生物質(zhì)氣化液對小麥生長及土壤酶的影響

唐玲涵，馬建義

(浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院， 杭州 311300)

農(nóng)林生物質(zhì)廢料(竹、廢木、秸稈等)進(jìn)行熱解氣化反應(yīng)后能產(chǎn)生木煤氣供居民生活用氣、供熱和發(fā)電，同時產(chǎn)出具有高價值的生物炭及大量的液體廢物，而后者是一種棕黑色液體，含有水相和油相，分離后可得生物質(zhì)醋液和生物質(zhì)焦油[1]。生物質(zhì)氣化液的主要成分是水(約占體積分?jǐn)?shù)80%～90%)，其次是有機(jī)酸、酚類、醛類、酮類、脂類和醇類等。原料和生產(chǎn)工藝差異使成分和含量也不相同，以原料區(qū)分生物質(zhì)氣化液，主要有竹醋、木醋、秸稈醋[2-4]。目前，生物質(zhì)醋液可廣泛地施用于農(nóng)業(yè)各種用途，包括葉面肥、殺菌劑、驅(qū)蟲劑甚至除草劑[5-6]。這種大量使用是否會改變土壤的理化性質(zhì)以及微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響土壤的性質(zhì)仍有待研究，因此有必要對高濃度醋液大量使用在農(nóng)業(yè)環(huán)境中的安全性做出新的全面評估。

土壤酶參與腐殖質(zhì)的合成與分解，包括有機(jī)化合物、動植物和微生物殘體的水解與轉(zhuǎn)化以及土壤中有機(jī)、無機(jī)化合物的各種氧化還原反應(yīng)等生物化學(xué)過程[7]。脲酶的酶促產(chǎn)物氨是植物氮源之一，尿素與氮肥的水解也與土壤脲酶活性密切相關(guān)。蛋白酶參與氮的有機(jī)轉(zhuǎn)化，其水解產(chǎn)物是植物的氮源之一。 蔗糖酶與土壤許多因子有相關(guān)性，如土壤有機(jī)質(zhì)、氯、磷含量，微生物數(shù)量及土壤呼吸強(qiáng)度等[8]。

本文在使用高濃度生物質(zhì)氣化液的條件下，以小麥生長及其培養(yǎng)土壤為研究對象，研究3種生物質(zhì)氣化液對小麥生長及土壤酶活性的影響，為高濃度醋液在農(nóng)業(yè)環(huán)境中的使用安全性及生物質(zhì)氣化液大量使用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

采集浙江農(nóng)林大學(xué)內(nèi)未施用農(nóng)藥肥料的荒地(紅壤)中的新鮮土樣，去除植物根及其他雜物后風(fēng)干，并過0.5 nm篩備用。土壤的理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)18.6 g/kg、全氮1.76 g/kg、有效磷22.5 mg/kg、有效鉀73.4 mg/kg、pH值為7.2。竹醋液由寧波奉化竹炭廠生產(chǎn)(有機(jī)酸體積分?jǐn)?shù)為5.4%、焦油體積分?jǐn)?shù)為0.8%)，木醋液為加拿大Cantimber Biotech Inc生產(chǎn)(有機(jī)酸體積分?jǐn)?shù)為3.6%、焦油體積分?jǐn)?shù)為1.8%)，秸稈醋液浙江華尚新能源股份有限公司生產(chǎn)(有機(jī)酸體積分?jǐn)?shù)為1.8%、焦油體積分?jǐn)?shù)為2.4%)，普通小麥為Triticum aestivum L品種西農(nóng)1376。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1幼苗生長法

試驗(yàn)以直徑7.6 cm、高7 cm的花盆裝取上述風(fēng)干土樣，每盆種10顆小麥種子。分別加入40 mL的0.25%、1.25%、2.5%、5% 4種體積分?jǐn)?shù)的竹醋液、木醋液、秸稈醋液以加等體積的蒸餾水為對照(使得土壤含水量為田間最大含水量40%)。每3 d澆1次竹、木、秸稈醋，在恒溫20 ℃、相對濕度為80%的光照培養(yǎng)箱里培養(yǎng)14 d。測定幼苗的根長、根數(shù)和株高。試驗(yàn)設(shè)置3個重復(fù)[9-11]。

1.2.2土壤酶活性的測定方法

脲酶活性測定采用靛藍(lán)比色法，蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法，蛋白酶采用茚三酮比色法[12]。

1.2.3土壤酶活性抑制率的計(jì)算

抑制率(%)=(對照組酶活性-處理組酶活性)/對照組酶活×100%

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0作統(tǒng)計(jì)處理，結(jié)合Excel 2003進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，然后對結(jié)果進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)氣化液對小麥生長的影響

