改良剂对培养基理化性质及黑麦草生长特性的影响

苟万里,朱忠亮,廖永波,田庆容,陈天娇

改良剂对培养基理化性质及黑麦草生长特性的影响

苟万里1,朱忠亮1,廖永波2,田庆容1,陈天娇1

1. 贵阳学院 生物与环境工程学院, 贵州 贵阳 550005 2. 贵州西洋实业有限公司, 贵州 息烽 551107

为探索培养基改良剂的特性及其对黑麦草生长特性的影响，本文首先以全磷石膏、全营养土和添加了改良剂的磷石膏（改良剂包括稻壳粉、玉米秸杆粉、油菜秸杆粉、煤渣、石英砂等）为基质种植黑麦草，观察其生长表现；然后用稻壳粉和煤渣分别以5种比例加入磷石膏（磷石膏:稻壳粉=20:1～60:1，磷石膏:煤渣=3:1～20:1）作为基质并以全营养土、全磷石膏为对照种植黑麦草，分析黑麦草的生长特性和基质的理化指标，评价改良效果。结果表明，添加改良剂后黑麦草的生长表现显著优于全磷石膏组；生长表现最好的两个组分别是磷石膏:稻壳粉（20:1）和磷石膏:稻壳粉（30:1）；在一定范围内，稻壳粉添加越多越利于黑麦草生长，煤渣添加越多越不利于黑麦草生长；稻壳粉或煤渣可改善基质的pH、SMC和容重，且用量越大改善效果越明显。因此，稻壳粉是比较理想的磷石膏改良剂，基质的容重、毛管孔隙度及SMC可用于评价磷石膏改良剂的改良效果。

改良剂; 基质; 黑麦草

磷石膏（PG）是硫酸分解磷矿萃取磷酸的主要工业固体废弃物，其处置一直是一个世界性难题[1]。据报道，全世界大部分磷石膏都以堆存方式处置，全球磷石膏综合利用率约为25%，堆存量超过60亿t[2]。我国“十三五”期末磷石膏利用率达到45.3%，截至2020年堆存量超过8.3亿t，而且在“双碳”战略背景下，国家大力发展新能源项目，磷酸铁/磷酸铁锂的需求快速增长，磷石膏的产量将会进一步增加，处置难度将越来越大[3]。

磷石膏颗粒细小，透气性和持水性差，酸性强，主要成分为CaSO4×2H2O，含有少量可溶性磷、氟化物、重金属等环境不友好成分[4]，这些特征不仅使植物很难在磷石膏堆上存活（废弃多年的磷石膏堆场上仅有草本植物生长，覆盖率仅为1.1～4.5%[5]），而且因雨淋风吹和管理不到位，磷石膏中的有害成分会给周边环境带来潜在风险[6,7]，因此有必要研究废弃磷石膏堆场的植被恢复技术，以便降低堆场风险，为实现复垦打下基础。

恢复废弃磷石膏堆场的植被，最主要工作是开发能在磷石膏上种植植物的技术。尽管将少量磷石膏施入正常土壤[8-13]或盐碱土壤[14-17]有利于某些植物的生长，但在以磷石膏为主成分的基质上栽培植物是困难的，相关报道不多。总体来看，必须向磷石膏中添加一定量改良剂[18,19]植物才能生长，仅有少数品种能在改良后的磷石膏基质上生长良好[20,21]。因此改良剂的筛选及其最适添加量成为相关研究的核心。文章在温室大棚盆栽条件下，将多年生黑麦草种撒播在添加了不同改良剂的磷石膏中，观察黑麦草的生长特性，分析添加改良剂以及种植黑麦草对基质性状的影响，以寻找新的磷石膏改良剂并确定其最适添加量，探究影响黑麦草生长的主要基质因素，了解种植黑麦草对基质理化性状的影响，为废弃磷石膏堆场的植被恢复技术做一些基础性工作。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用磷石膏（PG）取自贵州省西洋肥业有限公司，多年生黑麦草种子（麦迪）购自沐阳学浩苗种场，稻壳粉（RH）、油菜秸秆（RS）、玉米秸秆（CS）、石英砂（AQ）、煤渣（CC）均从淘宝上采购，营养土（NS）、塑料花盆（规格为：长40 cm×宽26 cm×高15 cm）购自本地花鸟市场。

