生物質炭基肥料對黑麥草生長特性的影響

孫櫻萁，郭建斌，李子富，白曉鳳，劉 宇

(1 北京林業(yè)大學 水土保持學院，北京 100083；2 北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院,北京 100083)

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生物質炭基肥料對黑麥草生長特性的影響

孫櫻萁1，郭建斌1，李子富2，白曉鳳2，劉 宇1

(1 北京林業(yè)大學 水土保持學院，北京 100083；2 北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院,北京 100083)

【目的】 研究生物質炭基肥料對黑麥草生長指標的影響，為秸稈利用及生物質炭基肥料的開發(fā)應用提供依據(jù)。【方法】 將玉米秸稈經(jīng)400 ℃熱解而成的生物質炭與磷酸二氫鉀、羧甲基纖維素鈉(粘結劑)按不同質量比(1∶1∶0.3，2∶1∶0.3，3∶1∶0.3，4∶1∶0.3)混合造粒制成4種生物質炭基肥料，通過溫室盆栽試驗，以不施肥作為對照(ck)，比較生物質炭和生物質炭基肥料對多花黑麥草(Loliummultiflorum)生長特性的影響，建立肥料中生物質炭含量與黑麥草地上部分鮮質量的擬合模型，篩選出肥料中生物質炭最佳含量。【結果】 與ck相比，施用生物質炭及生物質炭基肥料對黑麥草的株高、根系長度、根表面積、生物量等均有提高，但對黑麥草的出苗率卻無顯著影響(P>0.05)。在所制的4種生物質炭基肥料中，當生物質炭與磷酸二氫鉀及粘結劑的質量比為2∶1∶0.3時，對黑麥草生長促進作用明顯，播種60 d后其株高和地上部分鮮質量較ck分別顯著增加了34.51%和70.59%(P<0.05)，根長與根表面積分別顯著增長了40.04%和59.86%(P<0.05)。由擬合的模型可以看出，隨著肥料中生物質炭含量的增加，黑麥草地上部分鮮質量先增加后減少，當肥料中生物質炭含量為61.60%時，即施用31.28 g生物質炭與15.00 g磷酸二氫鉀及4.50 g粘結劑混合制備的生物質炭基肥料時,黑麥草地上部分鮮質量最高達3.02 g/盆?！窘Y論】 施用20 g/kg生物質炭基肥料對黑麥草生長存在一定的促進作用，當生物質炭基肥料中生物質炭含量為61.60%時，所制生物質炭基肥料肥效達到最佳。

生物質炭基肥料；黑麥草；生長特性；配比模型

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，農(nóng)牧業(yè)中肥料的施用量也大幅度增加，施用肥料在使作物增產(chǎn)的同時，也產(chǎn)生了諸多問題：肥料自身的性質及施用方法的不合理，導致我國肥料利用率低下并對環(huán)境造成了危害[1]。合理施肥是草地持續(xù)利用的有效途徑之一[2]，建立施肥模型，尋求促進草產(chǎn)量增長最優(yōu)的肥料配比也迫在眉睫。而對于產(chǎn)生的大量農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈[3]，處理方法多為露天焚燒，不僅浪費了資源，還引發(fā)了霧霾等環(huán)境問題[4]。生物質炭是農(nóng)作物廢棄物等生物質(或生物有機材料)在無氧或低氧環(huán)境中熱裂解分離可燃氣體后產(chǎn)生的固態(tài)產(chǎn)物[5]，其含碳量高且具有較高的生物化學和熱穩(wěn)定性，不僅可提高土壤有機碳含量，而且還具有改善土壤結構、調節(jié)土壤pH等特性[6]。此外,生物質炭具有較高的陽離子交換量、表面積和養(yǎng)分含量，因此施用生物質炭后可以增加土壤養(yǎng)分有效性，提高植物對養(yǎng)分的吸收能力，促進植物的生長[7-10]。但同樣有研究[11-13]發(fā)現(xiàn)，單獨施用不同比例生物質炭時也可能導致植物生物量下降。最新研究表明，生物質炭可以作為緩釋肥料的載體，與其他農(nóng)用肥料混合制成生物質炭緩釋氮肥[14-15]，既能提高肥料的利用率，又可以實現(xiàn)農(nóng)林廢棄物資源化利用。

