生物炭替代草炭对生菜生长和营养品质的影响

2024-02-15余海燕月培茜贾永霞蒲玉琳罗弦唐姗姗徐嘉宁

农业资源与环境学报 2024年1期

余海燕，月培茜，贾永霞，蒲玉琳，罗弦，唐姗姗，徐嘉宁

（1.四川农业大学资源学院，成都 611130；2.西南大学资源环境学院，重庆 400716；3.四川农业大学园艺学院，成都 611130）

无土栽培因其生产的可控性、肥水利用率高、可避免土传病害及连作障碍等优点而受到越来越多的关注[1]。基质栽培作为无土栽培的主要形式，基质性能的优劣直接决定着作物的长势[2]。草炭具有稳定的理化性质和较高的有机质含量，是最常用的栽培基质[2-3]。但草炭的过度开采和使用会增加温室气体排放、破坏生态环境，且全球草炭资源是有限的，限制了其开采和应用[4-5]。因此，寻找草炭替代物，开发利用工农业废弃资源成为基质栽培的研究热点之一。

生物炭是农林废弃物等生物质在缺氧条件下高温裂解碳化形成的稳定的富碳固体产物，具有孔隙结构丰富、比表面积大、吸附能力强等特性，有利于水分与养分的固持[6]，因此广泛应用于土壤改良、肥料缓释剂、固碳减排等[7-9]。近年来，生物炭常常替代草炭用于基质栽培中。研究发现，与纯草炭相比，草炭中添加25%（质量比）玉米秸秆生物炭后黄瓜幼苗长势更好[10]；草炭复配基质中添加1%～5%（质量比）或5%～15%（体积比）树皮生物炭增加了基质的保水保肥能力，提高了甘蓝、番茄和甜椒的产量[11-12]；在草炭中添加60%或80%（体积比）木材生物炭使植株的株高和干质量增加[13]。然而，也有研究表明生物炭对于植物的生长具有负面影响。草炭中添加25%和50%的木材生物炭导致针叶树幼苗的生长速率、生物量和光合速率降低[14]；稻壳生物炭添加量超过40%后会抑制黄瓜的生长[15]。上述研究结果表明不同植物对于生物炭的种类和添加量的响应不同，因此在生产和应用过程中，需根据植物种类选择合适的生物炭使用量或配比。

生菜（Lactuca sativaL.）学名叶用莴苣，属菊科一年生草本作物，是世界各地广泛栽培和食用的叶菜类蔬菜。近年来随着生菜无土栽培面积的扩大，草炭的需求量呈直线上升趋势。因此，在保证营养价值和生产效率的前提下，寻找合适的替代品以减少草炭的用量，对于生菜生产具有十分重要的意义。本研究分析了油菜秸秆生物炭部分代替草炭后对生菜生长和营养品质的影响，明确生物炭替代草炭用于生菜栽培的可行性；并结合基质的理化性质和生物学性质，探讨生物炭替代草炭调控生菜生长和营养品质的机理，以期为生物炭应用于基质栽培提供一定的理论依据，同时也有助于实现农林废弃物的资源化利用。

1 材料与方法

1.1 试验材料

栽培基质：油菜秸秆生物炭由浙江长三角聚农科技开发有限公司提供（热解温度为600 ℃）；草炭、蛭石和珍珠岩等由成都市千畦花木有限公司提供。各种基质基本理化性质见表1。

表1 单一基质的基本理化性质Table 1 Physicochemical properties of single substrates

生菜：品种为意大利全年耐抽苔生菜，种子由圣吉亚农业科技有限公司提供。

1.2 试验设计

试验于2021年3—6月在四川农业大学成都校区塑料大棚内进行。以草炭、珍珠岩和蛭石复配基质（4∶3∶3，体积比）为对照，试验设置4 个处理，分别为不同比例（体积比）的生物炭替代草炭。具体见表2。

表2 各处理基质体积配比（%）Table 2 Substrate volume ratio of each treatment（%）

生菜种子浸种催芽后，播于装有不同配比基质的72 孔穴盘中，生长期间常规管理。待生菜幼苗长出4～5 片真叶时，将长势相同的幼苗移入装有不同配比基质的塑料盆（21.50 cm×16.20 cm×17.50 cm）中定植，每盆1 株，每个处理重复3 次，每个重复5 盆。生长期间进行常规管理，待生菜成熟后采样并测定各项指标。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 基质的基本性质

