生物炭改良风沙土对植物生长及养分的影响

王道涵，杨婷赟，于令令，许端平

（辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000）

氮磷钾是植物生长发育所必需的三大营养元素。氮对作物产量贡献率达40%~50%[1]，在细胞分裂、作物的生长速度、产量及品质方面都有很好的促进作用[2]，是作物生产中最重要的营养物质之一。磷是植物生长必须的第二大养分元素，占植物总干重的0.2%~1.1%，在植物细胞生长、促进植物根系生长方面发挥重要作用[3-4]。钾可促进作物内部碳水化合物的代谢，提高作物蛋白质含量[5]，进而提高作物产量和品质[6]。同时，氮磷钾在提高植物抗寒、抗旱能力，调节细胞渗透压、调节气孔及促进光合作用等诸多方面有重要作用[7-10]。研究表明，氮磷钾的合理施配对作物的产量和品质都产生不同程度的影响[11-12]，过多或过少的添加量都会对作物产量和品质不利。自然界中土壤的氮磷钾含量较低，是限制植物生长的主要因素，也影响着作物的产量和品质[13]。此外，植物叶绿素可促进作物光合作用，对作物生长及品质产生影响。而生物炭的施加，可改善土壤状况[14]，从而影响植物对营养物质的吸收，增加作物产量[15-16]，生物炭类型及其施加量对土壤影响各不相同，不可避免地对作物长势及养分的量也会有所影响[17]。因此，寻找合适的生物炭、探究最佳施加量对增加作物产量及养分含量有重要意义。

我国是世界上土地受到沙化危害最严重的国家之一[18]，沙化土地面积占国土面积的17.9%[19]。沙化治理逐年加强，但由于沙化面积大、涉及地域广，我国被侵蚀土地治理鲜有成效。我国耕地资源短缺，风沙土作为我国的一种边际土壤，存在土壤颗粒大、吸附性能小、结构松散等问题，导致土壤持水保肥能力弱、生产能力低下等[20-21]，但其作为我国实施“藏粮于地、藏粮于技”战略的重要耕地资源补充，不仅是生态系统的重要载体，更应是未来粮食增量的主要来源[22]。科尔沁沙地是我国四大沙地之首[23]，该类土对当地及周边居民的收支状况产生较大影响[24]。因此，改善风沙土理化性质对实现沙化地区生态修复及人民经济发展具有很大的现实意义。

生物炭作为一种优良的土壤改良材料备受关注。生物炭是生物有机质在少氧或缺氧的条件下，经高温裂解产生的一类高度芳香化、稳定性强的富碳固态物质，具有较大的比表面积、多孔结构和很好的吸附能力，含有丰富的养分[25]。有研究表明，生物炭作为一种土壤改良剂，可提高土壤持水保肥能力[26-27],降低土壤容重，提高风沙土含水量和孔隙度，增加土壤有机质及有效元素的含量[28-31]，改变土壤pH及酶活性[31-33]，同时提高植物养分含量，增加作物产量[34-36]。

综上所述，生物炭作为改良剂改良土壤已被国内外学者广泛认可。但不同的生物炭对于不同类型的土壤改良效果各不相同，对不同作物的影响程度也各有所长。因此，本试验以燕麦草为研究对象，在风沙土中施加不同因素水平的生物炭，以探究不同生物炭对风沙土中植物生长及养分的影响。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区地处科尔沁沙地东南方彰武县，于辽宁省风沙地改良利用研究所实验基地进行。该地坐标为42°41′39.3"N 122°33′11.5"E，海拔345.10 m，经对当地多年的气候观察得出，全年降雨量较少，多集中在6～8月，且蒸发量大，季节更替明显，阳光充沛，温差大，属于温带亚湿润半干旱季风气候区[37]。目前彰武县北部沙荒现象明显，其土壤类型为风沙土（GB/T 17296-2009），同时风沙大且多，主要种植抗旱较强的沙生植物。

