改良劑對培養基理化性質及黑麥草生長特性的影響

茍萬里,朱忠亮,廖永波,田慶容,陳天嬌

改良劑對培養基理化性質及黑麥草生長特性的影響

茍萬里1,朱忠亮1,廖永波2,田慶容1,陳天嬌1

1. 貴陽學院 生物與環境工程學院, 貴州 貴陽 550005 2. 貴州西洋實業有限公司, 貴州 息烽 551107

為探索培養基改良劑的特性及其對黑麥草生長特性的影響，本文首先以全磷石膏、全營養土和添加了改良劑的磷石膏（改良劑包括稻殼粉、玉米秸桿粉、油菜秸桿粉、煤渣、石英砂等）為基質種植黑麥草，觀察其生長表現；然后用稻殼粉和煤渣分別以5種比例加入磷石膏（磷石膏:稻殼粉=20:1～60:1，磷石膏:煤渣=3:1～20:1）作為基質并以全營養土、全磷石膏為對照種植黑麥草，分析黑麥草的生長特性和基質的理化指標，評價改良效果。結果表明，添加改良劑后黑麥草的生長表現顯著優于全磷石膏組；生長表現最好的兩個組分別是磷石膏:稻殼粉（20:1）和磷石膏:稻殼粉（30:1）；在一定范圍內，稻殼粉添加越多越利于黑麥草生長，煤渣添加越多越不利于黑麥草生長；稻殼粉或煤渣可改善基質的pH、SMC和容重，且用量越大改善效果越明顯。因此，稻殼粉是比較理想的磷石膏改良劑，基質的容重、毛管孔隙度及SMC可用于評價磷石膏改良劑的改良效果。

改良劑; 基質; 黑麥草

磷石膏（PG）是硫酸分解磷礦萃取磷酸的主要工業固體廢棄物，其處置一直是一個世界性難題[1]。據報道，全世界大部分磷石膏都以堆存方式處置，全球磷石膏綜合利用率約為25%，堆存量超過60億t[2]。我國“十三五”期末磷石膏利用率達到45.3%，截至2020年堆存量超過8.3億t，而且在“雙碳”戰略背景下，國家大力發展新能源項目，磷酸鐵/磷酸鐵鋰的需求快速增長，磷石膏的產量將會進一步增加，處置難度將越來越大[3]。

磷石膏顆粒細小，透氣性和持水性差，酸性強，主要成分為CaSO4×2H2O，含有少量可溶性磷、氟化物、重金屬等環境不友好成分[4]，這些特征不僅使植物很難在磷石膏堆上存活（廢棄多年的磷石膏堆場上僅有草本植物生長，覆蓋率僅為1.1～4.5%[5]），而且因雨淋風吹和管理不到位，磷石膏中的有害成分會給周邊環境帶來潛在風險[6,7]，因此有必要研究廢棄磷石膏堆場的植被恢復技術，以便降低堆場風險，為實現復墾打下基礎。

恢復廢棄磷石膏堆場的植被，最主要工作是開發能在磷石膏上種植植物的技術。盡管將少量磷石膏施入正常土壤[8-13]或鹽堿土壤[14-17]有利于某些植物的生長，但在以磷石膏為主成分的基質上栽培植物是困難的，相關報道不多?？傮w來看，必須向磷石膏中添加一定量改良劑[18,19]植物才能生長，僅有少數品種能在改良后的磷石膏基質上生長良好[20,21]。因此改良劑的篩選及其最適添加量成為相關研究的核心。文章在溫室大棚盆栽條件下，將多年生黑麥草種撒播在添加了不同改良劑的磷石膏中，觀察黑麥草的生長特性，分析添加改良劑以及種植黑麥草對基質性狀的影響，以尋找新的磷石膏改良劑并確定其最適添加量，探究影響黑麥草生長的主要基質因素，了解種植黑麥草對基質理化性狀的影響，為廢棄磷石膏堆場的植被恢復技術做一些基礎性工作。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用磷石膏（PG）取自貴州省西洋肥業有限公司，多年生黑麥草種子（麥迪）購自沐陽學浩苗種場，稻殼粉（RH）、油菜秸稈（RS）、玉米秸稈（CS）、石英砂（AQ）、煤渣（CC）均從淘寶上采購，營養土（NS）、塑料花盆（規格為：長40 cm×寬26 cm×高15 cm）購自本地花鳥市場。