基质容重和孔隙度测定采用郭世荣等[16]的方法；pH 和电导率（EC）采用电位法（水土比5∶1）测定；碱解氮、速效磷和速效钾分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠法和火焰光度法测定[17]。

微生物生物量碳、氮、磷采用氯仿熏蒸法测定[18]；蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性分别用3，5-二硝基水杨酸比色法、苯酚钠-次氯酸钠比色法和磷酸苯二钠比色法测定[19]。

1.3.2 生长指标

株高、根长用直尺测量；叶面积采用WinRHIZO分析系统扫描分析；植株干质量用烘干称质量法测定。

1.3.3 叶绿素含量和根系活力

叶绿素含量采用乙醇和丙酮混合提取法测定[20]；根系活力采用TTC法测定[20]。

1.3.4 营养品质

可溶性糖、可溶性蛋白和维生素C 含量分别采用蒽酮比色法、考马斯亮蓝G250 法和2，6-二氯靛酚滴定法测定[20]。

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010 进行整理，采用SPSS 22 进行LSD 方差分析，采用Canoco 5.0 绘制冗余分析（RDA）图，采用Origin 2021绘制图表。

2 结果与分析

2.1 生物炭替代草炭对基质基本性质的影响

2.1.1 理化性质

表3 为各处理栽培基质的理化性质。由表3 可知，随着生物炭添加量的增加，基质的容重和碱解氮含量逐渐降低，且均显著低于对照，分别较对照降低了13.95%～39.53%和23.73%～34.77%。基质的总孔隙度、通气孔隙度、pH、EC、速效磷和速效钾含量随生物炭添加量的增加逐渐增加，所有处理下均显著高于对照，分别较对照提高了8.59%～17.00%、16.38%～19.72%、0.30～0.76个单位、42.10%～194.74%、39.32%～148.54% 和70.16%～322.41%；而持水孔隙度仅在BS20 处理时显著高于对照。上述结果表明生物炭替代部分草炭提高了基质的孔隙度和有效养分含量。

表3 各处理栽培基质的理化性质Table 3 Physicochemical properties of cultivation substrates in each treatment

2.1.2 微生物学性质

随着各处理生物炭添加比例的增加，微生物生物量碳和微生物生物量磷含量逐渐增加，除BS5 处理MBP 外，其他处理均显著高于对照，在各处理下分别较对照增加了34.35%～218.76% 和36.42%～41.23%（表4）。微生物生物量氮则随生物炭添加量的增加先增加后减少，在BS15处理下达到最大值，且各处理的微生物生物量氮含量均显著高于对照，较对照增加了34.57%～51.85%。同样，蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性均随生物炭添加量的增加呈先上升后下降的趋势，除BS20 处理外均显著高于对照，分别较对照提高了8.35%～40.27%、28.95%～63.16% 和19.10%～32.66%。上述结果表明生物炭提高了基质的酶活性，有利于养分的循环与转化。

表4 各处理栽培基质的微生物学性质Table 4 Microbiological properties of cultivation substrates in each treatment

2.2 生物炭替代草炭对生菜生长特性和品质的影响

2.2.1 生菜生长状况

不同比例的生物炭替代草炭后生菜的生长指标见表5。由表5可以看出，随着生物炭添加量的增加，生菜的株高、根长、叶面积、地上部干质量和根系干质量均呈先增加后降低的趋势，各处理均显著高于对照，分别较对照增加了43.53%～62.35%、35.96%～54.68%、79.41%～153.20%、29.31%～67.24%和50.00%～158.33%。上述结果表明5%～20%生物炭替代草炭能显著促进生菜的生长。

表5 生物炭替代草炭对生菜生长指标的影响Table 5 Effect of biochar replacing peat on growth indexes of lettuce