1.2 试验方法

1.2.1 在磷石膏中添加不同改良剂对黑麦草生长的影响取适量晾干的磷石膏按一定比例与油菜秸秆、稻壳粉等材料充分混合后装入花盆中作为栽培基质，每个花盆装6 kg，每个处理3个平行。各试验组的名称及基质配方（质量比）分别为：RS（磷石膏:油菜秸秆=44:1）、AQ（磷石膏:石英砂=5:1）、RH（磷石膏:稻壳粉=51:1）、CS（磷石膏:玉米秸秆=46:1）、CC（磷石膏:煤渣=5:1），另设2组作为对照，其名称分别为NS和PG，其基质成分依次为全营养土和全磷石膏。

将装好基质的花盆于室内大棚中放置48 h后播种。播种时先在每个花盆均匀撒上100粒黑麦草种子，然后在上面覆盖约1 cm厚的相应基质。播种当天浇水浇透，之后每天浇水，浇水量视基质湿润度确定。每天观察并记录发芽数和死亡苗数，栽培至30 d结束。计算各组的发芽率和成活率，测定每个花盆中植株的生物量。

1.2.2 改良剂不同添加比例对黑麦草的生长特性及其对基质理化性质的影响根据1.2.1的结果，选取发芽率和成活率较好的两组对应的改良剂（稻壳粉和煤渣），在1.2.1的基础上进一步调整添加比例，各试验组名称及改良剂添加比例详见表1，另设PG和NS作为对照组，其基质配方同1.2.1。

表1 各试验组基质配方及名称

按表1的比例将各基质混匀后装入塑料花盆，每个花盆6 kg，播种方法及日常管理同1.2.1。栽培至60 d时收割，期间每天观察并记录发芽数和死亡苗数。

装入花盆前采用缩分法从各基质取样500 g装入样品袋，栽培结束后用小铲子将花盆中的表层基质刮掉0.5 cm，用环刀在花盆内多点采集中层土壤，每个花盆共采集约500 g装入取样袋。所有基质样品均存于4 ℃冰箱用于检测基质理化指标。

收割时每个花盆随机选5株黑麦草测其株高、根长、叶绿素含量、丙二醛含量。剩余植株贴着土面剪下，收集花盆内的所有植株，用于测生物量。

1.3 指标测定方法

1.3.1 生长指标测定发芽率的计算公式为：种子发芽率（%）=实验结束时总发芽数/播种数×100。

成活率的计算公式为：成活率（%）=实验结束时总存活苗数/实验结束时总发芽数×100。

株高、根长和生物量：用皮尺测量从茎基处至顶端的长度为株高；在自然悬垂状态下用皮尺测量从茎基到最远端根尖的长度为根长，每个花盆5株植物的株高、根长的平均值作为该花盆植物的株高和根长。取每个花盆的所有植株，按姜娜等人[22]的方法测生物量。

1.3.2 植株生理化指标测定叶绿素含量：按照NY/T 3082-2017（水果、蔬菜及其制品中叶绿素含量的测定分光光度法）进行。

1.3.3 基质理化指标测定pH的测定：按照LY/T 1239-1999（森林土壤pH的测定）的方法进行。分析种植黑麦草前后基质pH的改变量（DpH）所用计算公式为：DpH=种植前某基质pH-种植后该基质pH。

饱和含水量（Saturated moisture content，SMC）和容重的测定：按照文献[24]的方法进行。分析种植黑麦草前后基质SMC的改变量（DSMC）所用计算公式为：DSMC=种植前某基质SMC-种植后该基质SMC。

总磷（Total phosphorus，TP）的测定：按照HJ 632-2011（土壤总磷的测定碱熔-钼锑抗分光光度法）的方法进行。分析种植黑麦草前后基质TP的改变量（RRTP）所用计算公式为：RRTP(%)=(收割后TP-种植前TP）/种植前TP×100。

有机质（Organic matter，OM）的测定：采用重铬酸钾加热法，按NY/T 1121.6-2006的方法进行。分析种植黑麦草前后基质有机质的改变量（ROM）所用的计算公式为：ROM(%)=(收割后有机质含量-种植前有机质含量）/种植前有机质含量×100。