1.2 試驗方法

1.2.1 在磷石膏中添加不同改良劑對黑麥草生長的影響取適量晾干的磷石膏按一定比例與油菜秸稈、稻殼粉等材料充分混合后裝入花盆中作為栽培基質，每個花盆裝6 kg，每個處理3個平行。各試驗組的名稱及基質配方（質量比）分別為：RS（磷石膏:油菜秸稈=44:1）、AQ（磷石膏:石英砂=5:1）、RH（磷石膏:稻殼粉=51:1）、CS（磷石膏:玉米秸稈=46:1）、CC（磷石膏:煤渣=5:1），另設2組作為對照，其名稱分別為NS和PG，其基質成分依次為全營養土和全磷石膏。

將裝好基質的花盆于室內大棚中放置48 h后播種。播種時先在每個花盆均勻撒上100粒黑麥草種子，然后在上面覆蓋約1 cm厚的相應基質。播種當天澆水澆透，之后每天澆水，澆水量視基質濕潤度確定。每天觀察并記錄發芽數和死亡苗數，栽培至30 d結束。計算各組的發芽率和成活率，測定每個花盆中植株的生物量。

1.2.2 改良劑不同添加比例對黑麥草的生長特性及其對基質理化性質的影響根據1.2.1的結果，選取發芽率和成活率較好的兩組對應的改良劑（稻殼粉和煤渣），在1.2.1的基礎上進一步調整添加比例，各試驗組名稱及改良劑添加比例詳見表1，另設PG和NS作為對照組，其基質配方同1.2.1。

表1 各試驗組基質配方及名稱

按表1的比例將各基質混勻后裝入塑料花盆，每個花盆6 kg，播種方法及日常管理同1.2.1。栽培至60 d時收割，期間每天觀察并記錄發芽數和死亡苗數。

裝入花盆前采用縮分法從各基質取樣500 g裝入樣品袋，栽培結束后用小鏟子將花盆中的表層基質刮掉0.5 cm，用環刀在花盆內多點采集中層土壤，每個花盆共采集約500 g裝入取樣袋。所有基質樣品均存于4 ℃冰箱用于檢測基質理化指標。

收割時每個花盆隨機選5株黑麥草測其株高、根長、葉綠素含量、丙二醛含量。剩余植株貼著土面剪下，收集花盆內的所有植株，用于測生物量。

1.3 指標測定方法

1.3.1 生長指標測定發芽率的計算公式為：種子發芽率（%）=實驗結束時總發芽數/播種數×100。

成活率的計算公式為：成活率（%）=實驗結束時總存活苗數/實驗結束時總發芽數×100。

株高、根長和生物量：用皮尺測量從莖基處至頂端的長度為株高；在自然懸垂狀態下用皮尺測量從莖基到最遠端根尖的長度為根長，每個花盆5株植物的株高、根長的平均值作為該花盆植物的株高和根長。取每個花盆的所有植株，按姜娜等人[22]的方法測生物量。

1.3.2 植株生理化指標測定葉綠素含量：按照NY/T 3082-2017（水果、蔬菜及其制品中葉綠素含量的測定分光光度法）進行。

1.3.3 基質理化指標測定pH的測定：按照LY/T 1239-1999（森林土壤pH的測定）的方法進行。分析種植黑麥草前后基質pH的改變量（DpH）所用計算公式為：DpH=種植前某基質pH-種植后該基質pH。

飽和含水量（Saturated moisture content，SMC）和容重的測定：按照文獻[24]的方法進行。分析種植黑麥草前后基質SMC的改變量（DSMC）所用計算公式為：DSMC=種植前某基質SMC-種植后該基質SMC。

總磷（Total phosphorus，TP）的測定：按照HJ 632-2011（土壤總磷的測定堿熔-鉬銻抗分光光度法）的方法進行。分析種植黑麥草前后基質TP的改變量（RRTP）所用計算公式為：RRTP(%)=(收割后TP-種植前TP）/種植前TP×100。

