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农业面源污染是指农业生产活动中，氮素和磷素等营养物质、农药以及其他有机或无机污染物质，通过地表径流和渗漏所形成的水环境污染[1]。《2007年中国环境绿皮书》显示：全国饮用不安全水质的人数已达到3.2亿人，其中60%的地区是由于地表水污染导致的饮用水质不达标，而造成这种现象最主要的原因就是农业面源污染[2-3]。第一次全国污染源普查公报显示，2007年通过农业面源污染排放的总氮为270.46万t，总磷为28.47万t，分别占同期全国排放的57.19%和67.27%[4]。另据统计，目前中国氮肥利用率仅为30%~40%，有20%~50%的氮肥以硝态氮形式经土壤淋溶进入地下水，引起地下水硝酸盐污染[5]，并影响着土壤肥力和土壤环境质量。因此，长期过量施用氮肥是造成中国农业面源污染的首要原因，而硝态氮的淋溶被认为是导致中国农业面源污染加剧的主要原因之一[6]。生物质炭是由纤维素、半纤维素和少量木质素经不同程度分解炭化而形成的固体产物[7]，生物质炭化是将不稳定的有机碳转变为稳定性碳的过程，以生物炭代替生物秸秆补充到土壤中可以显著减少二氧化碳的排放，同时又能提高土壤的肥力。因此，生物质炭在全球碳地球化学循环、气候变化和环境系统中发挥着重要作用[8]。生物质炭巨大的活性表面可吸附土壤中的硝酸根等阴离子养分[9]。将竹炭作为土壤改良剂施入土壤可减少硝态氮在土壤中的淋洗量，有可能成为应对农业面源污染的一条重要途径，对防治农田土壤养分流失、缓解中国日趋严重的农业面源污染具有重大的现实意义。鉴于此，本研究以养分水平较低的自然土壤和养分水平较高的耕作土壤为研究对象，通过对比2种土壤加入不同比例、不同粒径竹炭后的硝酸根离子淋失量，揭示竹炭对硝酸根离子的吸附效果，找出最佳的竹炭施用类型以及合理的施用量，从而为利用竹炭控制农业面源污染提供理论依据。
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在本底养分水平不同的情况下，为了解混入竹炭后土壤吸附硝酸根离子的效果，主要采用2种试验土壤：土壤本底养分水平较低的自然土壤—浙江农林大学校园内红壤（于2011年8月5日采集）和土壤本底养分水平较高的人为耕作土—临安市太湖源镇雷竹Phyllostachys violascens林地红壤（于2011年10月10日采集），分别过2 mm筛。表 1为供试土壤的化学性质。
表 1 供试土壤的化学性质
Table 1. Chemical properties of two soils used in this experiment
供试土壤 pH值 有机质/(g·kg-1) 全氮/(g·kg-1) 速效钾/(mg·kg-1) 有效磷/(mg·kg-1) 自然土 4.33 18.48 0.303 8 0.8 人为耕作土 5.40 56.45 1.113 37 4.9 -
试验设5个处理，3次重复·处理-1，采用颗粒直径＜1 mm的竹炭，按质量百分比，分别加入0，1%，2%，3%，4%的竹炭（表 2）。将土壤和竹炭充分混匀后装入衬有砂网（为防止淋洗时土壤进入滤液影响试验结果的准确性）的花盆，将其置于接有试管的大漏斗上，并将1.5 g硝酸钾溶液溶解到150 mL蒸馏水中，一次性均匀地浇施到各个处理中（没有淋出液），随后加入100 mL蒸馏水，有少量淋出液，之后间隔0.5 h加入2次100 mL蒸馏水，合计淋洗的蒸馏水量为300 mL。由于每个处理的淋出液体积不同，将淋出液定容至100 mL，用0.45 μm滤膜抽滤，再用离子色谱测定滤液中硝酸根离子的质量浓度。在第1次淋洗10 d后进行第2次淋洗，间隔0.5 h加入100 mL蒸馏水，共计3次300 mL蒸馏水，在第2次淋洗30 d后进行第3次淋洗。
表 2 自然土壤不同比例竹炭吸附试验设计
Table 2. Design of adsorption experiment using the natural soil
处理 加入竹炭百分比/% 自然土质量/g 竹炭/g 竹炭直径/mm 1 0 1 500 0 ＜1 2 1 1 485 15 ＜1 3 2 1 470 30 ＜1 4 3 1 455 45 ＜1 5 4 1 440 60 ＜1 -
总结自然土壤的试验后，调整了试验方案（表 3），竹炭颗粒直径改为1~2 mm，加入竹炭质量百分比为0，1%，3%，5%的4个处理，重复3次·处理-1。调整方案的理由是自然土壤的试验中1%和2%，3%和4%的竹炭比例过于接近，相邻的处理间差异不明显（特别是第1次淋洗结果），淋洗实验方法与1.2.1基本相同，但3次淋洗间隔均为10 d。
表 3 人为耕作土壤不同比例竹炭吸附试验设计
Table 3. Design of adsorption experiment using cultivated soil
处理 加入竹炭百分比/% 人为耕作土质量/g 竹炭/g 竹炭直径/mm 1 0 1 500 0 1-2 2 1 1 485 15 1-2 3 3 1 455 45 1-2 4 5 1 425 75 1-2 -
由前２次的试验发现，加入同样百分比的竹炭，粒径为1~2 mm的竹炭对硝酸根离子的吸附效果好于粒径＜1 mm的竹炭，因为不在同一批试验，土壤类型也不同，不能完全确定2种粒径的吸附效果差异。为了进一步确认不同颗粒直径（1~2 mm与＜1 mm）竹炭对土壤吸附硝酸根离子的效果差异，于2011年11月10日用同一种人为耕作土、以3%的竹炭比例作进一步试验。试验设3个处理，3次重复·处理-1（表 4），淋洗实验方法与1.2.2相同，3次淋洗间隔均为10 d。
表 4 不同粒径竹炭吸附试验设计
Table 4. Design of adsorption experiment using two sizes of bamboo char particle
处理 加入竹炭百分比/% 土壤质量/g 竹炭/g 竹炭直径/mm 1 0 1 500 0 无 2 3 1 455 45 1-2 3 3 1 455 45 ＜1 -
一般性数据，采用Excel软件进行统计分析，并用DPS软件进行显著性分析（LSD法）。
