生物炭配合有機(jī)物料對(duì)水稻育秧基質(zhì)的影響

王曉燕， 方玉鳳， 龐荔丹， 孟婷婷， 戴建軍

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030)

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生物炭配合有機(jī)物料對(duì)水稻育秧基質(zhì)的影響

王曉燕， 方玉鳳， 龐荔丹， 孟婷婷， 戴建軍*

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030)

摘要[目的]為了研究生物炭配合有機(jī)物料新基質(zhì)的理化性質(zhì)及對(duì)秧苗生長(zhǎng)狀況的影響。[方法]以“龍稻11號(hào)”為供試品種,采用生物炭配合有機(jī)物料玉米秸稈和稻殼，同時(shí)按一定的體積比添加有機(jī)肥、草炭、沸石、細(xì)河沙、耕層土等，混合,進(jìn)行新基質(zhì)的水稻育秧試驗(yàn)。[結(jié)果]生物炭配合有機(jī)物料玉米秸稈和稻殼的基質(zhì)能夠提高基質(zhì)最大持水量，降低基質(zhì)容重，改善基質(zhì)pH緩沖性,對(duì)基質(zhì)堿解氮和速效鉀含量的影響較大，并且能夠提高秧苗的發(fā)根數(shù)和充實(shí)度。[結(jié)論]生物炭配合有機(jī)物料玉米秸稈和稻殼的基質(zhì)為最優(yōu)基質(zhì)。

關(guān)鍵詞生物炭；育秧基質(zhì)；理化性質(zhì)；秧苗生長(zhǎng)狀況

在寒地稻區(qū)推廣旱育稀植栽培技術(shù)，已為寒地水稻栽培的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。該技術(shù)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是大棚集中旱育苗，而育苗時(shí)需要大量的優(yōu)質(zhì)耕層土。耕層土育秧雖然成本較低，且已形成較完整的技術(shù)體系，但整地、取土勞動(dòng)強(qiáng)度大，營(yíng)養(yǎng)土的配制也常常達(dá)不到壯秧的要求[1]。黑龍江省水稻育苗均采用旱育秧技術(shù)，每年都需要大量的優(yōu)質(zhì)耕層土作為育苗床土。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年黑龍江省水稻的秧植面積達(dá)400萬hm2。黑龍江省春季氣溫較低，回暖晚，土壤解凍慢，造成水稻育苗取土、篩土困難，加之春季待播時(shí)間短，嚴(yán)重影響適時(shí)旱育苗，播種期推后，造成水稻貪青晚熟。此外，連年取土對(duì)土壤耕層破壞嚴(yán)重。 篩選合適的水稻育秧基質(zhì)，是解決上述一切采用優(yōu)質(zhì)耕層土育秧所帶來問題的關(guān)鍵。

針對(duì)這些問題，已有學(xué)者開始研究用新的育秧基質(zhì)替代營(yíng)養(yǎng)土。由于稻殼纖維素含量高、密度低、滲水性差、吸水性、保水性低等，稻殼育苗沒有得到大面積的推廣。張陽(yáng)等[2]用3～4 mm孔徑的篩子粉碎加工稻殼，利用酵素菌進(jìn)行稻殼發(fā)酵，再配上營(yíng)養(yǎng)劑作基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)無土化育秧。研究表明，將稻殼碳化后粉碎，其滲水性、保水性得到大幅度提高。這種基質(zhì)通透性好，可以培育出根系發(fā)達(dá)的壯苗[3]。以生物質(zhì)資源秸稈、牛糞、菇渣等農(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)高溫發(fā)酵、腐熟處理后制成的基質(zhì)育苗能促進(jìn)秧苗生長(zhǎng)，提高干物質(zhì)積累，而且育出的苗體健壯，秧苗整齊均勻，盤根緊實(shí)，秧片不易斷裂，在栽插過程中缺棵、漏棵較少，但制作程序繁瑣，育苗成本高[4]。劉華招[5]用珍珠巖育苗，保水性、滲水性均較強(qiáng)，育成的秧苗根長(zhǎng)、百株干重、單位苗高干重、莖基粗等秧苗素質(zhì)指標(biāo)高，且根數(shù)多，須根多，發(fā)根力強(qiáng)，但用上述礦物質(zhì)資源育苗普遍存在盤根性差，取秧、卷苗時(shí)易斷裂，造成插秧機(jī)在插秧時(shí)不能使用等問題。

