Growth of Acer truncatum seedlings in response to the seedling substrate with different kinds of biochar

元宝枫种子采自云南省昆明市石林大道上发育健壮、树形丰满、生长良好和无病虫害的元宝枫母树。调配育苗基质所用红壤采自云南省昆明市呼马山，其理化性质为：pH 6.6、有机碳质量分数1.03 g·kg⁻¹、全氮0.30 g·kg⁻¹、全磷1.10 g·kg⁻¹、全钾2.45 g·kg⁻¹、碱解氮22.37 mg·kg⁻¹、有效磷2.44 mg·kg⁻¹、速效钾109.27 mg·kg⁻¹。

选取竹类、木本类、壳类生物质炭中较为常见的竹炭、橡胶木炭、稻壳炭，购买于福建优选炭业有限责任公司。3种生物质炭基本特性见表1。

试验地位于云南省昆明市西南林业大学树木园实验基地。试验花盆直径为17.0 cm，高为12.0 cm，对照组1 (ck0)仅有红壤，不加椰糠和生物质炭；对照组2 (ck1)为常规轻基质[V(椰糠)∶V(红壤)=3∶7]，不加生物质炭。其余处理组均为常规轻基质，每盆装入0.8 kg育苗基质，分别设置30.0、50.0、70.0 g·kg⁻¹的橡胶木炭(T1、T2、T3)、稻壳炭(T4、T5、T6)和竹炭(T7、T8、T9)的添加量，将生物质炭与育苗基质拌匀待用。共11个处理，每个处理设置10个重复。

元宝枫种子于2022年4月5日播种，播深为2.0~3.0 cm。播后定期浇水和除草，分别于7月底和8月底追施氮磷钾复合肥[m(N)∶m(P)∶m(K)=15∶15∶15]，每盆施肥8.0 g。

元宝枫幼苗生长后期为8—9月，因此于2022年9月25日取样，每个处理选取3株长势一致的幼苗测定。幼苗株高用直尺测定；茎粗用游标卡尺测定；采集植株根、茎、叶样品带回实验室，清洗干净后测定鲜质量，放入烘箱在105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒量测定干质量；单株叶面积用叶面积仪(LI-300A)测定；叶绿素质量分数用无水乙醇法测定；光合指标[光合速率、胞间二氧化碳(CO₂)摩尔分数、气孔导度、蒸腾速率]用便携式光合系统分析仪(LI-6400)测定；根系指标(总根长、总根表面积、总根系体积、根平均直径)采用根系分析系统(WinRhizo Pro LA2400)测定^[14]；将植株干样粉碎后过80目筛测定全氮、全磷、全钾质量分数，全氮用凯氏定氮法测定，全磷用高氯酸消解-钼锑抗比色法测定，全钾用氢氧化钠熔融-火焰光度计法^[2]。

采用Excel 2019处理数据；采用Origin 2023绘制图表；采用SPSS 24通过单因素方差分析确定不同处理之间的差异显著性。对所有指标进行主成分分析，得出主成分各处理的指标测定值，应用隶属函数法，计算出各主成分的隶属函数值，以主成分贡献率为权重，单项得分乘以相应的贡献率后相加，得出各处理的苗木综合指数(CEI)。具体方法参考文献[15]。

由图1可知：ck1株高和叶面积优于ck0，施用稻壳炭对幼苗株高和茎粗的提高效果优于橡胶木炭和竹炭，施用竹炭对幼苗叶面积的提高效果优于橡胶木炭和稻壳炭(P＜0.05)。施用30.0 g·kg⁻¹生物质炭后各处理株高优于不加生物质炭处理(P＜0.05)。3种生物质炭处理组株高均呈现出随施炭量增加而降低的趋势；T4处理株高最大，与ck1相比平均提高了36.21%。在30.0 g·kg⁻¹施炭量下，3种生物质炭处理组茎粗均小于对照，与ck1相比，T1、T4、T7分别降低了7.50%、4.00%、2.50%；3种生物质炭处理组茎粗均呈现出随施炭量增加而升高的趋势，对茎粗增加最优为T6处理，与ck1相比提高了23.00%，差异显著(P＜0.05)。除T6处理外，其他处理叶面积均大于对照，叶面积随施炭量增加呈现先增加后降低的趋势；叶面积最大的处理为T8处理，与ck1相比提高了154.49%，差异显著(P＜0.05)。

Figure 1.  Effects of different biochar treatments on the growth of Acer truncatum seedlings

