生物炭是近年来农林、环境等诸多领域关注的焦点, 可由农林废弃物在缺氧条件下高温热裂解产生, 不仅减少温室气体的排放^[1], 还可变废为宝, 提高农林废弃物的利用率^[2]。作为土壤改良剂, 生物炭在改善土壤理化性质、增加土壤持水能力、持留土壤养分、促进植物生长、并能吸附重金属等有毒物质等方面显示出较大潜力^[3-5], 在农林业上有较大范围的应用, 对植物的生长及产量的提高均有较明显的促进作用, 成为近年来的研究热点。

刨花润楠(Machilus pauhoi)为高大常绿阔叶乔木, 属樟科润楠属植物^[6]。其树干挺直, 树冠伞状, 春季繁花似锦, 新叶呈红色, 极具观赏价值; 树皮研粉后可用于各种熏香的调和剂; 其种子含油率较高, 可榨油, 是优良的工业润滑油, 亦可供制造蜡烛和肥皂等用途^[7]。同时刨花润楠木材芳香、细致, 可用作柱、梁、家具等用材^[8], 不但具有多种经济用途, 而且具有重要的生态价值, 是我国南亚热带地区以及中亚热带地区品质优良的乡土阔叶树种, 已被广西林业厅列入广西重点发展的珍贵树种。

目前, 国内外有关刨花润楠的研究极少, 且其中大部分只是简要阐述了刨花润楠生物育苗栽培技术、生态学特性和种植造林的基本措施^[9]。在自然生长条件下。刨花楠为深根性偏阴树种, 幼苗生长缓慢, 幼年喜荫耐湿, 中年喜光喜湿, 生长迅速, 呈现“慢-快-慢-快-慢”的生长规律^[10], 普遍来讲, 其播种后前3年幼苗期生长速度较慢。随着广西珍贵树种发展脚步的加快及国家对珍贵树种培育的重视, 有关刨花润楠的推广研究将会逐渐深入。

梅叶冬青(Ilex asprella), 灌木, 可高达3 m, 适应性较强, 移栽易成活, 在肥沃或瘦瘠的地方均可生长, 其根、叶均可入药^[11]。本章实验针对刨花润楠幼苗喜荫耐湿的特性, 选择具有一定经济药用价值的梅叶冬青作为遮阴护理植物及绿肥, 通过间作梅叶冬青为刨花润楠幼苗生长制造适宜的环境, 还可以提高单位土地的经济效益, 提高土壤的可持续利用性。同时设计施用生物炭改良土壤的处理, 以提升土壤肥力, 增加土壤持水特性, 保证刨花润楠幼苗生长所需水分的供应。

目前关于生物炭的研究主要是针对农田土壤和农作物, 对林地土壤改良及林木生长发育影响的研究则非常缺乏, 并且大部分还停留在盆栽试验阶段, 特别是在野外间作条件下, 有关生物炭对不同发育年限植物生长动态及土壤长期生产力影响方面的研究甚少。鉴于此, 本研究以刨花润楠-梅叶冬青间作系统为研究对象, 开展田间水泥池小区试验, 施用不同量生物炭, 研究了种植3年间刨花润楠植株生长动态、3年试验期后其生物量变化情况、3年间0—15 cm和15—30 cm土层土壤pH、土壤养分含量年际变化情况。分析生物炭对刨花润楠生长发育和土壤养分含量的影响, 探讨生物炭对木本植物生长及林地环境的影响, 为农林废弃物的资源化利用以及加强生物炭在活化林地土壤养分, 改良土壤, 提高造林成活率及改善地区生境等方面的研究与应用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 供试材料

供试土壤：均采用广州市华南农业大学树木园林地表层土, 下层采用广州市红壤, 按照接近实际林地的土层厚度混合使用。

供试生物炭：生物炭为陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司提供, 材料为废弃的果树树干、枝条, 将原材料碎成小块后, 充分干燥(80℃), 然后充满氮气在裂解炉中(450℃)进行无氧热解2—8 h。最后, 停火冷却至室温。磨细过3 mm筛。得到的生物炭的pH值为10.3, C、H、N和O的总含量分别为72.38%、2.62%、1.19%和23.81%。硝态氮和铵态氮含量分别为0.52 mg/kg和1.86 mg/kg。

