育苗基质添加辣椒秆生物炭对辣椒幼苗生长与养分的影响

王高飞，刘鸿雁，邢 丹，王洪亮，牟玉梅，王永平，王 岩，周 鹏

(1．贵州大学农学院，贵阳 550025；2.贵州省农业科学院辣椒研究所，贵阳 550006；3.贵州省农业科技发展中心，贵阳 550000)

【研究意义】辣椒是我国重要的蔬菜作物，因其富含维生素 C、辣椒素、辣椒碱等营养成分，深受广大种植者和消费者的青睐[1]。目前,我国辣椒年种植面积在200万hm2左右[2],是我国种植面积最大的蔬菜作物[3]，年产量占世界总产量的50%以上，居世界首位[4]。近年来，随着辣椒大面积种植产生大量秸秆废弃物，且目前辣椒秸秆资源化利用薄弱，秸秆随意堆放或焚烧污染环境[5]；因此，研究辣椒秸秆废弃物的解决方法对辣椒产业持续高效发展具有现实意义。【前人研究进展】农业废弃物在缺氧的情况下，经过高温慢热解过程可制成一类富含碳素的固态物，即生物炭[6]。生物炭孔隙结构发达、比表面积巨大，其独特的表面特征使其具有较强的吸附性能，降低了养分淋溶及固定损失，促进了植物对养分的吸收[7-11]。施用生物炭对小麦、水稻、玉米的氮素吸收量积累有一定促进作用[12]。施用生物炭促进玉米根系生长、苗期干物质积累并增加产量[13-15]。赵贯飞等[16]研究表明，生物炭可以促进辣椒生长发育并提高辣椒产量。【本研究切入点】秸秆炭化后能否用于辣椒幼苗培育，对辣椒幼苗生长以及养分吸收产生何种影响，辣椒秸秆不同部位的影响是否一致尚无相关的研究报道。【拟解决的关键问题】在辣椒育苗基质中添加以辣椒秸秆不同部位(根、茎基部、主茎秆、粗枝条、细枝条和秸秆混合)制成的生物炭，研究其对辣椒幼苗生长及养分含量的影响，探讨辣椒秸秆炭化应用可行性并鉴选较优添加量和添加部位，为有效解决辣椒秸秆资源化利用问题提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验辣椒品种为“黔椒8号”，由贵州省农业科学院辣椒研究所提供。育苗基质购自黔南金福有限责任公司。不同原料生物炭包括辣椒根、辣椒茎基部、辣椒主茎秆、辣椒粗枝条、辣椒细枝条、辣椒秸秆混合，6种原料在450 ℃裂解1 h获得各类生物炭，其理化性质见表1。

表1 供试生物炭基本理化性质

1.2 试验设计

试验在贵州省农业科学院辣椒所温室大棚进行[控制室温(25±3)℃，光照时间14 h/d]，设6个生物炭类型(根、茎基部、主茎秆秆、粗枝条、细枝条、秸秆混合)、2个生物炭添加水平(添加量为育苗基质干重的2%和5%)，以不添加生物炭为空白对照(CK)，共13个处理(表2)，每个处理重复6次。各处理N(0.15 g/kg)、P2O5(0.15 g/kg)和K2O(0.15 g/kg)以复合肥添加至育苗池水中,并搅拌溶解。2019年1月将辣椒种子和不同处理的基质材料装入规格为50穴的方格穴盘中，进行室内育苗，每个穴盘6次重复，随机区组排列。试验各处理管理按常规。

