黃清揚(yáng), 江超, 俞元春*, 謝祖彬

(1.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院， 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京 210037； 2.中國科學(xué)院南京土壤研究所， 南京 210008)

栽培基質(zhì)通常分為無機(jī)基質(zhì)、有機(jī)基質(zhì)以及有機(jī)無機(jī)混合基質(zhì)。相較于前兩者，混合基質(zhì)集中了它們的優(yōu)點(diǎn)并彌補(bǔ)了缺點(diǎn)，能為植物生長提供穩(wěn)定的養(yǎng)料[1]。當(dāng)前，泥炭、蛭石和珍珠巖是國內(nèi)外育苗最常用的混合栽培基質(zhì)材料[2]，廣泛應(yīng)用于育苗栽培、草坪培育等生產(chǎn)過程。然而泥炭屬于不可再生資源，且泥炭地的面積正在不斷縮減，人們逐漸開始關(guān)注泥炭資源的保護(hù)并尋找其替代品[3]。秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品，是世界上最大的可再生資源。當(dāng)前已有利用秸稈復(fù)配基質(zhì)來培育植物的研究，并已在辣椒[4]、絲瓜[5]的育苗上取得一定成果。

生物炭也叫生物質(zhì)炭，是生物質(zhì)原料在完全絕氧或部分缺氧條件下經(jīng)高溫?zé)崃呀猱a(chǎn)生的一類高度芳香化并具備高穩(wěn)定性和特殊吸附性能的高碳固體產(chǎn)物，它可以提高土壤持水能力，減少土壤養(yǎng)分流失，增強(qiáng)土壤肥力[6]，在農(nóng)業(yè)上有廣闊的應(yīng)用前景。大量研究表明，生物炭是農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈資源化的一種途徑，例如將秸稈等生物質(zhì)制備成生物炭，施入土壤后可以修復(fù)土壤，降低土壤容重，增加孔隙度，提高溫度和養(yǎng)分等[7-9]。而將秸稈制作成生物炭并用于復(fù)配基質(zhì)是一門新的課題，當(dāng)前與之相關(guān)的研究仍較少。波斯菊(CosmosbipinnatusCav.)為1年生草本花卉，它作為園林綠化常用的植物，具有易成活、栽培簡單、生長迅速等特點(diǎn)，適宜作為研究對象[10]。本研究以大豆、小麥、水稻、玉米及老化玉米秸稈制作生物炭并與珍珠巖、蛭石及土壤復(fù)配基質(zhì)，研究了秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對波斯菊發(fā)芽率、生物量及生理指標(biāo)的影響，以期探尋最適合波斯菊育苗生長的基質(zhì)，為秸稈生物炭在植物栽培中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試波斯菊種子購自江蘇花草種業(yè)，供試秸稈生物炭為大豆秸稈生物炭(soybean,S)、水稻秸稈生物炭(rice,R)、小麥秸稈生物炭(wheat,W)、玉米秸稈生物炭(corn,C)以及老化玉米秸稈生物炭(aged corn,AC，玉米自然老化)，生物炭炭化溫度400 ℃。基質(zhì)材料為泥炭、蛭石、珍珠巖及土壤，按泥炭：蛭石：珍珠巖：土壤體積比例4∶1∶1∶4配制。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以泥炭、蛭石、珍珠巖和土壤體積比為4∶1∶1∶4作為對照(CK)配置基質(zhì)，并分別使用大豆(S)、水稻(R)、小麥(W)、玉米(C)及老化玉米(AC)秸稈生物炭替換基質(zhì)中相同比例的泥炭，直至將其完全代替。每種秸稈各設(shè)4個處理，每個處理重復(fù)3次，試驗(yàn)各處理體積比及秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)理化性質(zhì)如表1、表2所示。

表1 試驗(yàn)處理(體積比)Table 1 Experimental treatment (volume ratio)

育苗試驗(yàn)：采用穴盤育苗，挑選使用顆粒飽滿、大小相近的波斯菊種子進(jìn)行試驗(yàn)。按表1的比例配置基質(zhì)，均勻攪拌放置穴盤。待種子消毒后進(jìn)行播種，每穴播種2粒。種子發(fā)芽后把苗移到光亮處，培育10 d后記錄波斯菊發(fā)芽率。

盆栽試驗(yàn)：以育苗試驗(yàn)方法，使用對照的基質(zhì)配方統(tǒng)一培育波斯菊試驗(yàn)苗。按表1的比例配置基質(zhì)，將培育好的幼苗移栽盆中，每盆4株。種植2個月，結(jié)束種植后采集植物樣本，將植物體根、莖、葉、花分開，分別用錫紙包好,冰箱低溫保鮮，用于測定波斯菊生理性質(zhì)。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

取植物體新鮮葉片和莖,采用分光光度法分別測定葉綠體色素和丙二醛(malondialdehyde，MDA)；取植物體根部分，采用α-萘胺氧化法[11]測定根系活力；取植物體莖部分，采用比色法[11]測定過氧化氫酶(catalase，CAT)活性。育苗60 d后將幼苗從育苗穴中取出，洗凈泥土晾干水分，于60 ℃烘箱內(nèi)烘干，分別測定其生物量。