供试植物：刨花润楠苗木(购于广东省韶关市仁化县董塘镇苗圃)、梅叶冬青(购于广州市龙洞苗木公司)。

1.2 试验设计

试验于2014年11月在广州市华南农业大学资源环境学院农场, 体积为1 m×1 m×2 m、面积为2 m²的水泥池中进行, 共有12个水泥池, 每个水泥池作为一个小区。折合每个小区的面积, 生物炭与试验设置4个梯度的生物炭处理分别为：0、1.2、2.4、4.8 kg(林地施炭标准为12 t/hm², 相当于本实验1.2 kg处理)。N肥、P肥和K肥分别采用尿素、过磷酸钙和硫酸钾, 其施肥比例按照前人研究得出的刨花润楠种植的生物量最大的施用比例(尿素:过磷酸钙:硫酸钾=261:150:181, mg/株), 按照苗木数量换算分别为每个水泥池41.76 g尿素、24 g过磷酸钙和28.96 g硫酸钾的底肥。将各水平的生物炭与供试林地表层土混合, 再用工具将其充分翻搅均匀, 作为小区表层0—15 cm土层。先在每个水泥池底部填入80 cm厚度的广州红壤, 然后在每个水泥池上部填入施加了生物炭的林地表层土。每个处理3个重复, 所有处理随机排列。压紧至预定高度, 尽量使土壤与实际林地土壤状态接近。其表层土壤的基本理化性质如表 1。

每个水泥池均按9:6比例设置刨花润楠+梅叶冬青间作。按照梅花种植模式, 其模式见图 1。

1.3 样品采集与测定

生长指标的测定：分别在刨花润楠移栽后的4、8、12、16、20、24、28个月, 测量其株高、叶长、叶宽动态变化, 选取刨花润楠和望江南顶端的第3片复叶。每个处理选取3片测量, 取其平均值。

生物量测定：经过3年试验期后采用收获法测定植株的生物量。

土壤样品的采集与测定：试验苗木栽植后, 于2015年3月、2016年3月、2017年3月(其中, 试验初期2014年12月取样测本底值), 在每个小区内, 按S形曲线选择5个取样点, 每个取样点分0—15 cm和15—30 cm采集土壤样品, 将同土层的5个样品混匀成一个。将土样在室内自然风干2周后磨碎过筛, 采用电位计法(土:水＝1:1)测定土壤pH值; 采用重铬酸钾容量法测定土壤有机质; 采用半微量凯氏定氮法测定土壤全氮; 采用碱解扩散法测定土壤碱解氮; 采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定土壤全磷; 采用碳酸氢钠浸提-分光光度法测定有效磷; 采用氢氧化钠熔融-火焰分光光度计法测定土壤全钾; 采用NH₄OAc浸提-火焰分光光度计法测定速效钾。

1.4 数据统计

所有数据用Excel 2010和SPSS 19.0软件进行数据处理和方差分析, 多重比较采用最小显著差异法。

2 结果与分析 2.1 生物炭对刨花润楠幼苗生长动态的影响 2.1.1 生物炭对刨花润楠株高动态的影响

图 2所示为刨花润楠株高生长动态, 在移栽4个月后, 施炭处理高于CK, 但不同施用量间差异不明显。移栽8、12、16和20个月后, 相应处理下的增加幅度分别为5.71%、16.56%和30.02%, 8.85%、17.89%和29.90%, 18.04%、26.81%和34.75%, 13.59%、25.30%和34.41%。说明随着生长期的延长, 处理间差异逐渐增大。从研究所选取的整个生长期来看, 移栽12个月后到20个月间刨花润楠株高生长速度最高, 整个生长期持续保持较高的长势, 且各生物炭处理下长势均高于CK。

