周偉， 郝文溯， 吳先宇， 顏慶芳， 顏曉元

(1.中國科學(xué)院南京土壤研究所 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008； 2.江蘇常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站,江蘇 常熟 215555；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 210095；4.江蘇省常熟市辛莊鎮(zhèn)農(nóng)村工作局,江蘇 常熟 215555)

育苗是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，幼苗質(zhì)量的好壞與農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)息息相關(guān)。以營養(yǎng)基質(zhì)為核心的工廠化育苗技術(shù)提高了種子的發(fā)芽率和壯苗指數(shù)，降低了作物育苗的風(fēng)險，提高了育苗效率，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。隨著我國農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，工廠化育苗作為一項成熟的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，而基質(zhì)作為工廠化育苗的基礎(chǔ)也越來越受到人們的重視。常見的育苗基質(zhì)是由泥炭、蛭石和珍珠巖按照一定的比例復(fù)配而成[3]。其中，泥炭是由沼澤中植物殘體(苔蘚、蘆葦和松柏類植物等)在水淹、低溫和缺氧等條件下，經(jīng)緩慢且長期的分解，堆積而形成的一類物質(zhì)[4]。由于泥炭富含腐殖質(zhì)，具有豐富的纖維狀結(jié)構(gòu)、良好的通透性能，極佳的保水保肥能力，被普遍認(rèn)為是當(dāng)今最好的育苗基質(zhì)材料之一[5]。雖然泥炭作為育苗基質(zhì)有很多優(yōu)勢，但也存在許多問題，例如價格較貴、不可再生以及開采過程會破壞環(huán)境等[6]。此外，泥炭作為土壤碳庫的重要組成部分，限制其開采已被視為減少碳排放，實現(xiàn)碳中和的重要措施[7]。由于世界各國逐漸加大了對泥炭開采的限制，因此，尋找優(yōu)質(zhì)廉價的材料替代泥炭作為育苗基質(zhì)，既是工廠化育苗產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實需求，也是其持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的必由之路[8-9]。

生物炭(Biochar)是生物質(zhì)在高溫半缺氧條件下裂解得到的富碳物質(zhì)[10]，擁有豐富的多孔結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和較好的孔隙度，具有強大的吸附能力，對水分和養(yǎng)分的固持能力俱佳[11]。此外，生物炭的原材料來源廣泛、生產(chǎn)成本低以及無二次污染等特點，使其具有替代泥炭作為育苗基質(zhì)的巨大潛力[12]。本文總結(jié)了近年來國內(nèi)外有關(guān)生物炭替代泥炭作為育苗基質(zhì)的最新研究，主要從生物炭育苗基質(zhì)的理化性質(zhì)、種子發(fā)芽率、植物幼苗形狀的影響和經(jīng)濟性方面進行了綜述，指出了現(xiàn)有研究的不足，以期為生物炭用作育苗基質(zhì)提供借鑒。

1 育苗基質(zhì)的選用原則

優(yōu)良的基質(zhì)不僅能為種子萌發(fā)提供良好的營養(yǎng)和環(huán)境條件，為后期管理提供便利，還需兼顧適宜性和經(jīng)濟性[13]。一般來說，基質(zhì)的容重在0.1～0.8 g/cm3，總孔隙度在54%～96%，大小孔隙比在1∶2～4，pH在6.5～7.0，EC值在0.5～2.75 mS/cm，C/N比在15～20的范圍內(nèi)，其適應(yīng)性較好，有助于蔬菜幼苗生長[14-15]。除適宜性外，經(jīng)濟性也是選擇基質(zhì)的重要因素，應(yīng)具有來源廣泛、價格低廉和環(huán)境友好等特點[16]。泥炭的理化性質(zhì)優(yōu)良，是理想的基質(zhì)材料，但由于其不可再生，且我國的泥炭品質(zhì)較差，大量依賴進口，生產(chǎn)成本難以降低，嚴(yán)重影響了工廠化育苗的經(jīng)濟效益。此外，作物秸稈、鋸末和甘蔗渣等資源豐富且價格便宜的農(nóng)業(yè)廢棄物也常被用作育苗基質(zhì)[3]。但這些物料在使用前必須經(jīng)過充分的腐熟漚制，程序復(fù)雜且制作周期長，其攜帶的病菌也可能會流入環(huán)境造成污染，不利于規(guī)?；a(chǎn)(見表1)。因此，隨著我國工廠化育苗的快速發(fā)展，尋找到一種對環(huán)境友好且經(jīng)濟高效的育苗基質(zhì)已成為亟待解決的難題[13]。

