生物炭与菌肥配施对元宝枫育苗基质性质及幼苗生长的影响

作者:未知

  关键词:生物炭;菌肥;基质性质;元宝枫;生理生长特性
  生物炭(biochar)通常指农林废弃物等生物质在缺氧条件下不完全燃烧产生的富碳产物,炭化后具有多微孔结构和较大的比表面积,施入土壤后能够降低土壤容重,改善土壤结构性,增加土壤中的有效养分,提升肥料利用率[1-2]。相关研究表明,单施生物炭能够促进作物生长或增产,而生物质炭与有机肥料配施能够更有效地提高土壤肥力,且不同配施方式生物质炭对土壤改良作用不尽相同,对作物的生长发育影响也不同[3-4]。菌肥是一类含有活性物质且可以获得特定肥料效应的生物制品,菌肥中含有大量有效活菌,可以优化土壤微生物种群结构,提高土壤微生物量碳、氮含量,增强土壤酶活性,促进植物对养分的吸收[5-8]。Rong等研究认为,生物炭的多孔结构有益于土壤微生物存活,将生物炭与肥料配施,可以起到缓释土壤养分的作用,而菌肥的作用机制是依靠大量的有益微生物来改善土壤的微生物群落结构,从而提高土壤养分利用效率[9]。表明生物炭和菌肥可以形成互补机制,作为菌肥的增效载体共同促进植株的生长发育。目前,大多数研究者利用生物炭的碱性来改良酸化土壤或中性土壤,将生物炭运用到育苗基质改良中的研究还鲜有报道。
  元宝枫(Acer truncatum Bunge)是槭树科(Aceraceae)槭树属植物,其根系较深,具有耐旱、抗寒、抗风害等特点,是兼有观赏价值和经济价值的优良树种;其种仁含油率极高,且油中富含神经酸;其叶及种皮中也含有大量有益的生物活性物质,如黄酮、绿原酸、多糖、维生素、氨基酸、超氧化物岐化酶(SOD)等;其木材是制作家具的优质材料,种仁油渣可综合利用,树皮及果叶都可提取栲胶[10-11]。现阶段,元宝枫籽油、枫叶生物活性物质作为保健食品和医药方面的新型优质原料,经常面临原料紧缺的状况,因此,须要加快培育优质元宝枫苗木,而元宝枫幼苗的培育須要重视苗木培育基质,普通的苗木基质已经不能满足培育优质壮苗的需要。本研究利用生物炭的性能结合菌肥试验,研究不同用量菌肥与生物炭结合对基质pH值、基质养分含量、基质酶活性及元宝枫幼苗生长的影响,以期获取改良基质,为培育优质元宝枫苗木提供理论依据。
  1 材料与方法
  1.1 研究区概况
  试验地点为云南磷化集团有限公司,位于云南省昆明市晋宁区(地理位置为24°68′N,102°58′E),属亚热带高原季风气候,年均降水量为904.4 mm,年均气温为15 ℃。
  1.2 试验材料
  供试土壤取自云南省昆明市晋宁区云南磷化集团有限公司大田,土壤类型为红壤,土样取回后自然晾干,粉碎,过2 mm筛后备用,并进行背景值分析,供试土壤基本性状见表1;试验选用长势一致的一年生元宝枫幼苗;试验用花盆直径为25 cm,高 30 cm,每个盆中均装入相同配比基质(珍珠岩、泥炭土、红壤体积比为7.5 ∶ 0.5 ∶ 2.0)。基质材料为春城牌膨胀珍珠岩,丹麦品氏泥炭土;生物炭为永安优选炭业有限公司生产的椰壳炭(氮质量分数<0.5%,碳质量分数=63.37%,氢质量分数=35%),菌肥为山东绿陇生物科技有限公司生产的菌肥(有效活菌数含量≥200亿CFU/g)。
  1.3 试验设计
  每个花盆中均加入等量(1.3 kg)基质,按照不同处理,将生物炭、菌肥与基质混匀待用。其中生物炭(A)设置0、20 g/盆,菌肥(B)设置4个梯度,分别为0、10、20、30 g/盆,共3种处理(无添加CK、单施生物炭、生物炭与菌肥配施),即5种处理组合,分别为CK、AB0、AB1、AB2、AB3,生物炭与菌肥施用量见表2,每个处理组合重复10次。
  1.4 测定内容与方法
  1.4.1 基质性质测定 于苗木移栽90 d后对上述基质的性质进行测定[12]。有机质含量采用重铬酸钾-硫酸外加热法测定;土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定;土壤全磷含量、全钾含量采用硫酸-高氯酸消煮法测定;土壤速效磷含量采用盐酸-氟化铵浸提法测定;土壤速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定;pH值用pH计测定;蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸法测定;过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定;脲酶活性采用钼蓝比色法测定。不同指标均重复测定3次。
