生物炭基质可显著地促进香蕉幼苗生长

2022-06-25魏岚黄连喜李翔王泽煌陈伟盛黄庆黄玉芬刘忠珍

生态环境学报 2022年4期

魏岚，黄连喜，李翔，王泽煌，陈伟盛，黄庆，黄玉芬，刘忠珍*

1.广东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部南方植物营养与肥料重点实验室/广东省农业资源循环利用与耕地保育重点实验室，广东广州 510640；

2.江门市农业科技创新中心，广东江门 529099

广东是我国最大的香蕉产区，种植面积和产量长期以来高居我国香蕉主产区之首。香蕉组培苗培养的种苗是香蕉种植的主要来源，但是香蕉组培苗苗期抗性差，易感病，因此培育健康优质的香蕉种苗极其重要，而该过程中基质的质量直接影响组培苗的成活率和香蕉苗的健壮优质与否。

香蕉培育基质品种繁多，质量参差不齐，目前采用较多的是土壤、泥炭和椰糠，土壤具有成分复杂的缺点，泥炭和椰糠则具有成本高、带有病菌等缺点。同时香蕉对养分的需求量较大，尤其是对钾、钙和镁的吸收量较大（赵凤亮等，2020），在香蕉生长过程中大量的钾、钙和镁等盐基离子被幼苗吸收后，根系会向根际土壤释放 H+（Zeng et al.，2017），造成土壤酸化。土壤酸化除了引起土壤养分失衡外，也会导致土壤微生物多样性的破坏和喜酸性病原菌的繁殖。而生物炭是农用秸秆、植物残体以及动物粪便等有机物在缺氧条件下经过高温裂解产生的一种具有较强碱性、稳定性好、碳素含量高的一种难溶性物质（何绪生等，2011），其被称为“用于土壤的木炭”，施于土壤可改善土壤功能和质量，又可长期稳定成为碳汇，是实现碳中和的一个重要途径（Rezende et al.，2011；杨解君，2021）。研究表明，生物炭能够改善酸性土壤理化性质和微生物活性，其碱性基团消耗质子进而提升土壤pH值，增加土壤有机碳、全氮含量和土壤交换性盐基数量（郑慧芬等，2019）。自陈温福院士将生物炭引入作物以后，生物炭对于玉米、大豆、水稻等的增产效应屡见报道（李昌见等，2014；房彬等，2014），同时在辣椒（胡青青等，2017）、大白菜（赵倩雯等，2015）等作物基质栽培上的研究也较多，但是在香蕉假植苗基质中应用的研究报道甚少。生物炭加入基质后可以改变基质pH，质地，结构，密度和孔隙大小分布，有利于植物幼苗的生长（Downie et al.，2009）。但是生物炭的施用量大小对基质理化性质影响不同，高海英等（2011）发现施加大量生物炭后，土壤的持水性反而降低。这些研究表明，生物炭施用量过低不能有效促进增产，但施用量过高脱毒苗生长发育会受到抑制，甚至会降低原种产量（李天鹤，2019）。因此，生物炭的施加是否可以促进香蕉苗的生长，同时寻找一个合适的生物炭施用量成为影响生物炭在基质中应用的关键因素。

本研究将以主产香蕉品种巴西蕉为对象，将生物炭作为育苗基质改良剂加入育苗基质中，调查生物炭施加对香蕉苗生长发育的影响，以及育苗基质中生物炭的最佳添加量，明确生物炭在香蕉基质栽培上的效应，为下一步的市场生产提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为巴西香蕉组培苗（M.paradisiaca），由广东省农业科学院果树研究所组培中心提供。供试基质为椰糠和生物炭。椰糠购自广州花卉中心的进口育苗材料，生物炭原材料采用花生壳，由广东省农业科学院农业资源与环境研究所经 500—600 ℃厌氧热解制备，两种基质成分的不同理化性状如表1所示。

