生物炭替代草炭對生菜生長和營養品質的影響

余海燕，月培茜，賈永霞，蒲玉琳，羅弦，唐姍姍，徐嘉寧

（1.四川農業大學資源學院，成都 611130；2.西南大學資源環境學院，重慶 400716；3.四川農業大學園藝學院，成都 611130）

無土栽培因其生產的可控性、肥水利用率高、可避免土傳病害及連作障礙等優點而受到越來越多的關注[1]?；|栽培作為無土栽培的主要形式，基質性能的優劣直接決定著作物的長勢[2]。草炭具有穩定的理化性質和較高的有機質含量，是最常用的栽培基質[2-3]。但草炭的過度開采和使用會增加溫室氣體排放、破壞生態環境，且全球草炭資源是有限的，限制了其開采和應用[4-5]。因此，尋找草炭替代物，開發利用工農業廢棄資源成為基質栽培的研究熱點之一。

生物炭是農林廢棄物等生物質在缺氧條件下高溫裂解碳化形成的穩定的富碳固體產物，具有孔隙結構豐富、比表面積大、吸附能力強等特性，有利于水分與養分的固持[6]，因此廣泛應用于土壤改良、肥料緩釋劑、固碳減排等[7-9]。近年來，生物炭常常替代草炭用于基質栽培中。研究發現，與純草炭相比，草炭中添加25%（質量比）玉米秸稈生物炭后黃瓜幼苗長勢更好[10]；草炭復配基質中添加1%～5%（質量比）或5%～15%（體積比）樹皮生物炭增加了基質的保水保肥能力，提高了甘藍、番茄和甜椒的產量[11-12]；在草炭中添加60%或80%（體積比）木材生物炭使植株的株高和干質量增加[13]。然而，也有研究表明生物炭對于植物的生長具有負面影響。草炭中添加25%和50%的木材生物炭導致針葉樹幼苗的生長速率、生物量和光合速率降低[14]；稻殼生物炭添加量超過40%后會抑制黃瓜的生長[15]。上述研究結果表明不同植物對于生物炭的種類和添加量的響應不同，因此在生產和應用過程中，需根據植物種類選擇合適的生物炭使用量或配比。

生菜（Lactuca sativaL.）學名葉用萵苣，屬菊科一年生草本作物，是世界各地廣泛栽培和食用的葉菜類蔬菜。近年來隨著生菜無土栽培面積的擴大，草炭的需求量呈直線上升趨勢。因此，在保證營養價值和生產效率的前提下，尋找合適的替代品以減少草炭的用量，對于生菜生產具有十分重要的意義。本研究分析了油菜秸稈生物炭部分代替草炭后對生菜生長和營養品質的影響，明確生物炭替代草炭用于生菜栽培的可行性；并結合基質的理化性質和生物學性質，探討生物炭替代草炭調控生菜生長和營養品質的機理，以期為生物炭應用于基質栽培提供一定的理論依據，同時也有助于實現農林廢棄物的資源化利用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

栽培基質：油菜秸稈生物炭由浙江長三角聚農科技開發有限公司提供（熱解溫度為600 ℃）；草炭、蛭石和珍珠巖等由成都市千畦花木有限公司提供。各種基質基本理化性質見表1。

表1 單一基質的基本理化性質Table 1 Physicochemical properties of single substrates

生菜：品種為意大利全年耐抽苔生菜，種子由圣吉亞農業科技有限公司提供。

1.2 試驗設計

試驗于2021年3—6月在四川農業大學成都校區塑料大棚內進行。以草炭、珍珠巖和蛭石復配基質（4∶3∶3，體積比）為對照，試驗設置4 個處理，分別為不同比例（體積比）的生物炭替代草炭。具體見表2。

表2 各處理基質體積配比（%）Table 2 Substrate volume ratio of each treatment（%）

生菜種子浸種催芽后，播于裝有不同配比基質的72 孔穴盤中，生長期間常規管理。待生菜幼苗長出4～5 片真葉時，將長勢相同的幼苗移入裝有不同配比基質的塑料盆（21.50 cm×16.20 cm×17.50 cm）中定植，每盆1 株，每個處理重復3 次，每個重復5 盆。生長期間進行常規管理，待生菜成熟后采樣并測定各項指標。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 基質的基本性質

