賀 磊,孫恩惠,鄧 濤,雍 宬,范肖東,4,黃紅英
(1江西省林業(yè)科學院,南昌 330032;2江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部鹽堿土改良與利用(濱海鹽堿地)重點實驗室/江蘇省有機固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210014;3夸祖魯-納塔爾大學農(nóng)業(yè)、工程與科學學院生命科學學院,南非斯科茨維爾 3209;4南京林業(yè)大學材料科學與工程學院,南京 210037)
隨現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展,容器育苗被廣泛采用,國內(nèi)外蔬菜、花卉與苗木等育苗方式正在由傳統(tǒng)的露地向容器轉(zhuǎn)變[15-16]。目前,國內(nèi)外育苗采用的容器主要是塑料缽。塑料缽育苗具有許多優(yōu)點,制作成本低、質(zhì)量輕、保水性好,深受消費者青睞。但塑料容器在環(huán)境中降解需上百年時間,微塑料存留將嚴重影響土壤透氣性和植物根的生長[17-18]。隨生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化和人們環(huán)保意識的增強,生物可降解容器越來越受到人們的關(guān)注[15]。有研究表明,以稻殼為原材料,采用大豆蛋白基黏合劑捏合成型制備育苗缽,該育苗缽具有適宜的耐水性和強度,育苗效果良好,是一種理想的育苗器具,可應用于作物的育苗[15];且結(jié)果發(fā)現(xiàn)微生物引起不同育苗容器土埋過程中氮磷鉀等養(yǎng)分釋放規(guī)律,為生物質(zhì)育苗容器的應用提供理論依據(jù)[16]。
綜上所述,目前利用含有多酚物質(zhì)的樟樹加工剩余物為原料制備育苗容器的相關(guān)研究基本屬于空白,為了探索樟樹加工剩余物制品在作物育苗中的應用效果,有效拓展樟樹加工剩余物高值資源化利用途徑,為蔬菜茄果育苗提供一種養(yǎng)分可釋放的容器苗床,發(fā)揮更大的生態(tài)效益提供理論基礎(chǔ),本研究以樟樹加工剩余物為研究對象,通過破碎、粗粉,經(jīng)生物質(zhì)膠粘劑噴膠、攪拌、均勻鋪裝在容器模具中,經(jīng)高溫模壓成型制備模壓育苗容器。通過跟蹤不同配方育苗容器物化性質(zhì)、吸水特性、養(yǎng)分釋放規(guī)律與生物可降解性等,研究育苗容器對黃瓜發(fā)芽勢及生長因子的影響,旨在為樟樹加工剩余物育苗容器在園林綠化、蔬菜花卉等育苗應用提供理論依據(jù)。
樟樹加工剩余物取自吉安市高盛生物科技發(fā)展有限公司,自然晾干,使用前利用9FQ-400錘片式粉碎機(廣州標誠機械)粉碎,含水率9%~12%,粗脂肪5.6%,粗蛋白19.3%,粗纖維5.5%,粗灰分5.7%,總多酚2.2%。氧化玉米淀粉膠黏劑固含量31.08%,pH 3.8;脲醛聚合物固含量55.62%,pH 7.6,膠合強度1.26 MPa。
1.2.1 育苗容器的制備 育苗容器采用熱壓成型方法[15]。將樟樹葉加工剩余物、復合黏合劑及70#石蠟按一定比例在SHR-10A高速混煉機中充分混合均勻,經(jīng)攪拌、脫水,干燥至物料含水率在12%~14%,放置30 min,置于YQ32-200T三梁四柱液壓機模具中壓制。育苗容器上口直徑60 mm,底部直徑40 mm,器壁平均厚度1.5~1.7 mm,容積110 mL。
