生物炭对大白菜幼苗生长的影响
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引用本文
赵倩雯, 孟军, 陈温福. 生物炭对大白菜幼苗生长的影响[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(12): 2394-2401.
ZHAO Qian-wen, MENG Jun, CHEN Wen-fu. Effect of Biochar on Growth of Brassica campestris L. ssp. pekinesis(Lour) Olsson[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(12): 2394-2401.
生物炭对大白菜幼苗生长的影响
赵倩雯
沈阳农业大学 辽宁省生物炭工程技术研究中心, 沈阳 110866
收稿日期: 2015-06-25
基金项目: 辽宁省科技公关项目,生物炭暨秸秆炭化还田技术体系集成与产业化示范(2014215019);云南省烟草公司科技计划,基于生物炭的植烟土壤改良技术研究与推广应用;农业部行业专项,秸秆移动床热解炭化多联产关键技术研究与示范(201303095-6)
作者简介: 赵倩雯(1990-),女,硕士研究生,从事生物炭应用技术研究。E-mail:zhaoqianwen59@126.com
*通讯作者Corresponding author.陈温福E-mail:wfchen5512@163.com
孟军E-mail:mengjun1217@163.com
摘要: 以2个大白菜品种为试材,在常规育苗基质中添加不同比例的花生壳生物炭或玉米秸秆生物炭,研究生物炭对大白菜幼苗生长的影响。试验结果表明,生物炭添加有助于提升基质的通气性,与常规育苗基质相比增幅为 2.1%~42.1%,显着提升了C/N和速效钾含量,增幅分别为23.9%~131.2%和48.8%~297.2%,同时,生物炭添加降低了基质碱解氮与有效磷含量,降幅分别为10.4%~44.8%和7.1%~20.8%,基质毛管孔隙度降幅为14.0%~19.6%.在花生壳生物炭与常规育苗基质等体积比混合处理中,大白菜幼苗株高、茎粗、叶绿素含量、植株鲜干重及壮苗指数等最高,长势最佳,但出苗率最低。
关键词: 生物炭 育苗基质 大白菜
Effect of Biochar on Growth of Brassica campestris L. ssp. pekinesis(Lour) Olsson
ZHAO Qian-wen
Liaoning Biochar Engineering & Technology Research Center, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China
Abstract: A pot experiment was carried out to study the effects of biochar additions on seedling growth of two Chinese cabbage cultivars(Brassica campestris L. ssp. pekinesis(Lour) Olsson; Cultivars Xiayang Zao 50 and Jinnong Rekang Wang). Compared with conventional nursery substrate, additions of biochar significantly increased porosity, C/N ratio, and available potassium by 2.1%~42.1%, 23.9%~131.2%, and 48.8%~297.2%, respectively, leading to greater growth of the seedlings. However, biochar applications caused alkali hydrolyzable nitrogen, available phosphorus, and capillary porosity decline by 10.4%~44.8%, 7.1%~20.8%, and 14.0%~19.6%, respectively, which might result in a negative impact on seedling emergence rates. Peanut shell biochar mix with conventional nursery substrate at equal volume showed the greatest values in seedling height, stem diameter, chlorophyll content, fresh weight, dry weight and robust seedling index, but the lowest seedling emergence rate.