  1.4.2 生理指标测定 于2019年7月8日进行植物生理指标测定,每个处理抽取3株,选取植株自上而下的第3、第4张叶片进行净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(T)、叶绿素含量、叶片水分利用效率(WUE)的测定,其中净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度、蒸腾速率、叶片水分利用效率等用Li-6400XT便携式光合作用测量系统进行测定,叶绿素含量用无水乙醇法测定[13]。
  1.4.3 生长指标测定 元宝枫幼苗于2018年12月18日移栽,平均株高为30.46 cm,平均茎粗为 4.43 mm,从幼苗移栽日至2019年2月底期间幼苗均处于生长休眠期,2019年3月上旬才陆续发芽、发叶,2019年3月8日每个处理选取3株长势均匀的幼苗测定株高、茎粗,试验期间不进行任何施肥处理,仅定期浇水。
  生长指标与生理指标同期测定,株高测从基质表面到顶芽底部的高度,用直尺(精度1 mm)测定;茎粗用游标卡尺(精度0.1 mm)测定;单株叶面积用Li-300A便携式叶面积测量仪测定;根系体积用排液法测定;于2019年7月8日从每个处理中选取3株长势一致的幼苗,对株高、茎粗进行复测,与2019年3月8日测定的幼苗株高、茎粗数值比较以获得株高增长量和茎粗增长量等数据。
  1.5 数据处理与分析
  试验数据用WPS 2010进行数据处理和图表绘制,采用SPSS 22(IBM SPSS Statistic)软件对数据进行统计分析。
  2 结果与分析   2.1 不同处理育苗基质理化性质比较
  从表3可以看出,物理性质方面,不同处理基质容重、总孔隙度与CK差异显著。单施生物炭、生物炭与菌肥混施均可降低基质容重、提高基质总孔隙度,且AB3处理的效果最好,显著降低了基质容重,提高了基质总孔隙度;与CK比较,单施生物炭容重降低29.6%,总孔隙度提高26.7%;生物炭与菌肥混施更好地降低了土壤容重,提高了土壤总孔隙度,与CK比较,其中AB3处理容重降低40.0%,总孔隙度提高34.5%。化学性质方面,不同处理与CK比较各项指标均差异明显。有机碳含量、全氮含量、碱解氮含量、全磷含量、速效磷含量、全钾含量、速效钾含量均随着菌肥施用量增加而呈增加的趋势,其他处理各项化学性质指标均高于对照(除AB0处理基质速效磷含量外),其中菌肥高施用量处理(AB3)有机碳含量提高 38.5%,全氮含量提高89.1%,碱解氮含量提高 53.6%,全磷含量提高168%,速效磷含量提高 21.1%,AB0处理全钾含量最高,比对照提高 18.9%,AB2处理速效钾含量最高,相较于对照提高66.1%。
  2.2 不同处理基质酶活性比较
  从表4可以看出,不同处理基质的过氧化氢酶活性、脲酶活性、蔗糖酶活性变化情况。与CK比较,单施生物炭处理过氧化氢酶活性、脲酶活性分别降低15.79%、10.41%,而蔗糖酶活性提高1175%;生物炭与菌肥混施中高用量、中用量菌肥处理(AB2、AB3)的基质酶活性均显著提高,过氧化氢酶活性分别提高42.11%、17.54%,脲酶活性分别提高136.20%、105.43%,蔗糖酶活性分别提高10470%、167.40%,低菌肥施用量与生物炭配施处理(AB1)仅仅提高了基质的脲酶活性;与单施生物炭相比较,生物炭与菌肥配施处理均提高了基质中酶活性。
  2.3 不同处理对元宝枫幼苗生理特性的影响
  从表5可以看出,与CK比较,单施生物炭处理幼苗的叶绿素含量、Pn、Ci、Tr、WUE、Gs均降低;生物炭与菌肥配施处理幼苗的叶绿素含量、Pn、Gs、Ci、Tr均有所提高,但WUE降低,其中AB1处理叶绿素含量最高,提高 7.2%,AB2处理对Pn、Tr影响显著,分别提高37.3%、38.0%,AB3处理对Gs、Ci影响显著,分别提高187.5%、11.0%。与CK的各项生理指标比较,生物炭与菌肥配施处理对各项生理指标的影响明显。
