不同生物炭配施基肥处理对桑树幼苗叶片品质的影响及综合评价

陈 慧， 时正伦， 吴永波， 高 婷， 薛建辉

〔1. 南京林业大学： a. 生物与环境学院， b. 南方现代林业协同创新中心， 江苏 南京 210037；2. 江苏省中国科学院植物研究所(南京中山植物园)， 江苏 南京 210014〕

贵州省既是中国西南部喀斯特地形的核心分布区，也是中国土壤石漠化最为严重的地区[1]。贵州省大面积山地土壤遭到侵蚀，水土流失严重，土壤水肥调蓄能力和生态系统生物多样性低[2-5]。近年来，贵州省在实施退耕还林和人工植被恢复的过程中采用封山育林(草)、人工造林、土壤改良、水土保持与农林复合经营技术等措施改善喀斯特退化山地的生态环境，已经取得了一定的成效[6]。例如，按照因地制宜和适地适树的原则进行植被修复[7-8]，或通过施用土壤改良剂改善土壤理化性质[9]，改善土壤理化性质，形成植被和土壤间的良好养分循环关系，从而提高喀斯特生态环境质量。

生物炭具有官能团丰富、孔隙多和比表面积大等特点，可有效改善土壤理化性质，缓解土壤退化程度[10-11]，提高作物生产力[12]，被广泛应用于农业生产和生态环境修复。将有机肥或无机肥与生物炭混合制成生物炭配施基肥，能显著提高土壤养分含量[13]。与单施化肥相比，施用生物炭配施基肥对土壤的改良效果更显著，并能够促进植物对土壤养分的吸收[14]。此外，施用生物炭配施基肥还能够促进植物根系发育，加快喀斯特地区的植被恢复[15]。

桑树(MorusalbaLinn.)原产于中国中部和北部，具有根系发达、适应性强等特点，在全国各地均有自然分布和人工种植。该树种在生态保护与恢复、石漠化治理及水土流失防治等方面发挥着重要作用[16]；其叶片含有丰富的营养物质(包括蛋白质、脂肪和纤维素等)[17-18]，并含有多酚、多糖和黄酮等活性成分[19-20]，具有较高的营养价值、饲用价值及药用价值。此外，桑树还是喀斯特地区发展生态经济林的主要树种之一，在贵州省喀斯特石漠化山地的生态修复中具有潜在的生态系统服务价值。

目前，有关生物炭和生物炭基肥改善喀斯特石漠化山地土壤的理化特性和微生物群落结构，进而提高土壤肥力和保水保肥性能的研究已有报道[21-23]，但关于生物炭基肥对桑树叶片品质的影响却不清楚，不利于饲用桑树在喀斯特地区的有效种植。为此，本研究将不同种类和用量的生物炭与猪粪堆肥和化肥混合，制成生物炭配施基肥，并将不同生物炭配施基肥施入喀斯特山地石灰土中，采用盆栽法进行栽培实验，探究不同生物炭配施基肥处理下1年生桑树幼苗叶片品质的差异；在此基础上，采用隶属函数法综合评价不同生物炭配施基肥处理对桑树叶片品质的影响，以期筛选出在喀斯特山地土壤中种植饲用桑树的适宜生物炭配施基肥的配方，为在喀斯特地区种植饲用桑树提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

供试材料为来自贵州省安顺市普定县马官镇(东经105°45′、北纬26°13′)的1年生桑树幼苗。供试植株生长旺盛且长势基本一致，株高(50±2) cm、地径(6.0±0.2) mm。

供试土壤为贵州典型的喀斯特山地石灰土，采自贵州省安顺市普定县马官镇观音山(东经105°27′、北纬26°25′)，为0～25 cm的表层土。土壤的有机质含量为14.44 g·kg-1，有效磷含量为5.40 mg·kg-1，碱解氮含量为65.81 mg·kg-1，速效钾含量为26.84 g·kg-1，pH 7.72。

供试化肥由尿素(N含量46.7%)、磷酸二氢铵(P2O5含量61.7%)和氯化钾(K2O含量63.2%)按照质量比3.00∶2.25∶1.50的比例混合而成；有机肥料为猪粪堆肥，购自上海时科生物科技有限公司，总养分含量6.85%，有机质含量823 g·kg-1，总氮含量17.1 g·kg-1，总磷含量42.8 g·kg-1，总钾含量8.6 g·kg-1，pH 8.50。

供试生物炭有3种，分别为木炭、竹炭和稻壳炭，均购自安徽拜尔福生物科技有限公司，裂解温度450 ℃～500 ℃，烧制时间40 min。3种生物炭的理化性质见表1。

表1 供试生物炭的理化性质

实验在南京林业大学下蜀教学实习林场(东经119°14′、北纬31°59′)进行。该林场位于江苏省句容市境内，属北亚热带季风气候区，四季分明，年降水量1 104 mm，年均温15.2 ℃。