表1 不同基质成分的物理化学性质Table 1 Physicochemical properties of different matrix components

1.2 试验方法

1.2.1 基质处理及测定

椰糠经干净自来水冲洗分散，再风干；生物炭经过研磨，过0.25 mm筛网后备用。按照体积分数分别配制处理为 CK（100%椰糠，传统基质），T1（2%生物炭+98%椰糠），T2（5%生物炭+95%椰糠），T3（10%生物炭+90%椰糠），T4（20%生物炭+80%椰糠）和T5（50%生物炭+50%椰糠），其中生物炭加入比例为生物炭和椰糠的体积比。

1.2.2 种苗栽培及测定

选取大小一致的健壮香蕉组培苗，品种为巴西蕉，种植于装好基质的黑色育苗袋中（10 cm×10 cm），每种基质处理9株。提供的香蕉组培苗平均性状为：假茎高3.0 cm左右，有2—3片完全展开的正常叶片。在香蕉组培苗生长期的50、80、120 d分别取样，测试香蕉幼苗的各项生长指标。同时在香蕉组培苗生长期的0 d和120 d取基质样品进行理化性质的测试。

1.2.3 测试指标

假茎高（从地面到顶部两叶叶柄交叉点的距离）和根长采用钢尺测量。植株全氮、磷、钾含量采用浓H2SO4和氧化剂H2O2消煮，消煮液经定容后，可用于氮、磷、钾等元素的测定，凯氏定氮法测定全氮含量，钒钼黄比色法测定全磷含量，火焰光度法测定全钾含量（鲁如坤，2000）。pH、EC值采用电位法测定，土壤有机质采用重铬酸钾-外加热法、全氮含量采用半微量凯氏法、全磷采用碱熔-钼锑抗比色法、全钾采用碱熔-火焰光度法、全盐量采用电导法（鲁如坤，2000）。育苗基质的孔隙度参照郭世荣（2003）的方法测定。

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2007软件进行数据处理，SAS 9.0软件统计—单因素（Oneway ANOVA）方差分析方法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同生物炭处理对香蕉组培苗生长状况的影响

从图1可以看出，不同生物炭和椰糠体积比对香蕉幼苗假茎长在不同时期的影响不同。在 50 d时，只有T1与对照相比有显著差异（P<0.05）；80 d时，T3和T4与对照相比存在显著差异（P<0.05）；120 d时，所有的处理的假茎长均显著高于对照（P<0.05）。其中在所有时期都表现最好的是 T3处理，120 d时T3假茎长达到31.0 cm。而蕉苗根长指标的变化显示为，50 d时所有处理与对照相比均没有显著差异；80 d和120 d时，生物炭处理的根长均显著高于对照（P<0.05），其中 120 d时，T3处理的根长与对照相比差异最大（P<0.05），根长达到 46.0 cm。总体而言，在生长前期生物炭处理对香蕉苗生长的促进效应不显著，在生长后期，几乎所有的生物炭处理都对香蕉苗假茎长和根长有正效应，但是不同时期表现最佳的处理不同，香蕉幼苗生长后期以T3和T2的效果为最佳。

图1 不同生物炭和椰糠体积比处理对香蕉组培苗生长状况（假茎长和根长）的影响Figure 1 Effects of different volume ratios of biochar and coconut bran treatments on the growth status(pseudostem length and root length) of banana tissue culture seedlings

生物炭处理对香蕉幼苗的地上和地下部干重影响的趋势基本一致（图2）。由图2可以看出，80 d以后，地上部干重生物炭处理的均显著高于对照；地下部则在 120 d时所有生物炭处理显著高于对照。地上部和地下部干重在生长后期均以 T3基质栽培的最优，均显著高于对照（P<0.05）。

图2 不同生物炭和椰糠体积比处理对香蕉组培苗生物量（地上部和地下部）的影响Figure 2 Effects of different volume ratios of biochar and coconut bran treatments on biomass (aboveground and underground) of banana tissue culture seedlings