為了克服單一物質(zhì)育苗的不足，筆者采用不同配比的礦物質(zhì)資源和生物質(zhì)資源的育秧基質(zhì)。供試新基質(zhì)中添加生物炭配合有機(jī)物料玉米秸稈和稻殼，同時(shí)添加有機(jī)肥、草炭、沸石、細(xì)河沙、耕層土等，按一定的體積比混合。其中，生物炭是將農(nóng)作物秸稈、木屑等含碳量豐富的生物質(zhì)材料在無氧或低氧的條件下熱解得到的一種粒度小、多孔性的碳質(zhì)材料[6-7]。它含有較豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分元素如磷、鉀、鈣、鎂及氮素，施入土壤后能夠提高土壤中養(yǎng)分含量[8]。生物炭呈堿性，可用于改良酸性土壤，減少或避免因施用石灰等傳統(tǒng)方法所引起的資源浪費(fèi)問題。研究還表明，施用生物炭可提高土壤持水容量和養(yǎng)分吸持容量[9]，提高陽(yáng)離子交換量(CEC)、土壤微生物量及活性，促進(jìn)土壤穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成[10],提高土壤有機(jī)碳含量和酸性土壤pH[11]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)年產(chǎn)農(nóng)林業(yè)廢棄物約 14億t，其中僅玉米、水稻、小麥等作物秸稈產(chǎn)量就達(dá) 6.5 億t，但其中秸稈還田量占比不足 20%[12]。將這些農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用，不僅可以減少對(duì)環(huán)境的污染，而且可以作為可再生能源。另一方面，在育苗基質(zhì)中添加生物炭還可以吸附土壤中未被作物利的水分和養(yǎng)分，延緩養(yǎng)分釋放，減弱其在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化能力[13]。筆者通過新基質(zhì)水稻育苗試驗(yàn)，探討不同有機(jī)物料育秧基質(zhì)的理化性質(zhì)和秧苗生長(zhǎng)狀況，從而篩選優(yōu)質(zhì)基質(zhì)，旨在為水稻基質(zhì)育苗應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

1.1.1生物炭的制備。試驗(yàn)材料釆用稻殼炭，將稻殼直接炭化。將稻殼裝入300 ml陶瓷坩堝，蓋上蓋子,在馬弗爐內(nèi)以2 ℃/min的速率升溫至400 ℃，保持30 min后取出,冷卻至室溫后將燒制好的稻殼炭放入自封袋中備用。

1.1.2水稻品種。供試水稻品種為“龍稻11號(hào)”,由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所提供。

1.1.3有機(jī)物料。供試有機(jī)物料為粉碎的玉米秸稈和稻殼，其余配料有有機(jī)肥、草炭、沸石、細(xì)河沙、耕層土(土壤類型為黑土)。各原料都過1 mm篩。

