玉米秸秆炭化产物对油菜苗期生长的影响

刘欢 冷杰雯 潘玉瑾

摘要  [目的］確定栽培基质中生物炭的投放量，使用生物炭来代替稀缺资源草炭的使用。[方法］通过将玉米秸秆炭（生物炭）、泥炭、有机肥、活性菌按照4种不同比例（CK，8∶1.5∶0.5）（处理①，7∶1∶1.5∶0.5）（处理②，6∶2∶1.5∶0.5）（处理③，5∶3∶1.5∶0.5）混合成复配基质，用以栽培油菜。测定油菜苗期性状、含水率、叶绿素含量、粗蛋白、还原糖和氮磷钾含量等指标。[结果］就油菜生长而言，处理①（10％生物炭添加量）的油菜长势最佳，株高、茎粗、叶片大小生长较整齐；添加生物炭的基质会增加油菜叶绿素的积累，处理①（10％的生物炭添加量）的叶绿素含量最高（1.37 g/kg），显著高于CK组；4个处理的粗蛋白含量均较高，其中处理①、②的粗蛋白含量高于CK组，处理③（30％生物炭添加量）的粗蛋白含量略低于对照组；各个处理油菜的还原糖含量随生物炭施用量的增加而显著降低，其中CK组的还原糖含量最低，处理①还原糖含量最高，比CK组高68％；各处理的油菜体内磷含量较低，氮、钾含量相对较高，油菜体内氮磷钾含量相差不明显。[结论］泥炭：生物炭∶有机肥∶活性菌=7∶1∶1.5∶0.5的基质配方农用效果最好。在基质中施用10％的生物炭最为理想，可以在生产生活中少量替代泥炭的使用。

关键词  生物炭;基质;泥炭;油菜

中图分类号  S634.3  文献标识码  A

文章编号  0517-6611（2024）04-0149-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.04.033

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The Effect of Corn Straw Carbonization Products on the Growth of Rapeseed Seedlings

LIU  Huan，LENG Jie.wen，PAN Yu.jin

（School of Chemistry and Environmental Engineering，Yingkou Institute of Technology，Yingkou，Liaoning  115000）

Abstract  ［Objective］To determine the amount of biochar in the cultivation substrate and use biochar to replace the use of a scarce resource.grass carbon.［Method］The composite matrix was formed by mixing corn straw charcoal （biochar），peat，organic fertilizer and active bacteria in four different ratios （CK，8∶1.5∶0.5） （treatment①，7∶1∶1.5∶0.5） （treatment ②，6∶2∶1∶5∶0.5） （treatment ③，5∶3∶1.5∶0.5）.The seedling traits，water content，chlorophyll content，crude protein，reducing sugar and nitrogen，phosphorus and potassium content were determined.［Result］In terms of rapeseed growth，treatment ① （10% biochar supplemental） had the best growth，plant height，diameter and leaf size grew more neatly;the content of chlorophyll in treatment ① （10% biochar content） was the highest （1.37 g/kg），which was significantly higher than that in CK group;the crude protein content of the four treatments was relatively high，the crude protein content of treatment ① and ② was higher than that of CK group，and the crude protein content of treatment ③ （30% biochar addition） was slightly lower than that of control group;the reducing sugar content of each treatment decreased significantly with the increase of biochar application amount，and the reducing sugar content of control group was the lowest，and that of treatment ① was the highest，which was 68% higher than that of control group;the content of P in all treatments was lower，the content of N and K was relatively higher，and the content of nitrogen，phosphorus and potassium in rape was not significantly different.［Conclusion］The matrix formula of 70% peat + 10% biochar + 15% organic fertilizer + 5% active bacteria has the best agricultural effect.Application of 10% biochar in the substrate is ideal，and a small amount of peat can be replaced in production and life.

Key words  Biochar;Matrix;Peat;Rapeseed

基金项目  营口理工学院校级科研项目（YBL202119）。

作者简介  刘欢（1991—），女，辽宁大石桥人，讲师，硕士，从事农业废弃物资源利用化研究。

收稿日期  2023-02-24；修回日期  2023-03-31

生物炭是生物质在高温条件下，经过炭化裂解形成的一种丰富碳含量的炭［1］。生物炭生产工艺比较简单，炭比表面积大，孔隙率高，且来源广泛，如作物秸秆、坚果果壳、腐坏的蔬菜瓜果都可以是生物炭的原料［2］。将废弃的生物质制成生物炭，不仅能减少对环境的影响，实现“以废制废”。另一方面将其作为栽培基质，生物炭丰富的多孔结构和比表面积，可以为土壤微生物提供生存空间，其含有丰富的钾、钙、镁等营养元素可用来改良土壤，促进作物生长以及增加作物产量［3］。

