王晓燕， 方玉凤， 庞荔丹， 孟婷婷， 戴建军

(东北农业大学资源与环境学院，黑龙江哈尔滨 150030)



生物炭配合有机物料对水稻育秧基质的影响

王晓燕， 方玉凤， 庞荔丹， 孟婷婷， 戴建军*

(东北农业大学资源与环境学院，黑龙江哈尔滨 150030)

摘要[目的]为了研究生物炭配合有机物料新基质的理化性质及对秧苗生长状况的影响。[方法]以“龙稻11号”为供试品种,采用生物炭配合有机物料玉米秸秆和稻壳，同时按一定的体积比添加有机肥、草炭、沸石、细河沙、耕层土等，混合,进行新基质的水稻育秧试验。[结果]生物炭配合有机物料玉米秸秆和稻壳的基质能够提高基质最大持水量，降低基质容重，改善基质pH缓冲性,对基质碱解氮和速效钾含量的影响较大，并且能够提高秧苗的发根数和充实度。[结论]生物炭配合有机物料玉米秸秆和稻壳的基质为最优基质。

关键词生物炭；育秧基质；理化性质；秧苗生长状况

在寒地稻区推广旱育稀植栽培技术，已为寒地水稻栽培的发展做出了巨大贡献。该技术最关键的环节是大棚集中旱育苗，而育苗时需要大量的优质耕层土。耕层土育秧虽然成本较低，且已形成较完整的技术体系，但整地、取土劳动强度大，营养土的配制也常常达不到壮秧的要求[1]。黑龙江省水稻育苗均采用旱育秧技术，每年都需要大量的优质耕层土作为育苗床土。据统计，2014年黑龙江省水稻的秧植面积达400万hm2。黑龙江省春季气温较低，回暖晚，土壤解冻慢，造成水稻育苗取土、筛土困难，加之春季待播时间短，严重影响适时旱育苗，播种期推后，造成水稻贪青晚熟。此外，连年取土对土壤耕层破坏严重。 筛选合适的水稻育秧基质，是解决上述一切采用优质耕层土育秧所带来问题的关键。

针对这些问题，已有学者开始研究用新的育秧基质替代营养土。由于稻壳纤维素含量高、密度低、渗水性差、吸水性、保水性低等，稻壳育苗没有得到大面积的推广。张阳等[2]用3～4 mm孔径的筛子粉碎加工稻壳，利用酵素菌进行稻壳发酵，再配上营养剂作基质，实现无土化育秧。研究表明，将稻壳碳化后粉碎，其渗水性、保水性得到大幅度提高。这种基质通透性好，可以培育出根系发达的壮苗[3]。以生物质资源秸秆、牛粪、菇渣等农业废弃物经高温发酵、腐熟处理后制成的基质育苗能促进秧苗生长，提高干物质积累，而且育出的苗体健壮，秧苗整齐均匀，盘根紧实，秧片不易断裂，在栽插过程中缺棵、漏棵较少，但制作程序繁琐，育苗成本高[4]。刘华招[5]用珍珠岩育苗，保水性、渗水性均较强，育成的秧苗根长、百株干重、单位苗高干重、茎基粗等秧苗素质指标高，且根数多，须根多，发根力强，但用上述矿物质资源育苗普遍存在盘根性差，取秧、卷苗时易断裂，造成插秧机在插秧时不能使用等问题。

为了克服单一物质育苗的不足，笔者采用不同配比的矿物质资源和生物质资源的育秧基质。供试新基质中添加生物炭配合有机物料玉米秸秆和稻壳，同时添加有机肥、草炭、沸石、细河沙、耕层土等，按一定的体积比混合。其中，生物炭是将农作物秸秆、木屑等含碳量丰富的生物质材料在无氧或低氧的条件下热解得到的一种粒度小、多孔性的碳质材料[6-7]。它含有较丰富的矿质养分元素如磷、钾、钙、镁及氮素，施入土壤后能够提高土壤中养分含量[8]。生物炭呈碱性，可用于改良酸性土壤，减少或避免因施用石灰等传统方法所引起的资源浪费问题。研究还表明，施用生物炭可提高土壤持水容量和养分吸持容量[9]，提高阳离子交换量(CEC)、土壤微生物量及活性，促进土壤稳定性团聚体的形成[10],提高土壤有机碳含量和酸性土壤pH[11]。据统计，我国年产农林业废弃物约 14亿t，其中仅玉米、水稻、小麦等作物秸秆产量就达 6.5 亿t，但其中秸秆还田量占比不足 20%[12]。将这些农业废弃物循环利用，不仅可以减少对环境的污染，而且可以作为可再生能源。另一方面，在育苗基质中添加生物炭还可以吸附土壤中未被作物利的水分和养分，延缓养分释放，减弱其在土壤中的迁移转化能力[13]。笔者通过新基质水稻育苗试验，探讨不同有机物料育秧基质的理化性质和秧苗生长状况，从而筛选优质基质，旨在为水稻基质育苗应用提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

