生物炭和氮肥對(duì)沿海沙地鼓節(jié)竹筍生長(zhǎng)和光合特性的效應(yīng)

王希賢, 吳 君, 李 磊, 江登輝, 榮俊冬, 陳禮光, 賴東永, 鄭郁善,

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院，福建 福州 350002； 3.福建省東山赤山國(guó)有防護(hù)林場(chǎng)，福建 漳州 363400)

生物碳是一種富碳物質(zhì)，由生物質(zhì)不完全燃燒所產(chǎn)生，其可溶性低，抗氧化能力和抗生物分解能力強(qiáng)，具有極強(qiáng)的吸附能力[1-2]，適量的生物炭能有效改善土壤，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，過量的生物炭會(huì)影響土壤中的養(yǎng)分，對(duì)植物的生長(zhǎng)造成負(fù)面影響[3].生物炭的施加可以有效提高牡丹(Paeoniaostii)[4]、扁核酸紅棗(Ziziphusjujuba)[5]、錦葵(Malvasinensis)[6]等植物的產(chǎn)量，施加生物炭后，白芨(Bletillastriata)[7]、茄子(Solanummelongena)[8]的光合特性指標(biāo)均顯著升高，增加了植物對(duì)干物質(zhì)的積累.

氮素參與合成多種與光合作用和呼吸作用相關(guān)的化合物，生物炭的施加對(duì)土壤中的氮具有吸附性，影響土壤中氮素的循環(huán)和有效性，有助于提高植物的氮肥利用率[9-10].研究表明[11-12]，氮肥配施生物炭能顯著提高土壤中微生物活性與土壤酶活性，合理配施能夠顯著增加水稻的有效穗數(shù)和總穗量.但生物炭與氮肥多數(shù)應(yīng)用于作物類植物，目前關(guān)于沿海沙地土壤竹類植物上的氮肥與生物炭配施研究還未見報(bào)道.鼓節(jié)竹(Bambusatuldoides‘Swolleninternode’)為簕竹屬(Bambusa)，是栽培園藝變種，因竹竿下部的節(jié)間縮短膨大，桿形獨(dú)特，常作為優(yōu)良的園林觀賞性竹種[13].鼓節(jié)竹具發(fā)達(dá)的地下鞭根系統(tǒng)，在防止水土流失等方面效果顯著優(yōu)于其他樹種，鼓節(jié)竹能改善樹種結(jié)構(gòu)，豐富樹種多樣性，提高防護(hù)效能，其作為沿海沙地防護(hù)林已經(jīng)成功引種，但沿海沙地土壤貧瘠，肥力流失嚴(yán)重，提高土壤養(yǎng)分利用率是鼓節(jié)竹沿海防護(hù)林建設(shè)的關(guān)鍵因素.鼓節(jié)竹的出筍數(shù)與成竹率不僅關(guān)系著竹叢的新老交替，還對(duì)竹叢的可持續(xù)性發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，筍期養(yǎng)分需求量較大.以4年生的鼓節(jié)竹作為研究對(duì)象，在不同的氮肥和生物炭配施下，研究沿海沙地鼓節(jié)竹發(fā)筍末期的葉綠素含量、光合特性、出筍量以及成竹率的變化，為鼓節(jié)竹發(fā)筍末期的科學(xué)施肥及高效可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在福建省東山縣赤山國(guó)有林場(chǎng)進(jìn)行，該地位于福建南部沿海，東經(jīng)118°18′，北緯23°40′，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，終年無霜凍，年平均降雨量為1 134 mm，降水主要集中在每年的5—9月，旱季發(fā)生在11月至翌年2月，降水少，蒸發(fā)量大；年平均氣溫20.8 ℃，受季風(fēng)和臺(tái)風(fēng)影響較大，臺(tái)風(fēng)主要發(fā)生在夏季，年平均日照2 412.8 h.