基质原料多种多样，但用量最大、效果最好的原料为泥炭［3］，泥炭以其所具有的较高的有机质、腐殖酸含量、长纤维素、丰富多孔的结构等特性一直以来都是基质栽培的优良材质［4］。近年来，人们对泥炭资源不加节制的开发和利用，使泥炭资源储存量逐渐减少，质量也降低。此外，泥炭湿地是CO2的聚集系统，森林对碳的获取和固定率均小于泥炭湿地的作用，泥炭湿地可以大大缓解全球气候变暖。而泥炭的过度开采，对泥炭湿地也是一种巨大的损坏［5］。

鉴于此，笔者以东北地区丰富的玉米秸秆为原料制备生物炭，并将与泥炭混合制成复配基质，进行油菜栽培试验，旨在缓解农业上对泥炭资源的使用压力，并对生物炭在农用方向的发展提供理论支持。

1  材料与方法

1.1  试验材料

栽培基质选用炭化温度450 ℃，炭化时间2 h的玉米秸秆炭。基础基质原料为泥炭（东北草炭土）、生物菌（供应商山东齐化化工有限公司）、有机肥（“迎禾”牌生物肥）；供试蔬菜为苏州青油菜；供试场地在中国科学院沈阳生态研究所一蔬菜大棚内。

1.2  试验设计

共设4个处理，分别为CK、处理①、处理②、处理③。

将生物炭与泥炭按照以下4种比例混合均匀。CK，泥炭8∶有机肥1.5∶活性菌0.5；处理①，泥炭7∶生物炭1∶有机肥1.5∶活性菌0.5；处理②，泥炭6∶生物炭2∶有机肥1.5∶活性菌0.5；处理③，泥炭5∶生物炭3∶有机肥1.5∶活性菌0.5。

于2022年3月15日进行油菜播种，4种基质配方用大型蔬菜栽培盆盛放，每个处理2盆，每盆种植30株，每组共60株油菜。在大棚内、自然光照下培养，第15天观察各处理油菜出苗状况。在油菜苗期，只浇灌清水，不进行其他营养液或者肥料的补充（图1）。

培养65 d后于2022年5月20日将油菜全部收获。从每个处理中随机抽取10颗新鲜油菜，测定其株高、叶片长、鲜重、干重、含水率、叶绿素、还原糖、粗蛋白含量以及油菜体内氮磷钾元素的含量。

1.3  測定指标与方法

1.3.1  油菜样品采集及生物量的测定。

培养65 d 后，各处理随机抽样10株，用直尺测量株高、叶片长和根长。称量收获油菜的鲜重。株高用直尺测量，从露出土壤根部至顶端的距离，叶长用直尺测量植株顶部倒数第3片展开叶叶尖至叶基距离；称重法测定每盆地上可食用部分鲜重作为产量。将油菜鲜样置于105 ℃下杀青15 min，于80 ℃下烘干至恒重，测定植物的干重并计算含水率。

1.3.2  油菜生长指标及生理指标的测定。可溶性总糖含量采用蒽酮比色法测定；油菜可溶性蛋白含量采用福林（Folin）-酚试剂法测定；油菜体内叶绿素含量采用丙酮乙醇混合液法测定；全氮、全磷、全钾含量采用H2SO4和H2O2湿法消煮，用微量开氏法测定氮，钒钼黄比色法测定磷，火焰光度法测定钾。

1.4  数据处理与分析  使用Excel 2010进行作图和数据处理。

2  结果与分析

2.1  生物炭的添加量对油菜形态的影响

由图2可知，CK组的油菜长势最差，株小叶片窄，产量最少，叶片出现明显病虫害。处理①（10％生物炭添加量）的油菜长势最佳，油菜整体生长较整齐，株高、茎粗、叶片大小生长较均匀；其次是处理②（20％生物炭添加量）和处理③（30％生物炭添加量）的油菜整体生长不均匀，尤其处理③（30％生物炭添加量）油菜窜苗现象明显，叶片大小不一。

由图3可知，随着生物炭添加量的增加，植株的株高随之减小，其中处理①的植株最高，达28.08 cm，明显长于不添加生物炭对照组。而处理②、③的株高低于对照组，说明添加过多的生物炭会抑制植物株高生长；生物炭添加量的增加也会降低油菜叶片长度，处理①的油菜叶片长度最大，各处理油菜叶片长差异不显著（P＞0.05）；添加生物炭的处理油菜根长明显长于未添加生物炭的基质，增幅为1.1％～11.5％。油菜根长随着生物炭的添加呈上升趋势，处理①、②、③与对照组差异显著。

2.2  生物炭的添加量对油菜生理指标的影响

由图4可知，生物炭添加对油菜叶绿素含量有一定的影响。对比未添加生物炭的处理，添加生物炭的基质会增加油菜叶绿素的积累，但叶绿素含量随着生物炭添加量的增加而降低，处理①（10％的生物炭添加量）叶绿素含量最高（1.37 g/kg），显著高于CK组，其次是处理②的叶绿素含量1.19 g/kg和处理③的叶绿素含量1.14 g/kg。处理②和处理③的油菜叶绿素含量差异不显著，说明生物炭添加比例越大，对油菜本身叶绿素影响较为平缓。

