生物炭對酸性紅壤改良及紐荷爾臍橙苗生長的影響

生物炭對酸性紅壤改良及紐荷爾臍橙苗生長的影響基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項項目基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項項目（201303095）和現(xiàn)代柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位資助項目通訊作者:姜存?zhèn)},男,博士,副教授,從事植物營養(yǎng)機(jī)理與施肥研究,E-mail:jcc2000@張祥(1990—),男,碩士研究生,主要從事植物養(yǎng)分資源高效利用及機(jī)理研究,E-mail:zx6237@163.com張祥1，王典1，朱盼1，姜存?zhèn)}1*，彭抒昂2（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，1.資源與環(huán)境學(xué)院；2.園藝林學(xué)學(xué)院，武漢430070）摘要采用盆栽試驗，以0、1%、2%生物炭量及其配施化肥（F）施于酸性紅壤中，研究了生物炭對酸性紅壤理化性質(zhì)以及臍橙幼苗農(nóng)藝生長性狀的影響。結(jié)果表明，不同生物炭用量對酸性紅壤理化性質(zhì)有明顯影響。其中，紅壤有機(jī)碳含量和pH值均有顯著改變，如pH值提高0.45-0.96個單位、有機(jī)碳含量提高1-3.1倍；生物炭也能夠提高紅壤中堿解氮、速效磷和速效鉀等含量，其中速效鉀提高最為顯著。生物炭處理臍橙幼苗莖粗增加量比對照多0.10-0.28cm24cm；單施生物炭臍橙幼苗抽梢和葉片總量無明顯提高，但生物炭與底肥配施的抽梢和葉片總量分別比對照高21.0%和70.0%。施生物炭后新葉中氮則隨生物炭量增加而降低。除對照老葉外，磷含量在老葉和新葉中均隨生物炭量增大而提高；同時，不同炭處理老葉和新葉中鉀含量表現(xiàn)為：1%C>2%C>CK，F(xiàn)>F+2%C>F+1%C。因此，生物炭能改良酸性紅壤，也有利于臍橙苗的生長。關(guān)鍵詞生物炭，酸性紅壤，礦質(zhì)營養(yǎng)元素，農(nóng)藝性狀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我國南方廣泛分布著紅壤，由于高溫多雨，淋溶作用強(qiáng)[1]，其具有酸性強(qiáng)、有機(jī)碳含量低、土壤貧瘠和肥效低下等特點(diǎn)[2]。贛南屬亞熱帶濕潤氣候，雨量充沛，日照充足，是我國臍橙主產(chǎn)區(qū)之一[3]。同時，酸性紅壤是贛南主要土壤類型。以往用石灰進(jìn)行改良，但石灰易與土壤中磷酸根、硫酸根等產(chǎn)生難溶于水的物質(zhì)，導(dǎo)致土壤結(jié)塊，降低作物對磷、硼等元素的利用。近年來生物炭在土壤改良方面的研究較多。生物炭是生物質(zhì)在缺氧條件下，經(jīng)高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的一類穩(wěn)定難溶芳香化固態(tài)物質(zhì)[4]。生物炭制備條件不同，孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積、元素組成、pH值等均有差異[5,6]。生物炭逐漸成為環(huán)境科學(xué)、土壤學(xué)等研究熱點(diǎn)[4]。WangJinyang等[7]研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭分別增加了旱地土壤和稻田土壤pH值0.09和0.22個單位。袁金華等[8]報道生物炭能夠提高酸性土壤pH值、提高土壤氮和磷有效性，促進(jìn)作物生長發(fā)育。