火力楠Michelia macclurei为木兰科含笑属常绿乔木，是我国南方优良的乡土阔叶珍贵用材、防火和造林树种，具有速生、适应性强、出材率高和用途广泛等特点^[1-2]，具有较高的综合利用价值和广泛的应用前景，因此，促进火力楠人工林造林质量提升对加快林业生态建设和解决我国珍贵树种木材供需矛盾具有重要意义。在林业生产中，施肥是营林造林的重要技术措施，合理施肥能维持林木营养平衡，提高林木生长速度和质量^[3]。由于土壤类型和培育目标的多样化，单纯的氮磷钾施肥已经难以满足实际生产活动中林木施肥的需求^[4]，且过度使用化肥会造成土壤退化和环境污染^[3]，因此新的施肥材料和方法成为提高火力楠林分生产力的重要研究方向。

生物炭是由农林废弃物在高温( < 700 ℃)和低氧条件下热分解产生的碳质物质^[5]，其应用可提高农林废弃物的利用率^[6]，是近年来农林、气候变化和环境等诸多领域的研究热点^[7-9]。生物炭在土壤改良中表现出较大潜力，可以改善土壤理化性质，增强持水能力，保留土壤养分，促进植物生长和改良污染土壤^{[6, 10]}。生物炭作为优质土壤改良剂，可以促进作物生长和增加产量，但生物炭自身所含矿质养分含量有限，单独施用不能为植物提供充足的营养^[11]。近年来，生物炭与肥料结合成新型肥料的研究日益受到重视^[12]。国内外的研究^[13-15]表明，生物炭与肥料制成新型生物炭基肥，对植物生长的促进作用优于常规肥料，其更好地发挥复合肥和生物炭各自的特性，优势互补，既对植物生长有显著的协同促进作用^[16]，又加快推进化肥减量增效的目标，凸显缓释养分、稳定增产和改良土壤性质等优势^[5]。因此生物炭基肥可作为传统肥料的替代品^[3]，是提高植物品质的重要补充。

目前，生物炭及生物炭基肥的应用主要以农业利用为主^[6]，但在林业生产中研究较少，主要集中在林木光合特性^[13]、苗木基质配方^[17]和尾砂基质改良^[9]等方面，特别是对野外林地土壤改良、林木生长和养分吸收的研究鲜有报道，因此将生物炭及生物炭基肥推广应用到人工林养分管理中具有较大的现实意义。鉴于此，本研究以广东省德庆林场的火力楠人工幼林为研究对象，在野外林地开展施肥试验，研究生物炭及生物炭基肥对火力楠生长、养分吸收和土壤性质的影响，分析生物炭和生物炭基肥施用后植物生长、Dickson质量指数、氮磷钾含量及土壤理化性质变化，为华南地区珍贵树种人工林养分管理提供科学依据，为农林业废弃物生物炭在林地土壤改良中的应用提供参考，对促进生物炭及生物炭基肥在林业生产中的应用具有重要意义。

1.   材料与方法

1.1   试验材料

试验在广东省德庆林场(23° 11′ 06″ N，111° 42′ 29″ E)进行。试验植物为广东省德庆林场苗圃培育的火力楠，施肥前测得平均株高(180.67±2.80)cm、地径(13.59±0.36) mm、冠幅(58.27±1.84) cm。供试的生物炭为稻壳生物炭和木屑生物炭(浙江长三角聚农科技开发有限公司)，在500 ℃下炭化而成，过2 mm筛备用，生物炭的理化性质见表1。供试的复合肥为市售林用复合肥(雅苒国际有限公司，N、P₂O₅、K₂O质量分数均为15%)。供试的生物炭基肥是生物炭与研磨成粉状的复合肥按照3∶2的干质量比充分混匀制成，其中稻壳生物炭基肥是由稻壳生物炭与复合肥混合而成，木屑生物炭基肥是由木屑生物炭与复合肥混合而成。

表  1  稻壳生物炭(RB)和木屑生物炭(WB)的基本性质

Table  1.  Basic properties of rice husk biochar (RB) and wood chip biochar (WB)

材料 Material	容重/(g·cm−3) Bulk density	毛管持水量/(g·kg−1) Capillary capacity	总孔隙度/% Total porosity	毛管孔隙度/% Capillary porosity	非毛管孔隙度/% Non-capillary porosity	通气孔隙度/% Air porosity	pH	电导率/(μS·cm−1) Electrical conductivity
RB	0.50	971.06	81.31	48.08	33.23	72.39	10.17	2320
WB	0.34	1777.55	87.29	59.85	27.44	76.93	9.24	406

