施用生物炭对亚热带红壤区土壤肥力及黑老虎生长的影响

梁忠厚，李有清

(湖南环境生物职业技术学院园林学院, 湖南 衡阳 421005)

【研究意义】黑老虎[Kadsuracoccinea(Lem.)A. C. Smith]为五味子科南五味子属木质藤本植物，是一种极具价值的多功能植物，其根茎为传统民间中药[1]，果实营养味美且形态特异可供观赏[2]。长期以来，黑老虎主要作为中药材使用，且其药材主要来源于野生黑老虎资源，造成黑老虎野生资源的破坏性开采，不仅导致黑老虎种质资源的流失，还严重破坏了开采地的生态环境[3]。黑老虎的人工栽培，增加了黑老虎药材的市场供应，有利于保护黑老虎种质资源和减少生态环境破坏。【前人研究进展】但目前黑老虎人工栽培数量不多，主要是其栽培技术还不成熟，其栽培的黑老虎药材在产量和品质上亟待提高。当前关于黑老虎人工栽培技术的研究很少，未见文献报道。在南方红壤区推广种植黑老虎面临一个重大问题，即南方红壤酸度较高，不利于喜微酸和中性土壤环境的黑老虎生长发育，且红壤有机质含量偏低，保水保肥能力较差。为此，提高黑老虎人工栽培效果的首要问题是提高土壤质量。生物炭作为一种新兴的土壤改良剂，已经成为当前土壤学、农学、生态学等的研究热点，且目前国内外在黑老虎人工栽培中还未见有使用生物炭的报道。生物炭(Biochar)一般是指生物质如畜禽粪便、农作物废弃物等在无氧或者少氧以及高温(300～700 ℃)条件下热裂解而形成的固态碳化物质，具有原料来源广、生物惰性较高、较高的pH、较大的孔隙度和比表面积和较高的阳离子交换量等特点[4]。研究表明，土壤中添加生物炭能够显著促进植物生长、提高作物产量和品质、提高土壤肥力和实现固碳减排[5-7]。但也有相反的研究结论，认为生物炭的应用存在较多不确定因素，对农作物的提升不明显甚至降低农作物生产效率[8]。【本研究切入点】考虑到生物炭在其它植物栽培中有较多成功的应用案例，为验证并探明生物炭在黑老虎人工栽培中应用的效果与潜力。【拟解决的关键问题】本研究首次在林下栽培黑老虎土壤中施入不同梯度用量的生物炭，分析其对土壤肥力及黑老虎生长和品质的影响，以期为生物炭在林下栽培黑老虎中的应用以及红壤改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016-2018年湖南省衡阳市石鼓区湖南环境生物职业技术学院产业园示范基地(110°32′16″～113°16′32″E，26°07′05″～27°28′24″N)开展，该区域位于衡阳市区西北部，属亚热带季风性湿润气候，气候温和，四季分明，雨量充沛，光热资源丰富，年平均气温17.9 ℃，年平均降雨1300 mm，平均蒸发量1173 mm，最大风速为12.7 m/s。土壤类型为红壤。

1.2 供试材料

黑老虎种苗为来自通道黑老虎中药材合作社的苗龄1年的实生苗，选取其中株高、地径和长势较一致的种苗120株。生物炭来自广东百林公司的稻壳生物炭。施用的农家肥由湖南环境生物职业技术学院小型养殖场提供的牲畜粪便堆肥发酵制成。供试生物炭和土壤基本理化性状如表1。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计与种植管理 试验设4个处理，分别为对照CK(不添加生物炭)，T1(生物炭施用量为10 t/hm2)，T2(施用量为20 t/hm2)，T3(施用量为30 t/hm2)。黑老虎种植采用林下树行间搭架移栽的方式，藤架上方0.5 m处再搭架，便于盖遮阳网。藤架为十字形，每根竹竿移栽一株，株行距为1 m×1 m。藤架下方起垄，垄高0.3 m，长5 m，宽2 m。每个垄移栽10株，一个垄为一个小区。每个处理重复3次，即有12个小区。各小区随机排列。

生物炭施用方法为均匀铺排于垄上，人工翻耕混匀，翻耕深度为15 cm。除生物炭施用量不一致外，所有小区的施肥、浇水、遮荫等管理均一致。黑老虎种苗于2016年5月7日全部移栽，浇透水，农家肥和生物炭一起施入土壤，施用量为15 t/hm2。

