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引用本文

趙倩雯, 孟軍, 陳溫福. 生物炭對(duì)大白菜幼苗生長(zhǎng)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 34(12): 2394-2401.

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生物炭對(duì)大白菜幼苗生長(zhǎng)的影響

趙倩雯

, 孟軍

, 陳溫福

    

沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心, 沈陽(yáng) 110866

收稿日期: 2015-06-25

基金項(xiàng)目: 遼寧省科技公關(guān)項(xiàng)目,生物炭暨秸稈炭化還田技術(shù)體系集成與產(chǎn)業(yè)化示范(2014215019);云南省煙草公司科技計(jì)劃,基于生物炭的植煙土壤改良技術(shù)研究與推廣應(yīng)用;農(nóng)業(yè)部行業(yè)專項(xiàng),秸稈移動(dòng)床熱解炭化多聯(lián)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范(201303095-6)

作者簡(jiǎn)介: 趙倩雯(1990-),女,碩士研究生,從事生物炭應(yīng)用技術(shù)研究。E-mail:zhaoqianwen59@126.com

*通訊作者Corresponding author.陳溫福E-mail:wfchen5512@163.com
孟軍E-mail:mengjun1217@163.com

摘要: 以2個(gè)大白菜品種為試材,在常規(guī)育苗基質(zhì)中添加不同比例的花生殼生物炭或玉米秸稈生物炭,研究生物炭對(duì)大白菜幼苗生長(zhǎng)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,生物炭添加有助于提升基質(zhì)的通氣性,與常規(guī)育苗基質(zhì)相比增幅為 2.1%~42.1%,顯著提升了C/N和速效鉀含量,增幅分別為23.9%~131.2%和48.8%~297.2%,同時(shí),生物炭添加降低了基質(zhì)堿解氮與有效磷含量,降幅分別為10.4%~44.8%和7.1%~20.8%,基質(zhì)毛管孔隙度降幅為14.0%~19.6%.在花生殼生物炭與常規(guī)育苗基質(zhì)等體積比混合處理中,大白菜幼苗株高、莖粗、葉綠素含量、植株鮮干重及壯苗指數(shù)等最高,長(zhǎng)勢(shì)最佳,但出苗率最低。

關(guān)鍵詞: 生物炭     育苗基質(zhì)     大白菜    

Effect of Biochar on Growth of Brassica campestris L. ssp. pekinesis(Lour) Olsson

ZHAO Qian-wen

, MENG Jun

, CHEN Wen-fu

    

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    

現(xiàn)代蔬菜生產(chǎn)對(duì)秧苗質(zhì)量的要求越來(lái)越高[, ]，秧苗質(zhì)量直接影響到蔬菜定植后的生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量形成[]。以穴盤為載體利用人工配制的基質(zhì)進(jìn)行育苗，已逐漸成為一種優(yōu)質(zhì)高效的育苗方式。穴盤育苗使用的基質(zhì)大多由草炭、蛭石、有機(jī)肥等物料調(diào)制而成。草炭穩(wěn)定性好，具有良好的持水通氣性與較高的有機(jī)質(zhì)含量，但其過(guò)度開采將對(duì)產(chǎn)地生態(tài)環(huán)境造成不可逆的破壞，影響濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡[, , ]。尋找新型基質(zhì)材料部分或完全替代草炭是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

生物炭是農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)，在缺氧條件下熱裂解形成的穩(wěn)定的富碳固體產(chǎn)物，具有孔隙結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、吸附能力強(qiáng)等特性[]，有利于水分與養(yǎng)分的固持[]，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。生物炭富含植物生長(zhǎng)所需的一些營(yíng)養(yǎng)元素，用其組配的炭基緩釋肥可以顯著提升花生、玉米、馬鈴薯的產(chǎn)量[, , ]；生物炭可以作為土壤改良劑，對(duì)于提高土壤pH值[]和有機(jī)質(zhì)與酶的活性[]，減少養(yǎng)分損失[]有積極作用[]。鑒于生物炭良好的理化性質(zhì)，有學(xué)者嘗試將其用于配制若干作物的育苗基質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭組配復(fù)合基質(zhì)可減少肥料的使用量，可吸附易流失的養(yǎng)分和水分，使基質(zhì)具有良好的養(yǎng)分緩釋性能[, ]。生物炭還會(huì)影響基質(zhì)中微生物群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)根系生長(zhǎng)與增強(qiáng)根系生理功能，有利于提高作物品質(zhì)與產(chǎn)量[, , ]。

