生物炭和腐熟秸稈組配基質(zhì)對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)的影響

文中華，劉喜雨，孟 軍，劉遵奇，史國(guó)宏

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心，沈陽(yáng)110161）

水稻是世界三大糧食作物之一，同時(shí)也是我國(guó)主要的糧食作物，水稻秧苗質(zhì)量直接影響其生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量的形成。近年來(lái)，基質(zhì)育苗技術(shù)為水稻秧苗健康生長(zhǎng)提供了有力保障，已逐漸成為一種培育壯苗的主要方式[1]。然而傳統(tǒng)的育苗基質(zhì)主要由不可再生的草炭土、泥炭土等單獨(dú)或混配而成，連年取土給耕層土壤帶來(lái)嚴(yán)重破壞，并且對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了極大的影響[2]。因此，解決水稻育苗取土難、水土流失等問(wèn)題，尋找新型育苗基質(zhì)材料成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[3]。

我國(guó)秸稈資源豐富，年產(chǎn)量7億～8億t，秸稈等農(nóng)林廢棄物是一項(xiàng)重要的可再生資源，但我國(guó)目前的秸稈利用率還不到50%，并且每年有超過(guò)30%的秸稈被棄置農(nóng)田或肆意焚燒，帶來(lái)了資源浪費(fèi)與環(huán)境污染等問(wèn)題[4-5]。農(nóng)林廢棄物經(jīng)過(guò)發(fā)酵技術(shù)處理后是良好的無(wú)土栽培基質(zhì)的原料，有研究表明稻殼、椰糠、醋糟、秸稈、菇渣等廢物均可以用于基質(zhì)育苗，并且已經(jīng)取得了良好的育苗效果[6-10]。如果將這些農(nóng)業(yè)廢棄物通過(guò)發(fā)酵技術(shù)或者高溫?zé)峤饧夹g(shù)制成有機(jī)物料加以利用，不僅解決了資源浪費(fèi)問(wèn)題，還可以減少焚燒秸稈對(duì)環(huán)境的污染[11]。

秸稈炭化和堆肥發(fā)酵技術(shù)為農(nóng)林廢棄物提供了一個(gè)提高價(jià)值的平臺(tái)。高溫堆肥技術(shù)是處理秸稈的有效途徑，不僅能抑制病原菌生長(zhǎng)，降解蔬菜中殘留的農(nóng)藥和抗生素等[12-13]，同時(shí)還能降低甚至消除化感物質(zhì)對(duì)作物的影響[14-15]。生物炭是指由農(nóng)林廢棄物秸稈等生物質(zhì)在缺氧條件下經(jīng)高溫?zé)崃呀庑纬傻姆€(wěn)定富碳產(chǎn)物[16]，常見(jiàn)的生物炭包括稻稈炭、玉米秸稈炭、稻殼炭等。生物炭具有改善土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤透氣性特點(diǎn)，具有提高土壤水肥利用率的作用[17]。生物炭添加到育苗基質(zhì)中不僅能夠改善基質(zhì)的持水性能、減少養(yǎng)分淋失，而且可以通過(guò)改善根系微環(huán)境提高水稻根系代謝速率，促進(jìn)水稻源、庫(kù)、流三者協(xié)調(diào)，進(jìn)而達(dá)到培育的壯秧目的，減小育苗失敗風(fēng)險(xiǎn)[1]。

針對(duì)上述問(wèn)題，基于生物炭良好的理化性質(zhì)，本研究擬以生物炭和腐熟的水稻秸稈為主要原料，配制成水稻育苗基質(zhì)，通過(guò)測(cè)定基質(zhì)的理化性質(zhì)及其育苗效果，探索生物炭和基質(zhì)的合理配比。以篩選出適宜的生物炭育苗基質(zhì)配方，來(lái)替代草炭等不可再生資源，為利用廢棄秸稈制作育苗基質(zhì)提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2019年4月在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物炭工程技術(shù)研究中心培養(yǎng)室進(jìn)行。供試水稻（Oryzasativa L．Subsp．Keng）品種為沈農(nóng)265，試驗(yàn)所用腐熟秸稈為實(shí)驗(yàn)室利用腐解罐自制而成，所用生物炭為稻殼炭，購(gòu)自遼寧金和福農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，制備方法參照中國(guó)發(fā)明專利ZL201420025017．8《一種組合式多聯(lián)產(chǎn)生物質(zhì)快速炭化設(shè)備及其制炭方法》。稻殼生物炭的基本理化性質(zhì)如表1。供試市售商品育苗基質(zhì)為沈陽(yáng)凡宇園藝科技有限公司生產(chǎn)，主要成分包括草炭、蛭石和沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)專利產(chǎn)品“無(wú)土育苗營(yíng)養(yǎng)母劑”。