1.1.1生物炭的制备。试验材料釆用稻壳炭，将稻壳直接炭化。将稻壳装入300 ml陶瓷坩埚，盖上盖子,在马弗炉内以2 ℃/min的速率升温至400 ℃，保持30 min后取出,冷却至室温后将烧制好的稻壳炭放入自封袋中备用。

1.1.2水稻品种。供试水稻品种为“龙稻11号”,由黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所提供。

1.1.3有机物料。供试有机物料为粉碎的玉米秸秆和稻壳，其余配料有有机肥、草炭、沸石、细河沙、耕层土(土壤类型为黑土)。各原料都过1 mm筛。

1.2水稻育苗基质的配制水稻育苗基质由粉碎的玉米秸秆、稻壳粉、有机肥、草炭、沸石、细河沙、耕层土等按一定的比例混合而成。添加生物炭的处理为按体积比添加5%的生物炭，对照为耕层土加壮秧剂(内含丰富的复合酵素、有机质、腐殖酸、有机态氮磷钾、微量元素，还有秧苗直接吸收利用的抗生素、抗菌素、激素、有机酸等活性物质)。不同有机物料基质配比为：耕层土+壮秧剂(CK)；秸秆20%+有机肥10%+草炭20%+沸石10%+细河沙20%+土20%(J)，稻壳20%+有机肥10%+草炭20%+沸石10%+细河沙20%+土20%(D)，秸秆10%+稻壳10%+有机肥10%+草炭20%+沸石10%+细河沙20%+土20%(H)，秸秆20%+有机肥10%+草炭20%+沸石10%+细河沙20%+土20%+5%生物炭(JC)，稻壳20%+有机肥10%+草炭20%+沸石10%+细河沙20%+土20%+5%生物炭(DC)，秸秆10%+稻壳10%+有机肥10%+草炭20%+沸石10%+细河沙20%+土20%+5%生物炭(HC)。最后，将基质pH调节至4.5～5.0。不同有机物料基质的理化性质见表1。

表1　不同有机物料理化性状含量

1.3试验方法试验于2014年在东北农业大学试验基地进行，以水稻为研究对象，采取大棚育苗方式育苗。2014年4月6日将调配好的基质铺盘(育秧盘采用规格580 mm×280 mm的插秧机配套软盘)，直至铺平育秧盘。该试验共设不同配比的7个处理， 3次重复，随机区组排列。水稻种子经过晒种、选种、浸种消毒以及催芽后于2014年4月7日播种，分别于播种后14、23、32、41 d取样。

1.4样品的采集、测定项目与方法

1.4.1基质取样测定。首先，测定配好基质的容重、最大持水量[14]。分别在播种后第14、23、32、41天取基质样，测定碱解氮、速效磷、有效钾的含量以及pH。碱解氮采用碱解扩散法测定[15]；速效磷采用0.5 mol/L的NaHCO3浸提钼锑抗比色法测定；有效钾用1 mol/L的NH4OAC浸提火焰光度计测定。

1.4.2水稻秧苗取样测定。分别在播种后第14、23、32、41天取20株生长情况一致的植株，测定株高、鲜重、干重、根条数及最大根长。植物样于105 ℃杀青,75 ℃烘至恒重，称干重。在最后一次测定叶龄和叶绿素值。

1.5数据分析用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0等软件进行数据统计与分析。

2结果与分析

2.1不同有机物料育秧基质理化性质的比较

2.1.1最大持水量。 由图1可知，不同有机物料基质的最大持水量与对照间差异在0.05水平显著，不同物料基质之间差异性不显著，不添加生物炭的处理中处理H的最大持水量最高，添加生物炭后各基质的最大持水量增大，处理HC的最大持水量最大为130.88%。这说明新基质在改善土壤最大持水量方面有良好的效果。

注：不同小写字母表示在0.05水平差异显著。图1　不同育秧基质最大持水量

注：不同小写字母表示在0.05水平差异显著。图2　不同育秧基质的容重

2.1.2容重。由图2可知，不同有机物料基质的容重与对照间差异在0.05水平显著，新基质的容重都小于对照耕层土；在不添加生物炭的处理中，处理J、处理D、处理H的容重间差异在0.05水平显著且处理H的容重最小；在添加生物炭之后，各基质的容重都减小，但差异性不显著，处理HC的容重最小。

2.1.3pH。由图3可知，随着取样时间的增加，育秧基质的pH逐渐增加。在第1次取样时，基质的pH变化速率较大，之后变化较小；在取样后期，添加生物炭的处理JC、处理DC的 pH变化较大，比不添加生物炭的处理J、处理D都高。这可能是由于生物炭本来就呈碱性，能够提高基质的pH,其中添加生物炭的处理HC变化范围小，即缓冲性强。虽然基质的pH逐渐增大，仍都在水稻适宜的生长范围内。

图3　不同育秧基质pH的变化

图4　不同育秧基质碱解氮含量变化

2.1.4碱解氮含量。由图4可知，各处理碱解氮含量整体呈下降趋势，但是在播种后第32天处理J、处理HC碱解氮含量有所升高，处理JC碱解氮含量变化范围较小，处理HC碱解氮含量较高，处理DC和处理HC碱解氮含量变化较大，但仍比不添加生物炭的处理D和处理H高，即生物炭的添加对育秧基质碱解氮含量的影响较大。