  2.4 不同处理对元宝枫幼苗生长特性的影响
  从表6可以看出,不同处理对元宝枫幼苗的株高增长量、茎粗增长量、单株叶鲜质量、单株叶面积、根系体积的影响。与CK相比,单施生物炭抑制了幼苗地上部分生长,株高增长量、茎粗增长量、单株叶鲜质量、单株叶面积均降低,分别降低5317%、27.50%、36.53%、48.74%,但根系体积提高;生物炭与菌肥混施处理幼苗株高增长量、茎粗增长量、单株叶鲜质量、单株叶面积、根系体积均提高,表明生物炭与菌肥混施能够有效促进元宝枫幼苗的生长,其中AB2处理可以显著提高幼苗株高增长量、茎粗增长量、单株叶鲜质量、单株叶面积,各项指标比CK分别提高92.0%、97.5%、28.4%、475%,AB3处理根系体积显著增加,比CK增加57.57%。
  2.5 基质理化性质与幼苗生长指标相关性分析
  基质理化性质与元宝枫幼苗各项生长指标之间的相关性分析结果见表7,总体上,基质容重与元宝枫幼苗各项生长指标(水分利用效率除外)呈负相关,基质总孔隙度与元宝枫幼苗生长各项指标(水分利用效率除外)呈正相关;pH值、有机碳含量、全氮含量、速效磷含量、速效钾含量、酶活性与元宝枫幼苗生长各项指标(水分利用效率除外)呈正相关,其中基质pH值与幼苗Gs、Ci、茎粗增长量、株高增长量、根系体积呈显著正相关(P<0.05);基质全氮含量与Ci呈显著正相关(P<0.05),与Gs、根系体积呈极显著正相关(P<0.01),相关系数分别为0.902、0.993;基质速效磷含量与幼苗Pn、Tr、单株叶面积、单株叶鲜质量呈显著正相关(P<005),与叶绿素含量、茎粗增长量、株高增长量呈极显著正相关(P<0.01),相关系数分别为0.920、0.891、0.967;基质全磷含量与WUE呈显著正相关(P<0.05),与幼苗其他各项指标均无显著相关性;基质速效钾含量与Pn、Ci、根系體积呈显著正相关(P<0.05);基质过氧化氢酶活性与单株叶面积、单株叶鲜质量呈显著正相关(P<0.05);基质脲酶活性与Pn、Ci、Tr呈显著正相关(P<0.05),与单株叶面积、单株叶鲜质量呈极显著正相关(P<0.01),相关性系数分别为0.860、0.867;蔗糖酶活性与Gs、单株叶鲜质量、根系体积呈显著正相关(P<0.05),与Ci呈极显著正相关(P<0.01)。
  3 讨论与结论
  3.1 添加生物炭与菌肥对基质理化性质的影响
  生物炭、菌肥加入基质后各项性质会因土壤类型、水热条件不同而产生差异,育苗基质的性质直接影响幼苗的栽培效果, 目前还未见作物栽培基质的标准化性状参数[14]。相关研究表明,理想栽培基质容重为0.1~0.8 g/cm3,总孔隙度为54%~96%,pH值以弱酸性或中性为宜[15]。本试验中,总体上基质的化学性质与幼苗的各项性质呈正相关,除CK外其他4种处理的容重及总孔隙度均在此范围内,pH值均为弱酸性,单施生物炭或生物炭与菌肥配施处理均能显著降低基质容重、增加基质孔隙度、降低基质酸性,对基质结构和物理性质起到了改良作用,与CK相比,AB0处理基质容重下降4522%,AB3处理基质总孔隙度提升34.48%;与CK比较,AB0处理基质的全氮含量、碱解氮含量、全钾含量、速效钾含量、全磷含量均提升,但速效磷含量降低30.60%,生物炭与菌肥配施处理基质的养分含量随着菌肥施用量增加而增加,且AB3处理效果较好,说明生物炭、菌肥均能够有效提升基质肥力,且生物炭与菌肥配施能够减少基质中速效养分的流失。相关研究表明,植烟地施加生物炭与菌肥比单施菌肥能够更好地降低土壤容重,增加土壤孔隙度,并能显著提高土壤速效钾及有机碳含量,在总体上提升土壤肥力[16-17]。本研究结果与之相似,说明基质的理化性质能够直接影响幼苗的生长发育[18]。生物炭和菌肥配施使得生物炭的特性与菌肥形成了互补机制,更好地激发了二者之间对于基质养分的效用,起到了改良基质的作用。   3.2 添加生物炭与菌肥对基质酶活性的影响
