育苗基質添加辣椒稈生物炭對辣椒幼苗生長與養分的影響

王高飛，劉鴻雁，邢 丹，王洪亮，牟玉梅，王永平，王 巖，周 鵬

(1．貴州大學農學院，貴陽 550025；2.貴州省農業科學院辣椒研究所，貴陽 550006；3.貴州省農業科技發展中心，貴陽 550000)

【研究意義】辣椒是我國重要的蔬菜作物，因其富含維生素 C、辣椒素、辣椒堿等營養成分，深受廣大種植者和消費者的青睞[1]。目前,我國辣椒年種植面積在200萬hm2左右[2],是我國種植面積最大的蔬菜作物[3]，年產量占世界總產量的50%以上，居世界首位[4]。近年來，隨著辣椒大面積種植產生大量秸稈廢棄物，且目前辣椒秸稈資源化利用薄弱，秸稈隨意堆放或焚燒污染環境[5]；因此，研究辣椒秸稈廢棄物的解決方法對辣椒產業持續高效發展具有現實意義。【前人研究進展】農業廢棄物在缺氧的情況下，經過高溫慢熱解過程可制成一類富含碳素的固態物，即生物炭[6]。生物炭孔隙結構發達、比表面積巨大，其獨特的表面特征使其具有較強的吸附性能，降低了養分淋溶及固定損失，促進了植物對養分的吸收[7-11]。施用生物炭對小麥、水稻、玉米的氮素吸收量積累有一定促進作用[12]。施用生物炭促進玉米根系生長、苗期干物質積累并增加產量[13-15]。趙貫飛等[16]研究表明，生物炭可以促進辣椒生長發育并提高辣椒產量。【本研究切入點】秸稈炭化后能否用于辣椒幼苗培育，對辣椒幼苗生長以及養分吸收產生何種影響，辣椒秸稈不同部位的影響是否一致尚無相關的研究報道。【擬解決的關鍵問題】在辣椒育苗基質中添加以辣椒秸稈不同部位(根、莖基部、主莖稈、粗枝條、細枝條和秸稈混合)制成的生物炭，研究其對辣椒幼苗生長及養分含量的影響，探討辣椒秸稈炭化應用可行性并鑒選較優添加量和添加部位，為有效解決辣椒秸稈資源化利用問題提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗辣椒品種為“黔椒8號”，由貴州省農業科學院辣椒研究所提供。育苗基質購自黔南金福有限責任公司。不同原料生物炭包括辣椒根、辣椒莖基部、辣椒主莖稈、辣椒粗枝條、辣椒細枝條、辣椒秸稈混合，6種原料在450 ℃裂解1 h獲得各類生物炭，其理化性質見表1。

表1 供試生物炭基本理化性質

1.2 試驗設計

試驗在貴州省農業科學院辣椒所溫室大棚進行[控制室溫(25±3)℃，光照時間14 h/d]，設6個生物炭類型(根、莖基部、主莖稈稈、粗枝條、細枝條、秸稈混合)、2個生物炭添加水平(添加量為育苗基質干重的2%和5%)，以不添加生物炭為空白對照(CK)，共13個處理(表2)，每個處理重復6次。各處理N(0.15 g/kg)、P2O5(0.15 g/kg)和K2O(0.15 g/kg)以復合肥添加至育苗池水中,并攪拌溶解。2019年1月將辣椒種子和不同處理的基質材料裝入規格為50穴的方格穴盤中，進行室內育苗，每個穴盤6次重復，隨機區組排列。試驗各處理管理按常規。

