生物炭对风沙地披碱草生长特征的影响

摘要 为揭示生物炭类型和梯度对风沙土的改良效果，以披碱草为研究对象，木炭、秸秆炭、草炭3种生物炭为材料，设置1、2、3、4、5 kg/m2不同施用量，研究不同处理下披碱草各生育期株高、茎粗、根系指标的变化特征。结果表明，木炭、秸秆炭、草炭对披碱草生长指标有明显促进作用。株高和茎粗在成熟期达到最大值，根系总根长、根尖数和根系直径在抽穗期达到最大值。木炭T4（4 kg/m2）+秸秆炭T5（5 kg/m2）+草炭T4（4 kg/m2）对披碱草株高和茎粗的影响最明显，木炭T3（3 kg/m2）+秸秆炭T5（5 kg/m2）+草炭T4（4 kg/m2）对披碱草根系总根长、根尖数、根系直径的影响最明显。株高和茎粗均与根系总根长、根尖数、根系直径呈正相关。综上所述，生物炭可以有效促进风沙地披碱草生长发育，其中木炭T4（4 kg/m2）或T3（3 kg/m2）+秸秆炭T5（5 kg/m2）+草炭T4（4 kg/m2）效果最佳。

关键词 生物炭；披碱草；生长特征；风沙地改良；土地退化

中图分类号 S157  文献标识码 A   文章编号 0517-6611（2024）15-0062-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.15.014

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effect of Biochar on the Growth Characteristics of Elymus dahuricus in Sandy Land

DING Meng1， DENG Ting-ting2

（1. Heishan County Government Service Center， Jinzhou， Liaoning 121400;2. College of Environmental Science and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin， Liaoning 123000）

Abstract To reveal the improvement effect of biochar types and gradients on aeolian sandy soil， Elymus dahuricus was selected as the test crop， and charcoal， straw charcoal， peat were selected as the test improvers. Five different factors of field experiments （1， 2， 3， 4 and 5 kg/m2） were set to study the changes in plant height， stem diameter and root system indicators of Elymus dahuricus at different growth stages under different treatments. The results showed that charcoal， straw charcoal and peat could promote the growth indexes of Elymus dahuricus. The plant height and stem diameter reached their maximum values at maturity， while the total root length， number of root tips and root diameter reached their maximum values at heading stage. The effects of charcoal T4 （4 kg/m2）， straw charcoal T5 （5 kg/m2） and peat T4 （4 kg/m2） on plant height and stem diameter of Elymus dahuricus were the most significant. The effects of charcoal T3 （3 kg/m2）， straw charcoal T5 （5 kg/m2）， and peat T4 （4 kg/m2） on total root length， root tip number， and root diameter of Elymus dahuricus were the most significant. Plant height and stem diameter were positively correlated with total root length， root tip number and root diameter. The effect of biochar on promoting the growth and development of Elymus dahuricus was significant， of which the effect of charcoal T4 （4 kg/m2） or T3 （3 kg/m2）+straw charcoal T5 （5 kg/m2）+peat T4 （4 kg/m2） was the best.

Key words Biochar;Elymus dahuricus;Growth characteristic;Sandy land melioration;Land degradation

土地沙化是指在干旱半干旱地区的生态系统受到破坏，导致区域植被退化或消失，形成风力作用下的风沙运动，是一种典型的土地退化［1］。我国是世界上沙化土地面积大、分布广、危害重的国家之一，严重的土地沙化威胁着我国生态安全和经济社会的可持续发展［2］。土地沙化所形成的风沙土由于本身颗粒较粗，土壤胶体含量偏低，保水保肥能力差，造成土壤中的有机质与细粒物质流失，导致土壤进一步粗化、肥力进一步下降的恶性循环，土地生产力严重衰退，作物抗逆能力降低，土壤病虫害加剧，不利于作物的生长发育。因此，开展风沙土的改良和修复研究对维持农业、经济以及环境可持续发展具有十分重要的意义。

生物炭孔隙结构优良、比表面积大，具有较好的吸附能力［3］，且成本较低，可以有效地提高土壤质量、改善土壤结构、促进植物生长［4-5］，常将其应用在土地退化区域或生态修复区域。相关研究表明，施加生物炭可以促进植物生长发育［6-8］，而这种促进作用受到生物炭种类、施用量以及土壤类型等的影响［9-10］。Hossain等［11］、Zhang等［12］、Zhang等［13］分别研究了生物炭对番茄、水稻、玉米产量的影响，其结果均表明生物炭可以不同程度地提高作物产量。施加生物炭会改变土壤结构和土壤性质，进而影响植物根系以及地上部分的生长发育。因此，笔者以披碱草为研究对象，研究不同生物炭类型和水平条件下披碱草不同生长周期株高、茎粗、根系总根长、根尖数、根系直径的变化特征，揭示不同处理条件下披碱草生长指标的差异性，探讨披碱草各生长指标之间的相关性，以期为风沙地植被恢复与生态环境修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于辽宁省阜新市章古台镇，地处辽西地区，科尔沁沙地南缘，四季分明，年降雨量510 mm，主要集中在6—8月，年蒸发量1 350 mm，年平均气温7.2 ℃，年平均风速3.7 m/s，年无霜期为150 d。研究区土壤类型主要以风沙土为主，砂粒含量多，土壤养分含量偏低，土壤呈弱酸性。植被类型以抗旱性强、防风固沙效果好的草原植物和中旱生植物为主。人工固沙林主要的优势树种为樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica Litv.）、云杉（Picea asperata Mast.）、榆树（Ulmus pumila L.）、杨树（Populus L.）等；林下植被以沙生植被为主，代表植物有黄蒿（Artemisia scoparia Waldst.& Kit.）、赖草［Leymus secalinus（Georgi）Tzvelev］、狗尾巴草［Setaria viridis（L.）Beauv.］、披碱草（Elymus dahuricus）、苜蓿草（Lotuscorniculatus L）、蒺藜（Tribulus terrestris L.）、兴安胡枝子（Lespedeza davurica Laxm.）等。

