凌宏偉 李小英 周月惠

摘要：生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)方面具有廣泛的應(yīng)用前景，生物炭在高海拔區(qū)的應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實意義。結(jié)合生物炭單獨施用和混施2種方式，研究竹炭和木炭不同添加比例對蠶豆株高、生物量和土壤有機質(zhì)、全磷和全氮含量的影響。結(jié)果表明：不同生物炭對土壤養(yǎng)分和蠶豆生長具有一定的促進(jìn)作用。其中，就生物炭施加方式來看，混施優(yōu)于單施;在對土壤養(yǎng)分和蠶豆生長的影響方面，木炭大于竹炭;WBC2處理（2%木炭、2%竹炭按質(zhì)量比1 ∶ 1混施）對土壤有機質(zhì)和全氮含量的影響顯著;BC2處理（添加2%木炭）對全磷含量的影響顯著。總體上看，WC3處理（添加3%木炭）對株高、生物量、有機質(zhì)及全氮含量等指標(biāo)的綜合影響比較好。在大棚盆栽條件下，添加3%木炭有利于提高土壤養(yǎng)分和促進(jìn)蠶豆生長。

關(guān)鍵詞：生物炭;土壤改良;蠶豆生物量;昆明高海拔區(qū)

中圖分類號： S156 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）17-0110-03

生物炭（biochar）通常是指將農(nóng)作物秸稈、木屑、禽畜糞便等有機材料在缺氧或絕氧的條件下經(jīng)熱裂解而得到的一種具有細(xì)粒度、多孔性的碳質(zhì)材料[1]。常見的生物炭包括秸稈炭、竹炭、木炭、稻殼炭等，它們擁有較大的孔隙度和比表面積，含有豐富的表面官能團(tuán)[1-2]。國內(nèi)外諸多研究表明，生物炭在改良土壤理化性質(zhì)和提高作物產(chǎn)量方面具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，生物炭的應(yīng)用研究主要以玉米、辣椒、小麥、水稻、紅薯、油菜、櫻桃、蘿卜、黃瓜、菠菜、白菜等為對象，且主要集中在南方較低海拔區(qū)域。

蠶豆生于溫暖濕地，耐-4 ℃低溫，但畏暑。云南是蠶豆種植面積最大的省份，占全國的23.7%。昆明地區(qū)2 500 m以上海拔土地撂荒現(xiàn)象嚴(yán)重，應(yīng)用生物炭作用于蠶豆的試驗研究具有重要的現(xiàn)實意義。目前，生物炭對云南昆明高海拔地區(qū)蠶豆生長的影響研究鮮見報道。本試驗以云南紅壤土上的蠶豆為研究對象，通過溫室蠶豆盆栽試驗，研究不同生物炭及不同生物炭施用量對土壤養(yǎng)分和蠶豆生長的影響，旨在為探尋更高效的生物炭用以改良昆明高海拔區(qū)土壤質(zhì)量提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料取自云南省昆明市祿勸彝族苗族自治縣則黑鄉(xiāng)民安樂村（102°40′38″ E 、26°0′26″ N），海拔2 540 m，供試土壤類型為棕紅壤，采樣深度為0～30 cm，土樣自然風(fēng)干，供盆栽試驗用，其基本性質(zhì)如下：pH值6.62、有機質(zhì)含量 51.20 g/kg、土壤全磷含量2.31 g/kg、全氮含量1.41 g/kg、全鉀含量 10.10 g/kg。供試生物炭材料及基本性質(zhì)見表1，木炭和竹炭來源于市場商品炭。

1.2 試驗方法

本試驗采用溫室大棚栽培，共設(shè)8個處理：對照（CK）、2%木炭（WC2）、3%木炭（WC3）、2%竹炭（BC2）、3%竹炭（BC3）、2%木炭與2%竹炭按質(zhì)量比1 ∶ 1混合（WBC2）、3%木炭與3%竹炭按質(zhì)量比1 ∶ 1混合（WBC3）、1%菌肥（BM，用于與以上處理形成對比），添加量均為占土壤質(zhì)量的百分比，每個處理設(shè)置5個重復(fù)，共40盆，每個重復(fù)隨機放置。采用直徑 12 cm、高14 cm的圓柱形塑料花盆。

