DANAS干式厭氧發酵沼液對玉米種子發芽的影響

劉小光， 劉宗萌， 鄧進超， 李慧玲， 彭光霞， 曹曉虎， 李彩斌

(1.北京中持綠色能源環境技術有限公司, 北京 100080； 2.北京中持綠色農業技術有限公司, 北京 100080)

我國是世界第一養殖大國，每年養殖糞污的產生量巨大，其中生豬的存欄量和出欄量均居世界第一位[1]。畜禽糞污中含有豐富的有機質及氮磷鉀等營養元素，如果得不到妥善利用，將導致嚴重的生態環境問題。對此，國家近些年出臺了一系列措施推動畜禽的資源化利用。其中畜禽糞污的厭氧發酵利用作為一種主要手段，得到了快速發展。干式厭氧發酵具有沼液產生量小的優點，沼渣還可用于有機肥的生產，相較于濕式厭氧發酵，具有明顯優勢[2]。目前干式厭氧技術已經在國外得到了成熟的應用，但在我國還處于剛剛起步階段[3]。但結合其在產氣率、沼液產生量方面的優勢，必將得到快速的發展，其在國內的應用范圍將越來越廣。

沼液中含有豐富的腐殖酸、氨基酸、生長促進物質、抗病物質及多種礦質元素，對提高作物抗性，促進生長具有明顯的作用[4]。目前關于沼液對種子萌發影響或作物生長影響的研究，前人已經做了大量的工作，但多為濕式厭氧發酵技術得到的沼液[5-6]。而關于干式厭氧發酵沼液在這些方面的研究還較少。干式厭氧發酵沼液與濕式工藝的沼液相比，具有EC值高，含固率高的特點，如果還田或者浸種掌握不好濃度，會產生燒苗或者妨礙正常生長等副作用。玉米是我國種植面積最大的糧食作物之一，且分布范圍廣。將來在沼液的應用方面，玉米是繞不開的作物。鑒于干式厭氧發酵技術的廣闊發展前景，以及玉米的廣泛種植范圍，關于沼液在玉米種植上的應用研究就顯得十分必要。尤其是沼液的安全施用濃度，是首先需要解決的問題，

本試驗擬通過發芽試驗的方法，確定一個沼液施用的安全濃度范圍，在此基礎上能為玉米播種后的沼液施用提供一定的借鑒參考。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點

本試驗于2020年5月21日～26日在肥城某公司化驗室內進行。種子被置于墊有一層濾紙的透明塑料發芽盒中，發芽盒帶有盒蓋，防止水分散失，盒尺寸為19×13×12 cm。為維持黑暗環境，發芽盒被放置在恒溫培養箱中遮光培養，培養溫度為25℃。

1.2 試驗材料

沼液：取自肥城某公司干式厭氧發酵后的沼液。沼液采用北京某公司研發的DANAS干式厭氧發酵技術得到。DANAS干式厭氧發酵技術和濕式厭氧發酵的生物化學反應在本質上是相同的，主要是在厭氧環境下，厭氧和兼性厭氧微生物分解有機物產生沼氣的過程。該技術采用臥式推流的攪拌方式，可連續進出料，是針對市政、農業、工業有機廢棄物開發的一種干式厭氧發酵技術，反應含固率為15%～35%，停留期15～30 d，有機負荷高達4～10 kg·VSm-3·d-1，容積產氣率2～6 m3·m-3。

發酵原料為牛糞和雞糞，pH值8.32，含固率為12%，具體為將厭氧消化物通過螺旋擠壓機進行脫水，擠壓得到的沼液在密閉的沼液儲存池中儲存約180天。

種子：由河南省豫玉種業股份有限公司生產的中農大788雜交玉米種，種子帶有種子包衣，包衣成分主要為抗病抗蟲農藥(以下農藥含量，單位均為g·100kg-1種子)：咯菌腈3.75，精甲霜靈3，噻菌靈22.5，噻蟲嗪70，不含有激素類等可影響種子生長、萌發的物質。

沼液EC值采用臺灣衡欣AZ8373 筆型水質計測定。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計

按照以下稀釋比例將沼液進行稀釋，在不同稀釋比例的沼液上進行玉米發芽試驗，試驗設置如表1所示。

表1 不同處理沼液濃度梯度設置 (%)