大白菜是我國(guó)重要的蔬菜作物[]。近年來(lái)，大白菜育苗栽培逐漸增多。本試驗(yàn)研究了育苗基質(zhì)中添加生物炭對(duì)大白菜幼苗生長(zhǎng)的影響，目標(biāo)是篩選適宜的生物炭基質(zhì)組合，有助于實(shí)現(xiàn)農(nóng)林廢棄物的資源化利用。

1 材料與方法 1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年秋在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心試驗(yàn)基地完成，供試大白菜品種為“夏陽(yáng)早50”和“錦農(nóng)熱抗王”。供試的基礎(chǔ)育苗基質(zhì)由沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)蔬菜分子生物學(xué)課題組提供，由有機(jī)肥、草炭與菜園土配制而成，容重0.77 g·cm-3、 pH 6.40、總碳10.72%、總氮0.78%、C/N 13.83、堿解氮528.32 mg·kg-1、速效磷394.13 mg·kg-1、速效鉀233.15 mg·kg-1。實(shí)驗(yàn)所用的生物炭包括花生殼生物炭和玉米秸稈生物炭，購(gòu)自遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，制備方法參照中國(guó)發(fā)明專利ZL 201420025017.8《一種組合式多聯(lián)產(chǎn)生物質(zhì)快速炭化設(shè)備及其制炭方法》。生物炭基本性質(zhì)如表 1所示。

表 1 試驗(yàn)所用的生物炭的基本性質(zhì) Table 1 Basic properties of biochars used in experiment

試驗(yàn)設(shè)常規(guī)育苗基質(zhì)（CK1）與園田土（CK2）為對(duì)照，分別將兩種生物炭與常規(guī)育苗基質(zhì)按照不同體積比混合后設(shè)為梯度處理，如表 2所示。

表 2 8種育苗基質(zhì)配方（體積比） Table 2 Eight combinations of biochar and substrate（volume ratio）

試驗(yàn)使用50穴育苗盤，每穴播種10粒種子，8種配比加上2個(gè)對(duì)照共計(jì)10個(gè)處理。9月初播種，育苗期45 d，秧苗管理方法同常規(guī)生產(chǎn)[]。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法 1.2.1 幼苗生育指標(biāo)測(cè)定

播種后7 d調(diào)查出苗率，間苗至每穴1株，繼續(xù)培養(yǎng)38 d后，每個(gè)組合隨機(jī)選取9株，用直尺測(cè)定株高與根長(zhǎng)，，用游標(biāo)卡尺測(cè)定莖粗，用電子天平測(cè)定地上和地下部鮮重，同時(shí)記錄單株葉數(shù)[, ]。將鮮樣置于105 ℃下殺青 30 min，于75 ℃下烘干至恒重，測(cè)定地上和地下部干重。壯苗指數(shù)計(jì)算公式：壯苗指數(shù)=（莖粗/株高）/全株干重[]。收獲時(shí)，采集新鮮葉片并用清水洗凈，用濾紙擦干表面水分，進(jìn)行研磨，采用分光光度計(jì)法測(cè)定葉綠素[]。

1.2.2 育苗基質(zhì)物理性質(zhì)測(cè)定

將配好的育苗基質(zhì)放于直徑11 cm、高14 cm塑料圓柱形直身瓶中，以便于環(huán)刀取樣測(cè)定基質(zhì)的容重和田間持水量[]。利用三相儀DIK-1150（Digital Actual Volumenometer）測(cè)定總孔隙度，參照Byren的方法與常規(guī)方法相結(jié)合測(cè)定毛管孔隙度[]，通氣孔隙度=總孔隙度-毛管孔隙度。

