王道涵，楊婷赟，于令令，許端平

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

氮磷鉀是植物生長發(fā)育所必需的三大營養(yǎng)元素。氮對作物產(chǎn)量貢獻率達(dá)40%~50%[1]，在細(xì)胞分裂、作物的生長速度、產(chǎn)量及品質(zhì)方面都有很好的促進作用[2]，是作物生產(chǎn)中最重要的營養(yǎng)物質(zhì)之一。磷是植物生長必須的第二大養(yǎng)分元素，占植物總干重的0.2%~1.1%，在植物細(xì)胞生長、促進植物根系生長方面發(fā)揮重要作用[3-4]。鉀可促進作物內(nèi)部碳水化合物的代謝，提高作物蛋白質(zhì)含量[5]，進而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[6]。同時，氮磷鉀在提高植物抗寒、抗旱能力，調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓、調(diào)節(jié)氣孔及促進光合作用等諸多方面有重要作用[7-10]。研究表明，氮磷鉀的合理施配對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)都產(chǎn)生不同程度的影響[11-12]，過多或過少的添加量都會對作物產(chǎn)量和品質(zhì)不利。自然界中土壤的氮磷鉀含量較低，是限制植物生長的主要因素，也影響著作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[13]。此外，植物葉綠素可促進作物光合作用，對作物生長及品質(zhì)產(chǎn)生影響。而生物炭的施加，可改善土壤狀況[14]，從而影響植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，增加作物產(chǎn)量[15-16]，生物炭類型及其施加量對土壤影響各不相同，不可避免地對作物長勢及養(yǎng)分的量也會有所影響[17]。因此，尋找合適的生物炭、探究最佳施加量對增加作物產(chǎn)量及養(yǎng)分含量有重要意義。

我國是世界上土地受到沙化危害最嚴(yán)重的國家之一[18]，沙化土地面積占國土面積的17.9%[19]。沙化治理逐年加強，但由于沙化面積大、涉及地域廣，我國被侵蝕土地治理鮮有成效。我國耕地資源短缺，風(fēng)沙土作為我國的一種邊際土壤，存在土壤顆粒大、吸附性能小、結(jié)構(gòu)松散等問題，導(dǎo)致土壤持水保肥能力弱、生產(chǎn)能力低下等[20-21]，但其作為我國實施“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略的重要耕地資源補充，不僅是生態(tài)系統(tǒng)的重要載體，更應(yīng)是未來糧食增量的主要來源[22]?？茽柷呱车厥俏覈拇笊车刂譡23]，該類土對當(dāng)?shù)丶爸苓吘用竦氖罩顩r產(chǎn)生較大影響[24]。因此，改善風(fēng)沙土理化性質(zhì)對實現(xiàn)沙化地區(qū)生態(tài)修復(fù)及人民經(jīng)濟發(fā)展具有很大的現(xiàn)實意義。

生物炭作為一種優(yōu)良的土壤改良材料備受關(guān)注。生物炭是生物有機質(zhì)在少氧或缺氧的條件下，經(jīng)高溫裂解產(chǎn)生的一類高度芳香化、穩(wěn)定性強的富碳固態(tài)物質(zhì)，具有較大的比表面積、多孔結(jié)構(gòu)和很好的吸附能力，含有豐富的養(yǎng)分[25]。有研究表明，生物炭作為一種土壤改良劑，可提高土壤持水保肥能力[26-27],降低土壤容重，提高風(fēng)沙土含水量和孔隙度，增加土壤有機質(zhì)及有效元素的含量[28-31]，改變土壤pH及酶活性[31-33]，同時提高植物養(yǎng)分含量，增加作物產(chǎn)量[34-36]。

