育苗基質(zhì)添加辣椒稈生物炭對辣椒幼苗生長與養(yǎng)分的影響

王高飛，劉鴻雁，邢 丹，王洪亮，牟玉梅，王永平，王 巖，周 鵬

(1．貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院辣椒研究所，貴陽 550006；3.貴州省農(nóng)業(yè)科技發(fā)展中心，貴陽 550000)

【研究意義】辣椒是我國重要的蔬菜作物，因其富含維生素 C、辣椒素、辣椒堿等營養(yǎng)成分，深受廣大種植者和消費(fèi)者的青睞[1]。目前,我國辣椒年種植面積在200萬hm2左右[2],是我國種植面積最大的蔬菜作物[3]，年產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的50%以上，居世界首位[4]。近年來，隨著辣椒大面積種植產(chǎn)生大量秸稈廢棄物，且目前辣椒秸稈資源化利用薄弱，秸稈隨意堆放或焚燒污染環(huán)境[5]；因此，研究辣椒秸稈廢棄物的解決方法對辣椒產(chǎn)業(yè)持續(xù)高效發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】農(nóng)業(yè)廢棄物在缺氧的情況下，經(jīng)過高溫慢熱解過程可制成一類富含碳素的固態(tài)物，即生物炭[6]。生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積巨大，其獨(dú)特的表面特征使其具有較強(qiáng)的吸附性能，降低了養(yǎng)分淋溶及固定損失，促進(jìn)了植物對養(yǎng)分的吸收[7-11]。施用生物炭對小麥、水稻、玉米的氮素吸收量積累有一定促進(jìn)作用[12]。施用生物炭促進(jìn)玉米根系生長、苗期干物質(zhì)積累并增加產(chǎn)量[13-15]。趙貫飛等[16]研究表明，生物炭可以促進(jìn)辣椒生長發(fā)育并提高辣椒產(chǎn)量?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】秸稈炭化后能否用于辣椒幼苗培育，對辣椒幼苗生長以及養(yǎng)分吸收產(chǎn)生何種影響，辣椒秸稈不同部位的影響是否一致尚無相關(guān)的研究報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】在辣椒育苗基質(zhì)中添加以辣椒秸稈不同部位(根、莖基部、主莖稈、粗枝條、細(xì)枝條和秸稈混合)制成的生物炭，研究其對辣椒幼苗生長及養(yǎng)分含量的影響，探討辣椒秸稈炭化應(yīng)用可行性并鑒選較優(yōu)添加量和添加部位，為有效解決辣椒秸稈資源化利用問題提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)辣椒品種為“黔椒8號”，由貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院辣椒研究所提供。育苗基質(zhì)購自黔南金福有限責(zé)任公司。不同原料生物炭包括辣椒根、辣椒莖基部、辣椒主莖稈、辣椒粗枝條、辣椒細(xì)枝條、辣椒秸稈混合，6種原料在450 ℃裂解1 h獲得各類生物炭，其理化性質(zhì)見表1。

表1 供試生物炭基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院辣椒所溫室大棚進(jìn)行[控制室溫(25±3)℃，光照時間14 h/d]，設(shè)6個生物炭類型(根、莖基部、主莖稈稈、粗枝條、細(xì)枝條、秸稈混合)、2個生物炭添加水平(添加量為育苗基質(zhì)干重的2%和5%)，以不添加生物炭為空白對照(CK)，共13個處理(表2)，每個處理重復(fù)6次。各處理N(0.15 g/kg)、P2O5(0.15 g/kg)和K2O(0.15 g/kg)以復(fù)合肥添加至育苗池水中,并攪拌溶解。2019年1月將辣椒種子和不同處理的基質(zhì)材料裝入規(guī)格為50穴的方格穴盤中，進(jìn)行室內(nèi)育苗，每個穴盤6次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)各處理管理按常規(guī)。

