賈明方，王輝，高玉錄，翟衡*

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安 271018）

生物炭是由植物生物質(zhì)在完全或部分缺氧條件下經(jīng)熱裂解、炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化、難溶性的固態(tài)物質(zhì)[1]。生物炭作為一種土壤改良劑近年來(lái)成為農(nóng)林、環(huán)境及能源諸多研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)[2-4]。研究表明， 生物炭在土壤中能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，可以改善土壤理化性質(zhì)及提高土壤微生物的活性，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[5-6]，促進(jìn)作物生長(zhǎng)和增產(chǎn)[7]。此外，由于生物炭可延緩肥料釋放[8]，降低肥料損失，將其與有機(jī)肥混施增產(chǎn)效果更佳。

根系是作物吸收水分、養(yǎng)分和其他溶質(zhì)溶液的重要器官，其分布特征和發(fā)育情況與地上部生長(zhǎng)和產(chǎn)量密切相關(guān)[8-12]。生物炭施入土壤后，會(huì)對(duì)土壤容重、總孔隙度、水分、溫度和陽(yáng)離子交換量產(chǎn)生明顯的促進(jìn)作用，進(jìn)而影響到植株的生長(zhǎng)。施加生物炭對(duì)植株的影響研究大多集中在蔬菜和小麥、水稻等一年生作物上，而在多年生果樹(shù)上少見(jiàn)報(bào)道。葡萄作為多年生果樹(shù)需要長(zhǎng)期穩(wěn)定的優(yōu)良土壤性狀，但近年來(lái)生產(chǎn)上大量施用化肥，造成土壤板結(jié)、酸化，碳氮比失衡等問(wèn)題，土壤性狀的惡化已成為制約葡萄產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[13]，因此提高土壤有機(jī)碳含量，改善土壤理化性狀是果園生產(chǎn)面臨的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。本文利用盆栽試驗(yàn)研究了不同生物炭施用量對(duì)‘赤霞珠’葡萄的根系構(gòu)型參數(shù)、生長(zhǎng)性狀及土壤根域環(huán)境的影響，旨在為應(yīng)用生物炭改良土壤、合理施肥、促進(jìn)葡萄根系發(fā)生提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試材及處理設(shè)置

本試驗(yàn)于2013—2014年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)葡萄示范基地進(jìn)行。供試材料為‘赤霞珠’葡萄一年生扦插苗。所選用生物炭是以本葡萄園修剪下來(lái)的葡萄枝條為原料，風(fēng)干后粉碎，利用炭化爐在隔絕氧氣的450 ℃下炭化裂解制成的黑色顆粒；商品性生物有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)含量高于50%，N、P2O5和K2O含量高于6%。盆栽土壤為壤土，土壤基本指標(biāo)為含水量6.43%、容重1.41 g/cm3、總孔隙度41.97%、pH為6.86，將土壤、生物炭和有機(jī)肥按比例混合均勻，裝入直徑24 cm，高22 cm的花盆。

通過(guò)2013年預(yù)試驗(yàn)確定合適的碳氮比例，設(shè)5個(gè)處理，按照每千克干土中施入生物炭量（g），處理1：對(duì)照（CK），即生物炭為0＋有機(jī)肥；處理2：施加10 g生物炭＋有機(jī)肥，標(biāo)記為C10；處理3：施加15 g生物炭＋有機(jī)肥（標(biāo)記為C15）；處理4：施加20 g生物炭＋有機(jī)肥（標(biāo)記為C20）；處理5：施加25 g生物炭＋有機(jī)肥（標(biāo)記為C25）。各處理中有機(jī)肥的量相同，約1 kg，每盆一株，每處理6個(gè)重復(fù)。

1.2 分析計(jì)算方法

處理180 d后，取植株與土壤樣品，測(cè)定各處理的土壤理化指標(biāo)、植株的生長(zhǎng)量以及根系數(shù)據(jù)。

速效氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法；pH（水土比2.5∶1）采用電位計(jì)法；土壤含水量的測(cè)定采用鋁盒烘干法；土壤容重測(cè)定采用環(huán)刀法；土壤孔隙度/%=（1-容重/比重）×100。土壤脲酶活性用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；過(guò)氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測(cè)定；蔗糖酶活性用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定；熒光素二乙酸酯酶（FDA）活性采用比色法測(cè)定。