綜上所述，生物炭作為改良劑改良土壤已被國內(nèi)外學(xué)者廣泛認(rèn)可。但不同的生物炭對于不同類型的土壤改良效果各不相同，對不同作物的影響程度也各有所長。因此，本試驗以燕麥草為研究對象，在風(fēng)沙土中施加不同因素水平的生物炭，以探究不同生物炭對風(fēng)沙土中植物生長及養(yǎng)分的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)地處科爾沁沙地東南方彰武縣，于遼寧省風(fēng)沙地改良利用研究所實驗基地進行。該地坐標(biāo)為42°41′39.3"N 122°33′11.5"E，海拔345.10 m，經(jīng)對當(dāng)?shù)囟嗄甑臍夂蛴^察得出，全年降雨量較少，多集中在6～8月，且蒸發(fā)量大，季節(jié)更替明顯，陽光充沛，溫差大，屬于溫帶亞濕潤半干旱季風(fēng)氣候區(qū)[37]。目前彰武縣北部沙荒現(xiàn)象明顯，其土壤類型為風(fēng)沙土（GB/T 17296-2009），同時風(fēng)沙大且多，主要種植抗旱較強的沙生植物。

1.2 試驗設(shè)計

試驗總占地為18 m×27 m，每個樣方為3 m×3 m，共54個樣方。從西向東分3類，分別添加秸稈炭（A）、木炭（B）和草炭（C），各生物炭理化性質(zhì)如表1，從北向南設(shè)置不同的添加量，分別為CK（空白）1 kg·m-2（T1）、2 kg·m-2（T2）、3 kg·m-2（T3）、4 kg·m-2（T4）、5 kg·m-2（T5）（表2），試驗重復(fù)3 次，試驗田種植燕麥草，為供試植物。于2021年5月中旬播種燕麥草種，人工進行地下水澆灌，生長周期為12 周，在2021年8月中旬對燕麥草進行樣品采集。采集時，在樣方對角線上隨機選5點取樣，分別于每點隨機采集3～4 株完整的燕麥草。取回后，于通風(fēng)處將植株風(fēng)干，把植株的地上部分和地下部分用剪刀分離，取地上部分用于試驗。

表1 風(fēng)沙土及各生物炭理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of aeolian sand soil and biochar

表2 試驗設(shè)計方案Table 2 Test design scheme

1.3 方法

1.3.1 燕麥草株高測量 燕麥草的株高為現(xiàn)場測量，在8月中旬采樣時，對每個試驗樣方隨機取5個取樣點采樣并用米尺測量株高，取平均值作為各個樣方之間的株高對比。

1.3.2 燕麥草消毒——H2SO4-H2O2法 將植株烘干磨碎并過0.50 mm篩，稱取0.50 g（準(zhǔn)至0.000 2 g）于容積為100 mL的開氏瓶中，加入1 mL水進行潤濕，后加入4 mL濃H2SO4搖勻，隨后分兩次各加入2 mL H2O2，每次加入后都要搖勻。在經(jīng)過一系列反映之后，放置在電爐上加熱消煮，直到固體全部成為液體且H2SO4發(fā)白煙，溶液呈褐色時停止加熱，這個過程大約10 min。待冷卻后，向溶液中加入2 mLH2O2，再次加熱消煮5~10 min，冷卻，再加入H2O2消煮，如此反復(fù)直到溶液呈現(xiàn)出無色或清亮。整個過程中，在加入H2O2的總量大約為8~10 mL時，要再繼續(xù)加熱5~10 min，以便將剩余的H2O2除盡。取下冷卻后，要將溶液用蒸餾水進行定容。

1.3.3 燕麥草中氮磷鉀的測定 試驗中燕麥草氮磷鉀含量依據(jù)《NY/T 2017-2011,植物中氮、磷、鉀的測定》測定方法測定[38]。

1.3.4 燕麥草葉綠素測定方法——分光光度法 將采集的植株置于通風(fēng)處風(fēng)干，之后用剪刀將其地上部分和地下部分剪開，地上部分用以測定葉綠素含量。采用分光光度法對燕麥草中葉綠素進行測定，葉綠素a和葉綠素b的含量計算公式為：

式中：CA為分光光度計下測出的葉綠素a的色素濃度（mg·L-1）；CB為分光光度計下測出的葉綠素b的色素濃度（mg·L-1）。

1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析 本試驗采用Excel 2019 對數(shù)據(jù)進行整理計算，用SPSS 27.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析，運用Origin 2021 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對燕麥草生長的影響分析