2.1.2 生物炭对刨花润楠叶长和叶宽动态的影响

图 3所示为刨花润楠叶长及叶宽生长动态。移栽4个月后, 施炭处理高于CK, 但不同用量间差异不明显, 随着生长期的延长, 各处理间的差异逐渐加大, 移栽20个月后, 施炭处理与CK间叶长和叶宽的差异显著(P < 0.05), 但各施用量间叶长差异不显著(P>0.05)。此期间叶宽与叶长的生长情况基本一致, 但与叶长不同的是, T2、T3处理间差异不显著(P>0.05), 但均与T1处理间差异显著(P < 0.05)。从研究所选取的整个生长期来看, 移栽后4个月到12个月间, 刨花润楠叶长和叶宽生长相对平缓。叶宽和叶长的增长速度最快, 长势最旺的时期分别为移栽12个月到16个月间和12个月到20个月间, 随后仍具有较高长势, 但逐渐趋于平缓。

2.2 生物炭对刨花润楠幼苗生物量的影响

图 4显示, 各用量施炭处理下刨花润楠地上部和地下部根系干重均高于CK。随生物炭施用量的增加, 地上部和地下部干重均表现为先升高后降低, 且T2处理下达最大。

2.3 生物炭对土壤pH及养分含量的年际动态影响 2.3.1 土壤pH和有机质

由图 5可知, 总体上看, 施加生物炭可增加3个年份0—15 cm土壤pH和有机质含量, 且均随着施炭量的增加而增加。施加生物炭较CK也可提高15—30 cm土壤pH。其中, 在2016年, 15—30 cm土壤pH随生物炭施用量的增加而增加, 在2017年, 不同处理间无显著性差异(P＞0.05)。在2015和2017年, 生物炭处理下15—30 cm土层有机质含量均高于CK处理, 但不同施用量间差异性不显著(P＞0.05)。在2016年, CK、T1、T2间差异性不显著(P＞0.05), 但T3显著高于其他处理(P < 0.05)。

2.3.2 土壤全氮和碱解氮

由图 6可知, 在2015年, 施炭对0—15 cm土壤全氮含量及15—30 cm土壤碱解氮无明显规律性影响, 增加了15—30 cm土壤全氮含量, 显著降低了0—15 cm土壤碱解氮含量(P < 0.05)。在2016年, 施炭处理降低了不同深度土壤全氮和碱解氮含量, 且T2对全氮下降幅度最大, T3对碱解氮下降幅度最大。在2017年, 施炭处理下不同深度土壤全氮和碱解氮含量均高于CK, 除0—15 cm土壤全氮在T1和T2处理下与CK间差异显著外(P < 0.05), 各处理间均无显著差异(P＞0.05)。

2.3.3 土壤全磷和有效磷

由图 7可知, 就0—15 cm土壤而言, 不同处理下土壤全磷和有效磷含量变化趋势一致。在2015年, 施炭处理下0—15 cm土壤全磷含量均高于CK, 有效磷含量除T1外均低于CK。在2016年, 各处理间差异不显著(P＞0.05), 除T2和T3较CK全磷有小幅度的降低外, 施炭处理较CK均有一定程度的增加。在2017年, 除T2和T3较CK全磷有小幅度的增加外, 生物炭对土壤全磷及有效磷含量的影响与2016年类似。就15—30 cm土壤而言, 土壤全磷含量在不同处理间无明显规律性变化, 有效磷含量则表现为施炭处理下高于CK, 但各施炭量间差异不显著(P＞0.05)。

2.3.4 土壤全钾和速效钾

由图 8可知, 就0—15 cm土壤全钾而言, 在2015年, 各处理间无显著差异(P＞0.05)。在2016年, T1处理高于CK, T2和T3处理则低于CK处理。在2017年, T1、T2和T3处理较CK有一定程度增加。3个年份不同处理间15—30 cm土壤全钾均无显著性差异(P＞0.05)。总体上, 3个年份0—15 cm和15—30 cm土壤速效钾均随生物炭施用量的增加而增加。

