生物炭早期植物毒性評(píng)估培養(yǎng)方法研究

李陽(yáng)，黃梅，沈飛,*，郭海艷，王卿

1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境研究所，成都 611130 2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，成都 611130

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生物炭早期植物毒性評(píng)估培養(yǎng)方法研究

李陽(yáng)1,2，黃梅1,2，沈飛1,2,*，郭海艷1,2，王卿1,2

1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境研究所，成都 611130 2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，成都 611130

為更加科學(xué)地評(píng)估生物炭潛在植物毒性，采用生物炭(B)、生物炭+土壤(B+S)、生物炭水浸提液+土壤(AE+S)、生物炭+石英砂(B+Q)、生物炭水浸提液+石英砂(AE+Q) 5種不同的培養(yǎng)方法進(jìn)行早期植物毒性效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。比較分析不同培養(yǎng)方法中西紅柿種子發(fā)芽率、根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)對(duì)生物炭的響應(yīng)。結(jié)果表明：在5種培養(yǎng)方法中，隨生物炭劑量增加，西紅柿種子發(fā)芽率、根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢(shì)。雖在低劑量生物炭處理下(10.0 g·kg-1)，種子萌發(fā)表現(xiàn)出促進(jìn)作用。但隨劑量增加，除B+S和AE+S外，均表現(xiàn)出一定的抑制作用，且當(dāng)劑量為160.0 g·kg-1時(shí)，抑制作用達(dá)到最大。對(duì)比有土和無土培養(yǎng)方法中種子萌發(fā)情況發(fā)現(xiàn)，在高劑量下，無土培養(yǎng)方法中種子發(fā)芽率，根、芽生長(zhǎng)所受抑制作用顯著高于有土培養(yǎng)方法。無土方法中，尤其AE+Q方法中，高劑量生物炭對(duì)種子發(fā)芽率、根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)表現(xiàn)出最大的抑制作用，其中發(fā)芽率抑制率為91.1%，根長(zhǎng)抑制率為77.7%，芽長(zhǎng)抑制率為93.7%。綜合比較分析，生物炭水浸提液+石英砂(AE+Q)的培養(yǎng)方法干擾因子少，可提高毒性響應(yīng)靈敏度。因此，在生物炭早期植物毒性效應(yīng)評(píng)估中，該法可作為推薦的培養(yǎng)方法。

生物炭；西紅柿；早期植物毒性；種子萌發(fā)；培養(yǎng)方法

Received 17 December 2015 accepted 18 February 2016

近10年，土壤退化及污染問題日益嚴(yán)峻，大氣中CO2濃度不斷增加，導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇，使生物炭在土壤中的應(yīng)用備受關(guān)注。生物炭是生物質(zhì)在缺氧、無氧條件下高溫(<700 ℃)熱解獲得的固體富碳產(chǎn)物。一般而言，其具有高pH、CEC，富含營(yíng)養(yǎng)，多孔，吸附、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，施用到土壤中能有效改良土壤理化性質(zhì)，修復(fù)污染土壤，固碳并緩解溫室效應(yīng)等[2-4]。然而，生物質(zhì)在熱解的過程中會(huì)濃縮原材料中含有的重金屬組分，例如：Koppolu等[5]研究發(fā)現(xiàn)炭中的各類重金屬元素含量為原材料的4～6倍。此外，生物質(zhì)不完全燃燒和熱解制得生物炭的過程中會(huì)產(chǎn)生焦油、多環(huán)芳烴(PAHs)等有機(jī)污染物。這些潛在的污染物會(huì)隨生物炭長(zhǎng)期、不可逆的還田進(jìn)入到土壤中，并不斷累積，對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生潛在危害。因此，有必要對(duì)生物炭的生態(tài)毒性效應(yīng)，尤其是植物毒性效應(yīng)進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估。

