不同种类生物炭对元宝枫育苗基质养分及酶活性的影响*

陈梦婕,李小英,2,苏小娟,陈晓琴,吴思政,王毅雯

(1.西南林业大学 生态与环境学院,云南 昆明 650224;2.云南省高校土壤侵蚀与控制重点实验室,云南 昆明 650224)

生物炭是在高温缺氧条件下对生物质材料热解得到的富碳物质,一般含碳量超过50%,除富含大量碳化组分外,还富含大量N、P、K、Ca、Mg等非碳化组分。生物炭具有pH和碳含量较高、结构疏松多孔、官能团丰富和吸附能力较强等特点[1-3]。育苗基质是植物育苗的重要物质基础和关键因素,尤其针对工厂化育苗而言,优质的育苗基质尤为重要[4]。良好的育苗基质能为植物提供丰富的养分和相对稳定的生长环境,基质理化性质能直接影响植物的生长状况[5-6]。添加生物炭后会提高育苗基质的pH,增加阳离子交换能力和营养元素含量[7],如邹春娇等[8]研究表明添加3%和5%的生物炭能显著提高基质酶活性。在传统的苗木生产中,常以土壤和泥炭作为育苗基质,使用时间过长会造成土壤板结,且大量开发天然泥炭资源会破坏环境。此外,传统育苗基质透气性、保水性和养分含量都较低,难以满足植株的生长需求。生物炭质量轻,作为育苗基质中便于运输并能有效降低运输成本;生物炭制备原料主要是利用农林废弃物如果园修剪的枝条、秸秆稻壳、畜禽粪便等且无二次污染,既经济又环保[9-10]。目前,生物炭的应用研究主要集中于农业领域,用于改善农田土壤理化性质,从而增加土壤的固碳能力,进而提高土壤肥力[11-12]。研究发现,生物炭的施用会导致地上生产力和作物产量提高,改良酸性土壤,提高土壤中磷、钾、总氮、总碳和有机质含量,也会提高土壤微生物量和酶活性[13-16]。鉴于生物炭所具有的优良特性,其在苗木培育中将得到日益广泛的应用。

元宝枫(Acertruncatum)是无患子科(Sapindaceae)槭树属(Acer)落叶乔木树种,天然分布于我国西北以及内蒙古、山东、江苏北部等地区,近年来四川、甘肃、云南、贵州等地区在荒山造林和退耕还林中大量种植元宝枫[17]。元宝枫种仁含油量为40%～48%(90%以上为不饱和脂肪酸且其中含5%～7%的功能性脂肪酸——神经酸),具有促进机体发育、调节脂类代谢、消炎抗氧化、减少心血管疾病等生理作用,所含神经酸是组成大脑神经细胞膜的重要成分,对于维持大脑神经系统的正常活动、促进神经细胞的生长发育及预防神经退行性疾病有重要作用;元宝枫叶片中黄酮类化合物、绿原酸等物质含量较高,具有一定的抗氧化和保健功能,有望成为国家新资源食品[18-19]。元宝枫作为“食药两用”树种,已成为开发系列保健品和药品的重要原料[20-21]。同时,元宝枫侧根发达,具有较强的耐旱、抗寒、抗风害能力,是绿化、景观和水土保持的理想树种[22]。元宝枫已于2015年被国家林业和草原局列为全国重点发展的木本油料树种,2019年列入国家储备林建设树种目录。现阶段关于元宝枫开发利用(涉及油料、栲胶、蛋白质资源、医药保健、化工原料等行业)、资源培育的相关研究较多[23],也有部分研究涉及施用化肥、干旱胁迫、重金属胁迫条件下元宝枫幼苗的生长及生理响应[24-26]。本研究组前期研究发现,添加椰壳生物炭后显著提高了元宝枫育苗基质有机质、速效钾含量和蔗糖酶、过氧化氢酶活性,显著降低了基质酸性[27]。然而,不同制备材料的生物炭其比表面积、粒径大小和理化性质不同,生物炭对育苗基质养分和幼苗生长的影响因生物炭种类、添加量和作物种类不同而有所差异。因此,在大范围推广生物炭育苗基质之前,需根据生物炭种类、针对不同作物进行深入研究,以筛选出最佳添加量[10]。基于此,本研究以元宝枫为研究对象,通过育苗盆栽试验,测定不同种类和施用量的生物炭对元宝枫育苗基质养分及酶活性的影响,以期筛选出最优的生物炭种类及其施用量,为元宝枫育苗基质改良及优质苗木培育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