表1 稻殼生物炭的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of rice husk biochar

1.2 方法

試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)變量。腐熟秸稈設(shè)置3個(gè)梯度，分別占腐熟基質(zhì)的33%、40%和50%。腐熟基質(zhì)由腐熟水稻秸稈、蛭石和珍珠巖 3 種物料按 3∶3∶3，4∶3∶3，6∶3∶3（v/v，下同）比例配制而成。 生物炭設(shè)置 4 個(gè)水平，分別占腐熟基質(zhì)體積的0%、10%、20%和30%。以市售商品育苗基質(zhì)為對(duì)照（CK）。為了方便標(biāo)記，腐熟的水稻秸稈比例分別用代碼J33、J40和J50表示；施炭量分別用C0、C10、C20和C30表示，組合代碼表示二者不同配比，如J33C10。試驗(yàn)共設(shè)13個(gè)處理，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。處理中各原料占基質(zhì)的絕對(duì)比例如表2。

試驗(yàn)使用長(zhǎng)方體透明發(fā)芽盒（12cm×12cm×6cm）培育水稻幼苗。首先將經(jīng)過(guò)消毒處理后的種子催芽至露白，然后在發(fā)芽盒中裝入高度為70%的混勻基質(zhì)，選擇發(fā)芽相對(duì)一致的20粒種子均勻放入盒中，再以20%高度的基質(zhì)進(jìn)行覆蓋，預(yù)留10%高度空間用于澆水。在育苗過(guò)程中所有處理只澆灌清水（蒸餾水），不添加其他營(yíng)養(yǎng)液或肥料，育苗期間保證水分充足。將水稻種子置于（30±0．5）℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每天光照10 h，黑暗14h。

1.2.1 基質(zhì)容重與孔隙度的測(cè)定 基質(zhì)的容重和孔隙度測(cè)定參照郭世榮[18]的方法取一體積為200cm3的鋁盒，稱重（W1）；將新配的基質(zhì)風(fēng)干后均勻加入鋁盒中，稱重（W2）；然后在水中浸泡 24 h，稱重（W3）；待鋁盒中的水分瀝干后再稱重（W4）。

1.2.2 基質(zhì)養(yǎng)分特性測(cè)定 基質(zhì)的全碳、全氮采用德國(guó)Elementa元素分析儀(vario MACRO cube)測(cè)定[19]；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定[20]；速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定[20]；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定[20]。

1.2.3 基質(zhì)pH和EC值測(cè)定 pH值用酸度計(jì)按土水比1∶10測(cè)定土水混合溶液；EC值用便攜式電導(dǎo)儀（DDBJ－350）測(cè)定。

1.2.4 幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 在播種28d后開(kāi)始測(cè)定水稻苗生長(zhǎng)指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)隨機(jī)取5株幼苗測(cè)定，株高、根長(zhǎng)（根基部到生長(zhǎng)點(diǎn)之間的距離）用直尺測(cè)定；莖粗（以根莖上部1/3處為準(zhǔn)）用游標(biāo)卡尺測(cè)定；地上和地下部鮮重用電子天平測(cè)定，測(cè)完鮮重后，將植株鮮樣放在烘箱內(nèi)，105℃殺青20 min后，80℃烘干至恒重，稱量植株地上部和地下部干重，計(jì)算壯苗指數(shù)及生長(zhǎng)函數(shù)（G值）[21]。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel 2010和Origin 9．1對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及圖表的繪制，SPSS 20．0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（Duncan），對(duì)壯苗指數(shù)和G值與基質(zhì)的基本理化性質(zhì)和養(yǎng)分特性進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experiment design

2 結(jié)果與分析

2.1 育苗基質(zhì)的基本理化性質(zhì)

