韋繼光， 賈明云， 蔣佳峰， 曾其龍， 楊曙方， 于金平， 於 虹，①

〔1. 江蘇省中國科學院植物研究所(南京中山植物園) 江蘇省植物資源研究與利用重點實驗室， 江蘇 南京210014；2. 浙江藍美技術股份有限公司， 浙江 紹興 312000〕

藍莓(Vacciniumspp.)是中國新興果樹，為須根系植物，適宜在酸性土地區(qū)生長，對黏重土壤適應性較差，不能達到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[1-2]。黃棕壤是中國南方酸性土地區(qū)主要土壤類型之一，但此類土壤貧瘠且黏重，而藍莓生長需要有機質含量高且疏松透氣的土壤，目前在生產(chǎn)上主要通過摻入草炭、珍珠巖等進行土壤改良。但草炭是不可再生資源且儲量有限，很多國家逐漸限制草炭開采，導致草炭價格不斷上漲[3]。為此，國內外陸續(xù)開展利用當?shù)刭Y源豐富、價格低廉的各種有機物料替代草炭改良藍莓栽培土壤的研究[4-8]。隨著中國藍莓種植面積的不斷增長，因地適宜開發(fā)來源廣泛、成本低廉、效果理想的新型土壤改良物料是中國藍莓產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

生物質炭是生物質在限氧條件下經(jīng)過熱裂解作用產(chǎn)生的固體物質，其在土壤改良、污染土壤修復和碳封存等方面具有廣闊的應用前景[9]。農(nóng)田作物秸稈、園林廢棄枝葉、畜禽糞便等均可作為生產(chǎn)制備生物質炭的原料，其中，玉米秸稈來源廣泛且可再生，是制備生物質炭的優(yōu)質原料之一[10]。據(jù)統(tǒng)計，2018年中國玉米秸稈的理論資源量達到2.53×108t[11]。這些玉米秸稈除部分還田外，其余大部分作為薪柴燃燒或是廢棄田間地頭，未得到充分的資源化利用。近10余年，中國藍莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，截至2020年，全國種植總面積達到6.64×104hm2[12]。為保證藍莓持續(xù)豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，需要在夏季采收后及冬季對藍莓樹體進行修剪，進入成年的藍莓園每年修剪下來的干燥枝條量約2.25 t·hm-2。保守估算全國目前每年產(chǎn)生廢棄的藍莓枝條總量約1.5×105t，且呈逐年上漲趨勢。農(nóng)田作物秸稈及果園廢棄枝條無害化處理已成為困擾農(nóng)村生態(tài)文明建設和美麗鄉(xiāng)村建設的一大難題。將數(shù)量可觀的農(nóng)田作物秸稈和果園廢棄枝條等生物質資源變廢為寶，制成生物質炭并將其用于土壤改良，不僅可以為農(nóng)林廢棄物資源化利用提供新思路，而且對于發(fā)展循環(huán)綠色可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)和建設環(huán)境友好型社會具有重大的現(xiàn)實意義。

生物質炭作為土壤改良劑在國內外已有較多的研究報道[13-16]。多數(shù)研究結果表明：施用生物質炭可降低土壤容重、改善土壤結構，提高土壤有機質含量及養(yǎng)分有效性，從而促進作物生長[17-21]。但由于不同區(qū)域的氣候條件、土壤類型、土壤肥力狀況、生物質炭性質及用量等方面的差異，都會造成生物質炭對作物生長及產(chǎn)量的影響不盡相同[22]。與其他作物相比，藍莓喜酸性土壤，但生物質炭通常呈堿性，因此，不同來源生物質炭及用量對藍莓植株生長及產(chǎn)量的影響有其特殊性。在美國俄勒岡州科瓦利斯市的研究顯示：在沙質土壤上施入體積分數(shù)20%生物質炭可顯著促進高叢藍莓植株生長[23]。而在中國山東省青島市開展的大田試驗研究結果表明：施用生物質炭對藍莓樹體生長影響不大，但可在一定程度上提高果實產(chǎn)量和品質[24]。生物質炭在藍莓栽培土壤(黃棕壤)改良中的應用尚缺乏相關研究，不利于藍莓產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。