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图 1为自然土壤中加入不同比例竹炭的硝酸根离子吸附试验结果。第1次淋洗结果表明：对照和1%及2%比例之间硝酸根离子淋出量没有差异，说明低施用量的竹炭对硝酸根离子的吸附作用不大，而加入3%和4%比例竹炭处理的硝酸根离子淋出量显著低于对照，说明竹炭加入的比例大于3%时土壤中硝酸根离子淋出量下降，但3%和4%比例间统计上没有呈现显著差异。因此，从总体上看，随着竹炭施用量的增加，竹炭对硝酸根离子的吸附作用显著提高，但施用量与吸附作用没有呈线性正相关。周志红等[10]的研究表明：在适当施用量条件下，生物质炭对硝态氮和有机氮的淋失作用具有显著的影响，可以显著降低硝态氮的淋失量。加入少量竹炭处理的自然土壤硝酸根离子淋出量与对照差异不明显，这可能是由于用150 mL硝酸钾溶液浇施土壤时硝酸根溶液没有渗透到整个土壤中（下层土壤没有湿润），下层土壤中的竹炭没有发挥作用，加入的离子集中在上层土壤中，而在加蒸馏水淋洗过程中，下层竹炭也没能很好地吸附快速下渗的硝酸根离子。
图 1 自然土不同比例竹炭3次淋洗液中硝酸根质量分数
Figure 1. Nitrate concentration in leachate after three respective leaching by using natural soil with different ratios of bamboo char
第2次淋洗（第1次淋洗后10 d）结果发现：加竹炭处理的硝酸根离子淋出量均显著低于（P＜0.05）对照，降低率分别为：25.65%，27.02%，38.66%，42.18%，且淋出液中的硝酸根离子淋出量与加入的竹炭百分比呈反相关（图 1）。李松等[11]曾研究过竹炭对饮用水溶液中硝酸盐的吸附特性及影响因素（粒径为0.06~0.15 mm，投入量为：1.0~5.0 g·L-1饮用水），发现竹炭对硝酸根离子的吸附效果在很大程度上与竹炭用量有关，这与本研究结果相一致。1%与2%，3%与4%之间没有明显差异，显著差异（P＜0.05）主要存在于1%，2%与3%，4%之间。这说明竹炭的施用可以降低土壤中硝酸根的淋失作用，但要达到这一目的，其施用量应达到一定的水平，3%比例是一个关键点。
第3次淋洗（第2次淋洗后30 d）结果发现：加入竹炭比例较高的2个土壤处理（3%和4%）淋出的硝酸根离子质量浓度反而高于对照、1%和2%处理，这可能是因为土壤中的部分竹炭被一些真菌和细菌等微生物分解[12]，再加上土壤长时间干燥，减弱了竹炭的吸附功能，导致前期吸附硝酸根较多的3%和4%处理淋出的硝酸根离子也越多。
对照，1%，2%，3%，4%竹炭处理的3次淋出液硝酸根离子合计折合成质量分别为0.027 0，0.024 6，0.023 6，0.023 4，0.022 7 g，加入1%，2%，3%，4%竹炭处理分别比对照下降了9.04%，12.75%，13.31%和16.01%，淋出的硝酸根离子质量浓度与加入的竹炭比例呈现反相关。
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图 2为人为耕作土不同比例竹炭的硝酸根离子吸附试验结果。第1次淋洗结果表明：随着加入竹炭百分比的增加，滤液中硝酸根离子的质量分数明显减少，但加入1%粒径为1~2 mm的竹炭与对照没有明显差异，3%和5%之间也没有显著差异，而3%和5%明显低于对照和1%处理，这说明加入竹炭低于3%比例时吸附作用不明显，这一结果与自然土壤的第1次吸附试验结果相一致。第2次淋洗结果发现，与对照相比，加入粒径为1~2 mm的3%和5%的处理均能显著减少硝酸根离子的淋出量（P＜0.05），降低率分别为：22.49%和31.03%，而1%比例竹炭处理的硝酸根离子淋出量与对照没有差别，粒径＜1 mm的3%处理也没有显著低于对照。第3次淋洗结果发现，加入竹炭处理（1%，3%，5%）的硝酸根离子淋出量均显著低于（P＜0.05）对照（0.010 6 g），相应的降低率依次为：34.78%，38.55%，38.32%，但加竹炭处理之间没有差别。
图 2 人为耕作土不同比例竹炭3次淋洗液中硝酸根质量分数
Figure 2. Nitrate concentration in leachate after three respective leaching by using cultivated soil with different ratios of bamboo char
对照，1%，3%，5%竹炭处理3次淋出液硝酸根离子合计折合成质量分别为0.035 3，0.031 5，0.025 9，0.022 7 g, 加入1%，3%，5%比例竹炭处理分别比对照下降了10.75%，26.70%，35.76%，这说明加入的竹炭越多，硝酸根离子的淋失量越少，竹炭的施入比例与土壤对硝酸根离子的吸附作用呈正相关。这是由于生物质炭表面不仅具有负电荷也具有正电荷[13]，还具有巨大的比表面积，对NH4+和NO3-等无机离子具有很强的吸附特性[14-15]，可有效减少土壤养分的流失以及降低农田土壤氨的挥发[16-17]。Mizuta等[18]发现竹炭可以有效吸附地表和地下水中的硝酸根。
比较2种土壤的淋溶试验发现，未加竹炭的人为耕作土壤的硝酸根离子淋出量（0.035 3 g）高于自然土壤（0.027 0 g），原因可能是人为耕作土壤本底养分水平较高，土壤中原有的硝酸根离子也被淋洗出土壤，同时人为耕作土壤有机质较高，微生物矿化和硝化作用也可产生硝酸根离子。
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图 3为加入不同颗粒直径竹炭的人为耕作土壤吸附硝酸根离子3次淋洗试验结果。第1次和第2次淋洗结果表明，加入同为3%的粒径＜1 mm的竹炭处理，淋出的硝酸根离子明显多于（P＜0.05）粒径为1~2 mm竹炭处理，说明粒径为1~2 mm的竹炭吸附效果好，证实了前面2次结果的差异。而第3次淋洗结果发现，不同粒径竹炭处理的硝酸根离子淋出量虽然均显著低于（P＜0.05）对照，但加竹炭处理之间没有显著差异。高海英等[19]应用红外光谱法研究发现，硝酸铵与竹炭材料的吸附仅是物理上的结合而未发生化学反应，因此，竹炭对硝酸根离子的吸附主要是物理吸附作用。随着竹炭由粗变细，原来的内表面减少而外表面增加。在加入等量（3%）竹炭时，粒径1~2 mm的竹炭比粒径＜1 mm的竹炭吸附效果好，原因可能是：一方面，细颗粒竹炭与土壤混合后，大部分竹炭的外表面位置被土壤胶体占据，无法通过物理方法吸收硝酸根离子，竹炭粒径越细，被土壤细粒覆盖的表面就越多，从而导致了竹炭对硝酸根离子的吸附功能减弱。高海英等[19]在制备生物质炭基硝酸铵时发现，由于竹炭所含灰分含量远高于木炭灰分含量，因而通过吸附作用负载到竹炭上的硝酸铵含量却低于木炭的负载量，这可能与灰分元素占据了生物质炭的一些吸附点位有关。另一方面，由于较大颗粒竹炭的内部多孔性，有部分溶有硝酸根的液体被闭蓄孔隙内部，从而减少了硝酸根离子的淋失量，使之吸附能力增加。因此，就竹炭吸附硝酸根等阴离子而言，加入土壤的竹炭粒径不能太细。