表2 生物炭類型和和添加量各處理

1.3 測定項(xiàng)目及方法

辣椒播種50 d后調(diào)查植株株高、莖粗、葉長、葉寬、葉綠素、第一節(jié)間距、第二節(jié)間距、第三節(jié)間距，株高為基質(zhì)表面到生長點(diǎn)的高度，莖粗為距基質(zhì)表面1 cm處莖的粗度；葉長、葉寬為葉片縱向最長長度和橫向垂直最大寬度；第一節(jié)間距為基質(zhì)表面到第一節(jié)偏下部葉的距離，第二節(jié)間距為第一節(jié)偏上部葉到第二節(jié)偏下部葉的距離，第三節(jié)間距為第二節(jié)偏上部葉到第三節(jié)偏下部葉的距離。生物量為采集植株地上部和地下部(根、莖、葉)，清洗干凈后放入烘箱在105 ℃ 殺青10 min，80 ℃烘干至恒重的質(zhì)量。葉綠素用SPAD儀進(jìn)行測定。全氮、全磷、全鉀含量為將植株干樣粉碎后過80目篩進(jìn)行測定，全氮用硫酸—過氧化氫消煮—凱氏定氮法測定，全磷用硫酸—過氧化氫消煮—鉬銻抗比色法測定；全鉀用硫酸—過氧化氫消煮—火焰光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2007 和SPSS 21.1 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、方差分析和主成分分析,用Origin 9.1作圖。其中，在主成分分析之前需對各個指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。使用隸屬函數(shù)法統(tǒng)一量綱轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，指標(biāo)分為正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。莖粗、葉長、葉寬、葉綠素、根干重、莖干重、葉干重、氮、磷、鉀含量為正相關(guān)指標(biāo)使用公式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，株高、節(jié)間距為負(fù)相關(guān)指標(biāo)使用公式(2)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。綜合得分(Dn)的計(jì)算以相應(yīng)主成分貢獻(xiàn)率為權(quán)重，通過公式(3)得到。

Uin=(Xin-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(1)

U'in=1-(Xin-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(2)

(3)

式中，Uin和U'in分別指第n個樣品第i個指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)化后的隸屬函數(shù)值；Xin指第n個樣品第i個指標(biāo)的原始測定結(jié)果；Ximax和Ximin分別指樣品組中第i個指標(biāo)的最大值和最小值；Dn為主成分分析法得到的各樣品營養(yǎng)品質(zhì)的綜合分值；Fjn為第n個樣品第j個特征值>1的主成分的分值；in為特征值>1的主成分的數(shù)；Ej為第j個主成分的貢獻(xiàn)率[17]。

壯苗指數(shù)=(莖粗/株高+根干重/地上部干重)×總干重[18]

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭處理辣椒幼苗的生長情況

由表3看出，與對照相比，根生物炭處理無論是2%添加量還是5%添加量處理幼苗的株高、莖粗、葉長、葉寬均小于對照；5%主莖稈生物炭幼苗的株高、莖粗、葉長、葉寬也均小于對照；2%細(xì)枝條生物炭處理幼苗莖粗、葉長、葉寬、葉綠素均高于其他處理，與對照相比分別增長22.6%、14.7%、16.8%及31.3%。各處理植株葉綠素含量均高于對照。2%根、2%混合生物炭處理幼苗第一節(jié)間距顯著增加，2%細(xì)枝條、5%莖基部、5%主莖稈生物炭處理第一節(jié)間距顯著降低；第二節(jié)間距各處理間差異均不顯著；第三節(jié)間距除5%主莖稈生物炭處理顯著低于對照處理外，其余處理與對照間差異均不顯著。

表3 生物炭添加不同處理辣椒幼苗的生長發(fā)育情況

相同材料生物炭不同添加量之間辣椒幼苗的株高、莖粗、葉長、葉寬、第一節(jié)間距除根生物炭處理，其余處理均表現(xiàn)出2%添加量大于5%添加量的趨勢。除了細(xì)枝條生物炭處理外，其余材料生物炭2種添加量相比植株株高差異都顯著?；旌仙锾勘憩F(xiàn)出2種添加量相比只有株高差異顯著其余指標(biāo)差異都不顯著的變化趨勢。

2.2 不同生物炭處理辣椒幼苗的生物量

由圖1看出,①生物炭可促進(jìn)辣椒根的生長，添加生物炭各處理辣椒幼苗根生物量增幅為7.69%～100%，除B1、B7、B9、B12與對照差異不顯著外，其余處理差異均達(dá)顯著水平，以B11處理最高，其次為B15處理。同一材料2種添加量之間根、莖基部、粗枝條、混合生物炭差異不顯著，主莖稈生物炭2%添加量顯著高于5%添加量，細(xì)枝條生物炭則表現(xiàn)為5%添加量顯著高于2%添加量。②不同生物炭處理對辣椒幼苗莖的影響效果不同，與對照相比，B1、B7、B9處理辣椒莖生物量降低，以B9處理最低，且與其他處理間差異均顯著。其余生物炭處理增加了辣椒幼苗莖生物量，B8處理最大，其次是B5處理，與對照相比增幅分別為43.2%和29.6%。同一材料2種添加量之間，主莖稈生物炭2%添加量顯著高于5%添加量，這與其對根的影響效果表現(xiàn)一致，其他生物炭處理兩種添加量之間差異均不顯著。③辣椒葉生物量B1、B6、B7、B9處理均低于對照，以B9處理最小且顯著低于對照；其余處理葉的生物量均增加，其中，B2、B3、B4、B5、B8、B11、B12處理均顯著高于對照，以B2處理最高。同一材料2種添加量之間，主莖稈、粗枝條、混合生物炭處理2種添加量之間表現(xiàn)出差異性，主莖稈、粗枝條生物炭表現(xiàn)為2%添加量顯著高于5%添加量，混合生物炭則表現(xiàn)為5%添加量顯著高于2%添加量。