鑒于此，本文通過盆栽試驗，對添加不同用量藍莓枝條生物質炭和玉米秸稈生物質炭后土壤理化性質及藍莓幼苗葉片光合性能和生長指標進行了比較和分析，探明生物質炭作為黃棕壤改良物料的適宜用量，以期為生物質炭在藍莓栽培土壤改良上的科學合理利用提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

供試苗木為南方高叢藍莓品種‘藍美1號’(Vacciniumcorymbosum‘Lanmei 1’)半年生扦插苗，株高15 cm，基徑1.0 mm。試驗用土取自安徽省宣城市郎溪縣藍莓基地(地理坐標為東經(jīng)119°15′27″、北緯31°10′13″)，土壤類型為黃棕壤，堿解氮含量為89.2 mg·kg-1，有效磷含量為13.6 mg·kg-1，速效鉀含量為76.9 mg·kg-1，0～15 cm土層土壤酸堿度為pH 4.92，有機質含量為1.9%。試驗所用草炭及珍珠巖由浙江藍美農(nóng)業(yè)有限公司提供。草炭酸堿度為pH 4.45，全氮含量為3.27 g·kg-1，全磷含量為1.06 g·kg-1，全鉀含量為13.3 g·kg-1。珍珠巖酸堿度為pH 7.53，全氮含量為0.63 g·kg-1，全磷含量為0.09 g·kg-1，全鉀含量為33.1 g·kg-1。供試藍莓枝條生物質炭及玉米秸稈生物質炭均為在500 ℃限氧條件下熱裂解1 h制成。2種生物質炭基本理化性質見表1。

表1 供試藍莓枝條生物質炭和玉米秸稈生物質炭基本理化性質

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 盆栽試驗于2020年11月至2021年3月在江蘇省中國科學院植物研究所進行，試驗采用完全隨機試驗設計，共設8個處理：CK0為不添加任何有機物料的黃棕壤，即純土對照；CK1為V(土壤)∶V(草炭)∶V(珍珠巖)=60∶20∶20的混合基質，即常規(guī)土壤改良對照；BB10為V(土壤)∶V(藍莓枝條生物質炭)∶V(珍珠巖)=70∶10∶20的混合基質；BB20為V(土壤)∶V(藍莓枝條生物質炭)∶V(珍珠巖)=60∶20∶20的混合基質；BB30為V(土壤)∶V(藍莓枝條生物質炭)∶V(珍珠巖)=50∶30∶20的混合基質；CB10為V(土壤)∶V(玉米秸稈生物質炭)∶V(珍珠巖)=70∶10∶20的混合基質；CB20為V(土壤)∶V(玉米秸稈生物質炭)∶V(珍珠巖)=60∶20∶20的混合基質；CB30為V(土壤)∶V(玉米秸稈生物質炭)∶V(珍珠巖)=50∶30∶20的混合基質。每種處理裝9個塑料盆(直徑15 cm、高15 cm)，澆水沉實1個月后，3盆用于土壤理化指標樣品取樣，另6盆每盆栽植1株長勢基本一致的幼苗。盆栽置于光照培養(yǎng)室培養(yǎng)，溫度為25 ℃，光照強度為100 μmol·m-2·s-1，光照時間為6:00至20:00，空氣相對濕度為50%～80%。試驗期間視土壤墑情，每次澆0.1～0.2 L水。所有處理每2周澆灌1次質量分數(shù)0.5%肥液，肥液中m〔(NH4)2SO4〕∶m(KH2PO4)=3∶2，每株每次澆100 mL。及時進行病蟲害防治，確保植株正常生長。

1.2.2 土壤理化指標測定 于澆水沉實結束后，采用環(huán)刀法[25]269-271測定土壤容重；同時，用土鉆采集盆內土壤，土壤樣品置于通風處自然風干，參照程斐等[26]的方法，將風干土壤樣品與去離子水按m∶V=1∶5的比例混勻，靜置2 h后取濾液測定土壤pH值和電導率；土壤總孔隙度參照魯如坤[25]266-271的方法測定。每種處理隨機選取3盆采集土壤樣品，視為3個重復。

