生物炭作為無土栽培基質(zhì)的初步探究

陳慧玲，林向陽，羅登來，林圣楠，朱 豐，黃金城，劉明華，阮榕生

( 1.福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.南昌大學(xué)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化教育部工程研究中心，江西 南昌 330047；3.明尼蘇達大學(xué)生物系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)工程系，明尼阿波利斯 圣保羅 55108)

生物炭作為無土栽培基質(zhì)的初步探究

陳慧玲1，林向陽1，羅登來1，林圣楠1，朱 豐1，黃金城1，劉明華1，阮榕生2,3

( 1.福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.南昌大學(xué)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化教育部工程研究中心，江西 南昌 330047；3.明尼蘇達大學(xué)生物系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)工程系，明尼阿波利斯 圣保羅 55108)

研究檸條深度裂解產(chǎn)生的生物炭作為無土栽培機制的可行性，以探討檸條的綜合開發(fā)和利用.試驗分析了生物炭和草炭復(fù)配基質(zhì)的理化特性，并對小白菜做育苗期盆栽試驗.結(jié)果表明：當(dāng)草炭和檸條炭的質(zhì)量比為4∶2時達到最佳配比，此時混配基質(zhì)各項指標(biāo)均符合理想基質(zhì)的要求；檸條炭具有強大的吸附能力和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，其作為草炭的混配基質(zhì)能夠較大程度提高基質(zhì)的透氣性和速效鉀含量，有貯存和緩釋養(yǎng)分的作用.

生物炭；混配基質(zhì)；無土栽培；理化特性; 檸條

0 引言

無土栽培因其具有可有效避免土壤連作障礙、土壤病蟲害的傳播及提高土壤利用率等優(yōu)勢而受到越來越多的關(guān)注和研究[1].基質(zhì)栽培作為無土栽培的主要形式[2]，其品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響著作物的生長，因此栽培基質(zhì)的選擇很重要[3].理想的栽培基質(zhì)除了能固定作物外，還應(yīng)具備較好的通氣性、持水性和緩釋功能等特性.目前常用的無土栽培基質(zhì)主要有草炭、珍珠巖、蛭石、巖棉、沙等[4]，但單一基質(zhì)很難滿足作物生長的所有理化環(huán)境要求，因此國內(nèi)外有較多關(guān)于基質(zhì)混配特性的研究，且大部分研究表明,一定配比的混合基質(zhì)更有利于作物的生長[5-7].

草炭是在過濕的嫌氣條件下(如沼澤)，未完全分解的植物殘體堆積而成的有機質(zhì)復(fù)合物，是一種極優(yōu)質(zhì)的有機基質(zhì)和肥料，但透氣性差、不可再生性及昂貴的費用限制了其應(yīng)用.大量研究表明，生物質(zhì)熱解固體焦炭不僅能提高土壤的有機質(zhì)含量而且有助于提升土壤的持水性以及降低養(yǎng)分的流失率，因此是一種良好的土壤改良劑[8-9].檸條生物炭具有強大的吸附能力和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，可研究其作為草炭的混配基質(zhì)從而達到提高透氣、貯存及緩釋養(yǎng)分的效果，在保證優(yōu)良理化特性的同時盡可能減少不可再生草炭的過度開發(fā)利用[10].此外，據(jù)目前文獻可查，有關(guān)生物炭作為復(fù)配基質(zhì)至今沒有相關(guān)研究，探討檸條生物炭作為復(fù)配基質(zhì)的可行性具有一定的創(chuàng)新意義.

1 材料與設(shè)備

1.1 實驗原料

赤葉小白菜種子；草炭(園藝用東北草炭)；檸條：來源于河北省保定市某山區(qū).材料均切段后備用.

1.2 實驗方法

1.2.1 檸條生物炭的制備

檸條生物炭：用自行設(shè)計的微波裂解反應(yīng)設(shè)備及裝置進行裂解，其中反應(yīng)條件為溫度500 ℃，時間6.3 min，功率1.9 kW，微波吸收劑添加量為4.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下均同).

1.2.2 小白菜育苗期盆栽試驗

表1 基質(zhì)混配方案Tab.1 Mediun mixed solution

按表1所示對不同基質(zhì)按照質(zhì)量比混配(以全草炭(CK)為對照組)進行市售小白菜種子的盆栽試驗.