1.2水稻育苗基質(zhì)的配制水稻育苗基質(zhì)由粉碎的玉米秸稈、稻殼粉、有機(jī)肥、草炭、沸石、細(xì)河沙、耕層土等按一定的比例混合而成。添加生物炭的處理為按體積比添加5%的生物炭，對(duì)照為耕層土加壯秧劑(內(nèi)含豐富的復(fù)合酵素、有機(jī)質(zhì)、腐殖酸、有機(jī)態(tài)氮磷鉀、微量元素，還有秧苗直接吸收利用的抗生素、抗菌素、激素、有機(jī)酸等活性物質(zhì))。不同有機(jī)物料基質(zhì)配比為：耕層土+壯秧劑(CK)；秸稈20%+有機(jī)肥10%+草炭20%+沸石10%+細(xì)河沙20%+土20%(J)，稻殼20%+有機(jī)肥10%+草炭20%+沸石10%+細(xì)河沙20%+土20%(D)，秸稈10%+稻殼10%+有機(jī)肥10%+草炭20%+沸石10%+細(xì)河沙20%+土20%(H)，秸稈20%+有機(jī)肥10%+草炭20%+沸石10%+細(xì)河沙20%+土20%+5%生物炭(JC)，稻殼20%+有機(jī)肥10%+草炭20%+沸石10%+細(xì)河沙20%+土20%+5%生物炭(DC)，秸稈10%+稻殼10%+有機(jī)肥10%+草炭20%+沸石10%+細(xì)河沙20%+土20%+5%生物炭(HC)。最后，將基質(zhì)pH調(diào)節(jié)至4.5～5.0。不同有機(jī)物料基質(zhì)的理化性質(zhì)見表1。

表1　不同有機(jī)物料理化性狀含量

1.3試驗(yàn)方法試驗(yàn)于2014年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行，以水稻為研究對(duì)象，采取大棚育苗方式育苗。2014年4月6日將調(diào)配好的基質(zhì)鋪盤(育秧盤采用規(guī)格580 mm×280 mm的插秧機(jī)配套軟盤)，直至鋪平育秧盤。該試驗(yàn)共設(shè)不同配比的7個(gè)處理， 3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。水稻種子經(jīng)過曬種、選種、浸種消毒以及催芽后于2014年4月7日播種，分別于播種后14、23、32、41 d取樣。

1.4樣品的采集、測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1基質(zhì)取樣測(cè)定。首先，測(cè)定配好基質(zhì)的容重、最大持水量[14]。分別在播種后第14、23、32、41天取基質(zhì)樣，測(cè)定堿解氮、速效磷、有效鉀的含量以及pH。堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定[15]；速效磷采用0.5 mol/L的NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測(cè)定；有效鉀用1 mol/L的NH4OAC浸提火焰光度計(jì)測(cè)定。

1.4.2水稻秧苗取樣測(cè)定。分別在播種后第14、23、32、41天取20株生長(zhǎng)情況一致的植株，測(cè)定株高、鮮重、干重、根條數(shù)及最大根長(zhǎng)。植物樣于105 ℃殺青,75 ℃烘至恒重，稱干重。在最后一次測(cè)定葉齡和葉綠素值。

1.5數(shù)據(jù)分析用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同有機(jī)物料育秧基質(zhì)理化性質(zhì)的比較

2.1.1最大持水量。 由圖1可知，不同有機(jī)物料基質(zhì)的最大持水量與對(duì)照間差異在0.05水平顯著，不同物料基質(zhì)之間差異性不顯著，不添加生物炭的處理中處理H的最大持水量最高，添加生物炭后各基質(zhì)的最大持水量增大，處理HC的最大持水量最大為130.88%。這說明新基質(zhì)在改善土壤最大持水量方面有良好的效果。

注：不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。圖1　不同育秧基質(zhì)最大持水量

注：不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。圖2　不同育秧基質(zhì)的容重

2.1.2容重。由圖2可知，不同有機(jī)物料基質(zhì)的容重與對(duì)照間差異在0.05水平顯著，新基質(zhì)的容重都小于對(duì)照耕層土；在不添加生物炭的處理中，處理J、處理D、處理H的容重間差異在0.05水平顯著且處理H的容重最小；在添加生物炭之后，各基質(zhì)的容重都減小，但差異性不顯著，處理HC的容重最小。

2.1.3pH。由圖3可知，隨著取樣時(shí)間的增加，育秧基質(zhì)的pH逐漸增加。在第1次取樣時(shí)，基質(zhì)的pH變化速率較大，之后變化較小；在取樣后期，添加生物炭的處理JC、處理DC的 pH變化較大，比不添加生物炭的處理J、處理D都高。這可能是由于生物炭本來就呈堿性，能夠提高基質(zhì)的pH,其中添加生物炭的處理HC變化范圍小，即緩沖性強(qiáng)。雖然基質(zhì)的pH逐漸增大，仍都在水稻適宜的生長(zhǎng)范圍內(nèi)。