1.2.3 葉片光合指標測定 于栽植后第120 天每處理隨機選取植株4株(視為4個重復)，每株選取枝條上部健康功能葉片2枚做好標記，用CCM-200葉綠素測定儀(美國OPTI-SCIENCES公司)測定標記葉片的葉綠素含量指數(shù)(CCI)；采用LI-6800便攜式光合作用測量系統(tǒng)(美國LI-COR公司)測定標記葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)。測定時葉室光強設為100 μmol·m-2·s-1，葉室CO2濃度控制在400 μmol·mol-1。

1.2.4 植株生長指標測定 于栽植后第120 天每處理隨機選取植株4株(視為4個重復)，洗凈后，將植株按根、莖和葉進行分樣。用卷尺(精度0.1 cm)測量每個單株所有當年生枝條的長度，其總和即為單株總枝長。參照胡紅玲等[27]的方法測定單株總葉面積；將每個單株所有葉片混勻后隨機抽取鮮葉約10 g，用惠普(HP)LaserJet M1216nfh MFP黑白激光多功能一體機〔惠普(中國)投資有限公司〕掃描并測量所抽取葉片的葉面積(S0)，然后在105 ℃條件下殺青30 min，之后于75 ℃條件下干燥至恒質量，稱量其干質量(ma)；同法干燥并稱量剩余葉片的干質量(mb)。單株總葉面積(S)根據(jù)公式“S=S0(ma+mb)/ma”計算。將各單株的根和莖分別置于105 ℃條件下殺青30 min，之后于75 ℃條件下干燥至恒質量，分別稱量莖干質量和根干質量，莖和葉的干質量之和為地上部干質量，根、莖和葉的干質量之和為總干質量。根冠比根據(jù)公式“根冠比=根干質量/地上部干質量”計算。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

采用EXCEL 2013軟件進行數(shù)據(jù)處理；采用SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計分析，使用Duncan’s新復極差法檢驗不同處理間的差異顯著性(P<0.05)。

2 結果和分析

2.1 不同生物質炭處理土壤理化性質分析

不同生物質炭處理土壤理化性質的影響見表2。結果顯示：CK1〔V(土壤)∶V(草炭)∶V(珍珠巖)=60∶20∶20〕(常規(guī)土壤改良對照)處理的土壤容重顯著低于CK0(純土對照)處理，而土壤總孔隙度顯著高于CK0處理；各生物質炭處理的土壤容重隨生物質炭添加量的增加而顯著降低，土壤總孔隙度隨生物質炭添加量的增加而顯著升高。CK1處理的土壤pH值略低于CK0處理，而土壤電導率顯著高于CK0處理。各生物質炭處理的土壤pH值和電導率隨生物質炭添加量的增加而升高。與CK0處理相比，各藍莓枝條生物質炭處理及CB30〔V(土壤)∶V(玉米秸稈生物質炭)∶V(珍珠巖)=50∶30∶20〕處理的土壤pH值顯著升高。除BB10〔V(土壤)∶V(藍莓枝條生物質炭)∶V(珍珠巖)=70∶10∶20〕處理外，各生物質炭處理的土壤電導率均顯著高于CK0處理。

