棉稈生物炭添加對棉花種子萌發化感作用研究

馮 勇楚合營 李 凡 何 振 王德勝*

（1塔里木大學植物科學學院，新疆阿拉爾843300）（2新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室，新疆阿拉爾843300）

化感作用廣泛存在于自然界中，是植物或微生物通過向環境中釋放化學物質而對其他植物或微生物產生直接或間接的、有益或有害的作用，從而影響環境中自身或其它植物的生長和發育的化學生態學現象［1-2］。

生物炭是生物有機材料在無氧或低氧環境中低溫熱裂解后的固體產物。生物炭施用對土壤性狀和植物生長等的影響研究已成為當前農業和生態環境領域研究熱點問題，其對土壤肥力、水分狀況以及植物生長的改良促進作用在許多研究中得到證實。以土壤改良為目的的生物炭應用研究最初集中在熱帶、濕潤地區［3］，如今相關研究在世界各地展開，溫帶地區的生物炭土壤應用研究也逐漸得到開展［4］。且表現為由濕潤地區向干旱—半干旱地區，由酸性土壤向鹽堿性土壤的延展趨勢，而在諸多的研究內容當中，對土壤的影響效果研究是核心內容。

棉花是新疆最主要的經濟作物，到2017年，新疆棉花面積占到全國種植面積的69.41%，產量占全國總產量的80.71%［5］。大面積的棉花種植必將帶來大量的棉花秸稈，而棉花秸稈的不合理施用，在存在一定資源浪費的同時，也帶來了一系列的環境問題。利用新疆棉區豐富的秸稈資源制備成生物炭作為土壤改良劑為棉花秸稈合理利用開辟了新途徑［6］。

當前針對生物炭施入棉田的研究主要集中在生物炭施入對土壤養分、土壤理化性質、土壤微生物以及對棉花產量的影響上［6-8］，而關于生物炭施入棉田土壤后的化感表達還未見報道，本試驗通過培養皿濾紙法研究不加生物炭、添加棉稈基生物炭以及純棉稈基生物炭三種不同處理的浸提液對棉花種子萌發的影響效應研究，從化感表達的角度探討棉稈基生物炭施入南疆棉田的可行性，為棉稈基生物炭在南疆棉田的施用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

棉稈生物炭的制備：選取新疆阿拉爾市十團棉花（新陸中49號）采收后剩余的秸稈作為生物質原料，棉花秸稈置于GDL-1500X型管式炭化爐（合肥科晶，中國）中，400℃熱解溫度處理1 h制備棉稈生物炭。粉碎后過0.5 mm篩備用，生物炭PH值為9.30。

供試種子：供試棉花品種為新陸中49。

1.2 試驗方法

1.2.1 不同處理浸提液的制備

分別為：含5%棉稈生物炭的棉花幼苗盆栽土壤（C炭+土）按照1：5土液比（質量比）進行浸提；不含棉稈生物炭的棉花幼苗盆栽土壤（C土）按照1：5土液比（質量比）進行浸提；炭水比1：5的純生物炭濾液C炭；以蒸餾水對照。浸提液為原液，分別稀釋到1：10、1：100、1：1 000作為待測液備用。

1.2.2 棉花種子萌發的測定

將直徑為9 cm的培養皿高溫滅菌，鋪雙層濾紙，加入20 mL各處理浸提液原液、稀釋10倍液、稀釋100倍液和稀釋1 000倍液，以加蒸餾水為對照。均勻擺放10粒用高錳酸鉀和次氯酸鈉消毒、無菌水清洗、晾干后的棉花種子，密封后放置于25℃恒溫培養箱中，第4天測定發芽勢，第8天測定發芽率并用直尺測量幼苗胚根長。最后以蒸餾水處理后的棉花種子發芽勢、發芽率、幼苗長作為對照值，其它三種處理浸提液處理后得到的數值為處理值，計算各參數的化感作用效應指數（RI）。化感綜合效應(SE)為同一處理下受體植物各指標的化感效應指數（RI）的算術平均值［9］。

測定計算如下指標：（1）發芽勢（GE）=(萌發4 d的發芽種子數/供試種子數）×100%；（2）發芽率（GR）=（8 d 種子萌發數/供試種子數）×100%；（3）發芽指數（GI）=（處理平均發芽率×處理平均根長）/（對照平均發芽率×對照平均根長），（4）活力指數（VI）=GR×S，S為發芽種子的胚根長（cm）。

1.3 數據統計分析

試驗數據用Excel和DPS統計軟件進行ANOVA分析和DUNCAN多重比較。化感作用效應指數（RI）按照（Williamson et al.(1988)提出的方法［10］進行算。