育苗容器制備設(shè)置3個處理。(1)未提取精油的樟樹加工剩余物、淀粉膠黏劑與脲醛聚合物,質(zhì)量比為100:70:15,記TF-A;(2)提取精油后的樟樹加工剩余物、淀粉膠黏劑與脲醛聚合物,質(zhì)量比為100:70:15,記TF-B;(3)提取與未提取精油的樟樹加工剩余物混合料、淀粉膠黏劑與脲醛聚合物,質(zhì)量比為50:50:70:15,記TF-C。樟樹加工剩余物育苗容器理化指標如表1。
表1 不同配方育苗容器的理化性狀含量
1.2.2 育苗容器盆栽 將等體積營養(yǎng)基質(zhì)分別裝入育苗容器中,播入催芽后的黃瓜種子1顆,置于內(nèi)部環(huán)境溫度約30℃的塑料大棚進行育苗試驗。試驗每處理設(shè)置20個平行,育苗期25天,以塑料育苗容器作對照(CK),每隔5天補水1次,使育苗容器內(nèi)部基質(zhì)土水分保持在飽和含水率約70%。各處理黃瓜育苗期間溫度、光照、水分、養(yǎng)分管理等操作一致。
1.3.1 pH及電導率 將粉碎樣品與去離子水水固液比1:10于200 r/min振蕩30 min,濾液用于pH采用酸度計(Phs-2F型,上海精密科學儀器有限公司,上海),電導率采用電導率儀(DDS-11A,上海雷磁儀器有限公司)測定。
表2數(shù)據(jù)顯示,國內(nèi)女性主義翻譯研究的主要被引文獻多集中于該理論的引介與闡發(fā)初期,此間發(fā)刊的論文篇數(shù)不多,但被引率極高,影響極大。在被引前十的文獻中,有9篇屬于理論分析文章,被引合計2 077頻次,篇均被引230.78次,幾乎構(gòu)成了國內(nèi)女性主義翻譯研究的理論基石,奠定了作者自身在該研究領(lǐng)域的理論話語地位。比如,被引頻次最多的一篇是蔣驍華的《女性主義對翻譯理論的影響》[3],364次被引中有158條期刊論文引證,說明該文獻在同類研究中具有重要的理論基礎(chǔ)性、影響力和導向性。
1.3.2 有機碳及氮磷鉀 育苗容器全氮采用H2SO4-H2O2法測定,全磷采用釩鉬黃比色法測定,全鉀采用火焰光度計法測定,有機碳采用重鉻酸鉀稀釋熱法測定[19]。
1.3.3 種子發(fā)芽率 將育苗容器樣品粉碎過0.3 mm篩,按照1 g:10 mL的固液比浸提2 h。取10 mL浸提液放入鋪好濾紙的無菌培養(yǎng)皿中,點播30粒籽粒飽滿辣椒種子(‘津優(yōu)30’),每個處理3個重復,同時設(shè)清水對照。每天加入1 mL試驗浸提液,共培養(yǎng)7天。發(fā)芽率和發(fā)芽勢計算如式(1)~(2)。
1.3.4 苗容器吸水性測試 吸水率及吸水厚度膨脹率測試,參照國家標準GB/T 17657—1999進行。將樟樹加工剩余物育苗容器在溫度為(25±2)℃的水槽中浸漬,在水中浸潤450 min,每隔75 min進行稱重,記錄每次稱重質(zhì)量,算出每次的吸水率,做出容器吸水特性隨浸漬時間的變化趨勢圖。
1.3.5 黃瓜幼苗生長生理指標 黃瓜幼苗生長25天時進行植株生長指標的測定[20]。采用直尺從生長點到容器內(nèi)部基質(zhì)表面間距,記為株高;采用游標卡尺測量秧苗子葉節(jié)下1 cm處的莖基寬度;在莖基部將黃瓜秧苗地上部分和地下部分分開,用去離子水洗凈地上和地下部分表面后用吸水紙吸干水分并分別稱重;采用CCM-200 plus便攜式葉綠素儀檢測(美國OPTISCIENCES)黃瓜幼苗生長第25天時,第2片葉面的葉綠素,用SPAD值表示葉片葉綠素含量的相對值。每項指標測定苗數(shù)為10棵,試驗設(shè)置3個平行。