Key words: biochar nursery substrate Chinese cabbage
现代蔬菜生产对秧苗质量的要求越来越高[, ]，秧苗质量直接影响到蔬菜定植后的生长发育与产量形成[]。以穴盘为载体利用人工配制的基质进行育苗，已逐渐成为一种优质高效的育苗方式。穴盘育苗使用的基质大多由草炭、蛭石、有机肥等物料调制而成。草炭稳定性好，具有良好的持水通气性与较高的有机质含量，但其过度开采将对产地生态环境造成不可逆的破坏，影响湿地生态系统平衡[, , ]。寻找新型基质材料部分或完全替代草炭是一个亟待解决的问题。
生物炭是农林废弃物等生物质，在缺氧条件下热裂解形成的稳定的富碳固体产物，具有孔隙结构丰富、比表面积大、吸附能力强等特性[]，有利于水分与养分的固持[]，在农业领域有广阔的应用前景。生物炭富含植物生长所需的一些营养元素，用其组配的炭基缓释肥可以显著提升花生、玉米、马铃薯的产量[, , ]；生物炭可以作为土壤改良剂，对于提高土壤pH值[]和有机质与酶的活性[]，减少养分损失[]有积极作用[]。鉴于生物炭良好的理化性质，有学者尝试将其用于配制若干作物的育苗基质。研究发现，生物炭组配复合基质可减少肥料的使用量，可吸附易流失的养分和水分，使基质具有良好的养分缓释性能[, ]。生物炭还会影响基质中微生物群落结构，促进根系生长与增强根系生理功能，有利于提高作物品质与产量[, , ]。
大白菜是我国重要的蔬菜作物[]。近年来，大白菜育苗栽培逐渐增多。本试验研究了育苗基质中添加生物炭对大白菜幼苗生长的影响，目标是筛选适宜的生物炭基质组合，有助于实现农林废弃物的资源化利用。
1 材料与方法 1.1 试验设计试验于2014年秋在沈阳农业大学辽宁省生物炭工程技术研究中心试验基地完成，供试大白菜品种为“夏阳早50”和“锦农热抗王”。供试的基础育苗基质由沈阳农业大学蔬菜分子生物学课题组提供，由有机肥、草炭与菜园土配制而成，容重0.77 g·cm-3、 pH 6.40、总碳10.72%、总氮0.78%、C/N 13.83、碱解氮528.32 mg·kg-1、速效磷394.13 mg·kg-1、速效钾233.15 mg·kg-1。实验所用的生物炭包括花生壳生物炭和玉米秸秆生物炭，购自辽宁金和福农业开发有限公司，制备方法参照中国发明专利ZL 201420025017.8《一种组合式多联产生物质快速炭化设备及其制炭方法》。生物炭基本性质如表 1所示。
表 1 试验所用的生物炭的基本性质 Table 1 Basic properties of biochars used in experiment
试验设常规育苗基质（CK1）与园田土（CK2）为对照，分别将两种生物炭与常规育苗基质按照不同体积比混合后设为梯度处理，如表 2所示。
表 2 8种育苗基质配方（体积比） Table 2 Eight combinations of biochar and substrate（volume ratio）
试验使用50穴育苗盘，每穴播种10粒种子，8种配比加上2个对照共计10个处理。9月初播种，育苗期45 d，秧苗管理方法同常规生产[]。
1.2 测定项目与方法 1.2.1 幼苗生育指标测定播种后7 d调查出苗率，间苗至每穴1株，继续培养38 d后，每个组合随机选取9株，用直尺测定株高与根长，，用游标卡尺测定茎粗，用电子天平测定地上和地下部鲜重，同时记录单株叶数[, ]。将鲜样置于105 ℃下杀青 30 min，于75 ℃下烘干至恒重，测定地上和地下部干重。壮苗指数计算公式：壮苗指数=（茎粗/株高）/全株干重[]。收获时，采集新鲜叶片并用清水洗净，用滤纸擦干表面水分，进行研磨，采用分光光度计法测定叶绿素[]。
1.2.2 育苗基质物理性质测定将配好的育苗基质放于直径11 cm、高14 cm塑料圆柱形直身瓶中，以便于环刀取样测定基质的容重和田间持水量[]。利用三相仪DIK-1150（Digital Actual Volumenometer）测定总孔隙度，参照Byren的方法与常规方法相结合测定毛管孔隙度[]，通气孔隙度=总孔隙度-毛管孔隙度。
1.2.3 育苗基质化学性质测定pH值用酸度计按土水比1∶2.5测定土水混合溶液。阳离子交换量采用乙酸钠浸提火焰光度计法测定[]。
