许樊蓉，唐盛兰，吴文，张于卉，喻方圆

（1.南京林业大学 a.南方现代林业协同创新中心；b.林学院，江苏 南京 210037；2.江苏省苏州市林业站，江苏 苏州 215026；3.上海市林业总站，上海 200040）

栎树(Quercus)又名橡树，具有适应性强、景观效益好等优良性状，在生态、经济、美化环境等方面具有重要价值。20世纪初期，我国引入了一批产自北美的优良栎树，在长江三角洲地区进行栽培，其中娜塔栎表现优异，因而得到推广应用。目前对于娜塔栎的研究主要包括引种适应性、抗逆性、树叶变色机制等。此外，娜塔栎具有重金属耐性，结合重金属污染生态修复的实际需求，曲豪杰[1]利用娜塔栎和柳叶栎进行植被恢复试验，结果表明两个树种对Cd 有较强的富集能力，且娜塔栎对Cd 的富集能力高于柳叶栎。

近年来，娜塔栎容器育苗得到快速发展，郁春柳[2]为了筛选适合娜塔栎容器苗的经济、环保、节约型基质，开展研究发现50%泥炭+25%珍珠岩+25%菜园土基质育苗效果最好。王松等[3]通过研究娜塔栎容器育苗技术发现，对娜塔栎种子进行低温层积能破除内源休眠现象，使其整齐发芽。但就目前情况来看，娜塔栎容器育苗的技术水平还处在初级阶段，娜塔栎容器苗的质量有待于进一步提高。

生物炭作为土壤调节剂，能够改善土壤性质，为苗木生长创造良好条件。文中以娜塔栎容器苗为试验材料，对其添加不同含量的生物炭，研究生物炭对其生长和营养状况的影响，旨在为娜塔栎容器苗的优质化和集约化培育提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验以上海市森林植被种质资源基地为育苗场所，采用从美国引进的娜塔栎种子，于2019年4月上旬播于32 孔穴盘中，于2019年6月14日进行不同含量的生物炭添加并移栽至无纺布容器中，移栽时苗高约为10 cm。选用白色无纺布袋为育苗容器，大小为10 cm×20 cm；基质配比为泥炭∶珍珠岩∶有机肥=7∶2∶1（体积比）。未添加生物炭前的基质的相关理化性质如下：容重0.47 g·cm-3，总孔隙度64.18%，通气孔隙度25.03%，持水孔隙度39.16%，全氮3.01 mg·g-1，全磷0.74 mg·g-1，全钾3.02 mg·g-1。

1.2 试验设计

试验设置2 种生物炭，每种生物炭设置3 个水平，如表1所示。不同处理添加不同含量的生物炭，其含量为基质质量的百分数，对照则不做处理。每个处理3 个重复，每重复30 株幼苗，采用相同容器和基质进行容器苗培育。2019年6月试验开始，11月下旬试验结束，收获苗木并取样。

表1 生物炭试验处理Table 1 The biochar addition treatment %

1.3 指标测定

收获期用卷尺测定娜塔栎的苗高，用游标卡尺测定地径。使用精度为0.001 g 的电子天平获得娜塔栎容器苗的生物量。采用根系扫描仪扫描娜塔栎容器苗的根系，再结合WinRHIZOPRO 2007得到根系表面积、根系体积等形态指标。关于娜塔栎容器苗的生理指标，采用蒽酮比色法测定可溶性糖和可溶性淀粉含量，考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量，重铬酸钾氧化-外加热法测定碳含量，凯氏法测定氮含量。