有機質（Organic matter，OM）的測定：采用重鉻酸鉀加熱法，按NY/T 1121.6-2006的方法進行。分析種植黑麥草前后基質有機質的改變量（ROM）所用的計算公式為：ROM(%)=(收割后有機質含量-種植前有機質含量）/種植前有機質含量×100。

1.4 數據處理

所有數據均用Excel和Origin pro 8.5軟件處理，處理后的數據均表示為“平均值±標準差”，各處理間的差異顯著性用方差分析（ANOVA），差異顯著的水平設置為<0.05。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑對黑麥草在磷石膏基質上生長的影響

由表2的數據可知：PG組的發芽率、成活率和生物量遠低于NS組；加入改良劑的各組的發芽率為86.3%～95.2%，成活率為64.6%～79.3%，生物量均為17.4～24.2 g/盆，均遠高于PG組；RH、CC和NS組的發芽率均在90%以上，相互之間差異不顯著；除NS組外，RH和CC組的成活率和生物量均顯著高于其他各組。這些數據說明黑麥草在全磷石膏上生長最差，添加改良劑可顯著改善黑麥草的生長表現，黑麥草在添加了改良劑的磷石膏基質上的生長表現以RH組和CC組相對更好。為此選擇RH組和CC組所用的改良劑做進一步實驗。

表2 黑麥草在不同基質上的生長表現

注：PG (磷石膏)，NS (營養土) ，RS (油菜秸稈) ，AQ (石英砂)， RH (稻殼粉)，CS (玉米秸稈)，CC (煤渣)。數字后字母不同表示差異顯著(<0.05)。

Note: PG ( Phosphogypsum)，NS (the nutrient soil substrate) ，RS (the rape stem powder) ，AQ (the arenaceous quartz)， RH (the rice husk powder)，CS (the corn stover powder)，CC (the coal cinder)。The different alphabets behind each number showed the significant difference (<0.05).

2.2 改良劑不同添加量對黑麥草生長特性的影響

觀察表3的數據可知：

黑麥草在PG組上的各項生長特性都最差。

添加稻殼粉各組（RH1～RH5）的發芽率都超過95%，組間及各組與全營養土（NS）組無顯著差異；添加煤渣各組（CC1～CC5）的發芽率均小于85%，顯著低于RH1～RH5、NS組；CC3、CC4兩組的發芽率顯著高于CC1、CC2和CC5組。

RH1、RH2組的成活率均達到98%，且與NS組差異不顯著；CC1～CC5的成活率均低于81%，且顯著低于RH1、RH2、NS組；從RH5到RH1組，成活率逐漸升高；從CC4到CC1組，成活率逐漸降低。

RH1、RH2組的生物量與NS組差異不顯著，均超過33 g/盆；從RH2到RH5組生物量逐漸降低，從CC1到CC4組生物量逐漸升高。

株高方面，RH1～RH5組與NS組無顯著差異，且都顯著高于CC1～CC5組；RH1～RH5各組之間以及CC1～CC5各組之間的株高差異不顯著。

根長方面，RH1～RH5、NS組相互之間差異不顯著，且都大于CC1～CC5組；CC2～CC5組相互之間差異不顯著，且都大于CC1組。

葉綠素含量以NS組最高，RH1和RH2組次之，CC1和PG組最低；從RH5到RH1組葉綠素含量逐漸升高，從CC5到CC2組葉綠素含量逐漸下降。

丙二醛的含量以NS組最低，CC1～CC3、PG組最高。

綜上所述，稻殼粉、煤渣在磷石膏中的添加量不同，黑麥草表現出不同的生長特性：一定范圍內，稻殼粉添加量越多越利于黑麥草生長，煤渣添加量越多越不利于黑麥草生長；添加煤渣的最佳比例為CC4（磷石膏:煤渣=15:1），進一步增加或減少煤渣的添加量，黑麥草的生長特性總體變差；添加稻殼粉的最佳比例為20～30:1（磷石膏:稻殼粉），黑麥草在此比例下的生長特性遠好于CC4組。當稻殼粉添加量達到30:1及以上時，黑麥草的生長特性（葉綠素和丙二醛除外）能達到全營養土組的水平，因此可認為稻殼粉是比較理想的磷石膏改良劑。

表3 黑麥草在不同改良磷石膏基質上的生長和生理指標

注：數字后字母不同表示差異顯著(<0.05)。

Note: The different alphabets behind each number showed the significant difference (<0.05).