1.4 数据处理

所有数据均用Excel和Origin pro 8.5软件处理，处理后的数据均表示为“平均值±标准差”，各处理间的差异显著性用方差分析（ANOVA），差异显著的水平设置为<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对黑麦草在磷石膏基质上生长的影响

由表2的数据可知：PG组的发芽率、成活率和生物量远低于NS组；加入改良剂的各组的发芽率为86.3%～95.2%，成活率为64.6%～79.3%，生物量均为17.4～24.2 g/盆，均远高于PG组；RH、CC和NS组的发芽率均在90%以上，相互之间差异不显著；除NS组外，RH和CC组的成活率和生物量均显著高于其他各组。这些数据说明黑麦草在全磷石膏上生长最差，添加改良剂可显著改善黑麦草的生长表现，黑麦草在添加了改良剂的磷石膏基质上的生长表现以RH组和CC组相对更好。为此选择RH组和CC组所用的改良剂做进一步实验。

表2 黑麦草在不同基质上的生长表现

注：PG (磷石膏)，NS (营养土) ，RS (油菜秸秆) ，AQ (石英砂)， RH (稻壳粉)，CS (玉米秸秆)，CC (煤渣)。数字后字母不同表示差异显著(<0.05)。

Note: PG ( Phosphogypsum)，NS (the nutrient soil substrate) ，RS (the rape stem powder) ，AQ (the arenaceous quartz)， RH (the rice husk powder)，CS (the corn stover powder)，CC (the coal cinder)。The different alphabets behind each number showed the significant difference (<0.05).

2.2 改良剂不同添加量对黑麦草生长特性的影响

观察表3的数据可知：

黑麦草在PG组上的各项生长特性都最差。

添加稻壳粉各组（RH1～RH5）的发芽率都超过95%，组间及各组与全营养土（NS）组无显著差异；添加煤渣各组（CC1～CC5）的发芽率均小于85%，显著低于RH1～RH5、NS组；CC3、CC4两组的发芽率显著高于CC1、CC2和CC5组。

RH1、RH2组的成活率均达到98%，且与NS组差异不显著；CC1～CC5的成活率均低于81%，且显著低于RH1、RH2、NS组；从RH5到RH1组，成活率逐渐升高；从CC4到CC1组，成活率逐渐降低。

RH1、RH2组的生物量与NS组差异不显著，均超过33 g/盆；从RH2到RH5组生物量逐渐降低，从CC1到CC4组生物量逐渐升高。

株高方面，RH1～RH5组与NS组无显著差异，且都显著高于CC1～CC5组；RH1～RH5各组之间以及CC1～CC5各组之间的株高差异不显著。

根长方面，RH1～RH5、NS组相互之间差异不显著，且都大于CC1～CC5组；CC2～CC5组相互之间差异不显著，且都大于CC1组。

叶绿素含量以NS组最高，RH1和RH2组次之，CC1和PG组最低；从RH5到RH1组叶绿素含量逐渐升高，从CC5到CC2组叶绿素含量逐渐下降。

丙二醛的含量以NS组最低，CC1～CC3、PG组最高。

综上所述，稻壳粉、煤渣在磷石膏中的添加量不同，黑麦草表现出不同的生长特性：一定范围内，稻壳粉添加量越多越利于黑麦草生长，煤渣添加量越多越不利于黑麦草生长；添加煤渣的最佳比例为CC4（磷石膏:煤渣=15:1），进一步增加或减少煤渣的添加量，黑麦草的生长特性总体变差；添加稻壳粉的最佳比例为20～30:1（磷石膏:稻壳粉），黑麦草在此比例下的生长特性远好于CC4组。当稻壳粉添加量达到30:1及以上时，黑麦草的生长特性（叶绿素和丙二醛除外）能达到全营养土组的水平，因此可认为稻壳粉是比较理想的磷石膏改良剂。

表3 黑麦草在不同改良磷石膏基质上的生长和生理指标

注：数字后字母不同表示差异显著(<0.05)。

Note: The different alphabets behind each number showed the significant difference (<0.05).

