改性生物炭與有機肥配施對月季生長和土壤養(yǎng)分的影響

中圖分類號：S685.120.6 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2025）11-0156-07

化肥的廣泛應用對于增加糧食產(chǎn)量和保障糧食安全起到了關鍵作用。然而，隨著時間的推移，化肥帶來的增產(chǎn)效果逐步在減弱；過量施肥不僅對環(huán)境造成了沉重負擔，還會影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全[1-3]。如過量使用化肥會導致作物過度生長，降低其抗病蟲害的能力[4]。在全球倡導節(jié)約資源、高效施肥、減少損失和環(huán)境保護的背景下，尋找有效避免資源浪費的方法已成為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵[5-6]。在鮮花市場中，鮮切花占有重要位置。在云南，每 667m² 的花卉溫室大棚每年化肥使用量超過 200kg ，這一數(shù)字是發(fā)達國家的5～25倍，也遠高于我國平均水平的10倍。鑒于此，研究如何合理地施肥以及制定適宜的肥料配方，以提高鮮切花的產(chǎn)量和品質(zhì)，同時減少化肥使用量，已成為當前研究領域中的一個熱點問題[7-8] 。

生物炭是一種富含碳的固態(tài)物質(zhì)，它是通過生物質(zhì)在缺氧環(huán)境下進行熱裂解而生成，主要由碳分子構成。其表面富含羥基、烯烴、有機氧官能團和孔隙結構，這些特性有助于改善土壤理化性質(zhì)和提高土壤肥力，并增加農(nóng)作物的產(chǎn)量。有研究表明，使用少量的生物炭與減半的無機肥和有機肥的混合使用，可以有效地刺激大豆植物的生長[9]。Liu等研究發(fā)現(xiàn)生物炭可以促進油菜籽的養(yǎng)分吸收，當生物炭與有機或無機肥料一起使用時，不僅能提升土壤的肥沃度，還能豐富土壤中的微生物群落[10]。Rivelli等研究了生物炭和無機或有機肥料共同施用對瑞士甜菜的土壤性質(zhì)、生長和養(yǎng)分含量的影響，發(fā)現(xiàn)生物炭和有機肥的共同施用對土壤性質(zhì)和葉片養(yǎng)分含量具有積極影響[11]。李坤等研究了紅心火龍果品質(zhì)和產(chǎn)量對有機肥料復配生物炭的響應，發(fā)現(xiàn)有機肥和生物炭交互作用顯著影響最后一批火龍果果肉的還原糖、可溶性蛋白、花青素及維生素C含量[12]

目前，關于生物炭與有機肥或無機肥配施對經(jīng)濟作物產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤養(yǎng)分影響的報道較多，而對花卉生長發(fā)育影響的研究較少[13-15]。且前人研究所選用生物炭多為原始生物炭（原始生物炭存在養(yǎng)分含量低、緩釋效果有限、市場供應不穩(wěn)定、質(zhì)地硬密度大、高溫處理過程負面影響以及吸附選擇性差等缺點），較少使用改性生物炭與有機肥或者無機肥配合施用；加上酸改性生物炭在近幾年受到越來越多關注和研究?；诖耍狙芯恳詫ι锾窟M行酸改性處理為出發(fā)點，通過預實驗選定磷酸為改性劑，探究未改性生物炭、磷酸改性生物炭和有機肥混合施用對月季生長發(fā)育以及土壤理化性質(zhì)的影響。研究結果為鮮切花產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、化肥減量施用提供理論依據(jù)，并對高原特色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固廢資源化利用提供技術支撐。

1材料與方法

1.1 生物炭制備

生物炭材料選用玉米秸稈，于云南省土壤培肥與污染修復工程研究中心制備，將玉米秸稈研磨后過100目篩，接著將粉末狀玉米秸稈放入管式爐中加熱至 500^°C 后保持 ^2h ，制備過程中通入 N₂ 以確保整個熱解過程在無氧條件下進行。將制備好的玉米秸稈生物炭用廣口瓶密封干燥保存待用，記為MB。

1.2 生物炭改性

磷酸改性生物炭的制備：參考郭丹丹等的方法，并進行一定的優(yōu)化，將取粉碎過篩的生物炭MB20g ，以 20g：50mL 的比例與體積濃度為 20% 的磷酸溶液混合均勻， 25^°C 下恒溫振蕩 ^12h ，取出靜置 ¹h ，用蒸餾水洗滌，直到上清液的pH值穩(wěn)定（接近7.0）后恒溫干燥[16]。得到磷酸改性生物炭，記為KB。

1.3 生物炭表征

1.3.1掃描電鏡（SEM）取適量的生物炭，使其分散在含有導電膠的銅柱表面，進行噴金處理后，在電子掃描電鏡下經(jīng)不同放大倍數(shù)觀測樣品表面孔隙結構。