此外, 对比不同年份间的差异, 0—15 cm和15—30 cm土壤pH、全钾、碱解氮和速效钾及0—15 cm土壤全氮均呈现出2015年>2016年>2017年。15—30 cm土层全氮、0—15 cm和15—30 cm土壤有机质、全磷含量均表现为：2015年高于2016年和2017年, 2016年与2017年则无显著差异(P＞0.05)。土壤有效磷在不同年份间也无显著性差异(P＞0.05)。各处理下土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量均呈现出0—15 cm土层高于15—30 cm土层的趋势。与0—15 cm土层相比, 15—30 cm土壤受生物炭的影响较小。

2.4 刨花润楠生物量、土壤pH与土壤养分含量间的相关性分析

本研究生物炭施用在土壤0—15 cm表层, 因此, 刨花润楠生物量和土壤养分间的相关性分析仅用表层(0—15 cm)土壤的养分来分析。表 2结果显示, 刨花润楠地上和地下部生物量与表层土壤养分含量均呈正相关关系, 与土壤pH均呈负相关关系, 且地上部生物量与全钾相关性未达显著性水平(P>0.05), 与土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷含量间均呈极显著正相关(P < 0.01), 与土壤全磷和速效钾含量之间均呈显著正相关(P < 0.05), 地下部生物量与土壤各养分含量间均呈极显著正相关(P < 0.01)。

土壤pH与土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量之间均呈负相关关系, 其中与全氮和全磷的相关性达显著性水平(P < 0.05);土壤各养分含量间均呈正相关关系, 其中, 土壤有机质含量与全钾、有效磷和速效钾含量之间均呈显著正相关(P < 0.05);土壤全氮含量与全磷、全钾、有效磷、速效钾含量均呈显著正相关(P < 0.05), 与碱解氮含量呈极显著正相关(P < 0.01);土壤全磷含量与土壤全钾和速效钾含量均呈显著正相关(P < 0.05), 与有效磷含量呈极显著正相关(P < 0.01);土壤全钾含量与碱解氮和有效磷含量也均呈显著正相关(P < 0.05), 与速效钾含量呈极显著正相关(P < 0.01);土壤碱解氮含量与土壤有效磷、速效钾含量之间, 有效磷与速效钾含量之间均呈极显著正相关(P < 0.01)。综上所述, 刨花润楠生物量与土壤养分含量之间具有较大的正相关系数, 表明刨花润楠的生长与土壤的养分含量之间有密切的关系。

3 讨论 3.1 不同生物炭施用量对刨花润楠生长及生物量的影响

有关生物炭对作物生长及产量的影响已有不少研究。有田间试验表明, 添加生物炭对当年玉米产量较对照无显著影响, 但是从施用生物炭后的第二年(2016年)开始玉米产量显著增加。这些试验在不同土壤环境以及气候中, 其效应均有此表现^[12], 这可能与生物炭改善了土壤理化性状, 尤其是提高了土壤有效养分含量, 从而促进了作物生长有关^[13-14], 本研究结果显示, 施用生物炭初期对刨花润楠苗高、叶长和叶宽的增长有一定程度的促进作用, 但较CK差异不显著, 且该生长期内刨花润楠生长速度相对较为平缓。施用生物炭第二年开始, 刨花润楠的苗高、叶长和叶宽较CK差异逐渐增大并显著高于CK, 可能的原因是, 生长初期, 土壤养分充足, 刨花润楠对养分的吸收达高限, 生物炭固持土壤水分和养分促进植物生长的效应不明显, 而生长一年后, 土壤养分逐渐减少, 生物炭的促生作用才得以体现, 这与Major ^[12]和张娜^[15]等学者的研究结论一致, 同时, 与刨花润楠间作的梅叶冬青生物量也逐渐增大, 形成了更多的枯落物充当绿肥, 间作效应也逐渐增强, 促进了刨花润楠的生长, 因此第二年到第三年间其生长速度加快。随生长期的延长, 生长2年后, 生物炭处理下的刨花润楠株高、叶长和叶宽均显著高于CK处理, 收获时其植株干物质量对生物炭的响应也是如此, 但其增加幅度并非与生物炭施用量呈正比, T3处理下其株高、植株干重均小于T2。表明施用低量的生物炭有利于刨花润楠的生长与干物质积累, 与较低生物炭施用量相比, 高量生物炭施用对植物的生长发育影响则不显著。此外, 从种植后3年的整个生长情况来看, 适宜范围内施用生物炭具有明显的后发作用。植株在2015年、2016年、2017年3个生长期生长呈现出慢-快-慢的变化。