由表3可知，基質(zhì)的容重隨著生物炭和腐熟秸稈施用量的提高而降低，相同腐熟秸稈施加條件下，施炭30%（C30）處理容重最低，分別低于相應(yīng)不施炭處理 17．9%、29．6%和 28．0%。在同樣 C30條件下，J50處理的容重比J33低21．7%。在秸稈和生物炭占基質(zhì)的絕對(duì)比例高于50%時(shí)，容重將接近并低于市售基質(zhì)（CK）。

生物炭的施加可有效提高基質(zhì)的孔隙度，并且處理間差異達(dá)到顯著水平。相同秸稈條件下，施炭30%（C30）處理總孔隙度和持水孔隙度最高，其中總孔隙度比C0處理分別提高57．1%、47．9%、69．9%，持水孔隙度比C0處理分別提高110．1%、120．6%、143．4%。腐熟秸稈對(duì)基質(zhì)孔隙度影響無(wú)顯著規(guī)律?；|(zhì)的水氣比隨著施炭量和腐熟秸稈施用量的增加而增加，其中在施炭20%（C20）條件下，J33和J50處理的水氣比同對(duì)照無(wú)顯著差異。

生物炭的添加顯著提高了基質(zhì)的pH值，但是除J50C30處理外其余仍小于對(duì)照。在相同秸稈條件下，EC值均在施炭 20%（C20）達(dá)到了最高，分別比不施炭提高 10．8%、5．8%和 13．9%。

2.2 育苗基質(zhì)的養(yǎng)分含量

由表4可知，生物炭的添加可以顯著提高基質(zhì)的全碳、全氮含量。C30處理全碳含量高于其他炭量處理。添加腐熟秸稈亦會(huì)提高基質(zhì)全碳含量。例如，C30J50和C30J40處理的全碳含量分別比C30J33處理提高12．2%和15．1%。全氮含量在C30處理中達(dá)到最高值，但仍顯著低于對(duì)照基質(zhì)。

生物炭對(duì)提高基質(zhì)有效磷含量效果顯著，30%生物炭處理的速效磷含量高于不施炭19．6%～61．4%。雖然生物炭對(duì)堿解氮亦有提升作用，但基質(zhì)中堿解氮含量隨著生物炭施用量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，具體來(lái)講，在各腐熟秸稈條件下，堿解氮含量最高值均出現(xiàn)在20%（C20）施炭處理，C30處理顯著低于C20處理。盡管腐熟秸稈和生物炭均會(huì)提高基質(zhì)堿解氮含量，但各處理仍低于CK。腐熟秸稈添加對(duì)基質(zhì)有效磷影響表現(xiàn)為隨用量的提高呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)，有效磷含量在施加40%腐熟秸稈時(shí)含量最高，其平均值分別高于J33和J50處理40．2%和12．8%。速效鉀含量隨著施炭量和秸稈施用量的增加呈逐漸上升的趨勢(shì)，在相同秸稈條件下，速效鉀含量最大值均出現(xiàn)在C30處理中，最小值均出現(xiàn)在C0處理中，最大值比最小值分別高383．2%、186．3%和191．1%。-3

表3 不同育苗基質(zhì)的基本性質(zhì)Table 3 Basic properties of the matrix

表4 不同處理育苗基質(zhì)總碳、總氮與養(yǎng)分含量Table 4 Total carbon,total nitrogen and available nutrients content of different seedling matrix

2.3 不同育苗基質(zhì)對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響

圖 1 不同處理下幼苗的生長(zhǎng)指標(biāo)Figure 1 Quality of seedings grown from different matrix

2.3.1 植株形態(tài)和生物量指標(biāo) 育苗基質(zhì)的優(yōu)劣最終是由植物生長(zhǎng)發(fā)育情況決定的。由圖1（A、B、C）可知，隨著施炭量和秸稈施用量的增加，水稻秧苗的株高、莖粗、根長(zhǎng)均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在相同腐熟秸稈用量下，C20＞C10＞C0＞C30，并且當(dāng)施炭 20%（C20）時(shí)，株高分別比 C0處理提高 43.0%、34.6%和 43.4%，莖粗分別提高18.3%、33.3%和15.9%，根長(zhǎng)分別提高54.3%、58.2%和45.5%，其中J40C20處理的水稻幼苗長(zhǎng)勢(shì)最佳，莖粗與根長(zhǎng)均優(yōu)于對(duì)照。

