生物炭對貴州喀斯特山地石漠化土壤理化性質和構樹幼苗生長特性的影響

張曼玉 高婷 吳永波

摘要：為了探究生物炭對石漠化土壤理化性質和構樹幼苗生長的影響，選擇貴州喀斯特石漠化退耕還林區石灰性土壤為研究對象，通過盆栽試驗，分析4種不同處理（施復合肥處理為NPK，炭肥混施處理施肥量相同，按施炭量為土壤干質量的1%、2%、4%分別記為RH1、RH2、RH4）下土壤理化性質和構樹生長狀況的變化。結果表明：3種施炭量處理都顯著降低了土壤容重，增加了土壤毛管孔隙率和總孔隙率，增加了土壤自然狀態下的質量含水量、飽和含水量和毛管持水量，且隨施炭量的增加變化越顯著;單施肥處理和3種施炭處理均顯著增加了土壤中有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，且各養分含量隨著稻殼炭施用量的增加而增加;施肥處理和3種施碳處理對植物株高胸徑、地上部分生物量和總生物量的增長有顯著的影響，與CK處理相比，僅RH4處理對植物根系生物量的增加有顯著影響。可以說明施用生物炭可以改善土壤理化性質，促進構樹苗期生長和干物質積累及根系發育，對貴州喀斯特石漠化土壤改良和植被恢復有重要意義。

關鍵詞：石漠化土壤;生物炭;土壤理化性質;幼苗生長;根系形態

中圖分類號： S714.6? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）12-0177-05

喀斯特石漠化是指在溫潤氣候下，由于人類不合理的資源利用和喀斯特石灰巖生態系統自身的脆弱，導致植被破壞、水土流失的現象[1]。貴州省位于我國西南喀斯特石漠化區的中心，也是我國石漠化面積最大、石漠化程度最高、受石漠化危害最嚴重的省份，石漠化區域面積高達3.7萬km2，占全省總面積的21%[2-3]。土壤石漠化導致可耕面積減少，土壤肥力下降，土壤保水性能下降，會進一步加劇人地矛盾、水土流失和生物多樣性下降，石漠化已經成為制約貴州省乃至我國整個西南喀斯特地區發展的重大生態問題。改良石漠化土壤的理化性質，是提高土壤質量和促進石漠化山地植被恢復的重要途徑[4-6]。

生物炭是由生物質在低氧或厭氧的條件下低溫熱裂解得到的一種化學性質穩定、含碳量高、比表面積大、微孔隙結構豐富的堿性材料。近年來，研究者們就生物炭在土壤改良方面的作用進行了大量的盆栽及野外試驗[7-15]，研究結果表明，向土壤中施入生物炭可明顯改善土壤的物理結構，增加土壤的持水和吸附利用養分能力，進而促進植物生長。研究者利用生物炭的堿性來改良酸化土壤或中性土壤，但關于對堿性土壤的改良效果卻鮮有報道。本研究通過盆栽試驗，分析了施用不同量生物炭對于貴州喀斯特山地石漠化土壤理化性質和抗逆性強的構樹生長的影響，以期能起到改良堿性土壤特性、促進植物生長的作用，為生物炭在山地石漠化土壤改良和植被修復的利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省安順市普定縣城關鎮沙灣（105°45′4″E、26°22′18″N）退耕還林區。該區屬中亞熱帶季風氣候，氣候溫和，年平均氣溫為15.1 ℃，最冷月為1月，平均氣溫為5.2 ℃。雨量充沛，年均降水量1 396.9 mm。土壤類型為石灰性土。本研究供試土壤采集于沙灣退耕還林區，采樣深度為0～20 cm，采集的土壤除大石塊和落葉等殘留物過2 mm篩備用。土壤容重為1.15 g/cm，土壤pH值7.42，土壤有機質含量為14.44 g/kg，堿解氮（AN）含量為 65.81 mg/kg，有效磷含量（AP）為5.40 mg/kg，全磷含量為802.96 mg/kg，全鉀含量為 2.68 g/kg。

1.2 供試樹種

構樹（Broussonetia papyrifera）是桑科構屬植物。構樹生態適應能力強，耐干旱貧瘠，萌孽能力強，是喀斯特石漠化山區植被修復的主要造林樹種之一。本試驗所用構樹為半年生構樹幼苗，購于貴州省安順市普定縣林場。

1.3 供試生物炭

供試生物炭為稻殼炭（記為RH），由稻殼在400～500 ℃下厭氧高溫裂解獲得，生物炭經粉碎過2 mm篩備用。稻殼炭的pH值為9.41，總碳含量為46.3%，總氮含量為 600 mg/kg，速效磷含量為21 310 mg/kg，速效鉀含量為 2 540 mg/kg，稻殼炭比表面積為91.45 mg/kg。