1.2 试验设计

试验总占地为18 m×27 m，每个样方为3 m×3 m，共54个样方。从西向东分3类，分别添加秸秆炭（A）、木炭（B）和草炭（C），各生物炭理化性质如表1，从北向南设置不同的添加量，分别为CK（空白）1 kg·m-2（T1）、2 kg·m-2（T2）、3 kg·m-2（T3）、4 kg·m-2（T4）、5 kg·m-2（T5）（表2），试验重复3 次，试验田种植燕麦草，为供试植物。于2021年5月中旬播种燕麦草种，人工进行地下水浇灌，生长周期为12 周，在2021年8月中旬对燕麦草进行样品采集。采集时，在样方对角线上随机选5点取样，分别于每点随机采集3～4 株完整的燕麦草。取回后，于通风处将植株风干，把植株的地上部分和地下部分用剪刀分离，取地上部分用于试验。

表1 风沙土及各生物炭理化性质Table 1 Physicochemical properties of aeolian sand soil and biochar

表2 试验设计方案Table 2 Test design scheme

1.3 方法

1.3.1 燕麦草株高测量 燕麦草的株高为现场测量，在8月中旬采样时，对每个试验样方随机取5个取样点采样并用米尺测量株高，取平均值作为各个样方之间的株高对比。

1.3.2 燕麦草消毒——H2SO4-H2O2法 将植株烘干磨碎并过0.50 mm筛，称取0.50 g（准至0.000 2 g）于容积为100 mL的开氏瓶中，加入1 mL水进行润湿，后加入4 mL浓H2SO4摇匀，随后分两次各加入2 mL H2O2，每次加入后都要摇匀。在经过一系列反映之后，放置在电炉上加热消煮，直到固体全部成为液体且H2SO4发白烟，溶液呈褐色时停止加热，这个过程大约10 min。待冷却后，向溶液中加入2 mLH2O2，再次加热消煮5~10 min，冷却，再加入H2O2消煮，如此反复直到溶液呈现出无色或清亮。整个过程中，在加入H2O2的总量大约为8~10 mL时，要再继续加热5~10 min，以便将剩余的H2O2除尽。取下冷却后，要将溶液用蒸馏水进行定容。

1.3.3 燕麦草中氮磷钾的测定 试验中燕麦草氮磷钾含量依据《NY/T 2017-2011,植物中氮、磷、钾的测定》测定方法测定[38]。

1.3.4 燕麦草叶绿素测定方法——分光光度法 将采集的植株置于通风处风干，之后用剪刀将其地上部分和地下部分剪开，地上部分用以测定叶绿素含量。采用分光光度法对燕麦草中叶绿素进行测定，叶绿素a和叶绿素b的含量计算公式为：

式中：CA为分光光度计下测出的叶绿素a的色素浓度（mg·L-1）；CB为分光光度计下测出的叶绿素b的色素浓度（mg·L-1）。

1.3.5 数据统计与分析 本试验采用Excel 2019 对数据进行整理计算，用SPSS 27.0 软件对数据进行统计学分析，运用Origin 2021 软件作图。

2 结果与分析

2.1 生物炭对燕麦草生长的影响分析

由图1可知，风沙土在添加不同类型生物炭后，无论是株高还是产量，均呈现上升的趋势，其中添加秸秆炭对燕麦草株高和产量影响最为明显。由图1 a 可知，草炭组随着草炭添加量的增加，株高于起初呈现缓慢增长的趋势，在T5 水平下，发生显著变化，明显高于其他处理组；木炭组中由于添加木炭浓度不同，株高呈现稳步上升的趋势，于T5水平达到最高；与对照组相比，添加秸秆炭后，秸秆炭组燕麦草株高出现明显变化，株高是原来高度的两倍，之后随着秸秆生物炭浓度的增加，呈现缓慢增长的趋势，在T3 水平达到最高，但在T5 水平时出现骤降，T1~T5 水平下显著优于木炭组合草炭组，经分析，与CK之间具有显著性差异。综上可知，生物炭的施加对燕麦草生长均有促进作用，且添加浓度为3 kg·m-2的秸秆生物炭，对植株生长的促进作用最为明显。由图1 b可知，草炭组在添加不同浓度草炭后，燕麦草产量呈现上涨的趋势，在T4 水平时产量达到最高，但总体来说增量不是很大；木炭组燕麦草产量变化趋势及变化量与草炭组大致相同，也于T4水平下达到产量最大值；较草炭组和木炭组，秸秆炭组对燕麦草产量的影响更明显，产量是对照组产量的两倍，于T3水平时达到最大产量239.75 kg·hm-2，虽随着浓度的增加，产量有所下降，但产量变化不大且均优于对照组。3 种生物炭对燕麦草的产量均有促进作用，其产量结果表现为：秸秆炭>（优于）木炭>草炭。