馬莉等[9]研究也表明生物炭能夠提高土壤有機(jī)碳含量。此外，周志紅等[10]研究生物炭對土壤氮影響中發(fā)現(xiàn)，與對照相比，當(dāng)累積降水量達(dá)到390mm時，黑鈣土50t/ha和100t/ha生物炭用量降低總氮淋失量分別為29%和74%；紫色土總氮淋失量在50t/hat/ha和100t/hat/ha，施生物炭分別降低41%和78%。Glaser等[11]發(fā)現(xiàn)生物炭使土壤容重降低，總孔隙度和大孔隙度增加。本文對贛南臍橙產(chǎn)區(qū)有代表性的酸性紅壤進(jìn)行研究，以探討生物炭對紅壤理化性質(zhì)的影響及對臍橙幼苗生長狀況的影響。1材料與方法1.1試驗材料供試土壤為贛南臍橙產(chǎn)區(qū)酸性紅壤，主要性狀為：pH值4.41，堿解氮18.62mg·kg1，速效磷1.17mg·kg1，速效鉀33.39mg·kg1，有機(jī)質(zhì)6.04g·kg1。采用沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)花生殼為原料制備的生物炭，性狀為：pH值8.76，氮18.84g·kg1，磷2.59g·kg1，鉀8.48g·kg1，全炭321.93g·kg1。1.2試驗設(shè)計表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采用生物炭和底肥兩因素完全隨機(jī)設(shè)計，生物炭量：0、1%和2%（生物炭/土干重），以改良Hoagland和Arnon配方為底肥（表1、表2）。設(shè)對照（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個處理，3次重復(fù)。取7kg過2mm篩風(fēng)干土與生物炭混勻后置于8L塑料桶中。選擇長勢相似、經(jīng)過1/4濃度營養(yǎng)液7天預(yù)培養(yǎng)后的枳砧紐荷爾臍橙幼苗種植于桶中，每桶定植1株，做好日常管理。1.3樣品采集、處理與測定2012年3月生物炭與紅壤混勻后原始取樣，9個月后（2012年12月）選取各處理離植株主干莖部等距的表層土（0-20cm）取樣。土樣風(fēng)干后過20目和100目篩，測定各項指標(biāo)。重鉻酸鉀容量法測有機(jī)質(zhì)；pH計測pH值；堿解擴(kuò)散法測堿解氮；鉬銻抗比色法測磷；火焰光度法鉀。定期考察枳砧紐荷爾臍橙幼苗生長狀況農(nóng)藝性狀，包括砧木莖粗、抽梢數(shù)、葉片數(shù)等。老葉和新葉指移栽前植株的葉片和移栽后新長出的葉片。植物樣品用H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮法測植株氮；鉬銻抗比色法測植株磷；火焰光度法測植株鉀。1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析Excel處理數(shù)據(jù)并用單因素方差分析（OneWayANOVA）和多重比較-LSD法對不同生物炭處理進(jìn)行顯著性分析，所有的統(tǒng)計分析選擇顯著性水平P=0.05。2結(jié)果與分析2.1生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響2.1.1生物炭對酸性紅壤pH值的影響圖1不同的生物炭施用量對酸性紅壤pH值的影響Fig.1EffectsofdifferentbiocharapplicationratesonthevalueofpHintheacidicredsoil圖1顯示，紅壤pH值隨生物炭量的增加而顯著提高，施加底肥與未施加底肥之間存在差異，。且9個月后土壤pH值比混勻原始取樣整體上偏高，但均未達(dá)顯著差異。與CK比較，施加底肥處理F后比對照CK處理原始取樣紅壤pH值降低了0.71個單位，9個月后取樣施加底肥處理F比對照CK處理與對照（？）