不同种类生物炭对元宝枫育苗基质养分及酶活性的影响.pdf

/不同种类生物炭对元宝枫育苗基质养分及酶活性的影响陈梦婕 李小英 苏小娟 陈晓琴 吴思政 王毅雯(西南林业大学 生态与环境学院 云南 昆明 云南省高校土壤侵蚀与控制重点实验室 云南 昆明)摘要:为探究添加不同种类、不同用量生物炭对元宝枫育苗基质养分及酶活性的影响 筛选出其育苗基质最优施炭量 为元宝枫育苗基质科学施用生物炭提供理论参考 以元宝枫幼苗为试验对象 采用盆栽法并设置不同生物炭种类(竹炭、橡胶木炭、稻壳炭)与不同施用量(、)的基质施炭试验 年后测定基质养分及酶活性 采用相关性分析与通径分析探讨基质养分与酶活性之间的关系、聚类分析探讨最优施炭量 结果显示:()添加生物炭能在一定程度上提升基质的养分含量及酶活性 值范围为 全氮、全磷、全钾含量分别提高了 、水解性氮、有效磷、速效钾含量分别提高了 、且基质养分及酶活性之间存在显著相关关系()施用稻壳炭对基质的、有机碳、全氮、水解性氮和脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性提升效果优于竹炭和橡胶木炭()水解性氮和 为酶活性影响较大的养分因子 速效钾和全氮是对脲酶影响较大的养分因子 全氮和 是对过氧化氢酶影响较大的养分因子 全钾和水解性氮是对蔗糖酶影响较大的养分因子()处理(添加 稻壳炭)对基质养分含量和酶活性的提升效果显著 属于高等肥力水平 总体来看 添加生物炭短期内对元宝枫育苗基质养分及酶活性具有促进效果 建议在元宝枫育苗基质添加生物炭时优先选择 稻壳炭关键词:生物炭 基质养分 酶活性 元宝枫 通径分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()():()第 卷 期 年 月 西 部 林 业 科 学 收稿日期:基金项目:云南省农业联合面上项目()云南省基础研究项目()西南山地元宝枫资源开发利用()第一作者简介:陈梦婕()女 硕士研究生 主要从事环境生态与水土保持研究:通信作者简介:李小英()女 博士 教授 主要从事环境生态与水土保持研究:生物炭是在高温缺氧条件下对生物质材料热解得到的富碳物质 一般含碳量超过 除富含大量碳化组分外 还富含大量、等非碳化组分 生物炭具有 和碳含量较高、结构疏松多孔、官能团丰富和吸附能力较强等特点 育苗基质是植物育苗的重要物质基础和关键因素 尤其针对工厂化育苗而言 优质的育苗基质尤为重要 良好的育苗基质能为植物提供丰富的养分和相对稳定的生长环境 基质理化性质能直接影响植物的生长状况 添加生物炭后会提高育苗基质的 增加阳离子交换能力和营养元素含量 如邹春娇等研究表明添加 和 的生物炭能显著提高基质酶活性 在传统的苗木生产中 常以土壤和泥炭作为育苗基质 使用时间过长会造成土壤板结 且大量开发天然泥炭资源会破坏环境 此外 传统育苗基质透气性、保水性和养分含量都较低 难以满足植株的生长需求 生物炭质量轻 作为育苗基质中便于运输并能有效降低运输成本 生物炭制备原料主要是利用农林废弃物如果园修剪的枝条、秸秆稻壳、畜禽粪便等且无二次污染 既经济又环保 目前 生物炭的应用研究主要集中于农业领域 用于改善农田土壤理化性质 从而增加土壤的固碳能力 进而提高土壤肥力 研究发现 生物炭的施用会导致地上生产力和作物产量提高 改良酸性土壤 提高土壤中磷、钾、总氮、总碳和有机质含量 也会提高土壤微生物量和酶活性 鉴于生物炭所具有的优良特性 其在苗木培育中将得到日益广泛的应用元宝枫()是无患子科()槭树属()落叶乔木树种 天然分布于我国西北以及内蒙古、山东、江苏北部等地区 近年来四川、甘肃、云南、贵州等地区在荒山造林和退耕还林中大量种植元宝枫 元宝枫种仁含油量为(以上为不饱和脂肪酸且其中含 的功能性脂肪酸 神经酸)具有促进机体发育、调节脂类代谢、消炎抗氧化、减少心血管疾病等生理作用 所含神经酸是组成大脑神经细胞膜的重要成分 对于维持大脑神经系统的正常活动、促进神经细胞的生长发育及预防神经退行性疾病有重要作用 元宝枫叶片中黄酮类化合物、绿原酸等物质含量较高 具有一定的抗氧化和保健功能 有望成为国家新资源食品 