2.2 不同生物炭处理对香蕉组培苗营养状况的影响

表2和表3显示的是不同取样时期香蕉苗地上部分和地下部的氮、磷、钾全量含量。对于地上部氮含量而言，T3处理的效果在 3个取样时间均最佳，其中香蕉苗生长50 d时，T1—T4处理均显著高于对照（P<0.05），T5与对照没有显著差异；80 d和120 d时，只有T3显著高于对照（P<0.05）。对于地上部磷含量而言，50 d和80 d时，只有T1显著高于对照（P<0.05），其他处理与对照没有显著差异或者低于对照；120 d时，T4、T1处理显著高于对照（P<0.05），在前两个取样时间段均是T1效果最好，120 d时则是T4处理香蕉假茎磷含量最高。对于地上部钾含量而言，50 d时，T2—T4处理显著高于对照（P<0.05）；80 d时，T3处理显著高于对照（P<0.05）；120 d时，T4处理显著高于对照（P<0.05），其他处理与对照没有显著差异或者低于对照。综合来讲，T3处理在前期和中期提高香蕉组培苗地上部分营养元素浓度效果最佳，后期 T4效果更佳。

表2 不同生物炭和椰糠体积比处理对香蕉组培苗地上部分营养元素含量的动态影响Table 2 Dynamic effects of different volume ratios of biochar and coconut bran on the contents of nutrient elements in aboveground parts of banana tissue culture seedlings

表3 不同生物炭和椰糠体积比处理对香蕉组培苗地下部分营养元素含量的动态影响Table 3 Dynamic effects of different volume ratios of biochar and coconut bran on the contents of nutrient elements in underground parts of banana tissue culture seedlings

对于地下部氮含量而言，各处理在3个取样时间呈现不同的效果。50 d时，T2和T4处理均显著高于对照（P<0.05），其他处理与对照没有显著差异；80 d和120 d时，只有T3显著高于对照（P<0.05）。在50 d时处理效果最好的是T2，而在后面两个时间段处理效果最好的是 T3。对于地下部磷含量而言，50 d和80 d时，只有T2（80 d）显著高于对照（P<0.05）；120 d时，所有处理均显著高于对照（P<0.05）。在后面两个时间段处理效果最好的是T2和T1。对于地下部钾含量而言，50 d时，所有处理显著高于对照（P<0.05）；80 d时，除T1外其他处理均显著高于对照（P<0.05）；120 d时，除T2外其他处理均显著高于对照（P<0.05）。综合来讲，T3处理对于提高香蕉组培苗地下部分的营养元素浓度效果最佳。

表4显示的是不同时期不同生物炭处理香蕉苗地上部的氮、磷、钾累积量。对于香蕉苗地上部的氮累积量而言，其中在前两次取样中增加最显著的是T3，而120 d时增加最显著的是T4。对于香蕉苗地上部的磷累积量而言，前两次取样均是T1和T3显著高于对照（P<0.05），120 d时所有处理均显著高于对照（P<0.05），其中 T4效果最好。对于香蕉苗地上部的钾累积量而言，50 d时T1—T3处理显著高于对照（P<0.05），80 d和120 d时所有的处理均显著高于对照（P<0.05）。总体而言，其中前两次取样香蕉苗地上部的氮、磷、钾累积量增加最显著的是T3，而120 d取样效果最好的是T4。

表4 不同生物炭和椰糠体积比处理对香蕉组培苗地上部分营养元素累积量的动态影响Table 4 Dynamic effects of different volume ratios of biochar and coconut bran on nutrient accumulation of aboveground parts of banana tissue culture seedlings