1.2.3 指標(biāo)及測定方法

1)元素分析.生物質(zhì)炭樣品在60 ℃下烘干，過150 μm篩，稱取100 mg，用Vario EL元素分析儀(德國Elementar公司)分別測定C、H、N、O的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

2)pH值、干密度和相對密度[11-12].基質(zhì)與去離子水按體積比1∶5混合，用量筒量取10 mL，充分?jǐn)嚢? min，浸漬10 h后用pH計測定其pH值.干密度為固體顆粒的質(zhì)量與物料的總體積之比值.相對密度測定參考《比重測定法(ZB 66041-1987)》[13].

3)比表面積測量.采用壓汞法，用 PoreMasterGT 60 孔徑測定儀測定.

4)容重和孔隙度.在105 ℃下，將基質(zhì)烘至恒質(zhì)量后裝入體積(V)固定的燒杯中，單位體積干栽培基質(zhì)的質(zhì)量即容重.基質(zhì)烘干后倒入燒杯中，燒杯質(zhì)量為m，總質(zhì)量為m1；向燒杯中加水至飽和并稱質(zhì)量(m2)；用濕紗布(m3)包裹燒杯口后倒置，靜置6 h左右，直至容器中沒有水分滲出為止，稱質(zhì)量(m4)，計算公式如下[14]：

5)吸水性和保水性.稱取10 g自然風(fēng)干基質(zhì)裝入孔徑合適的尼龍網(wǎng)袋中，封口后浸入水槽中，12 h后取出，吊起瀝干至無水滴后稱質(zhì)量.以每克基質(zhì)吸收水分的質(zhì)量代表吸水性，草炭對照組(CK)吸水量為“1”，其余各組吸水量以其倍數(shù)表示[15].稱取自然風(fēng)干基質(zhì)15 g 于孔徑合適的尼龍網(wǎng)袋中，在水槽中浸漬12 h后取出瀝干1 h以排除重力水；準(zhǔn)確稱取各組飽和基質(zhì)10 g，平鋪于培養(yǎng)皿中，置于25 ℃恒溫箱中，每1 h稱重，記錄各組試樣的失水情況并繪制失水曲線[16].

6)作物指標(biāo)測定.株高用游標(biāo)卡尺測得垂直高度；維生素C含量測定采用《2，6-二氯靛酚滴定法(GB 6195-1986)》[17]；可溶性糖含量(FW)測定參照《銅還原碘量法(NY/T 1278-2007)》[18]測定.兩指標(biāo)均取真葉葉片測得，無真葉組未測[19].

7)數(shù)據(jù)處理.所有數(shù)值均為 3 次重復(fù)的平均值，采用方差分析(ANOVA)進行顯著性差異比較.

2 結(jié)果與分析

2.1 炭元素組成及含量

表2 炭的基本性質(zhì)Tab.2 Basic properities of carbon

土壤有機質(zhì)是影響土壤可持續(xù)利用最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，影響土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)，并通過所提供的C、N源控制微生物活性，從而在土壤肥力中發(fā)揮作用.表2列出炭的基本性質(zhì)，從表中可以看出，草炭有機質(zhì)含量達到61.61%，遠高于檸條生物炭12.21%，但是pH值為5.76，酸度太高.而檸條生物炭的pH值為8.87，呈堿性，可有效調(diào)節(jié)草炭酸度.其中，干密度表示基質(zhì)的緊實程度，檸條生物炭相對于草炭具有較大密度，兩者相互結(jié)合，有利于提高基質(zhì)疏松程度.表2反映了檸條生物炭與草炭的區(qū)別.此外，通過單因素方差分析，表2中檸條生物炭和草炭各類性質(zhì)兩兩比較均達到顯著水平(P<0.05).

2.2 不同配比基質(zhì)物理性質(zhì)比較

表3列出了各混配基質(zhì)組(純草炭組為對照組)的主要物理性質(zhì)，可分別根據(jù)這些指標(biāo)值的大小來判斷基質(zhì)支撐能力、通氣、吸水持水等影響作物生長發(fā)育的性能高低.

表3 不同配比基質(zhì)的物理性質(zhì)比較Tab.3 Comparison of physical properties for different ratio of medium

注：*代表處理間差異達到顯著水平(P<0.05)

容重表示單位體積的基質(zhì)質(zhì)量，可反映基質(zhì)的緊實程度.一般來說，容重范圍在0.1～0.8 g·cm-3之間較適合作物生長，容重越大則越緊實，孔隙度相對較小.對照組的容重為0.35 g·cm-3，隨著檸條炭比例的增加，基質(zhì)容重不斷減小，因此可判斷檸條炭容重小于草炭容重，二者混配基質(zhì)容重雖在適宜范圍內(nèi)，但屬于低容重基質(zhì)，孔隙可能較發(fā)達，但也存在作物易倒伏的不足.

