施用生物炭和复合肥对桢楠生长及养分吸收的影响*

邓洪涛,肖 琳,冯为迅,黎荣彬,白昆立,李其斌,曾曙才**

(1.广东省岭南院勘察设计有限公司,广东广州 510405;2.华南农业大学林学与风景园林学院,广东广州 510642)

随着经济的发展和人口的增长,土壤质量问题日益突出[1]。中国是农业大国,生物质资源丰富,但是由于未得到合理的开发与利用,导致资源浪费严重[2]。近年来,将生物质转化为生物炭(Biochar)并应用于改善造林土壤环境是实现生物质资源有效利用、促进植物生长,以及实现农林业可持续发展的有效途径[3,4]。生物炭是木材、草、玉米秸秆等农业废弃物在完全或部分缺氧条件下经过控制性高温裂解(400-700 ℃)产生的一类高度芳香化的难熔性固态高聚产物[5,6]。自然条件下,生物炭通常碱性较强,被认为是酸性土壤的改良剂和污染修复剂[7]。生物炭具有丰富的养分元素和多孔结构,添加在土壤中可改善土壤结构、增加土壤有效养分的含量,为植物提供养分从而促进其生长[8]。生物炭可以单独施用,也可以与肥料配合施用,将二者配施既能消除生物炭自身养分含量低的缺陷,又能延缓肥料在土壤中养分的释放,形成互补与协同作用[9]。国内外研究表明,利用生物炭与有机肥或无机肥料配合施用对作物产量和土壤肥力起促进作用,也可能无显著影响甚至起抑制作用[10]。例如,Oladele等[11]研究认为相比于单独添加生物炭,生物炭-氮肥混合施加能显著提高水稻的产量;白雪等[12]研究发现生物炭与菌肥配施能显著促进元宝枫(Acertruncatum)幼苗的生长发育;吴志庄等[13]研究发现在黄连木(Pistaciachinensis)人工林施用1 500 kg·hm-2生物炭肥能有效改善黄连木的光合生理特性,进而促进植株生长;Zwieten等[14]研究发现在红壤上单施生物炭对小麦生物量无显著影响,而与化肥配施则能显著提高小麦的生物量;在钙质土壤中,生物炭单施或与化肥配施均能显著降低小麦生物量。目前关于生物炭和肥料配施对植物生长影响的研究主要集中在水稻、玉米等农作物或退化土壤恢复等方面,而在林业领域上对野外造林地林木生长发育的影响研究较少。

桢楠(Phoebezhennan)属樟科(Lauraceae)楠属(Phoebe)常绿大乔木,国家二级重点保护树种[15],具有分布广、适宜性好、抗逆性强等优点,喜弱酸性土壤,拥有较高的观赏和经济价值[16],是我国传统的优质用材树种[17]。桢楠生长速度缓慢,加之长期的无序采伐,导致桢楠木质资源极度匮乏,而市场对优质木材的需求量在逐渐增大[18]。因此,探究生物炭添加对桢楠生长的影响,对加快桢楠人工用材林培育具有广阔的应用前景。本研究以桢楠幼苗为对象开展野外林地试验,探究生物炭及其与复合肥配施对桢楠生长和养分元素吸收的影响,以期为生物炭在造林施肥方面的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在广东省德庆林场,位于肇庆市西南部,地理范围为东经111°41′53″-111°44′50″,北纬23°08′57″-23°10′21″,属亚热带季风气候区,阳光充足,雨量充沛,水热同季,夏长冬短,年平均气温为21.5 ℃,年平均降水量为1 508.70 mm,土壤为偏酸性的赤红壤,适宜林木生长[19]。

1.2 材料

在广东省德庆林场苗圃培育基地选取植株健壮、长势良好的桢楠幼苗用于试验,种植前桢楠幼苗平均株高103.11 cm、地径11.38 mm、冠幅47.61 cm。供试的生物炭为木屑生物炭(Wood Shavings Biochar,WB)和稻壳生物炭(Rice Husk Biochar,RB),由浙江长三角聚农科技开发有限公司提供,是生物质在500 ℃下炭化而成。供试的复合肥为林用复合肥(Compound Fertilizer,F),由雅苒国际贸易(山东)有限公司提供,N含量为15%,P2O5含量为15%,K2O含量为15%。

