范如芹，張振華，嚴(yán)少華，盧 信，劉麗珠

（江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇南京 210014）

近年來(lái)，生物炭因具有促進(jìn)土壤有機(jī)碳固定[1–3]、改善土壤養(yǎng)分有效性、提高持水量及孔隙度[4–6]、促進(jìn)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量提升[7–8]等功能而被廣泛研究和應(yīng)用。大量研究報(bào)道了不同生物炭施用量 (0.5～135 t/hm2) 對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，其中不乏為正面影響、負(fù)面影響或沒(méi)有明顯效果的報(bào)道，研究結(jié)果與生物炭的種類、施用量和土壤類型等因素有關(guān)[9–10]。整體而言，當(dāng)前制備工藝下生產(chǎn)的生物炭以高pH較為普遍[4–6]，其施用的負(fù)面效應(yīng)多發(fā)生在堿性土壤中[11]，而正面效應(yīng)則多見于風(fēng)化貧瘠土壤及酸性土壤中[8,12–13]。盡管低pH的生物炭在堿性土壤中添加后土壤pH有所降低的結(jié)果也偶有報(bào)道[18–19]，但生物炭堿性過(guò)高的現(xiàn)象普遍存在，其負(fù)面作用已經(jīng)引起了研究者的廣泛關(guān)注[8,20]。

秸稈用作養(yǎng)殖發(fā)酵床墊料是消納和合理利用秸稈、防治養(yǎng)殖污染的有效方式之一，秸稈墊料出圈后用作栽培基質(zhì)原料是其重要的利用途徑。但基于養(yǎng)殖墊料等農(nóng)業(yè)廢棄物原料的栽培基質(zhì)往往存在保水性差、電導(dǎo)率過(guò)高、通氣透水能力差等缺陷[14]，大大限制了其推廣應(yīng)用。添加劑的使用對(duì)于改善基質(zhì)性能至關(guān)重要[15]。目前已有學(xué)者開始嘗試將生物炭作為基質(zhì)添加劑來(lái)調(diào)控基質(zhì)性能及作物生長(zhǎng)[16–17]，但研究基質(zhì)類型有限，研究結(jié)論不一致，生物炭的效果差異甚大，其中的原因和機(jī)理尚不明確。生物炭添加后過(guò)高的pH和電導(dǎo)率尤其會(huì)對(duì)中性和堿性基質(zhì)中作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生較大的負(fù)面影響[21]。因?yàn)榇蠖鄶?shù)溫室作物更適宜低電導(dǎo)率和偏微酸性的生長(zhǎng)環(huán)境，為了促進(jìn)生物炭在基質(zhì)調(diào)控中的應(yīng)用，如何抑制pH和電導(dǎo)率的過(guò)高增長(zhǎng)是關(guān)鍵問(wèn)題之一。有研究發(fā)現(xiàn)，高吸水樹脂 (super absorbent polymer，SAP) 可不同程度地降低土壤pH。Bai等[22]報(bào)道，所用兩種SAP可將沙質(zhì)土壤pH分別降低11.2%和10.9%。而SAP作為基質(zhì)添加劑的保水、保肥等優(yōu)良特性已進(jìn)行過(guò)報(bào)道。Dumroese等[16]及Cao等[17]嘗試了將生物炭用于改善基質(zhì)持水性等理化性質(zhì)并取得了較好的效果。這說(shuō)明SAP可以與生物炭一起用于基質(zhì)調(diào)控，并有潛力在提升基質(zhì)物理性狀的同時(shí)降低生物炭pH和電導(dǎo)率。

