原创 刘泽茂等 南京林业大学学报
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竹炭添加对榉树容器苗生长和营养状况的影响
刘泽茂1，晏 昕2，吴 文3，张于卉3，喻方圆1*
1.南京林业大学林学院，南方现代林业协同创新中心；2.江苏省高邮市林业 技术指导站；3.上海市林业总站。
榉树(Zelkova schneideriana)为榆科榉属落叶乔木,其树形优美,冠幅庞大,叶色季相变化丰富，是重要的硬阔叶用材树种和园林绿化景观树种。过去几十年,由于大规模砍伐、气候变化和自然更新缓慢,榉树的数量和分布范围越来越少,成为了濒危树种,已被列为了我国二级保护植物和进入国际自然保护联盟(IUCN)的濒危物种红色名录。近年来,榉树的推广应用得到快速发展,市场对榉树苗木的需求量越来越大。培育能满足市场需求的优质榉树苗木成为生产上亟待解决的问题之一。相比于裸根苗,容器苗育苗周期短、生长环境容易控制、苗木整齐度高,且由于起苗和运输时不伤根系,所以造林的成活率高、早期的生长速率快。使用容器育苗的方法,有助于尽快培养优质榉树壮苗,并且通过机械化模式提高育苗工作的效率,以满足日益增长的市场需求。目前容器育苗时,大多使用苗圃土、泥炭、蛭石和珍珠岩等单独或混配作为育苗基质,但这些基质材料均属不可再生资源,不仅育苗成本较高，而且在保水性、盘根性和养分利用效率等方面也存在不足。在容器育苗时更多地使用环境友好、保水性和养分利用率高的材料作为基质是大势所趋。
生物炭是由有机物质在限氧或无氧条件下通过热解得到的一种多孔稳定的富碳材料,其热解温度一般为300~1000 ℃。在育苗时添加生物炭这种环境友好型材料,一方面可以节约成本、减少土壤N₂O排放、降低环境污染和促进植物生长;另一方面还可以提高农林废弃物利用率,缓解泥炭资源消耗问题。由于具备多种优点,生物炭在农林业生产领域已经成为研究热点并被广泛应用。竹炭是一种常见生物炭,其分子结构呈六角形,质地轻,孔隙度大,保水持水能力好,吸附功能强,符合作为栽培基质的特点。竹炭不仅可以减少土壤中养分的淋溶损失,提高氮肥利用率,显著提高土壤有机碳和速效钾含量,改善土壤肥力,还可以提高土壤pH,改善土壤通气环境,促进土壤中细菌数量和细菌群落多样性增加。另外还有研究表明,竹炭可以促进植物生长,提高土壤溶解性有机质(DOM)含量,使得土壤中重金属的迁移性提高,同时降低植物对于Cd的吸收和积累,所以可以作为一种重金属污染土壤的修复材料。我国竹材资源丰富,竹子种植面积达673万 h㎡,占世界竹子资源的1/3,大量的竹材边角材料可被制作成竹炭,且可用于制作竹炭的竹子类型广泛,制作中的劳动生产效率和资源利用率较高,目前随着竹炭工业的快速发展,制备竹炭的成本也大幅下降,这使得大规模推广竹炭作为栽培基质成为可能。而与用以制作木炭的灌乔木等相比,竹子具有一次成林、长期利用、生长速度快、成材周期短、生产力高等优势,并且每年可以通过无性繁殖来再生新竹。因此,竹炭添加在农林业生产领域有着广阔的前景。
目前,关于生物炭对植物生长影响的研究大多针对大田育苗,在容器育苗时添加生物炭的研究鲜有报道。本期论文推荐的作者以榉树为对象,研究在基质中添加竹炭对其容器苗生长和营养状况的影响,以期为更好地培育榉树苗木和掌握生物炭在容器育苗中的作用特性提供理论和实践基础。
下面跟学报君一探究竟！
作者简介
通讯作者
喻方圆，本刊编委，教授，主要研究方向为林木种苗。
第一作者
刘泽茂，在读研究生。
关键词：竹炭；榉树；容器苗；苗木质量；根系形态；营养状况
基金项目：上海市农委资助项目(沪农科推字[2017]第1-7号);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)。
引文格式：刘泽茂,晏昕,吴文,等.竹炭添加对榉树容器苗生长和营养状况的影响[J].南京林业大学学报(自然科学版), 2022,46(2):111-118.LIU Z M,YAN X,WU W,et al.Effects of bamboo charcoal on the growth and nutrient status of Zelkova schneideriana container sedlings[J].Jourmal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences Edition) ,2022,46(2):111-118.DOI：10.12302/j. issn.1000-2006.202102009.