波斯菊發(fā)芽率計(jì)算公式如下。

發(fā)芽率=發(fā)芽數(shù)/種植的種子數(shù)×100%

(1)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)，采用Origin 2018制圖，采用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對波斯菊發(fā)芽率的影響

不同秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)及比例對波斯菊發(fā)芽率的影響如圖1所示，隨著秸稈生物炭的加入和比例的增大，波斯菊的發(fā)芽率呈現(xiàn)出增高趨勢。其中，發(fā)芽率以水稻T3最高，為96.12%，較CK提高了15.14%，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。除小麥T3、T4和老化玉米T1波斯菊發(fā)芽率有所降低，其余處理波斯菊的發(fā)芽率較CK均有提高，且不同處理間的差異顯著。

2.2 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對波斯菊生物量及生理性質(zhì)的影響

2.2.1秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對波斯菊生物量的影響 圖2結(jié)果顯示，除小麥和老化玉米秸稈外，其余秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)及比例對波斯菊生物量的影響均存在差異(P<0.05)。與CK相比，只有水稻T1、老化玉米生物炭T1、水稻秸稈生物炭T4生物量低于CK，其余處理均高于CK。在各處理中，大豆T3、水稻T3、玉米T3下得到的生物量較CK分別提高89.91%、90.03%、82.32%，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，其中以水稻T3最高，大豆T3次之。

2.2.2秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對波斯菊丙二醛含量的影響 由圖3可知，除老化玉米秸稈外，其余秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)及比例對波斯菊的丙二醛含量的影響存在顯著差異(P<0.05)。丙二醛含量以玉米T4最高，小麥T4次之，兩者相較于CK分別提高了31.66%和42.33%，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；大豆T4與同組其余處理間差異顯著，水稻T4較CK、水稻T2、T3差異顯著。

注：同一基質(zhì)中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).圖1 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對波斯菊發(fā)芽率的影響Fig.1 Effect of straw biochar substrate on the germination rate of Cosmos bipinnatus

注：同一基質(zhì)中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).圖2 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對波斯菊生物量的影響Fig.2 Effect of straw biochar substrate on the biomass of Cosmos bipinnatus

2.2.3秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對波斯菊過氧化氫酶活性的影響 由圖4可以看出，不同秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)及比例對波斯菊的過氧化氫酶活性的影響存在顯著差異(P<0.05)。過氧化氫酶活性以水稻T3最高，玉米T3次之，較CK分別提高了367%和252%，且與同組其余處理差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)以上；大豆T3、小麥T3、老化玉米T2均顯著高于同組其余處理，其中大豆各處理間均存在顯著差異。

注：同一基質(zhì)中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).圖3 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對波斯菊丙二醛含量的影響Fig.3 Effect of straw biochar substrate on the MDA content of Cosmos bipinnatus

注：同一基質(zhì)中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).圖4 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對波斯菊過氧化氫酶活性的影響Fig.4 Effect of straw biochar substrate on the CAT activity of Cosmos bipinnatus

2.2.4秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對波斯菊葉綠體色素濃度的影響 由圖5可以看出，除玉米和老化玉米秸稈生物炭外，其余秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)及比例對波斯菊葉綠體色素濃度的影響存在差異(P<0.05)。葉綠體色素濃度以小麥T2最高，較CK提高了17.3%，與其余小麥處理差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；大豆T3、水稻T3與同組除對照外處理差異顯著。

注：同一基質(zhì)中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).圖5 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對波斯菊葉綠體色素濃度的影響Fig.5 Effect of straw biochar substrate on the chloroplast pigment of Cosmos bipinnatus

2.2.5秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對波斯菊根系活力的影響 由圖6可知，不同秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)及比例對波斯菊的根系活力的影響存在顯著差異(P<0.05)。根系活力以小麥T3最高，玉米T2次之，較CK分別提高1 359.45和1 152.88 μg·g-1·h-1，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；大豆T3、水稻T2、T3、老化玉米T1顯著高于同組其余處理，且水稻T2顯著高于水稻T3。

3 討論

植物種子萌芽期和幼苗期對外界環(huán)境敏感性最高，種子發(fā)芽率是表征種子萌發(fā)水平的重要指標(biāo)。黃修梅等[12]在研究復(fù)合鹽脅迫對蒙古高原野韭種子萌發(fā)的影響時指出，鹽堿脅迫的高低與發(fā)芽率負(fù)相關(guān)，即酸堿度會顯著影響種子發(fā)芽率。本研究表明，不同秸稈生物炭替代泥炭復(fù)配基質(zhì)在總體上提高了波斯菊發(fā)芽率，以水稻秸稈生物炭T3發(fā)芽率最高，且同組各處理均與CK差異顯著。但秸稈生物炭及用量的不同，其發(fā)芽率也有所變化，這可能是因?yàn)檫m量秸稈生物炭的加入不僅改善了基質(zhì)結(jié)構(gòu)、孔隙度、通氣量與含水量，還改善了基質(zhì)的酸堿環(huán)境[13]，比較中性的酸堿度，較為疏松的質(zhì)地以及較高的養(yǎng)分均為波斯菊發(fā)芽提供了良好條件。