1.3.2 取样与测定 指标测定类别分为土壤指标，生长指标，生产指标3大类。其中土壤指标包括土壤有机质(SOM)，全氮(TN)，速效氮(AN)，全磷(TP)，速效磷(AP)，全钾(TK)，速效钾(AK)，土壤容重(SBD)，阳离子交换量(CEC)，土壤含水率(SWC)，pH，以评价施用生物炭对红壤区土壤肥力的影响；生长指标包括株高(皮卷尺)，地径(游标卡尺)，净光合速率(Pn)、气孔导度(Cond)、胞间CO2浓度(Ci)以及蒸腾速率(Tr)，用Pn和Tr之比计算水分利用效率(WUE)，以评价施用生物炭对黑老虎生长速度和光合作用的影响；生产指标包括生物量(以干重计)，总木脂素含量，以评价施用生物炭对黑老虎生产效果的影响。

株高和地径的测定时间为移栽后第30、60、90、120、150、180、210、240、270天，共计9次。株高以皮卷尺测定，地径以游标卡尺测定，均为每个小区随机测定5株。土壤取样时间为2018年，每个小区用取土器按“S”形随机取5点，取土深度为0～20 cm，检出石子、草根等等杂物，然后混匀，用四分法取对角两份土壤混合，自然风干，分别过40目筛和100目筛，装袋待测。土壤肥力指标根据《土壤农化分析》(鲍士旦著)一书所述方法测定，土壤含水率以“称重法”测定，容重以“环刀法”测定，土壤pH用pH计以水土比2.5∶1测定。用Li-6400光合作用测定系统测定黑老虎光合指标，于2018年3月5测定，当日天气晴朗。生物量于光合指标测定后取样，每个小区随机取3株，然后将地上部与地下部分开，洗净根系，在105 ℃下杀青半小时，于80 ℃烘箱中烘干，称重；黑老虎根粉碎待测；黑老虎根的总木脂素含量按照紫外分光光度法测定[9]。

表1 供试土壤(0～20 cm)和生物炭基本理化性状

1.4 数据统计与分析

数据用Excel 2007整理，用SPSS18.0进行单因素方差分析、Duncan多重比较以及Person相关性分析(双侧)，Sigmaplot12.5作图。

2 结果与分析

2.1 施用生物炭对红壤肥力的影响

如图1A所示，土壤中添加生物炭对土壤全氮和速效氮含量均有显著影响(P<0.05)。在生物炭施用量小于20 t·hm-2时，土壤全氮和速效氮含量随施用量增加而增加，施用且施用生物炭与不施用生物炭之间有显著性差异，但施用生物炭处理之间无显著性差异。最高生物炭用量下(30 t·hm-2)，土壤全氮和速效氮含量反而与对照比有所降低，无显著性差异。所有处理中，以T2处理土壤全氮与速效氮含量最高，分别比对照高出13.3 %和4.2 %。

如图1B所示，添加生物炭显著提高土壤有机质含量，显著降低土壤容重(P<0.05)。随着生物炭施用量的增加，土壤有机质呈逐渐升高的趋势，且各处理差异显著(P<0.05)。其中以T3处理对土壤有机质含量的提升幅度最大，分别比CK、T1、T2高出20.4 %、11.5 %和5.8 %。生物炭施用量达到20 t·hm-2时能够显著降低土壤容重，超过20 t·hm-2时降低幅度变小，与对照相比，T2处理降低土壤容重达14.9 %。

如图1C所示，施用生物炭能够有效提高土壤阳离子交换量和土壤含水率(P<0.05)。随生物炭施用量增加，土壤阳离子交换量逐渐增加，但施用量达30 t·hm-2时，与T2处理没有显著性差异，说明生物炭对土壤阳离子交换量的提升有一定的限度。与对照相比，土壤阳离子交换量提升量最高达14.9 %。而生物炭施用量越高，土壤含水率提升越显著，T2处理与CK的土壤含水率无显著差异，最高为T3处理，分别比CK、T1、T2高出19.5 %、15.4 %和6.8 %。

如图1D所示，施用生物炭显著提高土壤全磷含量，随施用量的提升而逐渐提高(P<0.05)。以T3处理提升土壤全磷含量幅度最大，达0.81 g·kg-1，分别比CK、T1、T2高出65.3 %、19.1 %、12.5 %。虽然施用生物炭也能提高土壤速效磷含量，与不施用生物炭相比有显著性差异，但施用量超过10 t·hm-2时，提高效果不显著。

图中不同小写字母表示有显著性差异，P<0.05，下同Different letters in picture represent significant difference at the level of 0.05, the same as below

图2 不同生物炭施用梯度下黑老虎移栽后株高的动态变化

如图1E所示，施用生物炭对土壤全钾和速效钾含量无显著影响(P>0.05)。但是施用生物炭可以显著提高土壤pH，且随生物炭施用量增加而增加。与CK相比，生物炭施用量达30 t·hm-2时土壤pH显著提高了46.1 %，说明施用生物炭可以较好地改良酸性土壤。