基質容重和孔隙度測定采用郭世榮等[16]的方法；pH 和電導率（EC）采用電位法（水土比5∶1）測定；堿解氮、速效磷和速效鉀分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉法和火焰光度法測定[17]。

微生物生物量碳、氮、磷采用氯仿熏蒸法測定[18]；蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性分別用3，5-二硝基水楊酸比色法、苯酚鈉-次氯酸鈉比色法和磷酸苯二鈉比色法測定[19]。

1.3.2 生長指標

株高、根長用直尺測量；葉面積采用WinRHIZO分析系統掃描分析；植株干質量用烘干稱質量法測定。

1.3.3 葉綠素含量和根系活力

葉綠素含量采用乙醇和丙酮混合提取法測定[20]；根系活力采用TTC法測定[20]。

1.3.4 營養品質

可溶性糖、可溶性蛋白和維生素C 含量分別采用蒽酮比色法、考馬斯亮藍G250 法和2，6-二氯靛酚滴定法測定[20]。

1.4 數據分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2010 進行整理，采用SPSS 22 進行LSD 方差分析，采用Canoco 5.0 繪制冗余分析（RDA）圖，采用Origin 2021繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 生物炭替代草炭對基質基本性質的影響

2.1.1 理化性質

表3 為各處理栽培基質的理化性質。由表3 可知，隨著生物炭添加量的增加，基質的容重和堿解氮含量逐漸降低，且均顯著低于對照，分別較對照降低了13.95%～39.53%和23.73%～34.77%?；|的總孔隙度、通氣孔隙度、pH、EC、速效磷和速效鉀含量隨生物炭添加量的增加逐漸增加，所有處理下均顯著高于對照，分別較對照提高了8.59%～17.00%、16.38%～19.72%、0.30～0.76個單位、42.10%～194.74%、39.32%～148.54% 和70.16%～322.41%；而持水孔隙度僅在BS20 處理時顯著高于對照。上述結果表明生物炭替代部分草炭提高了基質的孔隙度和有效養分含量。

表3 各處理栽培基質的理化性質Table 3 Physicochemical properties of cultivation substrates in each treatment

2.1.2 微生物學性質

隨著各處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漸增加，除BS5 處理MBP 外，其他處理均顯著高于對照，在各處理下分別較對照增加了34.35%～218.76% 和36.42%～41.23%（表4）。微生物生物量氮則隨生物炭添加量的增加先增加后減少，在BS15處理下達到最大值，且各處理的微生物生物量氮含量均顯著高于對照，較對照增加了34.57%～51.85%。同樣，蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性均隨生物炭添加量的增加呈先上升后下降的趨勢，除BS20 處理外均顯著高于對照，分別較對照提高了8.35%～40.27%、28.95%～63.16% 和19.10%～32.66%。上述結果表明生物炭提高了基質的酶活性，有利于養分的循環與轉化。

表4 各處理栽培基質的微生物學性質Table 4 Microbiological properties of cultivation substrates in each treatment

2.2 生物炭替代草炭對生菜生長特性和品質的影響

2.2.1 生菜生長狀況

不同比例的生物炭替代草炭后生菜的生長指標見表5。由表5可以看出，隨著生物炭添加量的增加，生菜的株高、根長、葉面積、地上部干質量和根系干質量均呈先增加后降低的趨勢，各處理均顯著高于對照，分別較對照增加了43.53%～62.35%、35.96%～54.68%、79.41%～153.20%、29.31%～67.24%和50.00%～158.33%。上述結果表明5%～20%生物炭替代草炭能顯著促進生菜的生長。

表5 生物炭替代草炭對生菜生長指標的影響Table 5 Effect of biochar replacing peat on growth indexes of lettuce

2.2.2 生菜葉綠素含量和根系活力

隨著各處理生物炭添加量的增加，生菜葉綠素含量和根系活力呈先上升后下降的趨勢（圖1），且各處理均顯著高于對照，較對照分別提高了23.45%～44.08%和18.11%～46.71%，其中以BS15 處理最高。上述結果表明生物炭的添加提高了生菜的生理代謝活性，使光合作用和水肥吸收能力增強。