前期研究結(jié)果已經(jīng)表明，0.8 g/L的SAP添加可以有效改善基質(zhì)的保水性能 (數(shù)據(jù)未發(fā)表)，因此，本研究旨在研究不同生物炭添加比例對(duì)廢棄物原料基質(zhì)的調(diào)控效果，并著重對(duì)比研究生物炭單獨(dú)添加和與0.8 g/L的SAP聯(lián)合添加對(duì)基質(zhì)理化性質(zhì)及蔬菜生長(zhǎng)的效果，以期為促進(jìn)秸稈廢棄物有效利用、改善基質(zhì)性能和作物高產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試作物：空心菜，品種為泰國(guó)柳葉空心菜 (種子產(chǎn)于南京，純度 ＞ 95.0%、發(fā)芽率 ＞ 90.0%)。為消除種子本身質(zhì)量對(duì)出苗率的影響，播種前將種子進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)選，剔除不飽滿、過(guò)小、顏色或形狀異常等易導(dǎo)致發(fā)芽困難的種子。

供試基質(zhì)制備：發(fā)酵床墊料堆肥 + 蛭石 + 珍珠巖 + 泥炭 (體積比3∶2∶3∶2)，其總氮、磷、鉀及速效氮、磷、鉀養(yǎng)分含量分別為24.2、8.62、10.1、1.94、0.83和3.72 g/kg。豬圈發(fā)酵床墊料為水稻秸稈，在圈內(nèi)腐解兩年，出圈后堆放一個(gè)月制成堆肥(江蘇省農(nóng)科院六合有機(jī)肥廠)。蛭石、珍珠巖和泥炭的最大持水量分別為53.9%、31.4%和31.7%。

SAP：江蘇省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所研制。以改性后的可溶性玉米淀粉為主要原料，丙烯酸和丙烯酰胺為接枝單體，采用水溶液聚合法制備的耐鹽性鉀型丙烯酸類高吸水樹脂，外觀為白色粉末，粒度為0.15～0.3 mm，容重在0.6～0.8 g/cm3之間，吸去離子水量為800～1000 g/g，吸水速率小于30 s，pH值在6.9～7.3之間，電導(dǎo)率為4.0～5.0 dS/m。

生物炭：為小麥秸稈在600℃高溫下厭氧裂解得到，其容重、持水量、pH及電導(dǎo)率分別為0.31 g/cm3、139%、9.98和1.03 dS/m，顆粒大小均在2 mm以下，碳和氮含量分別為79.3%和0.97%。用掃描電子顯微鏡 (JSM－5410，JEOL Ltd，Japan) 觀察生物炭及SAP的表面微觀結(jié)構(gòu)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)在溫室內(nèi)進(jìn)行。設(shè)基質(zhì)中添加生物炭0、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%和16%(v/v)，上述基質(zhì)再等分為兩份，一份加0.8 g/L SAP，另一份不加SAP，共18個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。栽培在60 cm × 50 cm × 20 cm的塑料盆缽中進(jìn)行，每個(gè)盆缽中間用孔徑為4 mm的塑料網(wǎng)隔開，一側(cè)填充未加SAP的生物炭基質(zhì)，依次記為B0、B2、B4、B6、B8、B10、B12 和 B16；另一側(cè)填充對(duì)應(yīng)生物炭處理添加了0.8 g/L SAP的基質(zhì)，依次記為 SB0、SB2、SB4、SB6、SB8、SB10、SB12和SB16?；|(zhì)填充深度為18 cm。每側(cè)基質(zhì)種一行六顆空心菜，用噴壺于塑料盆上方均勻?yàn)⑺?，?0 d澆水一次，首次澆水量為基質(zhì)最大持水量的80%，即每盆2.5 L，后期補(bǔ)水每次為每盆2.0 L。澆水10天后原位測(cè)定盆內(nèi)不同位置和深度的水分分布。播種60天后收獲，測(cè)定空心菜株高、莖粗、鮮重、干重、根系特征等生長(zhǎng)指標(biāo)及養(yǎng)分含量。