1.4 数据处理与分析

利用SPSS 24.0 和Excel 2010 软件处理试验数据。经过方差分析及Duncan 多重比较，整理并制图。

2 结果与分析

2.1 生物炭对娜塔栎容器苗地上部分生长的影响

到生长后期（11月7日），添加不同生物炭对娜塔栎容器苗的苗高、地径、高径比的影响如表2所示。娜塔栎苗高生长量由大到小依次为BS2（57.23 cm）＞BS1（56.12 cm）＞BB3（53.25 cm）＞BB2（52.49 cm）＞BS3（51.07 cm）＞CK（50.66 cm）＞BB1（49.75 cm），苗高上，BS2、BS1、BB3、BB2、BS3 处理分别比CK 处理提高了12.97%、10.78%、5.11%、3.61%、0.81%。添加4%秸秆炭对娜塔栎苗高的促进效果最好，其次是2%的秸秆炭。地径生长量由大到小依次为CK（10.37 mm）＞BB1（10.35 mm）＞BB2（10.30 mm）＞BB3（9.69 mm）＞BS1（9.53 cm）＞BS2（9.06 mm）＞BS3（8.73 mm），各生物炭处理均在一定程度上降低了娜塔栎容器苗的地径，其中BS3、BS2、BS1 与对照差异显著（P＜0.05），说明添加秸秆炭比竹炭效果更明显。

表2 不同生物炭处理对娜塔栎容器苗生长的影响†Table 2 Growth of the Quercus nuttallii container seedlings under different biochar treatments

娜塔栎容器苗的高径比由大到小依次为BS2（6.53）＞BS1（5.99）＞BS3（5.92）＞BB3（5.57）＞BB2（5.13）＞CK（4.93）＞BB1（4.85）。高径比总体上随施炭量增加而增加，BS2 处理的高径比达到最高，比对照增加了26.9%。各处理中，BB1 处理的高径比低于对照。由此看来，添加较高浓度的生物炭会提高娜塔栎容器苗的高径比，也就是说，生物炭添加对娜塔栎苗木高生长的促进作用大于地径，不过，各处理苗木的高径比仍在合理范围（高径比＜7）。

总体上看，在娜塔栎容器苗的生长后期，娜塔栎植株的苗高显著提高，且含有2%秸秆炭和含有4%秸秆炭的处理对娜塔栎容器苗的苗高的促进效果最好，地径明显降低，含有秸秆炭的处理效果更强。

2.2 生物炭处理对娜塔栎容器苗根系生长的影响

生物炭处理对娜塔栎容器苗根系形态指标的影响如表3所示，一级侧根数是指主根上生长出的侧根，由大到小依次为BS2＞BS3＞BS1＞BB2＞BB3＞BB1＞CK，且各处理与对照差异显著（P＜0.05），证明生物炭有利于娜塔栎容器苗一级侧根的增多。其中，含有4%秸秆炭、6%秸秆炭的一级侧根数显著高于其他处理，说明秸秆炭与竹炭相比，更有利于娜塔栎容器苗须根的产生，根系构型也更为合理。

表3 不同生物炭处理对娜塔栎容器苗根系形态指标的影响Table 3 Root morphological indexes of the Quercus nuttallii container seedlings under different biochar treatments

根系总长由大到小依次为BS2（696.94 cm）＞BS3（649.77 cm）＞BB2（621.39 cm）＞BB3（612.82 cm）＞BS1（601.25 cm）＞BB1（509.98 cm）＞CK（485.08 cm），且各处理与对照差异显著（P＜0.05），说明生物炭可以促进娜塔栎容器苗根系总长的增加。其中含有4%秸秆炭的处理效果最好，根系总长显著高于其他处理，比对照增大了43.68%。

根系表面积由大到小依次为BB3（476.03 cm2）＞BS2（466.94 cm2）＞BS1（450.66 cm2）＞BS3（446.28 cm2）＞BB2（436.01 cm2）＞BB1（407.61 cm2）＞CK（344.08 cm2），且各处理与对照差异显著（P＜0.05）。由此可见，生物炭可以促进娜塔栎容器苗根系表面积的增加。其中含有6%竹炭、4%秸秆炭的处理根系表面积较大，分别高出了对照38.35%和35.71%，说明较高含量的生物炭能有效促进娜塔栎容器苗的根系表面积。

根系体积由大到小依次为BB3（27.06 cm3）＞BS2（26.55 cm3）＞BS3（23.51 cm3）＞BB2（23.08 cm3）＞BS1（21.59 cm3）＞BB1（21.19 cm3）＞CK（16.02 cm3），且各处理与对照差异显著（P＜0.05）。由此可见，生物炭会促进娜塔栎容器苗根系体积的增加。其中含有6%竹炭、4%秸秆炭的处理根系体积显著高于其他处理，分别比对照增加了68.91%、65.73%，说明娜塔栎容器苗的根系在较高浓度的生物炭处理下生长效果较佳。

