不同生物質(zhì)炭對黃瓜、番茄、油菜和小麥種子萌發(fā)及幼苗生長的影響研究

楊曙東 許唯 王曉峰 胡儀 陳藝涵 胡帥棟

摘? ?要：以黃瓜品種新津研七號、番茄品種浙雜809、油菜品種浙油50、小麥品種揚麥23為試驗材料，在光照培養(yǎng)條件下分別利用300 ℃、400 ℃、500 ℃裂解制取的竹葉生物質(zhì)炭浸提液和500 ℃裂解制取的秸稈生物質(zhì)炭浸提液，對其進行發(fā)芽試驗，分別對種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)，以及幼苗丙二醛（MDA）含量和超氧化物歧化酶（SOD）活性等指標進行了測定。結(jié)果表明：生物質(zhì)炭對黃瓜、番茄、油菜和小麥種子萌發(fā)均存在一定的抑制作用，主要表現(xiàn)為降低種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、胚根及胚芽長;不同作物對生物質(zhì)炭脅迫的耐受性依次為：黃瓜>油菜>小麥>番茄;竹葉生物質(zhì)炭較秸稈生物質(zhì)炭對種子萌發(fā)生長具有更強的脅迫作用，且隨生物質(zhì)炭制取溫度上升脅迫作用減輕。

關鍵詞：生物質(zhì)炭;黃瓜;番茄;油菜;小麥;種子;萌發(fā);幼苗;生長;影響

文章編號： 1005-2690（2019）06-0138-04? ? ? ?中圖分類號： S156? ? ? ?文獻標志碼： B

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在完全或部分缺氧條件下經(jīng)熱裂解制備而成的芳香化固態(tài)物質(zhì)[1]，具有多孔性、吸附性、化學穩(wěn)定性、高pH值和較大陽離子交換量等特性[2]。生物質(zhì)炭的元素組成通常包含60%以上的C、N、H元素，以及較低濃度的其他營養(yǎng)元素，如K、Ca、Na和Mg等元素。近年來，生物質(zhì)炭逐漸成為農(nóng)林業(yè)和生態(tài)等方面的研究熱點[3，4]。因其能吸附土壤污染物質(zhì)[5]，提高土壤pH值、孔隙度、持水性和保肥性，被認為是一種良好的土壤改良劑。生物質(zhì)炭具有大量的穩(wěn)定芳香碳結(jié)構(gòu)，施入土壤后可顯著增加土壤有機碳儲量，降低土壤溫室氣體排放，起到減緩全球變暖和氣候變化的作用[6，7]。

盡管生物質(zhì)炭應用于土壤中具有大量的優(yōu)點，但生物質(zhì)炭的特性會隨原料類型和裂解溫度發(fā)生較大的變化[8]，而不同原料類型和裂解溫度所生產(chǎn)的生物質(zhì)炭對不同土壤和植物的影響目前還尚未明確。當前，施用生物質(zhì)炭直接對作物造成負面效應的研究較少，因此在施用前對其進行效果評估可規(guī)避潛在的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)風險。已有研究表明，生物質(zhì)炭對水稻、小麥和番茄幼苗產(chǎn)生了一定的毒害作用[9-12]。植物種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育階段對外界毒害較為敏感，本試驗采用不同原料和裂解溫度制備的生物質(zhì)炭，通過其浸提液培養(yǎng)對黃瓜、番茄、油菜和小麥種子進行萌發(fā)和幼苗生理指標測定，以探究黃瓜、番茄、油菜和小麥在生物質(zhì)炭培養(yǎng)條件下的種子萌發(fā)狀況和幼苗生理特性變化，對其萌發(fā)過程中各項指標的差異進行比較，以此衡量不同作物對生物質(zhì)炭毒害的耐受能力，同時為正確評估生物質(zhì)炭對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的影響提供科學依據(jù)。

1? ?材料與方法

1.1? ?材料

300 ℃裂解制取的竹葉生物質(zhì)炭（BL300）、400 ℃裂解制取的竹葉生物質(zhì)炭（BL400）、500 ℃裂解制取的竹葉生物質(zhì)炭（BL500）與小麥秸稈生物質(zhì)炭（WS500）購自浙江布萊蒙農(nóng)業(yè)科技股份有限公司。所有生物質(zhì)炭烘干后過2 mm篩置于自封袋中保存并用于試驗。黃瓜品種新津研七號、番茄品種浙雜809、油菜品種浙油50、小麥品種揚麥23的種子均購于市場。