1.2 試驗(yàn)材料

表1 因素與水平表Table 1 Factors and levels

表2 正交設(shè)計(jì)表Table 2 Orthogonal designTable

鼓節(jié)竹為多年生的一次性開花植物，筍期在夏秋兩季，8—10月為發(fā)筍末期.試驗(yàn)采用長(zhǎng)勢(shì)一致的4年生鼓節(jié)竹，3種生物炭(水稻、小麥、玉米)均為勤豐眾成生物質(zhì)新材料南京有限公司生產(chǎn)，在450 ℃厭氧環(huán)境下燒制而成；氮肥為尿素(含N 46%).

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水稻、小麥、玉米分別各設(shè)置3個(gè)水平，每叢100、400、1 200 g，配施3種水平的氮肥，每叢300、600、900 g，采用4因素3水平L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以不施肥做為空白對(duì)照(CK)，共10個(gè)處理，每個(gè)處理5叢，每叢5株.于2020年9月中旬，鼓節(jié)竹發(fā)筍末期時(shí)，在鼓節(jié)竹滴水線周圍開挖環(huán)狀施肥溝，將生物炭施入溝中，覆上表土；將氮肥均勻施撒在竹叢周圍的溝中，并澆水溶解.在施肥前和10月下旬，計(jì)算鼓節(jié)竹出筍率和成竹率，并在10月下旬進(jìn)行光合測(cè)定，從每叢鼓節(jié)竹的東南西北四個(gè)方向隨機(jī)摘取一定數(shù)量的葉片混合，進(jìn)行葉綠素測(cè)定(表1、表2).

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 鼓節(jié)竹出筍量和成竹率測(cè)定 記錄每叢竹子的出筍量及成竹情況，成竹率/%=各處理成竹數(shù)/各處理出筍數(shù)×100.

1.4.2 葉綠素測(cè)定 采用乙醇丙酮浸提法[14]對(duì)各處理的鼓節(jié)竹葉片進(jìn)行葉綠素測(cè)定.

1.4.3 鼓節(jié)竹葉片光合參數(shù)測(cè)定 在每叢標(biāo)準(zhǔn)竹中選取1株具有代表性的鼓節(jié)竹幼苗，在每株幼苗的中上部選擇無病蟲害且長(zhǎng)勢(shì)良好的功能葉片，除去葉面灰塵等雜物，使用Li-6400 XT便攜式光合作用系統(tǒng)(Li-Cor, USA)進(jìn)行氣體交換參數(shù)的測(cè)定，用設(shè)定光強(qiáng)為1 000 μmol·m2·s-1，氣體流速為(500±0.5) mmol·s-1，外接CO2小鋼瓶，CO2濃度為400 μmol·mol-1，測(cè)定時(shí)間8：30—11：30，每個(gè)處理設(shè)定3個(gè)重復(fù)；測(cè)定凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)等基本參數(shù)，并計(jì)算WUE(植物水分利用效率)=Pn·Tr-1；LS(氣孔限制值)=(Ca-Ci)·Ca-1，式中Ca為大氣 CO2濃度.

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析、方差分析和相關(guān)性分析，運(yùn)用模糊隸屬函數(shù)法進(jìn)行綜合分析得出最佳施肥處理.

隸屬函數(shù)公式為：

U(Xj)=(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(1)

U(Xj)=1-(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(2)

在式(1)和式(2)中，U(Xj)表示j指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值，Xjmin、Xjmax表示j指標(biāo)的最小值和最大值.當(dāng)所測(cè)定的指標(biāo)與苗木質(zhì)量呈正相關(guān)的時(shí)候采用(1)式計(jì)算隸屬函數(shù)值，反之，若當(dāng)所測(cè)定的指標(biāo)與苗木質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)的時(shí)候則采用(2)式進(jìn)行隸屬函數(shù)值的計(jì)算.

權(quán)重計(jì)算公式：

式中Vj表示j指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)，Wj表示j指標(biāo)在所有指標(biāo)中的重要程度，即權(quán)重.