1.4 施肥量確定

試驗開始前對試驗地土壤進行取樣，測得試驗地土壤的N、P、K養分含量，再根據研究者對黔中喀斯特無石漠化的林地土壤養分狀況研究結果[16-17]，將石灰土還原成養分狀況良好的林地土壤，并換算成（NH2）2CO和KH2PO4的用量。除空白處理外，各處理的施肥量相同，試驗在植物的生長期內不再追肥。

（NH2）2CO用量：測定試驗土壤原始養分狀況NO，NO=AN=65.81 mg/kg，取研究結果中貴州省中部喀斯特山地無石漠化林地土壤平均氮素養分值NF，NF=250 mg/kg，土質量為8 kg，（NH2）2CO總用量NT=（NF-NO）/[NAR×2/（NH2）2COAR]×8=3 157.54 mg。每個盆栽中（NH2）2CO用量為3.16 g。其中，NAR為N的相對原子質量，為14;（NH2）2COAR為（NH2）2CO相對分子質量，為60。

KH2PO4用量：測定試驗土壤原始養分狀況PO，PO=AP=5.40 mg/kg，取研究結果中貴州省中部喀斯特山地無石漠化林地土壤平均氮素養分值PF，PF=12.80 mg/kg，土質量為8 kg，KH2PO4總用量PT=（PF-PO）/（PAR/KH2PO4AR）×8=259.72 mg。每個盆栽中KH2PO4用量為0.26 g。其中，PAR為P的相對原子質量，為31;KH2PO4AR為KH2PO4相對分子質量，為136。

1.5 試驗設計與樣品采集

于2017年3—11月在南京林業大學下蜀林場進行試驗。采用盆栽試驗，試驗共設置5個處理：不施加稻殼炭和復合肥的為對照組，記為CK;不施加稻殼炭但添加了復合肥的記為NPK;施炭量為土壤干質量1%，記為RH1;施炭量為土壤干質量2%，記為RH2;施炭量為土壤干質量4%，記為RH4，施炭處理均添加復合肥。每個處理設置18個重復，共90盆。

在2017年3月，采用30 cm×15 cm×30 cm（上徑×下 徑× 高）的花盆進行栽植試驗，選擇株高、地徑、長勢基本一致的構樹幼苗進行移栽。栽植苗木的塑料盆每盆土樣干質量8 kg，與稻殼炭、肥料混合均勻后裝入盆中，盆底鋪5 cm厚的碎石塊，以利于苗木根部通氣，試驗在構樹幼苗生長期間不再追肥，按正常撫育管理、正常澆水。

1.6 測定項目

1.6.1 土壤物理性質測定 土壤含水量的測定采用烘干法，烘干至恒質量，即可計算出土壤含水量。土壤水分物理性質（容重、田間持水量、毛管持水量、毛管孔隙度及非毛管孔隙度等）測定采用環刀法及水浸法，可計算出土壤容重及在不同持水性能下的持水量及土壤孔隙度。以上分析方法參照我國林業行業標準[18]。

1.6.2 土壤化學性質測定 帶回實驗室的土壤放置在風干架上，自然風干，風干后磨碎過篩，用于測定堿解氮、有效磷等指標。土壤化學指標測定方法均參照我國林業行業標準[19-24]：土壤堿解氮含量采用堿解-擴散法測定;土壤全磷含量采用酸溶-鉬銻抗比色法測定;土壤有效磷含量采用鹽酸-硫酸浸提法測定;土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定;土壤pH值采用電位法測定。

1.6.3 植物生長指標測定 植物株高和地徑采用直接測量法，分別使用2 m卷尺和游標卡尺進行測量，并記錄數據。在植物休眠期將地上部分剪斷，再挖出根系，按地上部分、地下部分分裝在密封袋中。帶回實驗室后，將植株各部分洗凈，并收集所有斷根。通過數字化掃描儀（EPSON V750）將根系圖像存入計算機，用Win-RHIZO根系分析系統（Regent Instrument Inc. Canada）對根系總根長、總表面積、根體積等進行分析，進一步計算可得構樹根長密度和比根長。在根系掃描完后，將植物地上部分和根部分裝入牛皮紙袋中，105 ℃下殺青30 min，60 ℃下烘干至恒質量，并稱質量，進一步可計算出構樹幼苗地下部分與地上部分干質量比值，即根冠比。

1.7 數據處理

數據用Excel 2016整理后，用SPSS 18.0進行方差分析，并采用Duncans多重檢驗法對各個處理的指標進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質分析