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材料 Material	w/(g·kg−1)					w/(mg·kg−1)
	有机质 Organic matter	全氮 Total N	全磷 Total P	全钾 Total K		碱解氮 Alkali-hydrolyzable N	速效磷 Available P	速效钾 Available K
RB	311.40	12.53	3.28	18.11		56.00	387.36	2761.22
WB	234.19	7.20	1.53	6.42		28.00	13.68	426.12

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1.2   试验设计与布置

本试验采取完全随机区组设计，试验共设置6个处理：不施肥(CK)，分别施用复合肥0.2 kg·株⁻¹(CF)、稻壳生物炭0.3 kg·株⁻¹(RB)、木屑生物炭0.3 kg·株⁻¹(WB)、稻壳生物炭基肥0.5 kg·株⁻¹(RBF，稻壳生物炭0.3 kg·株⁻¹+复合肥0.2 kg·株⁻¹)和木屑生物炭基肥0.5 kg·株⁻¹(WBF，木屑生物炭0.3 kg·株⁻¹+复合肥0.2 kg·株⁻¹)，每个处理重复8次。于2021年3月造林，植穴规格40 cm×40 cm×40 cm，栽植密度3 m×3 m。2021年7月，选取长势一致的火力楠开展试验，距主干20 cm处均匀挖3个20 cm深穴(不施肥处理同样操作)，将复合肥、生物炭或生物炭基肥一次性均匀施入3个穴，直至试验结束不再施用任何肥料，复合肥施用量参照《火力楠培育技术规程》(LY/T 2461—2015)^[18]。2022年8月，每个处理随机选取3株进行整株收获。种植当年进行1次除草，同时采取病虫防治等措施维持林木正常生长。

1.3   样品采集与处理

经过1年种植后，采集每株植物下的土壤样品，在距离供试植物20~30 cm处选取有代表性的地方，去掉5 cm表层土后利用环刀采集原状土，测定土壤物理性质。选取3个点分别挖取0~20 cm深的土壤(避开施肥处土壤)，混合成1个土壤样品，清除石块和杂物后做好标记并装袋带回实验室，风干、研磨、过筛后作为待测土样。随后，整株挖出试验植物(收集断根)，用自来水洗净后带回实验室，分为根、茎和叶，置于烘箱内，105 ℃下杀青30 min，65 ℃下烘至恒质量。

1.4   指标测定与方法

试验开始时和结束后用卷尺测量植物株高和冠幅，用游标卡尺测定地径。试验结束时，使用YMJ-BC叶面积测量仪测单叶叶面积，用SPAD-502 Plus叶绿素仪测定叶绿素相对含量(SPAD值)，用电子天平称得植物样品的生物量(干质量)。将称量后的样品粉碎，用H₂SO₄−H₂O₂消煮法获得待测液，进行植物不同部位N、P和K含量的测定，N含量用奈氏比色法，P含量采用钼锑抗比色法，K含量用原子吸收分光光度计测定^[19]。

土壤样品分析方法参照《土壤农化分析》^[19]进行，其中土壤容重、孔隙度采用环刀法测定；土壤自然含水量采用烘干法测定；pH采用电位法测定，其中去离子水和已知风干的基质样品以5∶2的质量比混合，去离子水和生物炭以20∶1的质量比混合；有机质采用石墨消解加热法(K₂Cr₂O₇−H₂SO₄氧化法)测定；全N含量采用凯氏定氮法测定，全P含量采用NaOH熔融−钼锑抗比色法测定，全K含量采用NaOH熔融−火焰分光光度计法测定，碱解N含量采用碱解扩散法测定，速效P含量采用NaHCO₃溶液浸提−钼锑抗比色法测定，速效K含量采用CH₃COONH₄溶液浸提−火焰光度法测定^[19]。

1.5   数据处理与分析

全株养分含量、各部位养分累积量、全株养分累积量^[20]和Dickson质量指数(DQI)^[21]的计算公式如下：

式中，$ {\mathrm{TDW}} $为总生物量，$ {\mathrm{ADW}} $ 为地上部生物量，$ {\mathrm{RDW}} $ 为根生物量，$ H $ 为株高，$ D $ 为地径。该指标表征多个指标的综合指数，反映苗木质量，数值越大，说明植株长势越好。

