不同生物炭配比育苗基質(zhì)對煙苗素質(zhì)的影響

劉光亮， 王永利， 呂國新， 丁志勇， 王耀斌， 董建新， 管恩娜，3， 李　哲，，楊　波，5， 李　軍， 彭世陽， 宋文靜

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所/農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院青島煙草資源與環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站，山東青島 266101； 2.山東青島煙草有限公司，山東青島 266023； 3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081；4.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南 250100； 5.江西省煙草公司贛州市公司，江西贛州 341000)

烤煙育苗是烤煙生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，我國煙草行業(yè)自1999年開始大力推廣煙草集約化育苗技術(shù)，目前已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了全部集約化育苗。目前，托盤育苗基質(zhì)材料易得，但配比、過程稍顯復(fù)雜；漂浮育苗基質(zhì)主要由草炭和泥炭組成[1-2]，隨著育苗技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用推廣，草炭和泥炭資源過度消耗，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境[3]。因此，尋找替代草炭和泥炭作為基質(zhì)的材料亟待解決。關(guān)于育苗基質(zhì)替代的研究較多，如用花生殼[4]、炭化谷殼[5-6]、玉米秸稈[7]、蚯蚓糞[8-9]等有機(jī)物料的發(fā)酵或炭化，均可實(shí)現(xiàn)草炭或泥炭的替代，但材料適應(yīng)性不夠廣泛，規(guī)?；^難。

長期以來，煙葉種植給煙區(qū)土地資源帶來了沉重負(fù)擔(dān)，大量的煙草秸稈造成資源浪費(fèi)，降低了土壤肥力，煙草秸稈直接還田，病菌會直接進(jìn)入土壤，容易導(dǎo)致各種煙草病害蔓延，進(jìn)行焚燒又會給空氣帶來嚴(yán)重污染，因此秸稈廢棄物再利用成為研究熱點(diǎn)。而關(guān)于烤煙秸稈炭化后的生物炭替代烤煙育苗基質(zhì)得到了關(guān)注，生物炭的孔洞結(jié)構(gòu)容易聚集營養(yǎng)物質(zhì)和有益微生物，利于植物生長[10]。然而，生物炭代替烤煙育苗基質(zhì)對煙苗生長影響的研究較少。為此，本研究用不同施用量生物炭替代部分育苗基質(zhì)，以研究不同生物炭量基質(zhì)對烤煙苗期生長發(fā)育的影響，以期篩選出有利于烤煙苗期生長發(fā)育的生物炭育苗基質(zhì)配方，為減少秸稈廢棄物煙田污染，明確生物炭育苗基質(zhì)應(yīng)用效果，從而為烤煙生產(chǎn)育苗基質(zhì)替代提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)時間為2014年，漂浮育苗方式試驗(yàn)在青島市即墨試驗(yàn)場育苗工場進(jìn)行，試驗(yàn)品種為NC89；托盤育苗方式試驗(yàn)在青島市黃島區(qū)六汪鎮(zhèn)育苗工場進(jìn)行，試驗(yàn)品種為K326。用作基質(zhì)的生物炭采用烤煙秸稈炭，制備溫度為400 ℃，研磨過0.5 mm篩；其基本理化性質(zhì)：pH值10.32，有機(jī)碳含量 170.94 g/kg，全氮含量10.42 g/kg，全磷含量1.93 g/kg，全鉀含量 33.2 g/kg，鈣含量21.9 g/kg，鎂含量7.24 g/kg，交換性鈉 1.01 cmol/kg，碳氮比16.4。

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

漂浮育苗和托盤育苗均設(shè)4個處理(基質(zhì)配比為體積比)：CK，常規(guī)育苗基質(zhì)[其中，漂浮育苗：商品基質(zhì)(CK1)，托盤育苗：60%土+30%腐熟麥秸+10%腐熟豬糞(CK2)]；T1，2/3生物炭+1/3耕層土壤；T2，2/3生物炭+1/3細(xì)河沙；T3，1/3生物炭+1/3耕層土壤+1/3細(xì)河沙。采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，每個重復(fù)1盤。耕層土壤和細(xì)河沙均采用威百畝進(jìn)行熏蒸消毒。按相應(yīng)常規(guī)育苗管理措施進(jìn)行育苗。各處理基質(zhì)理化指標(biāo)情況見表1。

