陳夢(mèng)婕,李小英,2,蘇小娟,陳曉琴,吳思政,王毅雯

(1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650224;2.云南省高校土壤侵蝕與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650224)

生物炭是在高溫缺氧條件下對(duì)生物質(zhì)材料熱解得到的富碳物質(zhì),一般含碳量超過(guò)50%,除富含大量碳化組分外,還富含大量N、P、K、Ca、Mg等非碳化組分。生物炭具有pH和碳含量較高、結(jié)構(gòu)疏松多孔、官能團(tuán)豐富和吸附能力較強(qiáng)等特點(diǎn)[1-3]。育苗基質(zhì)是植物育苗的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和關(guān)鍵因素,尤其針對(duì)工廠化育苗而言,優(yōu)質(zhì)的育苗基質(zhì)尤為重要[4]。良好的育苗基質(zhì)能為植物提供豐富的養(yǎng)分和相對(duì)穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境,基質(zhì)理化性質(zhì)能直接影響植物的生長(zhǎng)狀況[5-6]。添加生物炭后會(huì)提高育苗基質(zhì)的pH,增加陽(yáng)離子交換能力和營(yíng)養(yǎng)元素含量[7],如鄒春嬌等[8]研究表明添加3%和5%的生物炭能顯著提高基質(zhì)酶活性。在傳統(tǒng)的苗木生產(chǎn)中,常以土壤和泥炭作為育苗基質(zhì),使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成土壤板結(jié),且大量開(kāi)發(fā)天然泥炭資源會(huì)破壞環(huán)境。此外,傳統(tǒng)育苗基質(zhì)透氣性、保水性和養(yǎng)分含量都較低,難以滿足植株的生長(zhǎng)需求。生物炭質(zhì)量輕,作為育苗基質(zhì)中便于運(yùn)輸并能有效降低運(yùn)輸成本;生物炭制備原料主要是利用農(nóng)林廢棄物如果園修剪的枝條、秸稈稻殼、畜禽糞便等且無(wú)二次污染,既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保[9-10]。目前,生物炭的應(yīng)用研究主要集中于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,用于改善農(nóng)田土壤理化性質(zhì),從而增加土壤的固碳能力,進(jìn)而提高土壤肥力[11-12]。研究發(fā)現(xiàn),生物炭的施用會(huì)導(dǎo)致地上生產(chǎn)力和作物產(chǎn)量提高,改良酸性土壤,提高土壤中磷、鉀、總氮、總碳和有機(jī)質(zhì)含量,也會(huì)提高土壤微生物量和酶活性[13-16]。鑒于生物炭所具有的優(yōu)良特性,其在苗木培育中將得到日益廣泛的應(yīng)用。