目前，越來越多的研究開始關(guān)注生物炭還田對(duì)土壤植物的影響[6-8]。有研究表明生物炭作為一種改良劑，其具有提高土壤pH，改善土壤持水保肥等作用，可促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，增加作物產(chǎn)量[7, 9]；但也有研究提出，由于生物炭中含有重金屬、持久性自由基、有機(jī)污染物等，尤其在長(zhǎng)期施用后，累積的污染物會(huì)潛在抑制植物種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)等[10-11]。通過分析現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，除生物炭自身的性質(zhì)差異之外，各研究中所采用的植物培養(yǎng)方法差別較大，這是導(dǎo)致植物生長(zhǎng)對(duì)生物炭響應(yīng)不一致的重要原因之一。目前生物炭對(duì)植物影響研究中培養(yǎng)方法主要有2種，一是直接將生物炭與土壤混合用以培養(yǎng)植物，但由于生物炭和土壤混合后形成生物炭-土壤-植物體系復(fù)雜，使之難以區(qū)分體系中各部分對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，可能影響毒性效應(yīng)評(píng)價(jià)[9]。近年，生物炭與石英砂或者模擬土壤等無土介質(zhì)混合體系，因簡(jiǎn)化了生物炭和土壤混合形成的復(fù)雜體系，被視為能簡(jiǎn)單、快速評(píng)估生物炭還田潛在生態(tài)毒性的重要方法[6-7, 10], 但隨著生物炭劑量的改變，各處理培養(yǎng)介質(zhì)物理性質(zhì)(如：培養(yǎng)介質(zhì)孔隙度、持水性、張弛強(qiáng)度)存在明顯差異，也可能影響植物響應(yīng)，干擾生物炭潛在植物毒性的評(píng)估。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有評(píng)估方法中的植物培養(yǎng)方法進(jìn)行對(duì)比分析以及改良，以便更為合理評(píng)價(jià)生物炭潛在植物毒性效應(yīng)。

本研究選擇植物生態(tài)毒性評(píng)估常用模式植物—西紅柿作為植物毒性效應(yīng)觀察對(duì)象[12]，以典型原料以及熱解工藝獲得的生物炭(玉米秸稈快速熱解制備生物油后獲得的生物炭)作為供試對(duì)象，在現(xiàn)有植物毒性評(píng)估培養(yǎng)方法(純生物炭、生物炭+土壤、生物炭+石英砂)基礎(chǔ)上，增加了生物炭水浸提液分別與土壤和石英砂混合的植物培養(yǎng)方法。通過比較不同培養(yǎng)方法下西紅柿種子萌發(fā)對(duì)生物炭響應(yīng)的差異，經(jīng)綜合分析，篩選出較適合的植物培養(yǎng)方法用于生物炭早期植物毒性評(píng)估。

1 材料與方法 (Materials and methods)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試生物炭為玉米秸稈在500 ℃快速熱解制備生物油工藝中獲得，由山東易能生物能源有限公司提供。供試土壤，采自黑龍江省加格達(dá)奇地區(qū)長(zhǎng)期無農(nóng)耕區(qū)(可視為潔凈土壤)，其具體物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。生物炭和土壤均先于陰涼處風(fēng)干。風(fēng)干土壤過20目篩后待用。生物炭與高純水按固液比1:3(w/w)混合，于磁力攪拌器上攪拌(25 ℃，200 r·min-1) 10 h后真空抽濾，得到生物炭水浸提液(AE)備用(抽濾后計(jì)算溶液回收率，供劑量計(jì)算使用)。供試植物西紅柿(陜西大紅寶，購(gòu)于北京綠亨種子科技公司)。

實(shí)驗(yàn)用氫氧化鈉、硫酸、丙酮、環(huán)己烷、次氯酸鈉等試劑均為分析純，購(gòu)自成都市科龍化工試劑廠。

1.2 生物炭理化性質(zhì)的測(cè)定

按1:20(w/w)的固液比將生物炭和去離子水混合攪拌，靜置30 min后用于測(cè)定生物炭pH，電導(dǎo)率(EC)；C、N、H的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過元素分析儀(Vario MICRO，Elementar)測(cè)定，O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過差減法得到；灰分的測(cè)定參照標(biāo)準(zhǔn)方法ASTME 870-82.4；其他組分含量的測(cè)定參照傳統(tǒng)土壤測(cè)定方法[13]。采用比表面分析儀(NOVA 2200E，Quantachrome)測(cè)定生物炭比表面積；利用傅立葉變換紅外光譜儀(6700型II，賽默飛)測(cè)定生物炭在400～4 000 cm-1的紅外光譜；生物炭的表觀特征通過電鏡掃描儀(SU1510, Hitachi)測(cè)定；通過X-射線衍射儀(Nicolet I-2, Thermo-Nicole, USA)對(duì)生物炭結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。按1:10 (w/w)的固液比將生物炭和去離子水混合攪拌，經(jīng)抽濾得到浸提液，取一定量浸提液用N2蒸發(fā)裝置蒸干，并用丙酮+環(huán)己烷 (1:1，V/V)進(jìn)行溶解，所得液體過0.22 μm有機(jī)濾膜后，利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析生物炭中水溶性的PAHs含量。