综合比较各项根系形态指标可以发现，生物炭能促进娜塔栎容器苗的根系表面积、体积、总长和一级侧根数的增加。主要原因可能是生物炭具有良好的微观孔隙结构，结合理化性质作用于土壤微环境，从而创造出促进土壤微生物数量增加、种群类别增多的有利条件。同时，生物炭为植物生长提供了全面且珍贵的营养元素，进而优化根系形态指标，促进根系生长。

2.3 生物炭处理对娜塔栎容器苗生物量的影响

不同生物炭处理对娜塔栎容器苗各部分生物量的影响如表4所示，地上部分生物量由大到小依次为BS2（15.65 g）＞BS1（15.54 g）＞BB3（15.28 g）＞BB2（14.98 g）＞BS3（14.23 g）＞BB1（14.12 g）＞CK（10.19 g），地下部分生物量由大到小依次为BS2（12.76 g）＞BS1（12.32 g）＞BS3（12.27 g）＞BB1（12.13 g）＞BB3（12.08 g）＞BB2（11.89 g）＞CK（7.23 g），总生物量由大到小依次为BS2（28.42 g）＞BS1（27.86 g）＞BB3（27.36 g）＞BB2（26.88 g）＞BS3（26.51 g）＞BB1（26.25 g）＞CK（17.42 g）。各处理与对照差异显著（P＜0.05），其中BS2、BS1 处理各部分生物量显著优于其他处理，分别比对照的地上部分生物量增加了53.58%和52.50%，比对照地下部分生物量增加了76.49%和70.40%，比对照的总生物量增加了63.15%和59.93%。说明含有4%秸秆炭和含有2%秸秆炭的处理对娜塔栎容器苗的地上部分和地下部分生长的促进效果最好，对娜塔栎容器苗的总生物量促进作用也最好。

表4 不同生物炭处理对娜塔栎容器苗生物量的影响Table 4 The dry weight of the Quercus nuttallii container seedlings under different biochar treatments

根冠比反映植株地上与地下部分的生长发育情况，根部吸收水分，供冠层利用，冠层通过光合作用促进地下部分根部生长，两者相辅相成。同时根冠比也能间接反映出环境对于植物干物质的积累以及其在根、冠间的分配是否合理。因此，根冠比是研究娜塔栎生长的重要指标。由表4可知，各生物炭处理与对照相比，根冠比均有提高，且与对照差异显著（P＜0.05），说明生物炭能提高娜塔栎的根冠比，提高苗木吸收水肥的能力和抗逆行，进而对娜塔栎的生长有更好的促进作用。

2.4 生物炭对娜塔栎容器苗根系和茎中营养状况的影响

2.4.1 根系营养物质含量

如表5所示，可溶性糖含量由高到低依次为BS2（32.42 mg/g）＞BS1（30.21 mg/g）＞BB2（28.56 mg/g）＞BB3（24.94 mg/g）＞BS3（23.14 mg/g）＞CK（17.61 mg/g）＞BB1（15.16 mg/g），各处理之间差异显著（P＜0.05），其中含有4%秸秆炭处理的可溶性糖含量最高，较对照增高了84.10%，其次是含有2%秸秆炭的处理，比对照增加了71.55%。说明生物炭可促进娜塔栎容器苗根系可溶性糖的积累，且含有4%秸秆炭处理的效果最好。娜塔栎容器苗淀粉含量由高到低依次为BS2（168.43 mg/g）＞BB1（162.15 mg/g）＞BB2（151.21 mg/g）＞BS1（150.53 mg/g）＞BS3（149.12 mg/g）＞BB3（137.65 mg/g）＞CK（128.41 mg/g），其中含有4%秸秆炭处理的淀粉含量最高，与对照差异显著（P＜0.05），比对照增加了31.17%。说明生物炭可以提高娜塔栎容器苗根系淀粉的含量，且含有4%秸秆炭的促进效果最好。可溶性蛋白是一种具有保护生物膜作用的渗透调节物质，对植物生长至关重要。娜塔栎容器苗可溶性蛋白含量由高到低依次为BS2（9.62 mg/g）＞BS1（9.49 mg/g）＞BS3（9.23 mg/g）＞BB2（8.94 mg/g）＞BB1（8.70 mg/g）＞BB3（7.65 mg/g）＞CK（7.48 mg/g），其中含有4%秸秆炭、2%秸秆炭处理的可溶性蛋白含量较高，与对照差异显著（P＜0.05）分别比对照增加了28.61%和26.87%。说明生物炭有利于娜塔栎容器苗根系可溶性蛋白含量的积累，且添加秸秆炭的效果要优于竹炭，其中含有4%秸秆炭对其可溶性蛋白含量积累的促进作用最明显。

