生物炭对‘赤霞珠’葡萄根域环境及根系构型的影响

贾明方，王辉，高玉录，翟衡*

（山东农业大学园艺科学与工程学院，山东泰安 271018）

生物炭是由植物生物质在完全或部分缺氧条件下经热裂解、炭化产生的一类高度芳香化、难溶性的固态物质[1]。生物炭作为一种土壤改良剂近年来成为农林、环境及能源诸多研究领域关注的焦点[2-4]。研究表明， 生物炭在土壤中能够保持长期稳定，可以改善土壤理化性质及提高土壤微生物的活性，增加土壤有机质含量[5-6]，促进作物生长和增产[7]。此外，由于生物炭可延缓肥料释放[8]，降低肥料损失，将其与有机肥混施增产效果更佳。

根系是作物吸收水分、养分和其他溶质溶液的重要器官，其分布特征和发育情况与地上部生长和产量密切相关[8-12]。生物炭施入土壤后，会对土壤容重、总孔隙度、水分、温度和阳离子交换量产生明显的促进作用，进而影响到植株的生长。施加生物炭对植株的影响研究大多集中在蔬菜和小麦、水稻等一年生作物上，而在多年生果树上少见报道。葡萄作为多年生果树需要长期稳定的优良土壤性状，但近年来生产上大量施用化肥，造成土壤板结、酸化，碳氮比失衡等问题，土壤性状的恶化已成为制约葡萄产业可持续发展的重要因素[13]，因此提高土壤有机碳含量，改善土壤理化性状是果园生产面临的一项艰巨任务。本文利用盆栽试验研究了不同生物炭施用量对‘赤霞珠’葡萄的根系构型参数、生长性状及土壤根域环境的影响，旨在为应用生物炭改良土壤、合理施肥、促进葡萄根系发生提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试材及处理设置

本试验于2013—2014年在山东农业大学葡萄示范基地进行。供试材料为‘赤霞珠’葡萄一年生扦插苗。所选用生物炭是以本葡萄园修剪下来的葡萄枝条为原料，风干后粉碎，利用炭化炉在隔绝氧气的450 ℃下炭化裂解制成的黑色颗粒；商品性生物有机肥的有机质含量高于50%，N、P2O5和K2O含量高于6%。盆栽土壤为壤土，土壤基本指标为含水量6.43%、容重1.41 g/cm3、总孔隙度41.97%、pH为6.86，将土壤、生物炭和有机肥按比例混合均匀，装入直径24 cm，高22 cm的花盆。

通过2013年预试验确定合适的碳氮比例，设5个处理，按照每千克干土中施入生物炭量（g），处理1：对照（CK），即生物炭为0＋有机肥；处理2：施加10 g生物炭＋有机肥，标记为C10；处理3：施加15 g生物炭＋有机肥（标记为C15）；处理4：施加20 g生物炭＋有机肥（标记为C20）；处理5：施加25 g生物炭＋有机肥（标记为C25）。各处理中有机肥的量相同，约1 kg，每盆一株，每处理6个重复。

1.2 分析计算方法

处理180 d后，取植株与土壤样品，测定各处理的土壤理化指标、植株的生长量以及根系数据。

速效氮测定采用碱解扩散法；pH（水土比2.5∶1）采用电位计法；土壤含水量的测定采用铝盒烘干法；土壤容重测定采用环刀法；土壤孔隙度/%=（1-容重/比重）×100。土壤脲酶活性用靛酚蓝比色法测定；过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法测定；蔗糖酶活性用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；荧光素二乙酸酯酶（FDA）活性采用比色法测定。

土壤细菌、真菌、放线菌分别用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基、马丁氏培养基和改良高氏1号培养基。用卷尺测定新梢生长量，千分之一天平测量地上部和地下部鲜重，75 ℃烘干至恒重，再分别测定干重，根冠比。用NUScan 700平板扫描仪扫描根系图像，并用WinRHIZO根系分析系统软件测定根系总长度、根系表面积、根系体积和根尖数。

采用Excel 2007和DPS 7.05软件对数据进行处理分析，P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤理化性状的影响

2.1.1 生物炭对土壤物理性状的影响

生物炭的多孔隙结构能够提高土壤的保水能力。施入生物炭均提高了土壤的含水量（图1-A），并且随着施炭量的增加而逐渐加强，变化趋势为C25＞C20＞C15＞C10＞CK，其中C25的含水量比CK高1.28倍；当土壤失水至干旱（含水量小于8%）时，CK的含水量为7.72%，而C25处理的为17.64%，为适合植株生长的墒情。

生物炭处理的土壤容重均小于CK（图1-B），并且随着施炭量增加而降低，变化趋势为CK＞C10＞C15＞C20＞C25，其中C25处理的土壤容重1.27 g/cm3，比CK降低了8.6%，是较为紧实的土壤。如图1-C所示，生物炭处理总孔隙度均显著高于CK，随着施炭量的增加而逐渐增大，其中以C25最高为60.52%，比CK提高了56.4%。

2.1.2 生物炭对土壤pH的影响

生物炭处理具有缓解土壤酸化的作用，随着施炭量的增加，土壤pH也随之提高，生物炭处理的土壤pH表现为C25＞C20＞C15＞C10＞CK。CK与C10，C15与C20处理间并无明显差异，可能是因为本试验原始土壤pH较高，生物炭灰分中的可溶性盐基离子溶于水后不能显著提高土壤盐基离子饱和度（图2）。

