短期棉花秸秆生物炭添加对高寒草地苔草和高羊茅生长的影响

摘要：探究添加不同施入量与粒径的棉花秸秆生物炭对不同程度退化草地地上植被的修复效果，于巴音布鲁克高寒草地和乌鲁木齐分别进行了3个月的野外原位与室内培养盆栽试验，野外试验观测植物选择苔草（Carex liparocarpos），盆栽试验选用高羊茅（Festuca arundinacea Schreb），以棉花秸秆生物炭为实验材料，设置3种棉花秸秆生物炭粒径：0-0.25、＞0.25-1 mm和＞1-2 mm；每种粒径下设置3种棉花秸秆生物炭添加量：1%、2%和4%，共计9个施炭处理，以不施炭为施炭对照（CK），以不施炭的未退化区（ND区）为评价修复效果的对照，选取轻度退化区（LD区）和重度退化区（SD区）分别施人棉花秸秆生物炭，共9个棉花秸秆生物炭添加处理和一个不施炭处理，施入3个月后进行植被调查，探究9种不同施炭方案对地上植被高度、盖度、密度、生物量鲜质量与干质量等生长形状的影响。结果表明：野外原位试验和盆栽试验中，不同施炭处理对植物各项指标有不同的影响，但轻度退化区和重度退化区植物各项指标多以T9（＞1-2 mm/4%）处理效果最优，双因素方差分析表明：棉花秸秆生物炭添加和退化对植物生长均存在极显著影响（P＜0.01），且短期棉花秸秆生物炭添加后粒径对植物生长的影响远大于施入量。采用主成分分析法对地上植物高度、盖度、密度、生物量鲜质量、生物量干质量进行综合评价，在不同退化区的野外与盆栽试验中均以T9（＞1-2 mm/4%）处理综合得分最高。综上所述，棉花秸秆生物炭可以作为退化高寒草地的改良材料，野外试验与盆栽试验结果均表明，短期施用棉花秸秆生物炭可促进植物生长，不同粒径棉花秸秆生物炭对植物生长的影响大于施入量，而大粒径（＞1-2 mm）棉花秸秆生物炭效果优于中粒径（＞0.25-1 mm）和小粒径（0-0.25 mm）；高施入量（4%）效果优于中施入量（2%）和低施入量（1%）。在本研究的处理设计中，植物生长指标值随棉花秸秆生物炭粒径增大而增加，随施入量增加而增加，且棉花秸秆生物炭粒径变化对植物的影响大于施入量。粒径＞1-2 mm，4%添加棉花秸秆生物炭处理是退化高寒草地短期恢复的最优方案。

关键词：高寒草地；土壤退化；生物炭添加；植被恢复

中图分类号：S812.4 文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2024）08-1815-09 doi：10.11654/jaes.2023 -0861

巴音布鲁克高寒草地位于中亚干旱区，在维系我国西北地区流域生态环境安全和为牧民增收等方面具有重要作用，然而近年来由于气候变化和人为因素的干扰，其面积以平均3.3万hm2·a-1的速率逐渐退化。高寒草地生态系统作为众多草原类型之一，其生态系统稳定性因高寒环境而更为脆弱，对退化更加敏感。在草地退化过程中，植被类型和数量的变化使其群落发生演替，植被生产力下降、草地地上生物量减少、物种多样性降低、土壤养分流失、草地植物生态系统遭到严重干扰和破坏。