表2 不同生物質炭處理土壤理化性質的比較

2.2 不同生物質炭處理對藍莓幼苗葉片光合性能的影響

不同生物質炭處理對藍莓幼苗葉片光合性能的影響見表3。結果顯示：CK1〔V(土壤)∶V(草炭)∶V(珍珠巖)=60∶20∶20〕處理的葉片葉綠素含量指數(shù)(CCI)顯著高于CK0(純土對照)處理；各生物質炭處理的葉片CCI值隨生物質炭添加量的增加呈先升高后降低的趨勢。BB10〔V(土壤)∶V(藍莓枝條生物質炭)∶V(珍珠巖)=70∶10∶20〕和BB20〔V(土壤)∶V(藍莓枝條生物質炭)∶V(珍珠巖)=60∶20∶20〕處理的葉片CCI值略高于CK0處理，BB30〔V(土壤)∶V(藍莓枝條生物質炭)∶V(珍珠巖)=50∶30∶20〕處理的葉片CCI值顯著低于CK0處理；BB10和BB30處理的葉片CCI值均顯著低于CK1處理。CB10〔V(土壤)∶V(玉米秸稈生物質炭)∶V(珍珠巖)=70∶10∶20〕和CB20〔V(土壤)∶V(玉米秸稈生物質炭)∶V(珍珠巖)=60∶20∶20〕處理的葉片CCI值略高于CK0處理，CB30〔V(土壤)∶V(玉米秸稈生物質炭)∶V(珍珠巖)=50∶30∶20〕處理的葉片CCI值略低于CK0處理；CB10和CB20處理的葉片CCI值與CK1處理無顯著差異，CB30處理的葉片CCI值顯著低于CK1處理。

結果(表3)還顯示：CK1處理的葉片凈光合速率(Pn)高于CK0處理，但差異不顯著；各生物質炭處理的葉片Pn值隨生物質炭添加量的增加呈先升高后降低的趨勢。BB10、BB20、CB10和CB20處理的葉片Pn值高于CK0處理，BB30和CB30處理的葉片Pn值低于CK0處理；BB10、BB20、CB10和CB20處理的葉片Pn值低于CK1處理，BB30和CB30處理的葉片Pn值顯著低于CK1處理。CK1處理的葉片氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)顯著高于CK0處理；各生物質炭處理的葉片Gs和Tr值隨生物質炭添加量的增加呈先升高后降低的趨勢。BB10、BB20、CB10和CB20處理的葉片Gs和Tr值高于CK0處理，BB30和CB30處理的葉片Gs和Tr值與CK0處理相差不大；BB10、BB20、CB10和CB20處理的葉片Gs和Tr值低于CK1處理，BB30和CB30處理的葉片Gs和Tr值顯著低于CK1處理。葉片胞間CO2濃度(Ci)以CK1處理略高，但各處理間無顯著差異。

表3 不同生物質炭處理對藍莓幼苗葉片光合性能的影響

2.3 不同生物質炭處理對藍莓幼苗生長的影響

不同生物質炭處理對藍莓幼苗生長的影響見表4。結果顯示：CK1〔V(土壤)∶V(草炭)∶V(珍珠巖)=60∶20∶20〕處理的單株總枝長、單株總葉面積、單株根干質量、單株地上部干質量和單株總干質量均顯著高于CK0(純土對照)處理，而根冠比顯著低于CK0處理。除BB20〔V(土壤)∶V(藍莓枝條生物質炭)∶V(珍珠巖)=60∶20∶20〕處理的根冠比以及BB30〔V(土壤)∶V(藍莓枝條生物質炭)∶V(珍珠巖)=50∶30∶20〕處理的單株根干質量和根冠比低于CK0處理外，各藍莓枝條生物質炭處理的其余生長指標均高于CK0處理，但無顯著差異；各藍莓枝條生物質炭處理的單株總枝長、單株總葉面積、單株地上部干質量和單株總干質量均顯著低于CK1處理。BB30處理的單株根干質量顯著低于CK1處理，BB10〔V(土壤)∶V(藍莓枝條生物質炭)∶V(珍珠巖)=70∶10∶20〕和BB20處理的根干質量與CK1處理無顯著差異。各藍莓枝條生物質炭處理的根冠比均高于CK1處理，其中BB10處理的根冠比顯著高于CK1處理。隨藍莓枝條生物質炭添加量的增加，單株總枝長、單株總葉面積、單株根干質量、單株地上部干質量和單株總干質量總體呈先升高后降低的趨勢，而根冠比呈逐漸降低的趨勢。