2 生物炭對育苗基質(zhì)理化性質(zhì)和微生 物的影響

生物炭主要由芳香烴和單質(zhì)碳或具有類石墨結(jié)構(gòu)的碳組成，一般含有60%以上的碳元素，其它元素主要有氫、氧、氮和硫等[17-18]。生物炭的可溶性極低，熔沸點極高，具有高度羧酸酯化、芳香化結(jié)構(gòu)和脂肪鏈狀結(jié)構(gòu)，表面具有高密度的負(fù)電荷。這些特性使得生物炭具備了極強的吸附能力和抗氧化能力，有利于養(yǎng)分固持和微生物繁殖，可為作物根系提供良好的生長環(huán)境[19-20]。

表1 我國常見育苗基質(zhì)有機物料優(yōu)缺點分析Table 1 Comparison of organic materials commonly usedas seedling substrate in China

由于生物炭的容重大于泥炭、珍珠巖和蛭石等常用基質(zhì)，添加生物炭會影響育苗基質(zhì)的容重，進而會影響基質(zhì)的孔隙度組成[21]。其主要因素取決于生物炭的顆粒大小。例如，Méndez等[22]發(fā)現(xiàn)用50%的生物炭替代泥炭后，雖然提高了基質(zhì)容重，但由于生物炭中大顆粒物質(zhì)(>2.0 mm)的占比(29%)遠(yuǎn)高于泥炭(8.8%)，導(dǎo)致持水孔隙度和通氣空隙也有所增加。Zhang等[23]也發(fā)現(xiàn)用20%～35%的生物炭替代泥炭后，由于基質(zhì)中0.25 mm和2 mm顆粒物占比提高了15.5%～71.8%，基質(zhì)的總孔隙度和持水孔隙度也顯著增加。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)用小顆粒物占比較高的生物炭替代泥炭后，基質(zhì)的總孔隙度有不同程度的降低[24]。

由于多數(shù)生物炭的pH為堿性，添加生物炭后會影響育苗基質(zhì)的pH，通常導(dǎo)致pH的增加[25-26]。因此，使用生物炭配制基質(zhì)時，要嚴(yán)格控制pH，必要時可以添加一些酸化劑(磷酸或硼酸等)降低基質(zhì)的堿性[27]。此外，由于生物炭含有豐富的官能團和鉀、鈣、鎂等離子，添加生物炭后，不僅可以增加育苗基質(zhì)的陽離子交換能力(CEC)，其增加值與生物炭的添加量成正比；同時還可以提高育苗基質(zhì)的營養(yǎng)元素含量[28-33]。

除以上影響外，添加生物炭對育苗基質(zhì)的微生物群落也有一定的影響。鄒春嬌等[34]發(fā)現(xiàn)，添加3%和5%的生物炭能顯著提高營養(yǎng)基質(zhì)酶活性，增加黃瓜根域細(xì)菌和放線菌數(shù)量，減少真菌數(shù)量。宋婷婷[35]系統(tǒng)研究了四種不同材料(花生殼、玉米秸稈、楊木屑和竹屑)制備的生物炭對育苗基質(zhì)微生物群落的影響，發(fā)現(xiàn)生物炭類型和添加量對細(xì)菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)、真菌/細(xì)菌比有極顯著的影響，但對放線菌的群落結(jié)構(gòu)影響不顯著。Lehmann等[36]等指出生物炭通過提高基質(zhì)對有機質(zhì)、腐殖質(zhì)和礦物質(zhì)等營養(yǎng)元素的保持能力，改變基質(zhì)酸堿度以及對有毒有害物質(zhì)的吸附等方式，從而提高微生物活性。但目前僅有少量關(guān)于生物炭對育苗基質(zhì)微生物影響的研究。

3 生物炭育苗基質(zhì)的應(yīng)用效果

就理化性質(zhì)而言，生物炭是一種較為理想的育苗基質(zhì)材料，但因其所含有的鹽分、重金屬、多環(huán)芳烴和納米顆粒等毒性物質(zhì)，有可能會對種子的萌發(fā)及種苗的生長產(chǎn)生抑制作用[37]，將其作為育苗基質(zhì)材料大規(guī)模推廣應(yīng)用前，需從種子發(fā)芽率、幼苗農(nóng)藝形狀和育苗質(zhì)量等方面對其應(yīng)用效果進行評價。

