不同生物质炭对蓝莓幼苗叶片光合性能和生长的影响

韦继光， 贾明云， 蒋佳峰， 曾其龙， 杨曙方， 于金平， 於 虹，①

〔1. 江苏省中国科学院植物研究所(南京中山植物园) 江苏省植物资源研究与利用重点实验室， 江苏 南京210014；2. 浙江蓝美技术股份有限公司， 浙江 绍兴 312000〕

蓝莓(Vacciniumspp.)是中国新兴果树，为须根系植物，适宜在酸性土地区生长，对黏重土壤适应性较差，不能达到高产稳产[1-2]。黄棕壤是中国南方酸性土地区主要土壤类型之一，但此类土壤贫瘠且黏重，而蓝莓生长需要有机质含量高且疏松透气的土壤，目前在生产上主要通过掺入草炭、珍珠岩等进行土壤改良。但草炭是不可再生资源且储量有限，很多国家逐渐限制草炭开采，导致草炭价格不断上涨[3]。为此，国内外陆续开展利用当地资源丰富、价格低廉的各种有机物料替代草炭改良蓝莓栽培土壤的研究[4-8]。随着中国蓝莓种植面积的不断增长，因地适宜开发来源广泛、成本低廉、效果理想的新型土壤改良物料是中国蓝莓产业可持续发展的重要保障。

生物质炭是生物质在限氧条件下经过热裂解作用产生的固体物质，其在土壤改良、污染土壤修复和碳封存等方面具有广阔的应用前景[9]。农田作物秸秆、园林废弃枝叶、畜禽粪便等均可作为生产制备生物质炭的原料，其中，玉米秸秆来源广泛且可再生，是制备生物质炭的优质原料之一[10]。据统计，2018年中国玉米秸秆的理论资源量达到2.53×108t[11]。这些玉米秸秆除部分还田外，其余大部分作为薪柴燃烧或是废弃田间地头，未得到充分的资源化利用。近10余年，中国蓝莓产业发展迅速，截至2020年，全国种植总面积达到6.64×104hm2[12]。为保证蓝莓持续丰产、稳产，需要在夏季采收后及冬季对蓝莓树体进行修剪，进入成年的蓝莓园每年修剪下来的干燥枝条量约2.25 t·hm-2。保守估算全国目前每年产生废弃的蓝莓枝条总量约1.5×105t，且呈逐年上涨趋势。农田作物秸秆及果园废弃枝条无害化处理已成为困扰农村生态文明建设和美丽乡村建设的一大难题。将数量可观的农田作物秸秆和果园废弃枝条等生物质资源变废为宝，制成生物质炭并将其用于土壤改良，不仅可以为农林废弃物资源化利用提供新思路，而且对于发展循环绿色可持续发展农业和建设环境友好型社会具有重大的现实意义。

生物质炭作为土壤改良剂在国内外已有较多的研究报道[13-16]。多数研究结果表明：施用生物质炭可降低土壤容重、改善土壤结构，提高土壤有机质含量及养分有效性，从而促进作物生长[17-21]。但由于不同区域的气候条件、土壤类型、土壤肥力状况、生物质炭性质及用量等方面的差异，都会造成生物质炭对作物生长及产量的影响不尽相同[22]。与其他作物相比，蓝莓喜酸性土壤，但生物质炭通常呈碱性，因此，不同来源生物质炭及用量对蓝莓植株生长及产量的影响有其特殊性。在美国俄勒冈州科瓦利斯市的研究显示：在沙质土壤上施入体积分数20%生物质炭可显著促进高丛蓝莓植株生长[23]。而在中国山东省青岛市开展的大田试验研究结果表明：施用生物质炭对蓝莓树体生长影响不大，但可在一定程度上提高果实产量和品质[24]。生物质炭在蓝莓栽培土壤(黄棕壤)改良中的应用尚缺乏相关研究，不利于蓝莓产业的进一步发展。