1.3.6 可生物降解性能 將取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜田熟土與無碳源培養(yǎng)液,按1:10比例混合均勻,置于250 mL的三口燒瓶中,在轉(zhuǎn)速120 r/min,環(huán)境溫度30℃培養(yǎng)箱中放置20 min,靜置過濾得土壤懸浮液[21]。將育苗容器樣品裁切成10 mm×(3~5)mm的片狀體放入培養(yǎng)皿中,加入5 mL的土壤懸浮液,每個處理3個平行,同時制作空白組。所有步驟在超凈工作臺無菌操作,培養(yǎng)皿外層用膠膜密封,置于培養(yǎng)箱中,培養(yǎng)溫度30℃,每個3~5天補充定量土壤懸浮液,培養(yǎng)時間60天。樣品質(zhì)量損失率,不定期采樣,用乙醇和去離子水將樣品洗凈,干燥至恒重,稱量記錄數(shù)據(jù),并根據(jù)式(4)計算樣品的質(zhì)量降解率R。
式中,MI為試樣初始質(zhì)量,Mi為樣品降解一定時間后樣品干重。
采用美國FEI Quanta 200環(huán)掃電子顯微鏡觀察育苗容器降解期間材料表面微觀結(jié)構(gòu)。
用Excel 2013進行數(shù)據(jù)分析,用Origin 2018軟件進行繪圖分析。
將樟樹加工剩余物育苗容器在溫度為(25±2)℃的水槽中浸漬,容器吸水特性隨浸漬時間的變化如圖1所示。在300 min前,育苗容器吸水率與浸漬時間呈線性相關(guān),且TF-B的相關(guān)度較高(R2=0.9428),吸水率達到最大值,TF-A、TF-B、TF-C吸水率分別為26.63%、39.31%和34.89%。由于TF-B原材料是樟樹加工剩余物,其揮發(fā)性精油含量較低,纖維分子鏈及淀粉基黏合劑親水性羥基、羧基等基團易暴露,表面附著水更易通過細胞浸透于纖維細胞腔,附著水量增加。TF-A吸水率較低主要歸因于香樟剩余物原材料中含較高易揮發(fā)疏水性的芳香組分混合物。隨后其吸水率基本維持平衡,吸水速率趨于平緩且有下降趨勢是因為隨浸漬時間的延長,育苗容器材料內(nèi)部可溶性物質(zhì)有所溶出。
圖1 育苗容器吸水率隨浸漬時間變化
吸水厚度膨脹是描述育苗容器在育苗期間器壁裂開的重要指標[15]。由圖2可以看出,在浸泡90 h時,容器器壁基本達到平衡,隨時間的延長,吸水厚度膨脹率變化不大,TF-A、TF-B、TF-C吸水厚度膨脹率達到平衡,分別為 7.68%(R2=0.8682)、10.34%(R2=0.8995)和9.07%(R2=0.8521)。育苗容器吸水率與吸水厚度膨脹率在線性相關(guān)區(qū)間呈正相關(guān)趨勢。樟樹加工剩余物纖維素大分子含有較多無定型區(qū),自身吸濕性較強;纖維與膠黏劑分子間因水分子作用,易形成破壞若界面層,從而導致有較高的親水性。由于TF-B原材料是樟樹加工剩余物,其揮發(fā)性精油含量較低,纖維分子鏈及淀粉基黏合劑親水性羥基、羧基等基團易暴露,表面附著水更易通過細胞浸透于纖維細胞腔,附著水量增加,導致其吸水率在3組原材料中最大,表現(xiàn)出高的親水性。TF-A則是因為香樟剩余物原材料中含較高易揮發(fā)疏水性的芳香組分混合物,所以在3組原材料中吸水率最小,表現(xiàn)出較低的親水性。因此由吸水率和吸水厚度膨脹可側(cè)面表現(xiàn)出3組材料的疏水性為TFA>TF-C>TF-B。
圖2 育苗容器吸水厚度膨脹率隨浸漬時間變化
