生物炭用于育苗基质的研究进展

周伟， 郝文溯， 吴先宇， 颜庆芳， 颜晓元

(1.中国科学院南京土壤研究所 土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 210008； 2.江苏常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站,江苏 常熟 215555；3.南京农业大学 资源与环境学院， 江苏 南京 210095；4.江苏省常熟市辛庄镇农村工作局,江苏 常熟 215555)

育苗是农业生产的关键环节，幼苗质量的好坏与农产品产量和品质息息相关。以营养基质为核心的工厂化育苗技术提高了种子的发芽率和壮苗指数，降低了作物育苗的风险，提高了育苗效率，在国内外得到了广泛应用[1-2]。随着我国农业的不断发展，工厂化育苗作为一项成熟的农业生产技术正在蓬勃发展，而基质作为工厂化育苗的基础也越来越受到人们的重视。常见的育苗基质是由泥炭、蛭石和珍珠岩按照一定的比例复配而成[3]。其中，泥炭是由沼泽中植物残体(苔藓、芦苇和松柏类植物等)在水淹、低温和缺氧等条件下，经缓慢且长期的分解，堆积而形成的一类物质[4]。由于泥炭富含腐殖质，具有丰富的纤维状结构、良好的通透性能，极佳的保水保肥能力，被普遍认为是当今最好的育苗基质材料之一[5]。虽然泥炭作为育苗基质有很多优势，但也存在许多问题，例如价格较贵、不可再生以及开采过程会破坏环境等[6]。此外，泥炭作为土壤碳库的重要组成部分，限制其开采已被视为减少碳排放，实现碳中和的重要措施[7]。由于世界各国逐渐加大了对泥炭开采的限制，因此，寻找优质廉价的材料替代泥炭作为育苗基质，既是工厂化育苗产业的现实需求，也是其持续稳定发展的必由之路[8-9]。

生物炭(Biochar)是生物质在高温半缺氧条件下裂解得到的富碳物质[10]，拥有丰富的多孔结构、巨大的比表面积和较好的孔隙度，具有强大的吸附能力，对水分和养分的固持能力俱佳[11]。此外，生物炭的原材料来源广泛、生产成本低以及无二次污染等特点，使其具有替代泥炭作为育苗基质的巨大潜力[12]。本文总结了近年来国内外有关生物炭替代泥炭作为育苗基质的最新研究，主要从生物炭育苗基质的理化性质、种子发芽率、植物幼苗形状的影响和经济性方面进行了综述，指出了现有研究的不足，以期为生物炭用作育苗基质提供借鉴。

1 育苗基质的选用原则

优良的基质不仅能为种子萌发提供良好的营养和环境条件，为后期管理提供便利，还需兼顾适宜性和经济性[13]。一般来说，基质的容重在0.1～0.8 g/cm3，总孔隙度在54%～96%，大小孔隙比在1∶2～4，pH在6.5～7.0，EC值在0.5～2.75 mS/cm，C/N比在15～20的范围内，其适应性较好，有助于蔬菜幼苗生长[14-15]。除适宜性外，经济性也是选择基质的重要因素，应具有来源广泛、价格低廉和环境友好等特点[16]。泥炭的理化性质优良，是理想的基质材料，但由于其不可再生，且我国的泥炭品质较差，大量依赖进口，生产成本难以降低，严重影响了工厂化育苗的经济效益。此外，作物秸秆、锯末和甘蔗渣等资源丰富且价格便宜的农业废弃物也常被用作育苗基质[3]。但这些物料在使用前必须经过充分的腐熟沤制，程序复杂且制作周期长，其携带的病菌也可能会流入环境造成污染，不利于规模化生产(见表1)。因此，随着我国工厂化育苗的快速发展，寻找到一种对环境友好且经济高效的育苗基质已成为亟待解决的难题[13]。

2 生物炭对育苗基质理化性质和微生 物的影响

生物炭主要由芳香烃和单质碳或具有类石墨结构的碳组成，一般含有60%以上的碳元素，其它元素主要有氢、氧、氮和硫等[17-18]。生物炭的可溶性极低，熔沸点极高，具有高度羧酸酯化、芳香化结构和脂肪链状结构，表面具有高密度的负电荷。这些特性使得生物炭具备了极强的吸附能力和抗氧化能力，有利于养分固持和微生物繁殖，可为作物根系提供良好的生长环境[19-20]。

表1 我国常见育苗基质有机物料优缺点分析Table 1 Comparison of organic materials commonly usedas seedling substrate in China