图 3 不同粒径竹炭人为耕作土壤3次淋洗液中硝酸根离子质量分数
Figure 3. Nitrate concentration in leachate after three respective leaching by using cultivated soil with two sizes of bamboo char particle
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土壤中加入竹炭可减少硝酸根离子的淋失，无论是低养分水平的自然土壤，还是高养分水平的人为耕作土壤，硝酸根的3次淋出量总量均随着竹炭比例的增加而下降，但前2次淋洗时，竹炭比例超过3%后吸附效果没有明显呈比例提高。粒径1~2 mm的竹炭吸附效果好于等量（3%）粒径＜1 mm的竹炭。建议生产上采用3%比例、颗粒直径为1~2 mm的竹炭，来减少硝酸根离子的淋失。
Bamboo char adsorption efficiency on soil nitrate anions
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摘要: 生物质炭巨大的活性表面, 可吸附土壤中的硝酸根等阴离子养分。采用竹炭作为试验材料, 以自然土壤和人为耕作土壤为试验土壤, 用硝酸钾溶液浇施模拟施肥, 通过离子色谱测定浇施后所得滤液中硝酸根离子的含量, 分析竹炭对土壤中硝酸根离子的吸附效果。试验设计如下:自然土壤加入的竹炭百分比为0, 1%, 2%, 3%, 4%(竹炭直径 < 1 mm), 耕作土壤加入的竹炭百分比为0, 1%, 3%, 5%(竹炭直径为1~2 mm), 2种竹炭颗粒(1~2 mm和 < 1 mm)比较试验时加入的竹炭量为3%。结果表明:土壤中加入竹炭对硝酸根离子的吸附有一定的作用, 前2次淋洗表现为吸附作用随着竹炭比例的增加而增强, 但只有加入的竹炭量超过3%后, 吸附效果没有显著提高(P>0.05)。在加入等量(3%)竹炭时, 前2次淋洗时颗粒直径为1~2 mm的竹炭吸附效果好于 < 1 mm的竹炭, 细粒与对照没有差异, 第3次淋洗时竹炭处理与对照差异显著(P < 0.05), 但不同颗粒之间差异消失。竹炭的施入比例和颗粒直径均能影响其对土壤中阴离子的吸附效果。建议生产上采用3%比例、颗粒直径为1~2 mm的竹炭, 以减少硝酸根离子的淋失。Abstract: Biochar with a huge active surface area can absorb anions, such as nitrate, in soils. To test adsorption efficiency of bamboo char on nitrate anions of soils, two types of soils (natural and cultivated) and two sizes of bamboo char particles[1-2 mm with bamboo char percentages of 0(control, ck), 1%, 3%, and 5% and < 1 mm with percentages of 0 (ck), 1%, 2%, 3%, and 4%] were used. For comparison of the two particle sizes, the 3% bamboo char treatment was utilized. A potassium nitrate solution (KNO3) was mixed in the soil and then leached with ion-free water. After, the NO3- concentration was determined with ion chromatography. Results showed no significant increase in absorption capacity efficiency (P>0.05) for soils with more than 3% bamboo char. For the first two leachings, when soils treated with equivalent amounts of bamboo charcoal (3%) were compared to ck, the soil with the 1-2 mm size bamboo char had a significantly higher (P < 0.05) absorption capacity for nitrate anions than the < 1 mm and ck. During the third leaching, significant differences (P < 0.05) were observed between ck and soils with bamboo char(both < 1 mm and 1-2 mm size). Thus, absorption efficiency of anions was related to both proportion and particle diameter of bamboo charcoal with 3% bamboo char at 1-2 mm diameter being the most economical rate to reduce soil nitrate leaching.