参照陆洁等^[20]的方法，通过模糊隶属函数对生物炭及生物炭基肥施用下植物生长和土壤理化性质指标进行综合评价，计算公式如下：

式中，$ R({X}_{i}) $为某处理第$ i $项指标的隶属函数值，$ {R({X}_{i})}_{反} $为某处理第$ i $项指标的反隶属函数值，$ {X}_{i} $为第$ i $项指标测定值，$ {X}_{\min} $和$ {X}_{\max} $分别为所测指标的最小值和最大值。本研究中株高增长量、地径增长量、冠幅增长量、总生物量、Dickson质量指数、叶面积、SPAD值、N含量、P含量、K含量、N总累积量、P总累积量、K总累积量、总孔隙度、pH、有机质、碱解N、速效P、速效K用$ R({X}_{i}) $计算；容重用$ {R({X}_{i})}_{反} $计算。最后求取同一处理所有指标隶属函数值的平均值，计算不同处理的综合得分，平均值越大表示效果越好。

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0软件对数据进行统计分析。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan’s法进行方差分析和多重比较(α=0.05)。使用Origin Pro 2024软件作图。图表中数据为平均值±标准误(n=3)。

2.   结果与分析

2.1   生物炭和生物炭基肥对火力楠生长特性的影响

2.1.1   生物炭和生物炭基肥对火力楠生长的影响

如图1所示，各施肥处理的火力楠株高、地径和冠幅增长量均高于CK，增幅分别为89.4%~481.8%、43.7%~114.3%和48.4%~167.6%，其中，RB处理的株高、地径增长量显著高于CK(P<0.05)，CF、RBF、WBF处理的株高、地径和冠幅增长量均达到显著水平(P<0.05)，WBF处理的增幅最高。与单施复合肥的CF处理相比，WBF处理的株高、地径和冠幅增长量分别增加了79.5%、25.8%和36.3%，其中株高、冠幅增长量与CF的差异达到显著水平(P<0.05)。

图  1  生物炭和生物炭基肥对火力楠生长的影响

CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；各图中，柱子上方的不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05，Duncan’s 法)。

Figure  1.  Effects of biochar and biochar-based fertilizer on the growth of Michelia macclurei

CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; In each figure, different lowercase letters on columns indicate significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s method).

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2.1.2   生物炭和生物炭基肥对火力楠生物量的影响

如图2所示，与CK相比，各施肥处理均增加了火力楠根、茎、叶和总生物量，增幅分别为59.1%~193.6%、67.1%~239.6%、39.5%~134.6%和55.7%~192.2%。其中RB、WB处理的根生物量显著增加了59.1%和62.2%(P<0.05)，茎、叶和总生物量分别增加了67.1%~67.5%、39.5%~40.1%和55.7%~56.2%，但均与CK无显著差异；CF、RBF、WBF处理的根、茎、叶和总生物量均显著增加(P<0.05)，其根、茎、叶和总生物量的增幅分别为119.0%~193.6%、135.1%~239.6%、93.7%~134.6%、122.2%~192.2%，其中WBF处理的增幅最大。与CF相比，WBF处理增加各部位和总生物量，其中茎和总生物量显著增加(P<0.05)，增幅分别为44.4%和31.5%；RBF处理的茎、叶和总生物量增加了10.8%、7.8%和5.1%，但均无显著差异；RB、WB处理的根和总生物量均显著小于CF处理(P<0.05)。

图  2  生物炭和生物炭基肥对火力楠生物量的影响

CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；各图中，柱子上方的不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05，Duncan’s 法)。

Figure  2.  Effects of biochar and biochar-based fertilizer on the biomass of Michelia macclurei

CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; In each figure, different lowercase letters on columns indicate significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s method).

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2.1.3   生物炭和生物炭基肥对火力楠Dickson质量指数的影响

如图3所示，各施肥处理对火力楠的Dickson质量指数均具有促进效果。与CK相比，CF、WB、RBF和WBF处理的Dickson质量指数分别显著增加了148.9%、73.8%、136.8%和192.2%(P<0.05)，其中WBF处理的Dickson质量指数最高。RB、WB处理的Dickson质量指数均显著小于CF(P<0.05)，WBF处理的Dickson质量指数较CF增加了17.4%，但无显著差异。

图  3  生物炭和生物炭基肥对火力楠Dickson质量指数的影响

CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；柱子上方的不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05，Duncan’s 法)。

Figure  3.  Effects of biochar and biochar-based fertilizer on the Dickson quality index of Michelia macclurei

CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; Different lowercase letters on columns indicate significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s method).

