不同生物质炭对黄瓜、番茄、油菜和小麦种子萌发及幼苗生长的影响研究

杨曙东 许唯 王晓峰 胡仪 陈艺涵 胡帅栋

摘   要：以黄瓜品种新津研七号、番茄品种浙杂809、油菜品种浙油50、小麦品种扬麦23为试验材料，在光照培养条件下分别利用300 ℃、400 ℃、500 ℃裂解制取的竹叶生物质炭浸提液和500 ℃裂解制取的秸秆生物质炭浸提液，对其进行发芽试验，分别对种子发芽势、发芽率、发芽指数，以及幼苗丙二醛（MDA）含量和超氧化物歧化酶（SOD）活性等指标进行了测定。结果表明：生物质炭对黄瓜、番茄、油菜和小麦种子萌发均存在一定的抑制作用，主要表现为降低种子的发芽率、发芽势、发芽指数、胚根及胚芽长;不同作物对生物质炭胁迫的耐受性依次为：黄瓜>油菜>小麦>番茄;竹叶生物质炭较秸秆生物质炭对种子萌发生长具有更强的胁迫作用，且随生物质炭制取温度上升胁迫作用减轻。

关键词：生物质炭;黄瓜;番茄;油菜;小麦;种子;萌发;幼苗;生长;影响

文章编号： 1005-2690（2019）06-0138-04       中图分类号： S156       文献标志码： B

生物质炭是生物质在完全或部分缺氧条件下经热裂解制备而成的芳香化固态物质[1]，具有多孔性、吸附性、化学稳定性、高pH值和较大阳离子交换量等特性[2]。生物质炭的元素组成通常包含60%以上的C、N、H元素，以及较低浓度的其他营养元素，如K、Ca、Na和Mg等元素。近年来，生物质炭逐渐成为农林业和生态等方面的研究热点[3，4]。因其能吸附土壤污染物质[5]，提高土壤pH值、孔隙度、持水性和保肥性，被认为是一种良好的土壤改良剂。生物质炭具有大量的稳定芳香碳结构，施入土壤后可显著增加土壤有机碳储量，降低土壤温室气体排放，起到减缓全球变暖和气候变化的作用[6，7]。

尽管生物质炭应用于土壤中具有大量的优点，但生物质炭的特性会随原料类型和裂解温度发生较大的变化[8]，而不同原料类型和裂解温度所生产的生物质炭对不同土壤和植物的影響目前还尚未明确。当前，施用生物质炭直接对作物造成负面效应的研究较少，因此在施用前对其进行效果评估可规避潜在的农业生产风险。已有研究表明，生物质炭对水稻、小麦和番茄幼苗产生了一定的毒害作用[9-12]。植物种子萌发和幼苗生长发育阶段对外界毒害较为敏感，本试验采用不同原料和裂解温度制备的生物质炭，通过其浸提液培养对黄瓜、番茄、油菜和小麦种子进行萌发和幼苗生理指标测定，以探究黄瓜、番茄、油菜和小麦在生物质炭培养条件下的种子萌发状况和幼苗生理特性变化，对其萌发过程中各项指标的差异进行比较，以此衡量不同作物对生物质炭毒害的耐受能力，同时为正确评估生物质炭对农业生产造成的影响提供科学依据。

1   材料与方法

1.1   材料

300 ℃裂解制取的竹叶生物质炭（BL300）、400 ℃裂解制取的竹叶生物质炭（BL400）、500 ℃裂解制取的竹叶生物质炭（BL500）与小麦秸秆生物质炭（WS500）购自浙江布莱蒙农业科技股份有限公司。所有生物质炭烘干后过2 mm筛置于自封袋中保存并用于试验。黄瓜品种新津研七号、番茄品种浙杂809、油菜品种浙油50、小麦品种扬麦23的种子均购于市场。