2.3 不同生物炭处理对基质理化性状的影响

表5显示的是生长前后不同生物炭浓度处理下香蕉基质物理化学性质的变化情况。在育苗前后，施加生物炭的基质pH均随着生物炭用量的增加而增加，其中在育苗前除了 T1之外均与对照有显著差异（P<0.05），在120 d取样时则全部处理均显著高于对照（P<0.05）。基质中碳含量随着生物炭施用量的增加而逐渐增加，在生长前期除了T1处理外，其他处理均与对照有显著差异（P<0.05）。随着生物炭用量的增加，基质的容重也随之增大，所有处理在育苗前后均与对照有显著差异（P<0.05）。总孔隙度则与生物炭施加量呈相反趋势，所有处理均低于对照，其中T3—T5处理在育苗前后与对照有显著差异（P<0.05）。EC含量在育苗前T3—T5处理显著高于对照（P<0.05），其中生物炭比例越高，EC含量越高，但在120 d取样时，所有处理与对照均没有显著差异。

表5 生长前后不同生物炭和椰糠体积比处理对香蕉基质物理化学性质的影响Table 5 Effects of differentvolume ratios of biochar and coconut bran on physicochemical properties of banana matrix before and after growth

碱解氮的含量育苗前后差异均不显著。有效磷和速效钾的含量在育苗前后均随着生物炭施加量的增加而增大，其中处理T3—T5在育苗前后含量均显著高于对照（P<0.05），其他处理与对照没有显著差异。全氮、磷、钾含量在育苗前后的趋势基本一致，随着生物炭施加量的增加基质中的营养元素含量均增大，其中育苗前是T2—T5处理含量显著高于对照（P<0.05），其中以T5处理数值最高；120 d时T3—T5处理显著高于对照（P<0.05），其中也是T5处理最高。

3 讨论

香蕉栽培基质为香蕉幼苗的生长提供各种水肥环境，在香蕉育苗方面具有重要作用，可避免连作障碍引起的土传病害（刘洁云等，2021），所以基质的性状直接影响香蕉幼苗的生长、产量和品质。

本研究所选用的生物炭本身含有丰富的营养元素，尤其是含有较多对香蕉生长有益的钾元素，可以作为养分直接被幼苗吸收。前人研究表明（李志刚等，2010），生物炭作为基质组分培养番茄幼苗可以显著促进番茄幼苗的株高和茎粗。同时生物炭组分的基质提高了椰糠的容重，降低了孔隙度，丰富了土壤总的微生物群落结构，促进根系的生长（刘卉等，2015）。本试验中，生物炭处理提高了香蕉幼苗的假茎长、根长、地上部和地下部的干重，对于香蕉幼苗的生长发育产生明显的促进作用，随着生物炭添加量的增加，香蕉幼苗的各项生理生长指标整体变化趋势为随着生物炭添加量的增加呈现先上升后下降的趋势，当基质中生物炭持续增加时，香蕉组培苗的生长减缓，香蕉幼苗最优处理为生物炭添加量 10%，这与郭世荣（2003）、王必尊等（2013）等的研究结果相符。但是不同的幼苗基质中生物炭的最佳添加量不同，勾芒芒等（2013）的研究表明，在番茄穴盘育苗基质中加入20%的小麦秸秆、花生壳混合生物炭对番茄生长促进作用最佳。大白菜穴盘育苗试验中（赵倩雯等，2015），50%花生壳生物炭添加量处理对大白菜幼苗生长的促进效果最好。辣椒幼苗（胡青青等，2017）在生物炭添加量为0.9%时各项指标达到最大值，之后开始下降，但仍高于对照。造成最佳添加量不同的原因可能包括：（1）采用的生物炭原料不同、制备温度不同导致生物炭的基本理化不同；（2）不同作物幼苗对营养等的需求不同，而各个作物对生物炭的响应有所不同。

