竹炭添加对大叶榉树容器苗生长和营养状况的影响

刘泽茂，晏 昕，吴 文，张于卉，喻方圆*

(1.南京林业大学林学院，南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037；2.江苏省高邮市林业技术指导站，江苏 高邮 225600；3.上海市林业总站，上海 200040)

大叶榉树(Zelkovaschneideriana)为榆科榉属落叶乔木，生长速度较慢，材质优良；其树形优美，冠幅庞大，叶色季相变化丰富，是重要的硬阔叶用材树种和园林绿化景观树种[1-2]。过去几十年，由于大规模砍伐、气候变化影响和自然更新缓慢，大叶榉树的数量和分布范围越来越少，已被列为我国二级保护植物和进入国际自然保护联盟(IUCN)的濒危物种红色名录[3]。近年来，大叶榉树的推广应用得到快速发展，市场对大叶榉树苗木的需求量越来越大。培育能满足市场需求的优质大叶榉树苗木成为生产上亟待解决的问题之一。相比于裸根苗，容器苗育苗周期短、生长环境容易控制、苗木整齐度高，且由于起苗和运输时不伤根系，所以造林的成活率高、早期生长速率快[4-5]。使用容器育苗的方法，有助于尽快培养优质大叶榉树壮苗，并且通过机械化模式提高育苗工作的效率，可以满足日益增长的市场需求。目前容器育苗时，大多使用苗圃土、泥炭、蛭石和珍珠岩等单独或混配作为育苗基质，但这些基质材料均属不可再生资源，不仅育苗成本较高，而且在保水性、盘根性和养分利用效率等方面也存在不足[6]。在容器育苗时更多地使用环境友好、保水性和养分利用率高的材料作为基质是大势所趋。

生物炭是由有机物质在限氧或无氧条件下通过热解得到的一种多孔稳定的富碳材料，其热解温度一般为300～1 000 ℃[7-8]。在育苗时添加生物炭这种环境友好型材料，一方面可以节约成本、减少土壤N2O排放、降低环境污染和促进植物生长[6,9-11]；另一方面还可以提高农林废弃物利用率，缓解泥炭资源消耗问题[12]。由于具备多种优点，生物炭在农林业生产领域已经成为研究热点并被广泛应用[13-15]。竹炭是一种常见生物炭，其分子结构呈六角形，质地轻，孔隙度大，保水持水能力好，吸附功能强，符合作为栽培基质的特点[16-17]。竹炭不仅可以减少土壤中养分的淋溶损失，提高氮肥利用率，显著提高土壤有机碳和速效钾含量，改善土壤肥力，还可以提高土壤pH，改善土壤通气环境，促进土壤中细菌数量和细菌群落多样性增加[16,18-19]。另外还有研究表明，竹炭可以促进植物生长，提高土壤溶解性有机质(DOM)含量，使得土壤中重金属的迁移性提高，同时降低植物对于Cd的吸收和积累，所以可以作为一种重金属污染土壤的修复材料[20-22]。我国竹材资源丰富，竹子种植面积达673万hm2，占世界竹子资源的1/3，大量的竹材边角材料可被制作成竹炭，且可用于制作竹炭的竹子类型广泛，制作中的劳动生产效率和资源利用率较高，目前随着竹炭工业的快速发展，制备竹炭的成本也大幅下降，这使得大规模推广竹炭作为栽培基质成为可能[17-19,23]。而与用以制作木炭的灌乔木等相比，竹子具有一次成林、长期利用、生长速度快、成材周期短、生产力高等优势，并且每年可以通过无性繁殖来再生新竹[21,23]。因此，竹炭添加在农林业生产领域有着广阔的前景。

目前，关于生物炭对植物生长影响的研究大多针对大田育苗，在容器育苗时添加生物炭的研究鲜有报道。本试验以大叶榉树为对象，研究在基质中添加竹炭对其容器苗生长和营养状况的影响，以期为更好地培育大叶榉树苗木和掌握生物炭在容器育苗中的作用特性提供理论和实践基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地点位于上海市宝山区森林植被种质资源基地(121°28′48″E，31°24′36″N)。该地区属于亚热带季风气候，四季分明，年日照时间约为1 900 h，年降雨量约为1 142 mm，年平均气温15.3 ℃，无霜期约230 d，适宜大叶榉树的生长。