1.2   方法

1.2.1   生物质炭理化性质测定

生物质炭的电导率（EC） 与pH值分别取过筛样品，按1∶20（W/V）的炭水比将竹叶生物炭和蒸馏水、1 mol/L KCl溶液混合搅拌，静置30 min后用电导率仪和pH计测定。生物质炭阳离子交换量参照农化分析方法测定[13]。生物质炭的灰分参照《木炭和木炭实验方法》GB/T 17664—1999进行测定，将30 mL瓷坩埚置于高温电炉中，于650 ℃下灼烧至恒重，取出后放置于干燥皿中冷却30 min进行称量（G1），称取1 g左右生物质炭（G），置于已灼烧至恒重的瓷坩埚中，将坩埚送入高温电炉中，打开坩埚盖，逐渐升高温度，在800 ℃条件下灰化4 h，冷却取出称量（G2），依据公式计算灰分含量：A=（G2-G1）/G×100%。生物质炭的元素分析采用元素分析仪（Elementar Vario MAX CN），测定生物质炭中C、H、N、S元素的百分含量。生物质炭中O元素含量采用差减法计算，结果如表1所示。

1.2.2   生物质炭水浸提液制备

参照Rombolà等人[14]方法进行浸提液制备，称取过2 mm筛的生物质炭样品5 g，用超纯水按炭水比1∶15的比例混合于100 mL塑料瓶中，25 ℃条件下180 r/min振荡12 h，0.45μm滤膜真空抽滤，所得液体部分利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-MS 7000 DV）分析溶液中水溶性的化学组分含量，结果如表2所示，另一部分用于种子发芽试验。

1.2.3   种子发芽试验

种子发芽测定均以100粒种子为单次重复，每组处理设4次重复。所有供试种子均先经过5% NaCl浸种10 min后，用超纯水冲洗3次，并用滤纸吸干种子表面水分。将随机分样数出的种子均匀置于铺有用生物质炭水浸提液浸湿的双层发芽纸的发芽盒内，置于光照培养箱中，设置培养条件为：20 ℃黑暗条件下16 h，30 ℃光照条件下8 h（光照强度为8 000 lx）。以培养第4天与第7天种子根长超过种子长度、芽长达到种子长度1/2以上为标准，分别统计发芽势与发芽率。发芽指数的计算公式如下：发芽指数=∑（Gt/Dt）（其中Dt为发芽天数，Gt为与Dt对应的当天发芽种子数）。

1.2.4   幼苗生长及生理指标测定

种子在培养7 d后，取样并测定相关指标。每一处理挑取长势平均的发芽幼苗15株，用游标卡尺测定芽长与根长。取上述10株幼苗的胚芽与胚根杀青，杀青步骤为105 ℃条件下烘30 min，然后65 ℃下烘干至恒重，测定幼苗胚芽与胚根干重。采用氮蓝四唑法测定幼苗超氧化物歧化酶（SOD）活性，采用硫代巴比妥酸法测定幼苗丙二醛（MDA）含量[15]。

1.2.5   数据处理

数据采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0统计分析，Origin 2017软件作图。采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差法（LSD）对不同数据组之间的差异进行比较，显著性水平设为P=0.05。

2   结果与分析

2.1   生物质炭对不同作物种子萌发的影响

由图1结果可知，不同作物类型的种子在生物质炭培养条件下的萌发状况不同，且不同生物质炭对同种作物种子发芽率的影响也具有显著差异。与对照相比，黄瓜种子在BL300、BL400和WS500培养下的发芽率分别下降了14.12%、9.41%和9.41%。在番茄种子发芽率中，BL300、BL400和BL500培养较对照分别降低了81.87%、76.84%和65.73%。在油菜种子萌发中，BL300、BL400和BL500处理下的发芽率与对照相比分别降低了26.65%、17.51%和10.53%。对小麦种子而言，所有生物质炭处理都能降低其发芽率，与对照相比，BL300、BL400、BL500和WS500处理下小麦种子发芽率分别下降了61.54%、50.70%、42.25%和31.42%。由表3结果可知，不同生物质炭浸提液培养下黄瓜、番茄、油菜和小麦种子的发芽势、发芽指数与上述发芽率结果相似。综上所述，在番茄和小麦种子萌发过程中，受生物质炭影响较为显著;不同温度裂解制取的生物质炭对种子萌发造成不同影响，在试验中500 ℃裂解的生物质炭培养下种子发芽率均高于300 ℃和400 ℃制取的;在相同温度（500 ℃）制取下，除黄瓜种子外，秸秆生物质炭培养下的种子萌发性状均高于竹叶生物质炭的培养。

