生物质炭对长柄扁桃幼苗生长及蒸散耗水的影响_朱超.pdf

节水灌溉Water Saving Irrigation生物质炭对长柄扁桃幼苗生长及蒸散耗水的影响朱超1，张瑜2，孙树臣2（1.聊城大学人力资源处，山东 聊城 252059；2.聊城大学地理与环境学院，山东 聊城 252059）摘 要：生物质炭在改善土壤环境、促进土壤肥力提升、植物生长及保水抑蒸等方面发挥了重要作用。为探明生物质炭对长柄扁桃幼苗生长发育及蒸散耗水规律的影响。通过盆栽试验，研究2%（B2）、4%（B4）和6%（B6）3种玉米秸秆生物质炭添加量对长柄扁桃生长及蒸散耗水的影响，以不添加生物质炭作为对照（CK）。结果表明：生物质炭对长柄扁桃幼苗生长、土壤水分及蒸散耗水具有明显影响。与对照相比，2%添加量下更有利于长柄扁桃株高、基径及叶面积的生长，分别比对照增加9.90%、9.22%和6.97%；4%和6%两种添加量均不同程度的抑制了长柄扁桃的生长，4%抑制效果最明显。土壤含水量随生物质炭添加量的增加而增加，增幅为2.89%59.98%。生物质炭施用在显著提升土壤保水能力的同时也显著增加了长柄扁桃的蒸散耗水量，4%添加量下显著增加11.40%。适量的生物质炭添加在提升土壤保水能力的同时可有效促进长柄扁桃幼苗生长，在较高肥力土壤中引种栽植长柄扁桃建议添加2%以下的低量生物质炭。关键词：生物质炭；长柄扁桃；幼苗生长；土壤水分；蒸散耗水中图分类号：S152.7；S278 文献标识码：A DOI：10.12396/jsgg.2022242朱 超，张 瑜，孙树臣.生物质炭对长柄扁桃幼苗生长及蒸散耗水的影响 J.节水灌溉，2023（3）：61-66，74.DOI：10.12396/jsgg.2022242.ZHU C，ZHANG Y，SUN S C.Effects of biochar on the growth and evapotranspiration water consumption of Amygdalus pedunculata pallJ.Water Saving Irrigation，2023（3）：61-66，74.DOI：10.12396/jsgg.2022242.Effects of Biochar on the Growth and Evapotranspiration Water Consumption of Amygdalus pedunculata PallZHU Chao1，ZHANG Yu2，SUN Shu-chen2（1.Human Resource Dempartent，Liaocheng University，Liaocheng 252059，Shandong Prvonice，China；2.School of Geography and Environment，Liaocheng University，Liaocheng 252059，Shandong Prvonice，China）Abstract：Biochar plays an important role in improving soil environment,promoting soil fertility,plant growth,water retention and evaporation inhibition.In order to explore the effects of biochar on the growth and development,and evapotranspiration water consumption of Amygdalus pedunculata Pall,a pot experiment was conducted to study the effects of corn stove biochar on the growth and evapotranspiration water consumption of Amygdalus pedunculata Pall with four treatments,including CK(no biochar addition),2%,4%and 6%of biochar supplementation.The results