1.3 測(cè)定方法

將基質(zhì)與去離子水以1∶5比例混合攪拌，靜置8天后用pH計(jì)和電導(dǎo)率儀測(cè)定pH和EC；容重、最大持水量、總孔隙度及通氣孔隙度等指標(biāo)測(cè)定均參照澳大利亞基質(zhì)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)AS 3743-2003 (2003)，具體為：取已知體積和重量的基質(zhì)浸入去離子水中充分吸水后重力排水，此過(guò)程重復(fù)3次以確?；|(zhì)吸水飽和，重力排水30 min，再次測(cè)定其體積及重量，然后放入烘箱105℃烘干一周，再次稱重。用上述重量及體積計(jì)算容重、最大持水量、總孔隙度及通氣孔隙度[17]。每個(gè)盆缽內(nèi)有3條種植行與4條行間，在每條種植行和行間均勻取5個(gè)點(diǎn)，共計(jì)35個(gè)點(diǎn)，用電気式水分計(jì) (SK-100，Sankku，Japan) 原位測(cè)定5、10、15 cm深處基質(zhì)水分含量。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 12.0軟件LSD顯著性差異檢驗(yàn)對(duì)不同生物炭添加比例下基質(zhì)理化性狀及空心菜各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行均值比較，用兩因素方差分析檢測(cè)生物炭和SAP添加對(duì)所測(cè)定指標(biāo)的影響。采用SigmaPlot 12.5 (Systat Software，Inc.，Chicago，IL，USA) 軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭與SAP分子結(jié)構(gòu)特征

通過(guò)生物炭與SAP的掃描電子顯微照片可以看出，該生物炭 (圖1a) 為疏松多孔的結(jié)構(gòu)，大部分孔徑小于1 μm，起到水分保蓄和離子吸附的作用，但一些孔隙被揮發(fā)份覆蓋，有待活化。SAP (圖1b) 的微觀結(jié)構(gòu)為連通的多泡孔狀結(jié)構(gòu)，不同大小的泡孔又相互連接形成通道。大泡孔的孔徑達(dá)幾十至100 μm以上，小泡孔則在幾微米甚至更小。當(dāng)這種結(jié)構(gòu)與水充分接觸時(shí)，不同大小的泡孔都能迅速吸水，使SAP具有吸納和存儲(chǔ)水分的作用。

2.2 添加SAP對(duì)不同生物炭添加比例的基質(zhì)性狀的影響

由表1可知，隨生物炭的添加比例增加，基質(zhì)持水量變幅為50.3%～61.9%，增加顯著；添加SAP后，變幅為67.9%～70.2%，不同處理間差異不顯著，顯示SAP可大大提高基質(zhì)的持水穩(wěn)定性。添加生物炭和SAP處理的基質(zhì)容重在0.32～0.37 g/cm3之間，是否添加生物炭及SAP影響不顯著?？偪紫抖燃巴饪紫抖仁躍AP添加影響明顯，分別提升了5.8%～10.7%和8.9%～17.9%?？偪紫抖入S生物炭添加比例的增加而顯著增大，且在無(wú)SAP添加的處理中增大更為明顯，表現(xiàn)為高生物炭添加處理 (B10～B16) 孔隙度顯著高于低添加處理 (B0～B6)(P＜0.05)，但通氣孔隙度受生物炭的影響不顯著。基質(zhì)pH隨生物炭添加而明顯增大，且在無(wú)SAP添加處理增大更為明顯 (由6.9增至8.0)；有SAP處理中pH增大不明顯，導(dǎo)致在高生物炭添加比例 (10%～16%) 下pH表現(xiàn)為有SAP處理 (7.2～7.5) 明顯低于無(wú)SAP處理 (7.5～8.0)。電導(dǎo)率隨SAP與生物炭的添加表現(xiàn)出與pH相似的規(guī)律。兩因素方差分析顯示，生物炭添加比例及SAP添加兩因素對(duì)持水量、pH和EC均有顯著的交互作用 (P＜ 0.05)。

圖 1 供試秸稈生物炭 (a) 及淀粉基高吸水樹脂 (b) 的掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 1 Scanning electron micrograph of straw biochar (a) and starch-based SAP (b) used in this study

表 1 不同比例生物炭及高吸水性樹脂添加下的基質(zhì)理化性質(zhì)Table 1 Basic characteristics of the substrates amended with biochar and super absorbent polymer (SAP)