1.3 生物炭水浸提液理化性質(zhì)的測(cè)定

生物炭水浸提液pH、EC直接用pH計(jì)和電導(dǎo)儀測(cè)定；氮、磷和金屬元素含量的測(cè)定參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[14]。

1.4 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

供試土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[13]。

1.5 萌發(fā)實(shí)驗(yàn)

設(shè)置生物炭施用劑量為0.0，10.0，80.0，160.0 g·kg-1，按以下5種培養(yǎng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。純生物炭(B)：在250 mL燒杯底部平鋪濾紙，將不同質(zhì)量生物炭(0.0 g，1.0 g，8.0 g，16.0 g)均勻鋪于濾紙上；生物炭+土壤(B+S)，生物炭+石英砂(B+Q)：不同質(zhì)量生物炭與100.0 g土壤或石英砂混合均勻后裝于250 mL燒杯中；生物炭水浸提液+土壤(AE+S)，生物炭水浸提液+石英砂(AE+Q)：經(jīng)計(jì)算，向呈有100.0 g土壤或石英砂的各燒杯中加入生物炭水浸提液0.0，30.0，240.0，480.0 mL·kg-1(對(duì)等生物炭劑量為0.0，10.0，80.0，160.0 g·kg-1)，于通風(fēng)櫥中室溫下將水分風(fēng)干。向各個(gè)處理加去離子水，調(diào)節(jié)含水量一致后待用。

萌發(fā)實(shí)驗(yàn)中，挑選籽粒飽滿，大小一致的西紅柿種子，用1% NaClO浸泡30 min，先后用自來水和去離子水各沖洗3次，將種子于去離子水中浸泡1 h后濾紙拭干表面水分待用。將20粒種子均勻地鋪于各個(gè)燒杯中，置于培養(yǎng)箱中(250.5) ℃黑暗培養(yǎng)。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

1.6 測(cè)量指標(biāo)及方法

本研究中，當(dāng)對(duì)照組種子發(fā)芽率>65%時(shí)，結(jié)束萌發(fā)實(shí)驗(yàn)，并以初生根長(zhǎng)>5 mm作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù)，用直尺測(cè)定各處理已萌發(fā)種子根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)。其中發(fā)芽率、根長(zhǎng)抑制率和芽長(zhǎng)抑制率等按公式1～3計(jì)算。

(1)

(1)

(1)

表1 供試土壤理化性質(zhì)

表2 生物炭特性

圖1 生物炭電鏡掃描圖Fig. 1 SEM image of biochar

圖2 生物炭的紅外光譜圖Fig. 2 FT-IR spectra of the employed biochar

圖3 生物炭X-射線衍射圖譜Fig. 3 XRD pattern of the employed biochar

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS20.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，Duncan多重比較判斷處理間的差異顯著性(P<0.05)。

2 結(jié)果(Results)

2.1 生物炭的物理化學(xué)性質(zhì)

由圖1可看到，供試生物炭表面出現(xiàn)碎渣，且呈直徑約15 μm的多孔結(jié)構(gòu)，但孔發(fā)育不豐富。由生物炭紅外光譜(圖2)可見，該生物炭在波數(shù)778，1 104，1 384，1 628，3 426 cm-1處存在5個(gè)主要吸收峰，主要是由(CH2)n- (n>4)、C-O、-CH3、酸性官能團(tuán)芳香環(huán)中C=O以及酚式羥基-OH的振動(dòng)產(chǎn)生。分析生物炭X-射線衍射圖譜(圖3)，未發(fā)現(xiàn)明顯的礦物峰。由表2可知供試生物炭灰分含量為42.6%，CEC為46.1 cmol·kg-1。BET-N2僅為47.1 m2·g-1，與掃描電鏡呈現(xiàn)孔不豐富的情況相符合。對(duì)其元素組成進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，生物炭中C、H、N、O質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為29.8%、2.1%、0.5%、23.9%。相應(yīng)的(O+N)/C，O/C分別為0.82，0.80。由表3可知生物炭和其水浸提液pH均接近于中性，EC分別為1 156.0和5 200.0 μS·cm-1。生物炭和水浸提液中均含有植物生長(zhǎng)所需的N、P、K、Na、Ca等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其中K的含量最高分別為16 464.6 mg·kg-1和2 645.3 μg·mL-1。此外，生物炭和其水浸提液中還含有不同濃度的Zn、Cu、Cr、Cd、Pb等重金屬和多環(huán)芳烴(PAHs) (見圖4)。