2.3 改良剂不同添加量对磷石膏理化指标的影响

从表4的数据可知：

各组的pH均处于4.0～6.0之间，以NS组的pH最低，CC1组最高；RH1～RH5、CC1～CC5各组的pH均高于PG组，从RH5到RH1组以及从CC5到CC1组的pH均逐渐升高。

PG组的SMC值显著低于其余各组，RH1组与NS组差异不显著，从RH5到RH1组以及从CC5到CC1组的SMC值均逐渐升高，RH1～RH5各组的SMC显著高于CC1～CC5各组。

PG组的容重显著高于其余各组；从RH5到RH1组容重逐渐降低，且各组间差异显著；从CC1到CC5组的容重呈上升高趋势，但组间差异不显著。

有机质含量以NS组极高，是其余各组的9～30倍；从RH1到RH5组有机质含量逐渐升高，CC1～CC5、PG组的有机质含量显著低于显著RH1～RH5组。

TP含量以NS组极高，是其余各组的13～19倍；除NS组外，各组之间TP含量差异不显著。

综上所述，在磷石膏中添加一定量的稻壳粉或煤渣，可以提高基质的pH和饱和含水量，降低基质的容重，而且添加量越大，各指标改变越大；添加稻壳粉对基质饱和含水量的提升效果优于煤渣，当稻壳粉的添加量达到20:1（磷石膏:稻壳粉）时，改良磷石膏的饱和含水量能达到营养土的水平；添加稻壳粉能显著增加基质中有机质含量，添加煤渣对基质中有机质含量影响不明显；添加稻壳粉或煤渣对基质的总磷无显著影响。

表4 添加不同比例的改良剂后磷石膏的理化指标

注：数字后字母不同表示差异显著(<0.05)。

Note: The different alphabets behind each number showed the significant difference (<0.05).

2.4 种植黑麦草对改良磷石膏基质某些理化指标的影响

表5 种植黑麦草前后各改良磷石膏基质理化指标的改变量

注：数字后字母不同表示差异显著(<0.05)。

Note: The different alphabets behind each number showed the significant difference (<0.05).

2.5 改良剂的改良效果评价

综合分析表2～表5的数据可知：在所有试验组中，全营养土是黑麦草生长性状最好的基质，其容重和SMC分别为65.75%、0.79 g/cm3，全磷石膏是最不适合黑麦草生长的基质，其容重和SMC分别为30.25%和1.37 g/cm3，在磷石膏中添加了改良剂后，黑麦草的生长表现均有所改善，各基质的容重均有所降低，SMC均大幅提高；稻壳粉添加量越多，黑麦草的成活率、生物量、株高、叶绿素含量均逐渐增加，对应基质的容重逐渐降低，饱和含水量和有机质逐渐增加；添加稻壳粉各基质的容重显著低于添加煤渣各组，而其饱和水含量、有机质含量则显著高于煤渣各组，黑麦草在添加稻壳粉各基质上的生长表现总体上优于添加煤渣的基质。这充分说明，改良剂的添加改善了磷石膏的容重、饱和含水量、有机质等理化指标，有利于黑麦草能够更好地生长。

黑麦草在改良磷石膏基质上生长后，使各基质的饱和含水量增加了约15%，有机质增加了6%左右，说明通过添加改良剂改善磷石膏的性状后，种植黑麦草能进一步改善磷石膏的性状，为后续种植其他作物创造有利条件。

3 讨论

文章的研究结果表明，黑麦草在全磷石膏上的生长表现较差，添加一定量的稻壳粉或煤渣能显著改善磷石膏的物理性状，并大大改善黑麦草的生长表现，这与Komnitsas K等[19]、向仰州等[21]的结果一致。

磷石膏的pH因磷肥厂加工工艺、堆放时间、堆区深度等不同而有很大差异，最低的pH约为2.70，高的在6.5左右（作者自测数据，未发表）。Patel SK等[25]证明当改良磷石膏基质的pH低于4.3时狗牙根无法生长，当pH为4.34～5.27时狗牙根能生长。向仰州等[18]证明在pH6.07的全磷石膏上一年生黑麦草、多年生黑麦草、草地早熟禾、百喜草、紫花苜蓿和白三叶等植物均能生长。文章中改良磷石膏的pH为4.38～6.96，多年生黑麦草在这些基质上均能生长。可见，对于pH太低的磷石膏，种植前只要将其pH调到4.3以上就可消除pH过低对植物生长的不利影响。