1.2? ?方法

1.2.1? ?生物質(zhì)炭理化性質(zhì)測定

生物質(zhì)炭的電導率（EC） 與pH值分別取過篩樣品，按1∶20（W/V）的炭水比將竹葉生物炭和蒸餾水、1 mol/L KCl溶液混合攪拌，靜置30 min后用電導率儀和pH計測定。生物質(zhì)炭陽離子交換量參照農(nóng)化分析方法測定[13]。生物質(zhì)炭的灰分參照《木炭和木炭實驗方法》GB/T 17664—1999進行測定，將30 mL瓷坩堝置于高溫電爐中，于650 ℃下灼燒至恒重，取出后放置于干燥皿中冷卻30 min進行稱量（G1），稱取1 g左右生物質(zhì)炭（G），置于已灼燒至恒重的瓷坩堝中，將坩堝送入高溫電爐中，打開坩堝蓋，逐漸升高溫度，在800 ℃條件下灰化4 h，冷卻取出稱量（G2），依據(jù)公式計算灰分含量：A=（G2-G1）/G×100%。生物質(zhì)炭的元素分析采用元素分析儀（Elementar Vario MAX CN），測定生物質(zhì)炭中C、H、N、S元素的百分含量。生物質(zhì)炭中O元素含量采用差減法計算，結(jié)果如表1所示。

1.2.2? ?生物質(zhì)炭水浸提液制備

參照Rombolà等人[14]方法進行浸提液制備，稱取過2 mm篩的生物質(zhì)炭樣品5 g，用超純水按炭水比1∶15的比例混合于100 mL塑料瓶中，25 ℃條件下180 r/min振蕩12 h，0.45μm濾膜真空抽濾，所得液體部分利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-MS 7000 DV）分析溶液中水溶性的化學組分含量，結(jié)果如表2所示，另一部分用于種子發(fā)芽試驗。

1.2.3? ?種子發(fā)芽試驗

種子發(fā)芽測定均以100粒種子為單次重復，每組處理設4次重復。所有供試種子均先經(jīng)過5% NaCl浸種10 min后，用超純水沖洗3次，并用濾紙吸干種子表面水分。將隨機分樣數(shù)出的種子均勻置于鋪有用生物質(zhì)炭水浸提液浸濕的雙層發(fā)芽紙的發(fā)芽盒內(nèi)，置于光照培養(yǎng)箱中，設置培養(yǎng)條件為：20 ℃黑暗條件下16 h，30 ℃光照條件下8 h（光照強度為8 000 lx）。以培養(yǎng)第4天與第7天種子根長超過種子長度、芽長達到種子長度1/2以上為標準，分別統(tǒng)計發(fā)芽勢與發(fā)芽率。發(fā)芽指數(shù)的計算公式如下：發(fā)芽指數(shù)=∑（Gt/Dt）（其中Dt為發(fā)芽天數(shù)，Gt為與Dt對應的當天發(fā)芽種子數(shù)）。

1.2.4? ?幼苗生長及生理指標測定

種子在培養(yǎng)7 d后，取樣并測定相關指標。每一處理挑取長勢平均的發(fā)芽幼苗15株，用游標卡尺測定芽長與根長。取上述10株幼苗的胚芽與胚根殺青，殺青步驟為105 ℃條件下烘30 min，然后65 ℃下烘干至恒重，測定幼苗胚芽與胚根干重。采用氮藍四唑法測定幼苗超氧化物歧化酶（SOD）活性，采用硫代巴比妥酸法測定幼苗丙二醛（MDA）含量[15]。

1.2.5? ?數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0統(tǒng)計分析，Origin 2017軟件作圖。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差法（LSD）對不同數(shù)據(jù)組之間的差異進行比較，顯著性水平設為P=0.05。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?生物質(zhì)炭對不同作物種子萌發(fā)的影響

由圖1結(jié)果可知，不同作物類型的種子在生物質(zhì)炭培養(yǎng)條件下的萌發(fā)狀況不同，且不同生物質(zhì)炭對同種作物種子發(fā)芽率的影響也具有顯著差異。與對照相比，黃瓜種子在BL300、BL400和WS500培養(yǎng)下的發(fā)芽率分別下降了14.12%、9.41%和9.41%。在番茄種子發(fā)芽率中，BL300、BL400和BL500培養(yǎng)較對照分別降低了81.87%、76.84%和65.73%。在油菜種子萌發(fā)中，BL300、BL400和BL500處理下的發(fā)芽率與對照相比分別降低了26.65%、17.51%和10.53%。對小麥種子而言，所有生物質(zhì)炭處理都能降低其發(fā)芽率，與對照相比，BL300、BL400、BL500和WS500處理下小麥種子發(fā)芽率分別下降了61.54%、50.70%、42.25%和31.42%。由表3結(jié)果可知，不同生物質(zhì)炭浸提液培養(yǎng)下黃瓜、番茄、油菜和小麥種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)與上述發(fā)芽率結(jié)果相似。綜上所述，在番茄和小麥種子萌發(fā)過程中，受生物質(zhì)炭影響較為顯著;不同溫度裂解制取的生物質(zhì)炭對種子萌發(fā)造成不同影響，在試驗中500 ℃裂解的生物質(zhì)炭培養(yǎng)下種子發(fā)芽率均高于300 ℃和400 ℃制取的;在相同溫度（500 ℃）制取下，除黃瓜種子外，秸稈生物質(zhì)炭培養(yǎng)下的種子萌發(fā)性狀均高于竹葉生物質(zhì)炭的培養(yǎng)。