1.3.2傅里葉紅外光譜（FTIR）采用傅里葉紅外光譜儀對玉米秸稈改性前與改性后進行分析。將干燥過的KB和MB固體粉末取少量與純的KBr固體粉末混合后研磨，壓成薄片（生物炭與KBr質(zhì)量比為 1：120 ），以KBr為背景掃描。傅立葉變換顯微紅外光譜儀測定光譜波數(shù)范圍 400～4000cm^-1 ，溫度為 25^°C ，相對濕度為 40%～45% 。測試前樣品在 50^qC 條件下干燥至恒重。

1.4盆栽試驗

盆栽試驗于2023年5—7月在云南農(nóng)業(yè)大學后山陽光大棚內(nèi)進行。所用月季購買于云南農(nóng)業(yè)大學周邊農(nóng)貿(mào)市場，品種為冷美人；有機肥購買于昆明農(nóng)家樂復合肥有限責任公司。生物炭、改性生物炭、有機肥等各供試材料理化性質(zhì)見表1。

1.5 試驗設計

盆栽試驗共設置6個處理;不施生物炭與有機肥（CK） ，5.4g/kg 生物炭（T1） ，5.4g/kg 有機肥（T2）、5.4g/kg 改性生物炭（T3） 2.7g/kg 生物炭 + 2.7g/kg 有機肥（T4） .2. 7g/kg 改性生物炭 + 2.7g/kg 有機肥（T5），每個處理重復3次，共18盆。盆栽裝土 3kg （有機肥及生物炭施用量按照大田施肥量 4500kg/hm² 換算），將生物炭、有機肥和土壤混勻加入塑料盆（直徑 20cm ，高 20cm ），去離子水澆灌，調(diào)節(jié)盆栽水分為田間持水量的 65% 。平衡2周后種植月季，生長期間定期澆水，待 120d 后收獲月季植株樣品。

1.6 測定項目及方法

月季主要測定指標為：株高、冠幅及功能葉葉綠素含量。測定方法：株高使用米尺進行測量；冠幅采用直尺測量；葉片葉綠素采用SPAD502型葉綠素計測定，測定部位為五小葉頂部小葉，每個樣重復5次。

土壤 pH 值：采用土水比 1g：2.5mL 電位法測定，稱取 10g 、過40目篩的土壤樣品于錐形瓶中，加人 25mL 去離子水，放入恒溫振蕩器振蕩 30min ，取出靜置 30min 后用 pH 計測定上清液的pH值。土壤有機質(zhì)：根據(jù)NY/T1121.6—2006《土壤檢測第6部分：土壤有機質(zhì)的測定》，采用重鉻酸鉀外加熱法測定有機質(zhì)含量。土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定。土壤碳氮比計算公式： C/N=S0C/ TN。式中：C/N為土壤碳氮比值;SOC為土壤有機碳含量 （g/kg） ;TN為土壤全氮含量 。

1.7 統(tǒng)計分析

本研究所有數(shù)據(jù)均采用Excel2016進行統(tǒng)計，使用IBMSPSSStatistics26.0軟件對整理后的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析。采用 0rigin 2021 軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1生物炭掃描電鏡分析

玉米秸稈生物炭與磷酸改性生物炭在 10μm 尺度下的微觀表面特征（圖1）。未經(jīng)改性的玉米秸稈生物炭（MB）表面存在少數(shù)孔隙，表面粗糙且?guī)в蓄w粒，這可能是玉米秸稈生物炭表面的雜質(zhì)；經(jīng)過磷酸改性的玉米秸稈生物炭（KB）表面更為平滑，其孔隙結構也更為豐富，與原始生物炭相比，其大孔結構更為明顯，這表明在磷酸改性處理過程中可能除去了玉米秸稈生物炭表面附著的雜質(zhì)顆粒。

2.2生物炭紅外光譜分析

玉米秸稈生物炭和磷酸改性生物炭的紅外光譜圖見圖2。紅外光譜分析表明，未改性生物炭和磷酸改性生物炭的表面官能團存在一定差異，在3445、2920、1595、1410、1090、800cm^-1 處存在較明顯的吸收峰。在 3445cm^-1 的位置，2種生物炭展現(xiàn)出了較寬的強吸收峰，這是一OH的伸縮振動峰;在 2920cm^-1 的位置觀察到了多個小峰，這些是由于羧酸一OH的伸縮振動以及變形振動的倍頻和組合頻率所導致的羧酸特征峰；在 1595cm^-1 的位置是由 c=0 的彎曲振動和 c=c 的骨架振動所引發(fā)的吸收峰；在 1410、800cm^-1 的位置，可以看到表面存在的C一H，它具有電子和芳香性； 1090cm^-1 （204號的強吸收峰則是羧基伸縮振動峰。通過觀察特征峰，可以發(fā)現(xiàn)改性前后的生物炭中都包含了羥基、羰基、羧基等極性基團，以及許多芳香結構。其中經(jīng)過磷酸的改性處理后，玉米秸稈生物炭在1595、1090cm^-1 的位置上的峰型發(fā)生了改變，其強度也得到了提升。