總孔隙度是通氣孔隙和持水孔隙的總和，孔隙度大的基質(zhì)有利于根系的通氣、保水，一般認(rèn)為，當(dāng)通氣孔隙∶持水孔隙為1∶(2～4)時最有利于作物生長.吸水性表征基質(zhì)吸收水分的能力，一定程度上反映了基質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)和官能團性質(zhì).由表3可知，草炭的持水孔隙較多，但通氣性較差，而檸條炭的加入不僅增大了草炭基質(zhì)的總孔隙度，且較大程度地增加了基質(zhì)的通氣孔隙，其中II(4∶2)、III(3∶3)組大小孔隙比均在最佳范圍內(nèi).隨著檸條炭比例的增加，總孔隙增多，所以基質(zhì)的吸水性能也比對照組有不同程度的略微提升，但這不能很好反映基質(zhì)的持水性能，因此對一定時間基質(zhì)的失水情況的(保水性)的試驗研究有一定意義.

2.3 不同配比基質(zhì)比表面積的比較

通過測得不同配比基質(zhì)的吸附曲線和脫附曲線，再利用Brunauer-Emmett-Teller (BET)方程計算得到比表面積，結(jié)果如圖1所示.

比表面積是指多孔固體物質(zhì)單位質(zhì)量所具有的表面積.從圖1中可以看出，比表面積隨著檸條炭添加量的增加而增大，與孔隙度呈正相關(guān)(見表3).其中檸條生物炭本身具有較大的比表面積102.89 m2·g-1(見表2)，當(dāng)與草炭復(fù)配時可提高總體的比表面積.

2.4 不同配比基質(zhì)保水性比較

圖2是在6 h內(nèi)不同時間點各組基質(zhì)的失水情況比較圖.從圖中可以看出，對照組總失水量最少，保水性能較好，失水速率變化相對平緩，失水過程較平穩(wěn)；隨著檸條炭的增加，失水量越來越大，失水速率也越來越快 ，失水過程集中在前3～4 h.這是由于檸條炭增加了基質(zhì)的總孔隙度和通氣孔隙(大孔隙)而減少了持水孔隙的緣故.基質(zhì)的保水性反映了基質(zhì)耐旱性能及養(yǎng)分的有效性，保水性差的基質(zhì)不利于作物生長過程中水分和養(yǎng)分的保持和供給，顯然高檸條炭含量的基質(zhì)失水太多，失水速率太快，并不利于作物成長，因此在保證根系的通氣性時，應(yīng)盡可能使混配基質(zhì)中草炭含量高于檸條炭量.

圖1 不同配比基質(zhì)比表面積的比較Fig.1 Comparison of surface areas for different ratio of medium

圖2 不同基質(zhì)配比的保水性比較Fig.2 Comparision of water holding capacity for different ratio of medium

2.5 不同配比基質(zhì)化學(xué)性質(zhì)比較

pH值反映了基質(zhì)的酸堿性，蔬菜最適宜的pH值范圍應(yīng)在6.0～7.5之間.有機質(zhì)是作物生長的主要養(yǎng)分來源，氮、磷、鉀含量則是影響作物生長發(fā)育的主要營養(yǎng)元素，而速效氮、磷、鉀是作物可直接吸收轉(zhuǎn)化的營養(yǎng)元素，它們都是影響作物生長的重要因素.

表4列出了不同配比基質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，從表中可知，對照組pH值為5.76，不利于蔬菜生長，堿性檸條炭的加入使基質(zhì)pH值在6.02～8.51之間，其中I、II、III組均在蔬菜最適宜的pH值范圍內(nèi).由表4可知，混配基質(zhì)氮、磷、鉀含量均遠高于理想基質(zhì)的要求(有效氮>50 mg·kg-1、速效磷>5 mg·kg-1、速效鉀>40 mg·kg-1)，隨著基質(zhì)中檸條炭比例的增大，有機質(zhì)和氮含量均大幅減少，當(dāng)裂解炭量高于草炭量時，基質(zhì)中有機質(zhì)含量低于30%，不利于蔬菜對養(yǎng)分的吸收；鉀的含量隨裂解炭的加入升高較快，這主要是因為裂解炭中含有較多的無機鉀.綜上所述，I、II兩組基質(zhì)既能保證較適宜的pH環(huán)境，又能使有機質(zhì)含量較高且氮、磷、鉀含量均符合無土栽培基質(zhì)要求，所以可列為較理想的基質(zhì)配比.