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2.1.4   生物炭和生物炭基肥对火力楠叶面积和SPAD值的影响

如图4所示，与CK相比，CF、RB、WB、RBF、WBF处理的火力楠叶面积和SPAD值均显著增加(P<0.05)，增幅分别为40.5%~82.8%和18.2%~34.1%。与CF处理相比，RBF处理的SPAD值显著增加(P<0.05)，增幅为13.4%；WBF处理的叶面积显著增加(P<0.05)，增幅为30.1%。

图  4  生物炭和生物炭基肥对火力楠叶面积和SPAD值的影响

CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；各图中，柱子上方的不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05，Duncan’s 法)。

Figure  4.  Effects of biochar and biochar-based fertilizer on the leaf area and SPAD value of Michelia macclurei

CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; In each figure, different lowercase letters on columns indicate significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s method).

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2.2   生物炭和生物炭基肥对火力楠养分吸收累积的影响

2.2.1   生物炭和生物炭基肥对火力楠各部位N、P、K含量的影响

如图5所示，不同生物炭及不同生物炭基肥对火力楠各部位养分吸收量影响不同。与CK相比，CF处理的根、茎、叶和全株的N、K含量(w)显著增加(P<0.05)，但各部位P含量无显著差异。与CK相比，RB处理的叶N、K含量显著增加(P<0.05)，增幅分别为29.6%和17.9%，WB处理的根N、P含量，叶N含量和全株N含量显著增加(P<0.05)，增幅分别为18.6%、24.1%、45.4%和17.8%，但WB处理的茎N含量较CK显著减少了11.6%(P<0.05)。与CK相比，RBF处理的根N、K含量，叶N、K含量和全株K含量显著增加(P<0.05)，增幅分别为23.2%、30.0%、34.0%、39.6%和24.9%，WBF处理的根K含量，叶N、P、K含量和全株N、K含量较CK显著增加了45.6%、57.9%、126.7%、25.4%、23.9%和26.4%(P<0.05)。与CF相比，RB处理的根K，茎N、K，叶K含量和全株K含量显著减少了27.5%、8.0%、16.8%、11.2%和18.2%(P<0.05)；WB处理的根P含量显著增加了33.33%(P<0.05)，但根K，茎N、K，叶K含量和全株K含量显著减少了22.51%、21.5%、20.3%、29.9%和24.2%(P<0.05)。与CF相比，RBF处理的茎N含量显著降低16.1%(P<0.05)，RBF处理根、叶的N、P、K含量和茎P、K含量与CF均无显著差异；WBF处理显著增加叶P含量，增幅为71.2%(P<0.05)，根、茎、叶的N、K含量均无显著差异。

图  5  生物炭和生物炭基肥对火力楠各部位养分含量的影响

CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；各图中，相同植株部位柱子上方的不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s 法)。

Figure  5.  Effects of biochar and biochar-based fertilizer on the nutrient contents of various parts of Michelia macclurei

CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; In each figure, different lowercase letters on the columns of the same plant part indicate significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s method).

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2.2.2   生物炭和生物炭基肥对火力楠各部位N、P、K累积量的影响

如图6所示，与CK相比，CF、RBF、WBF处理的各部位(根、茎和叶)N、P、K累积量显著增加(P<0.05)，其中WBF处理各部位N、P、K累积量的增幅均为最高，增幅分别为232.3%~285.4%、157.9%~396.4%和191.1%~325.9%；RB处理的根、茎N累积量较CK分别显著增加了68.6%和73.5%；WB处理的根N、P、K累积量显著增加了92.3%、101.2%和88.7%。与CF相比，RB、WB处理的根、茎对N累积量和根、茎、叶K累积量显著减少，RB处理的根P累积量显著减少了44.1%；RBF处理的根K累积量显著减少了23.7%，WBF处理的茎N、K和叶P累积量显著增加，增幅分别为33.9%、32.8%和100.6%(P<0.05)。

图  6  生物炭和生物炭基肥对火力楠各部位养分累积量的影响

CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；各图中，相同植株部位柱子上方的不同小写字母表示处理间差异显著，不同大写字母表示全株养分累积量在处理间差异显著 (P<0.05，Duncan’s法)。

Figure  6.  Effects of biochar and biochar-based fertilizer on the nutrient accumulations in various parts of Michelia macclurei

CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; In each figure, different lowercase letters on the columns of the same plant part indicate significant differences among treatments, different capital letters indicate significant differences in nutrient accumulation of the whole plant among treatments (P<0.05, Duncan’s method).