2.2 施用生物炭对黑老虎生长速度的影响

2.2.1 株高 如图2所示，不同处理下黑老虎株高随时间的变化趋势基本一致，在第180 天前快速增高，180 d后株高增长速度变得缓慢。所不同在于施用生物炭处理均比未施用生物炭株高增加的速度快，且生物炭的高施用量比低施用量株高增加速度更快。第60天后，施用生物炭处理株高均显著高于对照(P<0.05)。各处理中株高最高的为T3处理，且最终T3处理株高显著高于T1和CK，与T2差异不显著。T3处理株高在第270天时分别比CK、T1、T2高出15.6 %、5.5 %和1.8 %。

2.2.2 地径 如图3所示，与株高一样，不同处理下黑老虎地径随时间的变化趋势基本一致，但CK地径增长速度减慢的拐点出现在第150天，施用生物炭处理地径增长速度减慢观点出现在第180天。同样，施用生物炭处理地径增长速度比未施用生物炭处理快，且各测定时期地径均显著高于CK(P<0.05)，但施用生物炭处理间没有显著性差异(P>0.05)。T3处理地径最高，在第270天时比CK、T1、T2分别高出13.8 %、2.1 %和0.6 %。

2.3 施用生物炭对黑老虎光合作用的影响

如图4所示，施用生物炭对黑老虎叶片气孔导度和胞间CO2浓度均没有显著影响(P>0.05)，但是施用生物炭显著提高了黑老虎叶片光合速率、蒸腾速率和水分利用效率(P<0.05)。如图1A所示，施用量不超过20 t·hm-2时，黑老虎叶片光合速率随生物炭施用量增加而显著增加；而30 t·hm-2的生物炭施用量反而降低了黑老虎叶片的光合速率，与T2处理相比，显著降低了10.8 %(P<0.05)。施用生物炭对黑老虎蒸腾速率的影响规律同对光合速率的影响一致，且T3处理下黑老虎蒸腾速率下降更低，甚至低于CK，与T2相比下降幅度达85.0 %，与CK相比下降幅度达36.1 %。如图4C所示，生物炭施用量低于30 t·hm-2时，虽然黑老虎叶片水分利用效率有所提高，但与CK相比没有显著差异。T3处理则显著提高了黑老虎叶片的水分利用效率，与CK、T1、T2分别高出95.3 %、73.5 %和67.0 %。

2.4 施用生物炭对黑老虎生物量和根总木脂素含量的影响

如图5所示，与对照相比，施用生物炭均能显著提高黑老虎生物量和根总木脂素含量(P<0.05)。随生物炭施用量增加，黑老虎生物量和根总木脂素含量呈增加趋势，但生物炭施用量的增加并没有显著提高根总木脂素含量。T3处理下黑老虎生物量最大，达165.4 g·m-2，分别比CK、T1、T2高出25.8 %、7.0 %和5.6 %，T1与T2间无显著差异。T3处理下黑老虎根总木脂素含量最大，达24.65 mg·g-1，高出CK达43.0 %。

图3 不同生物炭施用梯度下黑老虎移栽后地径的动态变化

图4 不同生物炭施用梯度下黑老虎光合性状的比较

2.5 黑老虎产量和性状与土壤肥力指标的相关性分析

如表2所示，除土壤容重外，黑老虎产量和性状与土壤肥力指标为正相关关系。黑老虎生物量、根总木脂素含量、株高和地径等均与土壤全磷、速效磷呈极显著相关关系，生物量、根总木脂素含量和株高与阳离子交换了以及pH呈显著相关关系，相关系数均为0.9以上，说明这几个土壤肥力指标是在红壤土中种植时黑老虎而限制其生产与生长的关键土壤肥力因子，对黑老虎产量和品质影响很大。

3 讨 论

3.1 施用生物炭对红壤肥力的影响

土壤肥力表征土地的生产力，其本质是土壤能够顺畅地供应植物生长发育所需要的矿质营养元素，通过土壤物理结构、化学成分和生物调控能力三方面综合体现[10]。我国南方亚热带红壤区土壤肥力水平较低，表现在有机质含量低，土壤酸化以及水土流失严重；尤其红壤中铁铝化合物含量较高，易和磷反应生成溶解性低的铁磷和铝磷，对磷的有效性影响较大，因此缺磷一直是我国南方亚热带地区作物生产的主要养分限制因子之一[11]。生物炭在土壤中具有较高惰性和抗降解性，因此能够有效提高土壤有机碳含量[12]；生物炭通常具有较为发达的孔隙结构和丰富的表面官能团，这使生物炭能够有效提高土壤阳离子交换量和持水性，减少矿质元素流失，提高矿质元素利用效率[13-14]；生物炭表面存在大量的碱性基团，因此其施入土壤后能够提高土壤pH[15]。大量理论研究与实践应用表明，生物炭有利于提高土壤肥力，促进农作物生长，增加作物产量[16-17]。