2.2? ?生物質(zhì)炭對不同作物幼苗生長的影響

由表3結(jié)果可知，與對照相比，黃瓜幼苗胚芽長在BL300、BL400和WS500處理下產(chǎn)生了一定抑制;而番茄、油菜和小麥幼苗胚芽長則在BL300、BL400和BL500處理下產(chǎn)生了一定的抑制。在幼苗胚根方面，除小麥在BL500和WS500處理下沒有抑制外，其余處理均對不同幼苗胚根產(chǎn)生了一定的抑制。結(jié)果顯示，不同裂解溫度制取的竹葉生物質(zhì)炭對幼苗生長有一定的抑制作用，并降低了番茄、油菜和小麥幼苗的根冠比（表3）。通過WS500處理，顯著降低了黃瓜、番茄、油菜和小麥幼苗的胚根干重（P<0.05），分別下降了33.0%、11.9%、32.3%和6.0%;但對于幼苗的胚芽干重而言，卻分別增加了3.7%、36.5%、3.4%和11.7%（表3）。

由圖2可看出，在不同處理下作物幼苗胚根中MDA含量呈現(xiàn)相同的變化趨勢。由圖2a可知，BL300處理顯著提高了黃瓜幼苗的MDA含量（P<0.05），較對照提高了27.3%。在番茄中（圖2b），BL300、BL400和BL500處理顯著提高了幼苗的MDA含量（P<0.05），與對照相比分別提高了72.5%、57.5%和57.5%。在油菜中（圖2c），BL300、BL400和BL500處理顯著提高了幼苗的MDA含量（P<0.05），與對照相比分別提高了77.7%、96.9%和51.8%。在小麥中（圖2d），BL300和BL400處理顯著提高了幼苗的MDA含量（P<0.05），與對照相比分別提高了59.6%和38.7%。

此外，由圖3a可知，BL300處理顯著提高了黃瓜幼苗的SOD含量（P<0.05），較對照提高了21.5%。在番茄中（圖3b），BL300、BL400和BL500處理顯著降低了幼苗的SOD含量（P<0.05），與對照相比分別減少了40.6%、21.8%和20.8%;而WS500處理顯著提高了幼苗SOD含量（P<0.05），較對照提高了63.4%。在油菜中（圖3c），BL300和BL400處理顯著降低了幼苗的SOD含量（P<0.05），與對照相比分別降低26.2%和36.5%;而WS500處理顯著提高了幼苗SOD含量（P<0.05），較對照提高了57.1%。在小麥中（圖3d），BL300、BL400和BL500處理顯著降低了幼苗的SOD含量（P<0.05），與對照相比分別減少40.9%、41.1%和24.1%;而WS500處理顯著提高了幼苗SOD含量（P<0.05），較對照提高了33.0%。綜上分析，生物質(zhì)炭對不同作物幼苗生長影響基本一致，主要表現(xiàn)為制取溫度越低對幼苗毒害效應越明顯，且竹葉生物質(zhì)炭的毒害效應高于秸稈生物質(zhì)炭。

3? ?結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，不同生物質(zhì)炭對黃瓜、番茄、油菜和小麥種子萌發(fā)及幼苗生長均存在一定的抑制作用。王晉等研究表明，煙稈生物質(zhì)炭對水稻種子的萌發(fā)速度以及幼苗根芽長度具有明顯的抑制作用，與本試驗結(jié)果相一致。李陽等通過石英砂與生物質(zhì)炭水浸提液培養(yǎng)對小麥種子進行研究發(fā)現(xiàn)，小麥幼苗根、葉中超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）活力降低，而丙二醛（MDA）含量升高。在本試驗中，BL300、BL400和BL500處理也顯著提高了植物幼苗的MDA含量，表明幼苗生長出現(xiàn)生理損傷，表現(xiàn)出明顯的植物毒性效應。而秸稈生物質(zhì)炭處理對幼苗MDA含量沒有影響，且促進了SOD活性，表明該種生物質(zhì)炭對幼苗生長沒有顯著的毒害作用。

生物質(zhì)炭中除了含有植物生長所需的營養(yǎng)元素外，還含有重金屬、PAHs等潛在土壤污染物。通過對供試生物質(zhì)炭檢測，發(fā)現(xiàn)其重金屬含量均低于GB 15618—1995土壤環(huán)境質(zhì)量標準。但在很多研究報道中都檢測出生物質(zhì)炭PAHs含量超標，并有研究報道PAHs（如Na、BaA、Ch）對植物種子萌發(fā)和幼苗生長具有顯著的抑制作用[16]，可推測PAHs可能是潛在抑制種子活力的主要因素之一。而不同生物質(zhì)原料和炭化工藝導致所制備的生物質(zhì)炭具有不同的理化性質(zhì)，應用于農(nóng)業(yè)中也會產(chǎn)生不同的效果。本研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭的自身特性能夠?qū)ψ魑锓N子萌發(fā)生長產(chǎn)生直接效應。因此，生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)及林地土壤中應用推廣之前，需要開展大田試驗，以進一步驗證。

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（收稿日期：2018-12-11）