表2 生物炭類型和和添加量各處理

1.3 測定項目及方法

辣椒播種50 d后調查植株株高、莖粗、葉長、葉寬、葉綠素、第一節間距、第二節間距、第三節間距，株高為基質表面到生長點的高度，莖粗為距基質表面1 cm處莖的粗度；葉長、葉寬為葉片縱向最長長度和橫向垂直最大寬度；第一節間距為基質表面到第一節偏下部葉的距離，第二節間距為第一節偏上部葉到第二節偏下部葉的距離，第三節間距為第二節偏上部葉到第三節偏下部葉的距離。生物量為采集植株地上部和地下部(根、莖、葉)，清洗干凈后放入烘箱在105 ℃ 殺青10 min，80 ℃烘干至恒重的質量。葉綠素用SPAD儀進行測定。全氮、全磷、全鉀含量為將植株干樣粉碎后過80目篩進行測定，全氮用硫酸—過氧化氫消煮—凱氏定氮法測定，全磷用硫酸—過氧化氫消煮—鉬銻抗比色法測定；全鉀用硫酸—過氧化氫消煮—火焰光度法測定。

1.4 數據處理與統計分析

利用Excel 2007 和SPSS 21.1 軟件進行數據處理、方差分析和主成分分析,用Origin 9.1作圖。其中，在主成分分析之前需對各個指標進行標準化處理。使用隸屬函數法統一量綱轉化數據，指標分為正相關和負相關。莖粗、葉長、葉寬、葉綠素、根干重、莖干重、葉干重、氮、磷、鉀含量為正相關指標使用公式(1)進行轉化，株高、節間距為負相關指標使用公式(2)進行轉化。綜合得分(Dn)的計算以相應主成分貢獻率為權重，通過公式(3)得到。

Uin=(Xin-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(1)

U'in=1-(Xin-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(2)

(3)

式中，Uin和U'in分別指第n個樣品第i個指標的原始數據經轉化后的隸屬函數值；Xin指第n個樣品第i個指標的原始測定結果；Ximax和Ximin分別指樣品組中第i個指標的最大值和最小值；Dn為主成分分析法得到的各樣品營養品質的綜合分值；Fjn為第n個樣品第j個特征值>1的主成分的分值；in為特征值>1的主成分的數；Ej為第j個主成分的貢獻率[17]。

壯苗指數=(莖粗/株高+根干重/地上部干重)×總干重[18]

2 結果與分析

2.1 不同生物炭處理辣椒幼苗的生長情況

由表3看出，與對照相比，根生物炭處理無論是2%添加量還是5%添加量處理幼苗的株高、莖粗、葉長、葉寬均小于對照；5%主莖稈生物炭幼苗的株高、莖粗、葉長、葉寬也均小于對照；2%細枝條生物炭處理幼苗莖粗、葉長、葉寬、葉綠素均高于其他處理，與對照相比分別增長22.6%、14.7%、16.8%及31.3%。各處理植株葉綠素含量均高于對照。2%根、2%混合生物炭處理幼苗第一節間距顯著增加，2%細枝條、5%莖基部、5%主莖稈生物炭處理第一節間距顯著降低；第二節間距各處理間差異均不顯著；第三節間距除5%主莖稈生物炭處理顯著低于對照處理外，其余處理與對照間差異均不顯著。

表3 生物炭添加不同處理辣椒幼苗的生長發育情況

相同材料生物炭不同添加量之間辣椒幼苗的株高、莖粗、葉長、葉寬、第一節間距除根生物炭處理，其余處理均表現出2%添加量大于5%添加量的趨勢。除了細枝條生物炭處理外，其余材料生物炭2種添加量相比植株株高差異都顯著。混合生物炭表現出2種添加量相比只有株高差異顯著其余指標差異都不顯著的變化趨勢。