圖 2 澆水后第10天不同處理基質(zhì)不同深度含水量 (%)Fig. 2 Moisture content in substrates in different treatments at the 10th day after watering

生物炭和SAP添加改變了盆缽基質(zhì)中水分分布的均勻性，圖2為澆水后10天時(shí)，栽培容器內(nèi)由上至下基質(zhì)的水分含量狀況。從左到右三個(gè)圖分別為添加秸稈生物炭0、10%和16%的基質(zhì)，每個(gè)圖左半部為無(wú)SAP添加處理，右半部為SAP與生物炭同時(shí)添加處理。相同生物炭添加量下，同時(shí)添加SAP的基質(zhì) (右側(cè)) 含水量明顯高于無(wú)SAP添加基質(zhì)(左側(cè))，生物炭的增加也明顯提高了盆缽不同深度和不同區(qū)域的基質(zhì)含水量。植株種植的行與行間水分存在差異，除盆缽中線位置的P4行外，其他種植行位置的水分含量均低于行間位置。與無(wú)SAP添加處理相比，添加SAP處理基質(zhì)5 cm以下各層含水量較為均勻，各生物炭添加水平下均呈現(xiàn)此趨勢(shì)。其中生物炭0、10%和16%水平下，無(wú)SAP添加時(shí)15 cm比5 cm深度水分增加量分別為46.2%、37.3%和41.4%，而有SAP添加下則僅分別為19.7%、17.3%和14.5%。

2.3 SAP及不同比例生物炭對(duì)空心菜生長(zhǎng)的影響

由表2可知，在無(wú)SAP添加基質(zhì)中，空心菜出苗率隨生物炭添加比例的增加呈逐漸降低趨勢(shì)，高生物炭添加處理B10～B16出苗率 (平均77.7%) 顯著低于低添加處理B0～B6 (平均83.7%)(P＜ 0.05)。基質(zhì)添加0.8 g/L SAP后，空心菜出苗率各生物炭比例間無(wú)明顯差異。添加SAP的處理空心菜株高、莖粗、地上部及地下部生物量鮮重和干重均顯著高于對(duì)應(yīng)的未添加處理。無(wú)論添加SAP與否，隨生物炭比例的增加，各項(xiàng)指標(biāo)先提升后下降，在B10時(shí)達(dá)到最高 (表2)。由二因素方差分析可知，SAP添加是影響空心菜地上部分生長(zhǎng)的首要因素，而生物炭添加是影響空心菜根部生長(zhǎng)的首要因素。生物炭和SAP對(duì)株高及鮮重有顯著的交互影響 (P＜ 0.05)。

由表3可知，相同生物炭添加比例下，添加SAP處理的空心菜根系特征，包括總根長(zhǎng)、根表面積、體積、根尖數(shù)均顯著高于無(wú)SAP處理，且均隨生物炭添加比例的增加而呈現(xiàn)先上升、后下降的趨勢(shì)，在生物炭添加10%處理達(dá)最高值。

2.4 SAP和不同生物炭比例添加對(duì)空心菜養(yǎng)分吸收的影響

基質(zhì)生物炭添加比例在0～10%范圍內(nèi)時(shí)，空心菜莖葉及根部養(yǎng)分 (N、P、K) 含量隨其比例的增加而增加，當(dāng)添加比例超過(guò)10%后養(yǎng)分含量逐漸降低(表4)。添加0.8 g/L SAP后，不同生物炭添加比例基質(zhì)中空心菜養(yǎng)分含量均明顯增加。生物炭比例是影響空心菜吸收N和P的首要因素，而SAP對(duì)K吸收的影響則高于生物炭，兩個(gè)因素對(duì)根部及莖葉養(yǎng)分含量的影響有顯著的交互作用 (P＞ 0.05)。

