三大作物秸秆汽爆膨化对水稻种子萌发、幼苗生长及秧苗素质的影响

万思宇，王文玉，张雪松，赵海成，张家智，郑桂萍

（黑龙江八一农垦大学农学院，大庆 163319）

我国作为农业大国，各类农作物秸秆资源十分丰富，每年约生产7.0亿t左右[1-2]，并且产量仍在逐年增加[3]，主要为稻草、玉米秸、豆秸，约占总量的75%以上[4]。秸秆中含有大量粗纤维，且有较高热值，还普遍有着丰富的有机碳、N、P、K、Mg、Ca等营养元素[5]，具有可再生性，资源丰富性等特点，是一种宝贵的资源[6]。近年来秸秆资源的利用率普遍较低，目前只能利用其中的1/3，但有2/3因为缺乏相应设备和技术只能堆积甚至焚烧掉[7]，这不仅造成了大量的资源浪费，也加剧了空气污染。由于天然秸秆难以降解，这大大减少了秸秆资源的转化率和利用率，因此研究适用的方法处理利用秸秆，增大秸秆资源利用率，将成为缓解我国当前面临的“能源与环境”危机的重要途径之一[8]。秸秆还田是目前解决秸秆综合利用问题的重要手段[9-10]。秸秆还田可以有效改善土壤理化性状和生物性状，增加土壤有机质含量、培肥土壤地力，还能使作物增产，达到降低农业生态环境污染的目的[11-12]。但秸秆还田量过大还对作物出苗有严重影响[13]。另一方面，作物及秸秆本身还含有多种具有生物活性的化感物质，这些物质进入到环境中有的会抑制种子萌发和幼苗生长[14]。作物秸秆在自然环境中不能迅速腐解成有机肥被植物吸收利用，这些因素都制约着秸秆的高效利用。因此，采用有效的改良方式对秸秆的再还田是很有必要的。传统的秸秆处理有氨化、碱化、水泡等处理方法，近年来，蒸汽爆破处理秸秆有所进展。蒸汽爆破处理主要是利用高温高压蒸汽，通过瞬间释放压力过程，实现原料的组分离散和结构变化。相比其他方法，汽爆具有能耗低、减少化学试剂使用风险、处理时间短等优点，可以极大改善秸秆生物质特性、减少了营养成分的流失、消灭了秸秆携带的传染性病原菌和寄生虫卵、减少了秸秆发酵产生有毒有害物质对根系生长的影响、更利于秸秆被微生物分解、实现培肥土壤。目前，秸秆汽爆多用于饲料，关于汽爆技术在作物秸秆方面的应用对水稻种子萌发及水稻秧苗素质的影响研究鲜有报道。以汽爆膨化的水稻、玉米、大豆秸秆及其浸出液为原材料，探明其对水稻种子萌发及水稻秧苗素质的影响，对于提高水稻产量及品质以及环境保护有着重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种：垦粳8号（黑龙江八一农垦大学），主茎13片叶，株高94.3 cm左右，穗长17.9 cm左右，千粒重23.8 g左右，生育期142 d左右，需≥10℃活动积温2650℃左右。

供试肥料：尿素(含N46%)、磷酸二铵（P2O546%、N18%）、硫酸钾（含K2O50%）。

供试秸秆：水稻秸秆、玉米秸秆、大豆秸秆均于2018年作物成熟收获后采集。

1.2 试验设计

1.2.1 秸秆汽爆膨化方式

使用莫旗稻乐农业科技有限公司生产的秸秆汽爆膨化机械对秸秆进行汽爆膨化处理，使用Quanta 450场发射环境扫描电镜观察秸秆结构，Mag(放大倍数)为800倍。

秸秆汽爆膨化方法为将秸秆粉碎成1-3 cm→装入膨化加料箱中(同时加水达秸秆含水20%左右)→螺旋输送到膨化器中→经摩擦生热→水汽化→膨化器内压力增大→达到一定压力→秸秆喷出膨化。

1.2.2 汽爆膨化作物秸秆浸提液与水稻种子萌发、幼苗生长

研究采用二因素完全随机设计，作物秸秆种类3水平（A1水稻秸秆、A2玉米秸秆、A3大豆秸秆）和汽爆膨化前后2水平（B1膨化前、B2膨化后）共计6个处理。将水稻、玉米、大豆秸秆分别剪成1~3 cm长小段，然后称取水稻、玉米、大豆秸秆及与之对应的汽爆膨化秸秆10 g，将其放入1 L烧杯里,再将烧杯中倒入1 L纯净的蒸馏水，最后将材料放置在32℃的恒温箱中，浸泡3 d，制成浸提液用于水稻种子发芽试验。