1.2.3 育苗基質(zhì)化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

pH值用酸度計(jì)按土水比1∶2.5測(cè)定土水混合溶液。陽(yáng)離子交換量采用乙酸鈉浸提火焰光度計(jì)法測(cè)定[]。

1.2.4 育苗基質(zhì)養(yǎng)分特性測(cè)定

采用德國(guó) Elementar 元素分析儀（vario MACRO cube）測(cè)定總碳、總氮[]；采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮[]；采用碳酸氫鈉提取鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷[]；采用乙酸銨浸提火焰光度計(jì)法測(cè)定速效鉀[]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用 SPSS 17.0 軟件，采用Duncan測(cè)驗(yàn)方法和Pearson相關(guān)分析對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用 Excel 軟件進(jìn)行計(jì)算和作圖。

2 結(jié)果與分析 2.1 基質(zhì)添加生物炭后理化性質(zhì)與養(yǎng)分特性的變化

如表 3所示，各類基質(zhì)容重均顯著低于土壤（CK2）。生物炭的添加對(duì)基質(zhì)容重影響較小，與CK1差異不顯著。P1-P4處理的田間持水量和毛管孔隙度顯著低于CK1，但極顯著高于CK2，M1-M4處理這兩項(xiàng)指標(biāo)與CK1差異不顯著�；|(zhì)加入兩種生物炭后通氣孔隙度均大于兩個(gè)對(duì)照，其中P4及M3與CK1及CK2的差異達(dá)到顯著水平。

表 3 育苗基質(zhì)的理化性質(zhì)（育苗前） Table 3 hysical and chemical properties of different treatment substrates（Before nursery）

生物炭的添加顯著提高了 pH值，并與生物炭施入量呈正相關(guān)。加入生物炭后，基質(zhì)CEC值均顯著高于兩個(gè)對(duì)照，但卻隨生物炭添加量的提高表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。生物炭提高了基質(zhì)通氣性、pH和CEC，但花生殼生物炭降低了基質(zhì)的毛管孔隙度，進(jìn)而降低田間持水量。

如表 4所示，生物炭可顯著提升育苗基質(zhì)的總碳含量，但添加花生殼生物炭后總氮含量只是略有增加。加入玉米秸稈生物炭后總氮含量則有所降低，最終導(dǎo)致C/N比顯著高于兩個(gè)對(duì)照，并與施炭量呈正相關(guān)關(guān)系。加入生物炭后，堿解氮與速效磷含量有所下降，而速效鉀含量則有所上升。除P1處理外，生物炭處理的堿解氮顯著低于CK1，顯著高于CK2；有效磷顯著低于CK1，顯著高于CK2；速效鉀顯著高于CK1與CK2。各處理中，M4顯著降低了基質(zhì)（CK1）堿解氮含量，降幅為44.7％；P4顯著降低了基質(zhì)（CK1）有效磷含量，降幅20.8％，顯著提升了基質(zhì)（CK1）速效鉀含量，增幅為297.2％。可見，生物炭加入基質(zhì)中，會(huì)提升總碳、C/N與速效鉀含量，降低堿解氮與有效磷含量，但各類基質(zhì)的養(yǎng)分含量均顯著高于土壤（CK2）。

表 4 育苗基質(zhì)總碳、總氮與養(yǎng)分情況（育苗前） Table 4 Nutrient content in different treatment substrates（Before nursery）

2.2 基質(zhì)添加生物炭對(duì)白菜幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響 2.2.1 出苗率與壯苗指數(shù)

如圖 1所示，常規(guī)育苗基質(zhì)（CK1）出苗率較高，出苗情況較好。在基質(zhì)中添加生物炭，與CK1相比會(huì)降低出苗率，但均優(yōu)于CK2。隨著生物炭的添加量增多，白菜出苗率呈現(xiàn)略下降的趨勢(shì)。玉米秸稈生物炭基質(zhì)的出苗率低于CK1，但差異不顯著。在花生殼生物炭基質(zhì)處理中，P1-P3的出苗率與CK1差異不顯著，但P4處理的兩個(gè)白菜品種的出苗率均顯著低于CK1，出苗率最低。因此，生物炭加入基質(zhì)會(huì)在一定程度上降低出苗率。