元宝枫作为“食药两用”树种 已成为开发系列保健品和药品的重要原料 同时 元宝枫侧根发达 具有较强的耐旱、抗寒、抗风害能力 是绿化、景观和水土保持的理想树种 元宝枫已于 年被国家林业和草原局列为全国重点发展的木本油料树种 年列入国家储备林建设树种目录 现阶段关于元宝枫开发利用(涉及油料、栲胶、蛋白质资源、医药保健、化工原料等行业)、资源培育的相关研究较多 也有部分研究涉及施用化肥、干旱胁迫、重金属胁迫条件下元宝枫幼苗的生长及生西 部 林 业 科 学 年理响应 本研究组前期研究发现 添加椰壳生物炭后显著提高了元宝枫育苗基质有机质、速效钾含量和蔗糖酶、过氧化氢酶活性 显著降低了基质酸性 然而 不同制备材料的生物炭其比表面积、粒径大小和理化性质不同 生物炭对育苗基质养分和幼苗生长的影响因生物炭种类、添加量和作物种类不同而有所差异 因此 在大范围推广生物炭育苗基质之前 需根据生物炭种类、针对不同作物进行深入研究 以筛选出最佳添加量 基于此 本研究以元宝枫为研究对象 通过育苗盆栽试验 测定不同种类和施用量的生物炭对元宝枫育苗基质养分及酶活性的影响 以期筛选出最优的生物炭种类及其施用量 为元宝枫育苗基质改良及优质苗木培育提供参考 材料与方法 试验材料育苗试验所用的元宝枫种子采自昆明市石林大道上发育健壮、树形丰满、生长良好和无病虫害的元宝枫母树调配育苗基质时所用红土采自昆明市呼马山其 、有机碳含量 /、全氮 /、全磷 /、全钾 /、水解性氮 /、有 效 磷 /、速 效 钾 /竹炭、橡胶木炭、稻壳炭购买于福建优选炭业有限责任公司 种生物炭基本特性见表 表 参试生物炭基本特性.生物炭种类比表面积/平均孔径/总孔容积/竹炭 橡胶木炭 稻壳炭 试验设计试验地位于云南省昆明市西南林业大学树木园实验基地 试验用花盆直径为 高 共设置 个处理 对照组 仅有红土 不加椰糠、不加生物炭 为常规轻基质(椰糠红壤 )不加生物炭 其余处理均为常规轻基质(椰糠 红壤 )并分别添加 个不同比例施用量(、)的竹炭、橡胶木炭、稻壳炭 各处理试验设计如表 所示 每个处理设置 个重复 播种前按照试验设计把足量生物炭与育苗基质()拌匀待用元宝枫种子于 年 月 日播种 播深 播后定期浇水和除草 分别于 月底和 月底追施氮磷钾复合肥()每盆施肥 年后进行生长调查表 不同处理生物炭种类及其用量.编号处理标记生物炭生物炭施用量/基质 (红壤)(椰糠 红壤 )竹炭 (椰糠 红壤 )竹炭 (椰糠 红壤 )竹炭 (椰糠 红壤 )橡胶木炭 (椰糠 红壤 )橡胶木炭 (椰糠 红壤 )橡胶木炭 (椰糠 红壤 )稻壳炭 (椰糠 红壤 )稻壳炭 (椰糠 红壤 )稻壳炭 (椰糠 红壤 )注:表示无此项 第 期陈梦婕等:不同种类生物炭对元宝枫育苗基质养分及酶活性的影响 样品采集与测定方法元宝枫生长初期为 月、生长后期为 月 因此分别于 年 月 日和 年 月 日取基质样品 带回实验室经自然风干、磨细、过筛后进行基质养分和酶活性测定 采用 计测定 基质养分含量参考鲍士旦的方法测定 其中有机碳采用油浴加热重铬酸钾氧化容量法、全氮采用凯氏定氮法、全磷采用高氯酸消解钼锑抗比色法、全钾采用氢氧化钠熔融火焰光度计法、水解性氮采用碱解扩散法、有效磷采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法、速效钾采用醋酸铵火焰光度计法 基质酶活性参考关松荫的方法测定 其中脲酶活性采用靛酚比色法、过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法、蔗糖酶活性采用 二硝基水杨酸法 数据处理与分析采用 进行数据处理和图表绘制 运用 软件进行单因素方差分析和通径分析 运用 软件进行相关性分析和聚类分析 运用 软件进行冗余分析()结果与分析 不同种类生物炭对基质 及养分含量的影响 基质 和有机碳图 显示 和 处理基质呈弱酸性 施用生物炭明显增加了不同时期基质的 添加生物炭后生长初期基质 变化范围为 生长后期基质 变化范围为 不同时期竹炭处理基质的 随施炭量的增加而增加不同处理对基质有机碳含量存在显著差异()与不加生物炭处理相比 