摘要: 磷石膏和中药废渣资源化利用迫在眉睫，然而迄今还未见关于使用中药废渣生物炭改良磷石膏种草的研究。为了找出中药废渣生物炭与磷石膏的合理配比，本研究开展盆栽试验，在磷石膏基质中分别添加0、1%、2.5%、5%、10%、20%中药废渣生物炭配制复合基质(每盆基质重量为2500 g)，以不添加生物炭的磷石膏为对照，待基质稳定后播种柳枝稷，于柳枝稷生长90天后分析基质理化特性、收集柳枝稷生长指标。结果表明：与对照相比，生物碳的加入明显提高了复合基质湿度、pH、有机质、速效氮、有效磷和有效钾的含量，增加了柳枝稷的高度、鲜重、干重、根冠比。总的来说，生物炭添加浓度为2.5%对磷石膏理化特性和柳枝稷生长有明显的促进作用。
Abstract:
The resource utilization of phosphogypsum and traditional Chinese medicine waste is imminent. However, there is no research on the addition of biochar derived from traditional Chinese medicine waste to improve phosphogypsum grass planting. In order to find out the reasonable ratio of biochar derived from traditional Chinese medicine waste and phosphogypsum, a pot experiment was carried out in this study. Biochar derived from traditional Chinese medicine waste with the proportion of 0, 1%, 2.5%, 5%, 10% and 20%were added to the phosphogypsum matrix to prepare a composite matrix (the matrix weight per pot was 2500 g), and the phosphogypsum without biochar was used as a control. After the matrix was stable, switchgrass was sown. After 90 days of switchgrass growth, the physical and chemical properties of the matrix were analyzed and the growth indexes of switchgrass were collected. The results showed that compared with the control, the biochar addition significantly increased the humidity, pH, organic matter, available nitrogen, available phosphorus and available potassium content of the composite matrix, and increased the height, fresh weight, dry weight and root-shoot ratio of switchgrass. In general, the addition of 2.5% biochar derived from traditional Chinese medicine waste significantly promoted the physi-cochemical properties of phosphogypsum and the growth of switchgrass.
1. 引言
柳枝稷 (Panicum virgatum L.)为多年生禾本科黍属植物，其原产于北美，是一种生物质能源植物和水土保持植物，中国引种栽培来作为牧草，具有较强的抗旱性和抗逆性，其适应性极强。生长快速，植株高度为1~2米。地上的茎秆呈直立状，质地较为坚硬，叶片呈线形 [1] 。柳枝稷的用途很广，既可作为饲草、又有保水保土和风障的作用，同时也是生物燃料和代替能源的原材料 [2] 。
磷石膏是湿法制取磷肥的副产品，呈酸性 [3] ，主要成分与天然石膏相似，其中含有氮、磷、钾等元素 [4] 。生产1吨磷肥将产生4~5 t磷石膏 [5] ，预计在本世纪中叶，磷石膏堆积总量将增加2倍左右 [6] 。因此，找到一个合理的途径来提高磷石膏的资源化利用迫在眉睫。