由于生物炭的容重大于泥炭、珍珠岩和蛭石等常用基质，添加生物炭会影响育苗基质的容重，进而会影响基质的孔隙度组成[21]。其主要因素取决于生物炭的颗粒大小。例如，Méndez等[22]发现用50%的生物炭替代泥炭后，虽然提高了基质容重，但由于生物炭中大颗粒物质(>2.0 mm)的占比(29%)远高于泥炭(8.8%)，导致持水孔隙度和通气空隙也有所增加。Zhang等[23]也发现用20%～35%的生物炭替代泥炭后，由于基质中0.25 mm和2 mm颗粒物占比提高了15.5%～71.8%，基质的总孔隙度和持水孔隙度也显著增加。也有学者发现用小颗粒物占比较高的生物炭替代泥炭后，基质的总孔隙度有不同程度的降低[24]。

由于多数生物炭的pH为碱性，添加生物炭后会影响育苗基质的pH，通常导致pH的增加[25-26]。因此，使用生物炭配制基质时，要严格控制pH，必要时可以添加一些酸化剂(磷酸或硼酸等)降低基质的碱性[27]。此外，由于生物炭含有丰富的官能团和钾、钙、镁等离子，添加生物炭后，不仅可以增加育苗基质的阳离子交换能力(CEC)，其增加值与生物炭的添加量成正比；同时还可以提高育苗基质的营养元素含量[28-33]。

除以上影响外，添加生物炭对育苗基质的微生物群落也有一定的影响。邹春娇等[34]发现，添加3%和5%的生物炭能显著提高营养基质酶活性，增加黄瓜根域细菌和放线菌数量，减少真菌数量。宋婷婷[35]系统研究了四种不同材料(花生壳、玉米秸秆、杨木屑和竹屑)制备的生物炭对育苗基质微生物群落的影响，发现生物炭类型和添加量对细菌和真菌的群落结构、真菌/细菌比有极显著的影响，但对放线菌的群落结构影响不显著。Lehmann等[36]等指出生物炭通过提高基质对有机质、腐殖质和矿物质等营养元素的保持能力，改变基质酸碱度以及对有毒有害物质的吸附等方式，从而提高微生物活性。但目前仅有少量关于生物炭对育苗基质微生物影响的研究。

3 生物炭育苗基质的应用效果

就理化性质而言，生物炭是一种较为理想的育苗基质材料，但因其所含有的盐分、重金属、多环芳烃和纳米颗粒等毒性物质，有可能会对种子的萌发及种苗的生长产生抑制作用[37]，将其作为育苗基质材料大规模推广应用前，需从种子发芽率、幼苗农艺形状和育苗质量等方面对其应用效果进行评价。

3.1 生物炭对种子发芽率的影响

生产实践中常用基质提取液的种子发芽率或者发芽指数来快速评估基质的毒性[38]。宋婷婷等[39]报道称生物炭对黄瓜和小麦的发芽率无显著影响。Williams和Dumroese[32]观测了不同生物炭作为种子包衣在不同温度和水分条件下的出苗情况，发现供试生物炭对出苗质量无显著影响。许晨雨[40]发现高配比(稻壳炭∶珍珠岩∶蛭石=8∶1∶1)的育苗基质虽然推迟了出苗时间，但提高了黄瓜和番茄的出苗率。朱优矫和李文庆[26]发现单施花生壳炭的番茄出苗率与泥炭无显著差异，但将其混合施用可以显著提高番茄的出苗率。此外，生物炭对油麦菜、黑麦草豌豆、绿豆和玉米等作物的出芽率和幼苗生长均具有一定的促进作用[41-43]。但也有学者发现生物炭对种子萌发和幼苗生长存在抑制作用。例如：李阳[44]发现生物炭明显降低了烟草漂浮育苗的出苗时间和出苗率，低添加量(1%～3%)的稻壳炭和花生壳炭对幼苗的抑制作用要低于小麦秸秆炭，而高添加量(5%～7%)的稻壳炭对幼苗的抑制最为明显，表明生物炭对幼苗的抑制作用与施用量密切相关。王志娣[45]发现低添加量的花生壳炭和稻壳炭对黄瓜种子无毒害作用，但高添加量的花生壳炭对番茄具有中毒危害，导致发芽指数低于80%。总之，高添加量的生物炭基质会抑制种子的发芽率和出苗时间[46-48]。国内外学者在茄子、辣椒、白菜和水芹等作物上也发现了相同的研究结果[31,49-52]。