由圖1可知，風(fēng)沙土在添加不同類型生物炭后，無論是株高還是產(chǎn)量，均呈現(xiàn)上升的趨勢，其中添加秸稈炭對燕麥草株高和產(chǎn)量影響最為明顯。由圖1 a 可知，草炭組隨著草炭添加量的增加，株高于起初呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，在T5 水平下，發(fā)生顯著變化，明顯高于其他處理組；木炭組中由于添加木炭濃度不同，株高呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的趨勢，于T5水平達(dá)到最高；與對照組相比，添加秸稈炭后，秸稈炭組燕麥草株高出現(xiàn)明顯變化，株高是原來高度的兩倍，之后隨著秸稈生物炭濃度的增加，呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，在T3 水平達(dá)到最高，但在T5 水平時出現(xiàn)驟降，T1~T5 水平下顯著優(yōu)于木炭組合草炭組，經(jīng)分析，與CK之間具有顯著性差異。綜上可知，生物炭的施加對燕麥草生長均有促進作用，且添加濃度為3 kg·m-2的秸稈生物炭，對植株生長的促進作用最為明顯。由圖1 b可知，草炭組在添加不同濃度草炭后，燕麥草產(chǎn)量呈現(xiàn)上漲的趨勢，在T4 水平時產(chǎn)量達(dá)到最高，但總體來說增量不是很大；木炭組燕麥草產(chǎn)量變化趨勢及變化量與草炭組大致相同，也于T4水平下達(dá)到產(chǎn)量最大值；較草炭組和木炭組，秸稈炭組對燕麥草產(chǎn)量的影響更明顯，產(chǎn)量是對照組產(chǎn)量的兩倍，于T3水平時達(dá)到最大產(chǎn)量239.75 kg·hm-2，雖隨著濃度的增加，產(chǎn)量有所下降，但產(chǎn)量變化不大且均優(yōu)于對照組。3 種生物炭對燕麥草的產(chǎn)量均有促進作用，其產(chǎn)量結(jié)果表現(xiàn)為：秸稈炭>（優(yōu)于）木炭>草炭。

圖1 不同因素水平下燕麥草株高產(chǎn)量變化圖Figure 1 Variation of plant height and yield of oat grass under different factors

試驗結(jié)果表明，不同因素水平下生物炭添加量與燕麥草的株高和產(chǎn)量均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性（p<0.01）,生物炭的添加對燕麥草株高和產(chǎn)量均有促進效果，結(jié)果均表現(xiàn)為：秸稈炭>（優(yōu)于）木炭>草炭。

2.2 生物炭對燕麥草中葉綠素含量的影響分析

葉綠素是植物吸收光能，進行光合作用的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。由圖2 可知，與對照組相比，無論添加何種生物炭，隨著生物炭濃度的增加，燕麥草中葉綠素a含量都呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢，秸稈炭和木炭在T4 因素水平時，葉綠素a 含量達(dá)到最高，分別為2.941 mg·g-1和1.585 mg·g-1，而草炭在T3 因素水平時已經(jīng)達(dá)到最高，為1.71 mg·g-1；施加秸稈炭和木炭的燕麥草中葉綠素b 含量變化情況同葉綠素a變化情況相似，但施加草炭的燕麥草中葉綠素b含量在T4因素水平發(fā)生下降又上升的趨勢，但這一變化趨勢沒有很大。

綜上，葉綠素a 和葉綠素b 含量隨施加量的增減而發(fā)生變化，其中，添加濃度為4 kg·m-2秸稈炭對燕麥草葉綠素含量影響最為明顯。分析表明，燕麥草中葉綠素a和葉綠素b含量與生物炭添加量均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性（p<0.01），生物炭添加后，葉綠素含量較CK 組均增加。此外，對于葉綠素a，秸稈炭與木炭和草炭呈現(xiàn)極著相關(guān)性（p<0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.761 和0.965，而木炭與草炭只呈現(xiàn)顯著相關(guān)（0.01