發(fā)芽率是衡量種子在污染物脅迫下萌發(fā)能力強弱的重要指標,可反映實際育苗應用效果好壞,發(fā)芽勢反映發(fā)芽速度和整齊度[22]。由圖3可以看出,CK發(fā)芽勢為73.05%,TF-A、TF-B、TF-C的發(fā)芽勢在61.08%~74.81%,樟樹加工剩余物育苗容器對水稻種子發(fā)芽勢的影響略表現(xiàn)出抑制作用,各處理間差異不顯著,TFB對黃瓜種子發(fā)芽勢影響作用最小。而黃瓜種子的發(fā)芽率分別為88%、94%、90%,略低于CK(93.33%),表明大部分黃瓜種子在樟樹加工剩余物育苗容器浸提液影響下仍可以萌發(fā),但不同育苗容器對黃瓜種子發(fā)芽的影響有差異。TF-B發(fā)芽率最高,且TF-B發(fā)芽勢最高,TF-C略低于TF-B,在發(fā)芽率相同時,發(fā)芽勢高的種子生命力強,TF-B對黃瓜種子的發(fā)芽幾乎無影響,可能是樟樹加工剩余物經(jīng)精油提取后物料中含較低濃度的揮發(fā)性芳香物質(zhì),浸提液毒性低。試驗表明,以樟樹加工剩余物為原料制備的育苗容器具有較好的理化特性,對黃瓜種子萌發(fā)基本無毒性或毒性較低。
圖3 育苗容器對黃瓜種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響
氮磷鉀是植物生長需要較多的3種營養(yǎng)元素[23]。氮素對黃瓜幼苗株高、莖基寬、根長、干物質(zhì)累積量及葉綠素等具顯著影響[24]。育苗容器總氮含量主要是添加的淀粉黏合劑和脲甲醛聚合物中的氮源,及樟樹加工剩余物原材料中的氮素。黃瓜育苗期間不同育苗容器總氮含量變化如圖4a所示,育苗15天內(nèi),TF-A、TFB、TF-C育苗容器氮素含量下降顯著較快,且釋放速率較快,隨后其氮素釋放速率相對減緩。25天育苗結(jié)束,TF-A、TF-B、TF-C育苗容器總氮含量由6.96、6.59、6.72 g/kg降至4.37、3.28、3.61 g/kg,總氮釋放量最大為50.23%,育苗容器氮素釋放速率表現(xiàn)為TF-B>TFC>TF-A,而在10~15天期間,TF-C氮素緩釋速率大于TF-A和TF-B,達到27.16%,制備的育苗容器自身帶有較高的氮素養(yǎng)分[25],育苗期間可緩慢釋放,促進黃瓜幼苗的生長,隨苗移栽后的育苗容器仍可作氮素緩釋肥為作物后續(xù)生長提供養(yǎng)料,綜合考慮,育苗容器TF-C較適于黃瓜育苗。
圖4 不同育苗容器氮磷鉀、有機碳養(yǎng)分含量變化
磷鉀對作物營養(yǎng)有重要的作用,能促進早期根系的形成及莖稈的生長[26]。由圖4b和4c可以看出,隨著育苗天數(shù)的增加,總磷含量變化趨勢與總氮類似,總鉀下降趨勢略高,可能是基質(zhì)土中的鉀含量供應不足,育苗容器鉀素快速遷移利于黃瓜幼苗吸收而致,但TF-A、TF-B和TF-C處理間,總鉀差異不顯著(圖4c)。不同的是,TF-B總磷含量變化趨勢略顯著于TF-A和TF-C,分析是提取精油后的樟樹加工剩余物比表面積增大,纖維絲化度及纖維內(nèi)部孔隙增多,育苗過程中水溶性磷素與纖維內(nèi)部分子結(jié)合增強[27],進而流失率降低。
樟樹加工剩余物育苗容器富含天然生物高分子,天然高分子多易被基質(zhì)土中微生物降解[28],發(fā)生有機碳被礦化作用,生成CO2和H2O[29-31]。從圖4可以看出,各處理的有機碳快降解,后面逐漸趨于平衡,育苗25天后,TF-A,TF-B和TF-C有機碳含量分別下降了22.97%、27.61%和26.98%,表明育苗過程3種容器有機高分子已發(fā)生降解作用,碳礦化速率TF-B>TF-C>TF-A。有機高分子降解或分子鏈斷裂,會導致器壁內(nèi)結(jié)合力被削弱,產(chǎn)生裂縫直至崩解。因此,樟樹加工剩余物育苗容器具有良好的可生物降解性,有益于后續(xù)育苗容器隨苗移栽,不影響黃瓜秧苗根系穿透生長。