2019年4月上旬，将2018年11月中旬采集于江苏新沂的大叶榉树(Z.schneideriana)种子经过NaOH溶液处理后洗净，在穴盘中进行播种。待苗高长至约5 cm时，取正常生长、长势一致的幼苗，将其移栽至添加有不同含量竹炭基质的白色无纺布容器(直径×高为12 cm×18 cm)中。使用的基质为泥炭、珍珠岩、有机肥，体积比为7∶2∶1，基质中均匀掺入不同质量分数的竹炭，其含量为添加量除以基质质量的百分数；对照组仅为基本基质，不添加竹炭。

1.2 试验设计

试验为单因素随机区组试验设计，设置4个竹炭添加量处理水平[质量分数分别为0(CK)、1%(T1)、3%(T2)和5%(T3)]。每个处理设置3个重复，每个重复30株幼苗。试验指标测定于2019年6月中旬开始，至11月中下旬结束。

1.3 苗木生长状况测定

1.3.1 苗高、地径

11月苗木生长停止后，测量所有大叶榉树容器苗的苗高和地径。用卷尺测量苗高，精度为0.1 cm；用游标卡尺测量地径，精度为0.01 mm，并计算高径比。

1.3.2 根系指标

11月苗木生长停止后，每处理每重复随机抽取5株大叶榉树容器苗。用水将根系清洗干净，在EPSON扫描仪(精工爱普生公司，日本)下获得透射图像，再用WinRHIZO PRO 2007分析根系的图像。测定的根系指标包括根系总长、根表面积和根系总体积。通过观察得出直径(D)大于1 mm的一级侧根数(主根上的细根不包括在内)。

1.3.3 生物量

扫描根系后，将上述每处理5株大叶榉树容器苗按地上部分、地下部分分别放进单独的信封，然后统一放入烘箱中烘干，先于105 ℃条件下杀青30 min，再调至70 ℃烘至质量恒定，使用电子天平分别称量各部分干质量，精度为0.001 g。

1.4 苗木营养状况测定

1.4.1 氮含量和碳含量

自2019年7月开始每隔30 d取样1次，到11月试验结束时进行最后一次采样，每处理每个重复每次随机取3株，共计5次。将5次采样所得苗木经过清洗烘干，选取烘干后的根混合样品和茎混合样品测定其氮元素、碳元素含量;采用凯氏法靛酚蓝比色法(参照LY/T 1269—1999《森林植物与森林枯枝落叶层全氮的测定》)测定氮素含量。采用重铬酸钾化——外加热法(参照GB 7857—1987《森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算》)测定碳素含量。

1.4.2 可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白含量

在根系扫描后、生物量测定前，从用于生物量测定的每处理5株大叶榉树容器苗混合样品中取出一小部分新鲜根系进行可溶性糖含量、淀粉含量、可溶性蛋白含量测定。具体方法为：从每一处理样品中各随机取1份0.2 g的新鲜根系，采用蒽酮比色法测定可溶性糖和淀粉含量[24]，采用考马斯亮蓝B-250法测定可溶性蛋白含量[25]。

1.5 数据处理

所有测定结果以平均值±标准差表示。采用Excel 2010进行数据处理；用SPSS 23.0进行方差分析及Duncan多重比较(P<0.05时，表示差异显著)。

2 结果与分析

2.1 竹炭对大叶榉树容器苗生长状况的影响

2.1.1 大叶榉树容器苗生长指标的变化

竹炭处理对大叶榉树容器苗生长指标的影响如表1所示，苗高由大到小处理依次为T3>T1>T2>CK，且T3、T1处理与对照差异显著。

表1 竹炭处理对大叶榉树容器苗生长指标的影响Table 1 Effects of bamboo charcoal on the growth indicators of Z. schneideriana container seedlings

地径由大到小处理依次为T3>T1>T2>CK，其中T3的地径显著优于其他处理，说明添加5%竹炭的基质对大叶榉树容器苗的地径生长效果最好。

高径比由大到小处理依次为T1>T3>T2>CK。竹炭添加明显增加了大叶榉树容器苗的高径比，原因可能是因为容器摆放密度偏大，大叶榉树容器苗高生长更旺盛造成的。

2.1.2 大叶榉树容器苗生物量的变化

竹炭处理对大叶榉树容器苗各部分生物量的影响如表2所示。地上部分和地下部分生物量大小顺序各处理依次均为T3>T1>T2>CK，且地上部分各处理与对照差异显著，说明添加竹炭显著地促进了大叶榉树容器苗地上部分和地下部分的生长。