生物炭对种子萌发的促进作用多与添加生物炭后育苗基质的保水性、温度和养分含量提高有关[28,40,53]。此外，生物炭中所含有的乙烯能够刺激种子的萌发，而低温炭中乙烯的含量往往高于高温炭，因而稻壳生物炭(450 ℃)的发芽率高于花生和小麦秸秆生物炭(550 ℃)[54]。而生物炭对种子萌发的抑制则与制备过程产生的多环芳烃、挥发性有机物质有关[44,55]。研究发现挥发性有机物质和三环以下的多环芳烃对植物种子的萌发具有较为强烈的抑制作用[55-56]。此外，生物炭本身呈现弱碱性，添加量较高时基质的pH升高，从而抑制种子的萌发[57]。基于以上研究可知，生物炭的种类和添加量决定了其对种子萌发的促进或抑制作用。因此，将生物炭用作育苗基质时，预先评估其对种子的毒性十分重要。

3.2 生物炭对作物幼苗农艺形状和育苗质量的影响

植株的农艺形状如株高、颈粗、生物量和叶面积等参数可以反映植物的长势和生长质量[15]。生物炭具有疏松多孔的结构、保温性和保水性好，能为植物生长提供氮、磷和钾等营养元素，促进幼苗的生长，提高壮苗指数。王志娣[45]发现使用生物炭育苗基质所培育的黄瓜和番茄幼苗的株高、鲜重和壮苗指数都好于泥炭基质。其他学者在茄子、辣椒、水稻、油菜、卷心菜、大白菜、小麦、烟草和瓜果类蔬菜作物上也发现了相同的研究结果，涉及的生物炭种类包括稻壳炭、花生壳炭、小麦秸秆炭、木屑炭和竹炭等[26,31,39,44,58-60]。这些结果表明生物炭作为育苗基质具有广泛的应用前景。但由于生物炭中重金属、多环芳烃和自由基等有害物质的存在，植物幼苗生长随着生物炭的添加量表现出低促高抑的趋势[53]。李阳等[61]发现生物炭添加量在10～40 g/kg范围内，小麦苗的生物量有所增加；添加量高于80 g/kg时，地上部生长受到明显抑制。此外，由于营养元素和污染物含量因生物炭种类而异[62]，对于同一种作物，不同类型生物炭的最优添加量有较大差异。例如：花生壳炭添加量为80.0 g/kg时，对小麦和黄瓜根及茎生长促进效果最优；而对于玉米秸秆炭、杨木屑炭和竹屑炭，添加量为40.0 g/kg时效果最优[39]。Chrysargyris和Prasad[58]评估了四种生物炭对卷心菜幼苗的影响，结果表明添加量为5%～10%时，木材炭、麦壳炭和木屑炭可显著提高卷心菜的株高和地上部生物量，而竹炭却显著抑制了卷心菜的生长。Solaiman和Murphy[47]的研究显示施用量同为10 t/hm2，稻壳炭和麦壳炭对小麦有显著的促进作用，但桉树木屑炭却表现出抑制的效果。另一方面，同一生物炭对不同作物的最佳用量也有所差异。例如玉米秸秆炭添加量为0.7%(体积比)时，茄子幼苗的地上部生物量、叶面积指数叶绿素含量显著高于其他处理，而辣椒的最优添加量为0.9%[31]。

与地上部类似，生物炭用量对幼苗根系的生长也表现出低促高抑的效果[47,61-63]。例如玉米秸秆炭用量为10～40 g/kg时，显著促进了小麦根的生长，根中的超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)也达到最大值，而用量增加到80.0～160 g/kg时，根的生长受到明显抑制，SOD和POD含量也有不同程度的降低[61]。对于幼苗根系来说，生物炭的最佳添加量会随生物炭类型和作物种类的不同而有所差异。例如：花生壳炭用量80.0 g/kg时，对小麦根的生长促进作用效果最佳，但对于玉米秸秆炭、杨木屑炭和竹屑炭，最佳用量为40 g/kg；对于黄瓜而言，花生壳炭、杨木屑炭和竹屑炭用量为80.0 g/kg，玉米秸秆炭用量为40 g/kg时，对根的促进作用最佳[39]。在番茄、卷心菜、茄子、辣椒、烟草、水稻、甜瓜和白桦幼苗等的育苗实验中均观察到类似现象[31,44,58-59,65-66]。

综上所述，生物炭对种子萌发和幼苗生长的影响因生物炭种类、添加量和作物种类不同而所差别。总体而言，与泥炭基质相比，低添加量的生物炭基质对植物幼苗生长有一定的促进作用，高添加量往往会抑制植物幼苗生长。因此，在大范围推广生物炭育苗基质之前，需根据生物炭种类，针对不同作物进行深入研究，以筛选出最佳添加量。