1.3　測定調(diào)查方法

育苗基質(zhì)理化性狀測定參照YC/T 310—2009《煙草漂浮育苗基質(zhì)》[11]執(zhí)行，苗期農(nóng)藝性狀調(diào)查方法參照YC/T 142—2010《煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查測量方法》[12]執(zhí)行。成苗期從每個苗盤隨機(jī)選取5株煙苗進(jìn)行測量。測定統(tǒng)計(jì)各處理煙苗莖高、莖粗、最大葉長、最大葉寬、根干質(zhì)量、莖干質(zhì)量、葉干質(zhì)量、根冠比、一級側(cè)根長度及數(shù)量、二級側(cè)根數(shù)量。干質(zhì)量用分析天平測定，莖粗用游標(biāo)卡尺測定。測定各處理煙苗的根系活力、葉綠素含量和硝酸還原酶活性。根系活力采用TTC比色法測定，葉綠素含量的測定采用丙酮提取法，測定自上而下第3葉(自第1張葉長大于2 cm的葉片往下數(shù))，硝酸還原酶活性的測定采用磺胺-萘胺比色法[13]。

表1　育苗基質(zhì)理化指標(biāo)

用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用Origin Lab 8.6作圖，采用DPS 16.05[14]和多目標(biāo)決策方法[15]進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。多目標(biāo)決策(multiple objective decision making，簡稱MODM)是對多個相互矛盾的目標(biāo)進(jìn)行綜合的、科學(xué)的、合理的選優(yōu)，然后得出最優(yōu)決策理論和方法，避免了人為主觀性，將各項(xiàng)指標(biāo)按照要求分為望大型、望小型、中心值型，基于模糊數(shù)學(xué)和熵權(quán)思想，進(jìn)行綜合性狀評價。本研究中所涉及的綜合性狀評價指標(biāo)均為望大型，即MODM越大越好。首先構(gòu)建原始數(shù)值矩陣，然后構(gòu)建第2個矩陣(采用原始數(shù)值與原始數(shù)值所在列中最大數(shù)值的比值的方法構(gòu)建)，再構(gòu)建第3個矩陣(采用第2個矩陣中數(shù)值與數(shù)值所在列所有數(shù)值和的比值的方法構(gòu)建)，最終獲得MODM單列矩陣(第3個矩陣中各行數(shù)值和)。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同育苗基質(zhì)的煙苗生物學(xué)性狀

由表2可知，T1處理的最大葉寬顯著優(yōu)于CK，差異達(dá)顯著水平，而莖粗和莖高差異不顯著；T2處理的最大葉寬顯著優(yōu)于CK，但莖粗和莖高顯著小于CK；T3處理的最大葉長、最大葉寬和莖高顯著小于CK。

由表3可知，T1處理的最大葉寬優(yōu)于CK，差異達(dá)顯著水平，莖粗和莖高差異不顯著；T2處理的最大葉長和最大葉寬顯著大于CK，但莖粗和莖高顯著小于CK；T3處理的最大葉長、最大葉寬及莖高顯著小于CK。

利用多目標(biāo)決策方法對各處理成苗期生物學(xué)性狀進(jìn)行綜合評價。由表2、表3中MODM值看出，T3處理綜合表現(xiàn)較差，T1、T2處理綜合表現(xiàn)與CK非常接近。因此，漂浮育苗和托盤育苗生物學(xué)性狀表現(xiàn)相同，即與常規(guī)基質(zhì)相比，基質(zhì)中生物炭比例為2/3時對于煙苗生物學(xué)性狀的影響甚微，比例為1/3時煙苗生物學(xué)性狀變差。

表2　漂浮育苗煙苗成苗期生物學(xué)性狀

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下表同。

表3　托盤育苗煙苗成苗期生物學(xué)性狀

2.2　煙苗生物量

由表4可知，與對照相比，不同生物炭基質(zhì)處理均提高了根系生物量，且T1增幅為154.71%，差異達(dá)到顯著水平；T1和T3處理均提高了煙苗莖生物量，而T3處理的葉片生物量顯著低于CK和其他2個處理；在根冠比方面，T1、T2、T3處理均高于CK，其中T1、T3處理與CK差異顯著。

表4　漂浮育苗煙苗成苗期生物量

由表5可知，與對照相比，T1處理顯著提高了根系生物量(根干質(zhì)量)；不同生物炭基質(zhì)處理的煙莖干質(zhì)量均顯著低于CK；T1和T2處理的葉片生物量差異均不顯著，T3處理顯著低于CK；在根冠比方面，T1和T2處理均顯著高于CK，T3處理低于CK，但差異不顯著。