1.2.4 育苗基质养分特性测定采用德国 Elementar 元素分析仪（vario MACRO cube）测定总碳、总氮[]；采用碱解扩散法测定碱解氮[]；采用碳酸氢钠提取钼锑抗比色法测定有效磷[]；采用乙酸铵浸提火焰光度计法测定速效钾[]。
1.3 数据分析利用 SPSS 17.0 软件，采用Duncan测验方法和Pearson相关分析对试验数据进行处理，利用 Excel 软件进行计算和作图。
2 结果与分析 2.1 基质添加生物炭后理化性质与养分特性的变化如表 3所示，各类基质容重均显著低于土壤（CK2）。生物炭的添加对基质容重影响较小，与CK1差异不显著。P1-P4处理的田间持水量和毛管孔隙度显著低于CK1，但极显著高于CK2，M1-M4处理这两项指标与CK1差异不显著。基质加入两种生物炭后通气孔隙度均大于两个对照，其中P4及M3与CK1及CK2的差异达到显著水平。
表 3 育苗基质的理化性质（育苗前） Table 3 hysical and chemical properties of different treatment substrates（Before nursery）
生物炭的添加显著提高了 pH值，并与生物炭施入量呈正相关。加入生物炭后，基质CEC值均显著高于两个对照，但却随生物炭添加量的提高表现出下降趋势。生物炭提高了基质通气性、pH和CEC，但花生壳生物炭降低了基质的毛管孔隙度，进而降低田间持水量。
如表 4所示，生物炭可显著提升育苗基质的总碳含量，但添加花生壳生物炭后总氮含量只是略有增加。加入玉米秸秆生物炭后总氮含量则有所降低，最终导致C/N比显著高于两个对照，并与施炭量呈正相关关系。加入生物炭后，碱解氮与速效磷含量有所下降，而速效钾含量则有所上升。除P1处理外，生物炭处理的碱解氮显著低于CK1，显著高于CK2；有效磷显著低于CK1，显著高于CK2；速效钾显著高于CK1与CK2。各处理中，M4显著降低了基质（CK1）碱解氮含量，降幅为44.7％；P4显著降低了基质（CK1）有效磷含量，降幅20.8％，显著提升了基质（CK1）速效钾含量，增幅为297.2％。可见，生物炭加入基质中，会提升总碳、C/N与速效钾含量，降低碱解氮与有效磷含量，但各类基质的养分含量均显著高于土壤（CK2）。
表 4 育苗基质总碳、总氮与养分情况（育苗前） Table 4 Nutrient content in different treatment substrates（Before nursery）
如图 1所示，常规育苗基质（CK1）出苗率较高，出苗情况较好。在基质中添加生物炭，与CK1相比会降低出苗率，但均优于CK2。随着生物炭的添加量增多，白菜出苗率呈现略下降的趋势。玉米秸秆生物炭基质的出苗率低于CK1，但差异不显著。在花生壳生物炭基质处理中，P1-P3的出苗率与CK1差异不显著，但P4处理的两个白菜品种的出苗率均显著低于CK1，出苗率最低。因此，生物炭加入基质会在一定程度上降低出苗率。
图 1 不同基质组合的出苗情况 Figure 1 Rates of seedling emergence in different treatments
如表 5所示，花生壳生物炭处理中，P4的壮苗指数最高，显著高于两个对照；玉米秸秆炭处理中M3壮苗指数高于两个对照，但差异不显著。总体上看，生物炭的添加会提升壮苗指数，有利于培育壮苗。如表 6所示，“夏阳早50”的壮苗指数与基质通气孔隙度呈显著正相关（P<0.05），与基质速效钾含量成显著正相关（P<0.05）；“锦农热抗王”的壮苗指数与基质通气孔隙度呈极显著正相关（P<0.01），与基质速效钾含量呈极显著正相关（P<0.01），与基质C/N比呈显著正相关（P<0.05）。两个白菜品种与基质特性的相关性略有差异，但总体趋势是一致的。两个品种的出苗率与基质毛管孔隙度及有效磷含量呈显著正相关（P<0.05），与基质碱解氮含量呈极显著正相关（P<0.01）。
表 5 不同基质幼苗壮苗指数 Table 5 Robust seedling index in different treatments
表 6 壮苗指数和出苗率与基质基本理化性质及养分特性间的相关分析 Table 6 Correlationship between seedling and substrate properties