1目的
研究在基质中添加竹炭对榉树容器苗生长和营养状况的影响,为确定最适合榉树容器苗生长的竹炭添加量提供理论依据。
2方法
以榉树容器幼苗为研究对象,采用单因素随机区组试验设计,设置4个竹炭用量水平(添加量分别为0%, 1%,3%和5%) ,试验结束后测定苗木生长和营养状况。生长指标包括苗高、地径、地上部生物量、地下部生物量、根系总长,根表面积,根系总体积、一级侧根数和不同直径根系长度等;营养指标包括可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白以及茎和根中的氮、碳元素含量。
2.1 试验材料
试验地点位于上海市宝山区森林植被种质资源基地(121°28'48"E,31°24'36"N)。该地区属于亚热带季风气候,四季分明,年日照时间约为1900 h ,年降雨量约为1 142 mm,年平均气温15.3 ℃,无霜期约230 d,适宜榉树的生长。
2019年4月上旬,将2018年11月中旬采集于江苏新沂的榉树(Z.schneideriana)种子经过NaOH溶液处理后洗净,在穴盘中进行播种。待苗高长至约5 cm时,取正常生长、长势一致的幼苗,将其移栽至添加有不同含量竹炭基质的白色无纺布容器(直径x高为12 cm x 18 cm)中。使用的基质为泥炭、珍珠岩、有机肥,体积比为7∶2∶1,基质中均匀掺入不同质量分数的竹炭,其含量为添加量除以基质质量的百分数;对照组仅为基本基质,不添加竹炭。
2.2 研究方法
试验为单因素随机区组试验设计,设置4个竹炭添加量处理水平[质量分数分别为0(CK) , 1%(T1)、3%(T2)和5% (T3)]。每个处理设置3个重复,每个重复30株幼苗。试验指标测定于2019年6月中旬开始,至11月中下旬结束。
3结果
相较于对照,其他3种用量竹炭处理的榉树容器苗苗高、地径、地上部分生物量、地下部分生物量和细根生物量都有显著增加。同时,添加竹炭对榉树容器苗地上部分生长的促进作用大于对地下部分的促进作用,这体现在竹炭处理的榉树容器苗根茎比相比对照显著减小。3种用量竹炭处理下，一级侧根数、根系总长,根系表面积、根系体积和细根(直径≤1 mm)长度相较于对照都有显著增加。添加竹炭同时促进了榉树容器苗根系对于基质中氮元素的吸收,加快了其茎中氮的代谢活动。竹炭对榉树容器苗生长的促进和营养状况的改善基本上随着其含量的提高而增强。综合来看,添加5%竹炭最有利于榉树容器苗的生长,与对照相比,其苗高增加了37.84% ,地径增加了17.67% ,地上部分生物量增加了69.56% ,地下部分生物量增加了63.48% ,细根生物量增加了49.17% ,细根长度增加了62.38%。
3.1 竹炭对榉树容器苗生长状况的影响
3.1.1 榉树容器苗生长指标的变化
竹炭处理对榉树容器苗生长指标的影响如表1所示,苗高由大到小处理依次为T3>T1>T2>CK,且T3、T1处理与对照差异显著。
▼表 1 竹炭处理对榉树容器生长指标的影响
注：同列相同字母表示处理间差异不显著,不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。
地径由大到小处理依次为T3>T1>T2>CK,其中T3的地径显著优于其他处理,说明添加5%竹炭的基质对榉树容器苗的地径生长效果最好。
高径比由大到小处理依次为T1>T3>T2>CK。竹炭添加明显增加了榉树容器苗的高径比,原因可能是因为容器摆放密度偏大,榉树容器苗高生长更旺盛造成的。
3.1.2 榉树容器苗生物量的变化
竹炭处理对榉树容器苗各部分生物量的影响如表2所示。地上部分生物量大小顺序各处理依次为T3>T1>T2>CK,且各处理与对照差异显著,地下部分生物量大小顺序各处理依次为T3>T1>T2>CK,说明添加竹炭显著地促进了榉树容器苗地上部分和地下部分的生长。
▼表 2 竹炭处理对榉树容器苗生物量的影响
细根的生物量由大到小处理依次为T3>T1>T2>CK,且T3处理与对照差异显著,说明竹炭对榉树容器苗细根具有促进作用。
根茎比由大到小处理依次为CK>T3>T2>T1，且对照显著高于其他处理。其原因可能是竹炭对榉树容器苗地上部分与地下部分的生物量均有促进作用,但其对地上部分的促进作用强于对地下部分的促进作用,使得对照组的根茎比显著高于竹炭处理组。
3.1.3 榉树容器苗根系形态的变化
竹炭处理对榉树容器苗根系形态的影响如表3所示,一级侧根数大小顺序各处理依次为T3>T2>T1、CK,且T3、T2处理与对照差异显著,说明竹炭具有促进榉树容器苗一级侧根数增多的作用,其主要原因可能是竹炭可以增加基质的孔隙度,有利于保持基质水分。