1.3 试验设计

试验采用完全随机区组设计,以桢楠幼苗作为研究对象,单株小区,共设置不施肥(CK)、施用复合肥200 g (F)、稻壳生物炭300 g (RB)、木屑生物炭300 g (WB)、稻壳生物炭300 g+复合肥200 g (RBF)、木屑生物炭300 g+复合肥200 g (WBF)等6种施肥处理,每种处理作8次重复,共计48株,具体试验处理见表1。统一整地后,挖种植穴,种植穴规格40 cm×40 cm×40 cm,密度3 m×3 m,于2021年3月植苗,2021年7月选取长势一致的苗木进行施肥试验,在距苗木20 cm处均匀挖3个20 cm深穴施肥,施肥后盖土,结束后测定株高、地径和冠幅。

表1 生物炭和复合肥施用量

1.4 指标测定

2022年7月,在试验地用直尺测定桢楠苗木的株高,用游标卡尺测量地径,用卷尺测量冠幅,使用YMJ-BC叶面积测量仪(浙江托普云农科技股份有限公司)测量叶面积,使用SPAD-502 Plus叶绿素仪(浙江托普云农科技股份有限公司)测定叶绿素相对含量(SPAD值)。

将试验苗木整株挖出,用自来水洗净植株,将植株分为根、茎和叶,放入烘箱,在105 ℃下杀青30 min,65 ℃下烘至恒重,用电子天平称得干重。植株样品经浓硫酸-30%过氧化氢消解,获得待测液,氮含量采用奈氏比色法测定,磷含量采用钒钼黄比色法测定,钾含量采用原子吸收分光光度计测定[20]。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Office Excel 2016对数据进行整理和计算,通过SPSS 22.0软件进行数据分析,采用方差分析和Duncan′s多重比较进行差异显著性分析。分析结果用OriginPro 2022软件制图。

2 结果与分析

2.1 生物炭及其与复合肥混施对桢楠生长的影响

2.1.1 生物炭及其与复合肥混施对桢楠株高、地径的影响

由表2可知,除单施稻壳生物炭处理外,其他处理桢楠的株高增长量与不施肥处理相比均存在显著差异(P<0.05),其中稻壳生物炭与复合肥配施处理的株高增长量最大,与不施肥处理相比显著增加107.23%;与单施复合肥处理相比,单施稻壳生物炭、稻壳生物炭与复合肥配施的株高增长量存在显著差异(P<0.05),其中单施稻壳生物炭显著降低桢楠株高增长量,稻壳生物炭与复合肥配施则显著增加其株高增长量。与不施肥处理相比,单施复合肥、稻壳生物炭与复合肥配施、木屑生物炭与复合肥配施处理均显著增加桢楠地径增长量;与单施复合肥处理相比,各施肥处理(RB、WB、RBF、WBF)均对桢楠地径增长无显著影响。

表2 不同处理对桢楠株高和地径增长量的影响

2.1.2 生物炭及其与复合肥混施对桢楠生物量的影响

如图1所示,除单施稻壳生物炭处理外,其他处理与不施肥处理相比均对桢楠根生物量有显著差异(P<0.05),显著增加63.66%-128.77%;与单施复合肥处理相比,所有施肥处理(RB、WB、RBF、WBF)的根生物量均无显著差异,其中WBF处理的根生物量最大,为157.21 g·株-1。与不施肥处理相比,单施复合肥、稻壳生物炭与复合肥配施、木屑生物炭与复合肥配施的桢楠茎生物量有显著差异(P<0.05),显著增加95.39%-157.53%;与单施复合肥处理相比,只有木屑生物炭与复合肥配施处理下桢楠茎生物量存在显著差异(P<0.05)。与不施肥处理相比,两种生物炭肥处理(RBF、WBF)能显著增加桢楠叶生物量,而单施木屑生物炭能显著减少桢楠叶生物量,比不施肥处理减少31.87%;两种生物炭处理(RB、WB)下的桢楠叶生物量显著小于单施复合肥(P<0.05)。与不施肥处理相比,所有处理均增加了桢楠全株生物量,增幅为19.45%-104.13%,其中单施复合肥、稻壳生物炭与复合肥配施、木屑生物炭与复合肥配施有显著差异,WBF处理的全株生物量最大,为829.95 g·株-1;单施木屑生物炭和单施稻壳生物炭处理下的桢楠全株生物量显著小于单施复合肥(P<0.05)。综上可知,施用生物炭和生物炭肥均能增加桢楠根、茎和全株生物量,其中木屑生物炭与复合肥配施对其全株生物量促进效果最好。

Different lowercase letters indicated significant differences between different treatments in the same organ (P<0.05).

