生物炭（biochar）是生物质在无氧环境条件下缓慢高温分解得到的富含碳的有机物质,是一种优良土壤改良剂、肥料缓释载体[1,2,3]。生物炭在土壤中能够保持长期稳定,可以改善土壤理化性质,提高土壤有机质、速效磷、速效钾和碱解氮等养分的含量,促进根系生长,提高作物产量等,在多种作物上均有一定的应用研究[4,5,6,7]。例如,土壤中施入生物炭能增加水稻生育前期根系的主根长、根体积和根鲜重,提高水稻根系总吸收面积和活跃吸收面积。在水稻生育后期,生物炭在一定程度上延缓了根系衰老[6]。施加生物炭可促进番茄根系发育并提高产量[7]。与纯施氮肥相比,生物炭和氮肥配施可显著提高土壤全氮和有机质含量,促进玉米根系生长以及对氮素的吸收[8]。生物炭与化肥配施3 a后显著增强了连作大豆土壤团聚结构,提高土壤总孔隙度,改善土壤物理性状[9]。
橡胶树（Hevea brasiliensis）原产于高温潮湿的亚马逊流域,是最重要产胶作物。我国的巴西橡胶树主要在海南、云南和广东三省栽培,是热带地区主要的人工林之一[10]。我国自20世纪50年代开始大规模植胶,经过60多年的发展,无论是天然橡胶总产量还是植胶面积都增长迅速。施肥是保证橡胶树增产稳产的基本措施,然而经过多年的植胶生产,各植胶区已面临单产提升困难、土壤酸度下降和土壤肥力总体呈下降趋势等重大问题[11,12]。在海南岛,许多胶园土壤有机质、全氮和速效钾含量较20世纪50年代降低了41%~48%[11, 13]。穴（沟）施肥料是一种局部施肥,主要利用橡胶树根系的趋肥特性培育庞大的营养根系,采用穴施的施肥穴中细根可占总细根的94.7%,而施肥穴外细根较少,主要为输导根[14]。其中,直径<2 mm的细根被认为是最重要的养分吸收根[15]。实际生产中,每年胶园管理要求采用大量压青的方式向胶园土壤补充养分,即将植物有机物施于施肥穴中。生物炭作为一种优良土壤改良剂和肥料缓释载体,对于生长在高温多雨、微生物活动活跃的热带地区砖红壤上的橡胶树是否可以促进其根系生长,并作为部分替代传统有机物料施用,目前尚未见有关报导。因此,开展这方面的研究具有重要意义。本研究以生物炭为原料,设置不同生物炭配比肥料,探讨施用生物炭对橡胶根系生长和橡胶园土壤理化性质的影响。
1 材料与方法
1.1 试验点概述
本试验地位于中国热带农业科学院试验场五队基地（19°32′N,109°14′E）,该地区为典型的热带海洋季风气候,年降雨量约为1600 mm,降雨主要集中在5—10月,年均温度为20.8~26.0 ℃。试验地土壤为片麻岩发育的质地较黏重的砖红壤,其基本理化性质为：容重1.41 g/cm3、有机质8.85 g/kg、全氮（N）0.73 g/kg、速效磷（P）15.11 mg/kg、速效钾（K）55.03 mg/kg、pH 4.73。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 试验于2015年6月—2015年11月进行。橡胶种植品种为热研7-33-97（1996年定植）。试验设置不同生物炭添加量,共5个处理,分别为常规橡胶专用肥（CK,对照）、1%生物炭+橡胶专用肥（1% BF）、5%生物炭+橡胶专用肥（5% BF）、10%生物炭+橡胶专用肥（10% BF）和15%生物炭+橡胶专用肥（15% BF）。生物炭购自河南三利源生物质炭公司（养分状况：全氮10.38 g/kg、全磷1.97 g/kg、全钾28.85 g/kg）。橡胶专用肥的配比为尿素、磷酸二铵和氯化钾的复混肥（N:P2O5:K2O=14:7:9）,每个处理施肥量为59.2 g（折合为47.4 kg/667 m2）。橡胶树虽然为高大乔木,但吸收养分的根系主要分布在土壤表层[16]。本研究中,试验处理在原有施肥沟对面离橡胶树半径1 m处向外开挖2个相邻的施肥穴,长宽深为0.2 m×0.2 m×0.3 m,一个用于测定容重,另一个用于测定根系、土壤养分和pH。近树干的一面刮平整,切断根系,远离树干一面及侧面用油毡纸隔开,各处理与风干土（过1 cm筛）以不同的质量比例混合均匀后施于施肥穴中。试验采用完全随机区组设计,每个处理重复6次。试验处理6个月后取样（图1）。
1.2.2 测定指标与方法 采用环刀法在观测点中间取0~5 cm土壤,取得样品后将环刀中的土壤转移至铝盒后盖上盖子密封,送至实验室,在105 ℃下烘干测定容重。根系取样时,将油毡纸外侧的土壤挖去,把油毡纸轻轻取下,用牙签由土块外侧开始轻轻地把根系附近的土壤剥离,避免弄断根系,直至到近树干的切面,用剪刀剪下根系放入冰盒中带回实验室,剥离的土壤放入布袋中带回实验室,用于土壤养分和pH的测定,取回的根系在空调控温的实验室内用流水冲洗,水槽中放置100目的筛子,防止根系被水冲走。洗干净的根系用软纸擦干其表面水分,然后用Epson扫描仪扫描,WinRHIZO图形分析软件分析,获得直径、根长、根体积、根表面积的数据,再称量测定鲜重。其中,根系直径<2 mm的划定为吸收根,>2 mm为非吸收根[11]。土壤养分测定指标为土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾,分别采用重铬酸钾容量法-外加热法、半微量凯氏定氮仪蒸馏法、HCl-NH4F浸提钼蓝比色法和醋酸铵浸提火焰光度计法测定[13];土壤pH采用pH计测定[17]。
1.3 数据分析