綜合評(píng)價(jià)計(jì)算公式：

式中，D表示不同處理下鼓節(jié)竹性狀的綜合評(píng)價(jià)值.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭與氮肥配施對(duì)鼓節(jié)竹筍生長(zhǎng)指標(biāo)和葉綠素的影響

鼓節(jié)竹作為一種叢生竹，發(fā)筍數(shù)與成竹率關(guān)系著竹叢的更新?lián)Q代與可持續(xù)發(fā)展，不同生物炭與氮肥的配施均提高了鼓節(jié)竹發(fā)筍末期的出筍量和成竹率，處理后的出筍量為6.66～11.00個(gè)，處理5的出筍量最高，相比對(duì)照提高了83.3%，其次是處理3，與對(duì)照相比提高了66.7%，處理1和處理8的出筍量較少.各處理對(duì)成竹率的影響不同，處理5的成竹率最高，相比對(duì)照組提高了32.4%，處理3和處理7次之，相比對(duì)照組提高了20%.說明生物炭與氮肥的配施能有效地提高出筍量和成竹率(圖1).極差分析表明(表3)，3種因素對(duì)出筍量和成竹率的影響效應(yīng)為C>A>B，即氮肥用量的影響較大，其次為生物炭種類，生物炭用量影響較小.對(duì)出筍量影響的最優(yōu)處理為A2B3C3，對(duì)成竹率影響的最優(yōu)處理為A2B2C3.生物炭與氮肥配施能有效地提高出筍量，并且顯著提高成竹率，有助于鼓節(jié)竹的生長(zhǎng).

鼓節(jié)竹發(fā)筍末期，各處理對(duì)葉片葉綠素含量的影響不同(圖2)，處理5的葉綠素含量最高(2.79 mg·g-1)，相比對(duì)照提升了71.2%，其次是處理4，處理9的葉綠素含量最低.處理5與其余的處理組之間存在顯著性差異(P<0.05)，各處理的葉綠素含量均高于對(duì)照組(1.63 mg·g-1).說明生物炭與氮肥的配施能有效地提高鼓節(jié)竹葉片葉綠素含量.極差分析表明(表3)，3種因素對(duì)葉綠素的影響為C>B>A，對(duì)葉綠素影響的最優(yōu)處理為A2B2C3.

不同小寫字母表示同一指標(biāo)在不同處理間差異顯著( P<0.05).圖1 不同處理對(duì)鼓節(jié)竹出筍量和成竹率的影響Fig.1 Effect of biochar and N fertilizer applications on shoot yield and maturing rates of B.tuldoides

表3 不同處理對(duì)鼓節(jié)竹的影響1)Table 3 Effects of biochar and N fertilizer applications on photosynthetic characteristics and shoot yield of B.tuldoides

2.2 不同生物炭與氮肥配施對(duì)鼓節(jié)竹光合特性的影響

各施肥處理的鼓節(jié)竹Pn為1.01～3.64 μmol·m-2·s-1，相比對(duì)照組提高了46～427%，其中處理5的Pn最高，其次是處理4，3個(gè)因素對(duì)鼓節(jié)竹Pn的影響為C>B>A.各處理葉片Gs在0.013～0.029 mmol·m-2·s-1之間波動(dòng)，處理9的Gs最大，處理8的Gs最小，3種因素對(duì)Gs的影響效應(yīng)為C>A>B.各處理的Ci均高于對(duì)照組(160.1 μmol·m-2·s-1)，其中處理5最高(291.01 μmol·m-2·s-1)，處理6最低，3種因素對(duì)Ci的影響為C>B>A.施肥后的鼓節(jié)竹Tr均高于對(duì)照組，處理5的Tr比對(duì)照提升了216%，達(dá)到最大值，3種因素對(duì)Tr的影響為C>B>A.WUE能夠反映植物干物質(zhì)積累與用水量之間的關(guān)系，是評(píng)價(jià)植物在缺水狀態(tài)下生長(zhǎng)適宜程度的綜合指標(biāo)之一.處理5的葉片WUE最高(7.46 μmol·m-2·s-1)，處理6葉片WUE最低(3.56 μmol·m-2·s-1)，3種因素對(duì)WUE的影響效應(yīng)為C>B>A.氣孔限制值是植物在進(jìn)行光合作用時(shí)，由于Gs的下降，使得進(jìn)入氣孔的CO2量減少，最終導(dǎo)致光合作用效果減弱.處理1的鼓節(jié)竹氣孔限制值最大，處理2氣孔限制值最小，說明生物炭與氮肥能降低鼓節(jié)竹葉片氣孔限制值.不同的配方施肥均明顯提高了鼓節(jié)竹發(fā)筍末期的Pn、Tr和WUE，降低了氣孔限制值.3種因素對(duì)氣孔限制值的影響為C>B>A，生物炭與氮肥的配施對(duì)鼓節(jié)竹光合特性各指標(biāo)影響的最佳組合為A2B2C3.