育苗试验所用的元宝枫种子采自昆明市石林大道上发育健壮、树形丰满、生长良好和无病虫害的元宝枫母树。

调配育苗基质时所用红土采自昆明市呼马山,其pH 6.6、有机碳含量1.03 g/kg、全氮0.30 g/kg、全磷1.10 g/kg、全钾2.45 g/kg、水解性氮22.37 mg/kg、有效磷2.44 mg/kg、速效钾109.27 mg/kg。

竹炭、橡胶木炭、稻壳炭购买于福建优选炭业有限责任公司。3种生物炭基本特性见表1。

表1 参试生物炭基本特性

1.2 试验设计

试验地位于云南省昆明市西南林业大学树木园实验基地。试验用花盆直径为17 cm,高12 cm。

共设置11个处理,对照组CK0仅有红土,不加椰糠、不加生物炭;CK1为常规轻基质(V椰糠∶V红壤=3∶7),不加生物炭;其余处理均为常规轻基质(V椰糠∶V红壤=3∶7),并分别添加3个不同比例施用量(3%、5%、7%)的竹炭、橡胶木炭、稻壳炭。各处理试验设计如表2所示。每个处理设置10个重复。播种前按照试验设计把足量生物炭与育苗基质(0.8 kg)拌匀待用。

表2 不同处理生物炭种类及其用量

元宝枫种子于2022年4月5日播种,播深2～3 cm。播后定期浇水和除草,分别于7月底和8月底追施氮磷钾复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15),每盆施肥8 g。1年后进行生长调查。

1.3 样品采集与测定方法

元宝枫生长初期为4—5月、生长后期为8—9月[28-29],因此分别于2022年5月25日和2022年9月25日取基质样品,带回实验室经自然风干、磨细、过筛后进行基质养分和酶活性测定。pH采用pH计测定;基质养分含量参考鲍士旦[30]的方法测定,其中有机碳采用油浴加热-重铬酸钾氧化容量法、全氮采用凯氏定氮法、全磷采用高氯酸消解-钼锑抗比色法、全钾采用氢氧化钠熔融-火焰光度计法、水解性氮采用碱解扩散法、有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法、速效钾采用醋酸铵-火焰光度计法。基质酶活性参考关松荫[31]的方法测定,其中脲酶活性采用靛酚比色法、过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法、蔗糖酶活性采用3-5二硝基水杨酸法。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019进行数据处理和图表绘制;运用SPSS 24.0软件进行单因素方差分析和通径分析;运用Origin 2023软件进行相关性分析和聚类分析;运用Canoco 5软件进行冗余分析(RDA)。

2 结果与分析

2.1 不同种类生物炭对基质pH及养分含量的影响

2.1.1 基质pH和有机碳

图1显示,CK0和CK1处理基质呈弱酸性,施用生物炭明显增加了不同时期基质的pH。添加生物炭后生长初期基质pH变化范围为6.69～7.23,生长后期基质pH变化范围为6.89～7.21。不同时期竹炭处理基质的pH随施炭量的增加而增加。

图1 不同处理不同时期基质pH和有机碳含量

不同处理对基质有机碳含量存在显著差异(P<0.05)。与不加生物炭处理相比,DK7%处理显著增加了生长初期和生长后期基质有机碳含量,比CK0分别提高了92.20%、81.46%,比CK1分别提高了71.15%、34.11%;其余处理基质有机碳含量均较不加生物炭处理有不同程度增加。

2.1.2 基质全量养分

图2显示,施用生物炭能有效提升基质中全氮、全磷、全钾的含量,各处理均高于不加生物炭处理。各处理间全氮含量差异性显著(P<0.05),稻壳炭处理对基质全氮含量提升效果最为显著,DK7%含量最高,不同时期分别提高了68.52%、76.38%。生长初期,竹炭处理对基质全磷和全钾含量提升效果最为突出,且随施炭量增加呈先增加后减少的趋势,以ZT5%处理最高,全磷和全钾分别提高了55.78%、31.73%;生长后期橡胶木炭处理对基质全磷和全钾含量提升效果最好,全磷以XJ3%处理最高,提高了80.56%;全钾以XJ7%处理最高,提高了52.79%。