研究发现添加生物炭，可以促进植物地上部和地下部分的生长、改善植物的光合性能，促进其品质及经济价值的提高，且施入生物炭可以改善土壤理化性质，因此生物炭可以作为一种退化土壤修复材料使用。目前有关生物炭添加的研究中，不同原材料、不同施入量、不同粒径对不同植物、不同质地土壤的修复效果不尽相同，有研究认为生物炭添加方案中相较于粒径，施入量变化对土壤的影响更大，如Fu等提出高施入量（4%）配施＜0.25 mm的玉米秸秆生物炭可以显著改善荒漠风沙土的土壤保水保肥性能，而Jeffery等和Marcus等则表示增加施入量对保水持水能力没有显著改善，而Trifunovic等提出粒径才是改善土壤的主要因素，众多学者研究结果均有一定差异，目前生物炭对农田土壤的改良已得到了广泛研究，但能否作为一种退化草地修复的改良剂尚不明晰，且何种粒径与施入量才是最优解缺乏相关研究，因此本研究选用在新疆来源广、成本低的农业废弃物棉花秸秆烧制生物炭，采用不同粒径、不同施入量棉花秸秆生物炭相组合，以不同退化程度高寒草地土壤进行野外原位试验和室内盆栽控制试验，旨在寻求适宜不同退化程度土壤的最佳棉花秸秆生物炭施入方案，研究结果能为干旱区高寒草地管理、可持续利用及植被修复提供经验与数据参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

野外原位试验地巴音布鲁克高寒草原（42°18＇～43°34‘N，82°27＇-86°17＇E）位于我国新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县内。海拔2 300-3 042 m，年均降水量273 mm，年均气温4.8℃，全年积雪日数150-180d，属典型的高寒气候。研究区选择高寒草地内的天鹅湖周边，因为其受人为干扰影响较大，是研究高寒退化草地的典型区域。研究区主要物种为草原苔草（Carex liparocarpos）、赖草[Leymus secalinus（Georgi）Tzvel]，土壤主要是第四纪沉积物覆盖，类型为亚高山草原土。

因苔草盖度多少常作为高寒草地退化程度的重要指标之一，因此本研究选用苔草作为野外原位试验退化修复效果的指示植物。

因巴音布鲁克高寒草地的野外优势物种（苔草和赖草）无法在盆栽实验地生长，因此盆栽实验选用高羊茅（Festuca arundinacea Sehreb.）作为指示植物。高羊茅是禾本科羊茅属多年生冷季型草，原产于欧洲，是欧美等国家主要栽培的牧草之一，因其耐贫瘠、耐高温、抗旱性强等特点，在我国牧区得到广泛应用，高羊茅适应性强，抗逆性突出，耐践踏和抗病力强，夏季不休眠，且对施肥反应敏感。

1.2 退化区域划分

在研究区内选取坡向和海拔等自然条件相对一致的草地，以Shi等和买迪努尔等对高寒地区退化的划分方法为依据（植物种类、盖度、高度和生物量等），并结合巴音布鲁克高寒草地实际情况初步划定退化区域。围绕巴音布鲁克天鹅湖周边，通过实地调查验证，于骆驼脖子区选取退化梯度观测样带。按照退化等级依次标记为未退化（ND）、轻度退化（LD）、重度退化（SD）。于2023年4月进行棉花秸秆生物炭添加，并进行盆栽土壤样品采集，于7月完成了野外原位试验地和室内盆栽试验的植被调查及土壤样品采集工作。

1.3 棉花秸秆生物炭及退化区土壤的基础理化性质

供试棉花秸秆生物炭来自新疆农业科学院，碳化时间为24 h，碳化温度为360℃。棉花秸秆生物炭pH值为10.06±0.36，平均孔径为（7.43±0.91） nm，电导率为（1 770±85.44） μS·cm-1，有机碳含量为（479.06±23.58） g·kg-1，比较面积为（4.68+0.24） m2·g-1，孔体积为（0.000 9±0.000 1）cm3·g-1。

不同退化区土壤理化性质各指标均存在显著差异（表1），未退化区的土壤电导率、土壤含水量、土壤有机碳、全氮、碱解氮和速效钾均显著高于轻度退化区和重度退化区（P＜0．05）；而重度退化区（SD）pH值显著高于轻度退化区（LD）和未退化区（ND）（P＜0.05）；轻度退化区土壤速效磷含量显著高于未退化区和重度退化区（P＜0.05）。