元寶楓(Acertruncatum)是無(wú)患子科(Sapindaceae)槭樹(shù)屬(Acer)落葉喬木樹(shù)種,天然分布于我國(guó)西北以及內(nèi)蒙古、山東、江蘇北部等地區(qū),近年來(lái)四川、甘肅、云南、貴州等地區(qū)在荒山造林和退耕還林中大量種植元寶楓[17]。元寶楓種仁含油量為40%～48%(90%以上為不飽和脂肪酸且其中含5%～7%的功能性脂肪酸——神經(jīng)酸),具有促進(jìn)機(jī)體發(fā)育、調(diào)節(jié)脂類代謝、消炎抗氧化、減少心血管疾病等生理作用,所含神經(jīng)酸是組成大腦神經(jīng)細(xì)胞膜的重要成分,對(duì)于維持大腦神經(jīng)系統(tǒng)的正常活動(dòng)、促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育及預(yù)防神經(jīng)退行性疾病有重要作用;元寶楓葉片中黃酮類化合物、綠原酸等物質(zhì)含量較高,具有一定的抗氧化和保健功能,有望成為國(guó)家新資源食品[18-19]。元寶楓作為“食藥兩用”樹(shù)種,已成為開(kāi)發(fā)系列保健品和藥品的重要原料[20-21]。同時(shí),元寶楓側(cè)根發(fā)達(dá),具有較強(qiáng)的耐旱、抗寒、抗風(fēng)害能力,是綠化、景觀和水土保持的理想樹(shù)種[22]。元寶楓已于2015年被國(guó)家林業(yè)和草原局列為全國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的木本油料樹(shù)種,2019年列入國(guó)家儲(chǔ)備林建設(shè)樹(shù)種目錄?，F(xiàn)階段關(guān)于元寶楓開(kāi)發(fā)利用(涉及油料、栲膠、蛋白質(zhì)資源、醫(yī)藥保健、化工原料等行業(yè))、資源培育的相關(guān)研究較多[23],也有部分研究涉及施用化肥、干旱脅迫、重金屬脅迫條件下元寶楓幼苗的生長(zhǎng)及生理響應(yīng)[24-26]。本研究組前期研究發(fā)現(xiàn),添加椰殼生物炭后顯著提高了元寶楓育苗基質(zhì)有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量和蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶活性,顯著降低了基質(zhì)酸性[27]。然而,不同制備材料的生物炭其比表面積、粒徑大小和理化性質(zhì)不同,生物炭對(duì)育苗基質(zhì)養(yǎng)分和幼苗生長(zhǎng)的影響因生物炭種類、添加量和作物種類不同而有所差異。因此,在大范圍推廣生物炭育苗基質(zhì)之前,需根據(jù)生物炭種類、針對(duì)不同作物進(jìn)行深入研究,以篩選出最佳添加量[10]。基于此,本研究以元寶楓為研究對(duì)象,通過(guò)育苗盆栽試驗(yàn),測(cè)定不同種類和施用量的生物炭對(duì)元寶楓育苗基質(zhì)養(yǎng)分及酶活性的影響,以期篩選出最優(yōu)的生物炭種類及其施用量,為元寶楓育苗基質(zhì)改良及優(yōu)質(zhì)苗木培育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

育苗試驗(yàn)所用的元寶楓種子采自昆明市石林大道上發(fā)育健壯、樹(shù)形豐滿、生長(zhǎng)良好和無(wú)病蟲害的元寶楓母樹(shù)。

調(diào)配育苗基質(zhì)時(shí)所用紅土采自昆明市呼馬山,其pH 6.6、有機(jī)碳含量1.03 g/kg、全氮0.30 g/kg、全磷1.10 g/kg、全鉀2.45 g/kg、水解性氮22.37 mg/kg、有效磷2.44 mg/kg、速效鉀109.27 mg/kg。

竹炭、橡膠木炭、稻殼炭購(gòu)買于福建優(yōu)選炭業(yè)有限責(zé)任公司。3種生物炭基本特性見(jiàn)表1。

表1 參試生物炭基本特性

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于云南省昆明市西南林業(yè)大學(xué)樹(shù)木園實(shí)驗(yàn)基地。試驗(yàn)用花盆直徑為17 cm,高12 cm。

共設(shè)置11個(gè)處理,對(duì)照組CK0僅有紅土,不加椰糠、不加生物炭;CK1為常規(guī)輕基質(zhì)(V椰糠∶V紅壤=3∶7),不加生物炭;其余處理均為常規(guī)輕基質(zhì)(V椰糠∶V紅壤=3∶7),并分別添加3個(gè)不同比例施用量(3%、5%、7%)的竹炭、橡膠木炭、稻殼炭。各處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。每個(gè)處理設(shè)置10個(gè)重復(fù)。播種前按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)把足量生物炭與育苗基質(zhì)(0.8 kg)拌勻待用。

表2 不同處理生物炭種類及其用量

元寶楓種子于2022年4月5日播種,播深2～3 cm。播后定期澆水和除草,分別于7月底和8月底追施氮磷鉀復(fù)合肥(N∶P∶K=15∶15∶15),每盆施肥8 g。1年后進(jìn)行生長(zhǎng)調(diào)查。