圖 1 不同基質(zhì)組合的出苗情況 Figure 1 Rates of seedling emergence in different treatments

如表 5所示，花生殼生物炭處理中，P4的壯苗指數(shù)最高，顯著高于兩個(gè)對(duì)照；玉米秸稈炭處理中M3壯苗指數(shù)高于兩個(gè)對(duì)照，但差異不顯著�？傮w上看，生物炭的添加會(huì)提升壯苗指數(shù)，有利于培育壯苗。如表 6所示，“夏陽(yáng)早50”的壯苗指數(shù)與基質(zhì)通氣孔隙度呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與基質(zhì)速效鉀含量成顯著正相關(guān)（P<0.05）；“錦農(nóng)熱抗王”的壯苗指數(shù)與基質(zhì)通氣孔隙度呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與基質(zhì)速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與基質(zhì)C/N比呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。兩個(gè)白菜品種與基質(zhì)特性的相關(guān)性略有差異，但總體趨勢(shì)是一致的。兩個(gè)品種的出苗率與基質(zhì)毛管孔隙度及有效磷含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與基質(zhì)堿解氮含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。

表 5 不同基質(zhì)幼苗壯苗指數(shù) Table 5 Robust seedling index in different treatments

表 6 壯苗指數(shù)和出苗率與基質(zhì)基本理化性質(zhì)及養(yǎng)分特性間的相關(guān)分析 Table 6 Correlationship between seedling and substrate properties

綜上，壯苗指數(shù)與基質(zhì)通氣孔隙、C/N和速效鉀含量相關(guān)，出苗率與毛管孔隙度、堿解氮與有效磷的含量相關(guān)。生物炭可通過(guò)改變基質(zhì)中上述理化性質(zhì)（表 3、表 4）影響出苗率與壯苗指數(shù)。

2.2.2 葉綠素含量與植株形態(tài)和生物量指標(biāo)

如圖 2所示，添加花生殼生物炭會(huì)促進(jìn)大白菜的葉綠素積累，葉綠素含量隨生物炭添加量的增加而升高，至P4處理水平時(shí)葉綠素含量最高，顯著高于CK1。添加玉米秸稈生物炭對(duì)于白菜葉綠素含量也有一定影響。對(duì)于“夏陽(yáng)早50”而言，M4處理葉綠素含量高于CK1，但差異不顯著；對(duì)“錦農(nóng)熱抗王”而言，M1-M4處理的葉綠素含量均低于CK1。所以，在基質(zhì)中添加花生殼生物炭有利于葉綠素含量的增加，進(jìn)而通過(guò)光合能力的提高促進(jìn)壯苗。

圖 2 不同育苗基質(zhì)“錦農(nóng)熱抗王”（a）和“夏陽(yáng)早50”（b）葉綠素含量 Figure 2 Chlorophyll content of Jinnong Rekang Wang（a）and Xiayang Zao 50（b）in different treatments

表 7和表 8結(jié)果表明，在相同的生物炭添加比例下，“夏陽(yáng)早50”的花生殼生物炭處理，大白菜生長(zhǎng)指標(biāo)均高于玉米秸稈生物炭，P4處理的白菜長(zhǎng)勢(shì)最佳。除P1、P2外，其他處理中均觀察到生物炭對(duì)根系顯著的促進(jìn)作用；“錦農(nóng)熱抗王”的花生殼生物炭處理，大白菜的生長(zhǎng)指標(biāo)同樣優(yōu)于玉米秸稈生物炭，且仍以處理P4的白菜長(zhǎng)勢(shì)最佳。玉米秸稈生物炭對(duì)大白菜根長(zhǎng)的促進(jìn)作用要優(yōu)于花生殼生物炭處理。與CK1相比，玉米秸稈生物炭基質(zhì)（除M4外）抑制了“夏陽(yáng)早50”的生長(zhǎng)，但M1-M4處理對(duì)“錦農(nóng)熱抗王”均表現(xiàn)出一定的生長(zhǎng)促進(jìn)作用，只是促進(jìn)作用弱于花生殼生物炭處理。可見，向常規(guī)育苗基質(zhì)中添加生物炭可有效促進(jìn)白菜幼苗的生長(zhǎng)，但這種促進(jìn)作用會(huì)因生物炭種類與大白菜品種的差異而發(fā)生變化。就本研究結(jié)果而言，花生殼生物炭的促進(jìn)生長(zhǎng)效果要優(yōu)于玉米秸稈生物炭。