3.2 不同生物炭施用量对土壤pH、养分含量的影响

由于生物炭本身呈碱性, 因此施入土壤后可影响土壤pH, 尤其是对酸性土壤的影响尤为显著。试验中生物炭处理的土壤pH显著高于CK, 且随施炭量的增加而增加。各处理下土壤pH均表现为0—15 cm土层大于15—30 cm土层, 这与施炭时施于土壤上层, 因此生物炭对0—15 cm土壤pH的影响较15—30 cm显著有关。不同年份土壤pH呈现出2015年最高, 且随时间的推移逐渐降低的趋势, 其可能的原因是, 生物炭本身呈碱性, 施入土壤初期显著增加土壤pH, 但由于南方气候的原因, 降雨量大, 并多呈酸性, 导致生长后期土壤pH又逐渐回低。

土壤有机质含量在生物炭处理下显著高于CK, 并随施炭量的增加呈现持续增高的趋势, 且施用两年后(2017年)增长趋势仍然显著, 表明生物炭固持土壤有机质的性能具有长效性, 这与前人研究结果一致^[16-17]。究其原因, 多数学者认为生物炭通过吸附土壤有机质分子, 催化小分子有机质聚合形成土壤有机质; 另一方面, 生物炭自身含碳量高, 施入土壤后可以提高土壤有机质含量, 且分解速度非常缓慢, 可以对土壤肥力的提高起到长效作用^[18]。

施炭初期, 土壤全氮含量在0—15 cm和15—30 cm土层上均高于CK处理, 在2016年和2017年各处理间差异则不显著。这与张旭辉等^[19]和郭俊娒等^[20]研究结果一致。对于土壤全磷而言, 各年份低用量生物炭(T1)处理均显著提高0—15 cm土层全磷含量, 15—30 cm则只在2017年表现出一定的增加效应。0—15 cm和15—30 cm土层全钾含量在施炭后也略有增加, 但不显著, 与韩光明等^[21]的研究结果一致。

本研究中, 生物炭施入土壤后, 0—15 cm土壤碱解氮含量在2015年和2016年均表现为随施炭量的增加而降低, 15—30 cm土层则有所增加。到2017年, 上下层土壤各施炭处理间均无显著差异, 但均高于对照, 这与李明等^[22]水稻和玉米秸秆炭(500℃)的添加使红壤水稻土铵态氮减少, 而硝态氮积累增加的研究结果一致。造成这种现象的原因可能是施入生物炭后, 土壤pH值提高, 导致土壤养分有效性降低以及土壤中C/N比提高, 增强了土壤中有效氮的生物固定^[23-24], 从而限制了土壤氮素的利用, 而后期(2017年)土壤pH又逐渐降低, 使得该生物固定效应降低, 并且由于生物炭的吸附功能, 土壤碱解氮含量又逐渐小幅度增加。生物炭调节土壤有效氮含量以吸附土壤溶液中的硝态氮和铵态氮, 减少土壤氮的淋溶损失^[23]和促进土壤中有机态氮的矿化为主^[25], 表现出土壤碱解氮含量增加。

就土壤有效磷含量而言, 生物炭对其在0—15 cm土层中浓度的影响随着时间的推移逐渐显著, 在15—30 cm土层中则表现为生物炭处理下土壤有效磷含量均高于CK处理, 这与Su等^[26]在两年的温室盆栽试验中得出生物炭可提高土壤有效磷含量的结论一致。本试验供试土为酸性土壤, 施加生物炭后增加了土壤pH值, 降低了可交换铝水平, 释放闭蓄态磷, 从而增加土壤有效磷^[27], 但到2017年, 高施用量的生物炭并不能持续增加15—30 cm土壤有效磷含量, 这与高施炭量下C/N过高引起土壤中有效磷的生物固定, 同时加剧了Ca²⁺促磷酸根的沉降反应^[28]有关。且后期(2017年)土壤pH回低, 又减少了闭蓄态磷的释放。生物炭增加土壤有效磷含量的效应以吸附土壤溶液中的磷酸根, 减少有效磷的淋溶^[29]和促进土壤有机态磷的矿化作用为主^[30]。