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Key words:
- soil science /
- bamboo-charcoal /
- absorption effect /
- NO3- /
- particle diameter /
- proportion
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铁路、公路等基础设施建设会破坏和占压地表植被，形成大量的裸露坡面，遇到降雨极易发生水土流失，甚至出现滑坡、泥石流等次生地质灾害。裸露坡面常常具有坡度陡、坡体稳定性低、水分条件差和土壤瘠薄等特征，是不利于植被生长的困难立地。客土喷播绿化是裸露坡面恢复植被最快速最有效的方式之一，喷播后灌溉养护对植被生长至关重要[1]。大量调查发现：客土喷播后普遍存在过度灌溉，产生坡面径流，造成水土流失和水资源浪费；同时喷播基质通气不畅也会影响植被生长。可见，确定适合植被生长且能保证灌溉时坡面不产流的客土喷播基质含水量已成为当前亟需解决的问题。目前，关于适宜含水量研究大多集中在林地土壤与林木之间，如夏江宝等[2]对贝壳堤岛旱柳Salix matsudana光合效率的土壤水分临界效应及其阈值进行了分级研究，景雄等[3]对毛竹Phyllostachys edulis实生苗土壤水分有效性及生产力进行了分级研究，张淑勇等[4]对黄刺玫Rosa xanthina叶片光合生理参数的土壤水分阈值响应及其生产力进行了分级研究等，客土喷播基质适宜含水量与植被生长的关系研究则较少。以往的研究大都只关注了植物某一个生长阶段的土壤水分适宜含水量阈值[2, 5-6]，缺乏对不同季节植被生长与基质水分关系的研究。鉴于此，本研究以北方地区常用的喷播修复植物黑麦草Lolium perenne作为研究对象，利用种植盆模拟客土喷播绿化，通过控制不同客土喷播基质水分梯度，分析夏、秋季黑麦草光合特性日变化对不同喷播基质水分的响应规律，以叶片净光合速率(Pn)和水分利用效率(EWU)作为“产”“效”来评价黑麦草生产力和水分利用能力的依据，并进行季节间比较，建立夏、秋季黑麦草喷播基质适宜含水量阈值分级，以期为北京至张家口的公路、铁路等冬季奥林匹克运动会交通廊道以及自然条件相近地区的工程创面客土喷播恢复植被灌溉养护提供参考。
1. 研究区概况与方法
1.1 研究区概况
研究区河北省张家口市涿鹿县为北京冬季奥林匹克运动会延庆赛区和张家口崇礼赛区廊道沿线，高速公路G6和G7之间，地理坐标为40°26′20″N，115°17′03″E。涿鹿县属温带半干旱大陆性季风气候，年均气温为9.1 ℃，极端最高气温为39.2 ℃，极端最低气温为−23.9 ℃，年均降水量为367 mm，年均蒸发量为1 600 mm，无霜期为169 d，年平均积温为2 100~3 400 ℃，风向以西北为主，平均风速2~3 m·s−1，土壤为沙壤质褐土。
1.2 试验材料
喷播基质材料为客土(取自河北省涿鹿县苗圃)、木纤维[长1~3 cm，中矿复地生态环境技术研究院(北京)有限公司]、保水剂(3005KCE，美国艾森公司)、黏合剂(A30，美国艾森公司)、稻壳和黑麦草种子(北京布莱特草业有限公司)。喷播基质层和种子层的材料配比见表1。黑麦草播种量为4 g·m−2。
表 1 基质层和种子层的材料配比Table 1 Material ratio of matrix layer and seed layer喷播层次 客土/
%木纤
维/%稻壳/
%复合肥/
(g·m−3)保水剂/
(g·m−3)黏合剂/
(g·m−3)基质层(10 cm) 70 10 20 300 200 150 种子层(3 cm) 67 33 说明：客土、木纤维和稻壳为体积比 1.3 试验设计
利用种植盆试验模拟客土喷播绿化，种植盆上口直径50 cm、盆底直径40 cm、高15 cm，底部打孔便于排水。使用恒睿牌HKP125型客土喷播机。2021年4月26日，根据表1的材料配比将基质层和种子层分上、下2层先后喷播到种植盆内，采用微喷灌雾化喷头对喷播基质灌溉养护，保持喷播基质充分湿润(每次灌溉以喷播基质表面不积水为准)，保证种子出苗有充足的水分。
2021年5月26日开始控制喷播基质含水量(为质量含水量，下同)，用环刀法测得喷播基质的田间持水量为30.36%，容重为1.12 g·cm−3。喷播基质含水量设置5个水分梯度，分别为30.36%、25.81%、21.25%、16.70%和12.14%，即喷播基质相对含水量(CRW)为100%、85%、70%、55%和40%，每个水分梯度设置3个重复。每天16:00用TDR350土壤水分速测仪(美国Spectrum公司)测定CRW(通过容重换算为质量含水量)，每盆测定重复3次取平均值，并根据公式计算耗水量：w设−w测=m耗/m干。其中：w设为设计质量含水量(%)；w测为实测质量含水量(%)，根据TDR350实测值和容重换算；m耗为每盆黑麦草耗水量(g)；m干为每盆喷播基质干质量(g)，可由基质体积和容重计算得出。使用微喷灌雾化喷头对喷播基质补充水分，为避免降水影响，试验在透明通风遮雨大棚内进行。
1.4 指标观测
于夏季(2021年8月5日，即控水2个月后)、秋季(2021年10月11日，即控水4个月后)选择连续3 d晴朗无云的天气，使用Li-6400XT便携式光合作用测定仪(标准叶室，Li-COR)测定黑麦草叶片Pn (μmol·m−2·s−1)、蒸腾速率Tr (mmol·m−2·s−1)、气孔导度Gs (mol·m−2·s−1)、胞间二氧化碳(CO2)摩尔浓度Ci (μmol·mol−1)等生理参数以及大气CO2摩尔浓度Ca (μmol·mol−1)、光合有效辐射PAR (μmol·m−2·s−1)、气温Ta (℃)和相对湿度Rh (%)等环境因子，并根据公式EWU=Pn/Tr计算水分利用效率、Ls=1−Ci/Ca计算气孔限制值。测定时间为8:00—16:00，隔2 h测1次，每个种植盆选取3株生长健康、长势一致的黑麦草，每株选取3片叶，每片叶记录3次读数，取平均值。
1.5 数据处理
运用Excel 2016整理光合参数与基质相对含水量数据；SPSS 22.0进行差异显著性检验LSD；Origin 2018进行作图和多项式拟合建立回归模型，使用F检验对回归模型进行显著性检验。
2. 结果与分析
2.1 夏秋两季主要环境因子的日变化