表3 生物炭和生物炭水浸提液pH、電導(dǎo)率(EC)和化學(xué)組分分析

注：*生物炭中TN參考表1中N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；n.d.表示未檢測(cè)到。

Note: * the composition of TN is the same as N composition (shown in Table 1); n.d. represents the element was not detected.

圖4 生物炭中PAHs含量Fig. 4 PAHs concentrations of biochar

圖5 不同培養(yǎng)方法對(duì)介質(zhì)厚度的影響注：B，B+S，AE+S，B+Q，AE+Q 表示生物炭，生物炭+土壤，生物炭水浸提液+土壤，生物炭+石英砂，生物炭水浸提液+石英砂5種培養(yǎng)方法。Fig. 5 Thickness of cultivation media of different methodsNote: B, B+S, AE+S, B+Q，AE+Q stand for biochar only, biochar plus soil, aqueous extract of biochar plus soil, biochar plus quarzt sands, aqueous extract of biochar plus quartz sands.

圖6 不同培養(yǎng)方法對(duì)西紅柿種子發(fā)芽率的影響注：小寫字母表示處理間在P<0.05水平下差異顯著。Fig. 6 Effect of biochar on tomato seed germination rate in different cultivation methodsNote: Different lowercases meant that differences between different treatments were significant at P<0.05.

2.2 生物炭劑量對(duì)不同培養(yǎng)方法介質(zhì)厚度的影響

圖5為5種不同植物培養(yǎng)方法中培養(yǎng)介質(zhì)厚度的變化。由圖可明顯看出加入不同劑量生物炭(0.0、10.0、80.0、160.0 g·kg-1)的 B、B+S和B+Q中，由于生物炭的疏松性，培養(yǎng)介質(zhì)厚度會(huì)隨著生物炭施用量的增加出現(xiàn)不同程度增大，其中純生物炭(B)厚度變化最為明顯。而在AE+S和AE+Q中，生物炭水浸提液加入到石英砂和土壤中，其培養(yǎng)介質(zhì)的厚度變化不明顯。由此可以看出，培養(yǎng)介質(zhì)厚度的增大，其孔隙度、疏松度相應(yīng)增加，持水保肥能力也隨之發(fā)生改變，且持水能力的不同也會(huì)導(dǎo)致生物炭中潛在毒物的溶出存在差異，這些因素均可影響植物對(duì)不同劑量生物炭的響應(yīng)。此外，在有生物炭直接添加的B、B+Q、B+S等方法中，植物對(duì)生物炭中污染物的響應(yīng)也會(huì)受到根系可及性的限制，在一定程度上也會(huì)影響對(duì)生物炭植物毒性的判斷。

2.3 不同培養(yǎng)方法對(duì)西紅柿種子發(fā)芽率的影響

植物種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)是生物毒性快速檢測(cè)的重要方法之一，其常用于生物炭中潛在植物毒性評(píng)估。本研究選擇B、B+S、B+Q、AE+S、AE+Q 5種培養(yǎng)方法，用于比較生物炭劑量對(duì)西紅柿種子發(fā)芽率的影響，結(jié)果如圖6所示。不同劑量生物炭處理下，5種培養(yǎng)方法中西紅柿種子發(fā)芽率在低劑量組均表現(xiàn)出促進(jìn)作用，在10.0 g·kg-1達(dá)到最大值后出現(xiàn)不同程度的下降。在B+S、AE+S這2個(gè)有土培養(yǎng)方法中，西紅柿種子在中高劑量(80.0，160.0 g·kg-1)處理下發(fā)芽率雖較低劑量有所下降，但較對(duì)照差異不顯著(P>0.05)。在160.0 g·kg-1生物炭劑量組中，發(fā)芽率分別為82.5%、75.0%。而無土培養(yǎng)方法(B、B+Q、AE+Q)中，當(dāng)生物炭劑量在80.0～160.0 g·kg-1范圍變化時(shí)，西紅柿種子發(fā)芽率顯著下降(P <0.05)，在最高劑量處理下發(fā)芽率分別為30.0%、60.0%、6.7%，發(fā)芽抑制率分別為66.0%、20.0%、91.1%。由此可見，在無土培養(yǎng)方法中，生物炭對(duì)西紅柿種子萌發(fā)的抑制作用明顯大于有土培養(yǎng)方法。而且在3種無土介質(zhì)中，西紅柿種子在AE+Q培養(yǎng)下種子發(fā)芽率受到的抑制作用最為嚴(yán)重。