3 討論

3.1 生物炭與SAP添加對(duì)基質(zhì)理化性質(zhì)的影響

已有大量報(bào)道指出，生物炭可引起土壤化學(xué)及生物學(xué)性質(zhì)的明顯變化，但生物炭對(duì)土壤物理性狀的影響報(bào)道較少[23–24]。與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果不同，本研究中生物炭對(duì)降低基質(zhì)容重效果不明顯，這可能是因?yàn)楸狙芯恐谢|(zhì)的容重 (0.37 g/cm3) 較所報(bào)道的土壤及基質(zhì)容重小[17,25]。本研究基質(zhì)總孔隙度遠(yuǎn)低于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)基質(zhì)理想值 (＞ 85%)[26]，但隨生物炭添加比例的增加而明顯增大，這可能是因?yàn)樯锾孔陨砭哂休^大的孔隙的原因[27]，也證明了生物炭在改善基質(zhì)孔隙性狀方面的有效作用。這些結(jié)果與Belyaeva等[28]所報(bào)道結(jié)果一致。

表 2 不同生物炭及SAP處理基質(zhì)下生長(zhǎng)60天的空心菜生長(zhǎng)指標(biāo)Table 2 Growth parameters of water spinach in the substrates under different biochar and SAP treatments at 60 days after sowing

另一方面，因生物炭本身的堿性、較大的比表面積和較大的電荷密度[8,29–30]，基質(zhì)pH及電導(dǎo)率隨生物炭添加比例的增加而增加，因?yàn)槔硐牖|(zhì)pH和電導(dǎo)率范圍分別為5.3～6.5和 ＜ 0.5 dS/m，所以高生物炭添加比例會(huì)帶來(lái)基質(zhì)pH和電導(dǎo)率過(guò)高的弊端。Jayasinghe等[21]提出，大部分溫室作物更適宜微酸性基質(zhì)環(huán)境以增加養(yǎng)分的可利用性。同時(shí)，大量研究已經(jīng)證明，低電導(dǎo)率基質(zhì)更適宜作物生長(zhǎng)[31]。因此本研究中較高的pH和電導(dǎo)率可能是空心菜生長(zhǎng)的限制因素，同時(shí)這也是限制生物炭在基質(zhì)中應(yīng)用的重要限制因素。但是，基質(zhì)中同時(shí)添加0.8 g/L的SAP后，pH和電導(dǎo)率隨生物炭增加而迅速增加的趨勢(shì)被抑制。同時(shí)，生物炭添加帶來(lái)的高孔隙度和持水量等優(yōu)勢(shì)隨SAP添加而進(jìn)一步加強(qiáng)。兩種添加劑相互作用的機(jī)制尚不明確，但其原因之一可能是因?yàn)镾AP的保水作用可改變生物炭穩(wěn)定性及分子特征[24,32]，進(jìn)而影響了生物炭對(duì)基質(zhì)性質(zhì)的改善效果。另外，與無(wú)SAP添加基質(zhì)相比，SAP添加后，盆缽內(nèi)5 cm以下深度含水量趨于均勻，這大大克服了基質(zhì)保水性差、澆水后水分滯留于盆底而導(dǎo)致上部缺水的缺陷。