  土壤酶是土壤的组成部分,能够反映土壤生物活性的高低,表征土壤养分转化的快慢,可以作为土壤肥力的指标,脲酶活性可以表征基质中氮的转化,蔗糖酶活性可表征基质中有机质含量、微生物数量及活动能力,过氧化氢酶活性可表征基质对土壤毒害作用的抵御能力[19-20]。相关研究中施用生物炭对土壤酶活性的影响结果不一,有提高[21],有降低[22],这可能与土壤、生物炭自身性质不同有关;本试验中,各处理间的过氧化氢酶活性、脲酶活性大小关系分别表现为AB2>AB3>CK>AB1>AB0、AB2>AB3>AB1>CK>AB0,蔗糖酶活性大小关系表现为AB3>AB2>AB0>CK>AB1,生物炭与菌肥配施处理基质酶活性显著提高,且酶活性与幼苗生理生长指标均呈正相关,说明基质中添加生物炭和菌肥可以有效改变基质微生物环境,酶活性增强使得基质中微生物活性增强,促进基质养分转化,最终促进了幼苗的生长发育。相关研究表明,施加菌肥能有效提高土壤酶活性,能够促进平邑甜茶幼苗的生长,且生物炭与菌肥配施较单施菌肥土壤酶活性增幅更大,能够更好地提升平邑甜茶幼苗的生物量积累,促进幼苗根系发育[23-24]。本研究中生物炭添加菌肥处理可以促进元宝枫幼苗生长发育的研究结果与之相似。
  3.3 添加生物炭与菌肥对幼苗生长、生理特性的影响
  生物质炭化学性质稳定不易分解,但不能作为养分的直接来源,但生物质炭可以作为肥料的载体,吸附缓释养分,提高肥料利用率,进而改善幼苗生长、生理特性[25]。光合作用是植物生长代谢最基本的物质和能量来源,净光合速率的大小可以表征植株生长发育过程中生长代谢的水平,而叶绿素含量的高低很大程度上反映了植物的生长状况和光合能力,气孔导度、叶片水分利用效率是表征植物的耐受性[26],测定元宝枫幼苗的生长生理指标,可以综合反映不同处理基质对幼苗生长的影响。本试验中,单施生物炭处理在幼苗生长特性指标方面总体表现出抑制,黄晓丽等研究表明,生物炭能促进美国红枫幼苗生长[27],这可能是由不同树种自身生长发育特点、以及试验区域的差异引起的。孙琪然等研究表明,生物炭与菌肥配施比单施生物炭、单施菌肥,能够更好地提升平邑甜茶幼苗的生物量积累,促进幼苗根系发育[28]。与CK比较,单施生物炭处理幼苗的各项生长生理指标均降低,生物炭与菌肥配施处理(AB1、AB2、AB3)总体表现显著促进幼苗生长发育,其中株高增长量、茎粗增长量大小关系表现为AB2>AB3>AB1,单株叶面积、单株叶鲜质量大小关系表现为处理AB2>AB1>AB3,根系体积大小关系为处理AB3>AB2>AB1,总体上高菌肥施用量对幼苗地上部分表现出生长抑制,对地下部分表现出生长促进。生物炭与菌肥配施的叶绿素含量、Pn、Gs、Ci、Tr均有所提高,其中AB1处理叶绿素含量最高,比CK提高7.2%,AB2的Pn、Tr较高,分别比CK提高37.3%、38.0%,AB3的Gs、Ci最高,分别比CK提高187.5%、11.0%。表明基质的养分转化吸收过程复杂,不仅与基质养分含量和不同养分之间的相互作用密切相关,还与幼苗的生理生长特性有关。
  单施生物炭、生物炭和菌肥配施均可降低基质容重,增加基质总孔隙度,改善基质酸碱性,提高基质养分含量,总体上基质养分含量隨菌肥施用量增加而增加,其中AB3处理对基质有效养分提升效果最优,碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量,与CK比较分别提高53.57%、21.07%、64.59%。总体上,基质容重与元宝枫幼苗各项指标呈负相关,基质总孔隙度与元宝枫幼苗各项指标呈正相关;pH值、有机碳含量、全氮含量、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、酶活性与元宝枫幼苗大多数指标呈正相关,表明基质理化性质直接影响了幼苗的生长发育,适宜的基质能够促进幼苗的生长。综合考虑经济效益,AB2处理基质可用于改良基质及培育元宝枫优质壮苗,并可作为优良基质在生产上推广应用。
  从本试验结果可知,生物炭与菌肥合理配施是提升基质肥力、培育壮苗的关键。但本研究只是针对现有基质结合生物炭及菌肥的性能对元宝枫幼苗基质的改良,试验设置还比较单一,如要获得其他苗木的改良培育基质可在本研究的基础上改变生物炭及菌肥施用梯度设置,将可获得更多可用的苗木基质改良配方。
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