2.2.2 生菜叶绿素含量和根系活力

随着各处理生物炭添加量的增加，生菜叶绿素含量和根系活力呈先上升后下降的趋势（图1），且各处理均显著高于对照，较对照分别提高了23.45%～44.08%和18.11%～46.71%，其中以BS15 处理最高。上述结果表明生物炭的添加提高了生菜的生理代谢活性，使光合作用和水肥吸收能力增强。

图1 生物炭替代草炭对生菜叶绿素含量和根系活力的影响Figure 1 Effect of biochar replacing peat on chlorophyll content and root activity of lettuce

2.2.3 生菜营养品质

生物炭替代草炭后，生菜可溶性糖、可溶性蛋白和维生素C 含量均显著高于对照（图2）。其中，可溶性糖和可溶性蛋白含量分别较对照提高了22.00%～62.42%和22.53%～53.07%，且均在BS15 处理时达到最大值；维生素C 含量较对照提高了12.87%～29.30%，在BS20 处理时达到最大值。上述结果表明5%～20%生物炭替代草炭能够提高生菜的营养品质。

图2 生物炭替代草炭对生菜营养品质的影响Figure 2 Effect of biochar replacing peat on nutritional quality of lettuce

2.3 生菜各指标与基质性质的冗余分析

为明确影响生菜生长和营养品质的主要基质性质因子，以生菜干质量和营养品质指标为物种因子分别对基质的理化性质和生物学性质指标进行约束性排序（RDA分析）。从图3A可以看出，轴1和轴2的特征值分别为95.59%和2.16%，即前2 个轴共解释了97.75%的物种适应特征；图3B 显示，轴1 和轴2 共解释了96.84%的物种适应特征。上述结果说明RDA结果可靠，生菜生长和营养品质与基质性质关系密切。

图3 生菜指标和基质性质的冗余分析Figure 3 Redundancy analysis between lettuce indices and substrate properties

由图3A 可知，生菜生长和营养品质均受土壤容重和碱解氮的负调控，受其他基质理化性质的正调控。基质理化性质对生菜各指标的重要性由大至小排序为：容重、通气孔隙度、碱解氮、速效磷、速效钾、总孔隙度、EC、pH 等。其中容重、通气孔隙度、碱解氮、速效磷、速效钾对生菜生长和营养品质有显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01）影响，是引起生菜各指标变异的主要因素，解释度分别为51.8%、28.3%、12.5%、2.8%和1.9%。图3B 显示，生菜生长和营养品质均与基质生物学指标呈正相关关系。各指标对生菜生长和品质的重要性由大至小排序为：微生物生物量碳、蔗糖酶活性、脲酶活性、微生物生物量氮、磷酸酶活性、微生物生物量磷。其中微生物生物量碳、蔗糖酶活性、脲酶活性、微生物生物量氮对生菜生长和营养品质有显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01）影响，是引起生菜各指标变异的主要因素，解释度分别为42.8%、29.1%、13.7%和11.1%。这表明生物炭替代部分草炭通过改善基质的孔隙状况提高有效养分含量，从而影响了生菜的生长和营养品质。

3 讨论

基质是作物根系生长的介质，其质量直接影响作物的生长环境和产品品质。评价基质质量的指标主要包括理化性质和生物学性质[10]。容重和孔隙度反映基质的通气保水性能，速效养分是衡量基质肥力的有效指标之一[21]。本试验中，5%～20%的生物炭替代草炭后，随着生物炭添加量的增加，基质的容重降低，总孔隙度、通气孔隙度、速效磷和速效钾含量升高（表3），这与Fornes 等[22]的研究结果相似。这是由于生物炭具有低容重和疏松多孔的结构（表1），可以增强基质对水分和养分的吸持能力[6]；也可能是因为生物炭的多微孔结构可为微生物提供良好的生存环境，增加基质中溶磷菌和硅酸盐解钾菌活性[23]，从而提高与磷、钾素转化相关的酶活性（表4）。然而，生物炭过高的C/N（表1）致使基质中铵态氮或硝态氮被转化成微生物生物量氮等形式并固定下来[7]，从而减少了碱解氮的含量（表3）。这与魏岚等[24]的研究结果一致。