表4 不同生物質炭處理對藍莓幼苗生長的影響

結果(表4)還顯示：各玉米秸稈生物質炭處理的單株總枝長均高于CK0處理，其中CB20〔V(土壤)∶V(玉米秸稈生物質炭)∶V(珍珠巖)=60∶20∶20〕處理的單株總枝長顯著高于CK0處理。CB10〔V(土壤)∶V(玉米秸稈生物質炭)∶V(珍珠巖)=70∶10∶20〕、CB20處理的單株總葉面積顯著高于CK0處理，CB30〔V(土壤)∶V(玉米秸稈生物質炭)∶V(珍珠巖)=50∶30∶20〕處理的單株總葉面積低于CK0處理。CB10和CB20處理的單株地上部干質量和單株總干質量均顯著高于CK0處理，單株根干質量高于CK0處理，CB30處理的單株根干質量、單株地上部干質量和單株總干質量均低于CK0處理。各玉米秸稈生物質炭處理的根冠比均低于CK0處理，但無顯著差異。各玉米秸稈生物質炭添加量處理的根冠比高于CK1處理，其余生長指標均低于CK1處理，其中，CB10和CB30處理除單株根干質量和根冠比外的其余生長指標均顯著低于CK1處理，而CB20處理除單株總葉面積顯著低于CK1處理，其余各生長指標與CK1處理無顯著差異。隨玉米秸稈生物質炭添加量的增加，單株總枝長、單株總葉面積、單株根干質量、單株地上部干質量和單株總干質量均呈先升高后降低的趨勢，而根冠比變化不大。

2.4 藍莓單株總干質量與生物質炭添加量的回歸分析

植株干物質積累反映了土壤狀況、養(yǎng)分吸收和光合性能等對植株生長的綜合影響，對藍莓單株總干質量與生物質炭添加量進行回歸分析，結果見圖1。

▲： 藍莓枝條生物質炭Blueberry stem biochar； ■： 玉米秸稈生物質炭Corn straw biochar.

結果顯示：單株總干質量與生物質炭添加量呈拋物線關系，其中，單株總干質量與藍莓枝條生物質炭添加量的回歸方程為yBB=-22.236x2+8.565x+0.764(R2=1.000)，單株總干質量與玉米秸稈生物質炭添加量的回歸方程為yCB=-49.266x2+16.809x+0.574(R2=1.000)。藍莓枝條生物質炭最適添加量為體積分數(shù)19.3%，玉米秸稈生物質炭最佳添加量為體積分數(shù)17.1%。

3 討論和結論

土壤質地過于黏重是黃棕壤限制藍莓植株生長的最關鍵因子。本研究以不添加任何有機物料的黃棕壤為純土對照(CK0)，以目前生產(chǎn)實踐中常用且改良效果較好的V(土壤)∶V(草炭)∶V(珍珠巖)=60∶20∶20的混合基質為常規(guī)土壤改良對照(CK1)，探究以生物質炭替代草炭作為黃棕壤改良物料的可行性。生物質炭具有發(fā)達的孔隙結構、高的比表面積和豐富的表面官能團，因而具有良好的物理性質和養(yǎng)分調控作用，施入生物質炭可提高土壤孔隙度和保水保肥性能，改善植物根系的生長環(huán)境[28-29]。本研究結果表明：隨生物質炭添加量的增加，各生物質炭處理的土壤容重顯著下降且顯著低于純土對照，而土壤總孔隙度顯著增大且顯著高于純土對照，說明在黃棕壤中添加生物質炭顯著提高了土壤疏松度和通氣性。但生物質炭一般呈堿性，本研究所用生物質炭具有較高的pH值，中和了黃棕壤中的酸性物質，降低土壤交換性酸的數(shù)量，因而各生物質炭處理的土壤pH值隨生物質炭添加量的增加而增大。盡管各藍莓枝條生物質炭處理初始土壤pH值超過藍莓適宜土壤酸度范圍(pH 4.0～pH 5.5)，但由于在栽培管理過程中每2周澆施1次含硫酸銨肥料，藍莓喜銨態(tài)氮，在其生長過程中根系不斷吸收銨根離子從而酸化根際土壤，進而營造適合其根系生長的微環(huán)境[30]。本研究所用生物質炭含有較多的水溶性鹽類，因而各生物質炭處理的土壤電導率隨生物質炭添加量的增加而升高，盡管均未超過藍莓適宜土壤電導率范圍(小于0.76 ms·cm-1)[31]，但添加體積分數(shù)30%玉米秸稈生物質炭處理的土壤電導率顯著高于其他處理。土壤電導率過高時，植物根尖頂端分生組織的細胞分裂因土壤滲透勢降低及離子毒害作用受到抑制，從而影響根系伸長生長及行使正常功能，根系水分和營養(yǎng)吸收能力下降，最終導致植株生長緩慢，生長量降低[32-33]。因此，添加適宜用量生物質炭才能盡可能降低生物質炭高pH值、高電導率的負面影響，同時最大限度提升土壤孔隙度和保水保肥性能，獲得最佳改良效果。