showed that biochar had significant effects on seedling growth,soil moisture and evapotranspiration.Compared with CK,2%treatment was more conducive to the growth rate of plant height,basal diameter and leaf area of Amygdalus pedunculata Pall with the increase of 9.90%,9.22%and 6.97%,respectively.The growth of Amygdalus pedunculata Pall was inhibited by 4%treatment and 6%treatment,with the most obvious inhibition effect was 4%treatment.Soil water content increased with the increase of biochar,with an 文章编号：1007-4929（2023）03-0061-06收稿日期：2022-09-14基金项目：国家自然科学基金项目（41701243）；聊城大学科研基金项目（318012114）；聊城大学博士基金项目（318051748）；聊城大学畜牧学学科开放课题（319312101-18）。作者简介：朱超（1984-），女，硕士，助教，研究方向为恢复生态学。E-mail：。通讯作者：孙树臣（1984-），男，副教授，博士，研究方向为土壤物理与生态水文。E-mail：shuchenS。61生物质炭对长柄扁桃幼苗生长及蒸散耗水的影响 朱超 张瑜 孙树臣 increase of 2.89%59.98%.Biochar significantly improved soil water retention capacity and evapotranspiration water consumption of Amygdalus pedunculata Pall,which was significantly increased by 11.40%at 4%treatment.Therefore,appropriate amount of biochar can effectively improve soil water retention capacity and promote the seedling growth of Amygdalus pedunculata Pall.In higher fertility soil,it is recommended to add a low amount of biochar below 2%to introduce and plant Amygdalus pedunculata Pall.Key words：biochar；Amygdalus pedunculata Pall；seedling growth；soil water；evapotranspiration water consumption0引 言人工植被建设作为改善和保持生态环境最常见和有效的方法，对于区域环境改善和植被恢复具有重要作用1,2。然而，受水资源短缺及土壤肥力等的影响，人工植被栽植过程中常出现缓苗慢、生长发育受到抑制乃至死亡等不利影响。因此，研究合理的水肥管理措施以提高人工植被种苗快速定植和生长对于植被建设及生态环境改善具有重要意义。生物质炭是在限氧或绝氧条件下，将有机废弃物经高温裂解而成的稳定、多孔、富含养分及含氧官能团的固体富碳材料3-5，因其特殊的结构及养分特征等使其在土壤改良与修复、保水保肥、作物增产及抗病等方面发挥了良好的作用效果和应用潜力6-8，已成为当前农业、能源与环境、生态保护、固碳减排等众多领域研究的热点问题8-12。大量理论和实践研究证明，生物质炭可有效改善土壤理化性质、增强土壤保肥保水性、提高水肥利用效率，从而有利于促进作物生长发育及增产13-15。