在磷石膏中加入合适的改良剂有利于植物生长，但需要关注改良剂的配方及其最适添加量。Patel SK等证明白云石在磷石膏（pH4.82）的添加量为0.87 g/kg、磷质粘土在磷石膏（pH2.78）的添加量为174.0 g/kg时，狗牙根均获得最高的生物量。向仰州等[19]证明复合改良剂（质量比为赤泥:粉煤:污泥=1:2:10.9）在磷石膏中的添加量为1:6（改良剂:磷石膏）时黑麦草的生长表现最好。文章的结果表明稻壳粉的添加比例为20～30:1（磷石膏:稻壳粉）时黑麦草的生长表现可达到在营养土上的水平。

栽培基质的某些物理性状与植物的生长密切相关。文章中黑麦草生长越好的试验组的容重越低、饱和含水量越高，说明基质的容重和饱和含水量与植物生长特性具有高相关性。向仰州等[20]观察到，基质的容重、毛管孔隙度与多年生黑麦草生长性状具有很高的吻合度。因此，用容重、毛管孔隙度及饱和含水量来评价改良剂对磷石膏的改良效果应该是可行的。

4 结论

综上所述，选择能降低磷石膏容重，增加其饱和含水量和毛管孔隙度，在合适的添加量下，控制好基质中氟的含量[26]，满足植物的营养需求，应该能实现特定植物在磷石膏基质上的良好生长。

值得一提的是，添加煤渣虽能在一定程度上改善磷石膏物理性状，并有利于黑麦草的生长，但随着煤渣添加量增多，黑麦草的生长表现并没有更好，甚至有变差的趋势，尤其是添加量最高的CC1组，其发芽率、成活率、生物理、根长、叶绿素含量均显著低于其他煤渣添加量更少的各组。造成这些结果的原因可能尚需进一步研究。

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Influence of Several Phosphogypsum Amendments on Physicochemical Properties of Substrates and Growth Characteristics of

GOU Wan-li1, ZHU Zhong-liang1, LIAO Yong-bo2, TIAN Qing-rong1, CHEN Tian-jiao1

1.550005,2.551107,

To explore the effects modifiers on mediums and growth ofAt first, The growth characteristics ofL. seeds planted in green house on PG substrate or the PG substrateds amended with the rice husk powder (RH), the corn stover powder (CS), the rape stem powder (RS), the coal cinder (CC), and the arenaceous quartz (AQ), respectively, were observed. Then,L. seeds were planted on the PG:RH substrates (w/w, 20:1～60:1, 5 series), the PG:CC substrateds (w/w, 3:1～20:1, 5 series), the PG substrate, and the nutrient soil substrate (NS), respectively. The growth characteristics and the physiological traits ofL., the physicochemical properties, were studied. The results showed as follows: The growth characters ofL. planted on any amended PG substrates were significantly better than on the PG substrate. Results showed thatthe growth performance ofL. after adding modifier was significantly better than that of total phosphogypsum group; The two groups with the best growth performance were phosphogypsum: rice hull powder (20:1) and phosphogypsum: rice hull powder (30:1); In a certain range, the more rice husk powder was added, the better the growth ofL. was. The more cinder was added, the worse the growth of ryegrass was; Rice hull powder or coal cinder can improve the pH, SMC and bulk density of the substrate, and the greater the amount, the more obvious the improvement effect. It was believed that the RH is an ideal PG amendment, and that the BD, the SMC, and the capillary porosity of substrateds can be used to judge the effect of the PG amendments.

Modifier; medium;L.

X751

A

1000-2324(2023)04-0523-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.04.007

2023-02-12

2023-02-28

贵州省林业厅科研资助项目(K18200022);国家自然科学基金项目(42163011)

苟万里(1972-),男,博士,副教授,主要从事污染环境的生物修复技术研究. E-mail:wankege@163.com