添加生物炭对黄壤种植油用牡丹生长的影响

黄 娴，张兴伟，王震洪，2*

(1.贵州大学 生命科学学院，贵州 贵阳 550025；2.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710064)

牡丹在我国有3000多年栽培历史，属芍药科芍药属牡丹组的木本植物。油用牡丹是在药用牡丹(凤丹)基础上发展起来的木本油料植物[1]。油用牡丹籽油含有人体不能合成的油酸、亚麻酸，它们是人体细胞构成和代谢过程的必需物质，具有特殊的营养价值，因而牡丹籽油被专家称为世界上最好的食用油[2]。油用牡丹除了具有重要的经济效益外，它还有生态综合效益，如植株耐干旱、耐瘠薄、耐高寒，能有效绿化荒山荒坡，减少水土流失，美化环境。在干旱区对水土保持、防风固沙、改善土壤品质等方面具有非常重要的作用。

近几年贵州在多个生态脆弱地区引种油用牡丹栽培[3]。然而，贵州多雨潮湿，土壤粘重、酸度大。要使油用牡丹种植形成产业，并产生显著经济效应，需要改良土壤。

大量研究表明，生物炭具有孔隙发达，比表面积大、表面负电荷多等特性[4]。施用生物炭对于增加土壤pH，改善土壤质量、保持土壤肥力及促进作物生长等方面具有重要作用。其中生物炭对多数作物的生长具有促进作用已经得到了验证。然而，油用牡丹目前的研究主要集中在繁殖育苗、生理生态、油份提取等方面，关于土壤中施用生物炭对油用牡丹的生长及养分吸收的影响尚未见报道。基于此，本文以油用牡丹“凤丹”为研究对象，研究不同生物炭添加量对油用牡丹生长及各器官养分含量的影响，为黄壤上合理施用生物炭改良土壤，促进油用牡丹在贵州的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于贵州省贵阳市花溪区贵州大学教学实验基地，属于亚热带湿润温和气候区，具有明显的高原性和季风性气候特点，四季分明，年均气温14.9℃，无霜期平均246 d，年雨量1100～1200 mm。试验地土壤类型为黄壤，pH值5.08；土壤中主要营养物质含量为：全氮1.68 g/kg，全磷0.97 g/kg，速效磷20.2 mg/kg，速效氮86.8 mg/kg。

1.2 试验材料

供试牡丹苗采购于山东众达牡丹合作社。牡丹苗为2年生、长势良好，大小均匀的“凤丹”油用牡丹。苗平均高为27.2 cm、茎粗为0.4 cm。研究所用生物炭采购于沈阳隆泰生物工程有限公司，以纯稻壳为原料450℃热裂解所得，pH值为7.86，碳45.59%，全氮7.59 g/kg，全磷1.09 g/kg。试验所用肥料为尿素、过磷酸钙和氯化钾，其氮、磷、钾含量分别为46%、18%、60%。

1.3 试验设计

试验设置两个区域，一个是施肥区，另一个为不施肥区。每个区域设4个生物炭水平，每个水平设3个重复。施肥区施肥量比贵州农田常规施肥量低，即施氮量180 kg/hm2，施磷量65 kg/hm2，施钾量40 kg/hm2。4个水平的生物炭用量分别为：0 kg/m2、2 kg/m2、4 kg/m2、 6 kg/m2。共24个小区，每个小区面积为120 cm×140 cm，小区编号如表1 所示。

试验时间从2016年10月至2017年11月。2016年10月底将生物炭施加到耕作层土壤中(0-20 cm)，使土壤和生物炭充分混合均匀，并在施肥区各小区施加等量的氮磷钾肥，接着种植2年生油用牡丹，株行距为20 cm×50 cm，每个小区种植12株。

表1 田间试验处理和设计Tab.1 Experimental treatments and design

1.4 检测指标与方法

2017年2～9月每月用卷尺对苗高进行测量，用游标卡尺对地径进行测量；4～9月以SPAD 502 Plus手持式叶绿素仪测定叶片的SPAD值。10月对植株进行随机取样，将植株分根、茎、叶三部分于105℃下杀青30 min，80℃烘干至恒重测定干样品中氮、磷含量。植株全氮含量用H2S04-H202消煮-凯氏定氮法测定；全磷含量用H2S04-H202：消煮-钼锑抗吸光光度法。

所有试验数据利用SPSS 18.0软件进行单因素方差分析，数据图表均用Microsoft office 2007软件制作。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤养分含量的影响