4 生物炭育苗基质的经济性分析

基质的物料成本约占育苗生产成本的9.3%，因此在优选育苗基质配方时，经济性是一个重要的参考指标[67-68]。王志娣[45]基于种子和基质材料价格对生物炭育苗基质的成本进行了核算，发现稻壳炭∶蛭石∶珍珠岩配比为3∶1∶1时，黄瓜和番茄的单株成本低于泥炭基质，适合大规模的商业化应用，而花生壳炭由于价格较高，造成单株成本最高。索琳娜[9]估算了玉米芯棒和园林绿化废弃物炭化和腐熟过程的处理成本，发现炭化过程具有明显的价格优势，其仅为泥炭价格的20.1%～33.7%。谢耀坚等[69]以泥炭、椰糠、碳化稻壳和木糠为原料，采取混料试验设计，结合基质成本和成活率，对26种不同配比的育苗基质进行了比较，发现10%泥炭+80%椰糠+10%炭化稻壳、10%泥炭+50%椰糠+40%炭化稻壳、100%椰糠和70%椰糠+30%炭化稻壳这四种基质成本为74～93 元/m3，是育苗效果好且经济实惠的基质配方。可见仅从物料价格考虑，生物炭具有明显的成本优势。

基于环境损益成本，生物炭不仅可以杀死害虫卵和病原微生物，同时还是增加土壤碳库的有效手段，与其他基质材料相比更具经济性[13,70]。例如：在欧洲椰壳经常被用作泥炭替代品，从气候变化角度而论，椰糠确实比泥炭更加环保。但综合考虑生态环境质量和人类健康时，泥炭更为环境友好[71-72]。有学者基于生命周期评价法评估了生物炭替代泥炭的综合成本，认为生物炭替代泥炭作为育苗基质不仅能降低物料成本，还可以减少温室气体的排放，其中以农作物废弃物为原料的生物炭是最佳选择[73-74]。然而，目前基于生命周期评价法综合比较生物炭和泥炭育苗基质的研究还比较少，导致人们的认知偏差。

5 未来研究展望

生物炭在农业领域的大规模应用可以实现农业废弃物的减量化、资源化和无害化，最大限度提高资源利用效率[18]。国内外学者对以生物炭为原料的育苗基质开展了大量的研究，结果显示其在蔬菜、花卉和园林苗木等工厂化育苗领域具有广阔的应用前景。但由于生物炭的制作原料来源多样，制作工艺千差万别，导致生物炭的颗粒大小、孔隙度、pH和EC等作为基质材料的重要评价指标迥然不同。此外，生物炭中还存在一些有毒有害的物质，会抑制植物的萌发。目前我国尚未提出统一的毒害物质检测方法及限量标准，导致生物炭作为育苗基质的质量稳定性无法得到保证。因此，在大规模推广应用前，需针对育苗基质的应用需求，提出针对性的参数，包括基本理化性质、养分指标和有害物质的限量指标等，建立统一的生物炭质量标准，同时开发快速有效的毒性评估方法，确保其质量能满足工厂化育苗基质的要求。

工厂化育苗过程已经高度自动化，传统以泥炭、蛭石和珍珠岩为原料所建立的生产工艺如搅拌、物料填装、浇水量和施肥量等过程所涉及的器具和工艺参数等并不一定适合生物炭育苗基质的生产[13]。对于生产者而言，建立基于生物炭的育苗基质生产线往往需要较大的资金投入，这将成为未来生物炭基育苗基质产业化的重要阻碍。因此，今后的研究需要从标准化、工厂化和商业化角度出发，建立适用于生物炭的技术体系和生产工艺流程，编制相关的技术标准，推动产业化发展。

当前，关于育苗基质的成本核算往往只关注物料价格，尚未将环境损益、后期处置成本等因素纳入其中，今后应当加强这方面的研究，其结果将为政府有关部门制定相应的扶持政策提供重要的科学支撑。

6 结语

近年来，由于各国政府相继限制了泥炭资源的开采，寻找一种可替代泥炭作为育苗基质的有机物料成为一种迫切需求。椰糠、木屑、树皮、园林及农业废弃物和生物炭都是替代泥炭的潜在物料。其中，生物炭具有理化性质优良、营养物质丰富、环境友好和成本低廉等特点，被视为是替代泥炭的理想材料。但由于缺乏统一的质量标准、快速的毒性检测方法和成熟的生产工艺，至今尚未建立完善的以生物炭为核心的育苗基质技术体系。今后应加强相关研究，加大生物炭在农用方面的政府扶持力度，加快制定生物炭育苗基质的相关技术标准，为工厂化育苗产业的可持续发展提供科学支持，最终实现经济效益和生态效益的双赢。