由图1可知：夏、秋季PAR的日变化为单峰曲线，均为先升高后下降，峰值均出现在12:00，夏季峰值为(1 393.71±110.04) μmol·m−2·s−1，秋季为(786.73±88.74) μmol·m−2·s−1。夏季PAR日均值(999.75±459.61) μmol·m−2·s−1大于秋季(504.07±274.09) μmol·m−2·s−1。夏、秋季Ca日变化为“V”型曲线，8:00—12:00下降，之后上升。秋季Ca日均值(421.15±17.65) μmol·mol−1大于夏季(411.54 ±10.76) μmol·mol−1，两者相差较小，仅为2.30%。
图 1 夏、秋季光合有效辐射(PAR)和大气CO2摩尔浓度(Ca)的日变化Figure 1 Diurnal variation of photosynthetically active radiation (PAR) and atmospheric CO2 concentration (Ca) in summer and autumn由图2可知：夏、秋季Ta的日变化与PAR相似，也为单峰曲线，在12:00达最大值。夏季Ta最大为(42.88±1.46) ℃，秋季为(28.41±1.06) ℃。夏季日均值(37.87±3.23) ℃大于秋季(26.21±2.03) ℃。夏、秋季Rh的日变化与Ta相反，12:00前下降，之后上升，夏、秋季Rh最低值分别为20.98%±1.65%和17.05%±1.47%。夏季Rh日均值(26.72%±5.56%)大于秋季(19.98%±2.70%)。
图 2 夏、秋季气温(Ta)和相对湿度(Rh)的日变化的日变化Figure 2 Diurnal variation of temperature (Ta) and relative humidity (Rh) in summer and autumn2.2 不同喷播基质含水量下黑麦草光合特性的日变化
2.2.1 不同喷播基质含水量下黑麦草叶片净光合速率(Pn)的日变化
夏、秋季黑麦草叶片Pn日变化对CRW有明显的阈值响应(图3)。当CRW为70%~85%时，Pn的变化呈双峰曲线，均出现光合“午休”现象，上午和下午各出现1个峰值，此水分范围内，Pn在全天各时段均最高。当CRW增加至100%时，Pn呈单峰曲线，峰值出现在12:00。当CRW降低到55%和40%时，Pn为单峰曲线，峰值均出现在8:00(但秋季CRW为55%时Pn峰值出现在10:00)，Pn在全天各时段均处于较低水平，表明CRW低于55%会严重抑制植物的光合作用。由表2可知：Pn日均值对CRW也有明显的阈值响应。当CRW为85%时，夏季Pn日均值最大，达(11.17±3.08) μmol·m−2·s−1，与其他水分梯度有显著差异(P＜0.05)。秋季的Pn日均值在CRW为70%时达最大，为(7.02±1.97) μmol·m−2·s−1，与其他水分梯度也有显著差异(P＜0.05)。夏季Pn日均值均大于秋季，CRW为55%~100%时两季差异达到显著(P＜0.05)。CRW为40%时，两季Pn日均值均较低，可见当CRW较低时植物光合作用将受到严重影响。综上所述，夏、秋两季维持黑麦草较高Pn的CRW为70%~85%，高于或低于此范围，Pn明显受到抑制。
图 3 夏、秋季不同喷播基质含水量下黑麦草净光合速率(Pn)的日变化Figure 3 Diurnal variation of net photosynthetic rate (Pn) of L. perenne under different spraying substrate water content in summer and autumn表 2 夏、秋季不同喷播基质含水量下黑麦草光合生理参数的日均值变化Table 2 Change of daily mean of photosynthetic physiological parameters of L. perenne under different spraying substrate water content in summer and autumnCRW/% Pn/(μmol·m−2·s−1) Tr/(mmol·m−2·s−1) EWU/(mol·mol−1) 夏季 秋季 夏季 秋季 夏季 秋季 100 6.79±2.01 Abc 4.30±0.95 Bb 5.59±1.17 Aab 2.75±0.16 Bab 1.32±0.20 Bbc 1.56±0.26 Acd 85 11.17±3.08 Aa 6.07±1.24 Ba 6.83±1.12 Aa 3.13±0.40 Ba 1.61±0.22 Ba 1.92±0.22 Ab 70 9.26±2.79 Aab 7.02±1.97 Ba 6.76±0.63 Aa 2.92±0.59 Ba 1.43±0.15 Bab 2.37±0.25 Aa 55 5.77±2.09 Ac 3.77±1.03 Bb 4.91±0.93 Ab 2.35±0.30 Bbc 1.20±0.12 Bbc 1.63±0.20 Ac 40 2.80±1.66 Ae 2.74±0.78 Ab 3.03±0.87 Ac 2.16±0.28 Ac 1.01±0.28 Ac 1.28±0.16 Ad 说明：同列不同小写字母、同行不同大写字母均表示差异显著(P＜0.05) 2.2.2 不同喷播基质含水量下黑麦草叶片蒸腾速率(Tr)的日变化
夏、秋季黑麦草叶片Tr日变化规律与Pn基本相似(图4)，当CRW为70%~85%时，黑麦草Tr的日变化呈双峰曲线。当CRW增加至100%时，Tr呈现单峰曲线，夏、秋季峰值均出现在14:00，但日均值却低于CRW为70%~85%时。表明基质水分充足可有效延缓Tr“午休”，但会降低Tr。当CRW≤55%时，Tr呈单峰曲线，峰值出现在8:00或10:00，全天各时段均处于较低的水平。结合表2可知：当CRW≥55%时，夏季Tr日均值显著高于秋季(P＜0.05))，可见不同季节气候环境对植物Tr影响较大。当CRW为40%时，Tr日均值显著低于其他水分梯度(P＜0.05)，表明水分胁迫严重限制Tr。综上所述，CRW过高或过低均会降低黑麦草Tr，当CRW为70%~85%时，黑麦草会保持较高的Tr，保障植物正常生理活动。
图 4 夏、秋季不同喷播基质含水量下黑麦草蒸腾速率(Tr)的日变化Figure 4 Diurnal variation of transpiration rate (Tr) of L. perenne under different spraying substrate water content in summer and autumn2.2.3 不同喷播基质含水量下黑麦草叶片水分利用效率(EWU)的日变化