综上，壮苗指数与基质通气孔隙、C/N和速效钾含量相关，出苗率与毛管孔隙度、碱解氮与有效磷的含量相关。生物炭可通过改变基质中上述理化性质（表 3、表 4）影响出苗率与壮苗指数。
2.2.2 叶绿素含量与植株形态和生物量指标如图 2所示，添加花生壳生物炭会促进大白菜的叶绿素积累，叶绿素含量随生物炭添加量的增加而升高，至P4处理水平时叶绿素含量最高，显著高于CK1。添加玉米秸秆生物炭对于白菜叶绿素含量也有一定影响。对于“夏阳早50”而言，M4处理叶绿素含量高于CK1，但差异不显著；对“锦农热抗王”而言，M1-M4处理的叶绿素含量均低于CK1。所以，在基质中添加花生壳生物炭有利于叶绿素含量的增加，进而通过光合能力的提高促进壮苗。
图 2 不同育苗基质“锦农热抗王”（a）和“夏阳早50”（b）叶绿素含量 Figure 2 Chlorophyll content of Jinnong Rekang Wang（a）and Xiayang Zao 50（b）in different treatments
表 7和表 8结果表明，在相同的生物炭添加比例下，“夏阳早50”的花生壳生物炭处理，大白菜生长指标均高于玉米秸秆生物炭，P4处理的白菜长势最佳。除P1、P2外，其他处理中均观察到生物炭对根系显著的促进作用；“锦农热抗王”的花生壳生物炭处理，大白菜的生长指标同样优于玉米秸秆生物炭，且仍以处理P4的白菜长势最佳。玉米秸秆生物炭对大白菜根长的促进作用要优于花生壳生物炭处理。与CK1相比，玉米秸秆生物炭基质（除M4外）抑制了“夏阳早50”的生长，但M1-M4处理对“锦农热抗王”均表现出一定的生长促进作用，只是促进作用弱于花生壳生物炭处理。可见，向常规育苗基质中添加生物炭可有效促进白菜幼苗的生长，但这种促进作用会因生物炭种类与大白菜品种的差异而发生变化。就本研究结果而言，花生壳生物炭的促进生长效果要优于玉米秸秆生物炭。
表 7 不同基质处理“夏阳早50”植株形态指标和生物量指标 Table 7 Plant morphological parameters and biomass of Xiayang Zao 50 in different treatments
表 8 不同基质处理“锦农热抗王”植株形态指标和生物量指标 Table 8 Plant morphological parameters and biomass of Jinnong Rekang Wang in different treatments
育苗基质理化性质及养分特征与幼苗生长性能密切相关，其中基质通气性、C/N和速效钾含量与壮苗指数呈显著或极显著正相关，基质碱解氮与有效磷含量与出苗率呈显著或极显著正相关。与常规育苗基质相比，生物炭添加有助于提升基质通气性，显著提升C/N和速效钾含量，有利于培育壮苗，但同时也会降低基质碱解氮与有效磷含量，降低基质毛管孔隙度，进而对出苗率产生负面影响。在本研究中，花生壳生物炭对大白菜幼苗生长的促进作用要优于玉米秸秆生物炭，尤以P4处理大白菜幼苗株高、茎粗、叶绿素含量、植株鲜重、植株干重及壮苗指数等最大。
玉米秸秆炭的添加降低碱解氮与有效磷含量，但对毛管孔隙度影响不大。大白菜的产量与叶片的光合作用密切相关，而光合速率与叶片中的叶绿素含量呈正相关[]。本研究中，花生壳炭的添加有利于幼苗叶绿素的积累，可能对大白菜壮苗的形成发挥了重要作用。但是，从本实验使用的两种生物炭材料来看，氮、磷、钾等大量元素含量差异不大，潜在的总养分供给能力相似，生物炭对白菜幼苗促生长作用的差异可能还要从生物炭的孔隙结构、养分持留能力等方面进一步深入探索。
生物炭添加对基质理化性质具有显著影响，并可能通过促进有益微生物繁殖、提升酶活性和养分利用率[, , ]等途径促进壮苗形成。有研究表明生物炭可以稳定协调水、气等合理结构，促进根系生长利于吸收水分与养分，富含营养元素可为幼苗生长持续提供营养物质[, , , ]。因此，将生物炭用于育苗基质的组配是可行的，既有利于培育壮苗，又有助于部分或完全替代草炭，在促进农林废弃物资源化利用的同时，可减少草炭等自然资源的使用，利于保护湿地生态系统平衡。
4 结论与常规育苗基质相比，添加生物炭有助于提升基质通气性，提升C/N比和速效钾含量，有利于培育壮苗。花生壳生物炭对大白菜幼苗生长的促进作用优于玉米秸秆生物炭。
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