3.1 生物炭對種子發(fā)芽率的影響

生產(chǎn)實踐中常用基質(zhì)提取液的種子發(fā)芽率或者發(fā)芽指數(shù)來快速評估基質(zhì)的毒性[38]。宋婷婷等[39]報道稱生物炭對黃瓜和小麥的發(fā)芽率無顯著影響。Williams和Dumroese[32]觀測了不同生物炭作為種子包衣在不同溫度和水分條件下的出苗情況，發(fā)現(xiàn)供試生物炭對出苗質(zhì)量無顯著影響。許晨雨[40]發(fā)現(xiàn)高配比(稻殼炭∶珍珠巖∶蛭石=8∶1∶1)的育苗基質(zhì)雖然推遲了出苗時間，但提高了黃瓜和番茄的出苗率。朱優(yōu)矯和李文慶[26]發(fā)現(xiàn)單施花生殼炭的番茄出苗率與泥炭無顯著差異，但將其混合施用可以顯著提高番茄的出苗率。此外，生物炭對油麥菜、黑麥草豌豆、綠豆和玉米等作物的出芽率和幼苗生長均具有一定的促進作用[41-43]。但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)生物炭對種子萌發(fā)和幼苗生長存在抑制作用。例如：李陽[44]發(fā)現(xiàn)生物炭明顯降低了煙草漂浮育苗的出苗時間和出苗率，低添加量(1%～3%)的稻殼炭和花生殼炭對幼苗的抑制作用要低于小麥秸稈炭，而高添加量(5%～7%)的稻殼炭對幼苗的抑制最為明顯，表明生物炭對幼苗的抑制作用與施用量密切相關(guān)。王志娣[45]發(fā)現(xiàn)低添加量的花生殼炭和稻殼炭對黃瓜種子無毒害作用，但高添加量的花生殼炭對番茄具有中毒危害，導(dǎo)致發(fā)芽指數(shù)低于80%。總之，高添加量的生物炭基質(zhì)會抑制種子的發(fā)芽率和出苗時間[46-48]。國內(nèi)外學(xué)者在茄子、辣椒、白菜和水芹等作物上也發(fā)現(xiàn)了相同的研究結(jié)果[31,49-52]。

生物炭對種子萌發(fā)的促進作用多與添加生物炭后育苗基質(zhì)的保水性、溫度和養(yǎng)分含量提高有關(guān)[28,40,53]。此外，生物炭中所含有的乙烯能夠刺激種子的萌發(fā)，而低溫炭中乙烯的含量往往高于高溫炭，因而稻殼生物炭(450 ℃)的發(fā)芽率高于花生和小麥秸稈生物炭(550 ℃)[54]。而生物炭對種子萌發(fā)的抑制則與制備過程產(chǎn)生的多環(huán)芳烴、揮發(fā)性有機物質(zhì)有關(guān)[44,55]。研究發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性有機物質(zhì)和三環(huán)以下的多環(huán)芳烴對植物種子的萌發(fā)具有較為強烈的抑制作用[55-56]。此外，生物炭本身呈現(xiàn)弱堿性，添加量較高時基質(zhì)的pH升高，從而抑制種子的萌發(fā)[57]?；谝陨涎芯靠芍锾康姆N類和添加量決定了其對種子萌發(fā)的促進或抑制作用。因此，將生物炭用作育苗基質(zhì)時，預(yù)先評估其對種子的毒性十分重要。