Biederman等16、Liu等17、Jeffery等18基于整合分析的方法研究全球范围内添加生物质炭可使作物增产8.4%15%；刘成等19的研究也指出，生物质炭添加可平均提高我国作物产量15.1%，但当炭化温度超过550 时，作物增产不显著。生物质炭对作物生长发育及产量的影响并不仅仅表现为正效应，而是随生物质炭添加量的增加，其增产效果减弱乃至表现为抑制20-22。生物质炭在较低肥力土壤中施用效果显著，而 在 高 肥 力 土 壤 中 作 用 效 果 不 显 著 甚 至 表 现 为抑制11,20,22,23。生物质炭还可有效提升土壤持水能力，增加土壤含水量、抑制蒸散发量13,14,24，且孔隙较大生物质炭对增加土壤含水量效果更为显著25。然而生物质炭的添加也会导致土壤孔隙度增加，土壤蒸发加强，从而导致土壤含水量降低26。因此，受原料、制备工艺及土壤类型等的影响，生物质炭添加后对土壤水分、植物生长发育及增产效果存在较大的差异，仍需要进一步深入研究。且当前研究大多基于生物质炭添加对小麦、玉米、水稻等大田作物的影响，而对于长柄扁桃等具有生态意义的人工灌木植被的生长发育及蒸散耗水的关注较少。长 柄 扁 桃（Amygdalus pedunculata Pall）属 蔷 薇 科（Rosaceae）扁桃属（Amygdalus）落叶灌木，因其良好的耐寒耐旱、耐贫瘠及抗病虫等优良特性，且具有巨大的生态、经济和药用价值27-29，被广泛应用于沙漠化治理及生态环境建设中，取得了良好的生态、经济和社会效益。当前关于长柄扁桃的研究多集中于栽培技术、抗逆性、生物和生理学特性、药用价值及经济效益等方面27-31。然而，生物质炭对长柄扁桃生长发育及蒸散耗水规律的影响尚不明确。基于此，本研究以毛乌素沙地乡土灌木长柄扁桃为研究对象，通过盆栽试验旨在探明不同生物质炭添加量对长柄扁桃幼苗生长发育及蒸散耗水规律的影响，以期为生物质炭在长柄扁桃栽植中的应用及长柄扁桃水肥管理提供理论依据。1材料与方法1.1试验材料供试土壤采自聊城大学土壤生态环境教学科研基地，土壤类型为石灰性潮土。土壤基本理化性质为：pH值8.59，有机质 9.22 g/kg，全氮 18.987 g/kg，速效磷 3.86 mg/kg，速效钾64.82 mg/kg，田间持水量26.79%。生物质炭购自南京智融联科技有限公司，为500 下玉米秸秆裂解而成，其基本理化性质为，pH 10.00，全碳 563.71 g/kg，全氮 17.51 g/kg，全钾40.63 g/kg，全磷 7.99 g/kg，速效钾 24 062.50 mg/kg，速效磷1 088.42 mg/kg，阳离子交换量45.05 cmol/kg。供试长柄扁桃为室内种子培育的1 a生幼苗，种子采自陕西省神木市生态协会毛乌素治沙造林基地。1.2试验设计2020 年 6-9 月在聊城大学土壤生态环境教学科研基地（3643N，11601E）遮雨棚内进行盆栽试验。盆栽桶由直径20 cm、高50 cm的PVC管制作而成，底部密封。试验以不添加生物质炭处理作为对照（CK），生物质炭添加量分别设置为2%（B2）、4%（B4）和6%（B6），共4个处理，每个处理重复4次。将盆栽土经风干后过5 mm筛，每个盆栽桶内装风干土11 kg。盆栽桶内土壤总高度为45 cm，先将风干土填装至25 cm处压实，然后将020 cm风干土与过2 mm筛的生物质炭充分混匀后填装至高度并压实。土柱填装完成后将长势相同或相近的 1 a生长柄扁桃幼苗移栽至土柱中央，移栽日期为2020年6月28日，移栽完成后加相同量的水（1 kg，土柱内土壤含水量约为田间持水量的80%）以保证长柄扁桃幼苗正常存活，长柄扁桃移栽完成后静置1周开始试验。试验过程中每个土柱分别在7月8日、7月20日、8月1日和9月2日补水1、1、3和1 kg，共补水4次，合计6 kg。1.3数据采集与处理长柄扁桃株高采用卷尺测量；基径采用游标卡尺测量，分别在4个方向上测量并计算平均值作为基径；株高和基径每周测定一次。叶面积采用长宽系数法31，试验开始时在每个盆栽桶内选取10个标准叶片进行标记，每2周测定一次选定叶片的长和宽并计算叶面积。盆栽土柱内的土壤平均质量含水量通过称重法计算获取，每隔3天称重一次；采用水量平衡法计算蒸散耗水量。利用 Excel 2019进行数据处理与分析，SPSS 25.0进行多因素（LSD）和单因素（ANOVA）方差分析比较处理间的差62生物质炭对长柄扁桃幼苗生长及蒸散耗水的影响 朱超 张瑜 孙树臣异显著性（=0.05），采用Origin 2022作图。