圖1 生物炭添加不同處理辣椒根、莖、葉的生物量Fig.1 Biomass in pepper root, stem and leaf added with different biochar content

2.3 不同生物炭處理辣椒幼苗的養(yǎng)分含量

由表4可知，生物炭促進(jìn)了辣椒幼苗對氮、磷、鉀的吸收。辣椒幼苗氮含量除B1、B6、B8、B9、B10處理與CK間差異不顯著外，其余生物炭處理辣椒幼苗氮含量均顯著高于CK。辣椒幼苗磷含量各處理間差異均不顯著，除B10處理外，其余生物炭處理均高于CK。辣椒幼苗鉀含量除B2、B4、B5、B11處理與CK間差異不顯著外，其余生物炭處理均顯著高于對照CK。同種材料2種添加量之間,主莖稈、粗枝條生物炭對辣椒幼苗氮含量影響表現(xiàn)為2%添加量顯著大于5%添加量處理，而辣椒幼苗鉀含量表現(xiàn)為5%添加量顯著大于2%添加量處理；根、細(xì)枝條生物炭2種添加量對辣椒幼苗氮、磷、鉀含量的影響差異均不顯著；混合生物炭2種添加量對辣椒幼苗氮、磷、鉀含量的影響表現(xiàn)為磷、鉀含量差異不顯著，氮含量5%添加量顯著高于2%添加量。莖基部生物炭2種添加量對辣椒幼苗氮、磷、鉀含量的影響表現(xiàn)為磷、鉀含量差異不顯著，氮含量2%添加量顯著高于5%添加量。

表4 生物炭添加不同處理辣椒幼苗的養(yǎng)分含量

2.4 不同生物炭處理的綜合評價

由表5可知，通過主成分分析，根據(jù)提取出特征值大于1的原則提取3個主成分，貢獻(xiàn)率分別為47.22%、17.94%、16.96%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為82.125%，表明3個主成分可以反映生物炭處理效果的82.125%信息。根據(jù)表5中的特征向量值乘以相對應(yīng)的所有生物炭處理效果的隸屬函數(shù)值，得到各處理效果對于3個主成分的單項(xiàng)得分F1、F2、F3，單項(xiàng)得分乘以相應(yīng)的貢獻(xiàn)率后相加，得出各生物炭處理的綜合得分 Dn 并排序。以主成分貢獻(xiàn)率為權(quán)重，利用各樣品前3個主成分的分值與權(quán)重值，計(jì)算出各生物炭處理的綜合評價值 Dn(表6),通常，綜合分值 Dn 代表了各處理的綜合效果，分值越高對辣椒的影響效果最好,從而可知12種生物炭處理效果為B5>B2>B11>B8>B4>B3>B12>B10>CK>B6>B7>B9>B1。

表5 主成分特征向量、特征值、貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率

續(xù)表5 Continued table 5

表6 綜合主成分值及壯苗指數(shù)

