生物炭对酸性红壤改良及纽荷尔脐橙苗生长的影响

生物炭对酸性红壤改良及纽荷尔脐橙苗生长的影响基金项目：公益性行业(农业)科研专项项目基金项目：公益性行业(农业)科研专项项目（201303095）和现代柑橘产业技术体系岗位资助项目通讯作者:姜存仓,男,博士,副教授,从事植物营养机理与施肥研究,E-mail:jcc2000@张祥(1990—),男,硕士研究生,主要从事植物养分资源高效利用及机理研究,E-mail:zx6237@163.com张祥1，王典1，朱盼1，姜存仓1*，彭抒昂2（华中农业大学，1.资源与环境学院；2.园艺林学学院，武汉430070）摘要采用盆栽试验，以0、1%、2%生物炭量及其配施化肥（F）施于酸性红壤中，研究了生物炭对酸性红壤理化性质以及脐橙幼苗农艺生长性状的影响。结果表明，不同生物炭用量对酸性红壤理化性质有明显影响。其中，红壤有机碳含量和pH值均有显著改变，如pH值提高0.45-0.96个单位、有机碳含量提高1-3.1倍；生物炭也能够提高红壤中碱解氮、速效磷和速效钾等含量，其中速效钾提高最为显著。生物炭处理脐橙幼苗茎粗增加量比对照多0.10-0.28cm24cm；单施生物炭脐橙幼苗抽梢和叶片总量无明显提高，但生物炭与底肥配施的抽梢和叶片总量分别比对照高21.0%和70.0%。施生物炭后新叶中氮则随生物炭量增加而降低。除对照老叶外，磷含量在老叶和新叶中均随生物炭量增大而提高；同时，不同炭处理老叶和新叶中钾含量表现为：1%C>2%C>CK，F>F+2%C>F+1%C。因此，生物炭能改良酸性红壤，也有利于脐橙苗的生长。关键词生物炭，酸性红壤，矿质营养元素，农艺性状EffectsofbiocharamendmentonredsoilandgrowthofseedlingsofnavelOrangeZHUPan1,ZHANGXiang1,JIANGCun-cang1,PENGShu-ang2,（1.CollegeofResourcesandEnvironment;2.CollegeofHorticultureandForestryScience,HZAU,Wuhan430070）AbstractToinvestigatetheeffectsofbiocharonchemicalpropertiesofredsoilandagronomictraitsofseedlingsofnavelOrange,Threebiocharapplicationrates(0,1%,2%)wereappliedinapotexperiment.Applicationofbiocharcouldpromotethenavelorangestemthickening,thetotalnumberofbothsproutinggrowthandleavesarenotsignificantlyhigherthancontrol,andgreaterapplicationratesofbiocharmaderesultsmoreobvious.Aftertheadditionofbiochar,thetotalNcontentofoldleaveswasdepressed,thisisoppositetotheyoungleaves.InadditiontoCK,thetotalPcontentwasbecominghigherwhenbiocharadditionincreased;ThetotalKcontentintheoldleavesandyoungleaveswereinthesimilarlydistributiontrendwhendifferentbiocharapplicationrateswereadd,theresultswas1%C>2%C>CKandF>F+2%C>F+1%C.Theadditionofbiocharalsohadanimpactonchemicalpropertiesofsoil.Ontheonehand,biocharadditioncouldincreasetheorganiccarboncontentandthevaluesofpHforsoil,andontheother,biocharadditionhadsignificanteffectonthealkalineNcontentcomparedtoCK.Also,itobviouslyincreasedtheavailablePcontentofthesoilaswellastheavailableKcontent.Themineralelementscontentswerepositivelyinterrelatedtothebiocharapplicationrates.So,biocharwasbeneficialtoseedlingsofnavelOrangegrowthandcouldamendtheorganiccarboncontent,valuesofpHandtheavailablemineralelementcontent.KeywordsBiochar;Acidicredsoil;Mineralelementcontent;Agronomictraits我国南方广泛分布着红壤，由于高温多雨，淋溶作用强[1]，其具有酸性强、有机碳含量低、土壤贫瘠和肥效低下等特点[2]。赣南属亚热带湿润气候，雨量充沛，日照充足，是我国脐橙主产区之一[3]。同时，酸性红壤是赣南主要土壤类型。以往用石灰进行改良，但石灰易与土壤中磷酸根、硫酸根等产生难溶于水的物质，导致土壤结块，降低作物对磷、硼等元素的利用。近年来生物炭在土壤改良方面的研究较多。生物炭是生物质在缺氧条件下，经高温热解产生的一类稳定难溶芳香化固态物质[4]。生物炭制备条件不同，孔隙结构、比表面积、元素组成、pH值等均有差异[5,6]。生物炭逐渐成为环境科学、土壤学等研究热点[4]。WangJinyang等[7]研究发现施用生物炭分别增加了旱地土壤和稻田土壤pH值0.09和0.22个单位。袁金华等[8]报道生物炭能够提高酸性土壤pH值、提高土壤氮和磷有效性，促进作物生长发育。马莉等[9]研究也表明生物炭能够提高土壤有机碳含量。此外，周志红等[10]研究生物炭对土壤氮影响中发现，与对照相比，当累积降水量达到390mm时，黑钙土50t/ha和100t/ha生物炭用量降低总氮淋失量分别为29%和74%；紫色土总氮淋失量在50t/hat/ha和100t/hat/ha，施生物炭分别降低41%和78%。Glaser等[11]发现生物炭使土壤容重降低，总孔隙度和大孔隙度增加。本文对赣南脐橙产区有代表性的酸性红壤进行研究，以探讨生物炭对红壤理化性质的影响及对脐橙幼苗生长状况的影响。1材料与方法1.1试验材料供试土壤为赣南脐橙产区酸性红壤，主要性状为：pH值4.41，碱解氮18.62mg·kg1，速效磷1.17mg·kg1，速效钾33.39mg·kg1，有机质6.04g·kg1。采用沈阳农业大学花生壳为原料制备的生物炭，性状为：pH值8.76，氮18.84g·kg1，磷2.59g·kg1，钾8.48g·kg1，全炭321.93g·kg1。1.2试验设计表1Table1改良Hoagland配方KH2PO4KNO3Ca(NO3)2MgSO4·7H2O136mg·kg1505mg·kg11180mg·kg1492mg·kg1表2Table2Arnon配方H3BO3MnCl2·4H2OZnSO4·7H2OCuSO4·5H2ONa2MoO4EDTA-Fe2.86mg·kg11.81mg·kg10.22mg·kg10.08mg·kg10.09mg·kg148.5mg·kg1采用生物炭和底肥两因素完全随机设计，生物炭量：0、1%和2%（生物炭/土干重），以改良Hoagland和Arnon配方为底肥（表1、表2）。设对照（CK）、1%生物炭（1%C）、2%生物炭（2%C）、底肥（F）、底肥+1%生物炭（F+1%C）和底肥+2%生物炭（F+2%C）共6个处理，3次重复。取7kg过2mm筛风干土与生物炭混匀后置于8L塑料桶中。选择长势相似、经过1/4浓度营养液7天预培养后的枳砧纽荷尔脐橙幼苗种植于桶中，每桶定植1株，做好日常管理。1.3样品采集、处理与测定2012年3月生物炭与红壤混匀后原始取样，9个月后（2012年12月）选取各处理离植株主干茎部等距的表层土（0-20cm）取样。土样风干后过20目和100目筛，测定各项指标。重铬酸钾容量法测有机质；pH计测pH值；碱解扩散法测碱解氮；钼锑抗比色法测磷；火焰光度法钾。定期考察枳砧纽荷尔脐橙幼苗生长状况农艺性状，包括砧木茎粗、抽梢数、叶片数等。老叶和新叶指移栽前植株的叶片和移栽后新长出的叶片。植物样品用H2SO4-H2O2消煮，用凯氏定氮法测植株氮；钼锑抗比色法测植株磷；火焰光度法测植株钾。