表2 竹炭处理对大叶榉树容器苗生物量的影响Table 2 Effects of bamboo charcoal on the biomass (dry weight) of Z. schneideriana container seedlings

细根的生物量由大到小处理依次为T3>T1>T2>CK，且T3处理与对照差异显著，说明竹炭对大叶榉树容器苗细根生长具有促进作用。

根茎比由大到小处理依次为CK>T3>T2>T1，且对照显著高于其他处理。其原因可能是竹炭对大叶榉树容器苗地上部分与地下部分的生物量均有促进作用，但其对地上部分的促进作用强于对地下部分的促进作用，使得对照组的根茎比显著高于竹炭处理组。

2.1.3 大叶榉树容器苗根系形态的变化

竹炭处理对大叶榉树容器苗根系形态的影响如表3所示，一级侧根数大小顺序各处理依次为T3>T2>T1、CK，且T3、T2处理与对照差异显著，说明竹炭具有促进大叶榉树容器苗一级侧根数增多的作用，其主要原因可能是竹炭可以增加基质的孔隙度，有利于保持基质水分。

根系总长大小顺序各处理依次为T3>T2>T1>CK，且T3与对照差异显著，说明竹炭具有增加大叶榉树容器苗根系总长的作用。其中含有5%竹炭的根系总长显著高于其他处理，说明在一定的范围内，基质中含较高浓度的竹炭对大叶榉树容器苗的根系总长具有更好的促进作用。

根系表面积大小顺序各处理依次为T3>T2>T1>CK，且各处理均与对照差异显著，说明竹炭具有增加大叶榉树容器苗根系表面积的效果，其中含有5%竹炭的基质中，苗木根系表面积最大。

根系总体积大小顺序各处理依次为T3>T2>T1>CK，T3、T2与对照的差异显著，说明添加中高浓度的竹炭有利于大叶榉树容器苗根系体积的增大。

表3 竹炭处理对大叶榉树容器苗根系形态指标的影响Table 3 Effects of bamboo charcoal on the root morphological indexes of Z. schneideriana container seedlings

2.1.4 大叶榉树容器苗不同直径根系长度的变化

竹炭处理对大叶榉树容器苗不同直径根系长度的影响如表4所示，可见直径在0～0.5 mm的根系长度大小顺序各处理依次为T3>T2>T1>CK，说明添加中高浓度的竹炭具有促进大叶榉树容器苗细根增加的作用。

表4 竹炭处理对大叶榉树容器苗不同直径根系长度的影响Table 4 Effects of bamboo charcoal on the root length of different root diameter of Z. schneideriana container seedlings

直径在0.5～1.0 mm的根系长度大小顺序各处理依次为T3>T2>T1>CK，且T3、T2处理与对照差异显著；直径在1.0～1.5 mm的根系长度大小顺序各处理依次为CK>T3>T1>T2，且对照显著大于T1和T2处理；直径在1.5～2.0 mm的根系长度大小顺序各处理依次为CK>T3>T2>T1；直径在2.0～2.5 mm的根系长度大小顺序各处理依次为T3>T2>CK>T1；直径在2.5～3.0 mm的根系长度大小顺序各处理依次为T3>T2>CK>T1；直径在3.0～3.5 mm的根系长度大小顺序各处理依次为T2>T3>CK>T1；直径在3.5～4.0 mm的根系长度大小顺序各处理依次为T2>T1>T3>CK；直径在4.0～4.5 mm的根系长度大到小顺序各处理依次为T3>T2>CK>T1；直径大于4.5 mm的根系长度大小顺序各处理依次为T1>T3>T2>CK。总体来说，不同含量竹炭处理对容器苗细根(直径≤1 mm)的生长均有明显的促进作用。

2.2 竹炭对大叶榉树容器苗养分状况的影响

2.2.1 大叶榉树容器苗根系营养物质含量的变化

竹炭处理对大叶榉树容器苗根系营养物质含量的影响如表5所示。

表5 竹炭处理对大叶榉树容器苗根系营养物质含量的影响Table 5 Effects of bamboo charcoal on the root nutrient content of Z. schneideriana container seedlings 单位:mg/g

可溶性糖含量由大到小各处理依次为CK>T1>T3>T2，且对照组与处理之间差异显著；淀粉含量由大到小各处理依次为CK>T3>T2>T1，且T1、T2与对照组之间差异显著；可溶性蛋白含量各处理间差异不显著(P>0.05)。说明添加竹炭显著降低了大叶榉树容器苗根系中可溶性糖含量，1%和3%添加量的竹炭显著降低了根系中淀粉的含量，而不同含量竹炭对根系中可溶性蛋白含量均没有明显影响。