EWU日变化对基质含水量有明显的阈值响应(图5)。CRW为70%~85%时，EWU为双峰曲线(但秋季CRW=85%时为单峰曲线)，全天各时段EWU均高于其他水分梯度。当CRW增加至100%时，EWU表现为单峰曲线，峰值出现在12:00。CRW为40%~55%时，EWU峰值出现在8:00或10:00，之后不断降低。结合表2可知：当CRW≥55%时，秋季EWU日均值显著高于夏季(P＜0.05)，CRW为40%时秋季EWU日均值高于夏季，但不差异显著。CRW为40%和100%时，EWU日均值均显著低于其他水分梯度(P＜0.05)，表明CRW过高或过低都会降低EWU。综上所述，夏、秋季维持黑麦草同时具有较高Pn和EWU的CRW为70%~85%，在这个水分范围内，Tr也保持较高水平，有利于植物的光合作用。
图 5 夏、秋季不同喷播基质含水量下黑麦草水分利用效率(EWU)的日变化Figure 5 Diurnal variation of water use efficiency (EWU) of L. perenne under different spraying substrate water content in summer and autumn2.2.4 不同喷播基质含水量下黑麦草叶片气孔导度(Gs)、胞间CO2摩尔浓度(Ci)和气孔限制值(Ls)的日变化
夏、秋季黑麦草Gs对CRW具有明显的阈值响应(图6)，当CRW为70%~85%时，Gs呈现双峰曲线。当CRW=100%时，Gs为单峰曲线，峰值出现在12:00。当CRW为40%~55%时，全天Gs峰值出现在8:00，之后一直降低，维持在较低水平。Ci和Ls对CRW的阈值响应表现不同的变化规律(图7和图8)，上午和下午表现也不同。CRW为70%~100%时，Pn下降，Gs和Ci明显下降，Ls明显升高，表明Pn下降原因是气孔限制。CRW=55%时，上午Pn下降，Gs和Ci明显下降，Ls升高，但下午Pn下降，Gs和Ls下降，Ci反而升高，可见限制黑麦草Pn的原因上午和下午不同，上午以气孔限制为主，气孔关闭导致CO2供应不足，下午以非气孔限制为主，水分胁迫导致植物叶片光合结构受损，Pn下降。当CRW=40%时，Ci从8:00开始上升且一直处于较高水平，而Ls全天都较低，表明水分胁迫严重损坏了植物叶片光合结构，降低了光合作用有关酶的活性，从而降低了Pn。由图9可知：夏、秋季不同CRW范围内Pn和Gs的正比关系不同，当CRW＞55%时，随着Gs增大，Pn线性增大，Pn和Gs为线性正比关系；当CRW≤55%时，Pn和Gs为非线性关系。因此，当CRW=55%时，黑麦草不仅发生了Pn限制机制的转变，其Pn和Gs之间的关系也发生转变。综上所述，在CRW=55%时出现上午、下午Ci和Ls变化相反的情况，表明此基质含水量是黑麦草叶片Pn下降由气孔限制为主转变为非气孔限制为主的临界点。
图 6 夏、秋季不同喷播基质含水量下黑麦草气孔导度(Gs)的日变化Figure 6 Diurnal variation of stomatal conductance (Gs) of L. perenne under different water content of spraying substrate in summer and autumn
图 7 夏、秋季不同喷播基质含水量下黑麦草胞间CO2摩尔浓度(Ci)的日变化Figure 7 Diurnal variation of intercellular CO2 concentration (Ci) of L. perenne under different water content of spraying substrate in summer and autumn
图 8 夏、秋季不同喷播基质含水量下黑麦草气孔限制值(Ls)的日变化Figure 8 Diurnal variation of stomatal limit value (Ls) of L. perenne under different spraying substrate water content in summer and autumn
图 9 夏、秋季黑麦草净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)的关系Figure 9 Relationship between net photosynthetic rate (Pn) and stomatal conductance (Gs) of L. perenne in summer and autumn2.3 基于黑麦草光合特性的喷播基质含水量临界值分析
为进一步确定黑麦草喷播基质相对含水量(CRW)分级临界值，对黑麦草Pn、Tr、EWU和Gs的日均值与CRW构建回归模型(表3)。由Pn与CRW的回归模型知：夏、秋季Pn达最大值的CRW分别为78.17%、76.02%，其对应的最大Pn分别为9.68和 6.33 μmol·m−2·s−1。令Pn=0，求出夏、秋季水合补偿点的CRW分别为35.02%、30.83%(CRW大于100%的点均已舍去)。根据回归模型的积分式[2]求出CRW为40%~100%时黑麦草夏季Pn平均值为7.77 μmol·m−2·s−1，对应的CRW分别为58.98%和97.36%。同理可求出黑麦草秋季Pn平均值为5.29 μmol·m−2·s−1，对应的CRW分别为57.71%和94.33%。由此可以确定黑麦草夏、秋季Pn达到中等以上水平的CRW分别为58.98%~97.36%、57.71%~94.33%。
表 3 夏、秋季黑麦草光合参数与喷播基质相对含水量的回归模型Table 3 Regression model between photosynthetic parameters of L. perenne and relative water content of spraying substrate in summer and autumn参数 季节 回归模型 决定系数 F P Pn 夏季 y=−22.092 7+0.813 0x−0.005 2x2 0.88 78.98 9.12×10−11 秋季 y=−11.584 0+0.471 3x−0.003 1x2 0.81 45.60 1.49×10−8 Tr 夏季 y=−9.497 1+0.398 7x−0.002 5x2 0.94 595.83 0.000 秋季 y=−0.574 0+0.083 8x−0.000 5x2 0.83 39.08 5.74×10−8 EWU 夏季 y=−0.844 9+0.061 0x−0.000 4x2 0.80 31.05 3.93×10−7 秋季 y=−2.344 8+0.122 2x−0.000 83x2 0.76 35.29 1.37×10−7 Gs 夏季 y=−0.354 2+0.013 5x−0.000 086x2 0.78 39.97 4.73×10−8 秋季 y=−0.319 7+0.012 2x−0.000 077x2 0.83 53.94 3.30×10−9 说明：y表示各参数，x表示喷播基质相对含水量(CRW) 根据EWU与CRW的回归模型，求出夏、秋季EWU达最大值的CRW分别为76.25%、73.61%，对应的最大值分别为1.48和 2.15 μmol·mmol−1。令EWU＝0，求出夏、秋季的对应的CRW分别为15.41%、22.68%(CRW大于100%的点均已舍去)。根据回归模型的积分式求出CRW为40%~100%时黑麦草夏季EWU的平均值为1.35 μmol·mmol−1，对应的CRW分别为58.17%和94.33%。同理可求出黑麦草秋季EWU的平均值为1.89 μmol·mmol−1，对应的CRW分别为55.81%和91.42%。由此确定黑麦草夏、秋季EWU达到中等以上水平的CRW分别为58.17%~94.33%、55.81%~91.42%。