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与CK相比，RB处理的K总累积量显著增加(P<0.05)，增幅为72.9%；WB处理的N、P、K总累积量高于CK，但均无显著差异。与CK相比，CF、RBF、WBF处理的N、P、K总累积量显著增加(P<0.05)，CF、RBF、WBF处理下的N累积量分别显著增加了179.6%、167.7%和267.4%，P累积量分别显著增加了124.4%、163.3%和224.5%，K累积量分别显著增加了199.2%、191.5%和265.5%，其中WBF处理N、P、K累积量的增幅最大。与CF处理相比，RB处理的P、K的累积量显著减少了36.2%和42.8%，WB处理的K累积量显著减少了46.6%(P<0.05)。与CF相比，RBF处理的N、P、K累积量无显著差异，WBF处理的P、K累积量显著增加(P<0.05)，增幅分别为44.6%和22.1%。

2.3   生物炭和生物炭基肥对土壤理化性质的影响

2.3.1   生物炭和生物炭基肥对土壤物理性质的影响

如表2所示，不同处理对土壤物理性质均有不同程度的影响。与CK相比，WB处理的土壤容重显著降低了18.4%，其总孔隙度显著提高了14.2%；WBF处理的土壤容重显著降低20.2%，其总孔隙度显著提高15.2%；各处理的毛管持水量与CK无显著差异，CF、RB、RBF处理土壤容重和总孔隙度均与CK无显著差异。与CF相比，WB和WBF处理的土壤容重显著降低了15.5%和17.3%，其总孔隙度显著提高了11.6%和12.6%。

表  2  生物炭和生物炭基肥对土壤物理性质的影响¹⁾

Table  2.  Effects of biochar and biochar-based fertilizer on soil physical properties

处理 Treatment	容重/(g·cm−3) Bulk density	毛管持水量/(g·kg−1) Capillary capacity	总孔隙度/% Total porosity
CK	1.14±0.02a	335.16±21.29a	57.01±0.84b
CF	1.10±0.04a	362.78±11.20a	58.31±1.40b
RB	1.04±0.06ab	337.04±20.07a	60.58±2.29ab
WB	0.93±0.03b	358.75±8.59a	65.09±1.09a
RBF	1.01±0.05ab	352.51±16.61a	61.85±1.91ab
WBF	0.91±0.06b	356.12±23.39a	65.65±2.44a
1) CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05，Duncan’s 法)。 　1) CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s method).

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2.3.2   生物炭和生物炭基肥对土壤化学性质的影响

如表3所示，不同处理对土壤化学性质的影响存在差异。与CK相比，各施肥处理的土壤pH、有机质含量、全N、碱解N和速效P含量(w)均无显著差异；WB处理的土壤全P含量显著增加了76.47%，RBF处理的土壤速效K含量显著增加了99.59%，WBF处理的土壤全K含量显著增加了38.59%。与CF相比，RB、WB、RBF处理的pH均显著增加，增幅分别为4.75%、4.51%和6.18%；RBF处理的土壤速效K含量显著增加了99.69%。

表  3  生物炭和生物炭基肥对土壤化学性质的影响¹⁾

Table  3.  Effects of biochar and biochar-based fertilizer on soil chemical properties

处理 Treatment	pH	w/(g·kg−1)					w/(mg·kg−1)
		有机质 Organic matter	全氮 Total N	全磷 Total P	全钾 Total K		碱解氮 Available N	速效磷 Available P	速效钾 Available K
CK	4.33±0.04ab	25.35±6.92a	1.99±0.16a	0.17±0.01bc	14.02±0.56b		109.08±9.55a	18.70±5.02a	101.20±15.12b
CF	4.21±0.08b	38.19±3.84a	2.09±0.18a	0.21±0.01abc	15.48±1.85ab		118.42±7.65a	29.22±15.93a	101.15±6.43b
RB	4.41±0.05a	31.30±6.53a	2.04±0.22a	0.23±0.03abc	16.26±2.05ab		106.75±8.81a	42.27±14.29a	104.52±9.32b
WB	4.40±0.03a	38.24±3.41a	2.35±0.23a	0.30±0.04a	14.78±0.80ab		128.92±5.09a	34.64±15.51a	100.76±7.26b
RBF	4.47±0.06a	37.42±4.11a	2.17±0.10a	0.25±0.02ab	18.63±1.13ab		110.25±9.26a	54.08±18.19a	201.99±46.49a
WBF	4.31±0.02ab	40.16±2.43a	2.17±0.10a	0.14±0.06c	19.43±1.97a		127.75±6.15a	39.54±11.11a	105.20±4.55b
1) CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥；同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05，Duncan’s 法)。 　1) CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer; Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments (P<0.05, Duncan’s method).