2.2.2 大叶榉树容器苗茎中氮和碳含量的变化

竹炭处理在不同时期对大叶榉树容器苗茎中氮和碳元素含量的影响如表6所示。所有处理的大叶榉树容器苗茎中氮元素含量都有先减小后增加的趋势。竹炭不仅可以增大大叶榉树容器苗茎中氮元素含量的峰值，还可以加快其变化的速度。其中，T2处理下茎中氮含量的变化速度最快，经历了降低、升高、降低、升高4次变化，说明含有3%竹炭的处理更有利于大叶榉树容器苗茎的生长。此外，所有添加量竹炭处理下，茎中氮含量的变化幅度都比对照组大，说明竹炭加速或增强了大叶榉树容器苗茎中氮元素的生理代谢活动。

试验期内，各处理间的大叶榉树容器苗茎中碳元素含量差异及其变化趋势不明显。除了7月，不同处理大叶榉树容器苗茎中碳元素之间没有显著性差异，说明竹炭对大叶榉树容器苗茎中碳元素含量的代谢变化没有显著的影响。

表6 竹炭处理对大叶榉树容器苗茎和根中氮和碳含量的影响Table 6 Effects of bamboo charcoal on the nitrogen and carbon content in stem and root of Z. schneideriana container seedlings 单位:mg/g

2.2.3 大叶榉树容器苗根系中氮和碳含量的变化

竹炭处理在不同时期对大叶榉树容器苗根系中氮和碳元素含量的影响如表6所示。所有添加量竹炭处理下，在大叶榉树容器苗速生期内，根中氮元素的含量都有显著提高。其原因可能是竹炭改善了土壤的理化性质且利于水分的保持，有益于苗木根系的生长和生理活动，从而促进了根系对于基质中氮元素的吸收。

而各时期内，所有处理的大叶榉树容器苗根系中碳含量基本维持在一个水平，整个试验期间变化幅度都不大，说明竹炭对大叶榉树容器苗根系中的碳元素含量没有显著性影响。

3 讨 论

3.1 竹炭添加与大叶榉树容器苗根系生长的关系

生物炭通常呈碱性[26]，具有较强的离子吸附交换性能，作为一种土壤改良剂，可以改善土壤的理化性质，提高土壤的pH以及土壤的保水性和阳离子交换量，促进土壤中营养元素的循环，提高部分养分的有效性并且促进土壤微生物的活动，从而利于植物的生长发育[27-29]。Xiang等[8]综合了来自136篇文献的2 108对相关数据，证明了添加生物炭能通过促进植物根系的发育来促进植物的生长和作物的增产。Brennan等[30]使用铜和砷严重超标的土壤种植玉米(Zeamays)，发现在有铜和砷污染严重的情况下，添加生物炭仍能显著地增加玉米根的质量密度和长度密度，从而促进玉米根系的建成。本研究中，添加竹炭促进了大叶榉树容器苗根系的生长发育，根总生物量、细根生物量、一级侧根数、根系总长、根系表面积和根系体积相较于对照都有显著增加。

在植物从土壤吸取养分和水分的过程中，植物的细根发挥着重要的作用[31]。植物的细根通过物理作用和分泌有机质嵌入土壤，其分泌的有机质和坏死部分有助于土壤中有机物质的积累和物种多样性的丰富，从而促进全球碳循环[32-33]。植物的细根可以通过快速改变自己以适应环境的改变，来保持高的养分吸收效率，这些改变包括根生物量、根径、根长和根含氮量的改变等[34]。Razaq等[34]对五角枫(Acerpictumsubsp.mono)的研究发现，添加生物炭显著增加了1～3级根的形态指标值(包括总根长、根平均面积和特定根长)和1～5级根的含氮量。本研究中，添加竹炭显著促进了大叶榉树容器苗细根(直径≤1 mm)的生长发育，但对于直径>1 mm的根系来说，竹炭对其生长是起到了促进还是抑制作用，目前还难以得出明确结论，需要进行更多的研究加以探究和证实。