2.3 生物炭對燕麥草養(yǎng)分含量的影響分析

施加不同因素水平的生物炭對燕麥草養(yǎng)分含量均有不同程度的影響，由圖3 A 可知，T1~T4 水平下，隨著生物炭的施加，燕麥草中全氮單位含量均有所增加，在T4 水平時達(dá)到最大，T5 水平時均出現(xiàn)下降，但全氮單位含量仍優(yōu)于對照組。3 種生物炭中，秸稈炭的添加使燕麥草中全氮單位含量呈現(xiàn)最大限度的增長，燕麥草全氮單位含量達(dá)3.411 g·kg-1，其含量為對照組的2 倍多；木炭與秸稈炭添加后的變化趨勢相似，T4 水平為最佳施加量；施加草炭后，T1~T3 水平時燕麥草中全氮單位含量的影響并不是很大，但在T4水平時含量突然增大，達(dá)2.89 g·kg-1，較對照組增加76.8%。

圖3 不同因素水平下燕麥草氮磷鉀單位含量Figure 3 Ammonium phosphate potassium unit content of oat grass under different factors

由圖3B 可知，施加生物炭后，燕麥草中全磷單位含量立刻發(fā)生變化，出現(xiàn)明顯的增長。T1 水平時，草炭對燕麥草中全磷單位含量影響最為明顯，達(dá)到最大值，為0.867 g·kg-1，隨著草炭濃度的增加，全磷單位含量呈小幅的波動變化；木炭于T1~T3 水平時，燕麥草全磷單位含量緩慢增長，T3 水平為最佳施加量，在T4~T5 水平出現(xiàn)了下降趨勢；秸稈炭隨著濃度的增加，燕麥草全磷單位含量呈現(xiàn)增長的趨勢，于T3水平時達(dá)到最佳，此時燕麥草全磷單位含量為0.933 3 g·kg-1，較對照組增長93.2%，但是在T5水平時出現(xiàn)驟降。

由圖3 C 可知，施加生物炭后燕麥草全鉀單位含量發(fā)生驟然變化，秸稈炭組變化最為明顯，在T1~T4水平，隨著秸稈炭濃度增加，燕麥草全鉀單位含量也呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，T4水平效果最優(yōu)，T5水平出現(xiàn)下降；木炭組在T1、T3、T4 水平時燕麥草全鉀單位含量趨于穩(wěn)定，T2 水平含量突然減少可能是由于誤差引起，在T3 時含量最高，為23.473 g·kg-1；草炭組在T1~T3 水平時隨著草炭濃度的增加燕麥草全鉀含量緩慢增長，在T4、T5 水平含量出現(xiàn)下降，T2、T3 水平時草炭組對燕麥草全鉀單位含量的影響勝于秸稈炭組，在T3水平時含量最大，為28.76 g·kg-1。但總體而言，秸稈炭在T4水平下燕麥草全鉀單位含量最多。

分析表明，燕麥草中全氮、全磷、全鉀含量與不同因素水平下生物炭呈顯著相關(guān)（p<0.05），較CK組，不同生物炭對燕麥草含量均產(chǎn)生影響。不同類型生物炭添加下，燕麥草中全氮、全磷含量均表現(xiàn)為極顯著相關(guān)（p<0.01），而全鉀含量中，由于草炭和木炭相關(guān)系數(shù)為0.573，只表現(xiàn)為顯著相關(guān)（p<0.05）。

3 討論與討論

通過對3 種生物炭進行分析對比，可知添加濃度為3 kg·m-2的秸稈生物炭可有效提高植株株高、產(chǎn)量和燕麥草全磷單位含量，添加濃度為4 kg·m-2的秸稈生物炭可有效提高燕麥草全氮和全鉀的單位含量。營養(yǎng)物質(zhì)含量的提高可有效促進株高和產(chǎn)量，因此添加濃度為4 kg·m-2的秸稈生物炭對燕麥草的生長效果最佳，此濃度下植株的株高和產(chǎn)量與3 kg·m-2水平下的效果基本一致。也可表明添加濃度為4 kg·m-2的秸稈生物炭對風(fēng)沙土的改良效果最好。