1.4数据统计分析Excel处理数据并用单因素方差分析（OneWayANOVA）和多重比较-LSD法对不同生物炭处理进行显著性分析，所有的统计分析选择显著性水平P=0.05。2结果与分析2.1生物炭对土壤理化性质的影响2.1.1生物炭对酸性红壤pH值的影响图1不同的生物炭施用量对酸性红壤pH值的影响Fig.1EffectsofdifferentbiocharapplicationratesonthevalueofpHintheacidicredsoil图1显示，红壤pH值随生物炭量的增加而显著提高，施加底肥与未施加底肥之间存在差异，。且9个月后土壤pH值比混匀原始取样整体上偏高，但均未达显著差异。与CK比较，施加底肥处理F后比对照CK处理原始取样红壤pH值降低了0.71个单位，9个月后取样施加底肥处理F比对照CK处理与对照（？）pH值降低了0.87个单位，而生物炭与底肥配施，由施加底肥引起的酸化效应得到缓解，pH值甚至有了提高，如原始取样和9个月后取样F+1%C处理分别比同时期取样的对照CK处理pH值只分别只降低了0.02和0.21个单位，而F+2%C处理pH值相对应的分别提高了0.38和0.65个单位（与谁相比呢？表述不清，从图上看，不是这样的情况，请核对）。当未施底肥时，生物炭对红壤pH值提升更显著。与CK相比，原始土样加1%C和2%C生物炭后pH值分别提高0.45和0.96个单位；9个月后1%C和2%C红壤pH值分别提高0.10和0.41个单位。（9个月后对照土壤的pH值也升高了，如何解释呢？）2.1.2生物炭对酸性红壤有机碳含量的影响图2不同的生物炭施用量对酸性红壤有机碳含量的影响Fig.2Effectsofdifferentbiocharapplicationratesontheorganiccarboncontent施用生物炭后，红壤中有机碳含量随生物炭量增大而提高（图2）。与CK比较，当未施加底肥时，原始取样中1%C和2%C有机碳含量分别提高117.1%和305.8%，当施加底肥时，F+1%C和F+2%C有机碳含量分别提高150%和311.0%。9个月后未施加底肥1%C和2%C有机碳分别提高127.6%和239.6%；生物炭与底肥配施后，即F+1%C和F+2%C有机碳处理含量分别提高119.1%和294.5%。此外，与CK比较，原始取样和9个月后取样F各对应处理有机碳分别降低8.0%和2.7%，之间无明显变化，这可能说明生物炭在土壤中比较稳定。2.1.3生物炭对土壤矿质元素含量的影响图3不同的生物炭施用量对红壤中营养元素（I碱解氮、II速效磷及III速效钾）的影响Fig.3Theeffectsofdifferentbiocharapplicationratesonthemineralelementscontentofthesoil生物炭提高了红壤中碱解氮含量，且碱解氮含量随生物炭的施用量增加而提高（图3-I）。与CK比较，加底肥处理（F）在原始取样与9个月后取样中碱解氮分别降低14.3%和6.7%；而生物炭与底肥配施（F+C）在原始取样和9个月后取样中平均分别提高2.8%和8%。未施底肥时，与CK相比，原始取样和9个月后取样生物炭处理碱解氮含量平均分别提高8.5%和23.3%。图3-II表明，施加生物炭也提高了红壤速效磷含量，且生物炭与底肥配施效果更最为显著。除F+1%C外，其它处理土样速效磷含量均随生物炭量的增大增加而提高。其中，原始取样1%C，2%C，F，F+1%C和F+2%C土壤速效磷含量比CK分别提高了7.2%，148.6%，732.0%，690.6%和1582.9%。而与CK比较，当未施加底肥时，原始取样中1%C，2%C速效磷含量分别提高了7.2%和148.6%；单施底肥速效磷含量提高732.0%，生物炭与底肥配施，即F+1%C和F+2%C分别提高690.6%和1582.9%。9个月后1%C，2%C，F，F+1%C和F+2%C比CK分别提高45.6%，195.6%，436.8%，345.6%和505.9%。图3-III显示，施加生物炭提高了红壤速效钾含量，其且与底肥配施效果最更为明显。除F+1%C外，其它处理土样速效钾含量均随生物炭量增大的增加而提高。原始取样1%C，2%C，F，F+1%C和F+2%C土壤速效钾含量比CK分别提高了200.8%，455.3%，889.4%，858.5%和1180.5%。