图2 不同处理不同时期基质全量养分含量

2.1.3 基质速效养分

由图3可知,不同处理下不同时期基质水解性氮、有效磷、速效钾养分含量存在显著差异(P<0.05)。从整体看水解性氮含量生长后期高于生长初期,有效磷含量生长后期低于生长初期,速效钾含量两个时期浮动不大。生长初期稻壳炭处理对基质水解性氮、有效磷、速效钾含量提升效果最好,且最优处理都为DK7%,分别提高了45.26%、63.67%、43.03%。生长后期水解性氮以DK3%处理最高,提高了56.66%;有效磷和速效钾均以ZT5%处理最高,分别提高了82.22%和36.77%。

图3 不同处理不同时期基质速效养分含量

2.2 不同种类生物炭对基质酶活性的影响

表3显示,不同种类生物炭不同施用量对基质三种酶(脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶)活性均表现为促进作用,各处理对3种酶均有显著影响(P<0.05)。从整体看,添加生物炭后生长后期基质酶活性均高于生长初期;施用稻壳炭的处理基质脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶的活性均明显高于竹炭和橡胶木炭处理。不同时期,基质脲酶活性随稻壳炭施炭量的增加而增加,提升效果最好的处理均为DK7%。在整个生长期,施加生物炭后的各处理其基质过氧化氢酶活性一直持续在较高水平且十分稳定,基质过氧化氢酶活性均是DK7%提升效果最好。从生长初期到生长后期各处理的蔗糖酶活性都显著提高了;DK3%在不同生长时期对基质蔗糖酶活性的提升效果均最好,分别提高了43.40%和67.06%。

表3 不同处理不同时期基质酶活性

2.3 基质pH、养分含量与酶活性的相关性分析和冗余分析

图4显示,基质pH、养分含量与酶活性之间有一定相关性。基质pH与过氧化氢酶、全氮与脲酶、水解性氮与蔗糖酶、脲酶与过氧化氢酶呈极显著正相关(P<0.01),基质pH与速效钾、有机碳与全氮、有机碳与脲酶、全氮与全钾、全钾与速效钾、水解性氮与速效钾、水解性氮与脲酶、速效钾与过氧化氢酶、脲酶与蔗糖酶呈显著正相关(P<0.05)。

图4 基质pH、养分含量与酶活性之间的相关性分析

采用冗余分析可以较好地描述基质养分与酶活性之间的相关性。由图5可知,第一约束轴为67.94%,第二约束轴为14.42%,由解释量可以看出8个基质养分解释了82.35%的总特征值,进而说明基质养分对酶活性存在一定的影响。对酶活性影响较大的养分因子是水解性氮和pH,其余相关性结果与图4一致。

图5 基质pH、养分含量与酶活性之间的冗余分析

2.4 基质养分与酶活性的相互关系

上述简单的相关分析不能全面反映变量间的内在联系,采用通径分析方法进一步分析基质养分对酶活性的影响程度。由表4可知,基质养分中对脲酶影响较大的前4个因素依次为:速效钾(-0.735)>全氮(0.682)>全钾(0.679)>有机碳(0.479)。各因素通过速效钾和全氮对脲酶的间接通径系数较大,分别为-0.517和0.456,表明速效钾和全氮是对脲酶影响较大的养分因子。对过氧化氢酶影响较大的前4个因素为全氮、pH、全钾和速效钾,其直接通径系数分别为0.682、0.539、0.487、-0.362。各因素通过全氮和pH对过氧化氢酶的间接通径系数较大,分别为0.456和0.379,表明过氧化氢酶的直接影响因素是全氮和pH。对蔗糖酶影响较大的前4个因素依次为:水解性氮(1.468)>全钾(-1.426)>全磷(0.668)>全氮(-0.598)。各因素通过全钾和水解性氮对蔗糖酶的间接通径系数较大,分别为-0.954和0.890,表明蔗糖酶的直接影响因素是全钾和水解性氮。