黃瓜種子發(fā)芽最適pH 5.5~7.2,根系活力較高。電導率反映了浸提液中的可溶性鹽的含量,過高或過低EC值會阻礙作物的生長[19],不同植物適宜的EC都不同,通常范圍在0.4~1 mS/cm。結(jié)合表1可知,TF-A、TF-B和TF-C3種育苗容器的pH和EC值分別在5.74~5.91、0.85~0.93 mS/cm,且指標差異性不顯著,易于黃瓜幼苗生長。
由表2可以看出,TF-C和塑料容器、TF-A和TF-B育苗相比在株高上差異不大,且略低與TF-A和塑料容器,可能是TF-C育苗容器由具有親水性纖維和親水基團構(gòu)成,育苗過程水分管理易導致容器器壁膨脹,水分蒸發(fā)落干后造成器壁應力產(chǎn)生而開裂,進而水分散失較快。在莖基寬、葉綠素、鮮重、干重和壯苗指數(shù)上存在差異顯著,而TF-B在葉綠素和地下干質(zhì)量上差異顯著。總的來說,樟樹加工剩余物制備的育苗容器TF-C和塑料容器培育的黃瓜育苗各項指標均存在顯著差異,黃瓜植株幼苗生長指標優(yōu)于塑料容器,均有不同程度的提高,莖基寬、葉綠素、地上鮮重、地下鮮重、地上干重和地下干重分別提高了4.59%、12.18%、3.01%、6.80%、2.86%和15.79%,以壯苗指數(shù)為綜合考量指標,其提高比例達23.64%。原因是與塑料容器育苗相比,容器內(nèi)部裝填基質(zhì)養(yǎng)分相同,而樟樹育苗容器自身含較高的氮素,黃瓜幼苗生長過程中,可額外為幼苗提供養(yǎng)分以促壯苗。
表2 育苗容器培育的黃瓜秧苗生長指標
樟樹加工剩余物制備的育苗容器隨微生物接種培養(yǎng)時間的質(zhì)量損失率變化趨勢及其相關(guān)性結(jié)果見圖5。隨著降解時間的增加,TF-A、TF-B和TF-C降解率逐漸提高,在30天降解率分別達到36.84%、47.41%和44.27%。結(jié)合圖6 SEM微觀形貌看出,單位面積的TF-B表面裂紋、凹凸性較高,可以觀察到其微生物生物量高于TF-A和TF-C,結(jié)合TF-B結(jié)構(gòu)可知,隨降解時間的增加,TF-B的組織結(jié)構(gòu)被破壞,其表面產(chǎn)生裂紋且凹凸不平,產(chǎn)生了一定粗糙的表面,使得與微生物的接觸面變大,從而使得降解程度變高[32]。而TF-A和TF-C中多種揮發(fā)性化合物質(zhì)高于TF-B,可能抑制微生物擴繁[10,33]。但總體而言,微生物降解60天時,TFA、TF-B和TF-C降解率高達65.57%、80.67%和74.69%,表明育苗容器具優(yōu)異的生物降解性能。
圖5 育苗容器質(zhì)量損失率隨育苗時間的變化
圖6 育苗容器降解過程表面及斷面SEM掃描圖
對比樟樹加工剩余物育苗容器TF-C在20天的生物降解表面和斷面形貌(圖6),降解前后的形貌區(qū)別較大。降解前材料表面規(guī)整、平滑有光澤(圖6a),且斷面致密性良好(圖6b)。微生物降解20天后表面產(chǎn)生松動及裂紋,明顯附著層,表面粗糙度提升,且附著大量微生物,凹凸不平(圖6c)。表明纖維已被微生物分解[34],微纖絲角結(jié)論可以印證相關(guān)現(xiàn)象。且器壁中淀粉膠黏劑和脲醛聚合物分子量也逐一降低,界面斷層發(fā)生溶解[35],纖維裸露,且有裂口(圖6d),更易被微生物侵蝕(圖6e),酶解作用提升,最終纖維結(jié)構(gòu)分子鏈產(chǎn)生斷裂和氧化,分解成小分子,降解劇增[19,32-34],同時降解體系中可能含具有電子傳遞“橋梁”作用的微生物,利于釋放降解過程中積累的過剩還原力,以此解除秸稈降解過程中產(chǎn)生的底物限制,且從功能層面統(tǒng)一調(diào)控秸稈的降解過程[36-37]。