基质的酶活性能够反映基质生物活性和养分转化效率[25]。蔗糖酶直接参与基质中有机物质的代谢，对基质养分和微生物生物量碳有重要影响；脲酶对基质中氮素转化有重要作用；磷酸酶则可以催化基质中有机磷化合物的矿化[26]。本试验中，5%～15%的生物炭替代草炭后，提高了蔗糖酶、脲酶和磷酸酶的活性，这与尚杰等[26]的研究结果相似。其原因可能是生物炭具有多微孔结构和吸附性，能够吸附反应底物，降低了基质中酶与底物结合的难度，促进酶促反应[27]；而且生物炭本身是一种富含有机碳的物质，为酶促反应提供了丰富的底物，从而提高了基质的酶活性，促进基质中养分的转化[27]。然而，基质的酶活性在生物炭添加比例较高（20%）时显著降低，这可能与基质pH 和EC 的升高有关。微生物生物量是指基质中微生物活体的总量，是有机质中最活跃的组分，也是植物营养物质的源和库[28]。Galvez 等[29]的研究表明，生物炭的添加可以增加土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮。在本试验中，5%～20%的生物炭替代草炭后，增加了基质的微生物生物量碳、氮、磷含量。这是因为生物炭的输入为基质中微生物生命活动提供了所需的营养物质和能量，促进微生物大量生长繁殖，加速基质中有机质的转化，进而增强微生物对碳、氮、磷等元素的吸收利用[28，30]。因此，本试验中生物炭替代草炭可提高基质养分循环酶活性和微生物生物量，促进基质养分转化，协调基质的养分平衡。

株高、根长、叶面积等形态指标及干质量可以直观反映作物的长势，而可溶性糖、可溶性蛋白和维生素C 含量是评价作物营养状况的重要指标[10]。本试验中，5%～15%的生物炭替代草炭后，促进了生菜干物质的积累（表5），提高了生菜的根系活力和叶绿素含量（图1），以及可溶性糖、可溶性蛋白和维生素C含量（图2）；而在BS20 处理下上述指标有所降低，但仍然显著高于对照。这与张瑞花等[31]对樱桃番茄的研究结果相似。这是由于生物炭替代草炭后，改善了基质的孔隙状况，并提高了基质的有效养分含量（表3），同时提高了生菜根系对水分和养分的吸收能力（图1），从而改善了生菜的生长和营养品质。然而，生物炭添加比例较高（20%）时可能导致大量的可溶性盐基离子进入栽培基质中，影响其渗透势，进而限制植物根系对水分和养分的吸收[32]，这也是BS20 处理下生菜根系活力和叶绿素含量降低、叶面积减少、生物量下降的主要原因。研究发现，生物炭对马铃薯产量和品质的提升作用与其对土壤酶活性和微生物丰富度指数的影响有关[33]，而土壤酶活性和微生物活性是影响土壤养分的主要因素[34]。本研究中RDA 分析也验证了生菜生长和营养品质与基质性质的相关关系。生菜的生长和营养品质均与基质容重和碱解氮显著负相关，与其他基质性质显著正相关（图3）。容重、通气孔隙度、碱解氮、速效磷、速效钾是引起生菜生长和营养品质变化的主要理化性质因素；而微生物生物量碳、蔗糖酶活性、脲酶活性、微生物生物量氮是引起生菜指标变化的主要微生物性质因素。这与杨霞等[35]对石斛的研究结果相似，说明生菜的生长和营养品质在很大程度上依赖于基质的孔隙状况和养分循环程度。本试验所使用的草炭和生物炭两种材料中，氮、磷、钾等大量元素含量虽然有差异（表1），但潜在的总养分供应能力相差不大，因此生物炭添加对生菜营养状况的调控作用与生物炭自身的孔隙结构和养分持留能力有关。5%～15%生物炭替代草炭，一方面改善了基质的孔隙状况（表3），增强了基质水、肥、气、热的协调能力及保水保肥能力[21]，促进根系生长；另一方面生物炭改善了基质的微生物环境，通过提高基质的微生物生物量碳、氮、磷和养分循环酶活性（表4），使得基质中微生物活性增强，有利于基质养分转化及有效养分的增加[31]，从而促进生菜对养分的吸收，最终改善生菜的生长和营养品质。但是过量施用生物炭会引起基质中氮的生物固定，影响生菜生长。