不同秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對(duì)波斯菊生理性質(zhì)的影響

黃清揚(yáng), 江超, 俞元春*, 謝祖彬

(1.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院， 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京 210037； 2.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所， 南京 210008)

栽培基質(zhì)通常分為無(wú)機(jī)基質(zhì)、有機(jī)基質(zhì)以及有機(jī)無(wú)機(jī)混合基質(zhì)。相較于前兩者，混合基質(zhì)集中了它們的優(yōu)點(diǎn)并彌補(bǔ)了缺點(diǎn)，能為植物生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的養(yǎng)料[1]。當(dāng)前，泥炭、蛭石和珍珠巖是國(guó)內(nèi)外育苗最常用的混合栽培基質(zhì)材料[2]，廣泛應(yīng)用于育苗栽培、草坪培育等生產(chǎn)過(guò)程。然而泥炭屬于不可再生資源，且泥炭地的面積正在不斷縮減，人們逐漸開(kāi)始關(guān)注泥炭資源的保護(hù)并尋找其替代品[3]。秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品，是世界上最大的可再生資源。當(dāng)前已有利用秸稈復(fù)配基質(zhì)來(lái)培育植物的研究，并已在辣椒[4]、絲瓜[5]的育苗上取得一定成果。

生物炭也叫生物質(zhì)炭，是生物質(zhì)原料在完全絕氧或部分缺氧條件下經(jīng)高溫?zé)崃呀猱a(chǎn)生的一類(lèi)高度芳香化并具備高穩(wěn)定性和特殊吸附性能的高碳固體產(chǎn)物，它可以提高土壤持水能力，減少土壤養(yǎng)分流失，增強(qiáng)土壤肥力[6]，在農(nóng)業(yè)上有廣闊的應(yīng)用前景。大量研究表明，生物炭是農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈資源化的一種途徑，例如將秸稈等生物質(zhì)制備成生物炭，施入土壤后可以修復(fù)土壤，降低土壤容重，增加孔隙度，提高溫度和養(yǎng)分等[7-9]。而將秸稈制作成生物炭并用于復(fù)配基質(zhì)是一門(mén)新的課題，當(dāng)前與之相關(guān)的研究仍較少。波斯菊(CosmosbipinnatusCav.)為1年生草本花卉，它作為園林綠化常用的植物，具有易成活、栽培簡(jiǎn)單、生長(zhǎng)迅速等特點(diǎn)，適宜作為研究對(duì)象[10]。本研究以大豆、小麥、水稻、玉米及老化玉米秸稈制作生物炭并與珍珠巖、蛭石及土壤復(fù)配基質(zhì)，研究了秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對(duì)波斯菊發(fā)芽率、生物量及生理指標(biāo)的影響，以期探尋最適合波斯菊育苗生長(zhǎng)的基質(zhì)，為秸稈生物炭在植物栽培中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試波斯菊種子購(gòu)自江蘇花草種業(yè)，供試秸稈生物炭為大豆秸稈生物炭(soybean,S)、水稻秸稈生物炭(rice,R)、小麥秸稈生物炭(wheat,W)、玉米秸稈生物炭(corn,C)以及老化玉米秸稈生物炭(aged corn,AC，玉米自然老化)，生物炭炭化溫度400 ℃。基質(zhì)材料為泥炭、蛭石、珍珠巖及土壤，按泥炭：蛭石：珍珠巖：土壤體積比例4∶1∶1∶4配制。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以泥炭、蛭石、珍珠巖和土壤體積比為4∶1∶1∶4作為對(duì)照(CK)配置基質(zhì)，并分別使用大豆(S)、水稻(R)、小麥(W)、玉米(C)及老化玉米(AC)秸稈生物炭替換基質(zhì)中相同比例的泥炭，直至將其完全代替。每種秸稈各設(shè)4個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，試驗(yàn)各處理體積比及秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)理化性質(zhì)如表1、表2所示。

表1 試驗(yàn)處理(體積比)Table 1 Experimental treatment (volume ratio)