鉴于此，本文通过盆栽试验，对添加不同用量蓝莓枝条生物质炭和玉米秸秆生物质炭后土壤理化性质及蓝莓幼苗叶片光合性能和生长指标进行了比较和分析，探明生物质炭作为黄棕壤改良物料的适宜用量，以期为生物质炭在蓝莓栽培土壤改良上的科学合理利用提供依据。

1 材料和方法

1.1 材料

供试苗木为南方高丛蓝莓品种‘蓝美1号’(Vacciniumcorymbosum‘Lanmei 1’)半年生扦插苗，株高15 cm，基径1.0 mm。试验用土取自安徽省宣城市郎溪县蓝莓基地(地理坐标为东经119°15′27″、北纬31°10′13″)，土壤类型为黄棕壤，碱解氮含量为89.2 mg·kg-1，有效磷含量为13.6 mg·kg-1，速效钾含量为76.9 mg·kg-1，0～15 cm土层土壤酸碱度为pH 4.92，有机质含量为1.9%。试验所用草炭及珍珠岩由浙江蓝美农业有限公司提供。草炭酸碱度为pH 4.45，全氮含量为3.27 g·kg-1，全磷含量为1.06 g·kg-1，全钾含量为13.3 g·kg-1。珍珠岩酸碱度为pH 7.53，全氮含量为0.63 g·kg-1，全磷含量为0.09 g·kg-1，全钾含量为33.1 g·kg-1。供试蓝莓枝条生物质炭及玉米秸秆生物质炭均为在500 ℃限氧条件下热裂解1 h制成。2种生物质炭基本理化性质见表1。

表1 供试蓝莓枝条生物质炭和玉米秸秆生物质炭基本理化性质

1.2 方法

1.2.1 试验设计 盆栽试验于2020年11月至2021年3月在江苏省中国科学院植物研究所进行，试验采用完全随机试验设计，共设8个处理：CK0为不添加任何有机物料的黄棕壤，即纯土对照；CK1为V(土壤)∶V(草炭)∶V(珍珠岩)=60∶20∶20的混合基质，即常规土壤改良对照；BB10为V(土壤)∶V(蓝莓枝条生物质炭)∶V(珍珠岩)=70∶10∶20的混合基质；BB20为V(土壤)∶V(蓝莓枝条生物质炭)∶V(珍珠岩)=60∶20∶20的混合基质；BB30为V(土壤)∶V(蓝莓枝条生物质炭)∶V(珍珠岩)=50∶30∶20的混合基质；CB10为V(土壤)∶V(玉米秸秆生物质炭)∶V(珍珠岩)=70∶10∶20的混合基质；CB20为V(土壤)∶V(玉米秸秆生物质炭)∶V(珍珠岩)=60∶20∶20的混合基质；CB30为V(土壤)∶V(玉米秸秆生物质炭)∶V(珍珠岩)=50∶30∶20的混合基质。每种处理装9个塑料盆(直径15 cm、高15 cm)，浇水沉实1个月后，3盆用于土壤理化指标样品取样，另6盆每盆栽植1株长势基本一致的幼苗。盆栽置于光照培养室培养，温度为25 ℃，光照强度为100 μmol·m-2·s-1，光照时间为6:00至20:00，空气相对湿度为50%～80%。试验期间视土壤墒情，每次浇0.1～0.2 L水。所有处理每2周浇灌1次质量分数0.5%肥液，肥液中m〔(NH4)2SO4〕∶m(KH2PO4)=3∶2，每株每次浇100 mL。及时进行病虫害防治，确保植株正常生长。

1.2.2 土壤理化指标测定 于浇水沉实结束后，采用环刀法[25]269-271测定土壤容重；同时，用土钻采集盆内土壤，土壤样品置于通风处自然风干，参照程斐等[26]的方法，将风干土壤样品与去离子水按m∶V=1∶5的比例混匀，静置2 h后取滤液测定土壤pH值和电导率；土壤总孔隙度参照鲁如坤[25]266-271的方法测定。每种处理随机选取3盆采集土壤样品，视为3个重复。

