不同秸秆生物炭复配基质对波斯菊生理性质的影响

黄清扬, 江超, 俞元春*, 谢祖彬

(1.南京林业大学生物与环境学院， 南京林业大学南方现代林业协同创新中心， 南京 210037； 2.中国科学院南京土壤研究所， 南京 210008)

栽培基质通常分为无机基质、有机基质以及有机无机混合基质。相较于前两者，混合基质集中了它们的优点并弥补了缺点，能为植物生长提供稳定的养料[1]。当前，泥炭、蛭石和珍珠岩是国内外育苗最常用的混合栽培基质材料[2]，广泛应用于育苗栽培、草坪培育等生产过程。然而泥炭属于不可再生资源，且泥炭地的面积正在不断缩减，人们逐渐开始关注泥炭资源的保护并寻找其替代品[3]。秸秆是农业生产的主要副产品，是世界上最大的可再生资源。当前已有利用秸秆复配基质来培育植物的研究，并已在辣椒[4]、丝瓜[5]的育苗上取得一定成果。

生物炭也叫生物质炭，是生物质原料在完全绝氧或部分缺氧条件下经高温热裂解产生的一类高度芳香化并具备高稳定性和特殊吸附性能的高碳固体产物，它可以提高土壤持水能力，减少土壤养分流失，增强土壤肥力[6]，在农业上有广阔的应用前景。大量研究表明，生物炭是农业废弃物秸秆资源化的一种途径，例如将秸秆等生物质制备成生物炭，施入土壤后可以修复土壤，降低土壤容重，增加孔隙度，提高温度和养分等[7-9]。而将秸秆制作成生物炭并用于复配基质是一门新的课题，当前与之相关的研究仍较少。波斯菊(CosmosbipinnatusCav.)为1年生草本花卉，它作为园林绿化常用的植物，具有易成活、栽培简单、生长迅速等特点，适宜作为研究对象[10]。本研究以大豆、小麦、水稻、玉米及老化玉米秸秆制作生物炭并与珍珠岩、蛭石及土壤复配基质，研究了秸秆生物炭复配基质对波斯菊发芽率、生物量及生理指标的影响，以期探寻最适合波斯菊育苗生长的基质，为秸秆生物炭在植物栽培中的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试波斯菊种子购自江苏花草种业，供试秸秆生物炭为大豆秸秆生物炭(soybean,S)、水稻秸秆生物炭(rice,R)、小麦秸秆生物炭(wheat,W)、玉米秸秆生物炭(corn,C)以及老化玉米秸秆生物炭(aged corn,AC，玉米自然老化)，生物炭炭化温度400 ℃。基质材料为泥炭、蛭石、珍珠岩及土壤，按泥炭：蛭石：珍珠岩：土壤体积比例4∶1∶1∶4配制。

1.2 试验设计

试验以泥炭、蛭石、珍珠岩和土壤体积比为4∶1∶1∶4作为对照(CK)配置基质，并分别使用大豆(S)、水稻(R)、小麦(W)、玉米(C)及老化玉米(AC)秸秆生物炭替换基质中相同比例的泥炭，直至将其完全代替。每种秸秆各设4个处理，每个处理重复3次，试验各处理体积比及秸秆生物炭复配基质理化性质如表1、表2所示。

表1 试验处理(体积比)Table 1 Experimental treatment (volume ratio)

育苗试验：采用穴盘育苗，挑选使用颗粒饱满、大小相近的波斯菊种子进行试验。按表1的比例配置基质，均匀搅拌放置穴盘。待种子消毒后进行播种，每穴播种2粒。种子发芽后把苗移到光亮处，培育10 d后记录波斯菊发芽率。

盆栽试验：以育苗试验方法，使用对照的基质配方统一培育波斯菊试验苗。按表1的比例配置基质，将培育好的幼苗移栽盆中，每盆4株。种植2个月，结束种植后采集植物样本，将植物体根、茎、叶、花分开，分别用锡纸包好,冰箱低温保鲜，用于测定波斯菊生理性质。

1.3 测定项目与方法

取植物体新鲜叶片和茎,采用分光光度法分别测定叶绿体色素和丙二醛(malondialdehyde，MDA)；取植物体根部分，采用α-萘胺氧化法[11]测定根系活力；取植物体茎部分，采用比色法[11]测定过氧化氢酶(catalase，CAT)活性。育苗60 d后将幼苗从育苗穴中取出，洗净泥土晾干水分，于60 ℃烘箱内烘干，分别测定其生物量。

波斯菊发芽率计算公式如下。

发芽率=发芽数/种植的种子数×100%

(1)

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003进行数据处理与统计，采用Origin 2018制图，采用SPSS 19.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆生物炭复配基质对波斯菊发芽率的影响