表5　托盤育苗煙苗成苗期生物量

因此可知，基質(zhì)添加生物炭促進(jìn)了根系的發(fā)育，利于其干物質(zhì)積累，最終促進(jìn)了根冠比的提高，對莖、葉的影響在處理間表現(xiàn)不一致?？偟膩碚f，漂浮育苗和托盤育苗均是T1處理表現(xiàn)最好，根、葉干質(zhì)量和根冠比均優(yōu)于CK。

2.3　煙苗根系形態(tài)

側(cè)根數(shù)量和側(cè)根長度是根系形態(tài)的2個重要表征指標(biāo)，側(cè)根數(shù)量表征根系發(fā)生情況，側(cè)根長度表征根系發(fā)育情況。由表6可知，與對照相比，T2處理一級側(cè)根總長度顯著增加；T1和T2處理一級側(cè)根數(shù)顯著增加。

表6　漂浮育苗煙苗成苗期根系形態(tài)指標(biāo)

由表7可以看出，與對照相比，T1和T2處理一級側(cè)根總長度和一級側(cè)根數(shù)均顯著增加。

表7　托盤育苗煙苗成苗期根系形態(tài)指標(biāo)

利用多目標(biāo)決策方法對各處理成苗期煙苗根系形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行綜合評價。由表6、表7中MODM值看出，T1、T2處理綜合表現(xiàn)相近，均遠(yuǎn)優(yōu)于CK，T3處理與CK相近。因此，漂浮育苗和托盤育苗根系形態(tài)表現(xiàn)相近，即與常規(guī)基質(zhì)相比，基質(zhì)中生物炭比例為2/3時有利于根系發(fā)育，比例為1/3時影響甚微。

2.4　煙苗根系活力

根系是吸收養(yǎng)分和水分的重要器官，其數(shù)量和活性直接影響地上部分的生長發(fā)育及形態(tài)建成[16]。根系活力是衡量根系功能的主要生理指標(biāo)之一，可判斷煙苗的適應(yīng)能力，是衡量煙苗素質(zhì)的重要指標(biāo)。由圖1可知，漂浮育苗煙苗成苗期根系活力(煙苗成苗期根系活力以TTC還原強(qiáng)度表示)T1處理顯著高于CK，T2、T3處理與CK差異不顯著，說明漂浮育苗以生物炭為主混土的組合基質(zhì)表現(xiàn)較好；托盤育苗T1和T3處理成苗期煙苗根系活力顯著高于CK，T2處理與CK差異不顯著，說明托盤育苗以生物炭為主混土組合和生物炭、土、沙各1/3組合基質(zhì)表現(xiàn)較好，對于根系活力的提高有明顯作用。

2.5　煙苗葉綠素含量

葉綠素作為光合色素中重要的色素，是反映植物葉片生理狀況的一個重要指標(biāo)。由圖2可知，漂浮育苗煙苗成苗期葉綠素含量T1、T2、T3處理與CK差異不顯著，T1和T2處理稍高于CK，即添加生物炭的基質(zhì)組合處理對于煙苗葉綠素含量的變化影響較?。煌斜P育苗成苗期煙苗葉綠素含量T1處理接近CK，差異不顯著，T2和T3處理顯著低于CK，即添加生物炭的基質(zhì)組合處理會降低煙苗葉綠素含量，同時隨著生物炭的減少和沙的摻入，煙苗葉綠素含量有減少的趨勢。

2.6　煙苗硝酸還原酶活性

硝酸還原酶是NO3-同化過程中的第一個關(guān)鍵酶，也是限速酶，其活性可反映植株?duì)I養(yǎng)狀況和氮代謝水平[17]。由圖3可知，不同處理間的漂浮育苗煙苗和托盤育苗煙苗成苗期硝酸還原酶活性差異不顯著。因此，添加生物炭基質(zhì)處理對于煙苗硝酸還原酶活性的變化有一定影響，但不明顯。

2.7　不同處理對成苗期煙苗根系活力、葉綠素含量和硝酸還原酶活性3項(xiàng)生理指標(biāo)影響的綜合評價

利用多目標(biāo)決策方法對各處理煙苗成苗期3項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行綜合評價。由表8可知，漂浮育苗基質(zhì)評價結(jié)果MODM值表現(xiàn)為T1>T3>CK>T2。因此，對于體現(xiàn)煙苗成苗期素質(zhì)的生理指標(biāo)影響，2/3生物炭+1/3土組合基質(zhì)處理對其有明顯的改善作用，而2/3生物炭+1/3沙組合基質(zhì)處理煙苗生理指標(biāo)稍有降低，1/3生物炭+1/3土+1/3沙組合基質(zhì)處理對其有一定改善作用。