表2 生物炭类型和和添加量各处理

1.3 测定项目及方法

辣椒播种50 d后调查植株株高、茎粗、叶长、叶宽、叶绿素、第一节间距、第二节间距、第三节间距，株高为基质表面到生长点的高度，茎粗为距基质表面1 cm处茎的粗度；叶长、叶宽为叶片纵向最长长度和横向垂直最大宽度；第一节间距为基质表面到第一节偏下部叶的距离，第二节间距为第一节偏上部叶到第二节偏下部叶的距离，第三节间距为第二节偏上部叶到第三节偏下部叶的距离。生物量为采集植株地上部和地下部(根、茎、叶)，清洗干净后放入烘箱在105 ℃ 杀青10 min，80 ℃烘干至恒重的质量。叶绿素用SPAD仪进行测定。全氮、全磷、全钾含量为将植株干样粉碎后过80目筛进行测定，全氮用硫酸—过氧化氢消煮—凯氏定氮法测定，全磷用硫酸—过氧化氢消煮—钼锑抗比色法测定；全钾用硫酸—过氧化氢消煮—火焰光度法测定。

1.4 数据处理与统计分析

利用Excel 2007 和SPSS 21.1 软件进行数据处理、方差分析和主成分分析,用Origin 9.1作图。其中，在主成分分析之前需对各个指标进行标准化处理。使用隶属函数法统一量纲转化数据，指标分为正相关和负相关。茎粗、叶长、叶宽、叶绿素、根干重、茎干重、叶干重、氮、磷、钾含量为正相关指标使用公式(1)进行转化，株高、节间距为负相关指标使用公式(2)进行转化。综合得分(Dn)的计算以相应主成分贡献率为权重，通过公式(3)得到。

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

(1)

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

(2)

(3)

式中，Uin和U'in分别指第n个样品第i个指标的原始数据经转化后的隶属函数值；Xin指第n个样品第i个指标的原始测定结果；Ximax和Ximin分别指样品组中第i个指标的最大值和最小值；Dn为主成分分析法得到的各样品营养品质的综合分值；Fjn为第n个样品第j个特征值>1的主成分的分值；in为特征值>1的主成分的数；Ej为第j个主成分的贡献率[17]。

壮苗指数=(茎粗/株高+根干重/地上部干重)×总干重[18]

2 结果与分析

2.1 不同生物炭处理辣椒幼苗的生长情况

由表3看出，与对照相比，根生物炭处理无论是2%添加量还是5%添加量处理幼苗的株高、茎粗、叶长、叶宽均小于对照；5%主茎秆生物炭幼苗的株高、茎粗、叶长、叶宽也均小于对照；2%细枝条生物炭处理幼苗茎粗、叶长、叶宽、叶绿素均高于其他处理，与对照相比分别增长22.6%、14.7%、16.8%及31.3%。各处理植株叶绿素含量均高于对照。2%根、2%混合生物炭处理幼苗第一节间距显著增加，2%细枝条、5%茎基部、5%主茎秆生物炭处理第一节间距显著降低；第二节间距各处理间差异均不显著；第三节间距除5%主茎秆生物炭处理显著低于对照处理外，其余处理与对照间差异均不显著。

表3 生物炭添加不同处理辣椒幼苗的生长发育情况

相同材料生物炭不同添加量之间辣椒幼苗的株高、茎粗、叶长、叶宽、第一节间距除根生物炭处理，其余处理均表现出2%添加量大于5%添加量的趋势。除了细枝条生物炭处理外，其余材料生物炭2种添加量相比植株株高差异都显著。混合生物炭表现出2种添加量相比只有株高差异显著其余指标差异都不显著的变化趋势。