2结果与分析2.1长柄扁桃幼苗生长动态2.1.1株高株高是反映植物生长状况最为重要的指标之一。图1为不同生物质炭添加量条件下长柄扁桃幼苗株高动态变化。不同生物质炭添加量条件下，长柄扁桃幼苗株高表现出相似的生长规律，但不同处理间存在较大差异。长柄扁桃株高增长大致可分为3个阶段，7月5日至7月20日的定苗缓慢生长阶段，7月20日至8月26日的快速生长阶段和8月26日至试验结束时的稳定生长阶段。B2处理长柄扁桃株高始终处于最高水平，与 CK 相比差异不显著；在试验前期与 B4、B6差异不显著；但在中后期则显著高于B4和B6，B4和B6显著低于CK。为进一步分析生物质炭添加对长柄扁桃幼苗株高生长的影响，对试验期内长柄扁桃株高长幅进行计算并作差异显著性分析，结果如表1所示。随生物质炭添加量的增加，株高长幅表现为先降低后有所升高的趋势。与CK相比，B2提高了9.90%的株高增长，但与CK相比差异并不显著；B4显著降低了 49.09%的株高生长；B6 处理降低了 25.02%的株高生长，但与CK、B2差异不显著。以上分析表明，适量的生物质炭添加有利于长柄扁桃幼苗株高的生长，而较高量的生物质炭添加则抑制株高生长。2.1.2基径4种处理条件下，长柄扁桃幼苗基径生长表现出与株高相似的变化规律，呈先缓慢生长后快速生长之后趋于稳定（图2），但不同处理对基径生长的影响与株高相比差异较大。不同生物质炭添加量条件下，长柄扁桃基径的生长亦可分为3个阶段，7月5日至7月13日的缓慢生长阶段，7月13日至9月2日的快速生长阶段，之后缓慢增长。此外，9月2日前，CK处理下长柄扁桃幼苗基径整体上表现为大于生物质炭处理，但之后低于B2处理。整个观测期内，CK与B2处理长柄扁桃基径均高于B4和B6。对比分析不同处理下长柄扁桃基径的生长量可知（表1），随生物质炭添加量的增加，长柄扁桃基径生长量表现为逐渐降低的变化趋势。B2处理下长柄扁桃基径生长量最大，高于对照9.22%，显著大于B4和B6处理，但与对照相比差异不显著。与CK相比，B6显著抑制了长柄扁桃基径的生长，抑制效果达到29.85%；B4亦表现为抑制（20.15%），但其抑制效果与CK相比差异不显著。2.1.3叶面积图3反映了观测期内不同生物质炭添加量条件下长柄扁桃叶面积的动态变化。由图3可知，不同生物质炭添加量条件下，长柄扁桃叶面积呈抛物线型的变化趋势，在观测后期（9月6日）叶面积达到最大值，最大值为5.57 cm2（B2）。与CK相比，B2处理下长柄扁桃叶面积始终处于最高水平，且在8月18日前B6处理下叶面积与B2表现出较为一致的变化趋势，亦高于CK，但之后B6处理下叶面积低于CK。整个观测期内B4处理下长柄扁桃叶面积均低于其余3种处理，研究期内长图3长柄扁桃叶面积动态变化Fig.3Dynamic changes of leaf area Amygdalus pedunculata Pall图2试验期内各处理长柄扁桃基径的动态变化Fig.2Dynamic changes of basal diameter of Amygdalus pedunculata Pall in different treatments图1试验期内各处理长柄扁桃株高的动态变化Fig.1Dynamic changes of plant height of Amygdalus pedunculata Pall in different treatments表1生物质炭对长柄扁桃株高、基径及平均叶面积的影响Tab.1Effects of biochar on plant height,basal diameter and average leaf area of Amygdalus pedunculata Pall处理CKB2B4B6株高生长量/cm30.299.92a33.2911.63a15.422.80b22.7110.78ab基径生长量/mm4.120.53ab4.500.64a3.290.71bc2.890.22c平均叶面积/cm24.020.16a4.300.28a3.340.34b4.120.25a注：同一列不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，下同。