2.3改性生物炭與有機肥配施對土壤pH值的影響

由圖3可知，不同處理能明顯提升月季土壤pH值。在所有處理中，與CK相比，T5處理對土壤 pH 值提升效果最顯著，較CK顯著提升0.38，土壤pH值為6.21。其他處理對土壤pH值均有所提升，T1、T2、T3和T4處理較CK分別提升 0.1，0.28，0.23 和

0.36。說明單施生物炭、改性生物炭、有機肥和生物炭與有機肥配施均能提升月季土壤 pH 值，其中改性生物炭與有機肥配施對月季土壤 pH 值提升效果最顯著。

2.4改性生物炭與有機肥配施對土壤有機質(zhì)含量的影響

土壤有機質(zhì)是體現(xiàn)土壤肥力的重要指標，有機質(zhì)不僅為植物、動物和微生物提供了生存所需的營養(yǎng)成分，還能降低土壤容重，增加土攘微生物數(shù)量[17]。由圖4可知，所有處理中，與CK相比，各處理均顯著提升了月季土壤有機質(zhì)含量， ^{T1，T2，T3} 、T4和T5處理較CK分別顯著提升64. 99% ！70.07% ） .16.81% 、 110.10% 和 152.78% 。其中 T5處理對月季土壤有機質(zhì)含量提升效果最顯著。這表明改性生物炭與有機肥配施能顯著提升月季土壤中的有機質(zhì)含量。

2.5改性生物炭與有機肥配施對土壤碳氮比的影響

生物炭具有穩(wěn)定的芳香碳氫化合物結構，通過形成SOC（土壤有機碳）而被引入土壤中，在短時間之內(nèi)難以被分解，也不會引發(fā)重大的化學變化[18]生物炭顯著地提升TN（土壤全氮）含量，主要原因是生物炭的多孔結構和更大的面積使其具有高度吸附性，可以吸收大量的銨離子，降低氮素的損失，從而增加氮的含量[19-20]。不同處理對于月季土壤碳氮比的影響不同，如圖5所示。所有處理中，與CK相比，各處理均明顯提升了月季土壤碳氮比值，土壤碳氮比值排序為 T5gt;T2gt;T4gt;T1gt;T3gt;CK. 0與CK相比， .T1，T2，T4 和T5處理均顯著提升月季土壤碳氮比，其中T5處理最顯著，較CK提升105. 65% 。這表明改性生物炭與有機肥配施對月季土壤碳氮比的提升效果優(yōu)于其他處理。

2.6改性生物炭與有機肥配施對月季株高的影響

不同處理對不同時期的月季株高有不同程度的影響（圖6）。隨著月季的生長，所有處理中，與CK相比，T2、T4和T5處理均顯著提升了月季株高。月季種植 120d 后， ^T2，T4 和T5處理對月季株高的提升效果最顯著，較CK分別顯著提升 54.55% 、49.48% 和 81.72% 。其中T5處理對月季株高的提升效果優(yōu)于T2和T4處理。這表明改性生物炭與有機肥配施對月季株高的提升效果優(yōu)于單獨施用生物炭、有機肥或生物炭與有機肥配施。

2.7改性生物炭與有機肥配施對月季冠幅的影響不同處理對不同時期的月季冠幅影響不同，如圖7所示。與CK相比，所有處理均明顯提高了種植 406080100d 后月季冠幅。月季種植120d后，T2、T4和T5處理均顯著提高了月季冠幅，較CK分別顯著提高 44，44%48.16% 和 64.83% 。其中T5處理對月季冠幅的提高效果優(yōu)于T2和T4處理。這表明改性生物炭與有機肥配施對月季冠幅的提高效果優(yōu)于單獨施用生物炭、有機肥或生物炭與有機肥配施。

2.8改性生物炭與有機肥配施對月季葉綠素含量 的影響

施用生物炭可以提高葉片葉綠素含量，且生物炭施用量越高其促進作用越明顯，葉綠素的含量會影響植物的生理指標[21]。不同處理對不同時期月季葉綠素含量影響不同，如圖8所示。在月季生長的不同時期，所有處理中，與CK相比，T2和T5處理均顯著提高了月季葉綠素的含量。月季種植 120d 后，對月季葉綠素含量影響的處理排序為 T2gt;T5gt;T4gt;T1gt; T3gt;CK ，與CK相比分別提高 15.94% 、11. 13% 18.50%5.08%0.46% ，其中T2處理對于月季葉綠素含量提高效果最顯著。這表明單獨施用改性生物炭對月季葉綠素含量提高效果優(yōu)于單獨施用生物炭和生物炭與有機肥配施。