育苗試驗(yàn)：采用穴盤(pán)育苗，挑選使用顆粒飽滿、大小相近的波斯菊種子進(jìn)行試驗(yàn)。按表1的比例配置基質(zhì)，均勻攪拌放置穴盤(pán)。待種子消毒后進(jìn)行播種，每穴播種2粒。種子發(fā)芽后把苗移到光亮處，培育10 d后記錄波斯菊發(fā)芽率。

盆栽試驗(yàn)：以育苗試驗(yàn)方法，使用對(duì)照的基質(zhì)配方統(tǒng)一培育波斯菊試驗(yàn)苗。按表1的比例配置基質(zhì)，將培育好的幼苗移栽盆中，每盆4株。種植2個(gè)月，結(jié)束種植后采集植物樣本，將植物體根、莖、葉、花分開(kāi)，分別用錫紙包好,冰箱低溫保鮮，用于測(cè)定波斯菊生理性質(zhì)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

取植物體新鮮葉片和莖,采用分光光度法分別測(cè)定葉綠體色素和丙二醛(malondialdehyde，MDA)；取植物體根部分，采用α-萘胺氧化法[11]測(cè)定根系活力；取植物體莖部分，采用比色法[11]測(cè)定過(guò)氧化氫酶(catalase，CAT)活性。育苗60 d后將幼苗從育苗穴中取出，洗凈泥土晾干水分，于60 ℃烘箱內(nèi)烘干，分別測(cè)定其生物量。

波斯菊發(fā)芽率計(jì)算公式如下。

發(fā)芽率=發(fā)芽數(shù)/種植的種子數(shù)×100%

(1)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)，采用Origin 2018制圖，采用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對(duì)波斯菊發(fā)芽率的影響

不同秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)及比例對(duì)波斯菊發(fā)芽率的影響如圖1所示，隨著秸稈生物炭的加入和比例的增大，波斯菊的發(fā)芽率呈現(xiàn)出增高趨勢(shì)。其中，發(fā)芽率以水稻T3最高，為96.12%，較CK提高了15.14%，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。除小麥T3、T4和老化玉米T1波斯菊發(fā)芽率有所降低，其余處理波斯菊的發(fā)芽率較CK均有提高，且不同處理間的差異顯著。

2.2 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對(duì)波斯菊生物量及生理性質(zhì)的影響

2.2.1秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對(duì)波斯菊生物量的影響 圖2結(jié)果顯示，除小麥和老化玉米秸稈外，其余秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)及比例對(duì)波斯菊生物量的影響均存在差異(P<0.05)。與CK相比，只有水稻T1、老化玉米生物炭T1、水稻秸稈生物炭T4生物量低于CK，其余處理均高于CK。在各處理中，大豆T3、水稻T3、玉米T3下得到的生物量較CK分別提高89.91%、90.03%、82.32%，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，其中以水稻T3最高，大豆T3次之。

2.2.2秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對(duì)波斯菊丙二醛含量的影響 由圖3可知，除老化玉米秸稈外，其余秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)及比例對(duì)波斯菊的丙二醛含量的影響存在顯著差異(P<0.05)。丙二醛含量以玉米T4最高，小麥T4次之，兩者相較于CK分別提高了31.66%和42.33%，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；大豆T4與同組其余處理間差異顯著，水稻T4較CK、水稻T2、T3差異顯著。

注：同一基質(zhì)中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).圖1 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對(duì)波斯菊發(fā)芽率的影響Fig.1 Effect of straw biochar substrate on the germination rate of Cosmos bipinnatus

注：同一基質(zhì)中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).圖2 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對(duì)波斯菊生物量的影響Fig.2 Effect of straw biochar substrate on the biomass of Cosmos bipinnatus

2.2.3秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對(duì)波斯菊過(guò)氧化氫酶活性的影響 由圖4可以看出，不同秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)及比例對(duì)波斯菊的過(guò)氧化氫酶活性的影響存在顯著差異(P<0.05)。過(guò)氧化氫酶活性以水稻T3最高，玉米T3次之，較CK分別提高了367%和252%，且與同組其余處理差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)以上；大豆T3、小麥T3、老化玉米T2均顯著高于同組其余處理，其中大豆各處理間均存在顯著差異。