如今，將生物質炭作為肥料載體的國內(nèi)外研究還處在起步階段，Steiner等[16]和Lehmann 等[17]將生物質炭與無機肥料摻混制成的生物質炭基復合肥，可增加土壤全氮量和速效磷含量,促進作物對氮、磷元素的吸收，減少氮的損失量。鐘雪梅等[18]利用粘結劑在尿素顆粒表面包裹竹炭制成竹炭包膜尿素肥料，可顯著降低尿素在土壤中的淋失,促進作物對氮素的吸收,提高氮素利用率。目前針對生物質炭的研究，多數(shù)是將其與尿素混合制成生物質炭基氮肥，通過尿素淋溶試驗和土壤培養(yǎng)等室內(nèi)試驗探究生物質炭的緩釋性能[19]。而將生物質炭與磷酸二氫鉀混合制生物質炭基肥料磷肥，研究其對植物生長影響的報道還較少，且目前對于該肥料的農(nóng)用標準[20]也沒有明確的規(guī)定及模型化的科學論證。本研究將生物質炭與磷酸二氫鉀混合制備生物質炭基顆粒肥料，通過溫室盆栽試驗，探究所制肥料對多花黑麥草(Loliummultiflorum)生長的影響，并通過建立炭基肥中生物質炭含量與多花黑麥草鮮草產(chǎn)量的擬合模型，得出所制肥料中最適的生物質炭含量，為生物質炭基肥料的生產(chǎn)和廣泛應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試生物質炭基肥料

研究所用的生物質炭是將玉米秸稈在400 ℃下密封限氧炭化制備而成，冷卻至室溫后過孔徑1 mm篩備用。生物質炭中的碳(C)含量為70.2%，氮(N)含量為1.01%，灰分含量為13.43%。

試驗所需的4種生物質炭基肥料(F1、F2、F3、F4)均由玉米秸稈燒制的生物質炭、磷酸二氫鉀、粘結劑按一定比例混合制成，其中本研究所用粘結劑為羧甲基纖維素鈉，其添加量為4.50 g，為保證肥料養(yǎng)分含量一致，磷酸二氫鉀添加量均為15.00 g，采用圓盤造粒的方法，收集成型較好的肥料顆粒，在80 ℃下烘干備用。4種生物質炭基肥料具體配方見表1。

表 1 4種生物質炭基肥料代號及各成分配比

1.2 供試植物與土壤

盆栽試驗供試植物為多花黑麥草(以下簡稱黑麥草)，是禾本科黑麥草屬多年生植物，須根系較為發(fā)達。試驗土壤取自北京林業(yè)大學苗圃試驗田，為褐土，土壤經(jīng)風干后過孔徑5 mm土篩用于盆栽試驗，試驗用土的基本肥力狀況為：全氮1.43 g/kg，全磷0.18 g/kg，全鉀15.12 g/kg，有機質10.4 g/kg，堿解氮112 mg/kg，速效磷21.35 mg/kg，速效鉀70.53 mg/kg，pH 7.5。

1.3 試驗設計與方法

本研究采用溫室盆栽試驗。試驗設6個處理，分別是：空白組(ck).不添加任何肥料或添加劑；t.施用生物質炭顆粒(將30 g生物質炭與4.5 g羧甲基纖維素鈉混合造粒而成)；pk 1～ pk 4.分別施用4種自制的生物質炭基肥料(F1、F2、F3、F4)。每處理設置4個重復。選取籽粒飽滿、無病蟲的黑麥草種子播種于塑料花盆內(nèi)，花盆規(guī)格為上口內(nèi)徑40 cm，高25 cm，底內(nèi)徑30 cm，每個花盆中施用尿素4.8 g，鉀肥2.4 g，生物質炭顆粒及4種生物質炭基肥料用量相同，均為100 g，將其與5 kg供試土壤(即肥料施用量為20 g/kg)混合均勻后裝盆，每盆播種黑麥草種子35粒，于2015-06-20播種，2015-08-20收獲，期間定期記錄生長情況，盆栽試驗時的室溫為23～26 ℃，除水分管理外，試驗期間不施用其他肥料。