3討論與結論

本研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈生物炭經(jīng)過磷酸改性后，生物炭表面變得更為平滑，其孔隙結構也更為豐富（圖1）。玉米秸稈生物炭在1595、 1090cm^-1 的強雙峰是磷酸酯中 P=0 鍵或 H0-P=0 鍵的拉伸。在 500cm^-1 以下出現(xiàn)1條強帶，反映出C—P鍵的出現(xiàn)（圖2），這可能是在浸漬過程中，磷酸作為催化劑發(fā)揮催化作用，發(fā)生氧化反應將羧基、磷酸基團等含氧官能團固定在生物炭表面[22]。Zhou 等的研究也表明，磷酸的加入極大地影響表面酸性官能團的數(shù)量，進而影響了鉛離子在這些氫化物上的吸附機制[23]。本試驗研究結果與之相似，磷酸改性使得生物炭官能團數(shù)量增加，其表面更為平滑，孔隙結構也更為豐富。

在月季栽培中，常通過觀察莖的粗細、植株的高度、花朵的直徑、花瓣的長度和寬度以及花色等指標來評估其生長狀況和花朵的質(zhì)量。將生物炭和有機肥料混合施用可以增加土壤的孔隙率，優(yōu)化土壤結構，從而促進植物根系的健康成長[24-25]。此外，生物炭獨特的孔隙結構還能為土壤微生物創(chuàng)造良好的生存空間，增強它們的活性，幫助植物更好地吸取土壤中的營養(yǎng)成分[26]。這一現(xiàn)象與劉慧等研究發(fā)現(xiàn)生物炭與磷肥的聯(lián)合使用可以優(yōu)化土壤的結構，并幫助作物在其生長和發(fā)育過程中更好地吸收所需的養(yǎng)分結果[27]一致。Hanhan等研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭可以增強土壤的功能，提高地上和地下的生物量，從而改善植物生長的微環(huán)境，與本研究存在相同之處[2（圖6、圖7、圖8）。

使用基于生物炭的肥料可以顯著提升作物的品質(zhì)和產(chǎn)量。這種效果不僅在水稻、小麥、玉米等糧食作物上得到驗證[29-31]，而且在提高作物的總產(chǎn)量方面，生物炭與其他肥料混施相較于傳統(tǒng)化肥表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性和效率[32-34]。在本次試驗中，在不同處理條件下使用生物炭的月季，無論是在生長還是花朵品質(zhì)上都表現(xiàn)更出色，這與Bu等的研究結果[35]相似，他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過不同處理的生物炭對作物的影響是不同的。值得一提的是，與普通復合肥料相比，生物炭與肥料配施對花卉生長的促進作用更為顯著，這主要歸因于生物炭能與土壤中的鈣結合生成碳酸鈣，有效固定鐵離子，而其強大的吸附能力又能吸附土壤中的磷、鉀和鈣等關鍵元素，從而提高土壤的肥力，進一步促進月季的生長[36-38] 。

本研究結果表明，在適當?shù)氖┯脳l件下，生物炭與有機肥配施可以顯著改善月季的生長狀況（圖6、圖7、圖8）；生物炭與有機肥配施可以顯著提升土壤中的有機質(zhì)含量、土壤pH值和土壤碳氮比，這可能與生物炭本身的理化性質(zhì)有關（表1）。生物炭含有不同濃度的堿性灰分，這些灰分以Ca、Mg、K和Na氧化物、氫氧化物和碳酸鹽的形式直接添加到土壤中[39]從而有效提高土壤 ΔpH 值。趙維彬等的研究結果表明，生物炭的施用可以改善土壤結構，從而提高土壤的保水能力和 pH 值，而生物炭和有機肥料的混合施用，對土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的提高影響更大[40]。這意味著生物炭與有機肥配施可以在短期內(nèi)提高土壤中的營養(yǎng)水平，有效地促進月季的增長。這是因為有機肥料富含多種營養(yǎng)成分，有助于提升土壤的營養(yǎng)物質(zhì)利用率，結合生物炭的應用，它在土壤中起到了固定和維持養(yǎng)分的效果，進而優(yōu)化了作物的營養(yǎng)供給和產(chǎn)量。

本研究結果表明，磷酸改性使得生物炭官能團數(shù)量增加，其表面更為平滑，孔隙結構也更為豐富。所有處理均能提升土壤pH值、有機質(zhì)含量和土壤碳氮比，其中改性生物炭與有機肥配施處理提升效果最顯著。所有處理也均能提升月季的株高、冠幅、葉綠素含量，其中改性生物炭與有機肥配施處理提升效果最顯著。

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