2.2 生物炭及其与复合肥混施对桢楠叶面积和SPAD值的影响

由表3可知,与不施肥处理相比,所有处理的叶面积存在显著差异(P<0.05),增幅为26.68%-61.76%;与单施复合肥处理相比,两种生物炭肥处理(RBF、WBF)均可使桢楠叶面积显著增加(P<0.05),其中WBF处理的叶面积最大,为2 510.19 mm2。各施肥处理与不施肥处理相比SPAD值均增加,但只有WBF处理存在显著差异(P<0.05);与单施复合肥处理相比,所有处理的SPAD值均无显著差异。综上可知,施用生物炭和生物炭肥均能增加桢楠叶面积和SPAD值,木屑生物炭与复合肥配施处理下的桢楠叶面积和SPAD值达到最大。

表3 不同处理对桢楠叶面积和SPAD值的影响

2.3 生物炭及其与复合肥混施对桢楠养分吸收的影响

2.3.1 生物炭及其与复合肥混施对桢楠N含量的影响

由表4可知,与不施肥处理相比,单施复合肥、稻壳生物炭与复合肥配施、木屑生物炭与复合肥配施处理下桢楠根的N含量差异显著,增幅为29.78%-43.09%;与单施复合肥处理相比,单施稻壳生物炭和单施木屑生物炭处理下桢楠根的N含量差异显著,分别显著减少13.28%和19.82%。与不施肥处理相比,所有处理桢楠茎的N含量无显著差异;与单施复合肥处理相比,木屑生物炭与复合肥配施处理显著减少桢楠茎的N含量。与不施肥处理相比,所有处理桢楠叶的N含量显著增加,增幅为9.81%-23.09%;与单施复合肥处理相比,单施稻壳生物炭、稻壳生物炭与复合肥配施处理显著减少桢楠叶的N含量。综上可知,单施生物炭较不施肥处理能显著促进桢楠叶对N的吸收,生物炭与复合肥配施处理下桢楠茎、叶对N的吸收效果不如单施复合肥。

2.3.2 生物炭及其与复合肥混施对桢楠P含量的影响

由表5可知,与不施肥处理相比,单施复合肥、木屑生物炭与复合肥配施处理下桢楠根的P含量显著增加;与单施复合肥处理相比,除木屑生物炭与复合肥配施处理外,其余施肥处理的桢楠根的P含量无显著差异。单施木屑生物炭、稻壳生物炭与复合肥配施、木屑生物炭与复合肥配施的桢楠茎的P含量与不施肥处理相比显著减少;与单施复合肥处理相比,单施稻壳生物炭桢楠茎的P含量显著增加了33.82%。与不施肥处理相比,单施复合肥、单施木屑生物炭、稻壳生物炭与复合肥配施、木屑生物炭与复合肥配施处理下桢楠叶的P含量均显著增加;单施稻壳生物炭处理下桢楠叶的P含量显著小于单施复合肥。

表4 不同处理对桢楠各部位N含量的影响

表5 不同处理对桢楠各部位P含量的影响

2.3.3 生物炭及其与复合肥混施对桢楠K含量的影响

由表6可知,与不施肥处理相比,单施复合肥、单施木屑生物炭、稻壳生物炭与复合肥配施、木屑生物炭与复合肥配施处理下桢楠根的K含量显著增加,其中单施木屑生物炭处理下桢楠根的K含量是不施肥处理的1.31倍,单施稻壳生物炭处理下桢楠根的K含量无显著差异;与单施复合肥处理相比,木屑生物炭与复合肥配施处理桢楠根的K含量显著增加,单施木屑生物炭、稻壳生物炭与复合肥配施处理无显著差异,单施稻壳生物炭处理下桢楠根的K含量显著减少。与不施肥处理相比,所有处理的桢楠茎、叶的K含量均无显著差异。综上可知,施用生物炭和生物炭肥对桢楠根的K含量影响较大。

