生物炭基質可顯著地促進香蕉幼苗生長

魏嵐，黃連喜，李翔，王澤煌，陳偉盛，黃慶，黃玉芬，劉忠珍*

1.廣東省農業科學院農業資源與環境研究所/農業農村部南方植物營養與肥料重點實驗室/廣東省農業資源循環利用與耕地保育重點實驗室，廣東 廣州 510640；

2.江門市農業科技創新中心，廣東 江門 529099

廣東是我國最大的香蕉產區，種植面積和產量長期以來高居我國香蕉主產區之首。香蕉組培苗培養的種苗是香蕉種植的主要來源，但是香蕉組培苗苗期抗性差，易感病，因此培育健康優質的香蕉種苗極其重要，而該過程中基質的質量直接影響組培苗的成活率和香蕉苗的健壯優質與否。

香蕉培育基質品種繁多，質量參差不齊，目前采用較多的是土壤、泥炭和椰糠，土壤具有成分復雜的缺點，泥炭和椰糠則具有成本高、帶有病菌等缺點。同時香蕉對養分的需求量較大，尤其是對鉀、鈣和鎂的吸收量較大（趙鳳亮等，2020），在香蕉生長過程中大量的鉀、鈣和鎂等鹽基離子被幼苗吸收后，根系會向根際土壤釋放 H+（Zeng et al.，2017），造成土壤酸化。土壤酸化除了引起土壤養分失衡外，也會導致土壤微生物多樣性的破壞和喜酸性病原菌的繁殖。而生物炭是農用秸稈、植物殘體以及動物糞便等有機物在缺氧條件下經過高溫裂解產生的一種具有較強堿性、穩定性好、碳素含量高的一種難溶性物質（何緒生等，2011），其被稱為“用于土壤的木炭”，施于土壤可改善土壤功能和質量，又可長期穩定成為碳匯，是實現碳中和的一個重要途徑（Rezende et al.，2011；楊解君，2021）。研究表明，生物炭能夠改善酸性土壤理化性質和微生物活性，其堿性基團消耗質子進而提升土壤pH值，增加土壤有機碳、全氮含量和土壤交換性鹽基數量（鄭慧芬等，2019）。自陳溫福院士將生物炭引入作物以后，生物炭對于玉米、大豆、水稻等的增產效應屢見報道（李昌見等，2014；房彬等，2014），同時在辣椒（胡青青等，2017）、大白菜（趙倩雯等，2015）等作物基質栽培上的研究也較多，但是在香蕉假植苗基質中應用的研究報道甚少。生物炭加入基質后可以改變基質pH，質地，結構，密度和孔隙大小分布，有利于植物幼苗的生長（Downie et al.，2009）。但是生物炭的施用量大小對基質理化性質影響不同，高海英等（2011）發現施加大量生物炭后，土壤的持水性反而降低。這些研究表明，生物炭施用量過低不能有效促進增產，但施用量過高脫毒苗生長發育會受到抑制，甚至會降低原種產量（李天鶴，2019）。因此，生物炭的施加是否可以促進香蕉苗的生長，同時尋找一個合適的生物炭施用量成為影響生物炭在基質中應用的關鍵因素。

本研究將以主產香蕉品種巴西蕉為對象，將生物炭作為育苗基質改良劑加入育苗基質中，調查生物炭施加對香蕉苗生長發育的影響，以及育苗基質中生物炭的最佳添加量，明確生物炭在香蕉基質栽培上的效應，為下一步的市場生產提供理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為巴西香蕉組培苗（M.paradisiaca），由廣東省農業科學院果樹研究所組培中心提供。供試基質為椰糠和生物炭。椰糠購自廣州花卉中心的進口育苗材料，生物炭原材料采用花生殼，由廣東省農業科學院農業資源與環境研究所經 500—600 ℃厭氧熱解制備，兩種基質成分的不同理化性狀如表1所示。

表1 不同基質成分的物理化學性質Table 1 Physicochemical properties of different matrix components