1.4 试验设计

本试验棉花秸秆生物炭添加设置3种棉花秸秆生物炭粒径：0-0.25 mm、＞0.25-1 mm和＞1-2 mm；每种粒径设置3种棉花秸秆生物炭添加量：1%、2%和4%，以及一个不施炭处理作为对照。施炭处理为T1：0-0.25 mm/ 1%， T2： 0-0.25 mm/2%， T3： 0-0.25 mm/4%，T4： ＞0.25-1 mm/1%， T5： ＞0.25-1 mm/2%， T6：＞0.25-1 mm/4%; T7： ＞1-2 mm/1%， T8： ＞1-2 mm/2%，T9：＞1-2 mm/4%和CK（不施炭），每个处理设置3个重复。

于2023年4月对野外试验区进行棉花秸秆生物炭添加，每个试验小区面积大小为1 m ×1 m，相邻小区间隔0.5 m，采用随机区组进行排列。室内盆栽试验取用野外试验点0-20 cm土层土壤带回乌鲁木齐，野外试验与盆栽试验的棉花秸秆生物炭添加方式均为表面撒施。每块小区的生物炭添加量以0-10 cm土层根据土壤容重和面积进行计算。共63个试验区组，每盆2 kg土壤，补播草种为高羊茅，浇水周期为2d一次，每次300 mL，采样测定时间与野外保持一致。

1.5 测定指标

施入棉花秸秆生物炭3个月后对试验区植物生长性状进行测定以评价生物炭添加对植物生长的短期效果，植物测定指标包括：地上植物高度、盖度、密度、生物量鲜质量与干质量。植物高度使用卷尺于小区内随机选取20株植物测定后取平均值，盖度使用针刺法测定，密度使用计数法，于试验区刈割称量后记录生物量鲜质量，随后带回实验室杀青后称量生物量干质量。

1.6 数据分析

采用Excel 2019进行数据处理，利用SPSS 27.0进行单因素方差分析（Duncan法）、双因素方差分析和主成分分析，选用Origin 2018绘制垂直变化图。

2 结果与讨论

2.1 不同施炭处理对高寒草地植物生长的影响

野外原位试验中3种退化区间植物高度在各处理问均存在显著差异（图1a），呈现出ND区＞LD区＞SD区的趋势，LD区植物高度以T9处理最高，显著高于其他处理（P＜0．05），且其他处理均未出现显著差异（P＞0．05），SD区植物高度未出现显著差异。而盆栽试验植物高度趋势与野外相差较大（图1b），各处理间均以LD区植物最高，除T2外其他处理间3种退化区均存在显著差异（P＜0．05）。各处理间以T4处理植物高度最高，与T2处理有显著差异（P＜0．05），与其他处理均无显著差异。

野外原位试验的地上植被变化趋势与高度相似（图1c），各处理间3种退化区均存在显著差异（P＜0.05），呈现出ND区＞LD区＞SD区的趋势，LD区植物盖度以T9最高，其次是T8，施炭处理间无显著差异（P＞0．05），但显著高于CK处理（P＜0.05）。盆栽试验LD区3种大粒径施炭处理（T7、T8、T9）植被盖度超过了ND区（图1d），T9处理LD区盖度显著高于ND区和SD区（P＜0．05），其他处理均为ND区＞LD区＞SD区的趋势，且LD区和SD区各处理间随粒径增大而盖度上升。

不同处理间野外原位试验中地上植物密度变化在两种退化区间表现为不同的趋势（图2a），小粒径和中粒径处理中施入量的变化对植物密度没有显著影响（P＞0．05），而大粒径处理密度随施入量的上升而上升，LD区T9处理植物密度高于ND区，其他处理均显著低于ND区（P＜0．05），而SD区植物密度远低于ND区与LD区，且变化较小。盆栽试验变化趋势与野外不同（图2b），各处理间均以LD区植物密度最高，而大粒径处理（T7、T8、T9）显著高于其他处理（P＜0.05），各处理均存在显著差异，且除CK外均呈现出LD区＞ND区＞SD区的趋势。

