炭用量次之.在3种生物炭中，小麦生物炭的表现最好，这可能是与小麦生物炭制作的工艺过程有关，或是因为小麦生物炭中有某种物质能更好地促进鼓节竹对养分的吸收，需要更深入的研究以探明其作用机理.