基質(zhì)中添加不同量的生物炭和秸稈，水稻秧苗的地上部、地下部干物質(zhì)，以及整株干物質(zhì)積累量，均呈現(xiàn)出先升后降趨勢(shì) （圖1D、E、F），并且在施炭20%（C20）條件下，干物質(zhì)積累量達(dá)到最高，J33、J40處理與對(duì)照相比均無(wú)顯著差異。

2.3.2 壯苗指數(shù)與G值 由表5可知，壯苗指數(shù)隨著生物炭和腐熟秸稈施用量的增加而增加，在3種腐熟秸稈施用條件下，20%施炭量（C20）處理壯苗指數(shù)達(dá)到最大值， 分別比不施炭 （C0） 增加 60．0%、125．0%、40．0%，并且與對(duì)照相比均無(wú)顯著差異。從總體上看，添加生物炭會(huì)提升壯苗指數(shù)，有利于培育壯苗。J33C20和J40C20處理的G值相等且最高，與對(duì)照相比提高了6．9%。

相關(guān)性分析顯示（表6），基質(zhì)中全碳含量與水稻秧苗的壯苗指數(shù)呈顯著正相關(guān)，全氮含量與壯苗指數(shù)和G值呈顯著正相關(guān)，基質(zhì)電導(dǎo)率和速效養(yǎng)分中的堿解氮含量與壯苗指數(shù)和G值呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明育苗基質(zhì)的電導(dǎo)率和堿解氮含量是影響水稻秧苗素質(zhì)的主要因素。

表5 不同處理?xiàng)l件下幼苗壯苗指數(shù)和G值Table 5 Robust seeding index and G value of rice seedlings grown from different matrix

3 討論與結(jié)論

表6 壯苗指數(shù)、G值與基質(zhì)基本理化性質(zhì)及養(yǎng)分特性間的相關(guān)分析Table 6 Correlation analysis between seedling index,G value and basic physicochemical properties,nutrient characteristics of the matrix

生物炭能夠?qū)ν寥乐械乃⒎?、氣、熱等生態(tài)因子起到協(xié)調(diào)作用，有利于作物生長(zhǎng)[22]。在結(jié)構(gòu)方面，生物炭因具有疏松多孔的特性，可以提高土壤孔隙度，降低土壤容重，從而降低土壤的抗張強(qiáng)度，改變土壤團(tuán)聚體特性，提高土壤的持水性和透氣性，進(jìn)而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)[23-24]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，生物炭加入可以顯著改善腐熟基質(zhì)的孔隙度和持水能力（表3），提升效果優(yōu)于腐熟秸稈。 郭世榮等[18]研究認(rèn)為容重在 0．1～0．8g·cm-3，總孔隙度在 54%～96%， 氣水比在 1：(2～4)，pH 中性或微酸性，EC 值在 0．5～1．25mS·cm-1的育苗基質(zhì)能夠?yàn)樵耘嘧魑锾峁├硐氲母H環(huán)境，利于秧苗生長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)測(cè)定，本次試驗(yàn)配制的基質(zhì)多數(shù)指標(biāo)在此理想范圍內(nèi)，因而為水稻秧苗正常生長(zhǎng)提供了良好的物理環(huán)境。

基質(zhì)的養(yǎng)分含量是培育壯苗的重要因素。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，腐熟秸稈和生物炭均可顯著提高基質(zhì)的速效養(yǎng)分含量，其中生物炭最多可提高速效氮磷鉀分別為9．0%、61．4%和 383．2%，腐熟秸稈可提高 3．3%、40．2%、57．9%。但是基質(zhì)的堿解氮含量隨施炭量增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，并且秧苗素質(zhì)的變化趨勢(shì)與之相似，即在腐熟基質(zhì)中添加10%生物炭時(shí)，水稻秧苗的株高、根長(zhǎng)、干物質(zhì)積累量較不施炭處理顯著提高，在添加20%生物炭時(shí)水稻秧苗的株高、干物質(zhì)積累量等指標(biāo)達(dá)到最高值，但在添加30%生物炭時(shí)，株高等生長(zhǎng)指標(biāo)就開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明水稻秧苗生長(zhǎng)受到抑制。這可能是由于大量施用生物炭使土壤的活性有機(jī)碳組分增加，進(jìn)而引起土壤微生物與植物生長(zhǎng)之間競(jìng)爭(zhēng)氮素等問(wèn)題，土壤氮素養(yǎng)分的有效性被降低，導(dǎo)致作物養(yǎng)分吸收受到影響進(jìn)而抑制了作物的生長(zhǎng)[24-25]。