pH值降低了0.87個單位，而生物炭與底肥配施，由施加底肥引起的酸化效應(yīng)得到緩解，pH值甚至有了提高，如原始取樣和9個月后取樣F+1%C處理分別比同時期取樣的對照CK處理pH值只分別只降低了0.02和0.21個單位，而F+2%C處理pH值相對應(yīng)的分別提高了0.38和0.65個單位（與誰相比呢？表述不清，從圖上看，不是這樣的情況，請核對）。當(dāng)未施底肥時，生物炭對紅壤pH值提升更顯著。與CK相比，原始土樣加1%C和2%C生物炭后pH值分別提高0.45和0.96個單位；9個月后1%C和2%C紅壤pH值分別提高0.10和0.41個單位。（9個月后對照土壤的pH值也升高了，如何解釋呢？）2.1.2生物炭對酸性紅壤有機(jī)碳含量的影響圖2不同的生物炭施用量對酸性紅壤有機(jī)碳含量的影響Fig.2Effectsofdifferentbiocharapplicationratesontheorganiccarboncontent施用生物炭后，紅壤中有機(jī)碳含量隨生物炭量增大而提高（圖2）。與CK比較，當(dāng)未施加底肥時，原始取樣中1%C和2%C有機(jī)碳含量分別提高117.1%和305.8%，當(dāng)施加底肥時，F(xiàn)+1%C和F+2%C有機(jī)碳含量分別提高150%和311.0%。9個月后未施加底肥1%C和2%C有機(jī)碳分別提高127.6%和239.6%；生物炭與底肥配施后，即F+1%C和F+2%C有機(jī)碳處理含量分別提高119.1%和294.5%。此外，與CK比較，原始取樣和9個月后取樣F各對應(yīng)處理有機(jī)碳分別降低8.0%和2.7%，之間無明顯變化，這可能說明生物炭在土壤中比較穩(wěn)定。2.1.3生物炭對土壤礦質(zhì)元素含量的影響圖3不同的生物炭施用量對紅壤中營養(yǎng)元素（I堿解氮、II速效磷及III速效鉀）的影響Fig.3Theeffectsofdifferentbiocharapplicationratesonthemineralelementscontentofthesoil生物炭提高了紅壤中堿解氮含量，且堿解氮含量隨生物炭的施用量增加而提高（圖3-I）。與CK比較，加底肥處理（F）在原始取樣與9個月后取樣中堿解氮分別降低14.3%和6.7%；而生物炭與底肥配施（F+C）在原始取樣和9個月后取樣中平均分別提高2.8%和8%。未施底肥時，與CK相比，原始取樣和9個月后取樣生物炭處理堿解氮含量平均分別提高8.5%和23.3%。圖3-II表明，施加生物炭也提高了紅壤速效磷含量，且生物炭與底肥配施效果更最為顯著。除F+1%C外，其它處理土樣速效磷含量均隨生物炭量的增大增加而提高。其中，原始取樣1%C，2%C，F(xiàn)，F(xiàn)+1%C和F+2%C土壤速效磷含量比CK分別提高了7.2%，148.6%，732.0%，690.6%和1582.9%。而與CK比較，當(dāng)未施加底肥時，原始取樣中1%C，2%C速效磷含量分別提高了7.2%和148.6%；單施底肥速效磷含量提高732.0%，生物炭與底肥配施，即F+1%C和F+2%C分別提高690.6%和1582.9%。9個月后1%C，2%C，F(xiàn)，F(xiàn)+1%C和F+2%C比CK分別提高45.6%，195.6%，436.8%，345.6%和505.9%。圖3-III顯示，施加生物炭提高了紅壤速效鉀含量，其且與底肥配施效果最更為明顯。除F+1%C外，其它處理土樣速效鉀含量均隨生物炭量增大的增加而提高。原始取樣1%C，2%C，F(xiàn)，F(xiàn)+1%C和F+2%C土壤速效鉀含量比CK分別提高了200.8%，455.3%，889.4%，858.5%和1180.5%。