2.2 不同生物炭处理辣椒幼苗的生物量

由图1看出,①生物炭可促进辣椒根的生长，添加生物炭各处理辣椒幼苗根生物量增幅为7.69%～100%，除B1、B7、B9、B12与对照差异不显著外，其余处理差异均达显著水平，以B11处理最高，其次为B15处理。同一材料2种添加量之间根、茎基部、粗枝条、混合生物炭差异不显著，主茎秆生物炭2%添加量显著高于5%添加量，细枝条生物炭则表现为5%添加量显著高于2%添加量。②不同生物炭处理对辣椒幼苗茎的影响效果不同，与对照相比，B1、B7、B9处理辣椒茎生物量降低，以B9处理最低，且与其他处理间差异均显著。其余生物炭处理增加了辣椒幼苗茎生物量，B8处理最大，其次是B5处理，与对照相比增幅分别为43.2%和29.6%。同一材料2种添加量之间，主茎秆生物炭2%添加量显著高于5%添加量，这与其对根的影响效果表现一致，其他生物炭处理两种添加量之间差异均不显著。③辣椒叶生物量B1、B6、B7、B9处理均低于对照，以B9处理最小且显著低于对照；其余处理叶的生物量均增加，其中，B2、B3、B4、B5、B8、B11、B12处理均显著高于对照，以B2处理最高。同一材料2种添加量之间，主茎秆、粗枝条、混合生物炭处理2种添加量之间表现出差异性，主茎秆、粗枝条生物炭表现为2%添加量显著高于5%添加量，混合生物炭则表现为5%添加量显著高于2%添加量。

图1 生物炭添加不同处理辣椒根、茎、叶的生物量Fig.1 Biomass in pepper root, stem and leaf added with different biochar content

2.3 不同生物炭处理辣椒幼苗的养分含量

由表4可知，生物炭促进了辣椒幼苗对氮、磷、钾的吸收。辣椒幼苗氮含量除B1、B6、B8、B9、B10处理与CK间差异不显著外，其余生物炭处理辣椒幼苗氮含量均显著高于CK。辣椒幼苗磷含量各处理间差异均不显著，除B10处理外，其余生物炭处理均高于CK。辣椒幼苗钾含量除B2、B4、B5、B11处理与CK间差异不显著外，其余生物炭处理均显著高于对照CK。同种材料2种添加量之间,主茎秆、粗枝条生物炭对辣椒幼苗氮含量影响表现为2%添加量显著大于5%添加量处理，而辣椒幼苗钾含量表现为5%添加量显著大于2%添加量处理；根、细枝条生物炭2种添加量对辣椒幼苗氮、磷、钾含量的影响差异均不显著；混合生物炭2种添加量对辣椒幼苗氮、磷、钾含量的影响表现为磷、钾含量差异不显著，氮含量5%添加量显著高于2%添加量。茎基部生物炭2种添加量对辣椒幼苗氮、磷、钾含量的影响表现为磷、钾含量差异不显著，氮含量2%添加量显著高于5%添加量。

表4 生物炭添加不同处理辣椒幼苗的养分含量

2.4 不同生物炭处理的综合评价

由表5可知，通过主成分分析，根据提取出特征值大于1的原则提取3个主成分，贡献率分别为47.22%、17.94%、16.96%，累计贡献率为82.125%，表明3个主成分可以反映生物炭处理效果的82.125%信息。根据表5中的特征向量值乘以相对应的所有生物炭处理效果的隶属函数值，得到各处理效果对于3个主成分的单项得分F1、F2、F3，单项得分乘以相应的贡献率后相加，得出各生物炭处理的综合得分 Dn 并排序。以主成分贡献率为权重，利用各样品前3个主成分的分值与权重值，计算出各生物炭处理的综合评价值 Dn(表6),通常，综合分值 Dn 代表了各处理的综合效果，分值越高对辣椒的影响效果最好,从而可知12种生物炭处理效果为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、贡献率及累积贡献率