1.2 試驗方法

1.2.1 基質處理及測定

椰糠經干凈自來水沖洗分散，再風干；生物炭經過研磨，過0.25 mm篩網后備用。按照體積分數分別配制處理為 CK（100%椰糠，傳統基質），T1（2%生物炭+98%椰糠），T2（5%生物炭+95%椰糠），T3（10%生物炭+90%椰糠），T4（20%生物炭+80%椰糠）和T5（50%生物炭+50%椰糠），其中生物炭加入比例為生物炭和椰糠的體積比。

1.2.2 種苗栽培及測定

選取大小一致的健壯香蕉組培苗，品種為巴西蕉，種植于裝好基質的黑色育苗袋中（10 cm×10 cm），每種基質處理9株。提供的香蕉組培苗平均性狀為：假莖高3.0 cm左右，有2—3片完全展開的正常葉片。在香蕉組培苗生長期的50、80、120 d分別取樣，測試香蕉幼苗的各項生長指標。同時在香蕉組培苗生長期的0 d和120 d取基質樣品進行理化性質的測試。

1.2.3 測試指標

假莖高（從地面到頂部兩葉葉柄交叉點的距離）和根長采用鋼尺測量。植株全氮、磷、鉀含量采用濃H2SO4和氧化劑H2O2消煮，消煮液經定容后，可用于氮、磷、鉀等元素的測定，凱氏定氮法測定全氮含量，釩鉬黃比色法測定全磷含量，火焰光度法測定全鉀含量（魯如坤，2000）。pH、EC值采用電位法測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法、全氮含量采用半微量凱氏法、全磷采用堿熔-鉬銻抗比色法、全鉀采用堿熔-火焰光度法、全鹽量采用電導法（魯如坤，2000）。育苗基質的孔隙度參照郭世榮（2003）的方法測定。

1.3 數據處理與分析

采用Excel 2007軟件進行數據處理，SAS 9.0軟件統計—單因素（Oneway ANOVA）方差分析方法進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同生物炭處理對香蕉組培苗生長狀況的影響

從圖1可以看出，不同生物炭和椰糠體積比對香蕉幼苗假莖長在不同時期的影響不同。在 50 d時，只有T1與對照相比有顯著差異（P<0.05）；80 d時，T3和T4與對照相比存在顯著差異（P<0.05）；120 d時，所有的處理的假莖長均顯著高于對照（P<0.05）。其中在所有時期都表現最好的是 T3處理，120 d時T3假莖長達到31.0 cm。而蕉苗根長指標的變化顯示為，50 d時所有處理與對照相比均沒有顯著差異；80 d和120 d時，生物炭處理的根長均顯著高于對照（P<0.05），其中 120 d時，T3處理的根長與對照相比差異最大（P<0.05），根長達到 46.0 cm。總體而言，在生長前期生物炭處理對香蕉苗生長的促進效應不顯著，在生長后期，幾乎所有的生物炭處理都對香蕉苗假莖長和根長有正效應，但是不同時期表現最佳的處理不同，香蕉幼苗生長后期以T3和T2的效果為最佳。

圖1 不同生物炭和椰糠體積比處理對香蕉組培苗生長狀況（假莖長和根長）的影響Figure 1 Effects of different volume ratios of biochar and coconut bran treatments on the growth status(pseudostem length and root length) of banana tissue culture seedlings

生物炭處理對香蕉幼苗的地上和地下部干重影響的趨勢基本一致（圖2）。由圖2可以看出，80 d以后，地上部干重生物炭處理的均顯著高于對照；地下部則在 120 d時所有生物炭處理顯著高于對照。地上部和地下部干重在生長后期均以 T3基質栽培的最優，均顯著高于對照（P<0.05）。

圖2 不同生物炭和椰糠體積比處理對香蕉組培苗生物量（地上部和地下部）的影響Figure 2 Effects of different volume ratios of biochar and coconut bran treatments on biomass (aboveground and underground) of banana tissue culture seedlings