黃瓜育苗初期,基質(zhì)土濕度為田間最大的持水量的70%~80%,且處于通風量較大的環(huán)境,育苗容器處于干濕交替狀態(tài),因此,育苗器應保持容器具有適中強度,器壁破損率較低,以降低育苗期間水分的散失,減少施水量,綜合上述結(jié)果表明,樟樹加工剩余物為原料制備育苗容器,完全能夠滿足25天左右的黃瓜育苗要求。
以樟樹加工剩余物作為基質(zhì)載體在苗床育苗中具有較好的應用潛力,拓展了其剩余物資源高值加工利用途徑。而樟樹加工剩余物的基本理化性能及生物可降解性等指標對蔬菜育苗生理因子的影響較大。本研究以樟樹加工剩余物為原材料,這種加工剩余物在江西地區(qū)方便易得,物料中較高的總多酚含量有益于后續(xù)育苗容器使用過程對作物根系蟲害的預防[38]。合理開發(fā)利用樟樹加工剩余物,使其在生物質(zhì)工業(yè)化應用中實現(xiàn)物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化和能量的高效循環(huán),是發(fā)展生物質(zhì)循環(huán)經(jīng)濟的重要實現(xiàn)途徑。這些樟樹加工剩余物進行環(huán)境友好的育苗容器二次利用,不僅為蔬菜茄果提供一種環(huán)境安全、養(yǎng)分可釋放的容器,促進植株幼苗順利生長,提升苗木生產(chǎn)綜合效益;同時育苗容器降解后還田土壤能夠為土壤中微生物帶來豐富的營養(yǎng)與能量,能夠使土壤微生物數(shù)量增加,改良土壤理化性質(zhì),提升土壤的可耕性。將樟樹加工剩余進行育苗容器化應用,有利于加工生產(chǎn)、環(huán)境治理、廢棄利用之間的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)整合,進而形成一個完整、健康的生態(tài)、經(jīng)濟與社會產(chǎn)業(yè)鏈,高效促進樟樹加工剩余物資源化開發(fā)和利用,節(jié)約企業(yè)的生產(chǎn)成本,減少環(huán)境污染,最終實現(xiàn)樟樹精油產(chǎn)業(yè)鏈的高質(zhì)量化、綠色環(huán)保、持續(xù)健康的目標,實現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟雙向持續(xù)發(fā)展的最終目的。
(1)不同配方的樟樹加工剩余物育苗容器均具有良好的吸水特性,TF-A、TF-B、TF-C吸附平衡含水率分別為26.63%、39.31%、34.89%。且容器具有適宜的pH和EC值,種子發(fā)芽勢在61.08%~74.81%,發(fā)芽率在88%~94%,樟樹加工剩余物育苗容器浸提液對黃瓜種子萌發(fā)基本無毒害作用。
(2)育苗過程中,氮素釋放速率表現(xiàn)為TF-B>TFC>TF-A,總氮釋放量最大為50.23%,為黃瓜幼苗生長提供氮源;磷鉀釋放速率差異不顯著。
(3)TF-C育苗容器和塑料容器培育的黃瓜育苗各項指標均存在顯著差異,黃瓜植株幼苗生長指標優(yōu)于塑料容器,壯苗指數(shù)提高比例達23.64%。微生物降解60天時,TF-A、TF-B和TF-C降解率高達65.57%、80.67%和74.69%,樟樹加工剩余物育苗容器具有優(yōu)異的生物降解性能。