1.2.3 叶片光合指标测定 于栽植后第120 天每处理随机选取植株4株(视为4个重复)，每株选取枝条上部健康功能叶片2枚做好标记，用CCM-200叶绿素测定仪(美国OPTI-SCIENCES公司)测定标记叶片的叶绿素含量指数(CCI)；采用LI-6800便携式光合作用测量系统(美国LI-COR公司)测定标记叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)。测定时叶室光强设为100 μmol·m-2·s-1，叶室CO2浓度控制在400 μmol·mol-1。

1.2.4 植株生长指标测定 于栽植后第120 天每处理随机选取植株4株(视为4个重复)，洗净后，将植株按根、茎和叶进行分样。用卷尺(精度0.1 cm)测量每个单株所有当年生枝条的长度，其总和即为单株总枝长。参照胡红玲等[27]的方法测定单株总叶面积；将每个单株所有叶片混匀后随机抽取鲜叶约10 g，用惠普(HP)LaserJet M1216nfh MFP黑白激光多功能一体机〔惠普(中国)投资有限公司〕扫描并测量所抽取叶片的叶面积(S0)，然后在105 ℃条件下杀青30 min，之后于75 ℃条件下干燥至恒质量，称量其干质量(ma)；同法干燥并称量剩余叶片的干质量(mb)。单株总叶面积(S)根据公式“S=S0(ma+mb)/ma”计算。将各单株的根和茎分别置于105 ℃条件下杀青30 min，之后于75 ℃条件下干燥至恒质量，分别称量茎干质量和根干质量，茎和叶的干质量之和为地上部干质量，根、茎和叶的干质量之和为总干质量。根冠比根据公式“根冠比=根干质量/地上部干质量”计算。

1.3 数据处理和分析

采用EXCEL 2013软件进行数据处理；采用SPSS 16.0软件进行统计分析，使用Duncan’s新复极差法检验不同处理间的差异显著性(P<0.05)。

2 结果和分析

2.1 不同生物质炭处理土壤理化性质分析

不同生物质炭处理土壤理化性质的影响见表2。结果显示：CK1〔V(土壤)∶V(草炭)∶V(珍珠岩)=60∶20∶20〕(常规土壤改良对照)处理的土壤容重显著低于CK0(纯土对照)处理，而土壤总孔隙度显著高于CK0处理；各生物质炭处理的土壤容重随生物质炭添加量的增加而显著降低，土壤总孔隙度随生物质炭添加量的增加而显著升高。CK1处理的土壤pH值略低于CK0处理，而土壤电导率显著高于CK0处理。各生物质炭处理的土壤pH值和电导率随生物质炭添加量的增加而升高。与CK0处理相比，各蓝莓枝条生物质炭处理及CB30〔V(土壤)∶V(玉米秸秆生物质炭)∶V(珍珠岩)=50∶30∶20〕处理的土壤pH值显著升高。除BB10〔V(土壤)∶V(蓝莓枝条生物质炭)∶V(珍珠岩)=70∶10∶20〕处理外，各生物质炭处理的土壤电导率均显著高于CK0处理。