不同秸秆生物炭复配基质及比例对波斯菊发芽率的影响如图1所示，随着秸秆生物炭的加入和比例的增大，波斯菊的发芽率呈现出增高趋势。其中，发芽率以水稻T3最高，为96.12%，较CK提高了15.14%，差异达到显著水平(P<0.05)。除小麦T3、T4和老化玉米T1波斯菊发芽率有所降低，其余处理波斯菊的发芽率较CK均有提高，且不同处理间的差异显著。

2.2 秸秆生物炭复配基质对波斯菊生物量及生理性质的影响

2.2.1秸秆生物炭复配基质对波斯菊生物量的影响 图2结果显示，除小麦和老化玉米秸秆外，其余秸秆生物炭复配基质及比例对波斯菊生物量的影响均存在差异(P<0.05)。与CK相比，只有水稻T1、老化玉米生物炭T1、水稻秸秆生物炭T4生物量低于CK，其余处理均高于CK。在各处理中，大豆T3、水稻T3、玉米T3下得到的生物量较CK分别提高89.91%、90.03%、82.32%，差异达到显著水平(P<0.05)，其中以水稻T3最高，大豆T3次之。

2.2.2秸秆生物炭复配基质对波斯菊丙二醛含量的影响 由图3可知，除老化玉米秸秆外，其余秸秆生物炭复配基质及比例对波斯菊的丙二醛含量的影响存在显著差异(P<0.05)。丙二醛含量以玉米T4最高，小麦T4次之，两者相较于CK分别提高了31.66%和42.33%，差异达到显著水平(P<0.05)；大豆T4与同组其余处理间差异显著，水稻T4较CK、水稻T2、T3差异显著。

注：同一基质中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).图1 秸秆生物炭复配基质对波斯菊发芽率的影响Fig.1 Effect of straw biochar substrate on the germination rate of Cosmos bipinnatus

注：同一基质中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).图2 秸秆生物炭复配基质对波斯菊生物量的影响Fig.2 Effect of straw biochar substrate on the biomass of Cosmos bipinnatus

2.2.3秸秆生物炭复配基质对波斯菊过氧化氢酶活性的影响 由图4可以看出，不同秸秆生物炭复配基质及比例对波斯菊的过氧化氢酶活性的影响存在显著差异(P<0.05)。过氧化氢酶活性以水稻T3最高，玉米T3次之，较CK分别提高了367%和252%，且与同组其余处理差异均达到显著水平(P<0.05)以上；大豆T3、小麦T3、老化玉米T2均显著高于同组其余处理，其中大豆各处理间均存在显著差异。

注：同一基质中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).图3 秸秆生物炭复配基质对波斯菊丙二醛含量的影响Fig.3 Effect of straw biochar substrate on the MDA content of Cosmos bipinnatus

注：同一基质中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).图4 秸秆生物炭复配基质对波斯菊过氧化氢酶活性的影响Fig.4 Effect of straw biochar substrate on the CAT activity of Cosmos bipinnatus

2.2.4秸秆生物炭复配基质对波斯菊叶绿体色素浓度的影响 由图5可以看出，除玉米和老化玉米秸秆生物炭外，其余秸秆生物炭复配基质及比例对波斯菊叶绿体色素浓度的影响存在差异(P<0.05)。叶绿体色素浓度以小麦T2最高，较CK提高了17.3%，与其余小麦处理差异达到显著水平(P<0.05)；大豆T3、水稻T3与同组除对照外处理差异显著。

注：同一基质中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).图5 秸秆生物炭复配基质对波斯菊叶绿体色素浓度的影响Fig.5 Effect of straw biochar substrate on the chloroplast pigment of Cosmos bipinnatus

2.2.5秸秆生物炭复配基质对波斯菊根系活力的影响 由图6可知，不同秸秆生物炭复配基质及比例对波斯菊的根系活力的影响存在显著差异(P<0.05)。根系活力以小麦T3最高，玉米T2次之，较CK分别提高1 359.45和1 152.88 μg·g-1·h-1，差异达到显著水平(P<0.05)；大豆T3、水稻T2、T3、老化玉米T1显著高于同组其余处理，且水稻T2显著高于水稻T3。

3 讨论

植物种子萌芽期和幼苗期对外界环境敏感性最高，种子发芽率是表征种子萌发水平的重要指标。黄修梅等[12]在研究复合盐胁迫对蒙古高原野韭种子萌发的影响时指出，盐碱胁迫的高低与发芽率负相关，即酸碱度会显著影响种子发芽率。本研究表明，不同秸秆生物炭替代泥炭复配基质在总体上提高了波斯菊发芽率，以水稻秸秆生物炭T3发芽率最高，且同组各处理均与CK差异显著。但秸秆生物炭及用量的不同，其发芽率也有所变化，这可能是因为适量秸秆生物炭的加入不仅改善了基质结构、孔隙度、通气量与含水量，还改善了基质的酸碱环境[13]，比较中性的酸碱度，较为疏松的质地以及较高的养分均为波斯菊发芽提供了良好条件。