2.1.1 土壤容重和各級孔隙度分析 由表1可以看出，生物炭的施用對喀斯特石漠化山地土壤容重和各級孔隙度均會產生一定的影響。生物炭施用的比例越高，土壤容重越低，與CK處理相比，施用生物炭均可降低土壤的容重，并在RH4處理下差異最為顯著（P<0.05），容重達最小值，為 0.97 g/cm3。隨著生物炭施用量的增加，土壤總孔隙度和毛管孔隙度也有顯著增加，這與生物炭的多孔性結構有關。土壤非毛管孔隙度并沒有隨著施炭量的增加呈線性的變化，與CK處理相比，在RH1處理下，非毛管孔隙度達到最大值，除此之外，依次是RH4處理、NPK處理、RH2處理。

2.1.2 土壤水分特性分析 如表2所示，添加生物炭可顯著增加土壤質量含水量、田間持水量和飽和含水量。與CK處理比較，NPK施肥處理的土壤質量含水量和飽和含水量沒有顯著差異，RH1、RH2質量含水量與CK差異不顯著，RH4處理下土壤質量含水量顯著大于對照（P<0.05）;RH1、RH2和RH4處理田間持水量顯著高于CK（P<0.05）;RH1飽和含水量與CK差異不顯著， RH2和RH4處理土壤的飽和含水量顯著高于CK（P<0.05）。隨著施炭量的增加，土壤質量含水量、田間持水量和飽和含水量均呈現線性增長，田間持水量的斜率最大，其次是飽和含水量，質量含水量的斜率最小。

2.1.3 土壤化學性質分析 生物炭本身具有較高的基礎養分，不同量生物炭施用后，土壤相應的養分指標會有不同程度的增加。試驗除CK處理外，其他處理均施肥，這部分速效肥的增加也會對相對應的土壤養分有一定的提高作用。如表3所示，添加生物炭后，土壤pH值呈上升的趨勢，RH4處理下土壤pH值增加量最大，但與CK相比，差異未達顯著水平。施用生物炭后土壤的有機質含量顯著增加（P<0.05），NPK、RH1、RH2、RH4各處理的有機質含量比CK處理分別增加了10.15%、11.12%、19.74%、31.67%。施用生物炭后各處理土壤的堿解氮、有效磷和速效鉀含量均增加，且在RH4處理下達到最大值，最大值對比CK處理分別增加了87.97%、348.56%、42.25%。施加生物炭后各處理土壤全磷含量均有所增加，但僅RH4處理下，增加達顯著水平（P<0.05），對比CK處理增加了27.83%。

2.2 構樹生長狀況分析

2.2.1 構樹幼苗生長特性分析 由表4可以看出，施肥和施生物炭處理對構樹幼苗的株高、地徑等生長特性指標都有不同程度的促進作用。與CK處理相比，稻殼炭處理的促進作用隨試驗所設置濃度范圍內施用量增加而增加，株高、地徑、根系生物量、地上部分生物量、總生物量與對照相比均有增加，在RH4處理效果最好，株高與CK處理相比增加了68%，地徑與CK處理相比增加了94%，根系生物量與CK處理相比增加了78%，地上部分生物量與CK處理相比增加了74%，總生物量與CK處理相比增加了76%。同時，通過不同處理間的根冠比數值比較可發現，除了RH4處理與CK處理相比增加了2%，其他不同稻殼炭施用量處理均降低了根冠比，NPK、RH1、RH2這3個處理構樹根冠比分別降低了17%、31%和21%，降低效果達顯著水平（P<0.05）。

2.2.2 構樹根系生長狀況分析 由表5可知，與CK處理相比，施用復合肥和生物炭的各處理對構樹幼苗的總根長、根系表面積和根系體積的增加均有促進作用。NPK處理下，總根長對比CK處理增加了29.58%，增加未達顯著水平，RH1、RH2、RH4對比CK處理分別增加了172.36%、282.99%和504.61%，RH2、RH4增加量達顯著水平（P<0.05）。生物炭施用后對構樹幼苗的根系表面積、根系體積的增加有著顯著的作用（P<0.05），對比CK處理，根系表面積的增加幅度為 54.09%～425.96%，根系體積的增加幅度為80.59%～343.75%。根長密度是指單位體積土壤內的根系長度，是表征土壤資源有效利用的一個重要指標。從表5可以看出，生物炭施用后可以促進構樹根長密度的增加，但僅在RH2和RH4處理下，增加量對比CK處理差異達顯著水平（P<0.05）。比根長是根長與生物量的比值，是表征根系收益與花費關系的重要參數。由表5可以看出，NPK處理下的比根長有所增加，但差異未達顯著水平，生物炭的使用可以明顯增加構樹幼苗細根的比根長，RH1、RH2、RH4對比CK處理分別增加了269.05%，261.01%和352.49%，且RH4處理與CK差異達顯著水平（P<0.05）。