1.4 測量指標及方法

出苗率的測量在播種10 d后，根據(jù)出苗棵數(shù)計算得出，出苗率=發(fā)芽棵數(shù)/播種總數(shù)×100%。剔除異常生長的植株，每盆中留20株。每10 d進行1次各處理組株高調查，株高為土壤表面到黑麥草葉尖的垂直距離。播種2個月后采收，采收前2 h測量株高，每盆取5株測量其株高，取平均值。采收時分別收集地上和地下部分，并測量其鮮質量和根長，用水洗的方法取其地下部分，保持其根部的完整性，分別裝袋編號，使用根系掃描系統(tǒng)(EPSON Flatbed Scanner)對植物根系進行掃描，并將掃描圖片輸入電腦分析測定根表面積。后將地上部分放入80 ℃烘箱中烘至質量恒定(48 h)，測量黑麥草地上部分的干質量。根據(jù)獲得的不同生物質炭基肥料中生物質炭含量(x)及黑麥草地上部分鮮質量(y)數(shù)據(jù)，按y=ax2+bx+c模型(a、b、c均為參數(shù))進行回歸分析，擬合黑麥草地上部分鮮質量與肥料中生物質炭含量的一元二次效應方程。并按最大邊際效應求取偏導函數(shù)。生物質炭基肥料中生物質炭最佳含量按b+2ax=0方程求取，繼而預測黑麥草地上部分鮮質量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)為4次重復的平均值。用SPSS 19. 0 進行單因素方差分析(ANOVA)、最小顯著性差異(LSD)分析及模型配比的回歸分析，用Excel 2013進行統(tǒng)計繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同生物質炭基肥料對黑麥草出苗率的影響

黑麥草于06-20播種，10 d之后即07-01測各個處理花盆中黑麥草的出苗率，結果見圖1。

圖柱上標相同小寫字母者表示處理間差異不顯著(P>0.05)標不同小寫字母者表示處理間差異顯著(P<0.05)，下圖同

Same lowercase letters indicate insignificant differences among different treatments atP>0.05 level,while different lowercase letters show significant differences among different treatments atP<0.05 level.The same below

圖 1 不同生物質炭基肥料對黑麥草出苗率的影響

Fig.1 Influence of different biochar-based fertilizers on the emergence of ryegrass

從圖1可以看出，各處理組之間多花黑麥草的出苗率并不存在顯著差異(P>0.05)，出苗率均在80%以上。

2.2 不同生物質炭基肥料對黑麥草株高的影響

圖2表明，在黑麥草生長前期，即07-20前(種植1～30 d)，各處理黑麥草株高之間并沒有明顯差異；生長后期，即播種30 d后，生物質炭基肥處理組黑麥草株高比ck均有增加，在07-30(播種后40 d)，pk2處理黑麥草的株高分別比ck、t處理增長29.18%和18.35%，且差異顯著(P<0.05)；在08-20，pk2處理黑麥草的株高較ck提高了34.51%，且差異顯著(P<0.05)。在整個生長期，施用不同生物質炭基肥料的黑麥草生長趨勢具有相似性，表現(xiàn)為從07-01-07-30生長速度較快，之后長勢趨于平緩但總體仍呈持續(xù)增長的特點。而ck處理黑麥草在07-20之前生長較快，之后長勢平緩，生長后期近乎停滯，且在整個觀測期內(nèi)平均株高顯著低于各生物質炭基肥料處理。在施用生物質炭基肥料的處理中，pk2處理黑麥草長勢最好，株高增長最多，肥效最佳。

圖 2 不同生物質炭基肥料對黑麥草株高的影響

2.3 不同生物質炭基肥料對黑麥草根系的影響

由圖3可以看出，與ck和t處理相比，施用了生物質炭基肥料的黑麥草根長和根表面積均增加，其中pk2處理的根最長，比ck和t處理的根長分別增加了40.04%，29.4%，且差異均顯著(P<0.05)；t處理與ck，pk1、pk3與pk4處理的根長差異均不顯著(P>0.05)。6個處理中，pk2處理黑麥草根表面積最大，達889.41 mm2，顯著高于其他處理，與ck相比，提高了59.86%。

圖 3 不同生物質炭基肥料對黑麥草根長及根表面積的影響

Fig.3 Influence of different biochar-based fertilizers on length and surface area of ryegrass roots

2.4 不同生物質炭基肥料對黑麥草生物量的影響

表4顯示，與ck相比，施用生物質炭及生物質炭基肥料的黑麥草的地上部分鮮、干質量及地下部分鮮質量均增加，其中pk2處理黑麥草地上部分鮮、干質量及地下部分鮮質量均最大，且顯著高于其他處理(P<0.05)。

表 2 不同生物質炭基肥料對黑麥草生物量的影響

注：同列數(shù)據(jù)后標不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters show significant differences among different treatments atP<0.05 level.