图5　不同育秧基质速效磷含量的变化

图6　不同育秧基质速效钾含量的变化

2.1.5速效磷含量。由图5可知，各处理速效磷含量都呈先上升后下降的趋势。在添加生物炭的处理中，速效磷含量没有明显变化；在不添加生物炭的处理中，处理J的速效磷含量最高，处理H次之。也有研究表明，生物炭对土壤速效磷没有显著影响[16]。

2.1.6速效钾含量。由图6可知，不同育秧基质中速效钾含量先下降，在播种后第32天含量又上升；添加生物炭的处理JC、处理DC、处理HC速效钾含量都高于不添加生物炭的处理J、处理D、处理H，其中处理HC速效钾含量最高。这说明生物炭的添加对基质速效钾含量的影响较大。

2.2不同有机物料育秧基质对秧苗生长状况的影响

2.2.1水稻叶绿素含量。叶绿素含量与叶片中氮含量的关系密切。通过对水稻秧苗叶绿素含量的测定，发现水稻秧苗在不同处理中叶绿素和氮素的变化情况。由图7可知,不同育秧基质相比，叶绿素含量间不存在差异，各处理间叶绿素含量较接近，说明各处理中氮素含量能够满足水稻秧苗生长的需求。

图7　不同育秧基质对叶绿素的影响

图8　不同育秧基质对干重鲜重的影响

2.2.2秧苗鲜重、干重。由图8可知，水稻秧苗的鲜重和干重在不同育秧基质之间不存在差异。但是，添加生物炭的处理JC、处理DC、处理HC植株鲜重都高于不添加生物炭的处理J、处理D、处理H,添加生物炭的处理DC、处理HC的干重都高于不添加生物炭的处理D、处理H。

2.2.3水稻秧苗株高。水稻的茎粗、株高是衡量水稻壮苗的重要指标。由图9 可知，在育苗初期，不添加生物炭的处理株高比添加生物炭的处理高，随着取样时间的延长，在播种后第41天取样时添加生物炭处理的株高都高于不添加生物炭处理；在播种后第14天取样时，添加生物炭的处理JC、处理DC与不添加生物炭的处理间差异在0.05水平显著，处理H和处理HC间不存在差异，在播种后第41天取样时添加生物炭的处理HC 与不添加生物炭的处理H间差异在0.05水平显著。

注：不同小写字母表示在0.05水平差异显著。图9　不同育秧基质对株高的影响

2.2.4秧苗发根力。水稻发根力是衡量秧苗是否健壮的标志。发根力强的秧苗在移栽后能够壮苗。由表2可知，处理JC中水稻秧苗的根长在0.05水平显著高于其他基质，处理HC的发根数最多为12.2根，添加生物炭的处理HC的充实度大于其他处理。

表2　不同育秧基质水稻秧苗发根力

注：同列不同小写字母表示在0.05水平差异显著。

3结论与讨论

在采用不同有机物料育秧基质试验中，育秧基质的pH 随着植株的生长逐渐升高。这可能是由基质在调节酸度后根系活动和持续浇水造成的。水稻育秧的最适 pH为 4.5～5.5。在育秧初期将基质pH都调节到4.5～5.0，育秧后期基质的pH接近5.5。定期追肥可以增强基质的缓冲能力，也可能是呈碱性的生物炭对基质有一定的缓冲作用，潜在改善酸性土壤。

研究表明，处理HC水稻育秧基质培养的水稻植株的株高、充实度均最高，处理H都低，其原因可能是处理H的理化性质较好。在基质的容重和最大持水量方面，处理HC基质的容重最小，而最大持水量最大，基质容重与最大持水量呈显著负相关，在一定范围内基质容重越小，基质的最大持水量越大，保水保肥能力越强，越适宜植株生长。水稻秧苗的干重、发根数、根长、叶绿素在不同育秧基质间差异性不显著，但都能够满足水稻秧苗生长的需求。

研究还表明，有机物料中生物炭的添加对基质碱解氮含量和速效钾含量的影响较大，对速效磷含量几乎没有影响。处理HC和处理DC的碱解氮含量变化大，处理JC的碱解氮含量变化小,处理HC和处理J的碱解氮含量较高；处理HC和处理H的速效钾含量高，但添加生物炭的处理速效钾的含量都高于不添加生物炭的处理。这可能与生物炭中丰富的矿质养分元素有关。

综合育秧基质理化性质变化和秧苗的生长状况，处理HC的基质容重最小，最大持水量最大，基质中速效氮和速效钾养分含量高。该处理下水稻秧苗的充实度最大，能达到壮秧的效果，即基质HC为最优基质。

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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

作者简介王晓燕(1989- )，女，甘肃定西人，硕士研究生，研究方向：土壤与植物营养。*通讯作者，副教授，博士，从事土壤质量和作物营养学方面的研究。

基金项目黑龙江省应用技术研究与开发计划(GC13B105)。

中图分类号S 14

文献标识码A

文章编号0517-6611(2015)36-188-04