不同小寫字母表示同一指標(biāo)在不同處理間差異顯著( P<0.05)圖3 不同處理對(duì)鼓節(jié)竹光合特性的影響Fig.3 Effects of biochar and N fertilizer applications on photosynthetic characteristics of B.tuldoides

2.3 不同生物炭與氮肥配施對(duì)鼓節(jié)竹的綜合評(píng)價(jià)

處理5的出筍量、成竹率和葉綠素含量隸屬函數(shù)值最高(表4)，說明處理5的出筍量、成竹率和葉綠素含量最佳.處理9的Gs隸屬函數(shù)值最高，說明處理9的氣孔導(dǎo)度最大，處理5的Pn和WUE均達(dá)到最佳.在Tr方面，處理6的Tr隸屬函數(shù)值最大，說明處理2的Tr最佳，LS和Ci為處理7的隸屬函數(shù)值最大.

表4 不同生物炭與氮肥配施對(duì)鼓節(jié)竹效應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)1)Table 4 Comprehensive evaluation of different combinations of biochar and N fertilizer

3 討論

氮肥與生物炭是促進(jìn)植物生長(zhǎng)的重要措施，氮元素是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中的主要營(yíng)養(yǎng)元素之一，施用氮肥能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)，使植物體內(nèi)干物質(zhì)增加，增強(qiáng)植物對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性和抗性.生物炭能減少氮肥的流失，改善土壤理化性質(zhì)，增強(qiáng)土壤肥力，促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收[15].關(guān)于的紅棗研究表明[16]，生物炭與氮肥的配施能顯著提高紅棗的產(chǎn)量和品質(zhì)，該研究結(jié)果與對(duì)蘋果[17]的研究結(jié)果一致.本試驗(yàn)結(jié)果表明，生物炭與氮肥配施對(duì)鼓節(jié)竹發(fā)筍末期的出筍量有顯著的提升作用，氮肥用量對(duì)出筍量有較大的影響，處理5的出筍量最大，說明氮肥含量與出筍數(shù)密切相關(guān)，氮肥的施用與出筍數(shù)成正比，再次驗(yàn)證了氮元素對(duì)發(fā)筍期的重要性.高濃度生物炭的促進(jìn)效果反而欠佳，可能是因?yàn)檫^量的生物炭使土壤的碳氮比增高，降低了土壤中有效氮素的有效性，導(dǎo)致植物對(duì)養(yǎng)分吸收效率降低，生長(zhǎng)發(fā)育受到限制.過量的生物炭會(huì)導(dǎo)致水稻產(chǎn)量降低，這與趙艷澤[12]的研究結(jié)果相似.因此，選擇適量的生物炭與氮肥的配比組合才能更好地促進(jìn)植物生長(zhǎng)，適當(dāng)減量才能使促進(jìn)效果達(dá)到最大化.