生物炭是一种利用农林废弃物花生壳在厌氧条件下高温制备的物料，其具有较高的 pH，较丰富的孔隙和巨大的比表面积。传统的纯椰糠基质会导致基质保水性变差，幼苗易发生缺水而影响生长。生物炭施入基质后，可以通过生物炭吸附有机分子从而提高持水量（范如芹等，2018）。颜永毫等（2013）的研究表明，生物炭施用量越大，土壤的田间持水量越大。本试验结果表明，在一定范围内，添加一定比例的生物炭可提高基质总孔隙度，增加基质的容重、pH和EC值，而且容重和EC值的增加与生物炭的施用量成正比。本试验中，生物炭处理后基质的pH与EC值均处于安全基质范围内，其中生物炭10%处理最好，可显著促进香蕉幼苗的生长，说明生物炭的适量施加可以调节纯椰糠基质的理化性质，让其更适宜香蕉幼苗的生长。香蕉生长时会吸收大量的钾、钙和镁等离子，而当植物对阳离子的吸收量高于阴离子吸收量时会造成土壤酸化（Hinsinger et al.，2003），因此基质的酸化问题需要解决。本试验的结果表明，生物炭的施加可以减缓香蕉基质的酸化，让基质的pH保持在一个较适宜的范围。施用生物炭可以增加基质中的有机碳含量，生物炭表面含有羧基和酚羟基官能团具有较强的缓冲能力，也能起到缓冲土壤pH的作用（蒋梦蝶等，2018）。生物炭加入基质后，基质的有效磷和速效钾含量呈增加的趋势，并随着生物炭施用量的增加而增大，T3—T5处理与对照相比有显著差异，说明生物炭的施加可以显著增加基质中的养分含量。李昌娟等（2021）的研究表明，含生物炭的肥料施用后明显提高土壤 pH，从而减少土壤对磷的固定作用，同时炭基肥保留了生物炭的多微孔结构性，可为土壤微生物提供良好的生存环境，增加土壤溶磷菌和硅酸盐解钾菌活性，提高与土壤钾素转化相关的酶活性（王雪玉等，2018），从而提高茶园土壤有效养分含量，这与我们的研究结果相一致。

椰糠单独作为基质时其磷和钾的含量本身较低（Noguera et al.，2000），导致供应香蕉幼苗的养分量也较低（戴敏洁等，2013）。生物炭本身含有椰糠缺少的营养元素，同时生物炭巨大的比表面积可以吸附营养元素，并在香蕉幼苗生长期缓慢释放。生物炭在基质中的稳定性较强，对基质物理化学参数的调节作用较为持久，可以长效保持基质中的养分，使基质中养分的损失速度大大降低。添加了生物炭的基质中总氮磷钾含量、有效磷和速效钾含量与对照相比显著增加，同时生物炭对基质的水、肥、气、热条件可起到一定的协调作用，在促进农林业废弃物资源化利用的同时，可减少泥炭、椰糠等不可再生资源的消耗，有利于生态系统平衡（刘玉学等，2009）。

香蕉是典型的“喜钾”作物，有研究表明（余小兰，2012），营养液中的 K+浓度极显著影响香蕉幼苗期生物量，随着溶液中K+的不断增加，香蕉幼苗生物量整体呈现先增大后降低的趋势，这也与我们的试验结果相一致。香蕉幼苗地上部营养元素的累积量在生物炭施用量小于10%时最高，但是高于10%以后其地上部的累积量呈现下降的趋势。陈海斌（2017）的研究表明，香蕉种植过程中钾肥的施用可以促进植株对氮磷元素的吸收和积累，提高基质中的氮磷利用效率，并随着钾肥施用量的增加呈现先增大后降低的趋势。本试验中，生物炭施加后显著提高了香蕉幼苗钾的累积量，同时也增加了幼苗地上部氮磷的累积量。

生物炭属于农林废弃物的资源化利用，也是循环绿色低碳技术，这与国家 2060年前要达成“碳中和”的目标相符。通过提高农林废弃物的利用途径、利用率既可以起到改良生态环境的目的，又可以实现低碳绿色的农业发展之路。