63生物质炭对长柄扁桃幼苗生长及蒸散耗水的影响 朱超 张瑜 孙树臣 柄扁桃平均叶面积大小依次为B2B6CKB4（表1）。长柄扁桃叶面积在达到最大值后，其衰老速度表现出与平均叶面积一致的变化规律，由其平均叶面积降低速率可知B4处理下长柄扁桃叶面积衰老速度最慢。2.2土壤水分动态变化观测期内，受灌水及蒸散耗水的共同影响，4种处理下土柱内平均土壤含水量表现出较为一致的变化趋势（图4）。土壤含水量随生物质炭添加量的增加而增加，B6处理下土壤含水量始终处于较高水平，其次为B4，但整个观测期内两者差异不显著，最低为CK。8月1日前，B4、B6两种生物质炭处理均极显著高于CK与B2；B2略高于CK，两者差异不显著。8 月 7 日至 8 月 21 日，B2、B4 与 B6 土壤含水量均显著高于CK，B2 显著低于 B4、B6。之后，B2 与 CK 的差异性逐渐减小，在9月2日后，CK土壤含水量表现为大于B2，小于B4、B6；至研究期结束时，CK土壤含水量显著高于B2，但与B4、B6差异不显著，B2处理下土壤含水量最低。其原因主要是由于此阶段长柄扁桃幼苗处于生长旺盛期，B2处理下长柄扁桃幼苗各指标均明显高于其他3种处理（图2图4）。特别是叶面积达到峰值，较大的叶面积及植株高度有利于植物的蒸腾作用，加剧了土壤水分的消耗，从而导致9月2日后B2处理土壤含水量逐渐降低，至观测期结束时显著低于CK和B6。为进一步分析不同生物质炭添加量条件下土壤含水量变化率，对各土柱土壤含水量变化范围及平均土壤含水量进行计算，结果如表2所示。由表2可知，4种处理下，土壤含水量最低值出现在B4，仅为1.40%，其次为B2（1.54%）；同时，B4、B6 两种处理条件下均出现含水量的最大值（36.51%），B2的最高含水量亦高于CK。随生物质炭添加量的增加，平均土壤含水量呈逐渐增加的变化趋势。与CK相比，B4、B6处理下平均土壤含水量显著增加了 46.23%和 59.98%，而 B2增加不显著，仅为2.89%。因此，生物质炭在提高平均土壤含水量的同时也促进了土壤含水量最大值的增加，此外B2、B4亦降低了最低含水量。2.3长柄扁桃蒸散耗水量植物蒸散耗水过程是水分循环的重要组成部分，在保蓄土壤水分的同时可有效抑制无效水分蒸发，对于提高土壤水分有效性及水分利用效率具有重要意义。本研究发现，4种处理条件下，长柄扁桃日均及累计蒸散耗水量均表现为随生物质炭添加量的增加呈先增加后降低的变化趋势（表3）。与CK相比，3种生物质炭添加量均显著促进了长柄扁桃日均蒸散耗水量，累计蒸散耗水量分别比CK显著增加7.77%、11.40%和10.12%；而3种生物质炭添加量处理间差异均不显著。3讨 论适宜的土壤环境及水肥供应有利于植物的生长发育，株高、基径、叶面积作为植物生长发育最直观的表现，可在一定程度上直接反应植物的生长状况及对外部环境的响应。生物质炭作为土壤添加剂施入土壤后因其特殊的结构及丰富的矿质元素必将引起土壤结构及环境的改变，可有效增加土壤养分及水肥利用效率3-5,10,14，从而有利于植物生长发育19,32,33。本研究发现，4种处理条件下长柄扁桃幼苗均能保持正常生长，但各指标对生物质炭添加的响应存在较大差异。长柄扁桃幼苗株高、叶面积随生物质炭添加量的增加呈先增加后降低再增加的变化趋势，而基径则表现为逐渐降低，2%添加量条件下更有利于长柄扁桃幼苗生长。因此，适量生物质炭添加有利于长柄扁桃幼苗的生长，而较高添加量则表现为抑制，这与前人的研究结果较为一致19,33。杨莉等32的研究指出，生物质炭添加促进了老参地土壤质量的改善从而促进了连作人参种苗生长。Zhang等33的研究也指出，添加20和40 t/hm2的生物质炭在提高氮、磷利用率的基础上促进了水稻和小麦根系及秸秆的生长。郑云珠等34的研究也发现，适量的生物质炭添加可有效促进夏玉米株高、基径的生长。生物质炭促进植物生长发育的原因主要是由于生物质炭添加在改善土壤环境、增加土壤养分的同时，还可释放可溶性碳，提高微量元素的有效性3，且某些生物质炭可溶性小分子有机物还可以起到植物激素的作用35，从而促进植物的生长发育。此外，本研究中2%处理下虽在一定程度上提升了土柱土壤含水量，但与对照相比差异并不显著，且观测期内土壤水分处于较低水平（图4、表2），适度干旱有利于长柄扁桃的生长发育31。