植物的光合作用和光形態(tài)建成主要在葉片中進(jìn)行，植物葉片的生理生化動(dòng)態(tài)能夠直觀地反映出植物生長(zhǎng)的優(yōu)劣以及各項(xiàng)生命活動(dòng)特征.光合作用是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)傳遞和能量流動(dòng)的重要過程，而葉綠素含量是反映光合作用強(qiáng)弱的重要指標(biāo)[18]，葉綠素含量越高，葉片光合作用能力越強(qiáng)，有機(jī)物的合成越多，對(duì)植物的生長(zhǎng)促進(jìn)作用增強(qiáng)，這與劉術(shù)均等[8]的研究結(jié)果一致.本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，生物炭與氮肥的配施對(duì)鼓節(jié)竹發(fā)筍末期葉片中葉綠素的含量有顯著提高作用，進(jìn)而影響植物凈光合作用和生長(zhǎng)發(fā)育，這可能是因?yàn)樯锾勘砻娑嗫资杷傻慕Y(jié)構(gòu)，增加了土壤對(duì)氮素的吸附性，減少沙地土壤中氮素的流失，使得鼓節(jié)竹能夠更好地在土壤中吸收養(yǎng)分.但當(dāng)生物炭用量在達(dá)到最佳促進(jìn)作用后，再繼續(xù)施用生物炭反而會(huì)降低促進(jìn)效果，葉綠素的含量隨著氮肥用量的增加呈現(xiàn)出持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，說明氮肥對(duì)鼓節(jié)竹葉片的葉綠素含量有著重要的作用，氮元素關(guān)系著葉綠素的合成，而生物炭則促進(jìn)了鼓節(jié)竹對(duì)養(yǎng)分的吸收.光合作用是植物生長(zhǎng)和代謝的生理基礎(chǔ)，葉片的光合特性主要集中體現(xiàn)在Pn、Tr、Gs、Ci、WUE和LS等方面[19].本試驗(yàn)結(jié)果表明，生物炭與氮肥的配施對(duì)鼓節(jié)竹發(fā)筍末期的Pn、Tr、Gs和WUE的影響與對(duì)葉綠素的影響一致，均有顯著的促進(jìn)作用，這可能是因?yàn)殡S著生物炭的施入，葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度的增加，鼓節(jié)竹捕獲更多的光能且吸收更多的CO2，進(jìn)而促進(jìn)了凈光合速率的提高.生物炭與氮肥的配施加快了鼓節(jié)竹的水分運(yùn)輸，提高了鼓節(jié)竹代謝物質(zhì)的合成、分解與轉(zhuǎn)化速率，利于植物葉片對(duì)氮元素的吸收，也促進(jìn)了對(duì)光合物質(zhì)的合成，從而提高植物的光合作用，隨著生物炭和氮肥的施入，Ci和LS均有所降低.有研究表明[20]，施用生物炭能有效地提升毛竹葉片的Pn、Tr、Gs和WUE，Ci和LS，在谷子(Setariaitalica)[21]、番茄(Lycopersiconesculentum)[22]的研究中再次驗(yàn)證了此觀點(diǎn).

4 結(jié)論

生物炭與氮肥的配施能夠有效地提升鼓節(jié)竹的葉綠素含量，有效提高鼓節(jié)竹葉片的光合特性，從而促進(jìn)鼓節(jié)竹的生長(zhǎng)，進(jìn)而提高鼓節(jié)竹的出筍量和成竹率.400 g·叢-1小麥生物炭配施900 g·叢-1氮肥對(duì)鼓節(jié)竹出筍末期的出筍量、成竹率和光合特性的影響效果最佳.這為今后在沿海沙地促進(jìn)鼓節(jié)竹生長(zhǎng)及演替提供了理論基礎(chǔ).

在生物炭種類、生物炭用量和氮肥用量因素中，對(duì)鼓節(jié)竹出筍末期影響最大的是氮肥用量，生物炭用量次之.在3種生物炭中，小麥生物炭的表現(xiàn)最好，這可能是與小麥生物炭制作的工藝過程有關(guān)，或是因?yàn)樾←溕锾恐杏心撤N物質(zhì)能更好地促進(jìn)鼓節(jié)竹對(duì)養(yǎng)分的吸收，需要更深入的研究以探明其作用機(jī)理.