注：同一基質(zhì)中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).圖3 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對(duì)波斯菊丙二醛含量的影響Fig.3 Effect of straw biochar substrate on the MDA content of Cosmos bipinnatus

注：同一基質(zhì)中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).圖4 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對(duì)波斯菊過(guò)氧化氫酶活性的影響Fig.4 Effect of straw biochar substrate on the CAT activity of Cosmos bipinnatus

2.2.4秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對(duì)波斯菊葉綠體色素濃度的影響 由圖5可以看出，除玉米和老化玉米秸稈生物炭外，其余秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)及比例對(duì)波斯菊葉綠體色素濃度的影響存在差異(P<0.05)。葉綠體色素濃度以小麥T2最高，較CK提高了17.3%，與其余小麥處理差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；大豆T3、水稻T3與同組除對(duì)照外處理差異顯著。

注：同一基質(zhì)中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).圖5 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對(duì)波斯菊葉綠體色素濃度的影響Fig.5 Effect of straw biochar substrate on the chloroplast pigment of Cosmos bipinnatus

2.2.5秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對(duì)波斯菊根系活力的影響 由圖6可知，不同秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)及比例對(duì)波斯菊的根系活力的影響存在顯著差異(P<0.05)。根系活力以小麥T3最高，玉米T2次之，較CK分別提高1 359.45和1 152.88 μg·g-1·h-1，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；大豆T3、水稻T2、T3、老化玉米T1顯著高于同組其余處理，且水稻T2顯著高于水稻T3。

3 討論

植物種子萌芽期和幼苗期對(duì)外界環(huán)境敏感性最高，種子發(fā)芽率是表征種子萌發(fā)水平的重要指標(biāo)。黃修梅等[12]在研究復(fù)合鹽脅迫對(duì)蒙古高原野韭種子萌發(fā)的影響時(shí)指出，鹽堿脅迫的高低與發(fā)芽率負(fù)相關(guān)，即酸堿度會(huì)顯著影響種子發(fā)芽率。本研究表明，不同秸稈生物炭替代泥炭復(fù)配基質(zhì)在總體上提高了波斯菊發(fā)芽率，以水稻秸稈生物炭T3發(fā)芽率最高，且同組各處理均與CK差異顯著。但秸稈生物炭及用量的不同，其發(fā)芽率也有所變化，這可能是因?yàn)檫m量秸稈生物炭的加入不僅改善了基質(zhì)結(jié)構(gòu)、孔隙度、通氣量與含水量，還改善了基質(zhì)的酸堿環(huán)境[13]，比較中性的酸堿度，較為疏松的質(zhì)地以及較高的養(yǎng)分均為波斯菊發(fā)芽提供了良好條件。

注：同一基質(zhì)中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).圖6 秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)對(duì)根系活力的影響Fig.6 Effect of straw biochar substrate on the root activity of Cosmos bipinnatus

基質(zhì)環(huán)境影響波斯菊生物量的累積。本研究結(jié)果表明，大豆秸稈生物炭T3、水稻秸稈生物T3、玉米秸稈生物炭T3波斯菊生物量較CK分別提高89.91%、90.03%、82.32%，差異達(dá)到顯著水平，并以水稻秸稈生物炭T3的生物量最高。小麥秸稈生物炭各處理間差異均未達(dá)到顯著水平，這可能是因?yàn)樾←溄斩捊?jīng)燒制過(guò)后伴隨著堿金屬的釋放和氧化物的產(chǎn)生，這些物質(zhì)會(huì)脅迫植物生長(zhǎng)發(fā)育[14]。另外，老化玉米秸稈生物炭處理波斯菊生物量也較低，這可能是因?yàn)槔匣衩捉斩挶砻婢哂休^多的酸性官能團(tuán)[15]，而生物炭本身呈堿性[16]，生長(zhǎng)環(huán)境酸堿度的改變最終導(dǎo)致波斯菊生物量的降低。