从表2可以看出，试验结束后虽然土壤仍表现为弱酸性，但各处理土壤的pH值都有增加，B2、B4和B6土壤pH值比B0分别提高了0.03、0.27、0.28个单位，FB2、FB4和FB6土壤pH值比FB0分别提高了0.03、0.22、0.26个单位。同样，试验后施肥区与未施肥区中生物炭的添加均提高了土壤全氮、全磷、速效氮和速效磷的含量，且随着生物炭添加量的增加而增加。其中两个区域的各处理间土壤全氮含量差异不显著。在未施肥区，B2、B4和B6土壤全磷含量比B0分别增加了11%、17%、30%; B4和B6土壤速效氮含量比B0分别显著增加了10%与17%; B2、B4和B6土壤速效磷含量比B0分别增加了18%、23%、39%。施肥区，FB4和FB6处理土壤全磷、速效氮和速效磷的含量均显著高于FB0，但处理间差异不显著，其中添加生物炭量最大的FB6处理，土壤全磷较FB0增加了35%、速效氮增加了21%、土壤速效磷增加了45%。可见，施加生物炭有助于改善土壤。

2.2 生物炭对油用牡丹株高的影响

油用牡丹栽植后于次年2月开始发芽。未施肥区与施肥区相比，施肥区中各处理的株高均高于未施肥区等炭量处理，说明生物炭与肥料配施能提高油用牡丹的株高(图1)。在未施肥区，生物炭的施用均提高牡丹的株高，且从4月份开始随着添加量的增加株高不断增加，其中B6处理最高，较B0显著提高了10.43%，B2、B4分别较B0提高4.07%和8.31%，且B2、B4、B6间差异显著。在施肥区，不同用量生物炭均提高了油用牡丹的株高，各处理中株高大小为FB4(40.72 cm) >FB6(39.90 cm)> FB2(39.11 cm)> FB0(37.98 cm)，FB4提高效果最好，较FB0显著提高了7.21%，FB6、FB2较FB0显著提高了5.06%和2.98%。

图1 生物炭施用量对油用牡丹株高的影响Fig.1 Effects of adding biochar on plant height of oil peony

2.3 生物炭对油用牡丹地径的影响

在未施肥区，2～9月各处理均是随着生物炭添加量的增多，地径不断增大，但2～5月B0与B2、B4差异不明显，只与B6有显著差异(图2)；6～9月未添加生物炭的处理B0与B2、B4、B6均有显著差异；9月B2、B4、B6较B0地径分别增加5.16%、7.30%、10.69%。说明生物炭对油用牡丹地径有一定的促进作用。在施肥区，不同生物炭添加量均增加了油用牡丹的地径，从3月起，处理间的大小依次为FB4 >FB6> FB2> FB0，FB4增加效果最好，最终地径较FB0增加了4.95%，FB6、FB2较FB0增加了2.75%和0.55%。整个试验期，生物炭与肥料配施均比单施生物炭处理地径值高，说明一定量的生物炭和肥料配施有利于植株的生长。

除2月份外，

注：不同小写字母表示同一区域相同指标不同处理间在P < 0.05 水平上存在显著性差异。

图2 生物炭施用量对油用牡丹地径的影响Fig.2 Effects of adding biochar on stem diameter of oil peony

2.4 生物炭对油用牡丹叶片叶绿素含量的影响

叶绿素含量是反应植株叶片光合能力及植株健康状态的主要指标[5]。研究结果显示，生物炭对油用牡丹叶片叶绿素含量有一定的影响(图3)。牡丹生长到4月份时，未添加生物炭和肥料的处理(B0)叶片SPAD值最低，其次为单施肥未添加生物炭处理(FB0)。叶绿素含量最高的是施肥+6 kg/m2生物炭(FB6)。未施肥区叶片的SPAD值均是随着生物炭的添加量的增加而显著增加，在而施肥区，仅4～5月叶片的SPAD值随着生物炭的添加量的增加而增加，而6～9月则叶片SPAD值大小发生了波动，顺序为FB4 >FB6> FB2> FB0，添加4 kg/m2生物炭量叶片SPAD值最大，但与FB6差异不显著。整个试验期，全部8个处理，油用牡丹叶片的叶绿素含量呈现先升高后降低的趋势，但FB4和FB6处理先升高后下降后，基本维持在一个水平上。生物炭能延缓肥料在土壤中的释放，后期释放部分养分以满足植物对养分的持久需求，这表明一定量生物炭和肥料配施更有利于牡丹光合作用。

2.5 生物炭对油用牡丹各器官氮磷含量的影响

不论施肥与不施肥，生物炭的施用均可以提高植物各器官中的氮、磷含量(表2)。在未施肥区，油用牡丹的根、茎、叶中氮、磷含量均是随着生物炭的增加而升高，但不同添加量生物炭对植物各器官磷的含量没有显著作用；而高生物炭水平下，植物各器官中氮含量最高，B6与B0相比，根、茎、叶中氮含量分别提高了9.84%、6.22%、8.9%。在施肥区， 随着生物炭用量的增加，牡丹各器官氮含量大小均是FB4 >FB6> FB2> FB0，其中FB4和FB6与FB0、FB2比较，根、茎、叶中氮含量达到显著水平；FB4与FB6之间差异不显著；FB2处理中油用牡丹的叶和茎中氮含量显著高于FB0，但根中的氮含量与FB0差异不显著。牡丹各器官的磷含量随着生物炭用量的增加，各处理茎和根中磷含量没有显著差异；FB4与FB6叶片中的磷含量显著高于FB0，但FB4与FB6之间差异不显著。总体而言，施肥区添加生物炭的三个处理中，植物根、茎、叶中氮含量均高于未施肥区的等炭量处理；三个处理中除茎外，根和叶中的磷含量也均高于未施肥区的等炭量处理。综上，说明一定量生物炭和肥料的配施一定程度上可以促进植物对养分的吸收。