1.2 方法

1.2.1 实验设计 采用室外盆栽法进行栽培实验，每盆装7.5 kg土壤。根据预实验结果，共设置8个处理组：CK组为对照，即不添加生物炭和基肥；T1组为基肥处理组；T2组和T3组分别为添加质量分数2%和4%木炭的生物炭配施基肥处理组；T4组和T5组分别为添加质量分数2%和4%竹炭的生物炭配施基肥处理组；T6组和T7组分别为添加质量分数2%和4%稻壳炭的生物炭配施基肥处理组。其中，T1组添加120 g猪粪堆肥和1份化肥(包含3.00 g尿素、2.25 g 磷酸二氢钾和1.50 g氯化钾)；T2组添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和150 g木炭；T3组添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和300 g木炭；T4组添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和150 g竹炭；T5组添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和300 g竹炭；T6组添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和150 g稻壳炭；T7组添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和300 g稻壳炭。

1.2.2 处理及采样方法 实验前，将土壤风干、消毒，去除石砾等杂物，过孔径2 mm筛，备用。按照实验设计的比例将各生物炭和基肥混匀，然后将其与7.5 kg土壤充分混匀，装入上口径21 cm、下口径16 cm的花盆中，置于室内，充分反应2周后，栽植桑树幼苗。每个处理6盆，每盆1株，视为6个重复。实验期间，采取常规栽培管理措施并定期浇水。

培养8个月后，采集各单株的所有成熟叶片，放入样品袋中并编号；于105 ℃杀青15 min，75 ℃烘干至恒质量，粉碎后过孔径2 mm筛，备用。

1.2.3 叶片品质指标测定 采用盐酸水解法[24]测定叶片的半纤维素含量；采用硫酸蒽酮比色法[25]222-223测定叶片的纤维素含量；采用滴定法[24]测定叶片的木质素含量；采用凯氏定氮法[25]195-198测定叶片的粗蛋白含量；采用索氏抽提法[25]241-242测定叶片的粗脂肪含量；采用分光光度计法[26]测定叶片的总黄酮含量；采用蒽酮比色法[25]202-203测定叶片的多糖含量。各指标均重复测定3次，结果取平均值。

1.3 数据处理与统计分析

2 结果和分析

2.1 不同生物炭配施基肥处理对桑树幼苗叶片品质的影响

不同生物炭配施基肥处理对桑树幼苗叶片品质的影响见表2。方差分析结果表明：各组间叶片的半纤维素、纤维素、木质素、粗蛋白、粗脂肪、总黄酮和多糖含量差异显著(P<0.05)。T1组〔添加120 g猪粪堆肥和1份化肥(包含3.00 g尿素、2.25 g磷酸二氢钾和1.50 g氯化钾)〕叶片的半纤维素、木质素、粗蛋白和多糖含量分别较CK组(对照，不添加生物炭和基肥)升高了10.92%、20.68%、7.61%和27.17%，且该组的半纤维素、木质素和多糖含量与CK组差异显著；而该组叶片的纤维素、粗脂肪和总黄酮含量分别较CK组降低了16.04%、6.42%和40.33%，且该组的纤维素和总黄酮含量与CK组差异显著。

表2 不同生物炭配施基肥处理对桑树幼苗叶片品质的影响

多重比较分析结果表明：T2组(添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和150 g木炭)叶片的半纤维素含量在供试的6个生物炭配施基肥处理组中最高，分别较CK组和T1组升高了37.77%和24.21%。与CK组相比，T2组和T6组(添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和150 g稻壳炭)叶片的半纤维素含量显著升高，T7组(添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和300 g稻壳炭)叶片的半纤维素含量略升高，T5组(添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和300 g竹炭)叶片的半纤维素含量显著降低，而T3组(添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和300 g木炭)和T4组(添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和150 g竹炭)叶片的半纤维素含量略降低。与T1组相比，T2组和T6组叶片的半纤维素含量显著升高，而T3组、T4组、T5组和T7组叶片的半纤维素含量显著降低。

多重比较分析结果表明：T4组叶片的纤维素含量在所有处理组中最高，分别较CK组和T1组升高了12.43%和33.92%。与CK组相比，T2组和T4组叶片的纤维素含量显著升高，T3组叶片的纤维素含量略降低，而T5组、T6组和T7组叶片的纤维素含量显著降低。与T1组相比，供试的6个生物炭配施基肥处理组叶片的纤维素含量均显著升高。

多重比较分析结果表明：T3组叶片的木质素含量最高，分别较CK组和T1组升高了40.89%和16.74%。与CK组相比，T2组、T3组、T4组、T6组和T7组叶片的木质素含量显著升高，而T5组叶片的木质素含量略降低。与T1组相比，T3组和T4组叶片的木质素含量显著升高，T7组叶片的木质素含量略升高，而T2组、T5组和T6组叶片的木质素含量显著降低。

多重比较分析结果表明：T3组叶片的粗蛋白含量最高，分别较CK组和T1组升高了31.48%和22.18%。与CK组相比，T3组叶片的粗蛋白含量显著升高，而T4组、T5组和T7组叶片的粗蛋白含量略升高，而T2组和T6组叶片的粗蛋白含量略降低。与T1组相比，T3组叶片的粗蛋白含量显著升高，T6组叶片的粗蛋白含量显著降低，而T2组、T4组、T5组和T7组叶片的粗蛋白含量略降低。