与CK比较，未加底肥时，原始取样中1%C和2%C速效钾含量分别提高200.8%和455.3%；单施底肥（F）速效钾含量提高了889.4%，生物炭与底肥配施，即F+1%C和F+2%C分别提高858.5%和1180.5%。9个月后1%C，2%C，F，F+1%C和F+2%C分别提高194.3%，400.0%，883.0%，777.3%和943.0%。（本段文字陈述过于啰嗦，图3改为表格形式表示，数据和差异显著性一目了然，文字叙述就可简洁多了）2.2生物炭对脐橙苗期的影响2.2.1生物炭对脐橙幼苗期生长农艺性状的影响图4不同的生物炭施用量对脐橙苗期农艺性状(I砧木茎粗、II抽梢数及III叶片数)的影响Fig.4EffectsofdifferentbiocharapplicationratesonthegrowthofnavelOrange图4-I表明，与CK比较，生物炭和底肥两者任意一种都明显提高了脐橙苗期茎粗，而生物炭与底肥配施（F+C）的效果更加显著。在移栽培养后36天到84天所有处理的曲线基本保持平行；随着时间的推移，84天以后生物炭与底肥配施（F+C）茎粗快速增粗，在176天后比单独施加生物炭（C）都更为粗壮。在196天时1%C，2%C，F，F+1%C和F+2%C处理砧木茎粗分别比CK处理未施加底肥处理，在196天时1%C和2%C茎的增粗量比CK分别大0.24，和0.23，cm；施加底肥处理，即F、F+1%C和F+2%处理的增粗值比CK分别大0.15，0.25和0.39cm，其中F+2%C效果最显著。图4-II和图4-III显示，生物炭对脐橙苗期各个时期抽梢数和叶片数的影响各不同（第一、二梢是植株移栽前自带梢）。单独施加生物炭处理对脐橙抽梢数和叶片总量有提高，但不显著；生物炭与底肥配施（F+C）有利于促进脐橙苗期抽梢和新叶产生。与CK比较，F+1%C和F+2%C的抽梢数分别提高25.2%和16.8%；叶片数则分别提高64.7%和75.2%。由图4-II和III可知，CK初期抽梢数量和叶片数量较多，但后期生长量变少。单独施加底肥（F）的脐橙抽梢和叶片数目反而减少，在与生物炭配施后得到改善。（图4的II和III改为表格形式表示，简化本段文字陈述）2.2.2生物炭对脐橙幼苗叶片营养元素含量的影响图5不同生物炭用量对脐橙叶片营养元素含量（I全氮、II全磷及III全钾）的影响Fig.5Effectsofdifferentbiocharapplicationratesonnutrientelementscontentofleaf如图5-I，生物炭与底肥配施提高了叶片中氮含量。与CK相比，施加生物炭后，老叶中氮含量降低，在生物炭施用量增加后有所提高（仍低于CK）。新叶中氮含量随炭用量增大而减少，均与是否施加底肥无关。生物炭与底肥配施老叶和新叶中氮含量分别提高17.3%和52.4%。图5-II所示，除CK老叶外，新叶和老叶中磷含量都随生物炭施加量的增加而提高。与CK比较，施加底肥会使老叶磷含量降低，与生物炭配施可以缓解这一影响，施加生物炭越多与CK的差异越小。施加底肥也会使新叶中磷含量降低，生物炭与底肥配施后新叶中磷含量显著高于CK。如图5-III所示，只生物炭与底肥配施新叶中磷含量比CK提高53.0%。未加底肥时，与CK新叶相比，2%C新叶中磷含量提高了46.1%。施加生物炭后新叶和老叶中钾含量均有提高（图5-III）。与CK比较，未施加底肥时，生物炭处理老叶和新叶钾分别提高6.6%和48.0%。而生物炭与底肥配施老叶和新叶钾含量均降低，这可能是脐橙生物量增大产生稀释效应所引起。3讨论3.1生物炭对土壤的改良效应单施生物炭后，红壤pH值提高了0.45-0.96个单位，且由施化肥可能引起的土壤酸化，在配施生物炭后得到缓解。Yuan,J.H等[12]对不同原料制备的生物炭研究时发现所有的生物炭都能提高土壤pH值，而对其机理仍有争论。XuRK等[13]认为是由于生物炭含有多种官能团吸附土壤中的H+，从而呈碱性；而LehmannJ等[4]则认为是生物炭中含有一定量的矿质元素如K、Ca、Na、Mg等的氧化物或碳酸盐呈碱性，而提高土壤pH值。施生物炭提高了红壤中有机碳含量，且随生物炭量的增加而提高，施加生物炭后红壤中有机碳含量提高了1-3.15倍。黄超等[14]对两种不同土壤、不同生物炭施加量的研究也表明，随着生物炭量增加土壤有机碳也随之增加。两次取样土壤有机碳含量比较发现其变化不大，说明生物炭在土壤中性质稳定，。