盆栽時間為2017年12月至次年3月底。蠶豆播種于供試土壤后，每盆定期澆水200～300 mL，澆水量為不讓水滲出花盆為限，在整個培養(yǎng)過程中保持每個盆內(nèi)無雜草生長。株高觀測自2018年1月20日開始，每隔7 d觀測1次。試驗結(jié)束收獲蠶豆植株的整株樣品，每個處理隨機抽取5株，分別稱取地上部分（莖、葉）和地下部分（根系）的鮮質(zhì)量。盆栽結(jié)束后搗碎盆內(nèi)土壤并倒出分成2份，1份自然風(fēng)干用于測定土壤的基本性質(zhì)，另外1份放置在冰箱中冷藏用于備份。土壤和生物炭的基本理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)化分析》常規(guī)方法測定[3]，其中，生物炭中C、N、H 和S含量采用元素分析儀（vario Macro CNSCNS;Elementar，Germany）測定;土壤總有機碳（total organic carbon，簡稱TOC）含量采用K2Cr2O7氧化-外加熱法測定;土壤全氮（total nitrogen，簡稱TN）含量采用高氯酸-硫酸法測定。

1.3 統(tǒng)計分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制，采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA）和相關(guān)分析，多重比較采用最小顯著差異法（LSD），顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對蠶豆株高的影響

不同的處理方式對株高具有一定的促進(jìn)作用。表2顯示，WC3和WC2處理對蠶豆株高的影響顯著，分別高出對照（CK）54.04%和29.26%。同一生物炭處理下，3%的施入量比2%的施入量更有利于促進(jìn)蠶豆株高生長。同一添加量處理下，木炭較竹炭明顯增加了株高，竹炭和木炭混施較竹炭單獨施用顯著增加了株高。

圖1顯示，各處理與對照（CK）相比，株高在不同時間段都呈逐漸增長趨勢。其中，混施處理株高比單施處理增長更快且添加量為3%的混施處理更好;不同添加量竹炭對株高的影響不明顯，添加3%竹炭比添加2%竹炭對株高的增長影響更明顯;不同添加量木炭對株高的影響相對較大。在整個生長過程中，添加3%生物炭的株高比添加2%生物炭的株高大;添加2%木炭的株高比添加2%竹炭的株高大。WBC3處理株高最大，其次是WBC2處理，與對照（CK）相比，分別增加了29.35%、54.66%。

2.2 不同處理對蠶豆生物量的影響

不同處理對蠶豆的地上部分鮮質(zhì)量和總鮮質(zhì)量的影響具有很強的相似性。表3顯示，地上鮮質(zhì)量比較，WC3和BM處理較多，分別顯著高出對照（CK）41.82%、78.09%（P<0.05）。添加量為2%的混施處理蠶豆的地上鮮質(zhì)量均大于單施竹炭處理蠶豆的地上鮮質(zhì)量。添加量為3%的混施處理蠶豆的地下鮮質(zhì)量均大于單施處理蠶豆的地下鮮質(zhì)量。從地下鮮質(zhì)量來看，WC2處理高于其他處理，顯著高出對照（CK）43.70%（P<0.05）。從總鮮質(zhì)量來看，WC3處理和BM處理比較好，分別顯著高出對照（CK）44.02%和41.29%（P<005）。在2%添加量處理下，地上、地下鮮質(zhì)量比較，添加木炭較添加竹炭顯著增加了鮮質(zhì)量。總體看出，木炭較竹炭顯著增加了生物量;添加量為3%較添加量為2%顯著增加了生物量（P<0.05）;混施較單施顯著增加了生物量。

2.3 不同處理對土壤養(yǎng)分的影響

不同處理均對土壤有機質(zhì)、全氮和全磷含量有一定的促進(jìn)作用。由表4看出，混施生物炭顯著增加了有機質(zhì)含量（P<0.05）;木炭較竹炭顯著增加了有機質(zhì)含量（P<0.05）;添加3%木炭較添加2%木炭顯著增加了有機質(zhì)含量（P<0.05）;與其他處理相比，WBC2處理明顯增加了有機質(zhì)含量，比對照（CK）顯著增加126.08%（P<0.05）。土壤全氮含量在WBC2處理下最高，顯著高出對照（CK）146.67%（P<005）。比較全磷含量，BC2和WBC2處理分別顯著高出對照（CK）580.85%和204.96%（P<0.05）。