葉綠素含量是植物營養(yǎng)脅迫、光合作用能力及生長狀況的良好指標(biāo)。本研究表明，不同生物炭類型對燕麥草葉綠素含量與株高和產(chǎn)量均有影響，施加濃度為4 kg·m-2的秸稈炭效果最佳。有研究表明，葉綠素含量和光合效率成正比[39]，葉綠素含量高，植物光合作用能力也越強，促使植物對養(yǎng)分的吸收加快，合成營養(yǎng)成分的能力增強，作物生長快，產(chǎn)量高品質(zhì)好。陳艷妮等[40]以芝麻蒴果為研究對象，表明蒴果皮葉綠素含量高時光合作用強，芝麻蒴果籽粒產(chǎn)量高，脂肪、蛋白質(zhì)及淀粉含量大大提高。郭志頂?shù)萚41]研究表明，在玉米的不同生育期，隨著施氮量增加玉米葉片葉綠素含量和冠層NDVI 也隨之增加，追肥可顯著提高葉綠素含量和冠層NDVI 值。李智等[42]將谷子大豆間作，表明間作時葉綠素含量提升，光合作用增強，兩種作物的產(chǎn)量均提升，因此，對于不同的作物在不同的條件下，伴隨葉綠素含量的變化，光合作用發(fā)生改變，對植物的產(chǎn)量和品質(zhì)等都產(chǎn)生影響。

氮磷鉀是植物生長發(fā)育所必需的三大營養(yǎng)元素。試驗表明，生物炭對燕麥草中全氮、全磷、全鉀含量都產(chǎn)生顯著的影響，且秸稈炭的影響最佳。研究表明植物養(yǎng)分來源有兩種途徑，其一就是植物可以通過對土壤中所需養(yǎng)分的吸收來獲取其生長所需的營養(yǎng)元素，植株的養(yǎng)分含量及株高和產(chǎn)量的增加可間接反應(yīng)風(fēng)沙土經(jīng)過不同類型生物炭改良，其肥力、含水率、透氣性等均有所改善，從而促使植株養(yǎng)分含量提高，進而促進株高，增加產(chǎn)量。劉鑫裕等[43]通過生物炭與磷的不同施配，表明土壤各理化性質(zhì)發(fā)生改變，酶活性提高，提高紫花苜蓿地上部分和地下部分氮磷含量。陶玥玥等[44]對水生植物進行堆肥，表明堆肥可提高小麥產(chǎn)量，提高土壤養(yǎng)分含量和pH，增加作物對磷鉀養(yǎng)分的利用。同時，不同因素水平的生物炭對土壤有不同的改良效果，出現(xiàn)了生物炭濃度較低時，植株株高、產(chǎn)量及養(yǎng)分含量均呈現(xiàn)增長趨勢，生物炭濃度較高時，植株株高及產(chǎn)量降低，養(yǎng)分含量減少的現(xiàn)象。徐彬等[45]通過施加不同濃度生物炭，表明8.0 t·hm-2生物炭與化肥配施可有效提高土壤有機碳含量，顯著提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)。SAMIA等[46]通過添加不同濃度的生物炭，表明生物炭添加30 t·hm-2時，生菜株高、葉片數(shù)產(chǎn)量最大。

本研究結(jié)果表明，施加生物炭類型不同、濃度不同，對風(fēng)沙土中燕麥草的株高、產(chǎn)量、葉綠素及養(yǎng)分含量均會產(chǎn)生不同程度的影響，表現(xiàn)為低濃度促進，高濃度抑制。秸稈炭較木炭和草炭對燕麥草的影響較為明顯，且濃度為4 kg·m-2時效果最佳。也進一步說明秸稈炭相較于木炭和草炭來說，對本試驗地風(fēng)沙土的改良效果較好，增加了土壤中有效氮、有效磷和有效鉀含量。