1.2 试验材料

披碱草由辽宁省风沙地改良利用研究所提供。披碱草是禾本科披碱草属多年生丛生草本植物，具有抗寒、耐贫瘠、抗风沙等特性，广泛分布在我国内蒙古、青海、山西、辽宁、吉林等地区［14］。披碱草生长力强，具有较好的抗虫性和抗逆性，尤其是根系发达，适应能力强，在抗风沙灾害、水土保持、土壤肥力等方面具有较好的作用，是风沙地、盐碱地等生态脆弱区生态修复与重建的主要草种［15-16］。

生物炭购自沈阳农业大学生物炭工程技术中心，包括木炭、秸秆炭、草炭3种，其有机质、全氮、全磷、全钾含量见表1。

1.3 试验设计

试验样地位于辽宁省风沙地改良利用研究所彰武台试验基地，始建于2017年，总面积为27 m×18 m，共设计54个样方，每个样方面积为3 m×3 m；同时，在样方边缘再布置3个空白对照样地，其面积为3 m×3 m。在种植披碱草之前，对每个样方进行前期处理。首先，除去每个样方内的杂草、杂物、石块等物质，利用铁锹和锄头翻动20 cm土层范围内的土壤，使其松散；再将木炭、秸秆炭、草炭按照样方编号均匀地撒到每个样方内，为了使生物炭与土壤充分接触、混合，再一次翻动土壤，在翻动过程中用锄头敲击可能出现的土块，使生物炭与土壤混合均匀。生物炭梯度依次为0 kg/m2（CK）、1 kg/m2（T1）、2 kg/m2（T2）、3 kg/m2（T3）、4 kg/m2（T4）、5 kg/m2（T5），分析不同生物炭组合对风沙土的改良效应。

1.4 测定项目与方法

试验为披碱草生长全周期，共设计拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期4个时间点，每个时间点采集各样方5株长势良好的披碱草。利用铲子将整株披碱草完整取出，采用直尺测量披碱草株高，采用游标卡尺测量披碱草茎粗。将整株披碱草完整地放入密封袋内并带回实验室，采用WinRHIZO根系分析系统测定根系总根长、根尖数、根系直径等指标。

1.5 数据分析

采用Excel 2016进行数据处理，采用SPSS 22.0进行方差分析、相关性分析，采用LSD法进行显著性检验，以P<0.05为显著性检验水平，以P<0.01为极显著性检验水平。

2 结果与分析

2.1 生物炭对披碱草株高和茎粗的影响

由图1可知，在一个完整的生长周期内，披碱草株高随着时间的增加而增大，拔节期披碱草株高最低，抽穗期和灌浆期株高增高，直到成熟期株高达到最大值。生物炭类型和水平会影响披碱草株高，其影响程度不同。在拔节期，不同水平下木炭、秸秆炭、草炭披碱草株高的增加幅度分别为16.51%～47.41%、29.54%～70.06%、13.13%～83.89%，其中木炭T4、秸秆炭T5、草炭T4的增加幅度最大。披碱草抽穗期株高会明显增大，是4个时期株高增加幅度最大的一个时期，木炭、秸秆炭、草炭3种生物炭不同处理披碱草株高分别

为46.89～59.13、52.43～65.43、48.05～78.06 cm；灌浆期和成熟期，披碱草株高继续增大并且达到最大值，3种生物炭不同处理披碱草株高分别为65.87～74.89、69.85～94.27、67.85～97.45 cm。与对照样地相比，施用生物炭可以明显提高披碱草株高，对披碱草株高有一定的促进作用，其不同生物炭类型的促进作用不同，总体上表现为秸秆炭>草炭>木炭。

由图1可知，披碱草茎粗在拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期持续增大，且生物炭类型和水平对披碱草茎粗的增加程度也不同。在拔节期，木炭、秸秆炭、草炭3种生物炭不同处理披碱草茎粗分别为2.02～2.45、2.30～2.78、2.43～2.68 cm，且木炭T4、秸秆炭T5、草炭T4的增加幅度最大，这与披碱草株高增加幅度的变化规律相一致，说明披碱草茎粗和株高之间具有一定的一致性。随着披碱草进入抽穗期、灌浆期、成熟期，不同处理披碱草茎粗逐渐增大，成熟期3种生物炭不同处理披碱草茎粗分别为2.68～2.95、2.77～3.26、2.98～3.54 cm。与对照样地相比，施用生物炭可以明显提高披碱草茎粗，促进披碱草的生长发育，其中以草炭的促进作用最为显著，木炭次之，秸秆炭的促进作用最差。