圖1 生物炭替代草炭對生菜葉綠素含量和根系活力的影響Figure 1 Effect of biochar replacing peat on chlorophyll content and root activity of lettuce

2.2.3 生菜營養品質

生物炭替代草炭后，生菜可溶性糖、可溶性蛋白和維生素C 含量均顯著高于對照（圖2）。其中，可溶性糖和可溶性蛋白含量分別較對照提高了22.00%～62.42%和22.53%～53.07%，且均在BS15 處理時達到最大值；維生素C 含量較對照提高了12.87%～29.30%，在BS20 處理時達到最大值。上述結果表明5%～20%生物炭替代草炭能夠提高生菜的營養品質。

圖2 生物炭替代草炭對生菜營養品質的影響Figure 2 Effect of biochar replacing peat on nutritional quality of lettuce

2.3 生菜各指標與基質性質的冗余分析

為明確影響生菜生長和營養品質的主要基質性質因子，以生菜干質量和營養品質指標為物種因子分別對基質的理化性質和生物學性質指標進行約束性排序（RDA分析）。從圖3A可以看出，軸1和軸2的特征值分別為95.59%和2.16%，即前2 個軸共解釋了97.75%的物種適應特征；圖3B 顯示，軸1 和軸2 共解釋了96.84%的物種適應特征。上述結果說明RDA結果可靠，生菜生長和營養品質與基質性質關系密切。

圖3 生菜指標和基質性質的冗余分析Figure 3 Redundancy analysis between lettuce indices and substrate properties

由圖3A 可知，生菜生長和營養品質均受土壤容重和堿解氮的負調控，受其他基質理化性質的正調控?；|理化性質對生菜各指標的重要性由大至小排序為：容重、通氣孔隙度、堿解氮、速效磷、速效鉀、總孔隙度、EC、pH 等。其中容重、通氣孔隙度、堿解氮、速效磷、速效鉀對生菜生長和營養品質有顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）影響，是引起生菜各指標變異的主要因素，解釋度分別為51.8%、28.3%、12.5%、2.8%和1.9%。圖3B 顯示，生菜生長和營養品質均與基質生物學指標呈正相關關系。各指標對生菜生長和品質的重要性由大至小排序為：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、微生物生物量氮對生菜生長和營養品質有顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）影響，是引起生菜各指標變異的主要因素，解釋度分別為42.8%、29.1%、13.7%和11.1%。這表明生物炭替代部分草炭通過改善基質的孔隙狀況提高有效養分含量，從而影響了生菜的生長和營養品質。

3 討論

基質是作物根系生長的介質，其質量直接影響作物的生長環境和產品品質。評價基質質量的指標主要包括理化性質和生物學性質[10]。容重和孔隙度反映基質的通氣保水性能，速效養分是衡量基質肥力的有效指標之一[21]。本試驗中，5%～20%的生物炭替代草炭后，隨著生物炭添加量的增加，基質的容重降低，總孔隙度、通氣孔隙度、速效磷和速效鉀含量升高（表3），這與Fornes 等[22]的研究結果相似。這是由于生物炭具有低容重和疏松多孔的結構（表1），可以增強基質對水分和養分的吸持能力[6]；也可能是因為生物炭的多微孔結構可為微生物提供良好的生存環境，增加基質中溶磷菌和硅酸鹽解鉀菌活性[23]，從而提高與磷、鉀素轉化相關的酶活性（表4）。然而，生物炭過高的C/N（表1）致使基質中銨態氮或硝態氮被轉化成微生物生物量氮等形式并固定下來[7]，從而減少了堿解氮的含量（表3）。這與魏嵐等[24]的研究結果一致。