取8 cm直径的培养皿→铺3层滤纸→摆入50粒种子（8个重复）→各加入20 mL对应的提取液→放入14 cm×14 cm×8 cm的发芽盒→置于32℃恒温箱中→按照标准进行相关指标的调查测定。按照表1的设计进行浸提液对水稻种子萌发及发芽生长影响的研究。

表1 室内和秧田各处理组合Table 1 Treatment combination of indoor and seedling fields

1.2.3 三大作物秸秆及汽爆膨化对水稻秧苗素质的影响

粉碎的作物秸秆占土体积的25%,秸秆与秧田土壤充分混合，使秸秆均匀分布在各个深度，称重后相当于每盘混合秸秆粉19.24 g(水稻)、20.33 g（玉米），18.13 g（大豆）于4月7日进行浸种，然后催芽，播种量为芽种130 g·盘-1。秧田试验设计同表1。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 发芽指标测定

3 d记录种子破胸率，4 d调查种子发芽势，7 d调查种子发芽率，以芽长超过种子长度1/2、根长达到种子长度为标准。14 d测量20株幼苗芽长、根长。

1.3.2 秧苗素质测定

秧苗第一片完全叶全展后，每处理定30株，每3天记载叶龄1次。移栽前(3.1~3.5叶)每处理选取大小一致、长势相同的20株考查秧苗素质，测定主茎株高、茎基宽等。方法是水稻根系先用清水冲洗干净表面附着物，将根系切下平铺在根系专用放置盘中，加水并使水层保持在1～1.2 cm，用牙签将每条不定根单独分开，用根系形态专用扫描仪(MicrotekScan－Makeri 800)数字化扫描，然后用LA-S植物根系分析系统分析总根长、总根面积、总根体积、平均直径等根系参数，4次重复。另每盘取100株秧苗，将茎叶和根分开于105℃下杀青20~30 min，80℃烘干至恒重，称重。

1.4 分析方法

浸提液的pH值用p HS-3C酸度计来测定；电导率EC用电导率仪测定。

1.5 数据处理

采用Excel 2010进行数据整理，用DPS 9.05进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同作物秸秆汽爆膨化对浸提液体理化性质的影响

表2结果表明，秸秆种类因素电导率、pH值差异极显著（F=596.45**、F=147.28**）。电导率表现为A1＞A2＞A3，差异达极显著水平，A1极显著高于A2、A3。pH值表现为A3＞A2＞A1，差异达极显著水平，A3极显著高于A2、A1。汽爆膨化因素电导率、pH值水平间差异均达到极显著水平（F=19.86**、F=182.52**）。电导率表现为B1极显著高于B2。pH值表现为B2极显著高于B1。

表2 不同作物秸秆与汽爆膨化对秸秆浸提液理化性质的影响Table 2 Treatment combination of indoor and seedling fields

2.2 不同作物秸秆汽爆膨化对水稻种子萌发和幼苗生长的影响

表3结果表明，秸秆种类因素在破胸率、发芽势、发芽率、芽长、根长方面差异达到极显著水平（F=144.73**、F=198.67**、F=65.51**、F=239.63**、F=89.81**）。破胸率、发芽势、发芽率均表现为表现为A3＞A2＞A1，A3极显著高于A2、A1，且A2极显著高于A1。芽长、根长均表现为A3最大，A1最小，A3极显著高于A2、A1，且A2极显著高于A1。汽爆膨化因素破胸率、发芽势、发芽率、芽长、根长水平间差异均达到极显 著 水 平（F=276.76**、F=220.22**、F=122.27**、F=261.86**、F=146.90**）。B2破胸率、发芽势、发芽率、芽长、根长均极显著高于B1，增幅分别为9.23%、6.57%、8.46%、3.55%、10.14%。可以看出，汽爆膨化因素对破胸率的影响最大，对根长的影响大于芽长的影响。

表3 不同作物秸秆汽爆膨化对水稻种子萌发和幼苗生长的影响Table 3 Effect of steam expansion of straw on germination and seedling growth of rice seed

秸秆种类和汽爆膨化对破胸率、发芽率、芽长、根长的互作效应显著或极显著。（F=12.27**、F=4.30*、F=14.83**、F=7.68**）。A1、A2、A3秸秆种类下破胸率B2均极显著高于B1，增幅分别为14.27%、7.70%、6.38%；A1、A2、A3秸秆种类下发芽率B2显著高于B1，增幅分别为10.63%、8.33%、6.61%；A1、A2、A3秸秆种类下芽长B2均极显著高于B1，增幅分别为4.90%、4.01%、1.84%；A1、A2、A3秸秆种类下根长B2均极显著高于B1，增幅分别为13.18%、8.23%、9.23%（图1、2）。

图1 不同作物秸秆汽爆膨化与破胸率和发芽率的互作效应Fig.1 Mutual effects of explosion and germination rate of straw in different crops