2.4 基于光合特性的黑麦草喷播基质适宜含水量阈值分级
将Pn和EWU取最大值点、平均值点、最低值点和Pn下降气孔限制转折点的喷播基质CRW临界值，作为黑麦草喷播基质适宜含水量阈值分级临界点，建立喷播基质适宜含水量的阈值分级(表4)。此分级标准将Pn和EWU作为“产”“效”来评价黑麦草生产力和水分利用能力的依据，建立了黑麦草喷播基质适宜含水量阈值分级。以Pn=0时的水合补偿点作为临界点，低于此临界点划为“无产无效水”范围。Pn下降原因由气孔限制为主转为非气孔限制为主对应的CRW称为“Pn气孔限制转折点”。Pn和EWU取最大值时的CRW确定为“高产高效水”临界值点。依据Pn、EWU与CRW的回归模型积分式求解二者的平均值来确定Pn和EWU达到中等以上水平的临界点，在此范围内称为“中产”“中效”，此范围外称为“低产”“低效”。为更清晰地展示5种阈值分级类型，借助坐标轴对其划分参数和数值进行展示(图10)。
表 4 基于光合特性的黑麦草喷播基质适宜含水量阈值分级Table 4 Threshold gradient of suitable water content of L. perenne spraying substrate based on photosynthetic characteristics季节 临界值指标 临界点对应的CRW/% 基质适宜含水量阈值分级类型 基质适宜含水量阈值/% 夏季 Pn=0 35.02 无产无效水 ＜35.02 Pn(sl→nsl) 55.00 低产低效水 35.02~55.00，97.36~100.00 Pn取平均值(Pn-ave) 58.98~97.36 中产中效水 78.17~97.36 Pn取最大值(Pn-max) 78.17 中产高效水 55.00~76.25 EWU取最大值(EWU-max) 76.25 高产高效水 76.25~78.17 EWU取平均值(EWU-ave) 58.17~94.33 秋季 Pn=0 30.83 无产无效水 ＜30.83 Pn(sl→nsl) 55.00 低产低效水 30.83~55.00，94.33~100.00 Pn取平均值(Pn-ave) 57.71~94.33 中产中效水 76.02~94.33 Pn取最大值(Pn-max) 76.02 中产高效水 55.00~73.61 EWU取最大值(EWU-max) 73.61 高产高效水 73.61~76.02 EWU取平均值(EWU-ave) 55.81~91.42 说明：Pn=0为水合补偿点，Pn(sl→nsl)为Pn气孔限制转折点 
图 10 夏、秋季黑麦草喷播基质适宜含水量阈值分级坐标轴图示Figure 10 Coordinate graphic figures of spraying substrate suitable water content threshold gradient of L. perenne in summer and autumn3. 讨论
夏、秋季黑麦草光合生理参数(Pn、Tr、EWU、Gs、Ci和Ls)日变化对喷播基质含水量的阈值响应规律与黄刺玫[5]、文冠果Xanthoceras sorbifolia[6]、连翘Forsythia suspensa[7]、山杏Prunus sibirica[8]、羊草Leymus chinensis和紫花苜蓿Medicago sativa[9]等对土壤水分阈值响应的规律一致，即CRW过高或过低均会抑制植物光合作用。CRW为70%~85%时，夏、秋季Pn、Tr日变化均呈现双峰曲线，在12:00表现出“光合午休”现象。主要原因是中午气温最高，高温影响植物光合酶的活性，降低Pn；空气相对湿度低，叶片表面饱和水汽压差增大，叶片气孔保卫细胞失水过多，导致部分气孔关闭，降低Tr和Pn[10]。CRW为100%时，夏、秋季Pn日变化均呈现单峰曲线，峰值出现在12:00，但Pn日均值并不高。表明水分充足可以延缓植物光合午休，但CRW过高，喷播基质孔隙较小，不利于根系呼吸，影响根系吸收营养元素，造成光合叶绿素含量降低，从而降低Pn[11]。CRW为100%时，夏、秋季Tr日变化的峰值延迟到14:00。已有研究表明：当水分充足时光照强度是影响Tr的主要因子，光合辐射可以促进叶片气孔开放，从而增强Tr[12-13]。CRW为40%~55%时，夏、秋季Pn和Tr均处于较低水平，原因是严重水分胁迫下植物为减少体内水分散失增加了气孔阻力[4]，导致Pn和Tr降低。研究表明：适度的干旱胁迫能有效提高植物的水分利用效率[14-15]，与本研究观点一致，即CRW为70%~85%时黑麦草EWU达最大值，并非在CRW最高的时候。秋季EWU显著高于夏季，主要原因是秋季Tr的降低幅度比Pn的降低幅度要更大，这与许多学者[16-18]的研究结果一致。
夏、秋季黑麦草Gs日变化与Pn的变化规律基本相似，但通过对Pn和Gs的关系拟合可知：Pn和Gs在CRW≤55%时两者为非线性关系，CRW＞55%时为线性正比关系，这与郎莹等[19]的研究结果一致。轻度水分胁迫下，叶片气孔部分关闭，Gs下降，进入叶片CO2减少，因此Ci降低，Ls升高，但是当CRW为55%时，下午时段Gs下降，Ci升高，表明水分胁迫可能破坏了叶片的光合结构，导致叶片吸收CO2、光合作用能力下降。这也进一步说明，在CRW为55%时，黑麦草Pn下降原因已经由气孔限制为主转变为非气孔限制为主。已有研究表明：当植物光合作用受到非气孔限制时，水分胁迫可能开始损坏光合结构[20-21]，叶绿体受损并且不可逆[22]，当CRW进一步降低，植物叶子变黄甚至脱落[21]。因此，CRW=55%被认为是黑麦草喷播基质适宜含水量阈值分级的临界点。