采用Excel 2010软件和SPSS 17.0软件进行数据处理和统计分析,采用最小显著差异法进行方差分析（P<0.05）。
2 结果与分析
2.1 不同生物炭用量下对橡胶树根鲜重的影响
由图2可知,随着生物炭用量的增加,橡胶根鲜重呈先增加后降低的趋势,其中5% BF浓度下根鲜重显著高于对照F处理,亦显著高于10% BF和15% BF的处理。吸收根鲜重占总根鲜重的比例介于64.8%~76.1%之间;不同处理吸收根鲜重的变化趋势及处理间的显著性差异与总根鲜重的变化相一致,而不同处理之间的非吸收根根重则无显著差异（P>0.05）。
图2 不同生物炭用量下根鲜重大写字母代表不同生物炭用量下根鲜重存在显著差异（P<0.05）;小写字母代表不同生物炭用量下不同级别的根鲜重存在显著差异（P<0.05）。 Fig. 2 Root fresh weight of various rates of biochar Different capital letters indicate statistically significant differences between treatments (P<0.05); lowercase letters indicate statistically significant differences in there spective root diameter (P<0.05). |
2.2 不同生物炭用量下对根长、表面积和体积的影响
由表1可以看出,随着生物炭用量增加,吸收根总长、表面积和体积呈现先升高后降低的趋势。添加生态炭的处理较CK处理促进了吸收根的生长,但仅在5% BF处理下达到显著差异水平。其中,15% BF处理明显抑制了根系的根长。除15% BF处理非吸收根根长显著高于10% BF处理外,不同处理间非吸收根的根长、表面积和体积不存在显著差异（P>0.05）。
表1 不同生物炭用量下根系形态大小（n=6）Tab. 1 Root morphology of various rates of biochar (n=6) |
| 处理 Treatment | 根长Root length/cm | 根表面积Root surface/cm2 | 根体积Root volume/cm3 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 吸收根 Fine root | 非吸收根 Non-fine root | 吸收根 Fine root | 非吸收根 Non-fine root | 吸收根 Fine root | 非吸收根 Non-fine root | |
| CK | 4507±812b | 188±33ab | 777±64b | 219±23a | 12.6±1.9b | 4.33±1.2a |
| 1% BF | 4791±1038b | 211±36ab | 911±128b | 250±43a | 16.5±2.8ab | 5.33±1.1a |
| 5% BF | 6865±889a | 216±19ab | 1276±93a | 268±34a | 20.5±2.2a | 6.41±1.6a |
| 10% BF | 4904±1209b | 163±21b | 839±89b | 220±22a | 13.3±2.1b | 4.38±0.9a |
| 15% BF | 2816±556c | 251±44a | 762±101b | 213±33a | 12.8±3.3b | 6.94±1.9a |
Note: Lowercase letters represent significant levels of difference at P<0.05. | |
注：同列数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 |
2.3 不同生物炭用量下对土壤理化性状的影响
生物炭中由于含有较多的养分,因此,随着生物炭量的增加,土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾的含量和pH呈逐渐增加趋势,而容重相反（表2）。施用添加5%或10%的生物炭时,有机质、全氮、速效磷和速效钾含量显著高于F或1% BF处理;土壤pH在添加至10%的生物炭时才显著高于对照处理。容重变化受生物炭的添加量的影响更明显,除1% BF和5% BF处理外,其余各处理间均存在显著差异（P<0.05）。
表2 不同生物炭用量下土壤理化性状（n=6）Tab. 2 Soil physical and chemical properties of various rates of biochar (n=6) |
| 处理 Treatment | 有机质 Organic matter/ (g∙kg-1) | 全氮 Total nitrogen/ (g∙kg-1) | 速效磷 Available phosphorus/ (mg∙kg-1) | 速效钾 Available potassium/ (mg∙kg-1) | 容重 Bulk density/ (g∙cm-3) | pH |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CK | 12.3±1.1c | 0.54±0.05b | 58.7±8.8c | 47.4±6.4c | 1.41±0.07a | 4.63±0.07c |