Bruun等[15]利用两种不同类型生物炭研究也发现，经过两年时间后土壤生物炭分别只降低了3.1%和9.3%。施用生物炭后红壤中碱解氮、速效磷、速效钾等含量都有不同程度的提高，而以速效钾增加最明显，这与生物炭中含有丰富的钾有关。红壤中碱解氮随生物炭量的增加而提高，但差异不显著。研究表明是由于生物炭较强的吸附性，能够减少N元素的淋失[10]。也有人认为是生物炭能够增加土壤通气性，抑制了土壤中N元素的反硝化，减少了N2O排放[7]。因此，生物炭提高了土壤的肥力[16,17]。3.2生物炭对植株生长及矿质养分的影响施生物炭后脐橙砧木茎变粗，显著高于对照，且生物炭与底肥配施效果最好。李志刚等[18]研究也发现，生物炭对番茄幼苗茎粗的促进效果比照更为显著。研究发现，生物炭与底肥配施后脐橙抽梢和叶片数显著增加，还能够显著提高抽梢批次。有学者认为，这是由于生物炭可以延长底肥养分的释放期，而底肥消除了生物炭养分不足的缺陷[19,20]。施加生物炭后脐橙叶中氮、磷和钾含量等反应各不相同，各个指标在新叶老叶中的表现也不一样。氮含量随不同生物炭用量在新叶和老叶中有所差别，但都在施加生物炭后，叶中氮含量降低。在新叶与老叶中（除CK老叶）磷含量均随生物炭施加量而提高。生物炭也提高了叶中钾含量，施底肥后钾含量却降低，是由于植株生物量增大引起的稀释效应。4结论生物炭对酸性红壤有明显的改良效应，提高了红壤的pH值，生物炭与底肥配施缓解或消除了单施化肥对红壤的酸化效应；施用生物炭使红壤中有机碳显著提高，并对红壤中矿质营养元素含量也有提升作用，其中速效钾是增加最明显。生物炭促进了植株生长，脐橙茎变粗，抽梢和叶片总量增多，且对脐橙叶片中氮、磷和钾等矿质元素含量有较大的影响。参考文献[1]姚贤良,于德芬.红壤的物理性质及其生产意义,土壤学报,1952,19:224-236.[2]钟继洪，郭庆荣，骆伯胜等。坡地赤红壤物理退化及其机理研究—Ⅲ.土壤物理退化机理分析[J].热带亚热带土壤科学，1998，7(2):166-171[3]梁梅青，薛珺，范玉兰等.赣南脐橙园土壤酸化特征研究，中国南方果树,2010,39(4):6-8.[4]LehmannJ,JosephS.Biocharforenvironmentalmanagement:scienceandtechnology[M].London:Earthscan,2009:1-29,107-157.[5]DineshM,CharlesU,PittmanJ,etal.PyrolysisofWood/BiomassforBio-oil:ACriticalReview[J].EnergyandFuels,2006,20(3):848-889.[6]ChunYuan,ShengGuangyao,ChouCT,etal.Compositionsandsorptivepropertiesofcropresidue-derivedchars[J].EnvironmentalScienceandTechno1ogy,2004,38(17):4649-4655.[7]JinyangWang,XiaojianPan,YinglieLiu,etal.Effectsofbiocharamendmentintwosoilsongreenhousegasemissionsandcropproduction[J].PlantSoil,2012,360:287-298[8]袁金华，徐仁扣.生物质炭对酸性土壤改良作用的研究进展[J].土壤,2012,44(4):541-547.[9]马莉，吕宁，冶军等.生物碳对灰漠土有机碳及其组分的影响[J].中国农业生态报，2012，20(8)：976-981.[10]周志红,李心清,邢英等.生物炭对土壤氮素淋失的抑制作用[J].地球与环境,2011,39(2):278-284[11]GlaserB,LehmannJ,ZechW.Amelioratingphysicalandchemicalpropertiesofhighlyweatheredsoilsinthetropicswithcharcoal-Areview.BiologyandFertilityofSoils,2002,35:219－230.[12]YuanJH,XuRK.Progressoftheresearchonthepropertiesofbiocharsandtheirinfluenceon