表4 不同配比基質(zhì)化學(xué)性質(zhì)比較Tab.4 Comparison of chemical properties for different ratio of medium

注：*代表處理間差異達到顯著水平(P<0.05)

2.6 小白菜育苗期盆栽試驗結(jié)果

表5為不同配比基質(zhì)組育苗期小白菜生長情況，由表5可知，各組出芽時間都較快，且出芽率都過半，因此各配比基質(zhì)均能滿足小白菜種子發(fā)芽的水分、溫度等環(huán)境條件要求，其中II組的發(fā)芽率最高；不同組的小白菜長勢差異較大，II組長勢最好，檸條炭含量高于草炭時長勢較差，這可能是由于檸條炭持水孔隙較少，保水性差，而過多的檸條炭會使失水速率過快而致使幼芽或幼苗所需水分和養(yǎng)分無法及時供給；維生素C含量最高的是II組，這與其長勢情況相符合；對照組的可溶性糖含量均高于同期其他組，這可能與其高有機質(zhì)含量相關(guān).

表5 不同配比基質(zhì)組育苗期小白菜生長情況比較Tab.5 Comparison of growth situation for different ratio medium group of pakchoi during seedling stage

3 結(jié)論

以純草炭為對照組，將裂解檸條炭按不同比例與草炭復(fù)配，研究不同配比基質(zhì)的理化性質(zhì)和小白菜育苗期盆栽試驗.實驗表明：檸條炭的加入不僅增大了草炭基質(zhì)的總孔隙度，且較大程度地增加了基質(zhì)的通氣孔隙，但是過多的檸條炭會導(dǎo)致基質(zhì)失水太多，失水速率太快，不利于作物成長，因此在保證根系的通氣性時，應(yīng)盡可能使混配基質(zhì)中草炭含量高于檸條炭量.當(dāng)檸條炭∶草炭=2∶4時為最佳配比，此時混配基質(zhì)物理化學(xué)各項指標(biāo)：容重、孔隙度、持水性、保水性、氮、磷、鉀等含量均符合理想基質(zhì)的要求，有利于作物生長過程水分和養(yǎng)分的保持和供給.不足之處，由于實驗空間、時間等條件限制，更深入的大田試驗等應(yīng)用推廣仍有待完善.

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(責(zé)任編輯：洪江星)

Explore of bio carbon as matrix of soilless cultivation

CHEN Huiling1，LIN Xiangyang1，LUO Denglai1，LIN Shengnan1，ZHU Feng1，HUANG Jincheng1，LIU Minghua1，RUAN Roger2,3

(1.College of Biological Sciences and Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou,Fujian 350116，China；2.Biomass Transformation of the Ministry of Education Engineering Research Center，Nanchang University，Nanchang,Jiangxi 330047，China；3.Department of Bioproducts and Biosystems Engineering，University of Minnesota，St Paul，MN 55108，USA)

This experiment discussed the comprehensive development and utilization of the Caragana.In order to study the feasibility of bio carbon which was produced by the dissociation of Caragana as soilless cultivation,the experiment analysed the physicochemical properties of biochar and compound matrix,and also maked pot experiment for pakchoi in seedling stage.The result showed while Caragana carbon mixed peat carbon with 4 to 2,the indicators all reached the requirement of ideal matrix.Caragana carbon had strong absorption capability and abundant pore structure.Furthermore,Caragana carbon as the mixed matrix,which can greatly improve the permeability and available potassium content,had great effect on storaging and releasing nutrients slowly.

bio carbon; mixed with matrix; non soil cultivation; physical chemical properties; Caragana

10.7631/issn.1000-2243.2017.02.0280

1000-2243(2017)02-0280-05

2015-11-13

林向陽(1969-)，博士，教授，主要從事生物質(zhì)能源、食物資源綜合利用技術(shù)方面的研究，xylin@fzu.edu.cn

國家“863”計劃資助項目(2012AA101809)；國家科技部國際合作項目(2009DFA61680)

S156.2

A