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

元寶楓生長(zhǎng)初期為4—5月、生長(zhǎng)后期為8—9月[28-29],因此分別于2022年5月25日和2022年9月25日取基質(zhì)樣品,帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)自然風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)篩后進(jìn)行基質(zhì)養(yǎng)分和酶活性測(cè)定。pH采用pH計(jì)測(cè)定;基質(zhì)養(yǎng)分含量參考鮑士旦[30]的方法測(cè)定,其中有機(jī)碳采用油浴加熱-重鉻酸鉀氧化容量法、全氮采用凱氏定氮法、全磷采用高氯酸消解-鉬銻抗比色法、全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計(jì)法、水解性氮采用堿解擴(kuò)散法、有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法、速效鉀采用醋酸銨-火焰光度計(jì)法?；|(zhì)酶活性參考關(guān)松蔭[31]的方法測(cè)定,其中脲酶活性采用靛酚比色法、過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法、蔗糖酶活性采用3-5二硝基水楊酸法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制;運(yùn)用SPSS 24.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和通徑分析;運(yùn)用Origin 2023軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和聚類分析;運(yùn)用Canoco 5軟件進(jìn)行冗余分析(RDA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類生物炭對(duì)基質(zhì)pH及養(yǎng)分含量的影響

2.1.1 基質(zhì)pH和有機(jī)碳

圖1顯示,CK0和CK1處理基質(zhì)呈弱酸性,施用生物炭明顯增加了不同時(shí)期基質(zhì)的pH。添加生物炭后生長(zhǎng)初期基質(zhì)pH變化范圍為6.69～7.23,生長(zhǎng)后期基質(zhì)pH變化范圍為6.89～7.21。不同時(shí)期竹炭處理基質(zhì)的pH隨施炭量的增加而增加。

圖1 不同處理不同時(shí)期基質(zhì)pH和有機(jī)碳含量

不同處理對(duì)基質(zhì)有機(jī)碳含量存在顯著差異(P<0.05)。與不加生物炭處理相比,DK7%處理顯著增加了生長(zhǎng)初期和生長(zhǎng)后期基質(zhì)有機(jī)碳含量,比CK0分別提高了92.20%、81.46%,比CK1分別提高了71.15%、34.11%;其余處理基質(zhì)有機(jī)碳含量均較不加生物炭處理有不同程度增加。

2.1.2 基質(zhì)全量養(yǎng)分

圖2顯示,施用生物炭能有效提升基質(zhì)中全氮、全磷、全鉀的含量,各處理均高于不加生物炭處理。各處理間全氮含量差異性顯著(P<0.05),稻殼炭處理對(duì)基質(zhì)全氮含量提升效果最為顯著,DK7%含量最高,不同時(shí)期分別提高了68.52%、76.38%。生長(zhǎng)初期,竹炭處理對(duì)基質(zhì)全磷和全鉀含量提升效果最為突出,且隨施炭量增加呈先增加后減少的趨勢(shì),以ZT5%處理最高,全磷和全鉀分別提高了55.78%、31.73%;生長(zhǎng)后期橡膠木炭處理對(duì)基質(zhì)全磷和全鉀含量提升效果最好,全磷以XJ3%處理最高,提高了80.56%;全鉀以XJ7%處理最高,提高了52.79%。