3.2 生物炭對作物幼苗農(nóng)藝形狀和育苗質(zhì)量的影響

植株的農(nóng)藝形狀如株高、頸粗、生物量和葉面積等參數(shù)可以反映植物的長勢和生長質(zhì)量[15]。生物炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)、保溫性和保水性好，能為植物生長提供氮、磷和鉀等營養(yǎng)元素，促進幼苗的生長，提高壯苗指數(shù)。王志娣[45]發(fā)現(xiàn)使用生物炭育苗基質(zhì)所培育的黃瓜和番茄幼苗的株高、鮮重和壯苗指數(shù)都好于泥炭基質(zhì)。其他學(xué)者在茄子、辣椒、水稻、油菜、卷心菜、大白菜、小麥、煙草和瓜果類蔬菜作物上也發(fā)現(xiàn)了相同的研究結(jié)果，涉及的生物炭種類包括稻殼炭、花生殼炭、小麥秸稈炭、木屑炭和竹炭等[26,31,39,44,58-60]。這些結(jié)果表明生物炭作為育苗基質(zhì)具有廣泛的應(yīng)用前景。但由于生物炭中重金屬、多環(huán)芳烴和自由基等有害物質(zhì)的存在，植物幼苗生長隨著生物炭的添加量表現(xiàn)出低促高抑的趨勢[53]。李陽等[61]發(fā)現(xiàn)生物炭添加量在10～40 g/kg范圍內(nèi)，小麥苗的生物量有所增加；添加量高于80 g/kg時，地上部生長受到明顯抑制。此外，由于營養(yǎng)元素和污染物含量因生物炭種類而異[62]，對于同一種作物，不同類型生物炭的最優(yōu)添加量有較大差異。例如：花生殼炭添加量為80.0 g/kg時，對小麥和黃瓜根及莖生長促進效果最優(yōu)；而對于玉米秸稈炭、楊木屑炭和竹屑炭，添加量為40.0 g/kg時效果最優(yōu)[39]。Chrysargyris和Prasad[58]評估了四種生物炭對卷心菜幼苗的影響，結(jié)果表明添加量為5%～10%時，木材炭、麥殼炭和木屑炭可顯著提高卷心菜的株高和地上部生物量，而竹炭卻顯著抑制了卷心菜的生長。Solaiman和Murphy[47]的研究顯示施用量同為10 t/hm2，稻殼炭和麥殼炭對小麥有顯著的促進作用，但桉樹木屑炭卻表現(xiàn)出抑制的效果。另一方面，同一生物炭對不同作物的最佳用量也有所差異。例如玉米秸稈炭添加量為0.7%(體積比)時，茄子幼苗的地上部生物量、葉面積指數(shù)葉綠素含量顯著高于其他處理，而辣椒的最優(yōu)添加量為0.9%[31]。

與地上部類似，生物炭用量對幼苗根系的生長也表現(xiàn)出低促高抑的效果[47,61-63]。例如玉米秸稈炭用量為10～40 g/kg時，顯著促進了小麥根的生長，根中的超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)也達到最大值，而用量增加到80.0～160 g/kg時，根的生長受到明顯抑制，SOD和POD含量也有不同程度的降低[61]。對于幼苗根系來說，生物炭的最佳添加量會隨生物炭類型和作物種類的不同而有所差異。例如：花生殼炭用量80.0 g/kg時，對小麥根的生長促進作用效果最佳，但對于玉米秸稈炭、楊木屑炭和竹屑炭，最佳用量為40 g/kg；對于黃瓜而言，花生殼炭、楊木屑炭和竹屑炭用量為80.0 g/kg，玉米秸稈炭用量為40 g/kg時，對根的促進作用最佳[39]。在番茄、卷心菜、茄子、辣椒、煙草、水稻、甜瓜和白樺幼苗等的育苗實驗中均觀察到類似現(xiàn)象[31,44,58-59,65-66]。

綜上所述，生物炭對種子萌發(fā)和幼苗生長的影響因生物炭種類、添加量和作物種類不同而所差別?？傮w而言，與泥炭基質(zhì)相比，低添加量的生物炭基質(zhì)對植物幼苗生長有一定的促進作用，高添加量往往會抑制植物幼苗生長。因此，在大范圍推廣生物炭育苗基質(zhì)之前，需根據(jù)生物炭種類，針對不同作物進行深入研究，以篩選出最佳添加量。

4 生物炭育苗基質(zhì)的經(jīng)濟性分析

基質(zhì)的物料成本約占育苗生產(chǎn)成本的9.3%，因此在優(yōu)選育苗基質(zhì)配方時，經(jīng)濟性是一個重要的參考指標(biāo)[67-68]。王志娣[45]基于種子和基質(zhì)材料價格對生物炭育苗基質(zhì)的成本進行了核算，發(fā)現(xiàn)稻殼炭∶蛭石∶珍珠巖配比為3∶1∶1時，黃瓜和番茄的單株成本低于泥炭基質(zhì)，適合大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，而花生殼炭由于價格較高，造成單株成本最高。索琳娜[9]估算了玉米芯棒和園林綠化廢棄物炭化和腐熟過程的處理成本，發(fā)現(xiàn)炭化過程具有明顯的價格優(yōu)勢，其僅為泥炭價格的20.1%～33.7%。謝耀堅等[69]以泥炭、椰糠、碳化稻殼和木糠為原料，采取混料試驗設(shè)計，結(jié)合基質(zhì)成本和成活率，對26種不同配比的育苗基質(zhì)進行了比較，發(fā)現(xiàn)10%泥炭+80%椰糠+10%炭化稻殼、10%泥炭+50%椰糠+40%炭化稻殼、100%椰糠和70%椰糠+30%炭化稻殼這四種基質(zhì)成本為74～93 元/m3，是育苗效果好且經(jīng)濟實惠的基質(zhì)配方。可見僅從物料價格考慮，生物炭具有明顯的成本優(yōu)勢。