表5 不同生物炭处理对娜塔栎容器苗营养物质含量的影响Table 5 Nutrient content of the Quercus nuttallii container seedlings under different biochar treatments

2.4.2 根系中碳含量、氮含量及碳氮比

如表6所示，娜塔栎容器苗根中氮含量由大到小依次为BB2（57.33 g/kg）＞BS2（52.35 g/kg）＞BS1（44.79 g/kg）＞CK（42.71 g/kg）＞BB1（42.07 g/kg）＞BS3（36.30 g/kg）＞BB3（32.59 g/kg）。BB2 处理氮含量最高，与其他处理差异显著（P＜0.05），比对照增加了34.23%。其次为BS2 处理，氮含量比对照高出了22.57%。BB1、BS3 和BB3 处理的氮含量均低于对照，各处理间差异不显著（P＞0.05）。总体上看，含有4%竹炭和4%秸秆炭的处理含氮量较高，由此看来，添加适量的生物炭可以显著增加娜塔栎容器苗根系氮含量的积累，而施炭过高或者过低则不利于其根系氮含量的积累。

表6 不同生物炭处理对娜塔栎容器苗根中碳含量、氮含量及碳氮比的影响Table 6 Carbon content,nitrogen content and the carbonnitrogen ratio in the root of Quercus nuttallii container seedlings under different biochar treatments

从娜塔栎容器苗根中碳含量的情况来看，BS3（683.10 g/kg）的含碳量较高，CK（580.80 g/kg）的含碳量较低，但各处理间的碳含量差异均不显著（P＞0.05），说明生物炭对娜塔栎容器苗根中碳元素含量没有显著的影响。

娜塔栎容器苗根中碳氮比由大到小依次为BB3（20.78）＞BS3（18.89）＞BB1（16.03）＞CK（13.63）＞BS1（13.07）＞BS2（11.18）＞BB2（10.76）。碳氮比总体上随施炭量增加而增加，BB3 处理的碳氮比达到最高，比对照增加了52.46%，与其他处理差异显著（P＜0.05）。BS1、BS2、BB2 处理的碳氮比均低于对照，但差异不显著（P＞0.05）。由此看来，施加较高浓度的生物炭可以提高娜塔栎容器苗根系的碳氮比，适量浓度的生物炭则会降低其根系的碳氮比。

2.4.3 茎中碳含量、氮含量及碳氮比

如表7所示，娜塔栎容器苗茎中氮含量由大到小依次为BB2（41.19 g/kg）＞BS2（36.49 g/kg）＞BS1（33.54 g/kg）＞BB1（30.49 g/kg）＞BB3（29.37 g/kg）＞CK（28.09 g/kg）＞BS3（27.56 g/kg）。BB2 处理氮含量最高，与其他处理差异显著（P＜0.05），比对照增加了46.64%，其次为BS2 处理，比对照增加了29.90%。BS3 处理氮含量最低，其他各处理间差异不显著（P＞0.05）。总体上看，含有4%竹炭和4%秸秆炭的处理含氮量较高，说明适量的生物炭可以促进娜塔栎容器苗茎中氮含量的积累，而施炭过高则不利于其茎中氮含量的积累。