由图2可知：ck1元宝枫幼苗鲜质量和干质量均优于ck0。幼苗根、茎、叶的鲜质量和干质量均在T8处理时达最大，与ck1相比，鲜质量分别提高了112.33%、76.19%、218.18%，干质量分别提高了137.93%、70.00%、169.23%，差异显著(P＜0.05)。各处理下元宝枫幼苗根系鲜质量和干质量均高于茎和叶。施炭处理除T7外，其他处理根系鲜质量和干质量均高于不加生物质炭处理。ck1与T6、T8、T9处理叶鲜质量差异显著(P＜0.05)，与其他处理差异不显著。随生物质炭施用量增加，施用不同生物质炭根系干质量均呈现先升高后降低的趋势。

Figure 2.  Effects of different biochar treatments on the biomass of A. truncatum seedlings

由表2可知：添加不同种类、不同施用量生物质炭处理的元宝枫幼苗根系形态发育存在差异。ck1元宝枫幼苗根系形态均优于ck0。除T2处理外，其余施炭处理对幼苗总根长、总根表面积、总根体积和根平均直径均有促进作用。施用稻壳炭幼苗总根长、总根表面积、总根体积和根平均直径优于施用竹炭和橡胶木炭，且随施炭量增加呈现先增加后降低的趋势，T5处理对幼苗根系生长最佳，与ck1相比各形态分别提高了98.79%、110.22%、175.00%、37.50%，差异显著(P＜0.05)。施用橡胶木炭处理，随施炭量增加幼苗各根系形态均呈现先降低后升高的趋势，低施炭量优于高施炭量。施用竹炭处理，不同施炭量之间除总根长外各根系形态差异不显著，低施炭量下总根长和总根表面积高于高施炭量。

由表3可知：施炭后元宝枫幼苗各项光合指标存在差异。稻壳炭对各光合指标的影响大于橡胶木炭和竹炭，且各指标呈现随稻壳炭施炭量增加而增加的趋势。与ck1相比，幼苗叶绿素、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率在T3和T4处理下均降低，在其他施炭处理下均有所提高。施炭后幼苗胞间CO₂摩尔分数均大于ck1。T6处理对叶绿素、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率影响显著(P＜0.05)，分别比ck1提高50.00%、221.76%、200.00%、146.91%。T7处理胞间CO₂摩尔分数最大，比ck1提高85.95%。

由图3可知：ck1地上部分和地下部分全氮质量分数高于ck0。除T3处理外，施用生物质炭对幼苗地上部分全氮质量分数均有促进作用，地上部分全氮质量分数最高为T8处理，与ck1相比提高了47.05%。地下部分全氮质量分数最高为T9处理，与ck1相比提高了49.87%。元宝枫幼苗全磷全钾质量分数表现为：轻基质土壤ck1处理优于纯土ck0处理，施用生物质炭处理优于不加生物质炭处理，地上、地下部分全磷和全钾质量分数最高均为T9处理，相比ck1，全磷分别提高了178.89%和203.39%，全钾分别提高了179.67%和138.28%，差异显著(P＜0.05)。

Figure 3.  Effects of different biochar treatments on nutrient content of A. truncatum seedlings

通过主成分分析提取5个主成分，贡献率分别为35.675%、22.391%、16.477%、10.291%、6.081%，累计贡献率为90.915%，表明5个主成分可以反映生物质炭处理效果90.915%的信息。从主成分贡献率来看，第1主成分全氮载荷最大；第2主成分总根表面积的载荷最大；第3主成分全磷的载荷最大；第4主成分胞间CO₂摩尔分数的载荷量最大；第5主成分茎粗的载荷量最大。根据主成分分析和隶属函数法得出各处理的苗木综合指数(CEI)。CEI代表了各处理的综合效果，分值越高对元宝枫幼苗生长的影响效果最好。由表4可知：11种处理效果从大到小依次为T5、T9、T8、T6、T1、T4、T7、T3、T2、ck1、ck0。

生物质炭能为植物生长提供营养物质，对植物生长发育具有促进作用，不仅可以提高幼苗的株高、茎粗、叶面积、生物量，还能增加叶绿素质量分数，增强根系活力，促进光合作用^[10−11]。本研究发现：与不加生物质炭处理相比，施用生物质炭后，元宝枫幼苗株高、茎粗、叶面积、生物量均有所提高，叶面积提高效果最显著，提高了6.41%~154.49%，这与黄娴等^[16]和GUO等^[17]对油用牡丹Paeonia和番茄Solanum lycopersicum的研究结果一致。可能是因为生物质炭具有疏松多孔的特性，施入基质后提高了基质孔隙度，使基质的抗张强度降低，改善基质团聚体特性，提高基质持水、透气性，进而促进植物的生长^[18]，因此施用生物质炭后对不同植物地上部分生长的表型具有促进作用。生物质炭的种类和添加量都会影响元宝枫幼苗生长。本研究中稻壳炭对元宝枫幼苗株高和茎粗的提升效果优于竹炭和橡胶木炭，茎粗随施炭量的增加而增加，但株高随施炭量的增加而降低；对叶面积和生物量提升最高的是竹炭，最优施炭量均为50.0 g·kg⁻¹竹炭施用量。这与王高飞等^[19]研究结果一致。可能是因为生物质炭原材料和施用量的不同，使得生物质炭在结构、挥发成分质量分数、总孔容积、比表面积、平均孔径等理化性质上表现出差异性，产生不同的环境效益^[20]，导致不同生物质炭对植物生长的影响不同。