2.3 改良劑不同添加量對磷石膏理化指標的影響

從表4的數據可知：

各組的pH均處于4.0～6.0之間，以NS組的pH最低，CC1組最高；RH1～RH5、CC1～CC5各組的pH均高于PG組，從RH5到RH1組以及從CC5到CC1組的pH均逐漸升高。

PG組的SMC值顯著低于其余各組，RH1組與NS組差異不顯著，從RH5到RH1組以及從CC5到CC1組的SMC值均逐漸升高，RH1～RH5各組的SMC顯著高于CC1～CC5各組。

PG組的容重顯著高于其余各組；從RH5到RH1組容重逐漸降低，且各組間差異顯著；從CC1到CC5組的容重呈上升高趨勢，但組間差異不顯著。

有機質含量以NS組極高，是其余各組的9～30倍；從RH1到RH5組有機質含量逐漸升高，CC1～CC5、PG組的有機質含量顯著低于顯著RH1～RH5組。

TP含量以NS組極高，是其余各組的13～19倍；除NS組外，各組之間TP含量差異不顯著。

綜上所述，在磷石膏中添加一定量的稻殼粉或煤渣，可以提高基質的pH和飽和含水量，降低基質的容重，而且添加量越大，各指標改變越大；添加稻殼粉對基質飽和含水量的提升效果優于煤渣，當稻殼粉的添加量達到20:1（磷石膏:稻殼粉）時，改良磷石膏的飽和含水量能達到營養土的水平；添加稻殼粉能顯著增加基質中有機質含量，添加煤渣對基質中有機質含量影響不明顯；添加稻殼粉或煤渣對基質的總磷無顯著影響。

表4 添加不同比例的改良劑后磷石膏的理化指標

注：數字后字母不同表示差異顯著(<0.05)。

Note: The different alphabets behind each number showed the significant difference (<0.05).

2.4 種植黑麥草對改良磷石膏基質某些理化指標的影響

表5 種植黑麥草前后各改良磷石膏基質理化指標的改變量

注：數字后字母不同表示差異顯著(<0.05)。

Note: The different alphabets behind each number showed the significant difference (<0.05).

2.5 改良劑的改良效果評價

綜合分析表2～表5的數據可知：在所有試驗組中，全營養土是黑麥草生長性狀最好的基質，其容重和SMC分別為65.75%、0.79 g/cm3，全磷石膏是最不適合黑麥草生長的基質，其容重和SMC分別為30.25%和1.37 g/cm3，在磷石膏中添加了改良劑后，黑麥草的生長表現均有所改善，各基質的容重均有所降低，SMC均大幅提高；稻殼粉添加量越多，黑麥草的成活率、生物量、株高、葉綠素含量均逐漸增加，對應基質的容重逐漸降低，飽和含水量和有機質逐漸增加；添加稻殼粉各基質的容重顯著低于添加煤渣各組，而其飽和水含量、有機質含量則顯著高于煤渣各組，黑麥草在添加稻殼粉各基質上的生長表現總體上優于添加煤渣的基質。這充分說明，改良劑的添加改善了磷石膏的容重、飽和含水量、有機質等理化指標，有利于黑麥草能夠更好地生長。

黑麥草在改良磷石膏基質上生長后，使各基質的飽和含水量增加了約15%，有機質增加了6%左右，說明通過添加改良劑改善磷石膏的性狀后，種植黑麥草能進一步改善磷石膏的性狀，為后續種植其他作物創造有利條件。

3 討論

文章的研究結果表明，黑麥草在全磷石膏上的生長表現較差，添加一定量的稻殼粉或煤渣能顯著改善磷石膏的物理性狀，并大大改善黑麥草的生長表現，這與Komnitsas K等[19]、向仰州等[21]的結果一致。

磷石膏的pH因磷肥廠加工工藝、堆放時間、堆區深度等不同而有很大差異，最低的pH約為2.70，高的在6.5左右（作者自測數據，未發表）。Patel SK等[25]證明當改良磷石膏基質的pH低于4.3時狗牙根無法生長，當pH為4.34～5.27時狗牙根能生長。向仰州等[18]證明在pH6.07的全磷石膏上一年生黑麥草、多年生黑麥草、草地早熟禾、百喜草、紫花苜蓿和白三葉等植物均能生長。文章中改良磷石膏的pH為4.38～6.96，多年生黑麥草在這些基質上均能生長?？梢?，對于pH太低的磷石膏，種植前只要將其pH調到4.3以上就可消除pH過低對植物生長的不利影響。