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2.4   生物炭和生物炭基肥对火力楠生长和土壤理化性质影响的综合评价

火力楠的模糊隶属函数值如表4，根据平均隶属函数值可知，各处理中火力楠的生长及土壤理化性质改善的综合表现为WBF(0.71) > RBF(0.58) > CF(0.49) > WB(0.45) > RB(0.39) > CK(0.16)。木屑生物炭基肥处理的火力楠生长及改善土壤理化性质综合表现在各处理中最佳。

表  4  生物炭和生物炭基肥对火力楠生长和土壤性质的隶属函数值¹⁾

Table  4.  Membership function values of biochar and biochar-based fertilizer on the growth and soil properties of Michelia macclurei

指标 Index	CK	CF	RB	WB	RBF	WBF
株高增量 Plant height increment	0.05	0.40	0.30	0.19	0.43	0.81
地径增量 Ground diameter increment	0.13	0.58	0.49	0.41	0.60	0.87
冠幅增量 Crown width increment	0.14	0.61	0.42	0.38	0.52	0.96
总生物量 Total biomass	0.03	0.49	0.24	0.24	0.53	0.75
Dickson质量指数 Dickson quality index	0.06	0.66	0.32	0.36	0.61	0.84
叶面积 Leaf area	0.07	0.45	0.49	0.69	0.55	0.85
SPAD值 SPAD value	0.09	0.55	0.66	0.62	0.94	0.65
氮含量 N content	0.03	0.66	0.38	0.45	0.38	0.60
磷含量 P content	0.43	0.46	0.38	0.50	0.63	0.63
钾含量 K content	0.28	0.93	0.48	0.33	0.74	0.77
氮总累积量 Accumulation of N	0.02	0.45	0.21	0.22	0.43	0.66
磷总累积量 Accumulation of P	0.05	0.48	0.23	0.27	0.62	0.83
钾总累积量 Accumulation of K	0.06	0.63	0.27	0.23	0.61	0.82
容重 Bulk density	0.11	0.20	0.36	0.67	0.45	0.71
总孔隙度 Total porosity	0.11	0.20	0.36	0.67	0.45	0.71
pH	0.53	0.29	0.68	0.67	0.80	0.50
有机质含量 Organic matter content	0.41	0.80	0.59	0.80	0.77	0.86
碱解氮含量 Available N content	0.36	0.56	0.31	0.79	0.38	0.77
速效磷含量 Available P content	0.15	0.30	0.49	0.38	0.67	0.45
速效钾含量 Available K content	0.13	0.13	0.15	0.13	0.58	0.15
平均值 Average	0.16	0.49	0.39	0.45	0.58	0.71
综合排序 Comprehensive ranking	6	3	5	4	2	1
1) CK：不施肥，CF：复合肥，RB：稻壳生物炭，WB：木屑生物炭，RBF：稻壳生物炭基肥，WBF：木屑生物炭基肥。 　1) CK: No fertilization, CF: Compound fertilizer, RB: Rice husk biochar, WB: Wood chip biochar, RBF: Rice husk biochar-based fertilizer, WBF: Wood chip biochar-based fertilizer.

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3.   讨论与结论

3.1   生物炭和生物炭基肥对火力楠生长特性的影响

研究表明，化肥和生物炭单独或配合施用能提高植物生产力，促进林木的生长和提高林分质量^{[4, 22-24]}。本研究结果表明，施用生物炭可以增加火力楠的株高、地径和冠幅，显著增加根系生物量、SPAD值和叶面积，提高植物Dickson质量指数。生物炭促进植物生长的主要因素包括3个方面：1)施用生物炭能提高土壤孔隙度，改善根际微生态环境^[25]，为植物根系生长提供更好的伸展空间^[26]，有效调节植物地上部和地下部的比例；2)生物炭自身含有的灰分元素可为植物吸收利用，且能够吸附许多矿质元素，促进养分供给，有效截留养分，进而促进植物生长^[26]；3)生物炭可促进植物根际土壤的碳氮平衡，提高土壤功能微生物相对丰度和活性^{[3, 25]}，影响微生物驱动的养分循环和养分形态转化过程^[26]。本研究发现，与CK相比，施用稻壳生物炭显著增加火力楠的株高和地径，而施用木屑生物炭处理的株高和地径也有所增加，但无显著差异，这是因为2种生物炭的原材料、结构和性质不同，对植物生长的影响效果也不同^[27]。本研究还发现，单独施用生物炭较其他施肥处理对火力楠生长的促进效果不突出，这可能是由于供试生物炭的养分含量较低且植物土壤养分可用性受到限制^[18]。Ye等^[28]观察到生物炭本身并不能提高作物生产力，但生物炭与化肥结合时，比单独施用化肥增加了15%的作物产量。因此，生物炭与化肥混合施用是促进植物生长和提高生物量的合适选择^[29]。当生物炭与肥料结合使用时，生物炭施用在肥料利用方面表现出更明显的优势^[30-31]。本研究还发现，与单施生物炭相比，生物炭与复合肥配施显著增加火力楠各部位的生物量，说明添加复合肥可通过促进植物各部位生物量的增加，进而提高植物生长力。与单施复合肥相比，生物炭基肥处理的火力楠株高、地径、总生物量、叶面积和SPAD值均不同程度地增加，其中木屑生物炭基肥的Dickson质量指数最大，对火力楠的生长促进效果最为显著，与邓洪涛等^[32]的研究结果一致。这是由于生物炭基肥富含N素及多种矿物质等营养元素，可以逐步释放供植物吸收利用，刺激植物生长^{[9, 33]}。可见，生物炭和复合肥在促进火力楠生长发育上具有协同效应，可以解释为生物炭与复合肥配施可更好地发挥复合肥和生物炭各自的特性，共同促进林木生长发育^[22]。