3 討論

生物炭能夠有效促進(jìn)土壤對氮、磷等養(yǎng)分元素的吸收[4]，同時施用有機肥可提高土壤的生產(chǎn)能力[5]，能夠有效地促進(jìn)作物生物量的積累，增加有機質(zhì)的含量，進(jìn)一步促進(jìn)產(chǎn)量的提高[6]。本研究結(jié)果表明， 添加適量的生物炭可以提高蠶豆的株高和生物量，這與車艷朋等的研究結(jié)果[7-9]一致。3%木炭與3%竹炭按質(zhì)量比1 ∶ 1混合處理的株高一直較大，表明生物炭高比例投入對作物生物量及株高的影響明顯優(yōu)于單施處理，這與律其鑫等的研究結(jié)果[8]一致。在本試驗中，生物炭對蠶豆地上部分生物量較蠶豆地下部分生物量的增長效果更突出，然而，高敬堯等的研究結(jié)果表明，生物炭對地下根系的生長發(fā)育效果更加突出[10]。

本研究結(jié)果顯示，生物炭對云南紅壤微酸性土壤蠶豆生長方面表現(xiàn)出一定的促進(jìn)作用，在改良蠶豆的土壤環(huán)境、增加土壤養(yǎng)分、提高蠶豆生物量等方面均有重要的意義。生物炭混施、生物炭單施、不同生物炭、不同添加量對土壤養(yǎng)分和蠶豆生長表現(xiàn)出不同的響應(yīng)效果。在本研究中，WC3處理與對照（CK）相比，蠶豆生物量增加了41.82%，可見施用生物炭較不施用生物炭顯著增加了作物的生物量，因此生物炭可作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐增產(chǎn)的有效途徑之一。WBC2處理顯著增加了土壤有機質(zhì)和全氮含量，說明混施生物炭較單獨施用生物炭更有利于提升土壤的肥力水平。BC2顯著增加了全磷含量，其原因是竹炭為土壤提供了充足的微量元素，并間接改變了土壤的理化性質(zhì)，減少了氮磷流失[11]。施加木炭較施加竹炭顯著增加了土壤養(yǎng)分和蠶豆生物量，主要原因是木炭本身所攜帶的養(yǎng)分元素含量比竹炭高。添加3%生物炭和添加2%生物炭對土壤養(yǎng)分和蠶豆生長的影響結(jié)果并不完全統(tǒng)一，因此今后應(yīng)該加強不同添加梯度生物炭對這方面的影響研究。

綜上所述，生物炭對植物生長和土壤微環(huán)境的影響是一個復(fù)雜的過程[12]。由于生物炭的種類與添加量、土壤類型等因素對氮素的淋溶損失有很大的影響[13]。其中不僅與生物炭制備條件、方法、施用量、施用時間、施用方式、生物炭類型、土壤類型、土壤質(zhì)地、土壤肥力、植物種類、植物的遺傳特性、植物的生長習(xí)性有關(guān)，更與耕作制度和管理措施有關(guān)。本試驗僅研究了盆栽蠶豆在不同生物炭、不同施用量條件下，其株高、生物量及土壤養(yǎng)分的變化。而關(guān)于生物炭對土壤質(zhì)量及植物生長的影響機制還有待于進(jìn)一步研究。通過長期的大田試驗和短期的溫室盆栽試驗相結(jié)合，才能得出比較可靠研究成果。

4 結(jié)論

（1）生物炭添加于高海拔區(qū)土壤比不施生物炭更有利于提升土壤養(yǎng)分，對蠶豆生長均有一定的有利影響。

（2）木炭和竹炭混施比單獨施用對土壤養(yǎng)分和蠶豆生長的影響更顯著。在蠶豆整個生長過程中，3%木炭與3%竹炭1 ∶ 1混合處理的株高一直較大，2%木炭與2%竹炭 1 ∶ 1 混合處理有機質(zhì)含量最高，為130.04 g/kg。

（3）總體看出，同一生物炭，添加3%比添加2%對土壤養(yǎng)分和蠶豆生長的影響更明顯。添加2%生物炭更有利于蠶豆地下生物量的增加。

（4）土壤中添加木炭較添加竹炭顯著增加了土壤中有機質(zhì)、全氮的含量，然而竹炭顯著增加了土壤的全磷含量。

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