表6 不同处理对桢楠各部位K含量的影响

3 讨论

生长指标可直观反映施用生物炭和复合肥对植物生长的促进效果[21]。本研究结果进一步表明不同的生物炭种类对桢楠生长的影响也不同。单施木屑生物炭能显著增加桢楠的株高和根生物量,说明木屑生物炭促进桢楠的生长发育,可能是由于生物炭自身具有多孔结构,添加到土壤中可改善根系周围土壤的理化性质[22],为根系提供良好的生长环境,促进根系生长,增强根际效应,有利于植物对营养物质和水分的吸收利用[23]。而单施稻壳生物炭则对桢楠生长无显著影响,可能是生物炭原材料组成和结构差异所致[24,25]。Saha等[26]研究发现生物炭-无机肥混施较单独施用无机肥显著增加了穿心莲根生物量、茎生物量和叶生物量;Mete等[27]研究发现生物炭-无机肥混施较单施无机肥显著增加大豆植株生物量和种子产量,这与本研究中生物炭与复合肥配施较单施复合肥相比更能促进桢楠生长发育的研究结果一致,可能与生物炭和复合肥混合施用产生的协同作用有关[28,29]。生物炭和肥料配施能改善生物炭直接养分有限的情况,延缓肥料养分的释放期,促进植物对营养的吸收,有利于植物的生长发育[9]。

本研究结果表明,单施生物炭相较于不施肥处理、生物炭与复合肥混施相较于单施复合肥均显著增加了桢楠叶面积,这与很多研究结果相似。如吴志庄等[13]研究发现添加生物炭肥能提高黄棕壤土中黄连木的水分利用效率,改善其光合生理特性;周翠香[30]研究发现添加2%-8%的生物炭能够显著提高盆栽狗牙根(Cynodondactylon)的净光合速率,改善其叶片光合特性,有利于光合产物的形成。这可能是因为添加适量的生物炭能改良土壤性状,提高土壤保水、保湿性,增加土壤内部的表面活性区域,减少水分向根际下方流失,增加植物对水的使用效率,进而改善光合作用的速率[30,31];也可能是因为生物炭与肥料配施能调节植物根系生长和形态,增加叶绿素含量和叶面积,延长叶片的功能期,提高植物生产力[12]。此外,由于桢楠喜阴的特性,其可能通过增大叶面积,来维持自身的代谢平衡[16]。

生物炭对植物养分吸收的影响效应表现不一,总体上均能促进植物对养分的吸收[32]。本研究结果表明,与不施肥处理相比,单施稻壳生物炭和单施木屑生物炭均能提高桢楠叶的N、P含量,可能是因为生物炭能够改善土壤养分、pH值、孔隙度等土壤理化性质,进而提高土壤的有效养分,并增强其养分的供应能力[33]。张伟明[34]研究发现生物炭处理对大豆全生育期叶片氮含量的促进效果较为显著,与本研究结果一致,说明生物炭对植株养分的吸收、积累具有重要的促进作用。此外,与不施肥处理相比,单施木屑生物炭或与复合肥混施均显著促进桢楠根对K的吸收,这与Uzoma等[35]研究中生物炭显著增加玉米中钾含量的研究结果一致。然而单施复合肥较施用生物炭肥对桢楠叶和茎N的吸收效果更好,可能是由于生物炭具有很高的C/N比,部分生物炭分解导致氮元素固定,降低了土壤中的有效氮,从而限制了植株对有效氮的吸收[36]。本研究还发现单施木屑生物炭与不施肥处理相比显著降低了桢楠茎的P含量,这与高林等[37]和Yan等[38]的研究结果类似,可能是施用生物炭降低了磷和某些微量元素的有效性,从而不利于植物对磷元素的吸收。目前的研究普遍认为施用生物炭可以提高养分的吸收利用效率,但生物炭对植物生长和吸收累积营养元素的影响受到土壤类型、植物种类和生物炭特征等因素制约[39],因此在不同的环境条件下,生物炭在促进植物生长和养分吸收等方面的研究结果也存在差异。

4 结论

施用生物炭和复合肥总体上均能促进桢楠的生长发育,能有效增加桢楠的株高、地径、全株生物量、叶面积等生长指标,促进植物对N、P、K的吸收。其中施用木屑生物炭较稻壳生物炭对桢楠的株高、生物量及养分吸收的促进效果更明显,因此木屑生物炭在桢楠造林基质方面更具潜力。此外,生物炭与复合肥配施较二者单施对桢楠生长和养分吸收的促进效果更佳,但关于生物炭对N、P、K的吸附固定特性以及其施用比例仍需进一步研究。总体而言,本研究进一步拓展了生物炭和生物炭肥的应用范围,可为将来在林业领域的推广应用提供参考。