圖3　不同育秧基質(zhì)pH的變化

圖4　不同育秧基質(zhì)堿解氮含量變化

2.1.4堿解氮含量。由圖4可知，各處理堿解氮含量整體呈下降趨勢(shì)，但是在播種后第32天處理J、處理HC堿解氮含量有所升高，處理JC堿解氮含量變化范圍較小，處理HC堿解氮含量較高，處理DC和處理HC堿解氮含量變化較大，但仍比不添加生物炭的處理D和處理H高，即生物炭的添加對(duì)育秧基質(zhì)堿解氮含量的影響較大。

圖5　不同育秧基質(zhì)速效磷含量的變化

圖6　不同育秧基質(zhì)速效鉀含量的變化

2.1.5速效磷含量。由圖5可知，各處理速效磷含量都呈先上升后下降的趨勢(shì)。在添加生物炭的處理中，速效磷含量沒有明顯變化；在不添加生物炭的處理中，處理J的速效磷含量最高，處理H次之。也有研究表明，生物炭對(duì)土壤速效磷沒有顯著影響[16]。

2.1.6速效鉀含量。由圖6可知，不同育秧基質(zhì)中速效鉀含量先下降，在播種后第32天含量又上升；添加生物炭的處理JC、處理DC、處理HC速效鉀含量都高于不添加生物炭的處理J、處理D、處理H，其中處理HC速效鉀含量最高。這說明生物炭的添加對(duì)基質(zhì)速效鉀含量的影響較大。

2.2不同有機(jī)物料育秧基質(zhì)對(duì)秧苗生長(zhǎng)狀況的影響

2.2.1水稻葉綠素含量。葉綠素含量與葉片中氮含量的關(guān)系密切。通過對(duì)水稻秧苗葉綠素含量的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)水稻秧苗在不同處理中葉綠素和氮素的變化情況。由圖7可知,不同育秧基質(zhì)相比，葉綠素含量間不存在差異，各處理間葉綠素含量較接近，說明各處理中氮素含量能夠滿足水稻秧苗生長(zhǎng)的需求。

圖7　不同育秧基質(zhì)對(duì)葉綠素的影響

圖8　不同育秧基質(zhì)對(duì)干重鮮重的影響

2.2.2秧苗鮮重、干重。由圖8可知，水稻秧苗的鮮重和干重在不同育秧基質(zhì)之間不存在差異。但是，添加生物炭的處理JC、處理DC、處理HC植株鮮重都高于不添加生物炭的處理J、處理D、處理H,添加生物炭的處理DC、處理HC的干重都高于不添加生物炭的處理D、處理H。

2.2.3水稻秧苗株高。水稻的莖粗、株高是衡量水稻壯苗的重要指標(biāo)。由圖9 可知，在育苗初期，不添加生物炭的處理株高比添加生物炭的處理高，隨著取樣時(shí)間的延長(zhǎng)，在播種后第41天取樣時(shí)添加生物炭處理的株高都高于不添加生物炭處理；在播種后第14天取樣時(shí)，添加生物炭的處理JC、處理DC與不添加生物炭的處理間差異在0.05水平顯著，處理H和處理HC間不存在差異，在播種后第41天取樣時(shí)添加生物炭的處理HC 與不添加生物炭的處理H間差異在0.05水平顯著。

注：不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。圖9　不同育秧基質(zhì)對(duì)株高的影響

2.2.4秧苗發(fā)根力。水稻發(fā)根力是衡量秧苗是否健壯的標(biāo)志。發(fā)根力強(qiáng)的秧苗在移栽后能夠壯苗。由表2可知，處理JC中水稻秧苗的根長(zhǎng)在0.05水平顯著高于其他基質(zhì)，處理HC的發(fā)根數(shù)最多為12.2根，添加生物炭的處理HC的充實(shí)度大于其他處理。