3 討論與結論

3.1 生物炭對土壤性質的影響

為了探明生物炭處理對土壤物理性質的影響機制，本研究利用環刀法和浸水法測量了0～10 cm表層土壤的飽和含水量、毛管持水量和土壤孔隙等土壤水分物理指標，結果表明，生物炭有利于改善土壤結構和土壤水分狀況。3種不同施炭量處理均顯著降低了土壤容重，有效增加了土壤毛管孔隙率，提高了土壤中的毛管持水量，改善的效果隨施炭量增加而增加，這主要是因為生物炭具有豐富的孔隙結構、較小的密度和較大的比表面積[25]。這與張明月的研究結果[26]一致。生物炭對于土壤水分特性的改善效果受土壤種類、土壤石漠化程度、生物炭種類及生物炭施用量等多方面的影響[26-28]。

在以往的研究中，當土壤處于酸性或中性狀態下，施用堿性生物炭往往能提高土壤的pH值[29]，但在本研究中，生物炭3種施用量處理下土壤的pH值均有所增加但增加量與對照相比未發生顯著變化，這與方培結的研究結果[28]一致。劉祥宏的研究結果表示，對于向堿性土中施加生物炭，甚至可以降低土壤的pH值[30]。生物炭的堿性對土壤的影響是最直接的，土壤還受到土壤微生物作用，如短期內土壤的硝化作用會降低土壤pH值，除此之外還受到土壤酸堿緩沖容量、作物種類等的影響。在以往的研究中，研究者指出，炭肥混施對比單獨使用肥料或生物炭對土壤養分和植物生長有更好的改良和促進效果[31-32]。本研究中，均施加定量的速效肥料，結果顯示炭肥混施顯著增加了土壤有機質和速效養分的含量。一方面生物炭具有孔隙結構和吸附性，可減少養分的淋失，將養分留在土壤中，另一方面，生物炭表面具有較高的有效養分，在施入土壤后，帶入土壤，增加了土壤養分含量[33-34]。在以后的研究中，可設置不同栽培植物的處理，來探究施炭處理對于速效氮素的影響。生物炭影響土壤磷有效性的途徑是通過吸附和解吸來完成。有些研究表明生物炭對磷無吸附能力[35-36]，但研究生物炭種類單一，土壤狀況差距大，研究不夠深入，無法說明問題。還有研究表明，不同原料制作的生物炭會對磷產生吸附[37]。后有研究者在利用生物炭處理廢水時，對生物炭進行改性處理，可使生物炭對磷產生吸附。在以后的研究中，可增加對不同原料制作的生物炭磷素吸附及其機理的研究。

3.2 生物炭對植物生長的影響

目前大部分研究表明，施用生物炭可促進植物生長及增產。如施用生物炭可促進黃連木、水稻、香蕉等的生長[38-41]，可促進鐵皮石斛、玉米的增產[42-43]。在本研究中，施肥處理和炭肥混施處理均顯著促進了構樹幼苗株高、地徑的增加，促進了植物地上及地下部分的干物質積累，半年生構樹苗經過一個生長季，最高的長到了197 cm。生物炭對植物生長的促進作用隨施炭量的增加而增加。

植物根系是植物攝取和運輸營養物質合成和儲存有機化合物的重要器官。一些研究表明，生物炭的施用還可促進植物根系生長，如陳懿等在研究煙桿生物炭對烤煙根系生長的影響時發現，施炭可促進烤煙前期的根系生長和根系體積的提高[44];如程效義等在探究生物炭對玉米生產的影響時發現，施炭可以增加玉米灌漿期的總根長、根表面積和根體積[45]。這些研究與本研究的結果一致。總根長、根表面積及根體積等根系形態指標是根系攝取養分和水分的能力指標[46]。在本研究中，單獨施肥處理對植物根系生長有一定的促進作用，效果并不顯著，施炭處理對植物根系生長的促進作用顯著，施炭量越多作用效果越顯著。土壤水分和養分條件是影響植物根系生長和分布的主要因素，生物炭的施用改良了土壤的物理結構，改善了土壤的水分和養分條件，進而提高了植物根系吸收和代謝的效率，進而促進了植物地上部分的生長發育。

本研究表明，施用生物炭可以改善石漠化土壤的理化性質，對構樹幼苗生長和根系發育等各項指標都具有顯著的促進作用。因此，生物炭在喀斯特石漠化山地的石漠化土壤改良和植被恢復方面有著重要的作用。通過試驗驗證，在構樹苗期施用4%稻殼炭的效果最佳。

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