生物炭是指由富含碳素的废弃生物质(主要包括农作物秸秆、废弃菌棒、中药废渣、木质废料等)在250℃~700℃无氧或限氧的条件下，热解炭化而成的一种芳香化的碳质产物 [7] ，其兼具原料来源广泛，成本低廉，具有多孔结构、比表面积大、吸附能力强、碳稳定性强等特点 [8] ，是一种环境友好型的经济土壤改良剂 [9] 。生物炭中含有多种养分，能增大土壤空隙的分布，促进水气矛盾的解决，土壤保持水分和养分的能力得到加强 [10] 。且生物炭属于碱性物质能很好地综合磷石膏的酸性，也可以增加阳离子交换量 [11] ，以防止养分的流失。另一方面良好的空隙分布增强了微生物活动 [12] ，促进有机质矿质化，使得营养元素得到及时的补充。侯新村等 [13] 在滨海盐碱土中加入玉米秸秆生物炭，有效促进了柳枝稷的生长。毛硕等 [14] 发现由8%磷石膏、6%玉米秸秆生物炭、10%蚯蚓粪构成的混合物对盐碱土具有较好的改良效果。然而，利用生物炭改良磷石膏作为柳枝稷生长基质的研究鲜见报道。
贵州是我国中药生产大省，但每年产生的大量中药废渣未得到较好的资源化利用，迄今关于将中药废渣加工成生物炭作为改良剂的研究甚少。本研究遵循“以废治废”的原则，将中药废渣生物炭改良磷石膏，在生物炭与磷石膏复合基质中种植柳枝稷，以柳枝稷的长势来评价改良效果，从而筛选出理想的中药废渣生物炭与磷石膏配比，旨在为中药废渣、磷石膏资源利用提供理论参考。
2. 材料与方法
2.1. 供试材料
1)供试植物：柳枝稷，品种(系)为‘Blackwell’，来自中国农业大学动物科学技术学院；2) 基质：磷石膏，取自贵州省福泉市，在自然条件风干，经2 mm规格筛网过筛分选备用；3) 改良剂：中药废渣采自贵州天安药业股份有限公司，中药废渣生物炭制备流程如下：烘干中药废渣→粉碎机打碎→放入马弗炉中缺氧条件下350℃炭化2 h→冷却→过2 mm尼龙筛，装入自封袋中贴上标签保存备用。
2.2. 实验设计
本研究为盆栽实验，其中塑料花盆底部内径为9 cm、上口内径为20.5 cm、高为11.5 cm。设置6个处理：1) 0 g + 2500 g磷石膏为对照(CK)；2) 25 g生物炭 + 2475 g磷石膏(T1)；3) 62.5 g生物炭 + 2437.5 g磷石膏(T2)；4) 125 g生物炭 + 2375 g磷石膏(T3)；5) 250 g生物炭 + 2250 g磷石膏(T4)；6) 500 g生物炭 + 2000 g磷石膏(T5)，即各处理中生物炭用量占基质总质量(磷石膏 + 生物炭)的0、1%、2.5%、5%、10%、20%。将对照和处理的基质装盆后缓慢浇水至田间持水量的70%左右，钝化2 d。选取粒径均匀、健康饱满的柳枝稷种子，用纯净水冲洗后，将种子浸泡12 h后进行发芽处理。待种子露白后选取20粒种子播入基质中，播种深度为1 cm。本实验在贵州师范学院的大棚中开展。在柳枝稷生长期间，每天定时观察和浇水，天气炎热时，可打开风扇通风散热。于柳枝稷生长90 d后进行基质、柳枝稷样品采集。
2.3. 测定项目与方法
1) 柳枝稷鲜重、干重：采用电子天平直接称量柳枝稷的鲜重。采集后使用烘箱先在105℃杀青30 min，之后在75℃下烘干至恒重，用电子天平称量柳枝稷的干重；2) 株高：卷尺测量柳枝稷植株高度，再求平均值；3) 容重：首先将基质进行称重，随后放在105℃烘箱中烘至恒重，之后用电子天平称取已经烘至恒重的基质质量，计算容重(g/cm3) = 烘干基质/200；4) 含水量：取适量基质放到铝盒中，称取铝盒和风干基质重，将其放入烘箱，烘干后用电子天平称铝盒+烘干基质重量，计算质量含水量；5) pH：用电子pH计测量基质的pH值(水和土的比例为2.5:1)；6) 有机质采用高温外热重铬酸钾氧化——容量法测定 [15] ；7) 有效磷含量采用0.5 mol/L碳酸钠浸提—钼锑抗分光光度法测定 [15] ；8) 碱解氮采用碱解扩散法测定 [15] ；9) 速效钾采用醋酸铵浸提——火焰光度法测定 [15] 。
2.4. 数据分析
借助Microsoft Excel 2010软件整理数据，使用SPSS 25.0 (SPSS公司，美国)中的方差分析(ANOVA)分析生物炭添加量对磷石膏物理特性、养分含量、柳枝稷生长的影响。使用LSD检验法确定不同处理之间的差异(P < 0.05)。运用OriginPro 2023软件进行作图。
3. 结果分析
3.1. 不同生物炭添加量对基质物理特性的影响
由图1可以看出，随着生物炭用量的增加，基质容重先升高后降低，与对照相比，T1、T2、T3处理分别增加0.09 g/cm3、0.09 g/cm3、0.07 g/cm3，处理间有显著差异(P < 0.05)；而T4、T5处理分别增加0.01 g/cm3、0.02 g/cm3，处理间差异不显著(P > 0.05)。对于基质含水量，与对照相比，T1处理增加了0.03%，差异不显著(P > 0.05)；相比之下，T2、T3、T4、T5处理分别增加了0.04%、0.04%、0.05%、0.06%，处理间有显著差异(P < 0.05)。对于基质pH，随着生物炭的增加，pH也在逐步增加，与对照相比，T1、T2、T3、T4、T5处理基质pH分别增加0.89%、1.06%、1.21%、1.35%、1.50%，处理间有显著差异(P < 0.05)。