表8　漂浮育苗煙苗成苗期3項(xiàng)生理指標(biāo)綜合評價

由表9可知，托盤育苗基質(zhì)評價結(jié)果MODM表現(xiàn)為T1>CK>T2>T3。因此，對于體現(xiàn)煙苗成苗期素質(zhì)的生理指標(biāo)影響，2/3生物炭+1/3土組合基質(zhì)處理對其有明顯的改善作用，而2/3生物炭+1/3沙組合基質(zhì)處理和1/3生物炭+1/3土+1/3沙組合基質(zhì)處理煙苗生理指標(biāo)稍有降低。

表9　托盤育苗煙苗成苗期3項(xiàng)生理指標(biāo)綜合評價

3　討論

生物炭基質(zhì)對于育苗有較好效果，可能是由于本身的理化性質(zhì)而促使育苗基質(zhì)理化性質(zhì)發(fā)生改變。生物炭含碳量豐富，具有多孔、容重小、比表面積大、吸附性強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，自然條件下通常呈堿性。眾多研究表明，生物炭對土壤理化性質(zhì)改良作用明顯，其多孔和比表面積大的特性有利于土壤聚集水分、提高孔隙度、降低容重，從而為植物生長提供良好的環(huán)境；同時，生物炭可提高土壤pH值，是酸性土壤的一種理想改良劑，生物炭含有的養(yǎng)分元素亦可直接輸入土壤，而且其表面電荷和官能團(tuán)有利于土壤養(yǎng)分的保留[18]。相關(guān)研究表明，利用新型烤煙育苗基質(zhì)能提高煙苗的出苗率，提高干物質(zhì)積累量，達(dá)到培苗壯苗的效果。石俊雄等研究表明，利用在保水劑中添加30%珍珠巖配制的烤煙育苗基質(zhì)可以提高煙苗干物質(zhì)的積累量，促進(jìn)煙苗的生長[3]；金祥等試驗(yàn)結(jié)果表明，采用蚓糞代替烤煙育苗基質(zhì)，煙苗素質(zhì)能完全達(dá)到烤煙大田移栽對煙苗素質(zhì)的要求[9]；張靖等研究表明，河沙基質(zhì)育苗可以代替普通育苗基質(zhì)，河沙基質(zhì)育苗處理提高了烤煙單位面積的產(chǎn)量和產(chǎn)值[19]。曾文龍等研究表明，炭化谷殼和紅泥土的配方基質(zhì)育苗效果較好，培育的煙苗自由水/束縛水比值低，葉綠素含量較高，活性氧代謝較協(xié)調(diào)，煙苗根系活力較強(qiáng)[5-6]。本研究結(jié)果表明，生物炭基質(zhì)處理烤煙顯著提高了根系生物量積累，促進(jìn)了煙苗一級側(cè)根和二級側(cè)根的發(fā)生和伸長；生物炭基質(zhì)處理顯著提高了漂浮育苗煙苗成苗期的根系活力，但各處理間煙苗葉綠素含量和硝酸還原酶活性差異不顯著。這與前人研究結(jié)果相同，既達(dá)到了育苗基質(zhì)篩選的目的，也為育苗基質(zhì)的應(yīng)用提供了更多選擇。同時，本研究采用多目標(biāo)決策方法對煙苗生物學(xué)性狀、根系形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)等進(jìn)行綜合評價，進(jìn)一步提高了研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。以上分析表明，生物炭基質(zhì)可作為烤煙育苗的新基質(zhì)，為烤煙生產(chǎn)育苗基質(zhì)替代提供依據(jù)。

4　結(jié)論

2/3生物炭+1/3耕層土壤的育苗基質(zhì)可作為烤煙育苗的新基質(zhì)，可為生物炭在作物栽培方面的合理利用提供參考，達(dá)到烤煙培苗壯苗的要求，煙苗素質(zhì)能完全達(dá)到烤煙大田移栽的要求。而且，煙草秸稈生物炭化利用，可降低資源浪費(fèi)，在一定程度上抑制了秸稈農(nóng)田污染帶來的各種煙草病害蔓延，因此，秸稈廢棄物再利用對實(shí)現(xiàn)秸稈資源的高效循環(huán)再利用、降低煙田面源污染具有重要意義。

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