2.5 肥料中生物質炭含量與黑麥草產(chǎn)量模型的建立

從6個處理中選出4個生物質炭基肥料處理對黑麥草地上部分鮮質量數(shù)據(jù)進行擬合，得到的黑麥草地上部分鮮質量(y)與生物質炭基肥料中生物質炭含量(x)的回歸方程為：

y=-29.714x2+36.602x-8.252 4，R2=0.984 7。

由擬合結果(圖4)可以看出，擬合曲線呈拋物線形狀。對擬合方程進行顯著性分析，發(fā)現(xiàn)在P<0.05情況下差異達到顯著水平，且相關系數(shù)R2為0.984 7。由b+2ax=0方程可知，當生物質炭基肥料中生物質炭最佳含量為61.60%時，即31.28 g生物質炭與15.00 g磷酸二氫鉀、4.50 g粘結劑混合時，黑麥草地上部分鮮質量可以達到最大3.02 g/盆。由擬合曲線所得生物質炭基肥料中的最佳生物質炭含量，與肥料F2中生物質炭含量更為接近，符合試驗實際情況，可知建立的模型存在實際意義。

圖 4 黑麥草地上部分鮮質量與肥料中生物質炭含量的關系

3 結論與討論

本研究將玉米秸稈燒制的生物質炭與常規(guī)無機肥料混合造粒制備得到了4種生物質炭基肥料，并采用溫室盆栽試驗，探究不同生物質炭基肥料對黑麥草生長特性的影響。結果表明，施用不同生物質炭基肥料，對黑麥草的株高、根長、生物量等生長特性都起到了一定的促進作用，但對黑麥草的出苗率無顯著影響，這與李程等[21]的研究結果一致。由于種子中儲藏大量有機物和礦質元素，萌發(fā)初期可以滿足植物生長的需求，不需要從外界獲取營養(yǎng)物質，只需適宜的外界條件就能萌發(fā)。

本研究中，在4種生物質炭基肥料中，當生物質炭、磷酸二氫鉀、粘結劑的質量比為2∶1∶0.3時制備的肥料F2肥效顯著，對黑麥草的生長促進作用明顯。與生物質炭基肥料相比，單獨施用生物質炭對黑麥草的生長影響不顯著，因此將其與無機肥料配合施用會產(chǎn)生更好的增產(chǎn)效果。本研究中，生物質炭基肥料處理黑麥草的平均株高顯著高于ck，這是由于施用生物質炭基肥料之后，改善了土壤的通透性，為植物生長提供了充足的營養(yǎng)元素，有利于植物對營養(yǎng)元素的吸收和利用，使黑麥草初期能迅速生長，隨著營養(yǎng)元素的消耗及根系生長空間的限制，后期黑麥草生長速度相對減小，但由于生物質炭具有大的比表面積及疏松多孔的結構，能吸附無機肥料中的養(yǎng)分離子，減緩其釋放速率，延長養(yǎng)分離子的釋放時間，故生物質炭基肥料肥效更持久[22]，因而可促進黑麥草生長后期株高持續(xù)增長；而ck黑麥草株高在生長后期趨于停滯，一方面是由于土壤通透性差、表層容易結皮造成的，另一方面由于營養(yǎng)元素相對缺乏所致。植物體的根部除了為植物生長提供所需的水、無機鹽之外，還具有固定土壤、減少地表徑流、防治水土流失等作用[23]。根系越發(fā)達，植物的生長狀況越好，其改善土壤結構的能力越強、固土效果越好。本研究中，與ck相比，施用生物質炭和生物質炭基肥料均可以促進黑麥草根系生長，而生物質炭基肥料的效果總體優(yōu)于生物質炭，這是由于將生物質炭與無機肥料混合可以彌補生物質炭養(yǎng)分含量低的缺點，有效促進植物生長。pk1處理黑麥草的根系生長不如pk2處理，可能由于pk1中養(yǎng)分含量較高，造成土壤溶液濃度過高，大于植物根系細胞液濃度，導致植物細胞失水，從而使植物根系生長受到了抑制[24]；亦可能由于施肥過多，或偏施某一肥料，破壞了栽培土壤的養(yǎng)分平衡，造成黑麥草植株對其他養(yǎng)分的吸收受阻，進而影響植物體內(nèi)的代謝過程，降低了植物產(chǎn)量和品質[25]。t處理黑麥草地上和地下部分鮮質量較ck顯著增加，可能是由于施用生物質炭不僅改變了土壤的團粒結構，增加了土壤的孔隙度，降低土壤體積質量，同時增加了土壤田間持水量[26]，從而促進了黑麥草對土壤中水分和養(yǎng)分的吸收，使其地上和地下部分鮮質量明顯增加。