土壤細(xì)菌、真菌、放線菌分別用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基、馬丁氏培養(yǎng)基和改良高氏1號(hào)培養(yǎng)基。用卷尺測(cè)定新梢生長(zhǎng)量，千分之一天平測(cè)量地上部和地下部鮮重，75 ℃烘干至恒重，再分別測(cè)定干重，根冠比。用NUScan 700平板掃描儀掃描根系圖像，并用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)軟件測(cè)定根系總長(zhǎng)度、根系表面積、根系體積和根尖數(shù)。

采用Excel 2007和DPS 7.05軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤理化性狀的影響

2.1.1 生物炭對(duì)土壤物理性狀的影響

生物炭的多孔隙結(jié)構(gòu)能夠提高土壤的保水能力。施入生物炭均提高了土壤的含水量（圖1-A），并且隨著施炭量的增加而逐漸加強(qiáng)，變化趨勢(shì)為C25＞C20＞C15＞C10＞CK，其中C25的含水量比CK高1.28倍；當(dāng)土壤失水至干旱（含水量小于8%）時(shí)，CK的含水量為7.72%，而C25處理的為17.64%，為適合植株生長(zhǎng)的墑情。

生物炭處理的土壤容重均小于CK（圖1-B），并且隨著施炭量增加而降低，變化趨勢(shì)為CK＞C10＞C15＞C20＞C25，其中C25處理的土壤容重1.27 g/cm3，比CK降低了8.6%，是較為緊實(shí)的土壤。如圖1-C所示，生物炭處理總孔隙度均顯著高于CK，隨著施炭量的增加而逐漸增大，其中以C25最高為60.52%，比CK提高了56.4%。

2.1.2 生物炭對(duì)土壤pH的影響

生物炭處理具有緩解土壤酸化的作用，隨著施炭量的增加，土壤pH也隨之提高，生物炭處理的土壤pH表現(xiàn)為C25＞C20＞C15＞C10＞CK。CK與C10，C15與C20處理間并無(wú)明顯差異，可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)原始土壤pH較高，生物炭灰分中的可溶性鹽基離子溶于水后不能顯著提高土壤鹽基離子飽和度（圖2）。

圖1 生物炭對(duì)土壤物理性狀的影響Figure 1 Effects of biochar on soil physical property

圖2 生物炭對(duì)土壤pH的影響Figure 2 Effects of biochar on soil pH

2.1.3 生物炭對(duì)土壤堿解氮的影響

生物炭處理的土壤堿解氮含量均高于CK，表現(xiàn)為C15＞C10＞C25＞C20＞CK（圖3）。生物炭C10、C15、C20、C25處理分別比CK提高了5.2%、13.3%、3.1%、5.0%。土壤堿解氮的提高，可為作物生長(zhǎng)提供更多的可利用氮源，有利于促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育。

圖3 生物炭對(duì)土壤堿解氮的影響Figure 3 Effects of biochar on available N content

2.2 生物炭對(duì)土壤酶活性的影響

由表1可以看出生物炭處理對(duì)土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶活性影響顯著。生物炭處理的脲酶活性分別為CK的101%、111%、120%、126%；過(guò)氧化氫酶活性分別為CK的100.9%、101.3%、101.9%、101.4%；蔗糖酶活性分別為CK的115%、126%、134%、149%。FDA作為一種能夠較好地反映土壤微生物活性和土壤質(zhì)量的酶，施加生物炭后能夠明顯提高FDA的活性，生物炭處理的FDA活性分別為CK的104%、109%、103%、107%。

2.3 生物炭對(duì)土壤微生物多樣性的影響

由表2可以看出，生物炭處理都顯著提高了土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量。在細(xì)菌和放線菌數(shù)量上以C20提高的最明顯，分別為CK的189%和187%；而在真菌數(shù)量上，以C25提高的最明顯，是對(duì)照的134%。