3.2 竹炭添加与大叶榉树容器苗养分状况的关系

生物炭由于具有巨大的表面积和多孔的结构，对土壤中的养分离子具有很强的吸附作用，降低了养分淋溶及固定损失，提高了土壤中氮和磷的含量及可利用性[35-37]。生物炭也可以提高氮肥利用率，延长肥料养分在土壤中的存留期[18]。而当土壤中可利用的氮增加时，会导致植物根系中的氮含量提高，并伴随着根呼吸速率的加快[34,38]。Robertson等[39]使用落基山小干松(Pinuscontortavar.latifolia)林和锡特卡桤木(Alnusviridisssp.sinuata)林中的森林土壤作为栽培基质，发现添加生物炭能改善土壤理化性质，促进落基山小干松和锡特卡桤木的早期生长。但是在有效养分低或含氮量较低的土壤中添加生物炭有可能抑制作物生长，因为生物炭本身为富碳材料，施入土壤后提高了土壤的C/N值，降低了土壤氮素养分的有效性[18,28]。本研究中，基本基质的含氮量已经较高，添加竹炭促进了大叶榉树容器苗根系对基质中氮元素的吸收，加快了其茎中氮的代谢活动。今后可就适当减少基本基质中泥炭的比例展开深入研究，以进一步弄清竹炭对于大叶榉树利用土壤养分的影响，同时节约成本。生物炭的C含量一般随热解温度的升高而增加[40]。本研究中，添加竹炭对大叶榉树容器苗根系和茎中的碳元素含量没有显著性影响，这可能是因为本次试验中使用的竹炭在制备时热解温度较低。

本研究中，添加生物炭会显著降低大叶榉树容器苗根系中可溶性糖和淀粉的含量，对可溶性蛋白则没有显著影响。这可能是因为添加竹炭促进地上部分的生长发育，使得养分更多地用于茎的形态构建。李妮等[41]在研究不同配比生物质炭复合基质对番茄(Solanumlycopersicum)育苗效果的影响时，也发现由于地上部分的快速生长导致根系活力和叶中叶绿素含量的下降；Sun等[42]对桃树(AmygdaluspersicaL.)进行的盆栽试验结果也显示，添加生物炭显著降低了桃树根和叶中的可溶性糖含量，同时显著增加了其茎中的可溶性糖含量，但是对其整个地上部分的可溶性糖含量影响不大。今后可以针对生物炭对苗木叶-茎-根间的源库关系和养分分配比例的影响进行更加深入的研究。本研究中还发现，添加竹炭对大叶榉树容器苗地上部分生长的促进作用大于对于地下部分的促进作用，这可能是由于大叶榉树的遗传特性导致，未来也可以对此进行更加深入的研究。

3.3 关于竹炭添加量

生物炭对土壤理化性质和植物生长发育的影响受其添加量的影响[8]。本研究中，竹炭对大叶榉树容器苗生长的促进和营养状况的改善基本上随着添加量的提高而增强。综合来看，T3处理最有利于大叶榉树容器苗的生长，与对照组相比，T3处理的苗高增加了37.84%，地径增加了17.67%，地上、地下部分生物量分别增加了69.56%和63.48%，细根生物量增加了49.17%，细根长度增加了62.38%。然而，已有许多研究表明过量的生物炭会对植物的生长发育造成不利影响。陈庆飞等[12]在以生物炭对铁皮石斛(Dendrobiumofficinale)进行基质泥炭替代试验中发现，过高的生物炭替代量(10%)显著降低了铁皮石斛的株高、节间距、节数和叶数；刘士玲等[43]对西南桦(Betulaalnoides)的育苗试验结果显示，添加0.5%竹炭的配方基质中幼苗存活率(89.78%～99.56%)显著高于添加1%竹炭的幼苗存活率(63.11%～74.67%)。通常认为：过量的生物炭使得土壤的碳氮比过高，降低了土壤氮素养分的有效性[43]；造成基质通气空隙增多的同时减少了其持水空隙，基质失水太多，失水速率太快，引起根系细胞的失水，导致酶活性降低，降低根系的各项生理功能[44]；对氮、磷、钾、镁等植物必需元素的吸附性和固定过强，导致苗木生长所需养分不足[45]，同时对土壤中微生物的群落结构和活动也有不利影响[43]。当然，生物炭本身呈碱性，过量添加会使得土壤pH过大。

本研究得出，添加竹炭有利于大叶榉树容器苗的生长、根系的建成、根系形态的优化和对基质中氮元素的吸收利用，且在一定的合理范围内这种有利影响基本上随着竹炭含量的提高而增强。故建议对大叶榉树用容器育苗时，在基质中添加5%的竹炭可以更好地培育优质的大叶榉树苗。