不同生物質炭對黃瓜、番茄、油菜和小麥種子萌發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，在光照培養條件下分別利用300 ℃、400 ℃、500 ℃裂解制取的竹葉生物質炭浸提液和500 ℃裂解制取的秸稈生物質炭浸提液，對其進行發芽試驗，分別對種子發芽勢、發芽率、發芽指數，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。結果表明：生物質炭對黃瓜、番茄、油菜和小麥種子萌發均存在一定的抑制作用，主要表現為降低種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、胚根及胚芽長;不同作物對生物質炭脅迫的耐受性依次為：黃瓜>油菜>小麥>番茄;竹葉生物質炭較秸稈生物質炭對種子萌發生長具有更強的脅迫作用，且隨生物質炭制取溫度上升脅迫作用減輕。

關鍵詞：生物質炭;黃瓜;番茄;油菜;小麥;種子;萌發;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

生物質炭是生物質在完全或部分缺氧條件下經熱裂解制備而成的芳香化固態物質[1]，具有多孔性、吸附性、化學穩定性、高pH值和較大陽離子交換量等特性[2]。生物質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元素，如K、Ca、Na和Mg等元素。近年來，生物質炭逐漸成為農林業和生態等方面的研究熱點[3，4]。因其能吸附土壤污染物質[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。生物質炭具有大量的穩定芳香碳結構，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]。

盡管生物質炭應用于土壤中具有大量的優點，但生物質炭的特性會隨原料類型和裂解溫度發生較大的變化[8]，而不同原料類型和裂解溫度所生產的生物質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避潛在的農業生產風險。已有研究表明，生物質炭對水稻、小麥和番茄幼苗產生了一定的毒害作用[9-12]。植物種子萌發和幼苗生長發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炭，通過其浸提液培養對黃瓜、番茄、油菜和小麥種子進行萌發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炭培養條件下的種子萌發狀況和幼苗生理特性變化，對其萌發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炭毒害的耐受能力，同時為正確評估生物質炭對農業生產造成的影響提供科學依據。

1? ?材料與方法

1.1? ?材料

300 ℃裂解制取的竹葉生物質炭（BL300）、400 ℃裂解制取的竹葉生物質炭（BL400）、500 ℃裂解制取的竹葉生物質炭（BL500）與小麥秸稈生物質炭（WS500）購自浙江布萊蒙農業科技股份有限公司。所有生物質炭烘干后過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? ?生物質炭理化性質測定

生物質炭的電導率（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。生物質炭陽離子交換量參照農化分析方法測定[13]。生物質炭的灰分參照《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），依據公式計算灰分含量：A=（G2-G1）/G×100%。生物質炭的元素分析采用元素分析儀（Elementar Vario MAX CN），測定生物質炭中C、H、N、S元素的百分含量。生物質炭中O元素含量采用差減法計算，結果如表1所示。

1.2.2? ?生物質炭水浸提液制備

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射光譜儀（ICP-MS 7000 DV）分析溶液中水溶性的化學組分含量，結果如表2所示，另一部分用于種子發芽試驗。

1.2.3? ?種子發芽試驗

種子發芽測定均以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。將隨機分樣數出的種子均勻置于鋪有用生物質炭水浸提液浸濕的雙層發芽紙的發芽盒內，置于光照培養箱中，設置培養條件為：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，分別統計發芽勢與發芽率。發芽指數的計算公式如下：發芽指數=∑（Gt/Dt）（其中Dt為發芽天數，Gt為與Dt對應的當天發芽種子數）。

1.2.4? ?幼苗生長及生理指標測定

種子在培養7 d后，取樣并測定相關指標。每一處理挑取長勢平均的發芽幼苗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? ?數據處理

數據采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0統計分析，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）對不同數據組之間的差異進行比較，顯著性水平設為P=0.05。

2? ?結果與分析

2.1? ?生物質炭對不同作物種子萌發的影響

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

2.2? ?生物質炭對不同作物幼苗生長的影響

由表3結果可知，與對照相比，黃瓜幼苗胚芽長在BL300、BL400和WS500處理下產生了一定抑制;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生了一定的抑制。結果顯示，不同裂解溫度制取的竹葉生物質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，生物質炭對不同作物幼苗生長影響基本一致，主要表現為制取溫度越低對幼苗毒害效應越明顯，且竹葉生物質炭的毒害效應高于秸稈生物質炭。

3? ?結論與討論

本研究結果表明，不同生物質炭對黃瓜、番茄、油菜和小麥種子萌發及幼苗生長均存在一定的抑制作用。王晉等研究表明，煙稈生物質炭對水稻種子的萌發速度以及幼苗根芽長度具有明顯的抑制作用，與本試驗結果相一致。李陽等通過石英砂與生物質炭水浸提液培養對小麥種子進行研究發現，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，表明幼苗生長出現生理損傷，表現出明顯的植物毒性效應。而秸稈生物質炭處理對幼苗MDA含量沒有影響，且促進了SOD活性，表明該種生物質炭對幼苗生長沒有顯著的毒害作用。

生物質炭中除了含有植物生長所需的營養元素外，還含有重金屬、PAHs等潛在土壤污染物。通過對供試生物質炭檢測，發現其重金屬含量均低于GB 15618—1995土壤環境質量標準。但在很多研究報道中都檢測出生物質炭PAHs含量超標，并有研究報道PAHs（如Na、BaA、Ch）對植物種子萌發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。而不同生物質原料和炭化工藝導致所制備的生物質炭具有不同的理化性質，應用于農業中也會產生不同的效果。本研究結果表明，生物質炭的自身特性能夠對作物種子萌發生長產生直接效應。因此，生物質炭在農業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）