3 討 論

生物炭因其特殊結(jié)構(gòu)可促進(jìn)蔬菜作物生長，對產(chǎn)量提高有促進(jìn)效應(yīng)[19-21]。本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以促進(jìn)辣椒幼苗生長，但不同材料的生物炭效果不同，而且生物炭對辣椒幼苗的影響不但與生物炭材料有關(guān)還與生物炭的添加量有關(guān)。這是由于原材料和含量的差異，使得生物炭在結(jié)構(gòu)、揮發(fā)成分含量、灰分含量、孔容、比表面積等理化性質(zhì)上表現(xiàn)出非常廣泛的多樣性，進(jìn)而使其擁有不同的環(huán)境效益[22-23]。與不添加生物炭相比，生物炭促進(jìn)了辣椒苗期株高、莖粗、葉長、葉寬、葉綠素的提高，降低了第一節(jié)間距，提高了第三節(jié)間距，對辣椒育壯苗有作用,其中5%細(xì)枝條生物炭處理壯苗指數(shù)最高，其次是2%細(xì)枝條生物炭處理，根生物炭壯苗指數(shù)最低，對辣椒幼苗的壯苗效果不明顯，可能是因?yàn)槭┯蒙锾坑兄诟纳朴缁|(zhì)pH、孔隙度、持水性等，特別是有助于提高育苗基質(zhì)有效養(yǎng)分含量，這些條件的改變對于促進(jìn)幼苗生長發(fā)育有重要作用。研究表明，生物炭增加了辣椒苗期根、莖、葉的生物量，其中5%細(xì)枝條對促進(jìn)根發(fā)育的作用最高，與CK相比根生物量增幅為100%。這可能是由于生物炭具有豐富的多微孔結(jié)構(gòu)，比表面積大[24]。在施入育苗基質(zhì)后有利于微生物的生存繁衍，增加基質(zhì)有益菌群數(shù)量，增強(qiáng)基質(zhì)生態(tài)系統(tǒng)功能，為辣椒幼苗根系提供良好的生存環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)了根系的生長發(fā)育。根、主莖稈生物炭對辣椒幼苗根、莖、葉生物量的促進(jìn)作用不明顯，甚至出現(xiàn)了根生物炭、5%主莖稈生物炭處理辣椒幼苗的莖、葉生物量小于對照處理，可能是由于辣椒屬于對土壤酸堿度十分敏感的作物，而生物炭呈堿性，當(dāng)施用量過大時，可能會對辣椒幼苗產(chǎn)生不利影響。何緒生等[25]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對作物生長或產(chǎn)量的效應(yīng)因生物炭類型而異，同時也受生物炭用量的影響，適當(dāng)?shù)纳锾坑昧磕艽龠M(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收以及產(chǎn)量的提高，但生物炭施用量過大反而會抑制作物的生長，這與本研究的結(jié)果相同。株高、莖粗、葉長、葉寬、葉綠素、生物量等都是反映植株生長發(fā)育好壞的重要指標(biāo)。株高和莖粗一定程度上反映了植物吸收光照的能力，葉長、葉寬反映了植物吸收光照的葉面積大小，葉綠素是植物參與光合作用的重要物質(zhì)，而根系是植物攝取和運(yùn)輸營養(yǎng)物質(zhì)合成和儲存有機(jī)化合物的重要器官[26]，這些指標(biāo)與植物后期的產(chǎn)量和品質(zhì)密切相關(guān)[27]。由此看出，優(yōu)質(zhì)苗不但能促進(jìn)植株的生長，而且對于植株增產(chǎn)具有重要作用。因此在辣椒育苗階段添加生物炭培育優(yōu)質(zhì)椒苗是較為有效的措施。

辣椒幼苗的養(yǎng)分含量直接反映辣椒后期生長發(fā)育情況以及辣椒成熟期的產(chǎn)量多少。Lehmann等[28]研究表明，生物炭能夠提高豌豆根系的固氮。同時有研究表明，生物炭可以促進(jìn)番茄對氮、磷、鉀的吸收[29]。本研究表明，生物炭促進(jìn)了辣椒幼苗對氮、磷、鉀的吸收，辣椒幼苗氮含量除了B9處理小于對照，其余生物炭處理均大于對照，而且B2、B3、B4、B5、B7、B11、B12處理顯著高于對照。辣椒幼苗磷含量各處理之間差異都不顯著，除了B10處理小于對照，其余生物炭處理均大于對照。B1、B3、B6、B7、B8、B9、B10、B12處理辣椒幼苗鉀含量顯著高于對照，其余生物炭處理與對照差異不顯著。這可能是由于生物炭本身含有一定數(shù)量的對辣椒幼苗生長發(fā)育有益的元素如N、P、K等和一些微量元素，為辣椒幼苗的生長提供良好的元素供應(yīng)源，而不同材料生物炭本身所含的養(yǎng)分含量不同，同時對基質(zhì)中的養(yǎng)分離子吸附效果不同。

通過主成分與隸屬函數(shù)分析對辣椒幼苗各生長指標(biāo)及養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行綜合評價表明，2%細(xì)枝條生物炭處理綜合得分最高，對辣椒幼苗的影響效果最好，與其他材料生物炭相比，細(xì)枝條生物炭pH、N、K最高，CEC較低可能育苗時對調(diào)節(jié)基質(zhì)pH及養(yǎng)分環(huán)境有較大作用。

4 結(jié) 論

椒稈生物炭對促進(jìn)辣椒幼苗的生長發(fā)育和養(yǎng)分的吸收利用有一定的效果，將資源化利用于育苗基質(zhì)中，可培育優(yōu)質(zhì)椒苗，其中育苗基質(zhì)中添加2%細(xì)枝條生物炭效果較優(yōu)。