Figure 1. Changes in physical properties of substrates affected by biochar
图1. 不同生物炭处理基质物理特性的变化
3.2. 不同生物炭添加量对磷石膏速效养分的影响
从图2可以知道，基质有机质含量随生物炭浓度增加而增加，T1、T2、T3、T4、T5处理增加量分别为1.3 g/kg、2.39 g/kg、4.34 g/kg、6.65 g/kg、11.38 g/kg，处理间有显著差异(P < 0.05)。其中T2处理的碱解氮含量最高，与其他处理之间有显著差异(P < 0.05)。对于基质速效磷来说，T1、T2、T3、T4、T5处理与对照相比分别增加了198.27 mg/kg、328.63 mg/kg、366.88 mg/kg、638.99 mg/kg、653.88 mg/kg，处理间有显著差异(P < 0.05)，说明添加生物炭对基质速效磷有显著影响，生物炭越多其含量也逐渐增多，其中T4、T5处理含量最高。对基质速效钾来说，组间比较有显著差异(P < 0.05)，表明生物炭的添加对基质中的速效钾含量有显著影响，T4和T5处理效果最好。
3.3. 不同生物炭含量对柳枝稷生长的影响
由图3可知，随着生物炭含量的增加，柳枝稷的株高是先增加后降低，T1处理与对照相比平均株高增加了5.78 cm，效果不显著(P > 0.05)，而T2、T3、T4、T5显处理与对照相比有显著差异(P < 0.05)，其中T2处理株高最高。对于柳枝稷的鲜重，T2处理生物炭添加后，对于柳枝稷的增产效果最好，处理间有显著差异(P < 0.05)。同样，T2处理下的柳枝稷干重是最高的，说明添加比例为2.5%的生物炭改良磷石膏的效果最好。对于柳枝稷的根冠比，每个处理与对照之间的差异非常显著(P < 0.05)，其中T4处理是最明显的，平均达到0.63%，而地上部生长量较少，原因可能是生物炭增加后基质容易吸热导致基质含水量散失加快，不利于地上部的增长。
Figure 2. Changes in substrate nutrients affected by biochar
图2. 不同生物炭处理基质养分的变化
Figure 3. Changes in growth traits of switchgrass affected by biochar
图3. 不同生物炭处理柳枝稷生长性状的变化
4. 讨论
生物炭是生物质(作物秸秆、木屑、废弃菌棒、中药废渣等)在高温和缺氧条件下热解而成，含有多种元素，在土壤改良等方面运用较广 [16] 。生物炭的原材料随处可见，制备方法相对简单。已有研究证明生物炭可以提高土壤孔隙，改善土壤质地，促进土壤的耕层构造，使土壤保肥和保水能力增强 [17] ，而且增加了土壤有机质的数量。本研究发现当生物炭施用增加时，土壤有机质数量明显变多，其中T5处理中有机质含量是最大的。
已有研究表明将生物炭和土壤混合可以使pH升高，其效果是非常明显的 [18] 。本研究发现添加生物炭后，基质pH明显升高，说明生物炭可调节磷石膏的酸度，促进柳枝稷的生长。有研究发现增加生物炭的浓度能使得土壤得速效养分含量增多 [19] ，而本研究发现添加生物炭使得基质的速效钾和速效磷以及碱解氮含量升高，但碱解氮并不是一直升高，其中T2处理最高，生物炭用量超过2.5%以后基质碱解氮呈现减低趋势。基质速效磷、速效钾含量随生物炭用量增加而增加，一方面是因为生物炭提高了磷石膏pH，减少了铁、铝等对磷的固持；另一方面是因为生物炭自身含有丰富的磷、钾元素。
本试验中，柳枝稷在纯磷石膏基质中生长不理想，而在添加生物炭的基质中柳枝稷的株高和重量显著提高。可能原因是：纯磷石膏透气性不好、呈酸性，导致柳枝稷不能发芽。而生物炭施入磷石膏后，有效调控了基质pH、透气性、养分，使得柳枝稷能够发芽生长，进而增加其产量。
5. 结论
1) 与对照相比，中低浓度(1%~5%)中药废渣生物炭可以显著增加磷石膏基质容重，而只要添加中药废渣生物炭均显著增加磷石膏基质含水量和pH。
2) 与对照相比，添加中药渣生物炭均显著增加磷石膏基质有机质、速效磷和速效钾的含量，而只有添加比例为2.5%的中药废渣生物炭均显著增加速效氮的含量，此外添加比例为10%和20%的中药渣生物炭均显著降低速效氮的含量。
3) 柳枝稷的株高、鲜重、干重随中药废渣生物炭用量增加呈先增加后减少的趋势，其中以添加比例为2.5%的中药废渣生物炭对柳枝稷的株高、鲜重和干重促进作用最大。因此推荐添加比例为2.5%的中药废渣生物炭改良磷石膏作为种植柳枝稷的栽培基质。
基金项目
贵州省教育厅青年科技人才成长项目(黔教合KY字[2021]246)；贵州师范学院科研项目(2020BS019)；贵州师范学院大学生创新创业训练计划项目(202214223165)；贵州师范学院大学生自主研究科研项目(2021DXS004;2021DXS005; 2021DXS006)。
NOTES
*通讯作者。