圖7 不同培養(yǎng)方法對(duì)西紅柿根長(zhǎng)抑制率的影響注：小寫字母表示處理間在P<0.05水平下差異顯著。Fig. 7 Effect of biochar on root length of tomato seed in different cultivation methodsNote: Different lowercases meant that differences between different treatments were significant at P<0.05.

圖8 不同培養(yǎng)方法對(duì)西紅柿芽長(zhǎng)抑制率的影響注：小寫字母表示處理間在P<0.05水平下差異顯著。Fig. 8 Effect of biochar on shoot length of tomato seed in different cultivation methodsNote: Different lowercases meant that differences between different treatments were significant at P<0.05.

2.4 不同培養(yǎng)方法對(duì)西紅柿種子根長(zhǎng)抑制率的影響

圖7為5種培養(yǎng)方法中不同生物炭施用劑量對(duì)西紅柿種子萌發(fā)階段根長(zhǎng)抑制率的影響。由圖可知，在同一劑量處理下，不同培養(yǎng)方法中西紅柿根長(zhǎng)抑制率存在差異。在10.0 g·kg-1處理下，除B方法之外，各培養(yǎng)方法中西紅柿種子的根長(zhǎng)抑制率均為負(fù)值，即促進(jìn)了西紅柿的根生長(zhǎng)。但隨著生物炭劑量的增加，根長(zhǎng)抑制率不斷的增大。無土培養(yǎng)方法(B、B+Q、AE+Q)中，當(dāng)生物炭劑量在80.0～160.0 g·kg-1范圍變化時(shí)，西紅柿種子根長(zhǎng)受了明顯的抑制(P <0.05)。在160.0 g·kg-1抑制率達(dá)到最大值，分別為82.2%、18.8%、77.7%。與之不同，有土培養(yǎng)方法B+S、AE+S中，生物炭處理下種子根長(zhǎng)抑制率均低于15.0%。研究中根長(zhǎng)抑制率最大值在B (160.0 g·kg-1)，AE+Q (160.0 g·kg-1)處理中出現(xiàn)，這2個(gè)處理的根長(zhǎng)抑制率差異不顯著(P>0.05)。可見，不同劑量的生物炭對(duì)西紅柿種子根生長(zhǎng)的抑制在無土介質(zhì)培養(yǎng)下表現(xiàn)得更為明顯，特別是在B，AE+Q方法中。

2.5 不同培養(yǎng)方法對(duì)西紅柿種子芽長(zhǎng)抑制率的影響

如圖8所示，當(dāng)生物炭劑量為10.0 g·kg-1，5種方法中西紅柿種子芽長(zhǎng)抑制率均為負(fù)值，且隨著生物炭劑量的增大，抑制率不斷增加。當(dāng)生物炭劑量為160.0 g·kg-1時(shí)各處理芽長(zhǎng)抑制率均呈正值。這些表明各培養(yǎng)方法中西紅柿種子芽長(zhǎng)均表現(xiàn)出了低劑量促進(jìn)，高劑量抑制的現(xiàn)象。這與發(fā)芽率和根長(zhǎng)抑制率變化趨勢(shì)相似。當(dāng)生物炭劑量為80.0、160.0 g·kg-1，無土介質(zhì)(B、B+Q、AE+Q)培養(yǎng)下種子芽長(zhǎng)抑制率均顯著高于10.0 g·kg-1(P<0.05)，同時(shí)也顯著高于同劑量組的有土培養(yǎng)方法(B+S、AE+S)中的西紅柿種子芽長(zhǎng)抑制率。比較5個(gè)培養(yǎng)方法，在生物炭劑量為160.0 g·kg-1時(shí)，最大抑制率為93.7%，出現(xiàn)在AE+Q組。可見，無土培養(yǎng)方法中西紅柿種子對(duì)生物炭的響應(yīng)較有土條件介質(zhì)更為敏感，尤其在AE+Q培養(yǎng)方法中。