基于環(huán)境損益成本，生物炭不僅可以殺死害蟲卵和病原微生物，同時還是增加土壤碳庫的有效手段，與其他基質(zhì)材料相比更具經(jīng)濟性[13,70]。例如：在歐洲椰殼經(jīng)常被用作泥炭替代品，從氣候變化角度而論，椰糠確實比泥炭更加環(huán)保。但綜合考慮生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和人類健康時，泥炭更為環(huán)境友好[71-72]。有學(xué)者基于生命周期評價法評估了生物炭替代泥炭的綜合成本，認(rèn)為生物炭替代泥炭作為育苗基質(zhì)不僅能降低物料成本，還可以減少溫室氣體的排放，其中以農(nóng)作物廢棄物為原料的生物炭是最佳選擇[73-74]。然而，目前基于生命周期評價法綜合比較生物炭和泥炭育苗基質(zhì)的研究還比較少，導(dǎo)致人們的認(rèn)知偏差。

5 未來研究展望

生物炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的減量化、資源化和無害化，最大限度提高資源利用效率[18]。國內(nèi)外學(xué)者對以生物炭為原料的育苗基質(zhì)開展了大量的研究，結(jié)果顯示其在蔬菜、花卉和園林苗木等工廠化育苗領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于生物炭的制作原料來源多樣，制作工藝千差萬別，導(dǎo)致生物炭的顆粒大小、孔隙度、pH和EC等作為基質(zhì)材料的重要評價指標(biāo)迥然不同。此外，生物炭中還存在一些有毒有害的物質(zhì)，會抑制植物的萌發(fā)。目前我國尚未提出統(tǒng)一的毒害物質(zhì)檢測方法及限量標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致生物炭作為育苗基質(zhì)的質(zhì)量穩(wěn)定性無法得到保證。因此，在大規(guī)模推廣應(yīng)用前，需針對育苗基質(zhì)的應(yīng)用需求，提出針對性的參數(shù)，包括基本理化性質(zhì)、養(yǎng)分指標(biāo)和有害物質(zhì)的限量指標(biāo)等，建立統(tǒng)一的生物炭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，同時開發(fā)快速有效的毒性評估方法，確保其質(zhì)量能滿足工廠化育苗基質(zhì)的要求。

工廠化育苗過程已經(jīng)高度自動化，傳統(tǒng)以泥炭、蛭石和珍珠巖為原料所建立的生產(chǎn)工藝如攪拌、物料填裝、澆水量和施肥量等過程所涉及的器具和工藝參數(shù)等并不一定適合生物炭育苗基質(zhì)的生產(chǎn)[13]。對于生產(chǎn)者而言，建立基于生物炭的育苗基質(zhì)生產(chǎn)線往往需要較大的資金投入，這將成為未來生物炭基育苗基質(zhì)產(chǎn)業(yè)化的重要阻礙。因此，今后的研究需要從標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化和商業(yè)化角度出發(fā)，建立適用于生物炭的技術(shù)體系和生產(chǎn)工藝流程，編制相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

當(dāng)前，關(guān)于育苗基質(zhì)的成本核算往往只關(guān)注物料價格，尚未將環(huán)境損益、后期處置成本等因素納入其中，今后應(yīng)當(dāng)加強這方面的研究，其結(jié)果將為政府有關(guān)部門制定相應(yīng)的扶持政策提供重要的科學(xué)支撐。

6 結(jié)語

近年來，由于各國政府相繼限制了泥炭資源的開采，尋找一種可替代泥炭作為育苗基質(zhì)的有機物料成為一種迫切需求。椰糠、木屑、樹皮、園林及農(nóng)業(yè)廢棄物和生物炭都是替代泥炭的潛在物料。其中，生物炭具有理化性質(zhì)優(yōu)良、營養(yǎng)物質(zhì)豐富、環(huán)境友好和成本低廉等特點，被視為是替代泥炭的理想材料。但由于缺乏統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、快速的毒性檢測方法和成熟的生產(chǎn)工藝，至今尚未建立完善的以生物炭為核心的育苗基質(zhì)技術(shù)體系。今后應(yīng)加強相關(guān)研究，加大生物炭在農(nóng)用方面的政府扶持力度，加快制定生物炭育苗基質(zhì)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為工廠化育苗產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)支持，最終實現(xiàn)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的雙贏。