表4 基质养分与酶活性的通径系数

2.5 不同处理与基质养分含量酶活性的聚类分析

如图6所示,XJ3%处理对全磷含量表达量较高,ZT5%处理对有效磷含量表达量较高,DK7%处理对全氮和脲酶含量表达量较高,CK0处理对各指标含量表达量都较低。对各处理进行聚类分析按相似亲疏程度将其划分为4个类群:第一类是CK0和CK1处理,这一类的基质养分含量水平较低,属于低等肥力水平;第二类是ZT3%、DK3%、DK5%、ZT7%、XJ3%、XJ5%和XJ7%处理,这类处理对基质养分含量和酶活性的提升效果一般,属于一般肥力水平;第三类是ZT5%处理,这类处理对基质养分含量和酶活性的提升效果中等,属于中等肥力水平;第四类是DK7%处理,这类处理对基质养分含量和酶活性的提升效果显著,属于高等肥力水平。

图6 元宝枫不同处理与基质养分含量酶活性的聚类分析热图

3 讨论与结论

3.1 讨论

本研究表明,不同种类、不同施用量的生物炭添加均不同程度提高了基质pH值和养分含量。添加生物炭处理的基质pH值范围为6.89～7.21,更适宜元宝枫生长,改善了元宝枫幼苗生长环境,这与刘新等[32]研究结果基本一致。本研究中施入生物炭显著提高了基质有机碳含量,这与刘凯传[33]的研究结果一致。可能是因为生物炭中含有大量的有机碳,短时间内能迅速提高基质有机碳含量[34]。从整体来看,基质有机碳含量在生长初期高于生长后期,可能是由于生长过程中有机碳被植物所吸收,但其具体机理还待进一步研究。

磷是植物生长所需的重要养分之一,施加生物炭可以通过吸附土壤中的磷,增加土壤有效磷含量,从而提高植物对磷的吸收[39]。生物炭能长效缓释出磷,也可减少土壤对磷吸附固定,从而降低土壤中磷淋溶,提高土壤磷素含量和可利用性[40]。本研究中添加不同种类、不同施用量生物炭均提高了基质全磷和有效磷含量。比表面积越大,对磷的吸附能力越强[41],同时磷淋失量越少[42],磷含量就会相对较高。生长后期施用橡胶木炭的处理其基质全磷含量优于竹炭和稻壳炭处理,这可能受3种炭比表面积大小影响,从而基质全磷含量也以比表面积最大的橡胶木炭最高。施入生物炭后显著提高了基质速效钾含量,且整个生长期都呈现较高的趋势,这与修立群[43]的研究结果一致,但与张红雪等[44]研究结果不一致,可能是由于在两个研究中生物炭和植物种类的不同所致,或是因为其参试植物的生长时间短于本研究从而未得出生物炭对全钾长期作用的效果。

土壤酶活性是影响新陈代谢的重要因素,也是判断土壤活跃程度、养分循环状况和微生物活性的重要指标[45]。本研究发现,施用不同种类的生物炭均可显著提高基质酶活性,这与吴强建等[46]研究结果一致。可能是生物炭吸附基质中的反应底物,加强了酶促反应,进而提高了基质酶活性[47]。土壤酶活性与养分含量之间存在显著或极显著相关性[48],本研究结果与此相同。运用通径分析可计算出直接和间接通径系数,通过系数绝对值大小可分析各环境因子对酶活性的直接和间接影响大小,能更加准确地说明各环境因子与酶活性之间的关系[49]。本研究中通径分析结果表明,基质养分与酶活性之间存在直接或间接作用,这与前人研究结果一致[50]。各养分指标对3种酶活性的直接影响均大于各自的间接影响,说明这些养分指标主要通过直接作用影响酶活性,这与张雅茜等[51]的研究结果不一致,可能是因为本研究中育苗基质添加了生物炭,基质水热条件较好,使得基质养分积累较多且快速转化,直接影响了基质微生物活性,导致基质养分与酶活性与之间的相关性显著[52]。

3.2 结论

育苗基质中添加生物炭能提高基质养分及酶活性。施用稻壳炭处理其基质酶活性、pH、有机碳、全氮、水解性氮含量提高效果优于竹炭和橡胶木炭处理,DK7%对基质酶活性提升效果最好。基质养分与酶活性之间存在显著或极显著相关关系,对酶活性影响较大的养分因子为水解性氮和pH;聚类分析结果显示DK7%处理对基质养分含量和酶活性的提升效果显著。综合来看,添加不同种类生物炭对元宝枫育苗基质pH、养分含量及酶活性均有影响,7%稻壳炭为最佳施炭量。研究结果可为元宝枫生物炭基质优良苗木培育提供参考。