2.2 不同生物炭處理對香蕉組培苗營養狀況的影響

表2和表3顯示的是不同取樣時期香蕉苗地上部分和地下部的氮、磷、鉀全量含量。對于地上部氮含量而言，T3處理的效果在 3個取樣時間均最佳，其中香蕉苗生長50 d時，T1—T4處理均顯著高于對照（P<0.05），T5與對照沒有顯著差異；80 d和120 d時，只有T3顯著高于對照（P<0.05）。對于地上部磷含量而言，50 d和80 d時，只有T1顯著高于對照（P<0.05），其他處理與對照沒有顯著差異或者低于對照；120 d時，T4、T1處理顯著高于對照（P<0.05），在前兩個取樣時間段均是T1效果最好，120 d時則是T4處理香蕉假莖磷含量最高。對于地上部鉀含量而言，50 d時，T2—T4處理顯著高于對照（P<0.05）；80 d時，T3處理顯著高于對照（P<0.05）；120 d時，T4處理顯著高于對照（P<0.05），其他處理與對照沒有顯著差異或者低于對照。綜合來講，T3處理在前期和中期提高香蕉組培苗地上部分營養元素濃度效果最佳，后期 T4效果更佳。

表2 不同生物炭和椰糠體積比處理對香蕉組培苗地上部分營養元素含量的動態影響Table 2 Dynamic effects of different volume ratios of biochar and coconut bran on the contents of nutrient elements in aboveground parts of banana tissue culture seedlings

表3 不同生物炭和椰糠體積比處理對香蕉組培苗地下部分營養元素含量的動態影響Table 3 Dynamic effects of different volume ratios of biochar and coconut bran on the contents of nutrient elements in underground parts of banana tissue culture seedlings

對于地下部氮含量而言，各處理在3個取樣時間呈現不同的效果。50 d時，T2和T4處理均顯著高于對照（P<0.05），其他處理與對照沒有顯著差異；80 d和120 d時，只有T3顯著高于對照（P<0.05）。在50 d時處理效果最好的是T2，而在后面兩個時間段處理效果最好的是 T3。對于地下部磷含量而言，50 d和80 d時，只有T2（80 d）顯著高于對照（P<0.05）；120 d時，所有處理均顯著高于對照（P<0.05）。在后面兩個時間段處理效果最好的是T2和T1。對于地下部鉀含量而言，50 d時，所有處理顯著高于對照（P<0.05）；80 d時，除T1外其他處理均顯著高于對照（P<0.05）；120 d時，除T2外其他處理均顯著高于對照（P<0.05）。綜合來講，T3處理對于提高香蕉組培苗地下部分的營養元素濃度效果最佳。

表4顯示的是不同時期不同生物炭處理香蕉苗地上部的氮、磷、鉀累積量。對于香蕉苗地上部的氮累積量而言，其中在前兩次取樣中增加最顯著的是T3，而120 d時增加最顯著的是T4。對于香蕉苗地上部的磷累積量而言，前兩次取樣均是T1和T3顯著高于對照（P<0.05），120 d時所有處理均顯著高于對照（P<0.05），其中 T4效果最好。對于香蕉苗地上部的鉀累積量而言，50 d時T1—T3處理顯著高于對照（P<0.05），80 d和120 d時所有的處理均顯著高于對照（P<0.05）?？傮w而言，其中前兩次取樣香蕉苗地上部的氮、磷、鉀累積量增加最顯著的是T3，而120 d取樣效果最好的是T4。

表4 不同生物炭和椰糠體積比處理對香蕉組培苗地上部分營養元素累積量的動態影響Table 4 Dynamic effects of different volume ratios of biochar and coconut bran on nutrient accumulation of aboveground parts of banana tissue culture seedlings