根系是直接与基质接触的营养器官，基质的理化性质等因素直接影响根系的生长、分布及功能，进而影响植株的生长发育和作物产量^[21−22]。本研究发现：除50.0 g·kg⁻¹橡胶木炭施用量外，其余施炭处理幼苗总根长、总根表面积、总根体积和根平均直径均高于不加生物质炭处理，分别提高了10.08%~98.82%、9.59%~110.22%、4.17%~175.00%、5.00%~37.50%。这与成功等^[23]研究结果一致。一方面基质的物理性状是限制植物根系生长的重要环境因素，生物质炭的高表面积和孔隙度有效改善了基质物理性质；另一方面生物质炭在水土交融作用下可能会释放或吸收植物生长的化学信号等，对根系分泌物产生影响，从而刺激和干扰根系生理进程，影响根系生长^[24]。因此，施用生物质炭对元宝枫幼苗根系生长具有促进作用。

光合作用是植物生长代谢最基本的物质和能量来源^[25]。本研究中，与不加生物质炭对比，施用生物质炭后幼苗胞间CO₂摩尔分数均有所提高，除T3和T4处理外，其余施炭处理下幼苗叶绿素、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均提高；稻壳炭对各光合指标的影响大于橡胶木炭和竹炭，且各指标随稻壳炭施炭量增加而增加。李彩斌等^[26]研究结果与本研究一致。研究发现：施加生物质炭促进了植物根系生长，根系能够为叶片输送充足的水分和矿质营养，保证叶片中叶绿素的活性，从而促进植物光合作用^[27]。也有研究认为：生物质炭的添加提高了植物氮素吸收和利用效率，使植物氮素质量分数上升，进而提高植物的光合作用强度^[26]，但具体机制有待进一步研究。

幼苗的养分直接反映元宝枫后期生长发育情况，施加生物质炭可以提高元宝枫幼苗对氮、磷、钾养分的吸收^[28]。本研究表明：生物质炭促进了元宝枫幼苗对氮、磷、钾的吸收，除T3处理外，其余处理地上部分全氮质量分数均大于对照；地下部分全氮质量分数除T3、T7、T8处理外均大于对照。与不加生物质炭相比，施炭后幼苗地上、地下部分全磷和全钾质量分数均有所提高。施用竹炭幼苗全磷和全钾质量分数高于橡胶木炭和稻壳炭。这与周加顺等^[29]的研究结果一致。生物质炭本身含有一定对元宝枫幼苗有益的元素，施入基质后能显著提高基质中氮、磷、钾的质量分数，为元宝枫幼苗的生长提供良好的元素供应源，且不同种类的生物质炭本身孔隙度、表面官能团分布、pH和所含的养分质量分数不同，同时对基质中养分的吸附效果也不同，所以对元宝枫幼苗养分影响也不同^[30−31]。

育苗基质添加生物质炭后，可以改变元宝枫幼苗的营养、光合等生理生化特性，从而引起根系、生物量等表型的改变，最终影响整个生长过程。然而植物生长过程中，不同的生长环境使幼苗各部位生长发育及养分吸收情况均有差异，无法直观评价苗木生长的好坏^[25]。本研究对元宝枫幼苗生长量、生物量、根系形态指标、光合指标、养分质量分数进行主成分分析，提取5个主成分，累计贡献率达90.915%，用隶属函数法计算苗木综合指数，结果显示：T5处理苗木综合指数最大，为0.665。说明施用生物质炭能够提高苗木综合质量。本研究中50.0 g·kg⁻¹稻壳炭可作为元宝枫幼苗育苗基质推荐使用。

育苗基质中添加生物质炭对元宝枫幼苗生长量、生物量、根系形态、光合指标、养分质量分数均有一定的提升效果，可将生物质炭用于育苗基质中，培育优质元宝枫幼苗。不同种类生物质炭及不同施用量对元宝枫幼苗生长效果影响不同。本研究通过隶属函数法进行苗木质量综合评价得出最佳施炭量，建议在元宝枫育苗基质中优先选择添加50.0 g·kg⁻¹稻壳炭。