表2 不同生物质炭处理土壤理化性质的比较

2.2 不同生物质炭处理对蓝莓幼苗叶片光合性能的影响

不同生物质炭处理对蓝莓幼苗叶片光合性能的影响见表3。结果显示：CK1〔V(土壤)∶V(草炭)∶V(珍珠岩)=60∶20∶20〕处理的叶片叶绿素含量指数(CCI)显著高于CK0(纯土对照)处理；各生物质炭处理的叶片CCI值随生物质炭添加量的增加呈先升高后降低的趋势。BB10〔V(土壤)∶V(蓝莓枝条生物质炭)∶V(珍珠岩)=70∶10∶20〕和BB20〔V(土壤)∶V(蓝莓枝条生物质炭)∶V(珍珠岩)=60∶20∶20〕处理的叶片CCI值略高于CK0处理，BB30〔V(土壤)∶V(蓝莓枝条生物质炭)∶V(珍珠岩)=50∶30∶20〕处理的叶片CCI值显著低于CK0处理；BB10和BB30处理的叶片CCI值均显著低于CK1处理。CB10〔V(土壤)∶V(玉米秸秆生物质炭)∶V(珍珠岩)=70∶10∶20〕和CB20〔V(土壤)∶V(玉米秸秆生物质炭)∶V(珍珠岩)=60∶20∶20〕处理的叶片CCI值略高于CK0处理，CB30〔V(土壤)∶V(玉米秸秆生物质炭)∶V(珍珠岩)=50∶30∶20〕处理的叶片CCI值略低于CK0处理；CB10和CB20处理的叶片CCI值与CK1处理无显著差异，CB30处理的叶片CCI值显著低于CK1处理。

结果(表3)还显示：CK1处理的叶片净光合速率(Pn)高于CK0处理，但差异不显著；各生物质炭处理的叶片Pn值随生物质炭添加量的增加呈先升高后降低的趋势。BB10、BB20、CB10和CB20处理的叶片Pn值高于CK0处理，BB30和CB30处理的叶片Pn值低于CK0处理；BB10、BB20、CB10和CB20处理的叶片Pn值低于CK1处理，BB30和CB30处理的叶片Pn值显著低于CK1处理。CK1处理的叶片气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)显著高于CK0处理；各生物质炭处理的叶片Gs和Tr值随生物质炭添加量的增加呈先升高后降低的趋势。BB10、BB20、CB10和CB20处理的叶片Gs和Tr值高于CK0处理，BB30和CB30处理的叶片Gs和Tr值与CK0处理相差不大；BB10、BB20、CB10和CB20处理的叶片Gs和Tr值低于CK1处理，BB30和CB30处理的叶片Gs和Tr值显著低于CK1处理。叶片胞间CO2浓度(Ci)以CK1处理略高，但各处理间无显著差异。

表3 不同生物质炭处理对蓝莓幼苗叶片光合性能的影响

2.3 不同生物质炭处理对蓝莓幼苗生长的影响

不同生物质炭处理对蓝莓幼苗生长的影响见表4。结果显示：CK1〔V(土壤)∶V(草炭)∶V(珍珠岩)=60∶20∶20〕处理的单株总枝长、单株总叶面积、单株根干质量、单株地上部干质量和单株总干质量均显著高于CK0(纯土对照)处理，而根冠比显著低于CK0处理。除BB20〔V(土壤)∶V(蓝莓枝条生物质炭)∶V(珍珠岩)=60∶20∶20〕处理的根冠比以及BB30〔V(土壤)∶V(蓝莓枝条生物质炭)∶V(珍珠岩)=50∶30∶20〕处理的单株根干质量和根冠比低于CK0处理外，各蓝莓枝条生物质炭处理的其余生长指标均高于CK0处理，但无显著差异；各蓝莓枝条生物质炭处理的单株总枝长、单株总叶面积、单株地上部干质量和单株总干质量均显著低于CK1处理。BB30处理的单株根干质量显著低于CK1处理，BB10〔V(土壤)∶V(蓝莓枝条生物质炭)∶V(珍珠岩)=70∶10∶20〕和BB20处理的根干质量与CK1处理无显著差异。各蓝莓枝条生物质炭处理的根冠比均高于CK1处理，其中BB10处理的根冠比显著高于CK1处理。随蓝莓枝条生物质炭添加量的增加，单株总枝长、单株总叶面积、单株根干质量、单株地上部干质量和单株总干质量总体呈先升高后降低的趋势，而根冠比呈逐渐降低的趋势。