與CK比較，未加底肥時，原始取樣中1%C和2%C速效鉀含量分別提高200.8%和455.3%；單施底肥（F）速效鉀含量提高了889.4%，生物炭與底肥配施，即F+1%C和F+2%C分別提高858.5%和1180.5%。9個月后1%C，2%C，F(xiàn)，F(xiàn)+1%C和F+2%C分別提高194.3%，400.0%，883.0%，777.3%和943.0%。（本段文字陳述過于啰嗦，圖3改為表格形式表示，數(shù)據(jù)和差異顯著性一目了然，文字?jǐn)⑹鼍涂珊啙嵍嗔耍?.2生物炭對臍橙苗期的影響2.2.1生物炭對臍橙幼苗期生長農(nóng)藝性狀的影響圖4不同的生物炭施用量對臍橙苗期農(nóng)藝性狀(I砧木莖粗、II抽梢數(shù)及III葉片數(shù))的影響Fig.4EffectsofdifferentbiocharapplicationratesonthegrowthofnavelOrange圖4-I表明，與CK比較，生物炭和底肥兩者任意一種都明顯提高了臍橙苗期莖粗，而生物炭與底肥配施（F+C）的效果更加顯著。在移栽培養(yǎng)后36天到84天所有處理的曲線基本保持平行；隨著時間的推移，84天以后生物炭與底肥配施（F+C）莖粗快速增粗，在176天后比單獨(dú)施加生物炭（C）都更為粗壯。在196天時1%C，2%C，F(xiàn)，F(xiàn)+1%C和F+2%C處理砧木莖粗分別比CK處理未施加底肥處理，在196天時1%C和2%C莖的增粗量比CK分別大0.24，和0.23，cm；施加底肥處理，即F、F+1%C和F+2%處理的增粗值比CK分別大0.15，0.25和0.39cm，其中F+2%C效果最顯著。圖4-II和圖4-III顯示，生物炭對臍橙苗期各個時期抽梢數(shù)和葉片數(shù)的影響各不同（第一、二梢是植株移栽前自帶梢）。單獨(dú)施加生物炭處理對臍橙抽梢數(shù)和葉片總量有提高，但不顯著；生物炭與底肥配施（F+C）有利于促進(jìn)臍橙苗期抽梢和新葉產(chǎn)生。與CK比較，F(xiàn)+1%C和F+2%C的抽梢數(shù)分別提高25.2%和16.8%；葉片數(shù)則分別提高64.7%和75.2%。由圖4-II和III可知，CK初期抽梢數(shù)量和葉片數(shù)量較多，但后期生長量變少。單獨(dú)施加底肥（F）的臍橙抽梢和葉片數(shù)目反而減少，在與生物炭配施后得到改善。（圖4的II和III改為表格形式表示，簡化本段文字陳述）2.2.2生物炭對臍橙幼苗葉片營養(yǎng)元素含量的影響圖5不同生物炭用量對臍橙葉片營養(yǎng)元素含量（I全氮、II全磷及III全鉀）的影響Fig.5Effectsofdifferentbiocharapplicationratesonnutrientelementscontentofleaf如圖5-I，生物炭與底肥配施提高了葉片中氮含量。與CK相比，施加生物炭后，老葉中氮含量降低，在生物炭施用量增加后有所提高（仍低于CK）。新葉中氮含量隨炭用量增大而減少，均與是否施加底肥無關(guān)。生物炭與底肥配施老葉和新葉中氮含量分別提高17.3%和52.4%。圖5-II所示，除CK老葉外，新葉和老葉中磷含量都隨生物炭施加量的增加而提高。與CK比較，施加底肥會使老葉磷含量降低，與生物炭配施可以緩解這一影響，施加生物炭越多與CK的差異越小。施加底肥也會使新葉中磷含量降低，生物炭與底肥配施后新葉中磷含量顯著高于CK。如圖5-III所示，只生物炭與底肥配施新葉中磷含量比CK提高53.0%。未加底肥時，與CK新葉相比，2%C新葉中磷含量提高了46.1%。施加生物炭后新葉和老葉中鉀含量均有提高（圖5-III）。與CK比較，未施加底肥時，生物炭處理老葉和新葉鉀分別提高6.6%和48.0%。而生物炭與底肥配施老葉和新葉鉀含量均降低，這可能是臍橙生物量增大產(chǎn)生稀釋效應(yīng)所引起。3討論3.1生物炭對土壤的改良效應(yīng)單施生物炭后，紅壤pH值提高了0.45-0.96個單位，且由施化肥可能引起的土壤酸化，在配施生物炭后得到緩解。