图5 不同生物炭施用梯度下黑老虎根茎生物量与根总木脂素含量比较

表2 黑老虎产量和性状与土壤肥力指标的相关系数

注：*表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01)。

Note: * indicated significant difference at 0.05 level, **indicated significant difference at 0.01 level．

本研究结果也表明，施用生物炭能够显著改善土壤肥力状况，具体表现为显著提高土壤有机质含量、土壤阳离子交换量、土壤含水率、土壤全磷和速效磷含量以及土壤pH，且随生物炭施用量的增加而提高。这与张祥等、李明等以及靖彦等在红壤中施用生物炭的研究结果一致[11,18-19]。施用生物炭也能提高土壤全氮和速效氮含量，但是较高的生物炭施用量(30 t·hm-2)反而降低土壤氮素含量，甚至比对照的速效氮含量低。生物炭本身养分含量很低，因此，其提高土壤中养分含量的机制主要是依靠其物理性状，即较高的比表面积和孔隙度，对土壤中的氮磷元素进行吸附，减少土壤氮磷元素的淋湿。但是较高的生物炭施用量极大的提高了土壤碳氮比，抑制了土壤微生物活性，因此降低了土壤氮素的有效性，从而表现为土壤氮素含量的降低。

3.2 施用生物炭对黑老虎生长的影响

施用生物炭改良了土壤状况，提高了土壤肥力，增加了土壤养分供应，因此有利于黑老虎的生长和发育。黑老虎喜微酸和中性环境[3]，而红壤酸度高，施用生物炭提高了土壤pH达到微酸环境甚至中性环境，使得黑老虎能正常生长发育。黑老虎生长需要大量磷肥，在生产实践中，除了施用农家肥之外，常常需要单独施用大量磷肥，以保证磷肥供应。本研究中并没有单独施用磷肥，但施入的生物炭能够有效固持农家肥和土壤中原有的磷素，提高了土壤中磷肥的含量，因此与对照相比，促进了黑老虎的生长，且其株高和地径均随着生物炭施用量增加而增加。本研究的相关性分析也表明，土壤磷素供应状况，阳离子交换量大小，以及土壤pH均与黑老虎的株高和地径增长呈显著的正相关关系，这三个因子是限制黑老虎生长的重要因素。而红壤中土壤磷素含量低，由于有机质含量低而阳离子交换量低，且土壤酸度高，施用生物炭能够较好地解决红壤中这三个因子的限制状况。

3.3 施用生物炭对黑老虎生物量和根药用品质的影响

施用生物炭解决了红壤肥力较低的问题，促进了黑老虎的生长，同时，本研究结果表明施用生物炭也提高了黑老虎的光合速率和蒸腾速率。但施用生物炭并没有显著提高黑老虎气孔导度和胞间CO2浓度，因此，其对黑老虎光合速率以及蒸腾速率的提高是通过其它的机制，具体还有待进一步探明。

植物有机物的积累与光合作用效率有关，因此，施用生物炭提高光合作用进而提高了黑老虎生物量。本研究结果中，施用生物炭能够显著提高黑老虎根总木脂素含量，但提高生物炭施用量对根总木脂素的提高不明显。这说明施用生物炭改善黑老虎生长环境条件，提高黑老虎生物量，并不能改善黑老虎根总木脂素合成的机制或条件，而是通过促进黑老虎的快速生长间接地提高了根总木脂素的合成量，具体机制有待于针对黑老虎根系总木脂素合成规律开展进一步的深入研究。

4 结 论

(1)施用生物炭改善了红壤区土壤物理化学性状，提高土壤有机质含量和土壤养分含量，提高了土壤的保水保肥性能，降低了土壤酸度。

(2)施用生物炭能够有效促进黑老虎的生长和光合作用效率，提高黑老虎水分利用效率，并且能够提高黑老虎产量和根药用品质。

(3)土壤磷素含量、阳离子交换量以及pH是限制黑老虎生产的3个关键因子，而施用生物炭能够较好地解决红壤含磷低，阳离子交换量低以及土壤酸化问题，是在我国南方亚热带红壤区林下推广黑老虎种植的良好栽培措施。