2.2 不同生物炭處理辣椒幼苗的生物量

由圖1看出,①生物炭可促進辣椒根的生長，添加生物炭各處理辣椒幼苗根生物量增幅為7.69%～100%，除B1、B7、B9、B12與對照差異不顯著外，其余處理差異均達顯著水平，以B11處理最高，其次為B15處理。同一材料2種添加量之間根、莖基部、粗枝條、混合生物炭差異不顯著，主莖稈生物炭2%添加量顯著高于5%添加量，細枝條生物炭則表現為5%添加量顯著高于2%添加量。②不同生物炭處理對辣椒幼苗莖的影響效果不同，與對照相比，B1、B7、B9處理辣椒莖生物量降低，以B9處理最低，且與其他處理間差異均顯著。其余生物炭處理增加了辣椒幼苗莖生物量，B8處理最大，其次是B5處理，與對照相比增幅分別為43.2%和29.6%。同一材料2種添加量之間，主莖稈生物炭2%添加量顯著高于5%添加量，這與其對根的影響效果表現一致，其他生物炭處理兩種添加量之間差異均不顯著。③辣椒葉生物量B1、B6、B7、B9處理均低于對照，以B9處理最小且顯著低于對照；其余處理葉的生物量均增加，其中，B2、B3、B4、B5、B8、B11、B12處理均顯著高于對照，以B2處理最高。同一材料2種添加量之間，主莖稈、粗枝條、混合生物炭處理2種添加量之間表現出差異性，主莖稈、粗枝條生物炭表現為2%添加量顯著高于5%添加量，混合生物炭則表現為5%添加量顯著高于2%添加量。

圖1 生物炭添加不同處理辣椒根、莖、葉的生物量Fig.1 Biomass in pepper root, stem and leaf added with different biochar content

2.3 不同生物炭處理辣椒幼苗的養分含量

由表4可知，生物炭促進了辣椒幼苗對氮、磷、鉀的吸收。辣椒幼苗氮含量除B1、B6、B8、B9、B10處理與CK間差異不顯著外，其余生物炭處理辣椒幼苗氮含量均顯著高于CK。辣椒幼苗磷含量各處理間差異均不顯著，除B10處理外，其余生物炭處理均高于CK。辣椒幼苗鉀含量除B2、B4、B5、B11處理與CK間差異不顯著外，其余生物炭處理均顯著高于對照CK。同種材料2種添加量之間,主莖稈、粗枝條生物炭對辣椒幼苗氮含量影響表現為2%添加量顯著大于5%添加量處理，而辣椒幼苗鉀含量表現為5%添加量顯著大于2%添加量處理；根、細枝條生物炭2種添加量對辣椒幼苗氮、磷、鉀含量的影響差異均不顯著；混合生物炭2種添加量對辣椒幼苗氮、磷、鉀含量的影響表現為磷、鉀含量差異不顯著，氮含量5%添加量顯著高于2%添加量。莖基部生物炭2種添加量對辣椒幼苗氮、磷、鉀含量的影響表現為磷、鉀含量差異不顯著，氮含量2%添加量顯著高于5%添加量。

表4 生物炭添加不同處理辣椒幼苗的養分含量

2.4 不同生物炭處理的綜合評價

由表5可知，通過主成分分析，根據提取出特征值大于1的原則提取3個主成分，貢獻率分別為47.22%、17.94%、16.96%，累計貢獻率為82.125%，表明3個主成分可以反映生物炭處理效果的82.125%信息。根據表5中的特征向量值乘以相對應的所有生物炭處理效果的隸屬函數值，得到各處理效果對于3個主成分的單項得分F1、F2、F3，單項得分乘以相應的貢獻率后相加，得出各生物炭處理的綜合得分 Dn 并排序。以主成分貢獻率為權重，利用各樣品前3個主成分的分值與權重值，計算出各生物炭處理的綜合評價值 Dn(表6),通常，綜合分值 Dn 代表了各處理的綜合效果，分值越高對辣椒的影響效果最好,從而可知12種生物炭處理效果為B5>B2>B11>B8>B4>B3>B12>B10>CK>B6>B7>B9>B1。