前人研究認(rèn)為施用適當(dāng)?shù)纳锾磕軌蛟鰪?qiáng)水稻根系生理功能[26]，顯著提升水稻[27]、玉米[28]和番茄[29]等作物的生物量及產(chǎn)量。生物炭還可以提高土壤肥力和改善土壤結(jié)構(gòu)，能夠增加土壤中微生物的數(shù)量，把更多的氮素同化到微生物體內(nèi)，提高了土壤對(duì)氮的固持能力，進(jìn)而降低氮素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)，提高氮肥利用率，有利于作物生長(zhǎng)[30]。但是大量生物炭施入可能會(huì)抑制作物生長(zhǎng)，例如周勁松等[31]研究表明在水稻育苗基質(zhì)中添加適量(10．0%～15．0%)生物炭，可以促進(jìn)水稻秧苗的生長(zhǎng)，過(guò)高則會(huì)抑制生長(zhǎng)。鄭琴等[32]研究也發(fā)現(xiàn)高量生物炭的添加會(huì)抑制冬小麥的生長(zhǎng)，并且與中量生物炭處理相比產(chǎn)量也有所降低，可能的原因有：大量施加生物炭會(huì)提高土壤的pH值，降低了土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的有效性。同時(shí)大量生物炭的添加會(huì)提高土壤中微生物對(duì)氮素的固定能力，導(dǎo)致根系吸收的氮素減少進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量。

除了上述生物炭對(duì)基質(zhì)的理化性質(zhì)顯著影響外，生物炭還可以通過(guò)其他多種途徑促進(jìn)壯苗的形成，例如提高有益微生物的繁殖能力、提升養(yǎng)分利用率和酶活性等[33-34]。并且經(jīng)過(guò)堆肥發(fā)酵處理的秸稈中除了含有豐富的營(yíng)養(yǎng)元素，如氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)等，還有一些鈣、鎂等微量元素，可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)[35]。同時(shí)生物炭的加入有利于這些養(yǎng)分的保持，減少因淋洗作用損失的營(yíng)養(yǎng)元素。因此，將生物炭和腐熟的水稻秸稈作為育苗基質(zhì)的組配是可行的，兩者各有優(yōu)勢(shì)，又相互補(bǔ)充。利用兩者組配育苗基質(zhì)即可以達(dá)到培育壯苗的效果，又能實(shí)現(xiàn)秸稈的資源化利用，也可減少草炭等不可再生資源的浪費(fèi)。

最后，值得注意的是本試驗(yàn)中基質(zhì)的全氮和堿解氮含量尚不能達(dá)到市售基質(zhì)水平，因此需要對(duì)育苗基質(zhì)進(jìn)一步調(diào)整完善。同時(shí)由于育苗過(guò)程在培養(yǎng)室內(nèi)進(jìn)行，與生產(chǎn)實(shí)際尚有差別，所以生物炭育苗基質(zhì)對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)的促進(jìn)作用還需在應(yīng)用試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。

綜上可知，生物炭的施入顯著提高基質(zhì)的通氣性，提升基質(zhì)中有效磷和速效鉀含量。適宜的生物炭用量（20%，v/v）顯著增加了水稻秧苗的株高、根長(zhǎng)和干物質(zhì)積累量。在以腐熟的水稻秸稈和生物炭為主要原料配制的基質(zhì)中，當(dāng)40%腐熟秸稈與20%生物炭組合時(shí)，基質(zhì)的理化性質(zhì)和養(yǎng)分能夠達(dá)到育苗要求，植株生長(zhǎng)狀況良好，與商品育苗基質(zhì)相比無(wú)顯著差異，是良好的水稻育苗基質(zhì)替代品。