多重比较分析结果表明：T5组叶片的粗脂肪含量均最高，分别较CK组和T1组升高了24.86%和33.42%。与CK组相比，T4组和T5组叶片的粗脂肪含量显著升高，T2组和T7组叶片的粗脂肪含量略升高，而T3组和T6组叶片的粗脂肪含量略降低。与T1组相比，T2组、T4组、T5组和T7组叶片的粗脂肪含量显著升高，T3组叶片的粗脂肪含量略升高，而T6组叶片的粗脂肪含量略降低。

多重比较分析结果表明：T3组叶片的总黄酮含量最高，分别较CK组和T1组升高了12.04%和87.77%。与CK组相比，T3组和T7组叶片的总黄酮含量显著升高，T2组叶片的总黄酮含量略升高，而T4组、T5组和T6组叶片的总黄酮含量显著降低。与T1组相比，供试的6个生物炭配施基肥处理组叶片的总黄酮含量显著升高。

多重比较分析结果表明：T5组叶片的多糖含量最高，分别较CK组和T1组升高了60.57%和26.26%。与CK组相比，供试的6个生物炭配施基肥处理组叶片的多糖含量显著升高。与T1组相比，T4组、T5组和T6组叶片的多糖含量显著升高，T7组叶片的多糖含量略升高，T2组叶片的多糖含量显著降低，而T3组叶片的多糖含量略降低。

2.2 不同生物炭配施基肥处理对桑树幼苗叶片品质影响的综合评价

基于上述研究结果，采用隶属函数法综合评价了不同生物炭配施基肥处理对桑树幼苗叶片品质的影响，结果见表3。

表3 不同生物炭配施基肥处理对桑树幼苗叶片品质影响的综合评价

结果表明：各生物炭配施基肥处理组的综合评价值为0.28～0.62。其中，T1组〔添加120 g猪粪堆肥和1份化肥(包含3.00 g尿素、2.25 g磷酸二氢钾和1.50 g氯化钾)〕的综合评价值最小(0.28)，CK组(对照，不添加生物炭和基肥)次之(0.29)；T3组的综合评价值最大(0.62)，T4组次之(0.61)。T2组(添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和150 g木炭)、T3组(添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和300 g木炭)、T4组(添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和150 g竹炭)、T5组(添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和300 g竹炭)、T6组(添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和150 g稻壳炭)和T7组(添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和300 g稻壳炭)的综合评价值均大于CK组和T1组。说明添加木炭、竹炭和稻壳炭的生物炭配施基肥处理组桑树幼苗的叶片品质优于不添加任何肥料以及仅添加猪粪堆肥和化肥的土壤。比较而言，添加木炭的生物炭配施基肥处理组的综合评价值均值最大(0.58)，而添加稻壳炭的生物炭配施基肥处理组的综合评价值均值最小(0.43)。

3 讨论和结论

相关研究结果表明：施肥可改善桑树叶片品质[29-30]。本研究中，T1组〔添加120 g猪粪堆肥和1份化肥(包含3.00 g尿素、2.25 g磷酸二氢钾和1.50 g氯化钾)〕桑树幼苗叶片的半纤维素、木质素、粗蛋白和多糖含量显著高于CK组(对照，不添加生物炭和基肥)，说明添加猪粪堆肥和化肥可显著提高桑树叶片的半纤维素、木质素、粗蛋白和多糖含量，这是因为添加猪粪堆肥和化肥可增加土壤中有机质和多种养分的含量，从而提高土壤肥力，利于桑树叶片中有机物的形成。

本研究结果表明：不同生物炭配施基肥处理对桑树幼苗的叶片品质均有显著影响，其原因可能是添加生物炭可改善土壤的理化性质，提高土壤肥力[31-32]，从而促进植物生长。然而，不同种类生物炭的特性、施用量及施用方式对植物生长的调控作用不同[33-35]。本研究中，不同生物炭配施基肥处理组间叶片品质指标也存在显著差异。

根据不同处理组桑树幼苗叶片品质的综合评价结果，各生物炭配施基肥处理组桑树幼苗的叶片品质均优于CK组和T1组，其原因可能是生物炭配施基肥可改善土壤的理化性质、微生物特性及养分状况，有利于植物生长，增加叶片有机物合成[23，36]。比较发现，添加木炭和竹炭的生物炭配施基肥处理组桑树幼苗叶片品质的综合评价值均值大于添加稻壳炭的生物炭配施基肥处理组，说明木炭或竹炭配施基肥对喀斯特山地桑树幼苗叶片品质的提升效应更强。T3组(添加120 g猪粪堆肥、1份化肥和300 g木炭)桑树幼苗叶片品质的综合评价值最大，因此，可将其作为喀斯特山地人工桑树林的施肥方式。

综上所述，采用不同生物炭配施基肥(即猪粪堆肥和化肥)的方式可明显提高桑树幼苗的叶片品质，并以添加木炭的提升效果最好。在喀斯特地区种植饲用桑树时，宜采用质量分数4%木炭配施猪粪堆肥和化肥的施肥方式。