3.2   生物炭和生物炭基肥对火力楠养分吸收累积的影响

火力楠各器官养分含量直接反映火力楠后期生长发育情况。本研究发现，各施肥处理均不同程度地促进火力楠对N、P、K养分的吸收和累积，其中生物炭和复合肥配施处理对植物生长参数和养分吸收累积的影响比单施生物炭或单施复合肥的处理更显著，这与Adekiya等^[15] 的研究结果一致，他们发现生物炭配施K肥较单施K肥或生物炭更能提高甘薯的产量。生物炭与复合肥组合施用可提高植物对复合肥中养分的吸收，并最大限度地减少化肥的使用和养分的流失，提高肥料利用率，从而促进植物生长^[29]。本研究表明，与不施肥相比，单施生物炭对火力楠全株的N、K累积量均有不同程度的增加，与Liu等^[14]发现施用生物炭可促进油菜对N、K的吸收利用的研究结果一致，这是因为单施生物炭改善了土壤环境，显著增加火力楠根生物量，从而促进根系对土壤养分的吸收^[34]。本研究施用生物炭能提高火力楠根K含量和累积量，与王耀锋等^[35]的研究结果一致，这可能与2种供试生物炭本身的速效K含量较高有关。单施木屑生物炭还显著增加根P含量和累积量，这可能与该处理显著增加土壤全P含量有关。

本研究表明，单施生物炭能增加火力楠根和叶的N含量和累积量，且各器官中N含量表现为叶 > 根 > 茎，与大叶桉^[36]的研究结果一致。2种生物炭与肥料混施较单施对火力楠N养分吸收累积促进效果更好，说明生物炭在与肥料混施时能提高植物对N的利用率^[35]。尽管2种生物炭处理的土壤全N没有显著差异，但与肥料混施后较单施植物能吸收更多的N。夏浩等^[37]研究发现，相较于复合肥处理，木质材料较秸秆稻壳材料制备的生物炭提升N肥利用率的效果更显著，与本研究单施木屑生物炭较稻壳生物炭更有利于提高植物N含量的结果一致。本研究中木屑生物炭基肥的全株P、K累积量较单施复合肥显著增加，这表明在复合肥中添加少量生物炭可以提高植物对养分的利用效率^[7]。但稻壳生物炭基肥的茎N含量和根K累积量显著小于单施复合肥，这可能与生物炭本身材料和添加量有关。可见，选用合适的生物炭与复合肥组合施用才能更好地促进植物生长。

3.3   生物炭和生物炭基肥对火力楠土壤理化性质的影响

生物炭具有防止土壤退化和作为可持续农业养分载体的潜力^[3]，对植物生长和土壤环境的影响较为复杂^[38]。施用生物炭和生物炭基肥可改善土壤理化性质，提高土壤肥力，降低土壤容重和增加土壤孔隙度。本研究中添加生物炭改变了土壤物理性质，与不施肥和单施复合肥相比，木屑生物炭单独或与复合肥混施均显著降低土壤容重，显著增加土壤孔隙度，这是由于生物炭自身容重较低和高孔隙度的性质，使其具有良好的吸附能力，保证植物生长期有适宜的土壤水肥供应^[39]；其次这种结构有利于植物根系的生长，从而促进植物地上部生长，提高产量和生物量^[40]。本研究中施用生物炭较CK提高土壤pH，主要是因为试验生物炭含有较多的碱性基团和盐基离子，可以降低土壤中交换性氢离子含量^[40]。生物炭施用于植物根系附近有助于中和根际微区土壤的酸性^[41]，土壤的碱化提高根区的养分保留和可用性^[22]，创造适宜根系生长的土壤条件。本研究添加生物炭及生物炭基肥的处理均提高了土壤pH，但各处理土壤pH依然呈弱酸性，适宜火力楠的生长。