注：同一基质中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Note: Different small letters of the same substrate indicate significant difference(P<0.05).图6 秸秆生物炭复配基质对根系活力的影响Fig.6 Effect of straw biochar substrate on the root activity of Cosmos bipinnatus

基质环境影响波斯菊生物量的累积。本研究结果表明，大豆秸秆生物炭T3、水稻秸秆生物T3、玉米秸秆生物炭T3波斯菊生物量较CK分别提高89.91%、90.03%、82.32%，差异达到显著水平，并以水稻秸秆生物炭T3的生物量最高。小麦秸秆生物炭各处理间差异均未达到显著水平，这可能是因为小麦秸秆经烧制过后伴随着碱金属的释放和氧化物的产生，这些物质会胁迫植物生长发育[14]。另外，老化玉米秸秆生物炭处理波斯菊生物量也较低，这可能是因为老化玉米秸秆表面具有较多的酸性官能团[15]，而生物炭本身呈碱性[16]，生长环境酸碱度的改变最终导致波斯菊生物量的降低。

在本研究中，当秸秆生物炭含量增加到一定量时，丙二醛浓度会增高，其中小麦秸秆生物炭T4和玉米秸秆生物炭T4与CK差异均达到显著水平(P<0.05)，但不同比例秸秆生物炭复配基质的丙二醛含量变化并不一致，这说明生物炭材料具有一定的毒性[17]，丙二醛含量的升高导致植物受到的胁迫作用增强，但毒性大小并不相同，例如生物质在热解时会产生多环芳烃，但由于生产方式、原料及温度的不同，多环芳烃的含量也从低于环境标准到显著高于标准[18]。生物炭具有低容重和高孔隙率的特点，它很容易通过自然或机械土壤扰动被释放到大气中，也很容易携带一些重金属及颗粒物，这些都是胁迫作用增大的因素[19]。

过氧化氢酶活性以水稻秸秆生物炭T3最高，且绝大部分处理与CK差异均达到显著水平(P<0.05)，说明不同秸秆生物炭替换泥炭复配基质可以显著改变波斯菊的过氧化氢酶活性，使过氧化氢酶活性升高或降低，这与Wang等[20]的研究结果一致。周震峰等[21]指出，添加生物炭对土壤中过氧化氢酶活性的影响由抑制转变为促进，且土壤中添加高水平生物炭对过氧化氢酶的促进作用小于中低水平添加量，这也在一定程度上解释了各个秸秆生物炭处理过氧化氢酶活性不同的问题。

叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所，在其他条件相同的情况下，叶绿体色素浓度可以作为衡量幼苗长势的生理指标[22]。在本研究中，叶绿体色素浓度以小麦秸秆生物炭T2最高，较CK提高了17.3%，差异达显著水平，除了玉米和老化玉米处理，其余各秸秆生物炭复配基质处理间均显著差异，表明不同比例秸秆生物炭复配基质可以对波斯菊的叶绿体色素浓度产生显著影响，这与刘娟等[23]的研究结果一致，其叶绿体色素的不同原因可能是由植物本身或复配基质性质不同造成的。

根是植物吸收营养的关键器官,根系活力是根的重要生理指标,活力越高，植物吸收水分和营养的能力越大，进而对植物生长发育和产量等产生直接影响。本研究结果表明，小麦秸秆生物炭T3波斯菊根系活力最高，玉米秸秆生物炭T2次之，差异达到显著水平(P<0.05)以上，玉米秸秆生物炭T2、T3、T4差异均达到显著水平，表明玉米秸秆生物炭的加入更有利于提高波斯菊根系活力。但汪树生等[4]研究认为，玉米秸秆盐分高，会影响种子根系对养分的吸收，其原因可能是玉米秸秆在烧制过程中性质发生了变化[15]。因此，玉米秸秆生物炭的利用还有待开发。

本研究开展了秸秆生物炭复配基质用于栽培波斯菊的相关试验。由于利用秸秆制作生物炭并用于复配基质栽培植物是生物炭应用的一个新课题，而本试验仅针对波斯菊这一种植物的生长影响展开研究，综合得出水稻秸秆生物炭复配基质(水稻秸秆生物炭20%、泥炭20%、珍珠岩10%、蛭石10%、土壤40%)显著促进波斯菊的生长发育的结论。在今后研究中可以以此为基础，进一步深入探讨秸秆生物炭复配基质的性质及其用于其他植物的栽培。