野外试验中的植物生物量鲜质量均以ND区最高（图2c），LD区其次，SD区与ND区、LD区相差较大，而LD区和SD区植物生物量均以T9处理最高，同粒径处理中地上生物量鲜质量随施入量增加而增加，且随着粒径增大而增加，相比于CK，施炭处理显著提高了地上生物量鲜质量（P＜0.05）。盆栽试验中植物生物量鲜质量以LD区最高（图2d），而除CK外，SD区各施炭处理生物量鲜质量也超过了ND区，且各处理间差距较大，LD区和SD区均以T9最高，T8和T7次之。

野外原位试验中地上植物生物量干质量在不同退化区土壤中有不同变化趋势（图3a），其中LD区T9处理显著高于其他处理（P＜0.05），而CK显著低于其他处理（P＜0．05），各处理植物生物量干质量随粒径增大而增加，而同粒径下施入量的变化未导致各处理出现显著差异（P＜0.05）。SD区以T2处理植被生物量干质量最高，T9和T1次之，CK最低。盆栽试验地上植物生物量干质量变化趋势相较野外更为明显（图3b），T9处理显著高于其他处理（P＜0.05），其次是T8和T7，CK最低，粒径增大导致生物量干质量显著增加（P＜0．05），且施入量的增加也导致生物量出现显著变化（P＜0．05），小、中粒径为施入量增加干质量先上升后下降，而大粒径处理生物量干质量随施入量增加而增加。生物炭添加可增强土壤固碳能力，改善土壤理化性质和生物学特性，生物炭添加可以提高土壤质量，提高植被生产力，因此除野外原位试验的植物高度指标外，生物炭添加对野外和盆栽植物的其他生长指标均有极显著影响（P＜0．01），施用生物炭对植物生长有促进效果，研究结果证明仅短期生物炭添加就对土壤和植物生长有改良作用。

2.2 不同施炭处理对高羊茅生长的综合评价

为进一步探究生物炭添加和土壤退化以及生物炭粒径和施入量对植物生长的影响，进行了双因素方差分析。如表4所示，野外原位试验中，是否添加生物炭对植物盖度、生物量和植物密度均存在极显著影响（P＜0.01），对高度没有显著影响；而不同退化区土壤间植物各指标均存在极显著差异（P＜0.001），且植物盖度在两种因子的交互作用下存在极显著差异（P＜0.001）。继续以不同施入量和粒径对植物各指标的影响进行双因素方差分析发现，施入量和粒径的变化对植物指标均未呈现出显著影响（P＞0.05），故不做具体展示。

盆栽试验与野外原位试验的结果有所不同，如表5所示，地上植物高度和密度在生物炭添加与退化两种因子交互作用下存在极显著差异（P＜0.001），其中生物炭添加对植物各项指标均存在极显著影响（P＜0.01），退化对植物各指标也存在极显著影响（P＜0.001）。如表6所示，继续分析不同施人量和粒径对植物各指标的影响发现，施入量和粒径两种因子交互作用下各项指标均无显著差异，不同施入量下植物各项指标也均无显著差异，但粒径变化后植物各项指标均出现了极显著差异（P＜0.01）。由双因素方差分析可知，草地退化对植物生长各指标均有极显著影响（P＜0.001），且退化对植物的影响远大于短期生物炭添加，而盆栽试验中植物密度指标炭添加的F值大于退化，这说明本研究中，在植物密度这一指标上短期生物炭添加对植物的正面影响大于退化对植物生长的抑制作用。而粒径变化和施入量变化对植物生长的双因素方差分析表明，粒径对植物的影响大于施入量，且大粒径生物炭对植物生长的促进效果优于小粒径生物炭，这可能是因为物体的比表面积随着体积减小而增大，小粒径生物炭的比表面积大于大粒径棉花秸秆生物炭，相较于大粒径生物炭，其更大的比表面积对土壤中的水肥拥有更强的吸附能力，对植物的生长造成抑制作用。小粒径生物炭的施人虽然可以增加小孔隙的数量，但可能会堵塞住土壤颗粒或颗粒间的孔隙，减少大孔隙和中孔隙的数量，反而导致有效孔隙的减少，影响水分流通。