然而，也表3长柄扁桃日均及累积蒸散耗水量Tab.3Average daily and cumulative evapotranspiration consumption of Amygdalus pedunculata Pall处理CKB2B4B6日均/mm2.770.77b2.980.11a3.080.14a3.050.05a累计/mm207.545.10b223.677.92a231.1910.24a228.543.58a图4各处理土柱平均土壤含水量动态变化Fig.4Dynamic changes of average soil water content under different treatments表2试验期间各处理土柱土壤含水量变化Tab.2Variation of soil water content in each treatment during the experiment period处理CKB2B4B6土壤含水量变化范围/%3.8825.621.5429.981.4036.514.9936.51平均土壤含水量/%11.421.74b11.750.91b16.701.88a18.271.07a64生物质炭对长柄扁桃幼苗生长及蒸散耗水的影响 朱超 张瑜 孙树臣有研究指出生物质炭添加抑制了植物的生长36，在植物的不同生育期表现出较大差异37。土壤水分作为土壤肥力的重要组成部分，同时也是决定植物生长发育、分布格局及演替的重要限制因子。因此，在保蓄土壤水分的同时抑制无效水分蒸发对于促进植物生长发育、提高水分利用效率具有重要意义。前人研究表明，生物质炭因其特殊的孔隙结构及巨大的比表面积，在施入土壤后可提高土壤持水能力、增加土壤水分含量及有效水含量13,14。Yeboah 等38的研究表明，生物质炭可提高大田 030 cm 土壤32%50%的含水量；黑土土壤含水量增加7.1%14.5%39。本研究发现，土壤含水量随生物质炭添加量的增加而增加，比CK增加了2.89%59.98%，与前人研究结果较一致。然而王昆艳等40的研究则表明，1%的生物质炭添加量显著降低了土壤水分，而4%的添加量则显著增加。此外，本研究还发现生物质炭的施用增加了长柄扁桃的蒸散耗水量，随添加量的增加呈先增加后降低的变化趋势，这与刘超等19的结论生物质炭增加了玉米的耗水量较一致。究其原因可能是由于生物质炭的添加导致土壤孔隙增加，从而促进了土壤水分蒸发26，且生物质炭本身具有斥水性，也可能在一定程度上导致了蒸散耗水量的增加。而王浩等41的研究则指出，随生物质炭添加量的增加潮土蒸发量逐渐降低，6%的添加量对蒸发的抑制效果最佳，较低的添加量能有效抑制水分蒸发24。因此，生物质炭对土壤水分及蒸散耗水的作用效果受添加量及土壤类型、植物种类等的影响存在较大差异。综上所述，长柄扁桃幼苗生长发育、土壤水分及蒸散耗水对生物质炭添加的响应存在一定的差异。2%添加量条件下虽最有利于长柄扁桃幼苗生长，但也显著增加了长柄扁桃的蒸散耗水量；4%和6%添加量虽有利于提高土壤含水量，但却在不同程度上抑制了长柄扁桃幼苗的生长并显著提高蒸散耗水量。因此，在较高肥力土壤下引种栽植长柄扁桃建议添加2%以下的低量生物质炭。本研究仅对3种玉米秸秆生物质炭添加量下长柄扁桃生长指标、土壤水分及蒸散耗水进行了观测和分析，且本研究中盆栽土壤类型为石灰性潮土，与长柄扁桃原生沙地土壤类型风沙土存在较大差异，可能会导致研究结果存在一定的偏差。今后仍需进一步研究不同土质及肥力条件下长柄扁桃引种栽培过程中适宜的生物质炭类型、添加量及对不同土层土壤水分运移的影响。4结 论（1）长柄扁桃幼苗株高、叶面积随生物质炭添加量的增加呈先降低后增加的变化趋势，而基径则表现为降低。2%添加量条件下更有利于促进长柄扁桃幼苗的生长，4%和6%两种添加量下均不同程度的抑制了长柄扁桃幼苗的生长。（2）3种生物质炭添加量条件下，土柱平均土壤含水量增加了2.89%59.98%，随生物质炭添加量的增加而增加。长柄扁桃蒸散耗水量随生物质炭添加量的增加先升高后降低，生物质炭显著增加了长柄扁桃蒸散耗水量，增幅为 7.77%11.40%。参考文献：1 WANG G Q,WANG X Q,WU B,et 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