2.2   生物质炭对不同作物幼苗生长的影响

由表3结果可知，与对照相比，黄瓜幼苗胚芽长在BL300、BL400和WS500处理下产生了一定抑制;而番茄、油菜和小麦幼苗胚芽长则在BL300、BL400和BL500处理下产生了一定的抑制。在幼苗胚根方面，除小麦在BL500和WS500处理下没有抑制外，其余处理均对不同幼苗胚根产生了一定的抑制。结果显示，不同裂解温度制取的竹叶生物质炭对幼苗生长有一定的抑制作用，并降低了番茄、油菜和小麦幼苗的根冠比（表3）。通过WS500处理，显著降低了黄瓜、番茄、油菜和小麦幼苗的胚根干重（P<0.05），分别下降了33.0%、11.9%、32.3%和6.0%;但对于幼苗的胚芽干重而言，却分别增加了3.7%、36.5%、3.4%和11.7%（表3）。

由图2可看出，在不同处理下作物幼苗胚根中MDA含量呈现相同的变化趋势。由图2a可知，BL300处理显著提高了黄瓜幼苗的MDA含量（P<0.05），较对照提高了27.3%。在番茄中（图2b），BL300、BL400和BL500处理显著提高了幼苗的MDA含量（P<0.05），与对照相比分别提高了72.5%、57.5%和57.5%。在油菜中（图2c），BL300、BL400和BL500处理显著提高了幼苗的MDA含量（P<0.05），与对照相比分别提高了77.7%、96.9%和51.8%。在小麦中（图2d），BL300和BL400处理显著提高了幼苗的MDA含量（P<0.05），与对照相比分别提高了59.6%和38.7%。

此外，由图3a可知，BL300处理显著提高了黄瓜幼苗的SOD含量（P<0.05），较对照提高了21.5%。在番茄中（图3b），BL300、BL400和BL500处理显著降低了幼苗的SOD含量（P<0.05），与对照相比分别减少了40.6%、21.8%和20.8%;而WS500处理显著提高了幼苗SOD含量（P<0.05），较对照提高了63.4%。在油菜中（图3c），BL300和BL400处理显著降低了幼苗的SOD含量（P<0.05），与对照相比分别降低26.2%和36.5%;而WS500处理显著提高了幼苗SOD含量（P<0.05），较对照提高了57.1%。在小麦中（图3d），BL300、BL400和BL500处理显著降低了幼苗的SOD含量（P<0.05），與对照相比分别减少40.9%、41.1%和24.1%;而WS500处理显著提高了幼苗SOD含量（P<0.05），较对照提高了33.0%。综上分析，生物质炭对不同作物幼苗生长影响基本一致，主要表现为制取温度越低对幼苗毒害效应越明显，且竹叶生物质炭的毒害效应高于秸秆生物质炭。

3   结论与讨论

本研究结果表明，不同生物质炭对黄瓜、番茄、油菜和小麦种子萌发及幼苗生长均存在一定的抑制作用。王晋等研究表明，烟秆生物质炭对水稻种子的萌发速度以及幼苗根芽长度具有明显的抑制作用，与本试验结果相一致。李阳等通过石英砂与生物质炭水浸提液培养对小麦种子进行研究发现，小麦幼苗根、叶中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）活力降低，而丙二醛（MDA）含量升高。在本试验中，BL300、BL400和BL500处理也显著提高了植物幼苗的MDA含量，表明幼苗生长出现生理损伤，表现出明显的植物毒性效应。而秸秆生物质炭处理对幼苗MDA含量没有影响，且促进了SOD活性，表明该种生物质炭对幼苗生长没有显著的毒害作用。

生物质炭中除了含有植物生长所需的营养元素外，还含有重金属、PAHs等潜在土壤污染物。通过对供试生物质炭检测，发现其重金属含量均低于GB 15618—1995土壤环境质量标准。但在很多研究报道中都检测出生物质炭PAHs含量超标，并有研究报道PAHs（如Na、BaA、Ch）对植物种子萌发和幼苗生长具有显著的抑制作用[16]，可推测PAHs可能是潜在抑制种子活力的主要因素之一。而不同生物质原料和炭化工艺导致所制备的生物质炭具有不同的理化性质，应用于农业中也会产生不同的效果。本研究结果表明，生物质炭的自身特性能够对作物种子萌发生长产生直接效应。因此，生物质炭在农业及林地土壤中应用推广之前，需要开展大田试验，以进一步验证。

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（收稿日期：2018-12-11）