表7 不同生物炭处理对娜塔栎容器苗茎中碳含量、氮含量及碳氮比的影响Table 7 Carbon content,nitrogen content and the carbonnitrogen ratio in the stem of Quercus nuttallii container seedlings under different biochar treatments

从娜塔栎容器苗茎中碳含量的情况来看，各生物炭处理均在一定程度上降低了娜塔栎容器苗茎中的碳含量，但各处理间差异并不显著（P＞0.05），说明生物炭对娜塔栎容器苗茎中碳元素的积累没有显著的影响。

娜塔栎容器苗茎中碳氮比由大到小依次为CK（24.53）＞BB3（22.56）＞BS3（21.75）＞BB1（21.45）＞BS1（17.94）＞BB2（15.96）＞BS2（15.95）。各生物炭处理的碳氮比与对照相比均有所下降，其中BB2、BS2 与对照差异显著（P＜0.05），说明生物炭对娜塔栎容器苗茎中碳氮比有降低作用，其中含有4%竹炭和含有4%秸秆炭的效果最明显。

3 讨 论

生物炭产生于生物质的热化学分解过程，具有价格低廉、环境友好等优点，因而被广泛用于土壤修复、温室气体减排等多种用途[4]。生物炭具有的共同特征包括潜在的土壤质量效益，即提高改良土壤的持水能力、C 含量和阳离子交换能力[5]。此外，生物炭可以增加土壤营养。酸性土壤pH 值增加[6]、阳离子吸附可以解释生物炭改善土壤养分保留[7]，提高肥力。这些变化很可能会对养分循环[8]或土壤结构[9]产生影响，从而促进植物生长[10]。Van Zwieten 等研究发现用造纸厂废物缓慢热解得到的两种生物炭，配合肥料的施用，种植的小麦表现出增加了对氮的吸收，提高了肥料利用率[6]。众多研究已表明，生物炭具有显著的改土增产作用。秸秆炭化还田既能提高农作物产量，又能改善生态环境，在未来必将得到大范围的认可和运用。

Chan 等在探究绿色废弃物生物炭对土壤作用的过程中，描述了生物炭能促进植物根的生长[11]。Makoto 等的研究表明，在不饱和的原生土层中，落叶松枝、桦木枝和矮竹枝在森林火灾后的炭层中，根生物量增加47%，根尖数量也显著增加了64%[12]。在热带土壤中添加椰子生物炭也增加了芦笋Asparagus officinalis贮藏根的数量[13]。此外，生物炭可以增加水稻Oryza sativa的根长[14]。杨莉等[15]通过向人参Panax ginseng施加生物炭，发现生物炭能提高其根重和根长。吉贵锋等[16]在施用生物炭的对照处理中发现根系总面积总根尖数分别提高48.5%、44.3%。本研究中，生物炭可以显著增加娜塔栎容器苗的苗高、地径、生物量、须根生物量、一级侧根数、根系总长、根系表面积、根系体积，与上述研究结果一致。高径比反映地上部分的健壮程度，因树种而异，并无统一的标准[17]。本试验高径比总体上随添加生物炭量的增加而增加，这可能是因为添加生物炭相较于地下部分更能促进地上部分的生长，这有可能与娜塔栎的遗传特性有关，未来可以对此进行更加深入的研究。且本研究中，2 种生物炭处理下，娜塔栎的高径比均在适宜范围内，这有利于保证苗木的抗性和成活率[18]。植物的细根（直径≤2mm）是其与土壤交换物质的活跃部位，对于植物从土壤吸取养分和水分有着重要的作用[19-20]。植物的细根通过物理作用等方式嵌入土壤，具有生长快，寿命短，更新快的显著特点，是负责植物与环境养分和水分交流的主要器官，有助于土壤中有机物质的积累[21-24]。展望未来，可以开展添加生物炭对娜塔栎细根生长发育影响的相关研究，以进一步揭示添加生物炭对娜塔栎根系发育的影响。