土壤有效养分含量受植物吸收、土壤物理、土壤化学固定/活化和土壤生物等多种因素的综合影响^[41]。我国南方地区炎热多雨，土壤K⁺淋溶强烈，且由于人们的不合理施肥措施，导致K素成为限制南方红壤肥力提升的主要因素^[42]。施用生物炭会影响土壤养分有效性，进而影响植物的生长。不同的制备原料和热解温度对生物炭的性质具有较大影响^[43]，因此不同种类生物炭对土壤养分的影响也各不相同。与不施肥相比，本研究施用稻壳生物炭基肥后土壤速效K含量显著增加，施用木屑生物炭基肥后土壤全K含量显著增加。这可能是因为本试验中稻壳生物炭和木屑生物炭的速效K含量较高，分别为2761.22和426.12 mg·kg⁻¹，能提高土壤K含量，促进了植物对K的吸收^[39]，这与王耀锋等^[35]的研究结果一致。通过对生物炭的物质含量测定可知，稻壳生物炭的灰分含量和速效K含量等明显高于木屑生物炭，因此施用稻壳生物炭基肥对土壤速效K吸收的促进效果显著大于木屑生物炭基肥。施用稻壳生物炭基肥的土壤速效K含量还显著大于单施复合肥处理，可能是因为生物炭吸附的养分在逐渐释放^[41]。此外，施用生物炭可通过提高土壤pH促进土壤对K⁺的固定，降低交换性K含量^[42]，但本试验中生物炭对K⁺的促进作用大于土壤对K⁺的固定作用。生物炭还能改善土壤中的营养元素，尤其是P的可利用性^[44]。与不施肥相比，木屑生物炭显著增加土壤全P含量，可能是生物炭有助于通过局部pH缓冲反应提高土壤中的P利用效率，从而提高植物对P的可用性^[7]。本研究还发现，各处理对土壤全N和碱解N含量均无显著影响，这与王耀锋等^[35]研究发现生物炭基肥可提高土壤的全N和碱解N含量的结果不一致，但目前生物炭对土壤碱解N含量影响尚无统一结论^[45]。因此，必须指出的是，外源物质进入土壤之后，对土壤的影响是长期且复杂的，生物炭及生物炭基肥对土壤理化性质的影响需要进行长期研究。总体而言，施用生物炭及生物炭基肥一定程度上能够改善南方土壤肥力特征，促进植物对养分的吸收。

3.4   生物炭和生物炭基肥对火力楠生长和土壤改良的综合评价

模糊隶属函数也表明，各处理中火力楠的生长及土壤理化性质改善的综合表现为WBF(0.71) > RBF(0.58) > CF(0.49) > WB(0.45) > RB(0.39) > CK(0.16)，木屑生物炭较稻壳生物炭对植物生长及土壤改良方面等的提升效果更显著，生物炭基肥对林木生长促进作用优于单施复合肥，其中木屑生物炭基肥的促进效果更佳。本研究的综合评价结果与Faloye等^[22]研究发现玉米的生物量产量排序为肥料+生物炭 > 仅施肥 > 仅生物炭 > 不施肥的研究结果一致。综上，生物炭及生物炭基肥可通过提高植物养分吸收和改善土壤理化性质等方面来促进火力楠生长。

3.5   结论

施用生物炭可改善土壤理化性质，显著增加火力楠根部生物量(较CK增加了59.1%和62.2%)，根系的增加可以进一步增加火力楠对N、P和K等养分的吸收，进而促进植物生长。生物炭基肥是在生物炭的基础上新增添肥料，其对火力楠生长和养分吸收的效果优于单施生物炭和复合肥。与单施复合肥相比，生物炭基肥的火力楠总生物量增加了5.1%~31.5%，木屑生物炭基肥的Dickson质量指数和植株N、P、K累积量分别增加了17.4%、31.4%、44.6%和22.1%。模糊隶属函数结果表明，生物炭及生物炭基肥对火力楠的生长及土壤理化性质改善的综合评价排序为木屑生物炭基肥 > 稻壳生物炭基肥 > 复合肥 > 木屑生物炭 > 稻壳生物炭 > 不施肥，生物炭及生物炭基肥对改良土壤理化性质、促进火力楠生长及养分吸收等方面具有较好的作用，其中施用木屑生物炭基肥的综合效果最优。因此，生物炭和复合肥配施模式可应用于火力楠人工林经营，既促进林木生长，又提高土壤质量，可作为火力楠人工林及其他树种人工林施肥的新选择。