表4 不同生物质炭处理对蓝莓幼苗生长的影响

结果(表4)还显示：各玉米秸秆生物质炭处理的单株总枝长均高于CK0处理，其中CB20〔V(土壤)∶V(玉米秸秆生物质炭)∶V(珍珠岩)=60∶20∶20〕处理的单株总枝长显著高于CK0处理。CB10〔V(土壤)∶V(玉米秸秆生物质炭)∶V(珍珠岩)=70∶10∶20〕、CB20处理的单株总叶面积显著高于CK0处理，CB30〔V(土壤)∶V(玉米秸秆生物质炭)∶V(珍珠岩)=50∶30∶20〕处理的单株总叶面积低于CK0处理。CB10和CB20处理的单株地上部干质量和单株总干质量均显著高于CK0处理，单株根干质量高于CK0处理，CB30处理的单株根干质量、单株地上部干质量和单株总干质量均低于CK0处理。各玉米秸秆生物质炭处理的根冠比均低于CK0处理，但无显著差异。各玉米秸秆生物质炭添加量处理的根冠比高于CK1处理，其余生长指标均低于CK1处理，其中，CB10和CB30处理除单株根干质量和根冠比外的其余生长指标均显著低于CK1处理，而CB20处理除单株总叶面积显著低于CK1处理，其余各生长指标与CK1处理无显著差异。随玉米秸秆生物质炭添加量的增加，单株总枝长、单株总叶面积、单株根干质量、单株地上部干质量和单株总干质量均呈先升高后降低的趋势，而根冠比变化不大。

2.4 蓝莓单株总干质量与生物质炭添加量的回归分析

植株干物质积累反映了土壤状况、养分吸收和光合性能等对植株生长的综合影响，对蓝莓单株总干质量与生物质炭添加量进行回归分析，结果见图1。

▲： 蓝莓枝条生物质炭Blueberry stem biochar； ■： 玉米秸秆生物质炭Corn straw biochar.

结果显示：单株总干质量与生物质炭添加量呈抛物线关系，其中，单株总干质量与蓝莓枝条生物质炭添加量的回归方程为yBB=-22.236x2+8.565x+0.764(R2=1.000)，单株总干质量与玉米秸秆生物质炭添加量的回归方程为yCB=-49.266x2+16.809x+0.574(R2=1.000)。蓝莓枝条生物质炭最适添加量为体积分数19.3%，玉米秸秆生物质炭最佳添加量为体积分数17.1%。

3 讨论和结论

土壤质地过于黏重是黄棕壤限制蓝莓植株生长的最关键因子。本研究以不添加任何有机物料的黄棕壤为纯土对照(CK0)，以目前生产实践中常用且改良效果较好的V(土壤)∶V(草炭)∶V(珍珠岩)=60∶20∶20的混合基质为常规土壤改良对照(CK1)，探究以生物质炭替代草炭作为黄棕壤改良物料的可行性。生物质炭具有发达的孔隙结构、高的比表面积和丰富的表面官能团，因而具有良好的物理性质和养分调控作用，施入生物质炭可提高土壤孔隙度和保水保肥性能，改善植物根系的生长环境[28-29]。本研究结果表明：随生物质炭添加量的增加，各生物质炭处理的土壤容重显著下降且显著低于纯土对照，而土壤总孔隙度显著增大且显著高于纯土对照，说明在黄棕壤中添加生物质炭显著提高了土壤疏松度和通气性。但生物质炭一般呈碱性，本研究所用生物质炭具有较高的pH值，中和了黄棕壤中的酸性物质，降低土壤交换性酸的数量，因而各生物质炭处理的土壤pH值随生物质炭添加量的增加而增大。尽管各蓝莓枝条生物质炭处理初始土壤pH值超过蓝莓适宜土壤酸度范围(pH 4.0～pH 5.5)，但由于在栽培管理过程中每2周浇施1次含硫酸铵肥料，蓝莓喜铵态氮，在其生长过程中根系不断吸收铵根离子从而酸化根际土壤，进而营造适合其根系生长的微环境[30]。本研究所用生物质炭含有较多的水溶性盐类，因而各生物质炭处理的土壤电导率随生物质炭添加量的增加而升高，尽管均未超过蓝莓适宜土壤电导率范围(小于0.76 ms·cm-1)[31]，但添加体积分数30%玉米秸秆生物质炭处理的土壤电导率显著高于其他处理。土壤电导率过高时，植物根尖顶端分生组织的细胞分裂因土壤渗透势降低及离子毒害作用受到抑制，从而影响根系伸长生长及行使正常功能，根系水分和营养吸收能力下降，最终导致植株生长缓慢，生长量降低[32-33]。因此，添加适宜用量生物质炭才能尽可能降低生物质炭高pH值、高电导率的负面影响，同时最大限度提升土壤孔隙度和保水保肥性能，获得最佳改良效果。