根系总长大小顺序各处理依次为T3>T2>T1>CK,且T3与对照差异显著,说明竹炭具有增加榉树容器苗根系总长的作用。其中含有5%竹炭的根系总长显著高于其他处理,说明在一定的范围内，基质中含较高浓度的竹炭对榉树容器苗的根系总长具有更好的促进作用。
根系表面积大小顺序各处理依次为T3>T2>T1>CK,且各处理均与对照差异显著,说明竹炭具有增大榉树容器苗根系表面积的效果,其中含有5%竹炭的基质中,苗木根系表面积最大。
根系总体积大小顺序各处理依次为T3>T2>T1>CK,T3、T2与对照的差异显著,说明添加中高浓度的竹炭有利于榉树容器苗根系体积的增大。
▼表 3 竹炭处理对榉树容器苗根系形态指标的影响
3.1.4 榉树容器苗不同直径根系长度的变化
竹炭处理对榉树容器苗不同直径根系长度的影响如表4所示,可见直径在0~0.5 mm的根系长度大小顺序各处理依次为T3>T2>T1>CK,说明添加中高浓度的竹炭具有促进榉树容器苗细根增加的作用。
▼表 4 竹炭处理对榉树容器苗不同直径根系长度的影响
直径在0.5~1.0 mm的根系长度大小顺序各处理依次为T3>T2>T1>CK,且T3、T2处理与对照差异显著;直径在1.0~1.5 mm的根系长度大小顺序为CK>T3>T1>T2且对照显著大于T1和T2处理;直径在1.5~2 mm的根系长度大小顺序为CK>T3>T2>T1；直径在2.0~2.5 mm的根系长度大小顺序各处理依次为T3>T2>CK>T1;直径在2.5~3. 0 mm的根系长度大小顺序各处理依次为T3>T2>CK>T1;直径在3.0~3.5 mm的根系长度大小顺序各处理依次为T2>T3,CK>T1;直径在3.5~4.0 mm的根系长度大小顺序各处理为T2>T1>T3>CK;直径在4.0~4.5 mm的根系长度大到小顺序各处理依次为T3>T2>CK>T1;直径大于4.5 mm的根系长度大小顺序各处理为T1>T3>T2>CK。总体来说,不同含量竹炭处理对容器苗细根(直径≤1 mm)的生长均有明显的促进作用。
3.2 竹炭对榉树容器苗养分状况的影响
3.2.1 榉树容器苗根系营养物质含量的变化
竹炭处理对榉树容器苗根系营养物质含量的影响如表5所示。
▼表 5 竹炭处理对榉树容器苗根系营养物质含量的影响
可溶性糖含量由大到小各处理依次为CK>T1>T3>T2,且对照组与处理之间差异显著;淀粉含量由大到小各处理依次为CK>T3>T2>T1,且T1、T2与对照组之间差异显著;可溶性蛋白含量各处理间差异不显著(P>0.05)。说明添加竹炭显著降低了榉树容器苗根系中可溶性糖含量,1%和3%添加量的竹炭显著降低了根系中淀粉的含量,不同含量竹炭对根系中可溶性蛋白含量均没有明显影响。
3.2.2 榉树容器苗茎中氮和碳含量的变化
竹炭处理在不同时期对榉树容器苗茎中氮和碳元素含量的影响如表6所示。所有处理的榉树容器苗茎中氮元素含量都有先减小后增加的趋势。竹炭不仅可以增大榉树容器苗茎中氮元素含量的峰值,还可以加快其变化的速度。其中,T2处理下茎中氮含量的变化速度最快,经历了降低﹑升高、降低、升高4次变化,说明含有3%竹炭的处理更有利于榉树容器苗茎的生长。此外,所有添加量竹炭处理下,茎中氮含量的变化幅度都比对照组大,说明竹炭加速或增强了榉树容器苗茎中氮元素的生理代谢活动。
试验期内,各处理间的榉树容器苗茎中碳元素含量差异及其变化趋势不明显。除了7月,不同处理榉树容器苗茎中碳元素之间没有显著性差异,说明竹炭对榉树容器苗茎中碳元素含量的代谢变化没有显著的影响。
▼表 6 竹炭处理对榉树容器苗茎和根中氮和碳含量的影响
3.2.3 榉树容器苗根系中氮和碳含量的变化
竹炭处理在不同时期对榉树容器苗根系中氮和碳元素含量的影响如表6所示。所有添加量竹炭处理下,在榉树容器苗速生期内,根中氮元素的含量都有显著提高。其原因可能是竹炭改善了土壤的理化性质且利于水分的保持,有益于苗木根系的生长和生理活动,从而促进了根系对于基质中氮元素的吸收。
而各时期内,所有处理的榉树容器苗根系中碳含量基本维持在一个水平,整个试验期间变化幅度都不大,说明竹炭对榉树容器苗根系中的碳元素含量没有显著性影响。
4结论
添加竹炭有利于榉树容器苗的生长、根系的建成、根系形态的优化和苗木对基质中氮素的吸收利用。在基质中添加质量分数为5%的竹炭,可以更好地培育优质的榉树容器苗。
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