采用Pn和EWU作为土壤水分的“产”“效”指标可评价土壤水分有效性和适宜含水量范围[2-3, 5, 7, 23]，主要方法有3类：第1类为聚类分析法[4, 24]，即通过试验获取多个水分梯度下的Pn和EWU进行聚类分析，得到不同的水分分级临界点。由于获取的水分梯度随机性较大，该方法缺乏足够代表性。第2类为极限值法，即通过获取Pn和EWU与CRW的定量关系，找出Pn和EWU的最低值、最大值点和气孔限制转折点，以此来划分水分分级临界点。但此法并未对中等水平的“产”“效”进行划分[2，6]。第3类为回归方程拟合法，即通过建立植物Pn和EWU与CRW的回归模型，计算Pn的水合补偿点、Pn和EWU最低值点、最大值点和平均值点对应的土壤水分，并以此作为土壤水分有效性阈值分级临界点。该方法对土壤水分分级比较完整[2-3, 21]。本研究结合第2类和第3类方法，即采用回归方程拟合法计算临界值点再结合Pn气孔限制转折点来确定喷播基质适宜含水量阈值分级标准。在拟合时采用了Pn和EWU的日平均值与CRW，相比只测上午光合数据[2, 4, 6, 21]的研究更具有代表性。本研究确定的“无产无效水”“低产低效水”“中产中效水”“中产高效水”和“高产高效水”5种喷播基质适宜含水量阈值分级类型，可以根据不同的工程绿化养护要求和黑麦草不同生长阶段对水分的需求来选择利用。例如，在裸露边坡等困难立地最突出的特征是干旱和缺水，坡面工程绿化以防治水土流失和提高水分利用效率为目标，而不是充分供水达到最高产量 [24-25]。因此既满足边坡植被修复要求，又不因灌溉量过大而造成坡面水土流失、影响植物生长和浪费水资源等问题，可以保持喷播基质含水量在“中产高效水”(55.00%≤CRW≤76.25%和55.00%≤CRW≤73.61%)的范围，以此为标准进行灌溉。
4. 结论
夏、秋季黑麦草净光合速率水合补偿点的喷播基质相对含水量分别为35.02%和30.83%，即实际质量含水量分别为10.63%和9.36%，喷播基质含水量低于此值光合作用无效。夏、秋季黑麦草净光合速率下降由气孔限制转变为非气孔限制的喷播基质相对含水量均为55%，即实际质量含水量为16.70%，喷播基质含水量低于此值将对黑麦草叶片光合结构造成不可逆性损坏，建议灌溉养护时保持基质含水量不能低于此水分范围。客土喷播绿化以快速恢复植被为目标时可以保持喷播基质含水量在“高产高效水”范围，以此为标准进行灌溉，夏、秋季分别为76.25%≤CRW≤78.17%和73.61%≤CRW≤76.02%，即实际质量含水量分别为23.15%~23.73%和22.35%~23.08%。客土喷播绿化以提高水分利用效率并恢复基本植被(即恢复到当地自然植被盖度为准)为目标时，可以保持喷播基质含水量在“中产高效水”范围，以此为标准进行灌溉，夏、秋季分别为55.00%≤CRW≤76.25%和55.00%≤CRW≤73.61%，即实际质量含水量分别为16.70%~23.15%和16.70%~22.35%。
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图 1 自然土不同比例竹炭3次淋洗液中硝酸根质量分数
Figure 1 Nitrate concentration in leachate after three respective leaching by using natural soil with different ratios of bamboo char
图 2 人为耕作土不同比例竹炭3次淋洗液中硝酸根质量分数
Figure 2 Nitrate concentration in leachate after three respective leaching by using cultivated soil with different ratios of bamboo char
图 3 不同粒径竹炭人为耕作土壤3次淋洗液中硝酸根离子质量分数
Figure 3 Nitrate concentration in leachate after three respective leaching by using cultivated soil with two sizes of bamboo char particle
表 1 供试土壤的化学性质
Table 1. Chemical properties of two soils used in this experiment
供试土壤 pH值 有机质/(g·kg-1) 全氮/(g·kg-1) 速效钾/(mg·kg-1) 有效磷/(mg·kg-1) 自然土 4.33 18.48 0.303 8 0.8 人为耕作土 5.40 56.45 1.113 37 4.9 
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表 2 自然土壤不同比例竹炭吸附试验设计
Table 2. Design of adsorption experiment using the natural soil
处理 加入竹炭百分比/% 自然土质量/g 竹炭/g 竹炭直径/mm 1 0 1 500 0 ＜1 2 1 1 485 15 ＜1 3 2 1 470 30 ＜1 4 3 1 455 45 ＜1 5 4 1 440 60 ＜1
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表 3 人为耕作土壤不同比例竹炭吸附试验设计
Table 3. Design of adsorption experiment using cultivated soil
处理 加入竹炭百分比/% 人为耕作土质量/g 竹炭/g 竹炭直径/mm 1 0 1 500 0 1-2 2 1 1 485 15 1-2 3 3 1 455 45 1-2 4 5 1 425 75 1-2
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表 4 不同粒径竹炭吸附试验设计
Table 4. Design of adsorption experiment using two sizes of bamboo char particle
处理 加入竹炭百分比/% 土壤质量/g 竹炭/g 竹炭直径/mm 1 0 1 500 0 无 2 3 1 455 45 1-2 3 3 1 455 45 ＜1
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https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.2014.04.008
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