圖2 不同處理不同時(shí)期基質(zhì)全量養(yǎng)分含量

2.1.3 基質(zhì)速效養(yǎng)分

由圖3可知,不同處理下不同時(shí)期基質(zhì)水解性氮、有效磷、速效鉀養(yǎng)分含量存在顯著差異(P<0.05)。從整體看水解性氮含量生長(zhǎng)后期高于生長(zhǎng)初期,有效磷含量生長(zhǎng)后期低于生長(zhǎng)初期,速效鉀含量?jī)蓚€(gè)時(shí)期浮動(dòng)不大。生長(zhǎng)初期稻殼炭處理對(duì)基質(zhì)水解性氮、有效磷、速效鉀含量提升效果最好,且最優(yōu)處理都為DK7%,分別提高了45.26%、63.67%、43.03%。生長(zhǎng)后期水解性氮以DK3%處理最高,提高了56.66%;有效磷和速效鉀均以ZT5%處理最高,分別提高了82.22%和36.77%。

圖3 不同處理不同時(shí)期基質(zhì)速效養(yǎng)分含量

2.2 不同種類生物炭對(duì)基質(zhì)酶活性的影響

表3顯示,不同種類生物炭不同施用量對(duì)基質(zhì)三種酶(脲酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶)活性均表現(xiàn)為促進(jìn)作用,各處理對(duì)3種酶均有顯著影響(P<0.05)。從整體看,添加生物炭后生長(zhǎng)后期基質(zhì)酶活性均高于生長(zhǎng)初期;施用稻殼炭的處理基質(zhì)脲酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶的活性均明顯高于竹炭和橡膠木炭處理。不同時(shí)期,基質(zhì)脲酶活性隨稻殼炭施炭量的增加而增加,提升效果最好的處理均為DK7%。在整個(gè)生長(zhǎng)期,施加生物炭后的各處理其基質(zhì)過(guò)氧化氫酶活性一直持續(xù)在較高水平且十分穩(wěn)定,基質(zhì)過(guò)氧化氫酶活性均是DK7%提升效果最好。從生長(zhǎng)初期到生長(zhǎng)后期各處理的蔗糖酶活性都顯著提高了;DK3%在不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)基質(zhì)蔗糖酶活性的提升效果均最好,分別提高了43.40%和67.06%。

表3 不同處理不同時(shí)期基質(zhì)酶活性

2.3 基質(zhì)pH、養(yǎng)分含量與酶活性的相關(guān)性分析和冗余分析

圖4顯示,基質(zhì)pH、養(yǎng)分含量與酶活性之間有一定相關(guān)性?；|(zhì)pH與過(guò)氧化氫酶、全氮與脲酶、水解性氮與蔗糖酶、脲酶與過(guò)氧化氫酶呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),基質(zhì)pH與速效鉀、有機(jī)碳與全氮、有機(jī)碳與脲酶、全氮與全鉀、全鉀與速效鉀、水解性氮與速效鉀、水解性氮與脲酶、速效鉀與過(guò)氧化氫酶、脲酶與蔗糖酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

圖4 基質(zhì)pH、養(yǎng)分含量與酶活性之間的相關(guān)性分析

采用冗余分析可以較好地描述基質(zhì)養(yǎng)分與酶活性之間的相關(guān)性。由圖5可知,第一約束軸為67.94%,第二約束軸為14.42%,由解釋量可以看出8個(gè)基質(zhì)養(yǎng)分解釋了82.35%的總特征值,進(jìn)而說(shuō)明基質(zhì)養(yǎng)分對(duì)酶活性存在一定的影響。對(duì)酶活性影響較大的養(yǎng)分因子是水解性氮和pH,其余相關(guān)性結(jié)果與圖4一致。