图1 不同因素水平下燕麦草株高产量变化图Figure 1 Variation of plant height and yield of oat grass under different factors

试验结果表明，不同因素水平下生物炭添加量与燕麦草的株高和产量均呈现极显著相关性（p<0.01）,生物炭的添加对燕麦草株高和产量均有促进效果，结果均表现为：秸秆炭>（优于）木炭>草炭。

2.2 生物炭对燕麦草中叶绿素含量的影响分析

叶绿素是植物吸收光能，进行光合作用的重要物质基础。由图2 可知，与对照组相比，无论添加何种生物炭，随着生物炭浓度的增加，燕麦草中叶绿素a含量都呈现先增加后减少的变化趋势，秸秆炭和木炭在T4 因素水平时，叶绿素a 含量达到最高，分别为2.941 mg·g-1和1.585 mg·g-1，而草炭在T3 因素水平时已经达到最高，为1.71 mg·g-1；施加秸秆炭和木炭的燕麦草中叶绿素b 含量变化情况同叶绿素a变化情况相似，但施加草炭的燕麦草中叶绿素b含量在T4因素水平发生下降又上升的趋势，但这一变化趋势没有很大。

综上，叶绿素a 和叶绿素b 含量随施加量的增减而发生变化，其中，添加浓度为4 kg·m-2秸秆炭对燕麦草叶绿素含量影响最为明显。分析表明，燕麦草中叶绿素a和叶绿素b含量与生物炭添加量均呈现极显著相关性（p<0.01），生物炭添加后，叶绿素含量较CK 组均增加。此外，对于叶绿素a，秸秆炭与木炭和草炭呈现极著相关性（p<0.01），相关系数分别为0.761 和0.965，而木炭与草炭只呈现显著相关（0.01

2.3 生物炭对燕麦草养分含量的影响分析

施加不同因素水平的生物炭对燕麦草养分含量均有不同程度的影响，由图3 A 可知，T1~T4 水平下，随着生物炭的施加，燕麦草中全氮单位含量均有所增加，在T4 水平时达到最大，T5 水平时均出现下降，但全氮单位含量仍优于对照组。3 种生物炭中，秸秆炭的添加使燕麦草中全氮单位含量呈现最大限度的增长，燕麦草全氮单位含量达3.411 g·kg-1，其含量为对照组的2 倍多；木炭与秸秆炭添加后的变化趋势相似，T4 水平为最佳施加量；施加草炭后，T1~T3 水平时燕麦草中全氮单位含量的影响并不是很大，但在T4水平时含量突然增大，达2.89 g·kg-1，较对照组增加76.8%。

图3 不同因素水平下燕麦草氮磷钾单位含量Figure 3 Ammonium phosphate potassium unit content of oat grass under different factors

由图3B 可知，施加生物炭后，燕麦草中全磷单位含量立刻发生变化，出现明显的增长。T1 水平时，草炭对燕麦草中全磷单位含量影响最为明显，达到最大值，为0.867 g·kg-1，随着草炭浓度的增加，全磷单位含量呈小幅的波动变化；木炭于T1~T3 水平时，燕麦草全磷单位含量缓慢增长，T3 水平为最佳施加量，在T4~T5 水平出现了下降趋势；秸秆炭随着浓度的增加，燕麦草全磷单位含量呈现增长的趋势，于T3水平时达到最佳，此时燕麦草全磷单位含量为0.933 3 g·kg-1，较对照组增长93.2%，但是在T5水平时出现骤降。

由图3 C 可知，施加生物炭后燕麦草全钾单位含量发生骤然变化，秸秆炭组变化最为明显，在T1~T4水平，随着秸秆炭浓度增加，燕麦草全钾单位含量也呈现缓慢增长趋势，T4水平效果最优，T5水平出现下降；木炭组在T1、T3、T4 水平时燕麦草全钾单位含量趋于稳定，T2 水平含量突然减少可能是由于误差引起，在T3 时含量最高，为23.473 g·kg-1；草炭组在T1~T3 水平时随着草炭浓度的增加燕麦草全钾含量缓慢增长，在T4、T5 水平含量出现下降，T2、T3 水平时草炭组对燕麦草全钾单位含量的影响胜于秸秆炭组，在T3水平时含量最大，为28.76 g·kg-1。但总体而言，秸秆炭在T4水平下燕麦草全钾单位含量最多。