在14 d對苗期小麥形態(tài)特征進(jìn)行測量統(tǒng)計(jì)，表1顯示體積分?jǐn)?shù)為2.5%與5%的竹醋處理組以及5%的木醋、秸稈醋處理組的小麥并未發(fā)芽。體積分?jǐn)?shù)為0.25%的竹醋、木醋、秸稈醋處理組根長、莖長以及發(fā)芽率與對照組沒有顯著區(qū)別，只有體積分?jǐn)?shù)為0.25%的木醋處理組在根數(shù)量上有顯著的促進(jìn)效果。體積分?jǐn)?shù)為1.25%的竹醋、木醋在根長、莖長有顯著的抑制作用，體積分?jǐn)?shù)為1.25%的竹醋處理組在發(fā)芽率上有顯著的抑制作用，同濃度的木醋在發(fā)芽率上沒有顯著影響。體積分?jǐn)?shù)為1.25%的秸稈醋處理組在根長與發(fā)芽率上為顯著抑制，在根數(shù)上為顯著促進(jìn)。體積分?jǐn)?shù)為2.5%的木醋、秸稈醋處理組在根長、莖長、發(fā)芽率這3個指標(biāo)上均表現(xiàn)為顯著抑制。

表1 生物質(zhì)氣化液對小麥生長的影響

藥劑處理 藥劑含量/% 生物質(zhì)氣化液對小麥生長的影響根長/cm 莖長/cm 根數(shù)發(fā)芽率/% 竹醋0.2510.80±0.279.73±0.175.30±0.1393.30±3.331.255.59±0.70?7.18±0.19?3.60±0.1840.00±10.00?2.50.00±0.00?0.00±0.00?0.00±0.00?0.00±0.00?50.00±0.00?0.00±0.00?0.00±0.00?0.00±0.00?木醋0.2512.45±0.549.66±0.535.50±4.42?83.30±3.331.256.49±1.59?6.19±0.57?4.76±3.3066.60±6.662.52.60±0.14?4.23±0.70?3.40±0.1230.00±5.77?50.00±0.00?0.00±0.00?0.00±0.00?0.0±0.00?秸稈醋0.2510.86±0.3712.70±0.765.26±0.6686.60±3.331.259.73±1.40?10.11±0.985.23±0.4963.30±12.01?2.54.02±0.30?6.81±1.49?4.20±0.0530.00±5.77?50.00±0.00?0.00±0.00?0.00±0.00?0.00±0.00?清水014.02±0.4910.98±0.204.40±0.1180.00±5.77

注：*與對照組有顯著差異p<0.05

由結(jié)果可見：不同濃度的3種生物質(zhì)氣化液對小麥的影響表現(xiàn)為低體積分?jǐn)?shù)(0.25%)對小麥生長沒有顯著影響，隨著濃度的升高對小麥生長有不同程度的抑制效果，濃度越高抑制效果越顯著。3種氣化液對小麥的生長影響大小為：竹醋>木醋>秸稈醋。

2.2 生物質(zhì)氣化液對土壤酶的影響

試驗(yàn)使用小麥生長試驗(yàn)結(jié)束后的土壤進(jìn)行酶活性測定，在研究生物質(zhì)氣化液對小麥影響的同時觀察對土壤酶的影響。表2為生物質(zhì)氣化液對土壤脲酶活性的影響，可見體積分?jǐn)?shù)為0.25%的竹醋、木醋處理組與對照組相比有顯著促進(jìn)作用；體積分?jǐn)?shù)為1.25%的竹醋、木醋處理組沒有顯著差異；而體積分?jǐn)?shù)為2.5%和5%的竹醋、木醋處理組表現(xiàn)顯著抑制。體積分?jǐn)?shù)為5%的秸稈醋表現(xiàn)為顯著促進(jìn)而其他3個濃度沒有顯著影響。這3種生物質(zhì)氣化液對土壤脲酶的影響有所差異。圖1的土壤脲酶活性抑制率顯示，竹醋與木醋相似，在低濃度對脲酶有促進(jìn)作用，濃度越高抑制率就越大；而秸稈醋對脲酶活性影響不大，對土壤脲酶活性抑制作用為：竹醋>木醋>秸稈醋。

表2 生物質(zhì)氣化液對幾種土壤酶活性的影響

藥劑處理藥劑含量/% 生物質(zhì)氣化液對土壤酶活性的影響脲酶/(NH3-H mg·g-1d-1)蛋白酶/(NH2-H mg·g-1d-1)蔗糖酶/(mg·g-1d-1)竹醋0.250.20±0.004?0.24±0.027 0.67±0.0611.250.12±0.0070.36±0.0201.45±0.093?2.50.08±0.009?0.26±0.050 1.056±0.030?50.076±0.011?0.15±0.040?1.096±0.048?木醋0.250.21±0.013?0.33±0.0140.97±0.0391.250.107±0.0200.64±0.041?1.17±0.067?2.50.098±0.009?0.58±0.0291.21±0.140?50.075±0.008?0.31±0.0310.98±0.065?秸稈醋0.250.13±0.0070.62±0.310?0.88±0.378 1.250.13±0.0130.56±0.026?0.80±0.0042.50.12±0.0060.47±0.025?0.66±0.02650.185±0.010?0.33±0.0180.88±0.048對照(CK)00.14±0.0100.24±0.0230.69±0.040