通過對比不同稀釋倍數沼液中玉米種子的發芽情況來選擇出一個最佳稀釋倍數。

將按上表稀釋的沼液50 mL放入到墊有1層濾紙的發芽盒中進行發芽試驗，保證濾紙浸透沼液。挑取飽滿均勻無破損的健康玉米種子放置于濾紙上，并使種子胚與濾紙相接觸，每個處理放置50粒玉米種子，重復4次。每天固定同一時間統計不同處理下玉米種子的發芽情況。

玉米種子發芽率計算方法：

本試驗中，將種皮脹破露白(胚根剛剛伸出種皮)的狀態視為種子發芽。

1.3.2 統計分析

本試驗所有數據通過金山WPS表格及SPSS21軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同稀釋比例對沼液EC值的影響

EC值是衡量物質中可溶性離子濃度的指標，它的高低反應了沼液中可溶性離子濃度的高低，而離子濃度會導致滲透勢升高，影響種子對水分的吸收，進而影響種子萌發及生長。通過測量不同稀釋倍數沼液的EC值變化，可更好掌握在實際施用時的沼液用量，達到安全合理施用的目的。

從圖1可以看出，沼液稀釋倍數與其對應的EC值擬合曲線的R2=0.9977，這表明沼液的EC值與其稀釋比例是高度線性相關的。由表2可知，稀釋比例越大，其電導率越低。當沼液體積比為25%時，其EC值為11.75 mS·cm-1;當沼液體積比為5%時，其EC值為2.70 mS·cm-1。

表2 不同稀釋倍數與沼液EC值的關系

2.2 24 h后玉米種子萌發情況

24 h后，不同濃度沼液處理下的玉米種子發芽情況差異明顯。如圖2所示，清水處理、5%濃度、10%濃度下的種子在24 h后平均發芽率分別為64.50%，39.00%，7.50%，且差異顯著。其余15%～25%濃度下的種子全部沒有發芽。由此看出，在播種24 h后，清水處理下的種子發芽率是最高的。這表明在最開始的24 h，不同試驗濃度沼液對玉米種子的萌發起到了抑制作用，且隨著沼液濃度的提高，抑制作用也更加明顯。在萌發種子的長勢方面，清水處理下的部分種子的幼根已經伸出了種皮，而5%和10%濃度下的發芽種子則全部為露白狀態，無幼根伸出。種子在萌發的最初階段，是依靠種子內部的蛋白質、糖類吸收水分的，是物理性的膨脹，屬于吸脹作用。依靠這些物質將種子外部的水分吸收進來促進種子的生理性萌發并轉變為滲透吸水。無論是種子的吸脹吸水還是滲透吸水，含有沼液的水的濃度都要高于清水的濃度，這在一定程度上造成了清水處理下種子對水分的吸收量最大，因此清水處理的種子吸水更多，種子萌發條件更好，進而使其發芽數最多。

2.3 48 h后玉米種子萌發情況

在種子被不同濃度沼液浸泡后第48小時，如圖3所示，5%和10%濃度下的玉米發芽數是最多的，平均發芽率分別達到了86.50%和83.00%，高于清水處理的72.00%。上述3個處理的種子平均發芽率明顯高于其余更高濃度沼液處理，且差異顯著。這一情況說明，5%和10%這兩種低濃度沼液明顯促進了玉米種子的萌發。而更高濃度的沼液則對種子的萌發產生了抑制。為進一步觀察沼液對種子發芽的影響，對清水，5%，10%這3個處理下萌發種子的生長量進行了比較，通過對比露白數、僅長出了幼根數、同時長出了幼根和幼芽數分別所占的比例來進行對比，結果見圖4。清水處理的發芽率雖然低，但發芽種子中大部分在第48小時就長出了根和芽，這一比例均高于另兩個處理，但僅生出了根和露白的種子比例偏低，這表明在清水處理下不同玉米種子萌發的程度差異更大，而一定濃度的沼液雖然減緩了種子的萌發，但縮小了不同種子萌發時間的差異。種子發芽整齊度的提高意味著將來植株發育整齊度的提高，這在實際農業生產中可能比部分種子更快萌發更重要。