表2　不同育秧基質(zhì)水稻秧苗發(fā)根力

注：同列不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。

3結(jié)論與討論

在采用不同有機(jī)物料育秧基質(zhì)試驗(yàn)中，育秧基質(zhì)的pH 隨著植株的生長(zhǎng)逐漸升高。這可能是由基質(zhì)在調(diào)節(jié)酸度后根系活動(dòng)和持續(xù)澆水造成的。水稻育秧的最適 pH為 4.5～5.5。在育秧初期將基質(zhì)pH都調(diào)節(jié)到4.5～5.0，育秧后期基質(zhì)的pH接近5.5。定期追肥可以增強(qiáng)基質(zhì)的緩沖能力，也可能是呈堿性的生物炭對(duì)基質(zhì)有一定的緩沖作用，潛在改善酸性土壤。

研究表明，處理HC水稻育秧基質(zhì)培養(yǎng)的水稻植株的株高、充實(shí)度均最高，處理H都低，其原因可能是處理H的理化性質(zhì)較好。在基質(zhì)的容重和最大持水量方面，處理HC基質(zhì)的容重最小，而最大持水量最大，基質(zhì)容重與最大持水量呈顯著負(fù)相關(guān)，在一定范圍內(nèi)基質(zhì)容重越小，基質(zhì)的最大持水量越大，保水保肥能力越強(qiáng)，越適宜植株生長(zhǎng)。水稻秧苗的干重、發(fā)根數(shù)、根長(zhǎng)、葉綠素在不同育秧基質(zhì)間差異性不顯著，但都能夠滿足水稻秧苗生長(zhǎng)的需求。

研究還表明，有機(jī)物料中生物炭的添加對(duì)基質(zhì)堿解氮含量和速效鉀含量的影響較大，對(duì)速效磷含量幾乎沒有影響。處理HC和處理DC的堿解氮含量變化大，處理JC的堿解氮含量變化小,處理HC和處理J的堿解氮含量較高；處理HC和處理H的速效鉀含量高，但添加生物炭的處理速效鉀的含量都高于不添加生物炭的處理。這可能與生物炭中豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分元素有關(guān)。

綜合育秧基質(zhì)理化性質(zhì)變化和秧苗的生長(zhǎng)狀況，處理HC的基質(zhì)容重最小，最大持水量最大，基質(zhì)中速效氮和速效鉀養(yǎng)分含量高。該處理下水稻秧苗的充實(shí)度最大，能達(dá)到壯秧的效果，即基質(zhì)HC為最優(yōu)基質(zhì)。

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Effects of Biochar with Organic Material on Rice Seedling Substrates

WANG Xiao-yan , FANG Yu-feng, PANG Li-dan,DAI Jian-jun*et al (College of Resources and Environmental Sciences, Northeast Agricultural University, Harbin, Heilongjiang 150030)

Abstract[Objective] The research aimed to study physical and chemical properties of biochar with organic material and its effects on seedling growth. [Method] Taking "Long Rice 11" as tested varieties, with biochar and organic materials such as corn straw and rice husks, we added organic manure, peat, zeolites, fine sand,topsoil soil and so on according to a certain volume ratio. And we conducted a rice seedling test on the new matrix. [Result] Biochar with organic material of corn stalks and rice husk could increase the maximum water holding capacity of the matrix, reduce density matrix, and improve the matrix pH buffering. The effect of nitrogen and potassium content of the matrix was large, and the numbers of seedling root and plumpness were increased. [Conclusion] Biochar with organic material of corn stalks and rice husk substrate is the best.

Key wordsBiological carbon; Rice seedlings substrate; Physical and chemical properties；Seedling growth

收稿日期2015-11-16

作者簡(jiǎn)介王曉燕(1989- )，女，甘肅定西人，碩士研究生，研究方向：土壤與植物營(yíng)養(yǎng)。*通訊作者，副教授，博士，從事土壤質(zhì)量和作物營(yíng)養(yǎng)學(xué)方面的研究。

基金項(xiàng)目黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃(GC13B105)。

中圖分類號(hào)S 14

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2015)36-188-04