基質的酶活性能夠反映基質生物活性和養分轉化效率[25]。蔗糖酶直接參與基質中有機物質的代謝，對基質養分和微生物生物量碳有重要影響；脲酶對基質中氮素轉化有重要作用；磷酸酶則可以催化基質中有機磷化合物的礦化[26]。本試驗中，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，這與尚杰等[26]的研究結果相似。其原因可能是生物炭具有多微孔結構和吸附性，能夠吸附反應底物，降低了基質中酶與底物結合的難度，促進酶促反應[27]；而且生物炭本身是一種富含有機碳的物質，為酶促反應提供了豐富的底物，從而提高了基質的酶活性，促進基質中養分的轉化[27]。然而，基質的酶活性在生物炭添加比例較高（20%）時顯著降低，這可能與基質pH 和EC 的升高有關。微生物生物量是指基質中微生物活體的總量，是有機質中最活躍的組分，也是植物營養物質的源和庫[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。在本試驗中，5%～20%的生物炭替代草炭后，增加了基質的微生物生物量碳、氮、磷含量。這是因為生物炭的輸入為基質中微生物生命活動提供了所需的營養物質和能量，促進微生物大量生長繁殖，加速基質中有機質的轉化，進而增強微生物對碳、氮、磷等元素的吸收利用[28，30]。因此，本試驗中生物炭替代草炭可提高基質養分循環酶活性和微生物生物量，促進基質養分轉化，協調基質的養分平衡。

株高、根長、葉面積等形態指標及干質量可以直觀反映作物的長勢，而可溶性糖、可溶性蛋白和維生素C 含量是評價作物營養狀況的重要指標[10]。本試驗中，5%～15%的生物炭替代草炭后，促進了生菜干物質的積累（表5），提高了生菜的根系活力和葉綠素含量（圖1），以及可溶性糖、可溶性蛋白和維生素C含量（圖2）；而在BS20 處理下上述指標有所降低，但仍然顯著高于對照。這與張瑞花等[31]對櫻桃番茄的研究結果相似。這是由于生物炭替代草炭后，改善了基質的孔隙狀況，并提高了基質的有效養分含量（表3），同時提高了生菜根系對水分和養分的吸收能力（圖1），從而改善了生菜的生長和營養品質。然而，生物炭添加比例較高（20%）時可能導致大量的可溶性鹽基離子進入栽培基質中，影響其滲透勢，進而限制植物根系對水分和養分的吸收[32]，這也是BS20 處理下生菜根系活力和葉綠素含量降低、葉面積減少、生物量下降的主要原因。研究發現，生物炭對馬鈴薯產量和品質的提升作用與其對土壤酶活性和微生物豐富度指數的影響有關[33]，而土壤酶活性和微生物活性是影響土壤養分的主要因素[34]。本研究中RDA 分析也驗證了生菜生長和營養品質與基質性質的相關關系。生菜的生長和營養品質均與基質容重和堿解氮顯著負相關，與其他基質性質顯著正相關（圖3）。容重、通氣孔隙度、堿解氮、速效磷、速效鉀是引起生菜生長和營養品質變化的主要理化性質因素；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標變化的主要微生物性質因素。這與楊霞等[35]對石斛的研究結果相似，說明生菜的生長和營養品質在很大程度上依賴于基質的孔隙狀況和養分循環程度。本試驗所使用的草炭和生物炭兩種材料中，氮、磷、鉀等大量元素含量雖然有差異（表1），但潛在的總養分供應能力相差不大，因此生物炭添加對生菜營養狀況的調控作用與生物炭自身的孔隙結構和養分持留能力有關。5%～15%生物炭替代草炭，一方面改善了基質的孔隙狀況（表3），增強了基質水、肥、氣、熱的協調能力及保水保肥能力[21]，促進根系生長；另一方面生物炭改善了基質的微生物環境，通過提高基質的微生物生物量碳、氮、磷和養分循環酶活性（表4），使得基質中微生物活性增強，有利于基質養分轉化及有效養分的增加[31]，從而促進生菜對養分的吸收，最終改善生菜的生長和營養品質。但是過量施用生物炭會引起基質中氮的生物固定，影響生菜生長。

4 結論

（1）生菜栽培基質中5%～20%的草炭由生物炭替代是可行的，各處理的栽培效果均優于對照。其中15%的草炭由生物炭替代效果最好，生菜生長和營養品質最佳。

（2）生物炭主要通過調控基質的孔隙狀況、提高養分循環酶活性和有效養分含量改善生菜的生長環境，最終促進生菜的生長和營養品質的提升。