在芽長勢方面，雖然清水處理下的芽生長是最快的，長出的幼芽可明顯看見黃色的胚芽鞘，而5%濃度和10%濃度下長出幼芽的種子，其幼芽長度短于清水處理下的幼芽長度。

在根長勢方面，清水處理下的幼根長度較短，不足1 cm，但更粗壯。而5%處理下的根長且細，其中平均約12.5%的種子根長度超過了1 cm。但所有生出幼根的種子，無論長度如何，根的直徑均較清水處理下的纖細。這表明在5%濃度沼液的影響下，幼根的軸向生長速度更快，但其徑向長勢偏弱。反觀10%沼液濃度下的種子，其幼根長度均在0.2 cm上下，此濃度的沼液對種子幼根的生長起到了抑制作用。種子的根系對于植物激素的濃度是最敏感的，低濃度的植物激素可對根系生長起到促進作用，高濃度則抑制其生長。可以肯定的是，10%濃度沼液中的植物激素濃度要高于5%沼液內的濃度。因此這種現象可能是沼液中含有的植物激素導致的。

2.4 72 h后玉米種子的萌發情況

在種子被不同濃度沼液浸泡后第72小時，不同處理下種子的發芽情況見圖5。清水處理的種子發芽率為82%，依舊低于5%和10%兩個處理的98%和91%，尤其是與5%濃度下的發芽率差距進一步拉大。15%，20%，25%這3個濃度下的種子發芽率依舊很低，分別只有36.5%，22.5%和0%，且發芽的種子多處于露白的階段。雖然不同處理下的發芽率都所變化，但第72小時的總體態勢與48 h時仍舊保持一致。

進一步對比清水，5%，10%這3個處理下發芽種子的長勢(見圖6)。在48 h時，清水處理下生出了芽的種子占比還大幅高于其余兩個處理，但72 h時，則該占比分別比5%和10%處理下的低了約22個百分點和17個百分點。這表明在沼液的作用下，種子生出芽的速度得到了提升。但沼液處理下種子芽的健壯程度要比清水處理的差，整體外觀更纖細一些，這可是更快的生長速度導致的。除此之外，3個處理下生出了芽的種子大多同時生出了側根，但清水處理下的大多生出2條側根，而另兩個處理下的種子中出現了多個生出3條側根的現象。以上情況說明，較低濃度的沼液可能在促進種子側根的形成中也具有一定的作用。

2.5 96 h后玉米種子的萌發情況

在種子被不同濃度沼液浸泡后第96小時(見圖7)，清水，5%，10%，15%，20%，25%處理下的發芽率分別為92.5%，98%，96.5%，50%，35%，0%。清水處理下的種子發芽率依舊低于5%和10%兩個處理。15%和20%兩個濃度下的種子雖然有一定的比例發芽了，但種子均處在露白或者幼根剛剛生出的階段，而25%濃度下的種子仍舊全部未萌發。低濃度沼液促進作用及高濃度沼液的抑制萌發作用得到了進一步的驗證。

詳細對比清水，5%，10%這3個處理下發芽種子的長勢(見圖8)。5%和10%兩個處理下生出芽的種子數最多，均達到了總種子數的78%，比清水處理高出了18個百分點。在芽的長勢方面，清水處理下的芽較另兩個處理更粗壯，且很多幼芽已經伸出了胚芽鞘，這可能與本處理下的芽生出得最早，使芽的生長時間更長有關系。在根系生長方面，第96小時，主根及側根上開始生出了肉眼可見的白色根毛，且在根毛數量上，10%>5%>清水，10%處理下根毛的長度也更長。根毛的增多，代表著根系對水分及礦質營養的吸收能力增強，這為后期的生長奠定了基礎。

3 討論

3.1 沼液的稀釋倍數與其EC值呈高度線性關系

將沼液按照25%，20%，15%，10%，5%的梯度進行稀釋后，對不同稀釋比例的沼液EC值進行測量，測量結果發現EC值與沼液的稀釋倍數呈高度線性相關的關系。這種關系通常表現在強電解質溶液中，這類物質的溶解度及電解性高，在一定范圍內濃度的變化，對其電解度幾乎無影響，因此可表現出EC值與濃度的線性關系。