由图5、6可知，不同处理油菜的粗蛋白含量和还原糖含量随着生物炭添加量的增加而呈降低趋势。其中油菜的粗蛋白含量最高是处理①（10％生物炭添加量）为45.61％，其次是处理②（20％添加量）36.8％，略低于CK组。处理③（30％添加量）的粗蛋白含量低于CK，只有32.23％。添加生物炭的处理油菜还原糖含量显著高于未添加生物炭的处理，并呈逐渐降低的趋势。处理①还原糖含量最高为5.20％，其次是处理②和处理③ ，分别为4.31％和2.32％。

2.3  生物炭的添加量对油菜干鲜重和矿质元素的影响

油菜干重主要取决于物质的积累，各处理之间油菜干物质差异不显著，与各处理的鲜重成正比例关系，添加生物炭的处理干重和鲜重均高于对照组，说明添加生物炭可以促进油菜干物质的积累，提高蔬菜含水率。

随着基质中生物炭含量增加，油菜体内P、K的含量逐渐积累，而氮含量表现出降低趋势。各处理油菜体内P含量较低，N、K含量相对较高，其中处理①的钾含量低于对照组。不同处理油菜体内氮磷钾含量差异不显著（P＞0.05），含量相对较少。说明探究生物炭对油菜生长的影响还要从复配基质的理化性质、油菜形态、生理指标等考虑（表1）。

3  讨论

3.1  不同处理油菜形态的比较

植株株高、叶片长、主根长和干鲜重是评价植物生长发育的标准之一［6］，不仅能反映植株在不同栽培环境下的生长适应性，而且还被看作植物生物量的统计依据。生物炭添加比例的增加，油菜主根长度随之增加，说明生物炭有助于油菜主根的下扎，促进侧根在水平方向的生长［11］。海飞等［7］在对生态炭肥对番茄和黄瓜苗期生长发育的影响表明，生物炭肥能明显促进番茄和黄瓜的根系生长发育。生物炭肥处理及生物炭肥与化肥配施处理的根长、根冠比和根系活力明显大于常规化肥处理和对照。该试验中，油菜的株高和叶片长随着生物炭添加比例的增加，呈降低趋势，说明过量的生物炭也会抑制油菜的生长，这与Nguyen［8］研究表明玉米株高、茎粗和形态指标与生物质炭用量呈负线性相关关系。此外，添加适量的玉米秸秆炭的基质可以保证合适的保水通气能力，促进油菜的干物质积累，未加生物炭处理的油菜干重明显低于其他处理。

3.2  不同处理油菜生理指标的比较

植物光合作用中，光和色素是重要的物质基础，叶绿素含量和植物光合速率相关，所以色素含量也是评价植物生长状况的重要指标［9］。添加生物炭的基质可以明显提高油菜体内叶绿素含量，生物炭添加越多，油菜体内叶绿素含量越低，说明叶绿素含量与生物炭的添加量呈负相关。油菜中还原糖质量分数是衡量油菜品质和生长发育的重要指标［10］。各个处理油菜的还原糖含量随生物炭施用量的增加而显著降低，其中对照组的还原糖含量最低，处理①还原糖含量最高，比对照高68％。蛋白质是生命的物质基础，也是反映植物叶片功能及衰老的可靠性指标之一［11］。4个处理的粗蛋白含量都较高，其中处理①、②的粗蛋白含量高于CK组，处理③（30％生物炭添加量）的

粗蛋白含量略低于对照组。说明基质中生物炭的添加量过

高可能对植物体内粗蛋白的积累起反作用。该试验发现施用不同比例生物炭的混合基质对油菜体内氮磷钾等矿质元素均有促进作用，但效果并不明显，说明探究生物炭对油菜生长的影响还要从复配基质的理化性质、油菜形态、生理指标等考虑。

4  结论

该研究中，施入10％生物炭的复配基质，油菜的株高、叶片长、干鲜重等性状呈显著增加趋势，同时对油菜营养品质的提高也有促进作用。在复配基质中加入10％生物炭处理的油菜粗蛋白、还原糖、叶绿素含量最高。施用20％、30％生物炭油菜的各个指标相对较差，2种比例的生物炭施用量的处理部分指标相差不多，30％添加量处理的个别指标还低于未添加生物炭的对照组。

研究表明，在某种特定条件下，少量添加生物炭可以提高作物品质和产量，而高比例的添加生物炭会使作物的生产力减少。高比例施加生物炭对作物的生长起反作用，可能是由于秸秆炭具有较高的碳氮比，施入土壤中使土壤的碳氮比增加，从而使植物对氮吸收受到控制［12］。此外，生物炭极大丰富了基质中钾元素的含量，而土壤中速效钾的成分主要对植物后期结果起作用。该试验主要研究的是油菜苗期生长，对钾元素的需求不高，所以10％生物炭添加量足够支持油菜苗期的生长。

综合考虑作用效果、成本投入，在基质中施用10％的生物炭最为理想，在生产生活中可以少量替代稀缺资源草炭的使用。综上可知，泥炭70%＋生物炭10%＋有机肥15%＋活性菌5%的基质配方农用效果最好。

参考文献

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