有研究表明生物炭的施用能有效提高植物的营养物质含量。陈庆飞[25]发现生物炭处理能有效提高铁皮石斛Dendrobium officinale中多糖含量。屠娟丽等[26]的研究结果表明，施加秸秆生物炭能提高马铃薯Solanum tuberosum块茎中的淀粉、蛋白质含量。任少勇等[27,28]、黄修梅等[29]在研究炭基肥对马铃薯产量和品质的影响过程中，也得出相似结论，即生物炭添加能提高马铃薯的产量和品质。非结构性碳水化合物包括可溶性糖和淀粉，为植物的生长代谢提供能量[30]。本试验结果显示，生物炭可以显著提高娜塔栎容器苗根系非结构性碳水化合物即可溶性糖和淀粉的含量，对可溶性蛋白的含量影响不显著，与上述研究结果一致。添加生物炭对娜塔栎叶和茎养分代谢的影响还有待进一步研究。

生物炭可以促进土壤硝化作用，并将土壤中的硝态氮转变为便于植物吸收利用的铵态氮，促进苗木生长。一般来说，向土壤中添加生物炭可能会增加土壤的C 和N 库。高梦雨[31]发现施用生物炭能有效提高花生Arachis hypogaea植株不同部位氮、磷、钾素的积累，增加花生产量。廖芬[32]在研究不同生物质来源的生物炭对甘蔗Saccharum officinarum氮素利用的影响过程中，发现处于各个生育期的不同器官的氮含量表现各异，表现为伸长期＞苗期＞成熟期，且茎和根中的N 明显少于叶片。张令[33]发现生物炭可显著提高大叶桉Eucalyptus grandis根茎叶的全氮含量，各器官中氮含量表现为叶＞根＞茎。本实验结果显示，BS2（4%秸秆炭）处理可以提高娜塔栎根、茎中氮素的含量，而BS3（6%秸秆炭）会降低其根、茎中氮素含量，且根中的氮含量高于茎。王迎男[34]在对马铃薯Solanum tuberosum块茎与碳氮比关系的研究中发现，增加氮素供应水平，植株体内的碳浓度不增加，氮浓度增大，碳氮比逐渐降低。植物体内碳与氮含量的比值反应植物生长发育的状况，碳氮比低说明植物体内氮含量相对较高，有利于植物的生长。本试验结果表明，生物炭对娜塔栎容器苗根、茎中碳元素没有显著影响，且BS2（4%秸秆炭）处理降低了娜塔栎容器苗根、茎中的碳氮比，与上述研究结果一致。

生物炭可能对根系生长有多种不同的影响，这些影响也可能同时发生，其结果将取决于生物炭的性质、土壤类型和作物种类。应用专门设计的生物炭作为生态恢复的选择性工具具有巨大的潜力[35]。在今后的研究中，还可以将不同用量的生物炭与其他肥料混合，形成复合基质，探究其对苗木生长质量和成活率的影响，从而得出生物炭与其他肥料的最优基质配比，为生物炭更好地推广应用提供动力。

4 结 论

本试验研究得出，娜塔栎容器苗采用生物炭处理时，秸秆炭和竹炭均有利于娜塔栎苗的生长及根系形态的优化。从苗木形态指标可以得出，BS2（4%秸秆炭）处理最有利于苗木的生长。4%秸秆炭处理与对照相比，苗高增加了12.97%，地上部分生物量增加了53.58%，地下部分生物量增加了76.49%，总生物量增加了63.15%，根冠比增加了15.49%。由根系参数可知，BS2（4%秸秆炭）处理的根系构型更合理。一级侧根数平均增加了7.28 条，根系总长增加了211.86 cm，根系表面积增加了122.86 cm2，根系体积增加了10.53 cm3。通过苗木营养状况分析得出以下结论，生物炭会有利于娜塔栎容器苗可溶性糖和淀粉的积累，BS2（4%秸秆炭）处理的效果最好，分别比对照增加了84.10%、31.17%。此外，4%秸秆炭也提高了娜塔栎容器苗根、茎中的氮含量，说明施加适量浓度的生物炭可以促进娜塔栎容器苗根、茎氮元素的积累，降低碳氮比。综合苗木形态指标和生理指标可以得出，4%秸秆炭处理对娜塔栎苗木生长质量的提高效果最好。