3.2 生物炭與SAP添加對(duì)基質(zhì)栽培空心菜養(yǎng)分吸收與生長(zhǎng)的影響

當(dāng)生物炭與SAP聯(lián)合添加時(shí)，空心菜出苗率明顯高于生物炭單獨(dú)添加，且生物炭單獨(dú)添加時(shí)隨著添加比例的增加 (＞ 10%)，出苗率逐漸降低。這是因?yàn)槁?lián)合添加時(shí)升高的孔隙度、持水量以及較為合適的pH和電導(dǎo)率創(chuàng)造了適宜種子發(fā)芽的基質(zhì)環(huán)境[33]。生物炭單獨(dú)添加 (無(wú)SAP) 時(shí)添加比例為10% (B10)的情況影響到出苗率，但增加了徑粗和株高，究其原因，B10處理基質(zhì)的EC為2.77 dS/m，高于生物炭添加少于10%的處理。作物幼苗期對(duì)鹽分較為敏感，本研究較高的EC和較低的出苗率顯示了作物出苗對(duì)鹽分的敏感性，而隨作物生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)，耐鹽性也隨之增強(qiáng)，高EC的危害相對(duì)減弱，而高養(yǎng)分含量對(duì)作物生長(zhǎng)指標(biāo)則起了促進(jìn)作用，故收獲期植株的株高和莖粗明顯高于其他處理。B12～B16處理的出苗率與B10相當(dāng)甚至更低，但其株高和莖粗等生長(zhǎng)指標(biāo)并沒(méi)有高于其他處理，可能是因?yàn)锽12～B16處理的EC值 (2.94～3.39 dS/m2) 過(guò)高，嚴(yán)重影響了植物后期的生長(zhǎng)。添加SAP后作物生長(zhǎng)狀況得到改善，養(yǎng)分吸收增加，這些與改善的基質(zhì)水分供應(yīng)關(guān)系十分密切，因?yàn)樗脧U棄物基質(zhì)存在水分保蓄能力差的缺點(diǎn)且水分不足是限制基質(zhì)栽培作物生長(zhǎng)的重要因素[24,34]。同時(shí)，SAP的添加也有可能改變了生物炭表面揮發(fā)份覆蓋的情況[35]，進(jìn)一步提高了生物炭的孔隙度和保水作用。本研究養(yǎng)分含量及養(yǎng)分吸收率在低生物炭添加比例時(shí)均隨著添加量的增加而提高，并在10%添加量時(shí)達(dá)最高值 (表4)。養(yǎng)分吸收直接關(guān)系到作物的生長(zhǎng)，因此空心菜株高、莖粗及生物量等生長(zhǎng)指標(biāo)也呈此趨勢(shì)。大量其他研究也報(bào)道了生物炭添加后土壤或基質(zhì)理化性狀改善進(jìn)而促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收和生長(zhǎng)的結(jié)果[4–6,36]。然而，隨著生物炭的繼續(xù)添加 (10%～16%)，由于高生物炭比例帶來(lái)的過(guò)高pH及過(guò)高電導(dǎo)率等負(fù)面影響，空心菜生長(zhǎng)及養(yǎng)分吸收等并未進(jìn)一步改善，尤其在生物炭單獨(dú)添加 (沒(méi)有SAP同時(shí)添加) 的情況下負(fù)面效應(yīng)更為明顯，導(dǎo)致高生物炭添加比例 (10%～16%)，尤其是生物炭單獨(dú)添加情況下空心菜各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)顯著降低，這說(shuō)明過(guò)量的生物炭添加并不會(huì)促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收和生長(zhǎng)，生物炭添加比例應(yīng)控制在合適的范圍之內(nèi)，這與Zheng等[37]在土壤中的研究結(jié)果一致。

表 3 不同比例生物炭及SAP添加處理空心菜根系特征Table 3 Root characteristics of water spinach grown in substrates amended with different proportions of biochar with and without SAP

4 結(jié)論

秸稈原料生物炭添加比例為10%時(shí)可有效改善廢棄物基質(zhì)的性能，盡管該生物炭的石灰效應(yīng)和高電導(dǎo)率對(duì)基質(zhì)pH及電導(dǎo)率有一定的負(fù)面影響。高吸水性樹脂SAP添加不僅加強(qiáng)了生物炭的正面效應(yīng)(增大基質(zhì)孔隙度、持水量等)，同時(shí)抑制了高生物炭添加帶來(lái)的基質(zhì)pH和電導(dǎo)率的過(guò)度升高，最終有效改善了基質(zhì)栽培空心菜的生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收。本研究結(jié)果對(duì)生物炭在農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)中的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。但SAP與生物炭交互作用的機(jī)理尚不明確，需進(jìn)一步研究。

表 4 生長(zhǎng)60天后不同處理基質(zhì)中空心菜地上及地下部氮磷鉀吸收量 (mg/plant)Table 4 NPK absorptions in aboveground and underground parts of water spinach grown in different substrates for 60 d

參 考 文 獻(xiàn)：

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