但本試驗測量的對象為不同濃度的沼液。沼液中不僅含有豐富的氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、錳、鋅、銅等礦質元素，還含有種類多樣的鹽類以及氨基酸、腐殖酸及其他多種有機酸類等“生物活性物質”[7-8]。這些有機物質大多為弱電解質，其導電性一方面與其濃度有關，另一方面也與自身的電離性能有關。他們在水中存在電離平衡，當沼液被稀釋時，各種弱電解質的濃度被改變，原有的電離平衡也被打破，這必然導致其電解度的變化，進而體現為EC值的變化。考慮到沼液中各種鹽類、酸類、氨類等多種物質復雜的特性，其EC值隨沼液濃度呈高度線性關系還是出乎筆者預料的。

但上述這種現象也為田間沼液應用帶來了方便，僅可依據沼液稀釋的倍數就可計算得到稀釋后沼液的EC值，這為進一步研究沼液還田后對土壤EC值的變化提供了便利。

3.2 5%～10%稀釋濃度的沼液對玉米種子萌發起到了明顯的促進作用

從上面的試驗可以發現，清水處理下的種子發芽是最早的。這可能與沼液提高了種子外界液體的濃度有關。沼液中含有一定量的可溶物提高了液體的滲透勢，從而導致其他處理下的種子吸水量就小于清水處理，較少的吸水量使得種子萌發速度更慢，進而使種子發芽晚于清水處理。隨著時間的推移，5%和10%濃度下的種子的發芽率及種子的發芽整齊度均超過了清水處理，但15%，20%，25%濃度下的種子發芽明顯受到了抑制。這表明低濃度沼液中的物質對于提高種子的發芽率和發芽勢是有益的。尤其是在種子發芽后，沼液在促進種子須根、根毛的生長上，效果更加顯著。但這個有益效果是建立在一定濃度范圍的基礎之上的。對比不同稀釋倍數的沼液EC值發現，在2.70～5.17 mS·cm-1電導率范圍內的沼液，對于玉米種子的萌發均是有積極效果的，這一范圍對應的沼液稀釋倍數為5%～10%的沼液濃度。

玉米種子萌發被高濃度沼液抑制，一方面可能是因為高滲透勢降低了種子對水分的吸收能力。另一方面，也可能與沼液內含有的植物激素類物質的影響有關[9]。眾多研究表明[10-12]，沼液內含有種類豐富的植物激素。吳元奇[13]等的研究發現，種子的休眠程度主要受ZT，GA3，ABA這3種激素比例的控制。ZT對種子萌發抑制物有拮抗作用；GA3具有解除休眠和促進萌發的功能；ABA具有拮抗GA3的作用，誘導種子休眠，抑制萌發。種子的休眠是上述幾種激素共同作用的結果。5%和10%濃度的沼液處理下的發芽率高于清水對照，再結合本試驗所用的種子包衣中并不含有任何植物激素成分，說明該濃度范圍內的沼液所含的激素濃度恰好對于破除種子休眠具有一定效果，從而使得種子的發芽勢和發芽率都得到了提高。

不僅如此，在植物激素的作用下，種子的幼根和幼苗的生長都會受到一定的影響。邵素惠[14]等的研究表明，一定濃度的GA3對提高種子田間頂土出苗能力有明顯促進效果。這在一定程度上可以解釋5%和10%濃度沼液處理下的種子生長情況好于清水對照處理。

在玉米播種時，通常會利用播種機將化肥和種子一起播入土壤中，在化肥的作用下，有可能會導致種子周邊土壤的電導率升高，這對于種子的萌發是一種威脅。在播種完成后澆灌沼液時，由于沼液也自帶一些可溶性物質，也有可能會進一步提高種子周圍土壤的電導率，因此，應將玉米播種后施用沼液的濃度控制在15%以下，并在此基礎上結合玉米的施肥情況和所在地塊的土壤性質酌情確定合理而安全的沼液施用濃度。

4 結論

通過試驗，證明了通過干式厭氧發酵工藝得到的沼液與濕式厭氧發酵工藝得到的沼液一樣，在促進種子萌發及生長上具有積極效果。但這個效果是建立在合理的稀釋濃度的前提下的。通過玉米種子的發芽試驗證明，DANAS干式厭氧發酵工藝得到的沼液在5%～10%體積比的稀釋倍數下，對玉米種子的萌發及生長產生了有益效果，這為下一步的田間實際應用提供了一定的數據支持。同時還發現，在0%～25%體積比含量范圍內的沼液EC值是隨著沼液濃度呈高度線性變化的，這為在后續的研究和應用中隨時掌握沼液EC值的變化提供了便利。