图1 生物炭对土壤物理性状的影响Figure 1 Effects of biochar on soil physical property

图2 生物炭对土壤pH的影响Figure 2 Effects of biochar on soil pH

2.1.3 生物炭对土壤碱解氮的影响

生物炭处理的土壤碱解氮含量均高于CK，表现为C15＞C10＞C25＞C20＞CK（图3）。生物炭C10、C15、C20、C25处理分别比CK提高了5.2%、13.3%、3.1%、5.0%。土壤碱解氮的提高，可为作物生长提供更多的可利用氮源，有利于促进作物生长发育。

图3 生物炭对土壤碱解氮的影响Figure 3 Effects of biochar on available N content

2.2 生物炭对土壤酶活性的影响

由表1可以看出生物炭处理对土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性影响显著。生物炭处理的脲酶活性分别为CK的101%、111%、120%、126%；过氧化氢酶活性分别为CK的100.9%、101.3%、101.9%、101.4%；蔗糖酶活性分别为CK的115%、126%、134%、149%。FDA作为一种能够较好地反映土壤微生物活性和土壤质量的酶，施加生物炭后能够明显提高FDA的活性，生物炭处理的FDA活性分别为CK的104%、109%、103%、107%。

2.3 生物炭对土壤微生物多样性的影响

由表2可以看出，生物炭处理都显著提高了土壤中细菌、真菌和放线菌的数量。在细菌和放线菌数量上以C20提高的最明显，分别为CK的189%和187%；而在真菌数量上，以C25提高的最明显，是对照的134%。

2.4 生物炭对‘赤霞珠’葡萄植株生长的影响

2.4.1 生物炭对‘赤霞珠’葡萄植株生长量的影响

生物炭对‘赤霞珠’生长起到了促进作用（表3），株高变化趋势为C25＞C20＞C15＞C10＞CK，以C25处理最为显著，是对照的126%。同时施用生物炭也促进了干物质积累，且地上部和地下部的干物质积累变化趋势与株高变化均势一致。除C15处理外，生物炭处理均提高了植株的根冠比，其中以C25处理最为显著，为对照处理的124%。

表1 生物炭处理对土壤酶活性的影响Table 1 Effects of biochar on soil enzyme activities

表2 生物炭处理对土壤微生物数量的影响Table 2 Effects of biochar on the amounts of soil microorganism

处理Treatment株高Plant height/cm地下部干物质Underground dry matter weight/g地上部干物质Overground dry matter weight/g根冠比Root/shoot CK 59.333c 12.680c 10.997b 1.170ab C10 60.033bc 13.450c 11.090b 1.213ab C15 67.533ab 13.913c 13.433b 1.045b C20 71.400a 21.521b 17.187a 1.253ab C25 74.933a 27.823a 19.157a 1.453a

表4 生物炭对‘赤霞珠’葡萄根系特征的影响Table 4 Effects of biochar on root character of 'Cabernet Sauvignon' grapevine

2.4.2 生物炭对‘赤霞珠’葡萄植株根系构型的影响

对植株进行根系扫描发现，施加生物炭处理均促进了根系的生长（表4），其中以C25的最显著，根长、根直径、根表面积、根系体积、根尖数均显著提高，分别为CK的164%、104%、153%、128%、154%。

3 讨论与结论

生物炭作为一种含碳量丰富的多孔性物质，其容重小，比表面积大，吸附能力强，稳定性强，在自然条件下通常呈碱性。土壤中添加生物炭后对土壤水肥气热等环境条件产生重要影响。生物炭的多孔结构能够提高土壤的持水能力，提高土壤持水量，提高土壤中可供作物利用的有效含水量，对植株生长产生积极影响[14]。本试验研究结果也证明了施加生物炭提高了土壤的持水能力，并且随着施炭量的增加，持水能力越强。

生物炭的容重远低于矿质土壤，因此，将生物炭添加到土壤中可以降低土壤的容重[15-17]。Eastman[14]在粉砂壤土上施用25 g/kg的生物炭，土壤容重从1.52 g/cm3降低到1.33 g/cm3。本试验研究结果表明，在土壤本底容重是1.39 g/kg的背景下，施入25 g/kg生物炭后，土壤容重降为1.27 g/kg，是葡萄生长发育适合的容重。生物炭的加入显著降低了土壤容重，提高了土壤的总孔隙度，并且随着生物炭量的增加，效果越明显。

生物炭的结构和性质在影响土壤物理性质的同时也会影响土壤的化学性质。土壤中加入生物炭后，土壤pH将会发生变化[18]。试验结果显示，土壤施入生物炭后，pH明显提高，说明可以缓解土壤酸化的问题。Lehmann等[2]的研究表明，生物炭的结构和性质能够提高对一些表面富含多种官能团有机物质的吸持能力，提高土壤有效养分含量，减少养分流失，对土壤肥力的提高起到重要促进作用。本试验结果显示施入生物炭后，碱解氮含量明显提高。

Lehmann等[2]研究发现，生物炭会促进与N、P等矿质元素利用相关的土壤酶活性，但会降低参与土壤碳矿化等生态学过程的土壤酶活性。张伟等[19]研究发现，长期的秸秆还田，增强了土壤中过氧化氢酶和蔗糖酶的活性，但降低了脲酶的活性。本试验结果显示生物炭显著提高了土壤中脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和FDA酶的活性。生物炭的多孔性和表面特性为土壤微生物生长与繁殖提供了良好的栖息环境[20]，本试验结果显示生物炭施入土壤后，微生物的数量明显提高。

研究发现，施加较高比例的生物炭促进了根系的发育，促进了地上部的生长和干物质的积累，目前有关生物炭对葡萄根系的影响研究还不多，值得深入研究。