处理显著增加了生长初期和生长后期基质有机碳含量 比 分别提高了 、比 分别提高了、其余处理基质有机碳含量均较不加生物炭处理有不同程度增加图 不同处理不同时期基质 和有机碳含量注:图中不同小写字母表示不同处理间差异显著()下同 基质全量养分图 显示 施用生物炭能有效提升基质中全氮、全磷、全钾的含量 各处理均高于不加生物炭处理 各处理间全氮含量差异性显著()稻壳炭处理对基质全氮含量提升效果最为显著含量最高 不同时期分别提高了 、生长初期 竹炭处理对基质全磷和全钾含量提升效果最为突出 且随施炭量增加呈先增加后减少的趋势 以 处理最高 全磷和全钾分别提高了 、生长后期橡胶木炭处理对基质全磷和全钾含量提升效果最好 全磷以处理最高 提高了 全钾以 处理最高 提高了 基质速效养分由图 可知 不同处理下不同时期基质水解性氮、有效磷、速效钾养分含量存在显著差异()从整体看水解性氮含量生长后期高于生长初期 有效磷含量生长后期低于生长初期 速效钾西 部 林 业 科 学 年含量两个时期浮动不大 生长初期稻壳炭处理对基质水解性氮、有效磷、速效钾含量提升效果最好且最优处理都为 分别提高了 、生长后期水解性氮以 处理最高 提高了 有效磷和速效钾均以处理最高 分别提高了 和 图 不同处理不同时期基质全量养分含量 图 不同处理不同时期基质速效养分含量 不同种类生物炭对基质酶活性的影响表 显示 不同种类生物炭不同施用量对基质三种酶(脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶)活性均表现为促进作用 各处理对 种酶均有显著影响()从整体看 添加生物炭后生长后期基质酶活性均高于生长初期 施用稻壳炭的处理基质脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶的活性均明显高于竹炭和橡胶木炭处理 不同时期 基质脲酶活性随稻壳炭施炭量的增加而增加 提升效果最好的处理均为 在整个生长期 施加生物炭后的各处理其基质过氧化氢酶活性一直持续在较高水平且十分稳定 基质过氧化氢酶活性均是 提升效果最 第 期陈梦婕等:不同种类生物炭对元宝枫育苗基质养分及酶活性的影响好 从生长初期到生长后期各处理的蔗糖酶活性都显著提高了 在不同生长时期对基质蔗糖酶活性的提升效果均最好 分别提高了 和 表 不同处理不同时期基质酶活性.处理脲酶/过氧化氢酶/蔗糖酶/生长初期生长后期生长初期生长后期生长初期生长后期 基质、养分含量与酶活性的相关性分析和冗余分析 图 显示 基质、养分含量与酶活性之间有一定相关性 基质 与过氧化氢酶、全氮与脲酶、水解性氮与蔗糖酶、脲酶与过氧化氢酶呈极显著正相关()基质 与速效钾、有机碳与全氮、有机碳与脲酶、全氮与全钾、全钾与速效钾、水解性氮与速效钾、水解性氮与脲酶、速效钾与过氧化氢酶、脲酶与蔗糖酶呈显著正相关(全氮()全钾()有机碳()各因素通过速效钾和全氮对脲酶的间接通径系数较大 分别为 和 表明速效西 部 林 业 科 学 年钾和全氮是对脲酶影响较大的养分因子 对过氧化氢酶影响较大的前 个因素为全氮、全钾和速效钾 其直接通径系数分别为 、各因素通过全氮和 对过氧化氢酶 的 间 接 通 径 系 数 较 大 分 别 为 和 表明过氧化氢酶的直接影响因素是全氮和 对蔗糖酶影响较大的前 个因素依次为:水解性氮()全钾()全磷()全氮()各因素通过全钾和水解性氮对蔗糖酶的间接通径系数较大 分别为 和 表明蔗糖酶的直接影响因素是全钾和水解性氮表 基质养分与酶活性的通径系数.