2.3 不同生物炭處理對基質理化性狀的影響

表5顯示的是生長前后不同生物炭濃度處理下香蕉基質物理化學性質的變化情況。在育苗前后，施加生物炭的基質pH均隨著生物炭用量的增加而增加，其中在育苗前除了 T1之外均與對照有顯著差異（P<0.05），在120 d取樣時則全部處理均顯著高于對照（P<0.05）。基質中碳含量隨著生物炭施用量的增加而逐漸增加，在生長前期除了T1處理外，其他處理均與對照有顯著差異（P<0.05）。隨著生物炭用量的增加，基質的容重也隨之增大，所有處理在育苗前后均與對照有顯著差異（P<0.05）。總孔隙度則與生物炭施加量呈相反趨勢，所有處理均低于對照，其中T3—T5處理在育苗前后與對照有顯著差異（P<0.05）。EC含量在育苗前T3—T5處理顯著高于對照（P<0.05），其中生物炭比例越高，EC含量越高，但在120 d取樣時，所有處理與對照均沒有顯著差異。

表5 生長前后不同生物炭和椰糠體積比處理對香蕉基質物理化學性質的影響Table 5 Effects of differentvolume ratios of biochar and coconut bran on physicochemical properties of banana matrix before and after growth

堿解氮的含量育苗前后差異均不顯著。有效磷和速效鉀的含量在育苗前后均隨著生物炭施加量的增加而增大，其中處理T3—T5在育苗前后含量均顯著高于對照（P<0.05），其他處理與對照沒有顯著差異。全氮、磷、鉀含量在育苗前后的趨勢基本一致，隨著生物炭施加量的增加基質中的營養元素含量均增大，其中育苗前是T2—T5處理含量顯著高于對照（P<0.05），其中以T5處理數值最高；120 d時T3—T5處理顯著高于對照（P<0.05），其中也是T5處理最高。

3 討論

香蕉栽培基質為香蕉幼苗的生長提供各種水肥環境，在香蕉育苗方面具有重要作用，可避免連作障礙引起的土傳病害（劉潔云等，2021），所以基質的性狀直接影響香蕉幼苗的生長、產量和品質。

本研究所選用的生物炭本身含有豐富的營養元素，尤其是含有較多對香蕉生長有益的鉀元素，可以作為養分直接被幼苗吸收。前人研究表明（李志剛等，2010），生物炭作為基質組分培養番茄幼苗可以顯著促進番茄幼苗的株高和莖粗。同時生物炭組分的基質提高了椰糠的容重，降低了孔隙度，豐富了土壤總的微生物群落結構，促進根系的生長（劉卉等，2015）。本試驗中，生物炭處理提高了香蕉幼苗的假莖長、根長、地上部和地下部的干重，對于香蕉幼苗的生長發育產生明顯的促進作用，隨著生物炭添加量的增加，香蕉幼苗的各項生理生長指標整體變化趨勢為隨著生物炭添加量的增加呈現先上升后下降的趨勢，當基質中生物炭持續增加時，香蕉組培苗的生長減緩，香蕉幼苗最優處理為生物炭添加量 10%，這與郭世榮（2003）、王必尊等（2013）等的研究結果相符。但是不同的幼苗基質中生物炭的最佳添加量不同，勾芒芒等（2013）的研究表明，在番茄穴盤育苗基質中加入20%的小麥秸稈、花生殼混合生物炭對番茄生長促進作用最佳。大白菜穴盤育苗試驗中（趙倩雯等，2015），50%花生殼生物炭添加量處理對大白菜幼苗生長的促進效果最好。辣椒幼苗（胡青青等，2017）在生物炭添加量為0.9%時各項指標達到最大值，之后開始下降，但仍高于對照。造成最佳添加量不同的原因可能包括：（1）采用的生物炭原料不同、制備溫度不同導致生物炭的基本理化不同；（2）不同作物幼苗對營養等的需求不同，而各個作物對生物炭的響應有所不同。