前人研究發(fā)現(xiàn)，生物質炭能夠有效促進烤煙(Nicotianasp.)根系形態(tài)的生長發(fā)育，優(yōu)化根系生理指標，并通過改善根系的發(fā)育，進而改善葉片光合生理特性[34]。本研究中，與純土對照相比，添加體積分數(shù)10%和20%生物質炭后，藍莓幼苗葉片葉綠素含量指數(shù)、凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和胞間CO2濃度均有所提高，表明在黃棕壤中施入適量生物質炭可以在一定程度上增強藍莓幼苗葉片的光合性能。這與劉寧等[35]的研究結果相似，原因可能是適量的生物質炭改善了土壤結構和養(yǎng)分狀況，促進了植株養(yǎng)分吸收，從而提高了光合能力。與常規(guī)土壤改良對照相比，添加體積分數(shù)20%的生物質炭處理的各光合指標雖然略低，但無顯著差異，表明二者光合碳同化能力相當。

本研究結果顯示：常規(guī)土壤改良對照的單株總枝長、單株總葉面積、單株根干質量、單株地上部干質量和單株總干質量均最高且顯著高于純土對照，表明常規(guī)土壤改良處理仍是目前改良效果最優(yōu)的方案。生物質炭比表面積大且存在多微孔結構和大量負電荷，可吸附營養(yǎng)元素。因此，在土壤中施入生物質炭通?？梢愿纳仆寥赖奈锢硇誀?，提高土壤的養(yǎng)分有效性，從而促進植株生長[28]。然而，生物質炭對作物的生長和產(chǎn)量的影響因土壤類型、生物質炭類型及施用量而異[22,36-38]。本研究結果表明：與純土對照相比，各藍莓枝條生物質炭添加量處理在一定程度上提高了藍莓幼苗生長及各部位干質量。添加體積分數(shù)10%和20%玉米秸稈生物質炭可促進藍莓幼苗生長，當添加量達到30%時則對其生長產(chǎn)生抑制作用。2種生物質炭均以添加量為體積分數(shù)20%時對植株生長的促進作用最大；其中，添加體積分數(shù)20%玉米秸稈生物質炭處理〔V(土壤)∶V(玉米秸稈生物質炭)∶V(珍珠巖)=60∶20∶20，CB20〕可顯著提高藍莓幼苗單株的總枝長、總葉面積、地上部干質量和總干質量，且除單株總葉面積顯著低于常規(guī)土壤改良對照外，其余各生長指標與常規(guī)土壤改良對照無顯著差異，即添加體積分數(shù)20%玉米秸稈生物質炭基本可以達到常規(guī)改良水平。因此，添加適量玉米秸稈生物質炭具有替代草炭作為黃棕壤改良物料的潛力。對單株總干質量與生物質炭添加量進行回歸分析發(fā)現(xiàn)，最適玉米秸稈生物質炭添加量為17.1%。

綜上所述，在黃棕壤中適量添加玉米秸稈生物質炭可提高土壤孔隙度，降低土壤容重，有效改善土壤結構，在一定程度上增強了藍莓幼苗光合性能，從而促進植株生長。因此，玉米秸稈生物質炭在藍莓栽培土壤改良上具有一定的應用潛力。