表 7 不同基質(zhì)處理“夏陽(yáng)早50”植株形態(tài)指標(biāo)和生物量指標(biāo) Table 7 Plant morphological parameters and biomass of Xiayang Zao 50 in different treatments

表 8 不同基質(zhì)處理“錦農(nóng)熱抗王”植株形態(tài)指標(biāo)和生物量指標(biāo) Table 8 Plant morphological parameters and biomass of Jinnong Rekang Wang in different treatments

3 討論

育苗基質(zhì)理化性質(zhì)及養(yǎng)分特征與幼苗生長(zhǎng)性能密切相關(guān)，其中基質(zhì)通氣性、C/N和速效鉀含量與壯苗指數(shù)呈顯著或極顯著正相關(guān)，基質(zhì)堿解氮與有效磷含量與出苗率呈顯著或極顯著正相關(guān)。與常規(guī)育苗基質(zhì)相比，生物炭添加有助于提升基質(zhì)通氣性，顯著提升C/N和速效鉀含量，有利于培育壯苗，但同時(shí)也會(huì)降低基質(zhì)堿解氮與有效磷含量，降低基質(zhì)毛管孔隙度，進(jìn)而對(duì)出苗率產(chǎn)生負(fù)面影響。在本研究中，花生殼生物炭對(duì)大白菜幼苗生長(zhǎng)的促進(jìn)作用要優(yōu)于玉米秸稈生物炭，尤以P4處理大白菜幼苗株高、莖粗、葉綠素含量、植株鮮重、植株干重及壯苗指數(shù)等最大。

玉米秸稈炭的添加降低堿解氮與有效磷含量，但對(duì)毛管孔隙度影響不大。大白菜的產(chǎn)量與葉片的光合作用密切相關(guān)，而光合速率與葉片中的葉綠素含量呈正相關(guān)[]。本研究中，花生殼炭的添加有利于幼苗葉綠素的積累，可能對(duì)大白菜壯苗的形成發(fā)揮了重要作用。但是，從本實(shí)驗(yàn)使用的兩種生物炭材料來(lái)看，氮、磷、鉀等大量元素含量差異不大，潛在的總養(yǎng)分供給能力相似，生物炭對(duì)白菜幼苗促生長(zhǎng)作用的差異可能還要從生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分持留能力等方面進(jìn)一步深入探索。

生物炭添加對(duì)基質(zhì)理化性質(zhì)具有顯著影響，并可能通過(guò)促進(jìn)有益微生物繁殖、提升酶活性和養(yǎng)分利用率[, , ]等途徑促進(jìn)壯苗形成。有研究表明生物炭可以穩(wěn)定協(xié)調(diào)水、氣等合理結(jié)構(gòu)，促進(jìn)根系生長(zhǎng)利于吸收水分與養(yǎng)分，富含營(yíng)養(yǎng)元素可為幼苗生長(zhǎng)持續(xù)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[, , , ]。因此，將生物炭用于育苗基質(zhì)的組配是可行的，既有利于培育壯苗，又有助于部分或完全替代草炭，在促進(jìn)農(nóng)林廢棄物資源化利用的同時(shí)，可減少草炭等自然資源的使用，利于保護(hù)濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡。

4 結(jié)論

與常規(guī)育苗基質(zhì)相比，添加生物炭有助于提升基質(zhì)通氣性，提升C/N比和速效鉀含量，有利于培育壯苗�；ㄉ鷼ど锾繉�(duì)大白菜幼苗生長(zhǎng)的促進(jìn)作用優(yōu)于玉米秸稈生物炭。

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