在本研究中，當(dāng)秸稈生物炭含量增加到一定量時(shí)，丙二醛濃度會(huì)增高，其中小麥秸稈生物炭T4和玉米秸稈生物炭T4與CK差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，但不同比例秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)的丙二醛含量變化并不一致，這說(shuō)明生物炭材料具有一定的毒性[17]，丙二醛含量的升高導(dǎo)致植物受到的脅迫作用增強(qiáng)，但毒性大小并不相同，例如生物質(zhì)在熱解時(shí)會(huì)產(chǎn)生多環(huán)芳烴，但由于生產(chǎn)方式、原料及溫度的不同，多環(huán)芳烴的含量也從低于環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)到顯著高于標(biāo)準(zhǔn)[18]。生物炭具有低容重和高孔隙率的特點(diǎn)，它很容易通過(guò)自然或機(jī)械土壤擾動(dòng)被釋放到大氣中，也很容易攜帶一些重金屬及顆粒物，這些都是脅迫作用增大的因素[19]。

過(guò)氧化氫酶活性以水稻秸稈生物炭T3最高，且絕大部分處理與CK差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，說(shuō)明不同秸稈生物炭替換泥炭復(fù)配基質(zhì)可以顯著改變波斯菊的過(guò)氧化氫酶活性，使過(guò)氧化氫酶活性升高或降低，這與Wang等[20]的研究結(jié)果一致。周震峰等[21]指出，添加生物炭對(duì)土壤中過(guò)氧化氫酶活性的影響由抑制轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)，且土壤中添加高水平生物炭對(duì)過(guò)氧化氫酶的促進(jìn)作用小于中低水平添加量，這也在一定程度上解釋了各個(gè)秸稈生物炭處理過(guò)氧化氫酶活性不同的問(wèn)題。

葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所，在其他條件相同的情況下，葉綠體色素濃度可以作為衡量幼苗長(zhǎng)勢(shì)的生理指標(biāo)[22]。在本研究中，葉綠體色素濃度以小麥秸稈生物炭T2最高，較CK提高了17.3%，差異達(dá)顯著水平，除了玉米和老化玉米處理，其余各秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)處理間均顯著差異，表明不同比例秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)可以對(duì)波斯菊的葉綠體色素濃度產(chǎn)生顯著影響，這與劉娟等[23]的研究結(jié)果一致，其葉綠體色素的不同原因可能是由植物本身或復(fù)配基質(zhì)性質(zhì)不同造成的。

根是植物吸收營(yíng)養(yǎng)的關(guān)鍵器官,根系活力是根的重要生理指標(biāo),活力越高，植物吸收水分和營(yíng)養(yǎng)的能力越大，進(jìn)而對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量等產(chǎn)生直接影響。本研究結(jié)果表明，小麥秸稈生物炭T3波斯菊根系活力最高，玉米秸稈生物炭T2次之，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)以上，玉米秸稈生物炭T2、T3、T4差異均達(dá)到顯著水平，表明玉米秸稈生物炭的加入更有利于提高波斯菊根系活力。但汪樹(shù)生等[4]研究認(rèn)為，玉米秸稈鹽分高，會(huì)影響種子根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，其原因可能是玉米秸稈在燒制過(guò)程中性質(zhì)發(fā)生了變化[15]。因此，玉米秸稈生物炭的利用還有待開(kāi)發(fā)。

本研究開(kāi)展了秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)用于栽培波斯菊的相關(guān)試驗(yàn)。由于利用秸稈制作生物炭并用于復(fù)配基質(zhì)栽培植物是生物炭應(yīng)用的一個(gè)新課題，而本試驗(yàn)僅針對(duì)波斯菊這一種植物的生長(zhǎng)影響展開(kāi)研究，綜合得出水稻秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)(水稻秸稈生物炭20%、泥炭20%、珍珠巖10%、蛭石10%、土壤40%)顯著促進(jìn)波斯菊的生長(zhǎng)發(fā)育的結(jié)論。在今后研究中可以以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步深入探討秸稈生物炭復(fù)配基質(zhì)的性質(zhì)及其用于其他植物的栽培。