图3 不同用量生物炭对油用牡丹叶片SPAD值的影响Fig.3 Effect of adding biochar on SPAD value of oil peony

3 结论与讨论

3.1 生物炭对油用牡丹生长的影响

生物炭具有疏松多孔、吸附能力强等的特点，施入土壤后对肥力和养分起到吸附和缓释的作用，进而改良土壤[6]。本试验结果表明，施用生物炭均增加了油用牡丹的株高和地径，且肥料与生物炭的配施较单施生物炭的效果更好，其中最佳生物炭施用量和配施肥料有关，在不施肥时，生物炭最佳施用量较高，为6 kg/m2；当配施一定肥料时，最佳生物炭量为4 kg/m2。可能的原因有，油用牡丹适宜生长的土壤为壤土或沙质壤土，要求土壤疏松透气、排水良好，适宜pH值为6.5～8.0，而黄壤质地较粘，酸度比较大，不利于油用牡丹的生长。生物炭具有发达的孔隙结构，施入土壤后不仅能调节土壤容重和孔隙率，增加通气量[7]，而且生物炭本身含有Ca2+、K+、Mg2+等盐基离子，进入土壤以后会有一定程度的释放，交换土壤中的H+和Al3+，从而降低其浓度，提高盐基饱和度并增加土壤pH值[8]，因此，添加生物炭后的黄壤更有利于油用牡丹的植物生长。

表3 生物炭对油用牡丹根、茎、叶氮磷含量的影响Tab.3 Effect of adding biochar on nitrogen and phosphorus contents in roots、stem and leaves of oil peony

注：不同小写字母表示同一区域同一器官相同指标不同处理间在P < 0.05 水平上存在显著性差异。

3.2 生物炭对油用牡丹叶绿素含量的影响

植株叶片SPAD值常常被用来反映叶片氮素养分状况[9-10]。本试验研究发现，生物炭能提高叶片的SPAD值，未施肥区生物炭施用量为6 kg/m2的叶片SPAD值最大，施肥区生物炭施用量为4 kg/m2叶片SPAD值最大，但与FB6处理没有达到显著差异，可能是由于生物炭具有很高的碳氮比，在生物炭施用量较大时，生物炭导致氮的固定，降低了土壤的有效氮，限制了植株对有效氮的吸收[11]。试验期间，叶片SPAD值在6月份升到最高，七月份开始下降，其中施肥区的FB4、FB6处理在9月份有一个缓慢的回升。可能是由于生物炭具有较大的比表面积、发达的孔隙结构、较高的阳离子交换量，因此施用到土壤中的生物炭可以增加养分的吸持能力、有机质含量以及养分有效性等[12-14]。生物炭的这些特性可作为肥料养分的载体吸持部分肥料养分，能够在后期释放部分养分以满足植物对养分的持久需求，从而延缓肥料在土壤中的释放与淋失[15]。因此，将生物炭作为肥料载体与肥料混合有一定养分缓释功能，提高肥料利用率，可减少化肥施用量。

3.3 生物炭对油用牡丹各器官氮磷含量的影响

一些研究证明，生物炭能促进植物对养分的吸收[16-17]。本试验表明，无论是施肥还是未施肥，油用牡丹的根、茎、叶中磷含量均是随着生物炭的增加而升高。生物炭施入土壤后，能够促使有效磷低的土壤闭蓄态磷转化为有效态磷，直接增加土壤中有效磷含量[18]。同时，生物炭经高温热解后，其自身部分稳定态磷被激活，转变为溶解态磷，可以供作物吸收利用[19]。但生物炭在对外源磷有效性转化的能力与土壤类型有关。这也可能是本试验中各处理间差异不显著的原因。另外，本试验中，中等用量生物炭和肥料配施可以显著提高油用牡丹根、茎、叶中的氮含量。可能是添加生物炭后促进土壤的硝化速度，加快系统中氮的循环，使得土壤中可溶性氮提高，而高剂量生物炭添加可能同时抑制牡丹根系的生长与吸收能力[20-21]。所以中等用量生物炭和肥料配施效果最好。

在本试验条件下，无论施肥还是未施肥，生物炭的添加均提高了土壤pH值、土壤全氮、全磷、速效氮和速效磷的含量，改善黄壤性质。从而对油用牡丹的株高、地径、叶片SPAD值和各器官中的氮磷含量均有促进作用，其中生物炭中等用量处理(4 kg/m2)与肥料配施可以显著提高油用牡丹幼苗的株高、地径，提高叶片的SPAD值，同时提高油用牡丹根、茎、叶中的氮含量，且效果最好。综上考虑，黄壤上种植油用牡丹，生物炭用量控制在4 kg/m2比较适宜。

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