Yuan,J.H等[12]對不同原料制備的生物炭研究時發(fā)現(xiàn)所有的生物炭都能提高土壤pH值，而對其機(jī)理仍有爭論。XuRK等[13]認(rèn)為是由于生物炭含有多種官能團(tuán)吸附土壤中的H+，從而呈堿性；而LehmannJ等[4]則認(rèn)為是生物炭中含有一定量的礦質(zhì)元素如K、Ca、Na、Mg等的氧化物或碳酸鹽呈堿性，而提高土壤pH值。施生物炭提高了紅壤中有機(jī)碳含量，且隨生物炭量的增加而提高，施加生物炭后紅壤中有機(jī)碳含量提高了1-3.15倍。黃超等[14]對兩種不同土壤、不同生物炭施加量的研究也表明，隨著生物炭量增加土壤有機(jī)碳也隨之增加。兩次取樣土壤有機(jī)碳含量比較發(fā)現(xiàn)其變化不大，說明生物炭在土壤中性質(zhì)穩(wěn)定，。Bruun等[15]利用兩種不同類型生物炭研究也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過兩年時間后土壤生物炭分別只降低了3.1%和9.3%。施用生物炭后紅壤中堿解氮、速效磷、速效鉀等含量都有不同程度的提高，而以速效鉀增加最明顯，這與生物炭中含有豐富的鉀有關(guān)。紅壤中堿解氮隨生物炭量的增加而提高，但差異不顯著。研究表明是由于生物炭較強(qiáng)的吸附性，能夠減少N元素的淋失[10]。也有人認(rèn)為是生物炭能夠增加土壤通氣性，抑制了土壤中N元素的反硝化，減少了N2O排放[7]。因此，生物炭提高了土壤的肥力[16,17]。3.2生物炭對植株生長及礦質(zhì)養(yǎng)分的影響施生物炭后臍橙砧木莖變粗，顯著高于對照，且生物炭與底肥配施效果最好。李志剛等[18]研究也發(fā)現(xiàn)，生物炭對番茄幼苗莖粗的促進(jìn)效果比照更為顯著。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭與底肥配施后臍橙抽梢和葉片數(shù)顯著增加，還能夠顯著提高抽梢批次。有學(xué)者認(rèn)為，這是由于生物炭可以延長底肥養(yǎng)分的釋放期，而底肥消除了生物炭養(yǎng)分不足的缺陷[19,20]。施加生物炭后臍橙葉中氮、磷和鉀含量等反應(yīng)各不相同，各個指標(biāo)在新葉老葉中的表現(xiàn)也不一樣。氮含量隨不同生物炭用量在新葉和老葉中有所差別，但都在施加生物炭后，葉中氮含量降低。在新葉與老葉中（除CK老葉）磷含量均隨生物炭施加量而提高。生物炭也提高了葉中鉀含量，施底肥后鉀含量卻降低，是由于植株生物量增大引起的稀釋效應(yīng)。4結(jié)論生物炭對酸性紅壤有明顯的改良效應(yīng)，提高了紅壤的pH值，生物炭與底肥配施緩解或消除了單施化肥對紅壤的酸化效應(yīng)；施用生物炭使紅壤中有機(jī)碳顯著提高，并對紅壤中礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量也有提升作用，其中速效鉀是增加最明顯。生物炭促進(jìn)了植株生長，臍橙莖變粗，抽梢和葉片總量增多，且對臍橙葉片中氮、磷和鉀等礦質(zhì)元素含量有較大的影響。參考文獻(xiàn)[1]姚賢良,于德芬.紅壤的物理性質(zhì)及其生產(chǎn)意義,土壤學(xué)報,1952,19:224-236.[2]鐘繼洪，郭慶榮，駱伯勝等。坡地赤紅壤物理退化及其機(jī)理研究—Ⅲ.土壤物理退化機(jī)理分析[J].熱帶亞熱帶土壤科學(xué)，1998，7(2):166-171[3]梁梅青，薛珺，范玉蘭等.贛南臍橙園土壤酸化特征研究，中國南方果樹,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].Pl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