因变量自变量 脲酶 过氧化氢酶 蔗糖酶 注:划横线的数据为直接通径系数 其他为间接通径系数 分别代表、有机碳、全氮、全磷、全钾、水解性氮、有效磷和速效钾 不同处理与基质养分含量酶活性的聚类分析如图 所示 处理对全磷含量表达量较高 处理对有效磷含量表达量较高 处理对全氮和脲酶含量表达量较高 处理对各指标含量表达量都较低 对各处理进行聚类分析按相似亲疏程度将其划分为 个类群:第一类是 和 处理 这一类的基质养分含量水平较低 属于低等肥力水平 第二类是、和 处理 这类处理对基质养分含量和酶活性的提升效果一般 属于一般肥力水平 第三类是 处理 这类处理对基质养分含量和酶活性的提升效果中等 属于中等肥力水平 第四类是 处理 这类处理对基质养分含量和酶活性的提升效果显著 属于高等肥力水平图 元宝枫不同处理与基质养分含量酶活性的聚类分析热图 第 期陈梦婕等:不同种类生物炭对元宝枫育苗基质养分及酶活性的影响 讨论与结论 讨论本研究表明 不同种类、不同施用量的生物炭添加均不同程度提高了基质 值和养分含量 添加生物炭处理的基质 值范围为 更适宜元宝枫生长 改善了元宝枫幼苗生长环境 这与刘新等研究结果基本一致 本研究中施入生物炭显著提高了基质有机碳含量 这与刘凯传的研究结果一致 可能是因为生物炭中含有大量的有机碳 短时间内能迅速提高基质有机碳含量从整体来看 基质有机碳含量在生长初期高于生长后期 可能是由于生长过程中有机碳被植物所吸收 但其具体机理还待进一步研究本研究中施入不同种类、不同施用量的生物炭均一定程度提高了基质氮磷钾养分含量 不同时期各处理间基质全氮含量无显著差异 但生物炭对基质氮素提高效果显著 较不加生物炭对比全氮含量提高了 水解性氮含量提高了 这与刘遵奇等研究结果一致一方面可能是因为生物炭表面含有负电荷可以作为吸附剂减少氮浸出 增强了 吸附减少氮的挥发 另一方面可能是因为生物炭施加可以增强基质微生物活性 加快微生物固氮速度 增加了基质内氮素的含量 施用稻壳炭处理基质全氮和水解性氮含量优于竹炭和橡胶木炭处理 这可能与这 种炭的平均孔径大小有关 因为生物炭的平均孔径越大对基质中氮含量吸附能力越强磷是植物生长所需的重要养分之一 施加生物炭可以通过吸附土壤中的磷 增加土壤有效磷含量 从而提高植物对磷的吸收 生物炭能长效缓释出磷 也可减少土壤对磷吸附固定 从而降低土壤中磷淋溶 提高土壤磷素含量和可利用性本研究中添加不同种类、不同施用量生物炭均提高了基质全磷和有效磷含量 比表面积越大 对磷的吸附能力越强 同时磷淋失量越少 磷含量就会相对较高 生长后期施用橡胶木炭的处理其基质全磷含量优于竹炭和稻壳炭处理 这可能受 种炭比表面积大小影响 从而基质全磷含量也以比表面积最大的橡胶木炭最高 施入生物炭后显著提高了基质速效钾含量 且整个生长期都呈现较高的趋势 这与修立群的研究结果一致 但与张红雪等研究结果不一致 可能是由于在两个研究中生物炭和植物种类的不同所致 或是因为其参试植物的生长时间短于本研究从而未得出生物炭对全钾长期作用的效果土壤酶活性是影响新陈代谢的重要因素 也是判断土壤活跃程度、养分循环状况和微生物活性的重要指标 本研究发现 施用不同种类的生物炭均可显著提高基质酶活性 这与吴强建等研究结果一致 可能是生物炭吸附基质中的反应底物 加强了酶促反应 进而提高了基质酶活性土壤酶活性与养分含量之间存在显著或极显著相关性 本研究结果与此相同 运用通径分析可计算出直接和间接通径系数 通过系数绝对值大小可分析各环境因子对酶活性的直接和间接影响大小能更加准确地说明各环境因子与酶活性之间的关系 本研究中通径分析结果表明 基质养分与酶活性之间存在直接或间接作用 这与前人研究结果一致 各养分指标对 种酶活性的直接影响均大于各自的间接影响 说明这些养分指标主要通过直接作用影响酶活性 这与张雅茜等的研究结果不一致 可能是因为本研究中育苗基质添加了生物炭 基质水热条件较好 使得基质养分积累较多且快速转化 直接影响了基质微生物活性 导致基质养分与酶活性与之间的相关性显著 结论育苗基质中添加生物炭能提高基质养分及酶活性 施用稻壳炭处理其基质酶活性、有机碳、全氮、水解性氮含量提高效果优于竹炭和橡胶木炭处理 对基质酶活性提升效果最好 基质养分与酶活性之间存在显著或极显著相关关系 对酶活性影响较大的养分因子为水解性氮和 聚类分析结果显示 处理对基质养分含量和酶活性的提升效果显著 综合来看 添加不同种类生物炭对元宝枫育苗基质、养分含量及酶活性均有影响 稻壳炭为最佳施炭量 研究结果可为元宝枫生物炭基质优良苗木培育提供参考参考文献:.():.:.():.:西 部 林 业 科 学 年 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