| 1% BF | 17.8±3.5c | 0.59±0.10b | 62.6±4.4c | 59.3±6.5c | 1.27±0.03b | 4.70±0.15c |
| 5% BF | 33.8±3.1b | 0.87 ±0.05ab | 86.2±5.2b | 138.5±27.9bc | 1.24±0.04bc | 5.29±0.30bc |
| 10% BF | 41.6±1.9b | 0.90±0.10a | 109.4±7.8a | 199.9±35.4ab | 1.19±0.02c | 5.95±0.22ab |
| 15% BF | 55.4±4.5a | 1.19±0.11a | 116.0±10.1a | 302.1±60.5a | 1.11±0.02d | 6.28±0.22a |
Note: Lowercase letters represent significant difference at P<0.05. | |
注：同列数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 |
2.4 土壤理化性状与吸收根的关系
吸收根作为根系吸收养分的主要部位,其生长、形态与受土壤理化性质影响。因土壤理化指标随着生物炭用量的增加均呈单一的增加或减少趋势,而吸收根重、形态变化则呈先升高后降低的趋势。相关分析表明（表3）,吸收根重、形态变化与土壤容重呈正相关,而与其他理化指标呈负相关,均无显著相关性（P>0.05）。
表3 土壤理化指标与吸收根重及根系形态相关性分析（n=15）Tab. 3 Relationships between soil physical and chemical indicators and weight and morphology of fine root (n=15) |
| 指标 Item | 有机质 Organic matter | 全氮 Total nitrogen | 速效磷 Available phosphorus | 速效钾 Available potassium | 容重 Bulk density | pH |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 根重Root weight | -0.14ns | -0.10ns | -0.22ns | -0.27ns | 0.01ns | -0.27ns |
| 根长Root length | -0.35ns | -0.36ns | -0.32ns | -0.48ns | 0.32ns | -0.40ns |
| 根表面积Root surface | -0.06ns | -0.02ns | -0.11ns | -0.19ns | 0.00ns | -0.17ns |
| 根体积Root volume | -0.14ns | -0.10ns | -0.22ns | -0.27ns | 0.01ns | -0.27ns |
Note: ns indicate no significant difference (P>0.05). | |
注：ns代表无显著性相关（P>0.05）。 |
3 讨论
3.1 施用生物炭对土壤养分的影响
生物炭作为一种优良土壤改良剂、肥料缓释载体,在多种作物上已有广泛施用的研究[18],如陈心想等[19]研究表明,随着生物炭施用量的增加,可显著增加种植糜子和小麦土壤有机碳含量,增幅为31.1%~272.2%,此外还可提高土壤速效养分含量,其中矿质态氮含量、有效磷和速效钾含量增幅分别为6.0%~112.8%、3.8%~38.5%和6.1%~47.2%。袁晶晶等[20]3年的研究结果亦表明施用生物炭可显著提高土壤有机质、全氮、全磷和全钾的含量。同时也提高了土壤中速效氮、磷、钾的养分含量。土壤养分含量随着生物炭施用量的增加而增加。橡胶树施肥通常采用挖施肥穴（沟）集中施肥,诱导根系生长,一般每年都采用施用有机肥、化肥、压青的方式补充橡胶树所需养分[14],但尚未见有关施用生物炭研究的报导。本研究结果与上述其他作物生物炭施用研究效果一致。即：表明施用生物炭能提高土壤养分含量,可为橡胶树提供必要的养分。
3.2 施用生物炭对橡胶根系生长的影响
橡胶根系的生长受土壤养分、容重和pH等的影响[21,22]。随着生物炭施用量的增加,土壤养分含量明显提高,土壤容重逐渐下降,均有利于诱导根系生长。然而,随着生物炭用量的增加,吸收根鲜重、根长等形态指标则是先升高后降低,根系生长与土壤环境因子无显著相关性,造成该现象的原因可能与生物炭用量较高而导致土壤pH提高有关。橡胶树适宜生长的土壤pH范围在4.5~5.5之间[23],因生物炭呈碱性,施用后可导致土壤pH提高[24],张文等[25]在生菜地施用0.5%~3.0%的生物炭提高了0.49~0.94个单位。而本研究提高了0.07~1.65个单位,当用量达到10%时,土壤pH接近6,超出橡胶树生长的最适宜范围,尽管土壤养分含量较高,容重下降,亦没有较对照显著促进根系生长。但施用5%时,pH为5.29,土壤养分含量较高,容重亦较适宜,根系较对照增长明显,亦优于其他处理。可见,施用5%的生物炭短期内可显著促进根系生长,但用量过大,反而起不到效果。因此,若在橡胶生产上施用生物炭,须注意用量控制。另外,施用生物炭对橡胶树根系的长期影响有待进一步研究。