为探明不同退化区草地何种生物炭施入方案对植物生长的促进效果最优，对短期生物炭添加后的地上植物高度、盖度、密度、生物量鲜质量、生物量干质量5个性状指标进行主成分分析，随后计算各处理综合评分以评价生物炭对退化草地植物生长的修复效果，对轻度、重度两个不同退化区以及野外、盆栽两个试验分别进行主成分分析，共计得出4个主成分分析综合评分结果，各分析中KMO取样适切性量数均大于0.5或巴特利特球形度检验显著性均小于0.05，可进行主成分分析。

野外原位试验轻度退化区（LD区）的主成分分析及综合排序结果如表7所示，主成分1、2的特征值分别为4.11和0.44，分别代表10种不同生物炭添加处理上述5个指标82. 196%和8.809%的信息，前两个主成分累积贡献率达到91.006%，说明这2个主成分反映了5个原始变量91.006%的信息。因此，提取前2个主成分代替原始5个植物指标，对不同施肥处理效果进行综合评价，达到降维目的。根据主成分综合得分模型，可计算出不同生物炭添加处理对植物生长的综合得分和排序，T9、T8、T6、T7、T2、T3、T1、T5、T4、CK的综合得分依次降低。可知T9是野外试验环境下轻度退化区植被修复的最优解。

以此方法依次对野外原位试验和盆栽试验不同退化区进行评分模型构建（表8、表9、表10），不同试验以及不同退化区均以T9对植物生长的促进效果最优，且T9、T8等大粒径生物炭施入方案对植物生长的促进效果优于中粒径和小粒径。因此，轻度退化和重度退化土壤短期修复方案均以T9处理（4%施入量配施＞1-2 mm生物炭）最佳。生物炭施入土壤后其强大的吸附作用开始发挥作用，增强了土壤的保水保肥能力，生物炭不仅自身内部孔隙发达，还可与土壤颗粒相互作用改变土壤孔隙结构。综上所述，生物炭添加可以提升草地风沙土质量，无论在何种生物炭粒径条件下，即使添加很低用量生物炭也可以显著提升土壤的保水、增肥和固碳功能及土壤质量，本研究中植物各项指标随着施入量的增加而增加，并未出现施入量增加后对植物的胁迫作用，这可能是因为短期生物炭添加其生物炭尚未分解完全，施入量对植物生长没有显著影响可能也是这个原因，因此生物炭对植物生长、植被恢复的效果尚需长期观测。

3 结论

（1）添加棉花秸秆生物炭对退化高寒草地苔草和高羊茅的生长有显著的正向影响。大部分的土壤性质和植物生长指标均随棉花秸秆生物炭粒径和添加量的增加而增加，大粒径（＞1-2 mm）棉花秸秆生物炭效果优于中粒径（＞0.25-1 mm）和小粒径（0-0.25 mm），高施入量（4%）效果优于低施入量（0%、1%和2%），且短期修复中粒径变化对植物的影响大于施入量。

（2）棉花秸秆生物炭可作为修复退化高寒草地的土壤改良材料。针对轻度退化和重度退化修复试验结果表明粒径在＞1-2 mm之间、4%棉花秸秆生物炭添加量的处理是短期退化草地植被恢复的最佳选择，但棉花秸秆生物炭对草地植被修复的长期效应尚需继续研究。

（责任编辑：叶飞）

基金项目：国家自然科学基金项目（31560171）；新疆维吾尔自治区“三农”骨干培养项目（2023SNGGGCC002）；新疆农业大学自治区研究生创新项目