圖5 基質(zhì)pH、養(yǎng)分含量與酶活性之間的冗余分析

2.4 基質(zhì)養(yǎng)分與酶活性的相互關(guān)系

上述簡(jiǎn)單的相關(guān)分析不能全面反映變量間的內(nèi)在聯(lián)系,采用通徑分析方法進(jìn)一步分析基質(zhì)養(yǎng)分對(duì)酶活性的影響程度。由表4可知,基質(zhì)養(yǎng)分中對(duì)脲酶影響較大的前4個(gè)因素依次為:速效鉀(-0.735)>全氮(0.682)>全鉀(0.679)>有機(jī)碳(0.479)。各因素通過(guò)速效鉀和全氮對(duì)脲酶的間接通徑系數(shù)較大,分別為-0.517和0.456,表明速效鉀和全氮是對(duì)脲酶影響較大的養(yǎng)分因子。對(duì)過(guò)氧化氫酶影響較大的前4個(gè)因素為全氮、pH、全鉀和速效鉀,其直接通徑系數(shù)分別為0.682、0.539、0.487、-0.362。各因素通過(guò)全氮和pH對(duì)過(guò)氧化氫酶的間接通徑系數(shù)較大,分別為0.456和0.379,表明過(guò)氧化氫酶的直接影響因素是全氮和pH。對(duì)蔗糖酶影響較大的前4個(gè)因素依次為:水解性氮(1.468)>全鉀(-1.426)>全磷(0.668)>全氮(-0.598)。各因素通過(guò)全鉀和水解性氮對(duì)蔗糖酶的間接通徑系數(shù)較大,分別為-0.954和0.890,表明蔗糖酶的直接影響因素是全鉀和水解性氮。

表4 基質(zhì)養(yǎng)分與酶活性的通徑系數(shù)

2.5 不同處理與基質(zhì)養(yǎng)分含量酶活性的聚類分析

如圖6所示,XJ3%處理對(duì)全磷含量表達(dá)量較高,ZT5%處理對(duì)有效磷含量表達(dá)量較高,DK7%處理對(duì)全氮和脲酶含量表達(dá)量較高,CK0處理對(duì)各指標(biāo)含量表達(dá)量都較低。對(duì)各處理進(jìn)行聚類分析按相似親疏程度將其劃分為4個(gè)類群:第一類是CK0和CK1處理,這一類的基質(zhì)養(yǎng)分含量水平較低,屬于低等肥力水平;第二類是ZT3%、DK3%、DK5%、ZT7%、XJ3%、XJ5%和XJ7%處理,這類處理對(duì)基質(zhì)養(yǎng)分含量和酶活性的提升效果一般,屬于一般肥力水平;第三類是ZT5%處理,這類處理對(duì)基質(zhì)養(yǎng)分含量和酶活性的提升效果中等,屬于中等肥力水平;第四類是DK7%處理,這類處理對(duì)基質(zhì)養(yǎng)分含量和酶活性的提升效果顯著,屬于高等肥力水平。

圖6 元寶楓不同處理與基質(zhì)養(yǎng)分含量酶活性的聚類分析熱圖

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本研究表明,不同種類、不同施用量的生物炭添加均不同程度提高了基質(zhì)pH值和養(yǎng)分含量。添加生物炭處理的基質(zhì)pH值范圍為6.89～7.21,更適宜元寶楓生長(zhǎng),改善了元寶楓幼苗生長(zhǎng)環(huán)境,這與劉新等[32]研究結(jié)果基本一致。本研究中施入生物炭顯著提高了基質(zhì)有機(jī)碳含量,這與劉凱傳[33]的研究結(jié)果一致。可能是因?yàn)樯锾恐泻写罅康挠袡C(jī)碳,短時(shí)間內(nèi)能迅速提高基質(zhì)有機(jī)碳含量[34]。從整體來(lái)看,基質(zhì)有機(jī)碳含量在生長(zhǎng)初期高于生長(zhǎng)后期,可能是由于生長(zhǎng)過(guò)程中有機(jī)碳被植物所吸收,但其具體機(jī)理還待進(jìn)一步研究。