本研究还发现, 施加生物炭可显著提高土壤中速效钾的含量, 且随生物炭施用量的增加而增加, 这与许多研究结果一致^[31-33]。生物炭能提高土壤速效钾含量, 一方面可能是由于生物炭本身富含较多的可溶性钾, 施入土壤后增加了土壤速效钾含量; 或者生物炭具有较大的比表面积和丰富的官能团, 可提高了土壤阳离子交换量, 从而增强了土壤中的钾离子的吸附^[34]; 另一方面可能是生物炭的孔隙结构能减小水分的渗滤速度, 减缓土壤中K⁺的淋失, 从而增加了土壤速效钾的含量^[35]。

此外, 从2015—2017年, 土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量随时间的推移均显著降低。究其原因, 一方面, 随着植物的生长, 植株对土壤养分的吸收量增加, 另一方面, 土壤养分随降水逐渐流失。本研究中0—15 cm土层的养分含量较15—30 cm土层的高, 其主要原因有3个方面点, 其一是基肥主要集中在0—15 cm土层, 并且上层土是林地表层土壤, 其养分含量本底值高于下层红壤土; 其二是水泥池中枯落物集中于土壤表层, 分解后增加了土壤表层养分含量; 其三是施用生物炭时是将其施于0—15 cm土层, 有利于0—15 cm土壤养分的固持。

3.3 刨花润楠生物量与土壤pH、养分含量之间的相关性

本研究中, 刨花润楠生物量与土壤养分含量呈显著或极显著正相关, 且地下部生物量与土壤养分间的相关性大于地上部, 说明刨花润楠的生长较大程度上有赖于土壤养分的供给, 并且对地下根系干物质量积累的影响更加直接。表明本研究中土壤养分含量是限制刨花润楠生长的重要因子。土壤pH与土壤全氮和全磷含量呈显著负相关, 说明pH影响了土壤氮、磷的形态分布。土壤各养分含量之间的相关性较大, 尤其是土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量两两间均呈极显著正相关, 土壤速效养分间的变化一致性可能与降水有关, 雨水冲刷一定程度上能同步影响土壤中各水溶态养分含量, 这与隋媛媛等^[36]和Mendham等^[37]的研究结论一致。

4 结论

(1) 施用生物炭后第2年(2016年), 刨花润楠生长速度较快, 其株高、叶长、叶宽等相比对照增加显著, 光合作用强度增加, 且T2处理下施炭效应最显著。2017年测定其生物量, T2处理对其植株干物质的积累促进效应最显著。

(2) 施用生物炭后对0—15 cm和15—30 cm土壤pH、有机质和速效钾含量的影响最明显, 均随施炭量增加而显著增加。施炭后第一年(2015年)及第三年(2017年)也显著增加0—15 cm土壤全氮含量。T1处理对土壤全磷含量的提高效应在3个年份都表现的较为明显。T2处理在2015年对土壤全钾含量有提高效应, 其他年份各处理下土壤全钾含量无显著差异。

(3) 整体来看, 不同处理下土壤中各养分含量均表现为0—15 cm高于15—30 cm, 且2015年土壤中各养分含量高于2016年, 2016年高于2017年。

(4) 刨花润楠生物量与0—15 cm土壤养分含量存在显著正相关性, 土壤pH与各养分含量间呈负相关关系, 各养分含量之间也存在正相关关系, 其中, 碱解氮、有效磷、速效钾含量两两间均呈极显著正相关。速效养分(碱解氮、有效磷、速效钾)含量高的土壤, 其他养分含量也高。

总体来看, 施用生物炭均能提高土壤养分含量, 促进了刨花润楠生长, 提高其干物质积累。在本研究中, 综合植株生长、土壤肥力等因素, 以T2处理综合效应最好。该研究为生物炭在林地的应用、人工林土壤质量管理和可持续经营等方面提供参考。