表5 主成分特征向量、特征值、貢獻率及累積貢獻率

續表5 Continued table 5

表6 綜合主成分值及壯苗指數

3 討 論

生物炭因其特殊結構可促進蔬菜作物生長，對產量提高有促進效應[19-21]。本研究發現，生物炭可以促進辣椒幼苗生長，但不同材料的生物炭效果不同，而且生物炭對辣椒幼苗的影響不但與生物炭材料有關還與生物炭的添加量有關。這是由于原材料和含量的差異，使得生物炭在結構、揮發成分含量、灰分含量、孔容、比表面積等理化性質上表現出非常廣泛的多樣性，進而使其擁有不同的環境效益[22-23]。與不添加生物炭相比，生物炭促進了辣椒苗期株高、莖粗、葉長、葉寬、葉綠素的提高，降低了第一節間距，提高了第三節間距，對辣椒育壯苗有作用,其中5%細枝條生物炭處理壯苗指數最高，其次是2%細枝條生物炭處理，根生物炭壯苗指數最低，對辣椒幼苗的壯苗效果不明顯，可能是因為施用生物炭有助于改善育苗基質pH、孔隙度、持水性等，特別是有助于提高育苗基質有效養分含量，這些條件的改變對于促進幼苗生長發育有重要作用。研究表明，生物炭增加了辣椒苗期根、莖、葉的生物量，其中5%細枝條對促進根發育的作用最高，與CK相比根生物量增幅為100%。這可能是由于生物炭具有豐富的多微孔結構，比表面積大[24]。在施入育苗基質后有利于微生物的生存繁衍，增加基質有益菌群數量，增強基質生態系統功能，為辣椒幼苗根系提供良好的生存環境，進而促進了根系的生長發育。根、主莖稈生物炭對辣椒幼苗根、莖、葉生物量的促進作用不明顯，甚至出現了根生物炭、5%主莖稈生物炭處理辣椒幼苗的莖、葉生物量小于對照處理，可能是由于辣椒屬于對土壤酸堿度十分敏感的作物，而生物炭呈堿性，當施用量過大時，可能會對辣椒幼苗產生不利影響。何緒生等[25]研究發現，生物炭對作物生長或產量的效應因生物炭類型而異，同時也受生物炭用量的影響，適當的生物炭用量能促進作物對養分的吸收以及產量的提高，但生物炭施用量過大反而會抑制作物的生長，這與本研究的結果相同。株高、莖粗、葉長、葉寬、葉綠素、生物量等都是反映植株生長發育好壞的重要指標。株高和莖粗一定程度上反映了植物吸收光照的能力，葉長、葉寬反映了植物吸收光照的葉面積大小，葉綠素是植物參與光合作用的重要物質，而根系是植物攝取和運輸營養物質合成和儲存有機化合物的重要器官[26]，這些指標與植物后期的產量和品質密切相關[27]。由此看出，優質苗不但能促進植株的生長，而且對于植株增產具有重要作用。因此在辣椒育苗階段添加生物炭培育優質椒苗是較為有效的措施。

辣椒幼苗的養分含量直接反映辣椒后期生長發育情況以及辣椒成熟期的產量多少。Lehmann等[28]研究表明，生物炭能夠提高豌豆根系的固氮。同時有研究表明，生物炭可以促進番茄對氮、磷、鉀的吸收[29]。本研究表明，生物炭促進了辣椒幼苗對氮、磷、鉀的吸收，辣椒幼苗氮含量除了B9處理小于對照，其余生物炭處理均大于對照，而且B2、B3、B4、B5、B7、B11、B12處理顯著高于對照。辣椒幼苗磷含量各處理之間差異都不顯著，除了B10處理小于對照，其余生物炭處理均大于對照。B1、B3、B6、B7、B8、B9、B10、B12處理辣椒幼苗鉀含量顯著高于對照，其余生物炭處理與對照差異不顯著。這可能是由于生物炭本身含有一定數量的對辣椒幼苗生長發育有益的元素如N、P、K等和一些微量元素，為辣椒幼苗的生長提供良好的元素供應源，而不同材料生物炭本身所含的養分含量不同，同時對基質中的養分離子吸附效果不同。

通過主成分與隸屬函數分析對辣椒幼苗各生長指標及養分指標進行綜合評價表明，2%細枝條生物炭處理綜合得分最高，對辣椒幼苗的影響效果最好，與其他材料生物炭相比，細枝條生物炭pH、N、K最高，CEC較低可能育苗時對調節基質pH及養分環境有較大作用。

4 結 論

椒稈生物炭對促進辣椒幼苗的生長發育和養分的吸收利用有一定的效果，將資源化利用于育苗基質中，可培育優質椒苗，其中育苗基質中添加2%細枝條生物炭效果較優。