续表5 Continued table 5

表6 综合主成分值及壮苗指数

3 讨 论

生物炭因其特殊结构可促进蔬菜作物生长，对产量提高有促进效应[19-21]。本研究发现，生物炭可以促进辣椒幼苗生长，但不同材料的生物炭效果不同，而且生物炭对辣椒幼苗的影响不但与生物炭材料有关还与生物炭的添加量有关。这是由于原材料和含量的差异，使得生物炭在结构、挥发成分含量、灰分含量、孔容、比表面积等理化性质上表现出非常广泛的多样性，进而使其拥有不同的环境效益[22-23]。与不添加生物炭相比，生物炭促进了辣椒苗期株高、茎粗、叶长、叶宽、叶绿素的提高，降低了第一节间距，提高了第三节间距，对辣椒育壮苗有作用,其中5%细枝条生物炭处理壮苗指数最高，其次是2%细枝条生物炭处理，根生物炭壮苗指数最低，对辣椒幼苗的壮苗效果不明显，可能是因为施用生物炭有助于改善育苗基质pH、孔隙度、持水性等，特别是有助于提高育苗基质有效养分含量，这些条件的改变对于促进幼苗生长发育有重要作用。研究表明，生物炭增加了辣椒苗期根、茎、叶的生物量，其中5%细枝条对促进根发育的作用最高，与CK相比根生物量增幅为100%。这可能是由于生物炭具有丰富的多微孔结构，比表面积大[24]。在施入育苗基质后有利于微生物的生存繁衍，增加基质有益菌群数量，增强基质生态系统功能，为辣椒幼苗根系提供良好的生存环境，进而促进了根系的生长发育。根、主茎秆生物炭对辣椒幼苗根、茎、叶生物量的促进作用不明显，甚至出现了根生物炭、5%主茎秆生物炭处理辣椒幼苗的茎、叶生物量小于对照处理，可能是由于辣椒属于对土壤酸碱度十分敏感的作物，而生物炭呈碱性，当施用量过大时，可能会对辣椒幼苗产生不利影响。何绪生等[25]研究发现，生物炭对作物生长或产量的效应因生物炭类型而异，同时也受生物炭用量的影响，适当的生物炭用量能促进作物对养分的吸收以及产量的提高，但生物炭施用量过大反而会抑制作物的生长，这与本研究的结果相同。株高、茎粗、叶长、叶宽、叶绿素、生物量等都是反映植株生长发育好坏的重要指标。株高和茎粗一定程度上反映了植物吸收光照的能力，叶长、叶宽反映了植物吸收光照的叶面积大小，叶绿素是植物参与光合作用的重要物质，而根系是植物摄取和运输营养物质合成和储存有机化合物的重要器官[26]，这些指标与植物后期的产量和品质密切相关[27]。由此看出，优质苗不但能促进植株的生长，而且对于植株增产具有重要作用。因此在辣椒育苗阶段添加生物炭培育优质椒苗是较为有效的措施。

辣椒幼苗的养分含量直接反映辣椒后期生长发育情况以及辣椒成熟期的产量多少。Lehmann等[28]研究表明，生物炭能够提高豌豆根系的固氮。同时有研究表明，生物炭可以促进番茄对氮、磷、钾的吸收[29]。本研究表明，生物炭促进了辣椒幼苗对氮、磷、钾的吸收，辣椒幼苗氮含量除了B9处理小于对照，其余生物炭处理均大于对照，而且B2、B3、B4、B5、B7、B11、B12处理显著高于对照。辣椒幼苗磷含量各处理之间差异都不显著，除了B10处理小于对照，其余生物炭处理均大于对照。B1、B3、B6、B7、B8、B9、B10、B12处理辣椒幼苗钾含量显著高于对照，其余生物炭处理与对照差异不显著。这可能是由于生物炭本身含有一定数量的对辣椒幼苗生长发育有益的元素如N、P、K等和一些微量元素，为辣椒幼苗的生长提供良好的元素供应源，而不同材料生物炭本身所含的养分含量不同，同时对基质中的养分离子吸附效果不同。

通过主成分与隶属函数分析对辣椒幼苗各生长指标及养分指标进行综合评价表明，2%细枝条生物炭处理综合得分最高，对辣椒幼苗的影响效果最好，与其他材料生物炭相比，细枝条生物炭pH、N、K最高，CEC较低可能育苗时对调节基质pH及养分环境有较大作用。

4 结 论

椒秆生物炭对促进辣椒幼苗的生长发育和养分的吸收利用有一定的效果，将资源化利用于育苗基质中，可培育优质椒苗，其中育苗基质中添加2%细枝条生物炭效果较优。