磷是植物生長(zhǎng)所需的重要養(yǎng)分之一,施加生物炭可以通過(guò)吸附土壤中的磷,增加土壤有效磷含量,從而提高植物對(duì)磷的吸收[39]。生物炭能長(zhǎng)效緩釋出磷,也可減少土壤對(duì)磷吸附固定,從而降低土壤中磷淋溶,提高土壤磷素含量和可利用性[40]。本研究中添加不同種類、不同施用量生物炭均提高了基質(zhì)全磷和有效磷含量。比表面積越大,對(duì)磷的吸附能力越強(qiáng)[41],同時(shí)磷淋失量越少[42],磷含量就會(huì)相對(duì)較高。生長(zhǎng)后期施用橡膠木炭的處理其基質(zhì)全磷含量?jī)?yōu)于竹炭和稻殼炭處理,這可能受3種炭比表面積大小影響,從而基質(zhì)全磷含量也以比表面積最大的橡膠木炭最高。施入生物炭后顯著提高了基質(zhì)速效鉀含量,且整個(gè)生長(zhǎng)期都呈現(xiàn)較高的趨勢(shì),這與修立群[43]的研究結(jié)果一致,但與張紅雪等[44]研究結(jié)果不一致,可能是由于在兩個(gè)研究中生物炭和植物種類的不同所致,或是因?yàn)槠鋮⒃囍参锏纳L(zhǎng)時(shí)間短于本研究從而未得出生物炭對(duì)全鉀長(zhǎng)期作用的效果。

土壤酶活性是影響新陳代謝的重要因素,也是判斷土壤活躍程度、養(yǎng)分循環(huán)狀況和微生物活性的重要指標(biāo)[45]。本研究發(fā)現(xiàn),施用不同種類的生物炭均可顯著提高基質(zhì)酶活性,這與吳強(qiáng)建等[46]研究結(jié)果一致。可能是生物炭吸附基質(zhì)中的反應(yīng)底物,加強(qiáng)了酶促反應(yīng),進(jìn)而提高了基質(zhì)酶活性[47]。土壤酶活性與養(yǎng)分含量之間存在顯著或極顯著相關(guān)性[48],本研究結(jié)果與此相同。運(yùn)用通徑分析可計(jì)算出直接和間接通徑系數(shù),通過(guò)系數(shù)絕對(duì)值大小可分析各環(huán)境因子對(duì)酶活性的直接和間接影響大小,能更加準(zhǔn)確地說(shuō)明各環(huán)境因子與酶活性之間的關(guān)系[49]。本研究中通徑分析結(jié)果表明,基質(zhì)養(yǎng)分與酶活性之間存在直接或間接作用,這與前人研究結(jié)果一致[50]。各養(yǎng)分指標(biāo)對(duì)3種酶活性的直接影響均大于各自的間接影響,說(shuō)明這些養(yǎng)分指標(biāo)主要通過(guò)直接作用影響酶活性,這與張雅茜等[51]的研究結(jié)果不一致,可能是因?yàn)楸狙芯恐杏缁|(zhì)添加了生物炭,基質(zhì)水熱條件較好,使得基質(zhì)養(yǎng)分積累較多且快速轉(zhuǎn)化,直接影響了基質(zhì)微生物活性,導(dǎo)致基質(zhì)養(yǎng)分與酶活性與之間的相關(guān)性顯著[52]。

3.2 結(jié)論

育苗基質(zhì)中添加生物炭能提高基質(zhì)養(yǎng)分及酶活性。施用稻殼炭處理其基質(zhì)酶活性、pH、有機(jī)碳、全氮、水解性氮含量提高效果優(yōu)于竹炭和橡膠木炭處理,DK7%對(duì)基質(zhì)酶活性提升效果最好?；|(zhì)養(yǎng)分與酶活性之間存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系,對(duì)酶活性影響較大的養(yǎng)分因子為水解性氮和pH;聚類分析結(jié)果顯示DK7%處理對(duì)基質(zhì)養(yǎng)分含量和酶活性的提升效果顯著。綜合來(lái)看,添加不同種類生物炭對(duì)元寶楓育苗基質(zhì)pH、養(yǎng)分含量及酶活性均有影響,7%稻殼炭為最佳施炭量。研究結(jié)果可為元寶楓生物炭基質(zhì)優(yōu)良苗木培育提供參考。