本研究中，隨著肥料中生物質炭含量的增加，黑麥草地上和地下部分鮮質量均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。擬合結果顯示，當生物質炭基肥料中生物質炭含量為61.60%時，即31.28 g生物質炭與15.00 g磷酸二氫鉀、4.50 g羧甲基纖維素鈉混合制成的生物質炭基肥料肥效最佳，表明生物質炭含量變化對生物質炭基肥料的肥效性能起著重要的作用。

本研究建立了肥料中的生物質炭含量與黑麥草地上部分鮮質量的擬合模型，預測了肥料中最佳的生物質炭含量，為生物質炭基肥料的制備提供了可行性。本研究擬合出的模型，只將肥料中生物質炭含量作為單一變量因子，其他因子的影響未考慮，因此擬合結果具有一定的局限性和特異性，后續(xù)研究應綜合其他影響因子進行分析。此外，本研究采用溫室盆栽試驗進行了分析，對于所制備的生物質炭基肥料的大田應用還有待于進一步研究。

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Influence of biochar-based fertilizers on growth characteristics of ryegrass

SUN Yingqi1,GUO Jianbin1,LI Zifu2,BAI Xiaofeng2,LIU Yu1

(1 College of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China;2SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

【Objective】 This study quantified the influence of biochar-based fertilizers on growth characteristics of ryegrass to provide scientific basis for guiding the development and application of straw-biochar and other biomass-based fertilizers.【Method】 Four granulated biochar-based fertilizers were made by mixing biochar made from corn straw after pyrogenation at 400 ℃ with KH2PO4and CMC with mass ratios of 1∶1∶0.3,2∶1∶0.3,3∶1∶0.3 and 4∶1∶0.3.Using pot experiments in the greenhouse,the influences of biochar and biochar-based fertilizers on growth characteristics of ryegrass (Loliummultiflorum) were compared with the control experiment (ck) without fertilizer.Relationship between fresh aboveground weigh of ryegrass and biochar content of the fertilizers was fitted and the optimal biochar content was determined.【Result】 All the growth parameters including plant height,root length,root surface area and biomass of ryegrass were increased in the treatments with application of biochar and biochar-based fertilizers compared with those of ck. However,there was no significant (P<0.05) influence on the emergence of ryegrass.The best among the four biochar-based fertilizers was the one with the mixing ratio of 2∶1∶0.3,which resulted in the highest growth increase,including 34.51% increase of plant height (P<0.05),70.59% of aboveground fresh weight,40.04% of root length and 59.86% of root surface area (P<0.05).Based on the fitted relationship,the fresh aboveground weight of ryegrass firstly increased and then decreased with the increase of biochar content.When the biochar content was 61.60%,i.e.Using the biochar-based fertilizer made from 31.28 g biochar was mixed with 15.00 g KH2PO4and 4.50 g CMC,the maximum fresh aboveground weight of ryegrass of 3.02 g was obtained.【Conclusion】 The application of 20 g/kg biochar-based fertilizers promoted the growth of ryegrass and the optimal biochar content of fertilizer was 61.60%.

biochar-based fertilizers;ryegrass;growth characteristics;ratio model

時間:2016-10-20 16:36

10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.12.016

2015-08-29

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(FRF-IC-14-004)

孫櫻萁(1990-)，女，河北廊坊人，在讀碩士，主要從事生態(tài)環(huán)境工程與林業(yè)生態(tài)工程研究。E-mail:syqbeilin@163.com

郭建斌(1962-)，男，陜西韓城人，教授，博士生導師，主要從事生態(tài)環(huán)境工程與林業(yè)生態(tài)工程研究。 E-mail:1196153618@qq.com

S141.6

A

1671-9387(2016)12-0117-07

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