在磷石膏中加入合適的改良劑有利于植物生長，但需要關注改良劑的配方及其最適添加量。Patel SK等證明白云石在磷石膏（pH4.82）的添加量為0.87 g/kg、磷質粘土在磷石膏（pH2.78）的添加量為174.0 g/kg時，狗牙根均獲得最高的生物量。向仰州等[19]證明復合改良劑（質量比為赤泥:粉煤:污泥=1:2:10.9）在磷石膏中的添加量為1:6（改良劑:磷石膏）時黑麥草的生長表現最好。文章的結果表明稻殼粉的添加比例為20～30:1（磷石膏:稻殼粉）時黑麥草的生長表現可達到在營養土上的水平。

栽培基質的某些物理性狀與植物的生長密切相關。文章中黑麥草生長越好的試驗組的容重越低、飽和含水量越高，說明基質的容重和飽和含水量與植物生長特性具有高相關性。向仰州等[20]觀察到，基質的容重、毛管孔隙度與多年生黑麥草生長性狀具有很高的吻合度。因此，用容重、毛管孔隙度及飽和含水量來評價改良劑對磷石膏的改良效果應該是可行的。

4 結論

綜上所述，選擇能降低磷石膏容重，增加其飽和含水量和毛管孔隙度，在合適的添加量下，控制好基質中氟的含量[26]，滿足植物的營養需求，應該能實現特定植物在磷石膏基質上的良好生長。

值得一提的是，添加煤渣雖能在一定程度上改善磷石膏物理性狀，并有利于黑麥草的生長，但隨著煤渣添加量增多，黑麥草的生長表現并沒有更好，甚至有變差的趨勢，尤其是添加量最高的CC1組，其發芽率、成活率、生物理、根長、葉綠素含量均顯著低于其他煤渣添加量更少的各組。造成這些結果的原因可能尚需進一步研究。

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Influence of Several Phosphogypsum Amendments on Physicochemical Properties of Substrates and Growth Characteristics of

GOU Wan-li1, ZHU Zhong-liang1, LIAO Yong-bo2, TIAN Qing-rong1, CHEN Tian-jiao1

1.550005,2.551107,

To explore the effects modifiers on mediums and growth ofAt first, The growth characteristics ofL. seeds planted in green house on PG substrate or the PG substrateds amended with the rice husk powder (RH), the corn stover powder (CS), the rape stem powder (RS), the coal cinder (CC), and the arenaceous quartz (AQ), respectively, were observed. Then,L. seeds were planted on the PG:RH substrates (w/w, 20:1～60:1, 5 series), the PG:CC substrateds (w/w, 3:1～20:1, 5 series), the PG substrate, and the nutrient soil substrate (NS), respectively. The growth characteristics and the physiological traits ofL., the physicochemical properties, were studied. The results showed as follows: The growth characters ofL. planted on any amended PG substrates were significantly better than on the PG substrate. Results showed thatthe growth performance ofL. after adding modifier was significantly better than that of total phosphogypsum group; The two groups with the best growth performance were phosphogypsum: rice hull powder (20:1) and phosphogypsum: rice hull powder (30:1); In a certain range, the more rice husk powder was added, the better the growth ofL. was. The more cinder was added, the worse the growth of ryegrass was; Rice hull powder or coal cinder can improve the pH, SMC and bulk density of the substrate, and the greater the amount, the more obvious the improvement effect. It was believed that the RH is an ideal PG amendment, and that the BD, the SMC, and the capillary porosity of substrateds can be used to judge the effect of the PG amendments.

Modifier; medium;L.

X751

A

1000-2324(2023)04-0523-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.04.007

2023-02-12

2023-02-28

貴州省林業廳科研資助項目(K18200022);國家自然科學基金項目(42163011)

茍萬里(1972-),男,博士,副教授,主要從事污染環境的生物修復技術研究. E-mail:wankege@163.com