注：*與對照組有顯著差異p<0.05

圖1 土壤脲酶活性抑制率(%)

對土壤蛋白酶活性的影響見表2，體積分?jǐn)?shù)為0.25%、1.25%和2.5%的竹醋處理組沒有顯著差異，體積分?jǐn)?shù)為5%的竹醋處理組顯著抑制蛋白酶活性。體積分?jǐn)?shù)為1.25%的木醋處理組顯著促進(jìn)，其他3個濃度竹醋沒有顯著影響。體積分?jǐn)?shù)為0.25%、1.25%和2.5%的秸稈醋處理組顯著促進(jìn)蛋白酶活性，5%的秸稈醋處理組沒有顯著影響。圖2顯示:低濃度的竹醋和木醋對蛋白酶沒有顯著影響，體積分?jǐn)?shù)為1.25%濃度時這3種醋液對土壤蛋白酶活性抑制率最低。竹醋處理組對蛋白酶活性抑制率大于木醋與秸稈醋處理組。

對土壤蔗糖酶活性的影響見表2和圖3。體積分?jǐn)?shù)為0.25%的竹醋、木醋處理組沒有顯著影響，體積分?jǐn)?shù)為1.25%、2.5%和5%的竹醋、木醋處理組顯著促進(jìn)，而秸稈醋液處理組4個體積分?jǐn)?shù)沒有顯著影響。低體積分?jǐn)?shù)(0.25%)的3種生物質(zhì)氣化液對土壤蔗糖酶活性影響不顯著，隨著濃度升高，抑制率降低。這3種醋液對蔗糖酶活性抑制的影響為秸稈醋處理組大于木醋與竹醋處理組。

圖2 土壤蛋白活性抑制率(%)

圖3 土壤蔗糖酶活性抑制率(%)

3 結(jié)論與討論

3種生物質(zhì)氣化液在低濃度時對小麥苗期生長沒有顯著差異，高濃度時會抑制小麥出芽，也對小麥苗期生長有抑制作用。對培養(yǎng)小麥的土壤進(jìn)行3種酶活性的測定發(fā)現(xiàn)：生物質(zhì)氣化液在低于1.25%體積分?jǐn)?shù)以下有促進(jìn)作用，高濃度有抑制作用，對土壤酶活性抑制率為脲酶>蛋白酶>蔗糖酶。觀察不同濃度的生物質(zhì)氣化液澆灌的小麥以及對3種土壤酶活性的影響發(fā)現(xiàn)：體積分?jǐn)?shù)為0.25%為有益小麥生長的濃度，并對這3種酶有積極影響；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.25%濃度下雖對小麥有消極影響，但對土壤的3種酶有一定的積極影響。這3種生物質(zhì)氣化液對小麥和土壤的影響不同，對小麥的生長抑制程度大小為：竹醋>木醋>秸稈醋，對土壤酶活性抑制程度大小為：竹醋>木醋>秸稈醋。

我國是農(nóng)業(yè)大國，竹、木、秸稈等生物質(zhì)資源豐富，生物質(zhì)資源加工后產(chǎn)生的廢液經(jīng)過處理后可用于食品、化妝、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等大量領(lǐng)域。生物質(zhì)氣化液是一種天然的有機(jī)產(chǎn)物，有相關(guān)研究表明：生物質(zhì)氣化液對農(nóng)作物生長有積極影響，能提升農(nóng)作物品質(zhì)，提高作物產(chǎn)量[13-14]。生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用特別是農(nóng)林廢棄物炭化還田對土壤、作物及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響已經(jīng)有大量報道。炭對土壤理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)、土壤酶活性、重金屬遷移等影響的研究工作也有大量的報道，但生物質(zhì)醋對土壤的影響研究很少有報道，尤其是秸稈醋液[15]。為擴(kuò)大生物質(zhì)醋液的應(yīng)用，急需開展其對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境影響的研究，濃度、使用量、使用時間與期限等具體技術(shù)因素在農(nóng)業(yè)方面的科學(xué)使用。本試驗(yàn)中明確了使用生物質(zhì)氣化液的濃度與其對土壤酶活性的影響，下一步將研究長期使用與過量使用生物質(zhì)氣化液對植物與土壤環(huán)境的影響。