2.4 生物炭對(duì)‘赤霞珠’葡萄植株生長(zhǎng)的影響

2.4.1 生物炭對(duì)‘赤霞珠’葡萄植株生長(zhǎng)量的影響

生物炭對(duì)‘赤霞珠’生長(zhǎng)起到了促進(jìn)作用（表3），株高變化趨勢(shì)為C25＞C20＞C15＞C10＞CK，以C25處理最為顯著，是對(duì)照的126%。同時(shí)施用生物炭也促進(jìn)了干物質(zhì)積累，且地上部和地下部的干物質(zhì)積累變化趨勢(shì)與株高變化均勢(shì)一致。除C15處理外，生物炭處理均提高了植株的根冠比，其中以C25處理最為顯著，為對(duì)照處理的124%。

表1 生物炭處理對(duì)土壤酶活性的影響Table 1 Effects of biochar on soil enzyme activities

表2 生物炭處理對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響Table 2 Effects of biochar on the amounts of soil microorganism

處理Treatment株高Plant height/cm地下部干物質(zhì)Underground dry matter weight/g地上部干物質(zhì)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 生物炭對(duì)‘赤霞珠’葡萄根系特征的影響Table 4 Effects of biochar on root character of 'Cabernet Sauvignon' grapevine

2.4.2 生物炭對(duì)‘赤霞珠’葡萄植株根系構(gòu)型的影響

對(duì)植株進(jìn)行根系掃描發(fā)現(xiàn)，施加生物炭處理均促進(jìn)了根系的生長(zhǎng)（表4），其中以C25的最顯著，根長(zhǎng)、根直徑、根表面積、根系體積、根尖數(shù)均顯著提高，分別為CK的164%、104%、153%、128%、154%。

3 討論與結(jié)論

生物炭作為一種含碳量豐富的多孔性物質(zhì)，其容重小，比表面積大，吸附能力強(qiáng)，穩(wěn)定性強(qiáng)，在自然條件下通常呈堿性。土壤中添加生物炭后對(duì)土壤水肥氣熱等環(huán)境條件產(chǎn)生重要影響。生物炭的多孔結(jié)構(gòu)能夠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，對(duì)植株生長(zhǎng)產(chǎn)生積極影響[14]。本試驗(yàn)研究結(jié)果也證明了施加生物炭提高了土壤的持水能力，并且隨著施炭量的增加，持水能力越強(qiáng)。

生物炭的容重遠(yuǎn)低于礦質(zhì)土壤，因此，將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，土壤容重從1.52 g/cm3降低到1.33 g/cm3。本試驗(yàn)研究結(jié)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，土壤容重降為1.27 g/kg，是葡萄生長(zhǎng)發(fā)育適合的容重。生物炭的加入顯著降低了土壤容重，提高了土壤的總孔隙度，并且隨著生物炭量的增加，效果越明顯。

生物炭的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)在影響土壤物理性質(zhì)的同時(shí)也會(huì)影響土壤的化學(xué)性質(zhì)。土壤中加入生物炭后，土壤pH將會(huì)發(fā)生變化[18]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，土壤施入生物炭后，pH明顯提高，說(shuō)明可以緩解土壤酸化的問(wèn)題。Lehmann等[2]的研究表明，生物炭的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)能夠提高對(duì)一些表面富含多種官能團(tuán)有機(jī)物質(zhì)的吸持能力，提高土壤有效養(yǎng)分含量，減少養(yǎng)分流失，對(duì)土壤肥力的提高起到重要促進(jìn)作用。本試驗(yàn)結(jié)果顯示施入生物炭后，堿解氮含量明顯提高。

Lehmann等[2]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭會(huì)促進(jìn)與N、P等礦質(zhì)元素利用相關(guān)的土壤酶活性，但會(huì)降低參與土壤碳礦化等生態(tài)學(xué)過(guò)程的土壤酶活性。張偉等[19]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期的秸稈還田，增強(qiáng)了土壤中過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶的活性，但降低了脲酶的活性。本試驗(yàn)結(jié)果顯示生物炭顯著提高了土壤中脲酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶和FDA酶的活性。生物炭的多孔性和表面特性為土壤微生物生長(zhǎng)與繁殖提供了良好的棲息環(huán)境[20]，本試驗(yàn)結(jié)果顯示生物炭施入土壤后，微生物的數(shù)量明顯提高。

研究發(fā)現(xiàn)，施加較高比例的生物炭促進(jìn)了根系的發(fā)育，促進(jìn)了地上部的生長(zhǎng)和干物質(zhì)的積累，目前有關(guān)生物炭對(duì)葡萄根系的影響研究還不多，值得深入研究。