前人研究发现，生物质炭能够有效促进烤烟(Nicotianasp.)根系形态的生长发育，优化根系生理指标，并通过改善根系的发育，进而改善叶片光合生理特性[34]。本研究中，与纯土对照相比，添加体积分数10%和20%生物质炭后，蓝莓幼苗叶片叶绿素含量指数、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度均有所提高，表明在黄棕壤中施入适量生物质炭可以在一定程度上增强蓝莓幼苗叶片的光合性能。这与刘宁等[35]的研究结果相似，原因可能是适量的生物质炭改善了土壤结构和养分状况，促进了植株养分吸收，从而提高了光合能力。与常规土壤改良对照相比，添加体积分数20%的生物质炭处理的各光合指标虽然略低，但无显著差异，表明二者光合碳同化能力相当。

本研究结果显示：常规土壤改良对照的单株总枝长、单株总叶面积、单株根干质量、单株地上部干质量和单株总干质量均最高且显著高于纯土对照，表明常规土壤改良处理仍是目前改良效果最优的方案。生物质炭比表面积大且存在多微孔结构和大量负电荷，可吸附营养元素。因此，在土壤中施入生物质炭通常可以改善土壤的物理性状，提高土壤的养分有效性，从而促进植株生长[28]。然而，生物质炭对作物的生长和产量的影响因土壤类型、生物质炭类型及施用量而异[22,36-38]。本研究结果表明：与纯土对照相比，各蓝莓枝条生物质炭添加量处理在一定程度上提高了蓝莓幼苗生长及各部位干质量。添加体积分数10%和20%玉米秸秆生物质炭可促进蓝莓幼苗生长，当添加量达到30%时则对其生长产生抑制作用。2种生物质炭均以添加量为体积分数20%时对植株生长的促进作用最大；其中，添加体积分数20%玉米秸秆生物质炭处理〔V(土壤)∶V(玉米秸秆生物质炭)∶V(珍珠岩)=60∶20∶20，CB20〕可显著提高蓝莓幼苗单株的总枝长、总叶面积、地上部干质量和总干质量，且除单株总叶面积显著低于常规土壤改良对照外，其余各生长指标与常规土壤改良对照无显著差异，即添加体积分数20%玉米秸秆生物质炭基本可以达到常规改良水平。因此，添加适量玉米秸秆生物质炭具有替代草炭作为黄棕壤改良物料的潜力。对单株总干质量与生物质炭添加量进行回归分析发现，最适玉米秸秆生物质炭添加量为17.1%。

综上所述，在黄棕壤中适量添加玉米秸秆生物质炭可提高土壤孔隙度，降低土壤容重，有效改善土壤结构，在一定程度上增强了蓝莓幼苗光合性能，从而促进植株生长。因此，玉米秸秆生物质炭在蓝莓栽培土壤改良上具有一定的应用潜力。