當T≥CK時，RI=1-CK/T；當T＜CK時，RI=T/CK-1（T為處理值，CK為對照值，RI為化感效應指數）。RI值＞0時表示具有促進作用，RI＜0時表示具有抑制作用，RI絕對值的大小與化感作用潛力一致。

2 結果與分析

2.1 不同處理提取液對棉花幼苗胚根長的影響

將新陸中49棉花作為生物測定受體，從圖1可以看出，不同處理浸提液在原液時對棉花幼苗胚根的影響均呈現抑制作用，其抑制作用比較為：C炭＞C土＞C土+炭，隨著原液稀釋10倍、100倍、1 000倍，C土和C炭仍然表現為抑制作用，但抑制作用隨稀釋倍數的增加而逐漸減弱；C土+炭稀釋液對棉花幼苗胚根長的影響呈促進作用，且促進作用呈現出隨稀釋液濃度的增高而增大的趨勢。

圖1不同處理提取液對棉花幼苗胚根長的影響

表1 不同處理提取液對棉花種子萌發的影響

2.2 不同處理提取液對棉花種子萌發的影響

2.2.1 不同處理提取液對棉花種子發芽率的影響

各指標測定計算結果見表1。從表中可以看出，C土和C炭各濃度浸提液均對棉花種子發芽率表現為較強的抑制作用，且呈現出隨浸提液濃度的增高而增加的趨勢，其中C炭處理原液和10倍液與對照相比分別降低30%和16.7%，差異極其顯著（P＜0.01）,C土+炭處理浸提液原液和10倍液對棉花種子發芽率也呈現抑制作用，但與對照相比只分別降低10%和3.3%，且100倍稀釋液和1 000倍稀釋液對棉花種子發芽率無抑制作用。

2.2.2 不同處理提取液對棉花種子發芽勢的影響

各濃度不同處理浸提液均對棉花種子發芽勢呈現較強的抑制作用，差異均達到0.01水平，且都隨濃度的增高呈現抑制加強的趨勢，其中C炭浸提液的抑制作用最強，原液、10倍液與對照相比分別降低51.7%和25%，C土+炭浸提液抑制作用最弱，100倍液和1 000倍液與對照相比分別降低6.7%和3.3%。

2.2.3 不同處理提取液對棉花種子發芽指數、活力指數及化感綜合效應指數的影響

從棉花種子發芽指數、活力指數及化感綜合效應指數來看，C土、C炭的各濃度浸提液和C土+炭的原液均與棉花種子發發芽指數、活力指數及化感綜合效應指數呈負相關，且呈現隨濃度的降低而增加的趨勢；但C土+炭的10倍、100倍及1 000倍稀釋液與棉花種子發芽指數、活力指數及化感綜合效應指數呈正相關，且呈現隨濃度的降低而降低的趨勢。

不同濃度土+炭浸提液處理下，原液對棉花種子發芽率有一定的抑制作用，各濃度稀釋液對棉花種子發芽率影響均不明顯；對發芽指數、活力指數及化感效應綜合指數來講，除原液呈現一定的化感抑制作用外，其他各濃度稀釋液均呈現明顯的促進作用，且以10倍稀釋液的促進作用最強，而后隨濃度的降低化感促進作用逐漸減弱。本研究表明，南疆棉田土壤中添加棉稈基生物炭，在一定濃度條件下對棉花種子的萌發可以起到促進作用。

3 討論與結論

本研究結果表明，棉花土壤浸提液中的化感物質對棉花種子的萌發起抑制作用，且表現為隨浸提液濃度的增加抑制作用加強的趨勢，說明棉田土壤對棉花種子的萌發具有較強的自毒化感作用。這與前人在棉花［11-13］化感作用研究中的結論一致。

不同濃度純炭浸提液處理下，發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數等指標均受到化感抑制作用，且隨濃度增加化感作用呈現加強的趨勢，這可能與棉稈基生物炭呈堿性有關。

土壤中添加生物炭能夠顯著減輕化感物質對植物生長的抑制作用［14-15］。本試驗中，純土壤浸提液和純生物炭浸提液均對棉花種子的萌發起抑制作用，但土+炭處理的浸提液除原液外，其他稀釋液均對棉花種子萌發起促進作用，表明棉稈基生物炭加入棉田土壤后，產生了一系列的物理、化學變化，改變了棉田土壤的理化性質，最終引起棉田土壤化感表達的不同，從化感角度為南疆棉田施入棉稈基生物炭提供了理論依據。但這些改變具體是如何產生的，以及具體改變了棉田土壤的那些狀況從而引起了化感表達的改變仍然有待進一步的試驗研究。