注：同一基質(zhì)中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).圖6 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對根系活力的影響Fig.6 Effect of straw biochar substrate on the root activity of Cosmos bipinnatus

基質(zhì)環(huán)境影響波斯菊生物量的累積。本研究結(jié)果表明，大豆秸稈生物炭T3、水稻秸稈生物T3、玉米秸稈生物炭T3波斯菊生物量較CK分別提高89.91%、90.03%、82.32%，差異達(dá)到顯著水平，并以水稻秸稈生物炭T3的生物量最高。小麥秸稈生物炭各處理間差異均未達(dá)到顯著水平，這可能是因?yàn)樾←溄斩捊?jīng)燒制過后伴隨著堿金屬的釋放和氧化物的產(chǎn)生，這些物質(zhì)會脅迫植物生長發(fā)育[14]。另外，老化玉米秸稈生物炭處理波斯菊生物量也較低，這可能是因?yàn)槔匣衩捉斩挶砻婢哂休^多的酸性官能團(tuán)[15]，而生物炭本身呈堿性[16]，生長環(huán)境酸堿度的改變最終導(dǎo)致波斯菊生物量的降低。

在本研究中，當(dāng)秸稈生物炭含量增加到一定量時，丙二醛濃度會增高，其中小麥秸稈生物炭T4和玉米秸稈生物炭T4與CK差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，但不同比例秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)的丙二醛含量變化并不一致，這說明生物炭材料具有一定的毒性[17]，丙二醛含量的升高導(dǎo)致植物受到的脅迫作用增強(qiáng)，但毒性大小并不相同，例如生物質(zhì)在熱解時會產(chǎn)生多環(huán)芳烴，但由于生產(chǎn)方式、原料及溫度的不同，多環(huán)芳烴的含量也從低于環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)到顯著高于標(biāo)準(zhǔn)[18]。生物炭具有低容重和高孔隙率的特點(diǎn)，它很容易通過自然或機(jī)械土壤擾動被釋放到大氣中，也很容易攜帶一些重金屬及顆粒物，這些都是脅迫作用增大的因素[19]。

過氧化氫酶活性以水稻秸稈生物炭T3最高，且絕大部分處理與CK差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，說明不同秸稈生物炭替換泥炭復(fù)配基質(zhì)可以顯著改變波斯菊的過氧化氫酶活性，使過氧化氫酶活性升高或降低，這與Wang等[20]的研究結(jié)果一致。周震峰等[21]指出，添加生物炭對土壤中過氧化氫酶活性的影響由抑制轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)，且土壤中添加高水平生物炭對過氧化氫酶的促進(jìn)作用小于中低水平添加量，這也在一定程度上解釋了各個秸稈生物炭處理過氧化氫酶活性不同的問題。

葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的場所，在其他條件相同的情況下，葉綠體色素濃度可以作為衡量幼苗長勢的生理指標(biāo)[22]。在本研究中，葉綠體色素濃度以小麥秸稈生物炭T2最高，較CK提高了17.3%，差異達(dá)顯著水平，除了玉米和老化玉米處理，其余各秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)處理間均顯著差異，表明不同比例秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)可以對波斯菊的葉綠體色素濃度產(chǎn)生顯著影響，這與劉娟等[23]的研究結(jié)果一致，其葉綠體色素的不同原因可能是由植物本身或復(fù)配基質(zhì)性質(zhì)不同造成的。

根是植物吸收營養(yǎng)的關(guān)鍵器官,根系活力是根的重要生理指標(biāo),活力越高，植物吸收水分和營養(yǎng)的能力越大，進(jìn)而對植物生長發(fā)育和產(chǎn)量等產(chǎn)生直接影響。本研究結(jié)果表明，小麥秸稈生物炭T3波斯菊根系活力最高，玉米秸稈生物炭T2次之，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)以上，玉米秸稈生物炭T2、T3、T4差異均達(dá)到顯著水平，表明玉米秸稈生物炭的加入更有利于提高波斯菊根系活力。但汪樹生等[4]研究認(rèn)為，玉米秸稈鹽分高，會影響種子根系對養(yǎng)分的吸收，其原因可能是玉米秸稈在燒制過程中性質(zhì)發(fā)生了變化[15]。因此，玉米秸稈生物炭的利用還有待開發(fā)。

本研究開展了秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)用于栽培波斯菊的相關(guān)試驗(yàn)。由于利用秸稈制作生物炭并用于復(fù)配基質(zhì)栽培植物是生物炭應(yīng)用的一個新課題，而本試驗(yàn)僅針對波斯菊這一種植物的生長影響展開研究，綜合得出水稻秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)(水稻秸稈生物炭20%、泥炭20%、珍珠巖10%、蛭石10%、土壤40%)顯著促進(jìn)波斯菊的生長發(fā)育的結(jié)論。在今后研究中可以以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步深入探討秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)的性質(zhì)及其用于其他植物的栽培。