3 討論(Discussion)

本研究生物炭為玉米秸稈快速熱解制備，由生物炭理化性質(zhì)分析可知，該生物炭呈中性，炭中SiO2和碳酸鹽含量很低，表面存在少量大孔，且含羰基、酚羥基、甲基等官能團(tuán)。因此，具有一定表面吸附能力[15]。由元素分析可推測(cè)該生物炭在快速熱解的過程中含氧官能團(tuán)被大量揮發(fā)，導(dǎo)致極性官能團(tuán)較少，親水性較低[15]。此外，供試生物炭含有植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也存在重金屬、PAHs等潛在污染物。將該生物炭中的重金屬以及PAHs含量與GB15618-2008中二級(jí)土壤農(nóng)用類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，各重金屬含量均低于相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，而PAHs中萘(Na)、苯并[a]蒽(BaA)和(Ch)含量(分別為1 137.1 ng·g-1、453.2 ng·g-1、853.1 ng·g-1)均高于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[16]。存在潛在污染或者抑制植物生長(zhǎng)的可能性。此外，通過西紅柿種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)，在本文選擇的5種生物炭植物毒性評(píng)估培養(yǎng)方法中，不同劑量生物炭處理下，西紅柿種子發(fā)芽率，根、芽生長(zhǎng)整體表現(xiàn)出低劑量促進(jìn)、高劑量抑制的現(xiàn)象(見圖6～8)。這也進(jìn)一步說明，所選擇生物炭客觀呈現(xiàn)早期植物毒性(即：生物炭對(duì)植物有毒性的陽(yáng)性反應(yīng))，可滿足培養(yǎng)方法篩選的需求。

通過對(duì)有土培養(yǎng)方法(B+S和AE+S)和無土培養(yǎng)方法(B、B+Q、AE+Q)的種子萌發(fā)情況進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，有土培養(yǎng)方法中，高劑量生物炭對(duì)西紅柿種子根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、發(fā)芽率的抑制程度顯著低于(P<0.05)無土方法。出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因可能在于土壤自身含有部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其有利于植物生長(zhǎng)，在一定程度上會(huì)遮蔽毒性效應(yīng)的顯現(xiàn)[17]。此外，采用有土培方式還會(huì)因供試土壤來源不同，理化性質(zhì)、微生物組成差異，以及土壤中潛在污染物等，給生物炭植物毒性的合理判斷帶來干擾，也降低了其重復(fù)性[10]。因此，無土培養(yǎng)方法具有更高的靈敏性、可重復(fù)性等特點(diǎn)，更適合用于生物炭早期植物毒性評(píng)估。現(xiàn)在很多研究者傾向選用無土培養(yǎng)方法研究生物炭對(duì)植物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響[6-8]。

進(jìn)一步對(duì)比3種無土培養(yǎng)方法，即：B、B+Q、AE+Q，雖然種子萌發(fā)的各指標(biāo)在高劑量(160.0 g·kg-1)處理下均呈現(xiàn)出顯著的抑制作用，但是抑制程度存在差異。其中發(fā)芽抑制率大小為AE+Q(91.1%)>B(66.0%)>B+Q(20.0%)，根長(zhǎng)抑制率B(82.2%)>AE+Q(77.7%)>B+Q(18.8%)，芽長(zhǎng)抑制率AE+Q(93.7%)>B+Q(89.5%)>B(86.7%)。可見，AE+Q中高劑量生物炭對(duì)西紅柿種子萌發(fā)表現(xiàn)出相對(duì)更強(qiáng)的抑制作用，即該方法測(cè)試靈敏度相對(duì)較高。這一方面可能是生物炭疏松多孔，其直接添加后，會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)介質(zhì)的孔隙度增加、抗張強(qiáng)度降低，持水、透氣性發(fā)生改變，進(jìn)而影響種子萌發(fā)[18]；另一方面，可能是生物炭表面存一些官能團(tuán)和孔結(jié)構(gòu)，其對(duì)重金屬、PAHs等有一定吸附固定能力[19]。此外，以生物炭水浸提液代替生物炭進(jìn)行早期植物毒性研究，可較好地避免因生物炭中污染物溶出率及根系對(duì)污染物可及性差異所產(chǎn)生的干擾。而且，通過生物炭水浸提液+石英砂的培養(yǎng)方法，可以有效地避免由于介質(zhì)厚度的變化對(duì)植物生長(zhǎng)所產(chǎn)生的影響，更加靈敏地反映出生物炭早期植物毒性。

表4 不同培養(yǎng)方法優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)比較

注：+ 代表相對(duì)優(yōu)勢(shì)，- 代表相對(duì)劣勢(shì)。

Note: + represents advantages, and - represents disadvantages.