生物炭是一種利用農林廢棄物花生殼在厭氧條件下高溫制備的物料，其具有較高的 pH，較豐富的孔隙和巨大的比表面積。傳統的純椰糠基質會導致基質保水性變差，幼苗易發生缺水而影響生長。生物炭施入基質后，可以通過生物炭吸附有機分子從而提高持水量（范如芹等，2018）。顏永毫等（2013）的研究表明，生物炭施用量越大，土壤的田間持水量越大。本試驗結果表明，在一定范圍內，添加一定比例的生物炭可提高基質總孔隙度，增加基質的容重、pH和EC值，而且容重和EC值的增加與生物炭的施用量成正比。本試驗中，生物炭處理后基質的pH與EC值均處于安全基質范圍內，其中生物炭10%處理最好，可顯著促進香蕉幼苗的生長，說明生物炭的適量施加可以調節純椰糠基質的理化性質，讓其更適宜香蕉幼苗的生長。香蕉生長時會吸收大量的鉀、鈣和鎂等離子，而當植物對陽離子的吸收量高于陰離子吸收量時會造成土壤酸化（Hinsinger et al.，2003），因此基質的酸化問題需要解決。本試驗的結果表明，生物炭的施加可以減緩香蕉基質的酸化，讓基質的pH保持在一個較適宜的范圍。施用生物炭可以增加基質中的有機碳含量，生物炭表面含有羧基和酚羥基官能團具有較強的緩沖能力，也能起到緩沖土壤pH的作用（蔣夢蝶等，2018）。生物炭加入基質后，基質的有效磷和速效鉀含量呈增加的趨勢，并隨著生物炭施用量的增加而增大，T3—T5處理與對照相比有顯著差異，說明生物炭的施加可以顯著增加基質中的養分含量。李昌娟等（2021）的研究表明，含生物炭的肥料施用后明顯提高土壤 pH，從而減少土壤對磷的固定作用，同時炭基肥保留了生物炭的多微孔結構性，可為土壤微生物提供良好的生存環境，增加土壤溶磷菌和硅酸鹽解鉀菌活性，提高與土壤鉀素轉化相關的酶活性（王雪玉等，2018），從而提高茶園土壤有效養分含量，這與我們的研究結果相一致。

椰糠單獨作為基質時其磷和鉀的含量本身較低（Noguera et al.，2000），導致供應香蕉幼苗的養分量也較低（戴敏潔等，2013）。生物炭本身含有椰糠缺少的營養元素，同時生物炭巨大的比表面積可以吸附營養元素，并在香蕉幼苗生長期緩慢釋放。生物炭在基質中的穩定性較強，對基質物理化學參數的調節作用較為持久，可以長效保持基質中的養分，使基質中養分的損失速度大大降低。添加了生物炭的基質中總氮磷鉀含量、有效磷和速效鉀含量與對照相比顯著增加，同時生物炭對基質的水、肥、氣、熱條件可起到一定的協調作用，在促進農林業廢棄物資源化利用的同時，可減少泥炭、椰糠等不可再生資源的消耗，有利于生態系統平衡（劉玉學等，2009）。

香蕉是典型的“喜鉀”作物，有研究表明（余小蘭，2012），營養液中的 K+濃度極顯著影響香蕉幼苗期生物量，隨著溶液中K+的不斷增加，香蕉幼苗生物量整體呈現先增大后降低的趨勢，這也與我們的試驗結果相一致。香蕉幼苗地上部營養元素的累積量在生物炭施用量小于10%時最高，但是高于10%以后其地上部的累積量呈現下降的趨勢。陳海斌（2017）的研究表明，香蕉種植過程中鉀肥的施用可以促進植株對氮磷元素的吸收和積累，提高基質中的氮磷利用效率，并隨著鉀肥施用量的增加呈現先增大后降低的趨勢。本試驗中，生物炭施加后顯著提高了香蕉幼苗鉀的累積量，同時也增加了幼苗地上部氮磷的累積量。

生物炭屬于農林廢棄物的資源化利用，也是循環綠色低碳技術，這與國家 2060年前要達成“碳中和”的目標相符。通過提高農林廢棄物的利用途徑、利用率既可以起到改良生態環境的目的，又可以實現低碳綠色的農業發展之路。

4 結論

通過基質改良試驗，確定了花生殼生物炭在巴西蕉基質育苗上的促進作用和最佳用量（10%）?；ㄉ鷼ど锾靠梢蕴嵘|的理化特性，適用于香蕉幼苗的生長，探索了利用農林廢棄物代替草炭或減少草炭用量成為經濟有效的基質原料的可能性。