分析表明，燕麦草中全氮、全磷、全钾含量与不同因素水平下生物炭呈显著相关（p<0.05），较CK组，不同生物炭对燕麦草含量均产生影响。不同类型生物炭添加下，燕麦草中全氮、全磷含量均表现为极显著相关（p<0.01），而全钾含量中，由于草炭和木炭相关系数为0.573，只表现为显著相关（p<0.05）。

3 讨论与讨论

通过对3 种生物炭进行分析对比，可知添加浓度为3 kg·m-2的秸秆生物炭可有效提高植株株高、产量和燕麦草全磷单位含量，添加浓度为4 kg·m-2的秸秆生物炭可有效提高燕麦草全氮和全钾的单位含量。营养物质含量的提高可有效促进株高和产量，因此添加浓度为4 kg·m-2的秸秆生物炭对燕麦草的生长效果最佳，此浓度下植株的株高和产量与3 kg·m-2水平下的效果基本一致。也可表明添加浓度为4 kg·m-2的秸秆生物炭对风沙土的改良效果最好。

叶绿素含量是植物营养胁迫、光合作用能力及生长状况的良好指标。本研究表明，不同生物炭类型对燕麦草叶绿素含量与株高和产量均有影响，施加浓度为4 kg·m-2的秸秆炭效果最佳。有研究表明，叶绿素含量和光合效率成正比[39]，叶绿素含量高，植物光合作用能力也越强，促使植物对养分的吸收加快，合成营养成分的能力增强，作物生长快，产量高品质好。陈艳妮等[40]以芝麻蒴果为研究对象，表明蒴果皮叶绿素含量高时光合作用强，芝麻蒴果籽粒产量高，脂肪、蛋白质及淀粉含量大大提高。郭志顶等[41]研究表明，在玉米的不同生育期，随着施氮量增加玉米叶片叶绿素含量和冠层NDVI 也随之增加，追肥可显著提高叶绿素含量和冠层NDVI 值。李智等[42]将谷子大豆间作，表明间作时叶绿素含量提升，光合作用增强，两种作物的产量均提升，因此，对于不同的作物在不同的条件下，伴随叶绿素含量的变化，光合作用发生改变，对植物的产量和品质等都产生影响。

氮磷钾是植物生长发育所必需的三大营养元素。试验表明，生物炭对燕麦草中全氮、全磷、全钾含量都产生显著的影响，且秸秆炭的影响最佳。研究表明植物养分来源有两种途径，其一就是植物可以通过对土壤中所需养分的吸收来获取其生长所需的营养元素，植株的养分含量及株高和产量的增加可间接反应风沙土经过不同类型生物炭改良，其肥力、含水率、透气性等均有所改善，从而促使植株养分含量提高，进而促进株高，增加产量。刘鑫裕等[43]通过生物炭与磷的不同施配，表明土壤各理化性质发生改变，酶活性提高，提高紫花苜蓿地上部分和地下部分氮磷含量。陶玥玥等[44]对水生植物进行堆肥，表明堆肥可提高小麦产量，提高土壤养分含量和pH，增加作物对磷钾养分的利用。同时，不同因素水平的生物炭对土壤有不同的改良效果，出现了生物炭浓度较低时，植株株高、产量及养分含量均呈现增长趋势，生物炭浓度较高时，植株株高及产量降低，养分含量减少的现象。徐彬等[45]通过施加不同浓度生物炭，表明8.0 t·hm-2生物炭与化肥配施可有效提高土壤有机碳含量，显著提高水稻产量和品质。SAMIA等[46]通过添加不同浓度的生物炭，表明生物炭添加30 t·hm-2时，生菜株高、叶片数产量最大。

本研究结果表明，施加生物炭类型不同、浓度不同，对风沙土中燕麦草的株高、产量、叶绿素及养分含量均会产生不同程度的影响，表现为低浓度促进，高浓度抑制。秸秆炭较木炭和草炭对燕麦草的影响较为明显，且浓度为4 kg·m-2时效果最佳。也进一步说明秸秆炭相较于木炭和草炭来说，对本试验地风沙土的改良效果较好，增加了土壤中有效氮、有效磷和有效钾含量。