通過對(duì)本文選用的5種培養(yǎng)方法，在生物炭早期植物毒性評(píng)估的簡(jiǎn)捷性、靈敏性、可重復(fù)性以及干擾因素方面進(jìn)行綜合比較分析(見表4)可知，生物炭水浸提液+石英砂(AE+Q)的培養(yǎng)方法可保證培養(yǎng)介質(zhì)物理結(jié)構(gòu)一致，各處理中供試生物炭污染物溶出率相同。此外，該方法能避免供試土壤理化性質(zhì)的差異對(duì)結(jié)果可重復(fù)性的影響。雖在操作方面增加了生物炭水浸提步驟，在一定程度上降低了簡(jiǎn)捷性，但該方法重復(fù)性、靈敏性相對(duì)較高，干擾因子較少。因此，認(rèn)為采用生物炭水浸提液+石英砂(AE+Q)的培養(yǎng)方法更適合用于評(píng)估生物炭早期植物毒性。另外，雖該方法在5種培養(yǎng)方法中靈敏度最高，但鑒于浸提過程存在污染物可浸提組分復(fù)雜及回收率等問題，在日后的此類研究工作中，建議加強(qiáng)對(duì)生物炭浸提方法改進(jìn)與優(yōu)化。

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Investigations on Cultivation Methods for Assessing the Early Phytotoxicity of Biochar

Li Yang1,2, Huang Mei1,2, Shen Fei1,2,*, Guo Haiyan1,2, Wang Qing1,2

1. Institute of Ecological and Environmental Sciences, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China 2. School of Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China

In order to select a reasonable cultivation method for assessing the early phytotoxicity of biochar, 5 cultivation methods, including biochar only (B), biochar plus soil (B+S), aqueous extract of biochar plus soil (AE+S), biochar plus quartz sands (B+Q) and aqueous extract of biochar plus quartz sands (AE+Q), were investigated in this work. We evaluate the responses of germination rate, root length and shoot length of tomato seed to biochar dosage. Results indicated that almost similar responses of seed germination can be observed in these 5 methods, in which germination rate, root length and shoot length displayed an increase at lower dosages and a decrease at higher dosages. Although germination rate, root growth and shoot growth were all stimulated by biochar at low dosage (10.0 g·kg-1), they were inhibited with increasing dosages (except for B+S and AE+S), and the maximum inhibition effects were observed at biochar dosage of 160.0 g·kg-1. In contrast to the cultivation methods with soil, more significant inhibition on the germination rate, root growth and shoot growth can be observed at high biochar dosages in the soilless cultivation methods. Especially, the highest inhibition on germination rate, root length and shoot length were recorded as 91.1%, 77.7%, and 93.7% in AE+Q. Moreover, AE+Q method can be characterized by higher sensitivity, because some interferences from soil and biochar itself can be avoided greatly. Based on a comprehensive comparison, the aqueous extract of biochar plus quartz sands (AE+Q) can be recommended as a reasonable cultivation method for assessing the early phytotoxicity of biochar.

biochar; tomato; early phytotoxicity; seed germination; cultivation method

教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT13083)；四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(No. 16ZA0043)

李陽(yáng)(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣腆w廢棄物資源化利用，E-mail: yangli922@yahoo.com

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: fishensjtu@gmail.com

10.7524/AJE.1673-5897.20151217001

2015-12-17 錄用日期：2016-02-18

1673-5897(2016)4-168-08

X171.5

A

簡(jiǎn)介：沈飛(1980- )，男，安徽蚌埠人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)能源及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)方面的教學(xué)與科研工作。

李陽(yáng), 黃梅, 沈飛, 等. 生物炭早期植物毒性評(píng)估培養(yǎng)方法研究[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2016, 11(4): 168-175

Li Y, Huang M, Shen F, et al. Investigations on cultivation methods for assessing the early phytotoxicity of biochar [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(4): 168-175 (in Chinese)