图2 不同作物秸秆汽爆膨化与芽长和根长的互作效应Fig.2 Interaction effect of straw explosion and root growth of different crops

2.3 不同作物秸秆汽爆膨化对水稻秧苗素质的影响

表4结果表明，秸秆种类因素叶龄、株高、茎基宽、根表面积、根体积、根平均直径水平间差异达显著或极显著（F=56.65**、F=68.66**、F=5.71**、F=3.74*、F=4.70*、F=3.73*）。叶龄表现为A1＞A2＞A3，A1极显著高于A2、A3，A2与A3差异不显著。株高与茎基宽表现均为A2＞A3＞A1，A2与A3差异不显著，二者极显著高于A1。根表面积表现为A2＞A3＞A1，A2与A3显著高于A1,二者差异不显著。根体积表现为A3＞A2＞A1，A2与A3差异不显著，二者显著高于A1。根平均直径表现为A3＞A2＞A1，A3与A2显著高于A1，二者差异不显著。汽爆膨化因素叶龄、株高、茎基宽及根系各形态指标水平间差异达显著或极显著水平（F=82.54**、F=37.01**、F=10.63**、F=10.55**、F=29.45**、F=68.41**、F=7.14*）。B2叶龄、株高、茎基宽、根长、根表面积、根体积、根平均直径均高于B1。其中叶龄、株高、茎基宽、根长、根表面积、根体积、根平均直径差异达显著或极显著水平，分别增加11.33%、43.58%、13.68%、16.30%、13.70%、29.30%、11.76%。

表4 不同作物秸秆汽爆膨化对水稻秧苗素质及根系形态的影响Table 4 Effect of steam expansion of straw on rice seedling quality and the form of root

秸秆种类和汽爆膨化对叶龄、株高的互作效应极显著（F=28.07**、F=9.78**）。A1秸秆种类下叶龄B2显著高于B1，增幅为9.38%；A2秸秆种类下叶龄B2显著高于B1，增幅为10.14%；A3秸秆种类下叶龄B2极显著高于B1，增幅为14.92%。A1秸秆种类下株高B2极显著高于B1，增幅为38.37%；A2秸秆种类下株高B2极显著高于B1，增幅为41.39%；A3秸秆种类下株高B2极显著高于B1，增幅为50.34%（图3）。

图3 不同作物秸秆汽爆膨化与叶龄和株高的互作效应Fig.3 Interaction effect of straw steam explosion and leaf age and plant height in different crops

表5结果表明，秸秆种类因素地上干重、地下干重、总重、根冠比水平间差异显著或极显著（F=28.71**、F=4.21*、F=22.78**、F=12.63**）。地上干重、总重均表现为A2＞A3＞A1，差异达极显著水平，A2极显著高于A1、A3，A3极显著高于A1。地下干重表现为A2＞A3＞A1，差异达显著水平，A2显著高于A1、A3。根冠比表现为A1＞A3＞A2，差异达极显著水平，A1极显著高于A2、A3，A2与A3差异不显著。汽爆膨化因素地上和地下干重、总重、根冠比水平间差异显著或极显著（F=5.62*、F=80.14**、F=43.88**、F=28.22**）。B2地上和地下干重、总重、根冠比均高于B1。地上干重、地下干重、总重、根冠比差异达显著或极显著水平，其增幅分别为11.84%、54.72%、29.46%、37.14%。

表5 不同作物秸秆汽爆膨化对水稻秧苗素质的影响Table 5 Effect of straw in different croon quality of rice seedlings

秸秆种类和汽爆膨化对根冠比的互作效应极显著（F=6.47**）。A1秸秆种类下根冠比B2极显著高于B1，增幅为25.81%；A2秸秆种类下根冠比B2极显著高于B1，增幅为24.61%；A3秸秆种类下根冠比B2极显著高于B1，增幅为28.98%（如图4）。

图4 秸秆种类汽爆膨化与根冠比的互作效应Fig.4 Interaction effect of steam explosion and root crown ratio of straw species

3 讨论

3.1 三大作物秸秆与汽爆膨化浸提液对水稻种子萌发和幼苗生长的探讨

发芽是植物生长过程中的关键时期，郑曦等[15]研究表明，由于秸秆的化感作用，玉米秸秆浸提液对小麦种子萌发有一定抑制作用，另外李波等[16]研究发现，稻草秸秆浸提液对小麦种子萌发有抑制作用，这与李逢雨等[17]研究结果相似。李悦等[18]研究发现，线麻秸秆浸提液对四个大豆品种发芽指数均有抑制作用。研究发现，水稻种子的破胸率、发芽势、发芽率值等秸秆汽爆膨化后浸提液处理极显著高于常规秸秆浸提液处理，秸秆汽爆膨化后浸提液处理对发芽指标的影响依次为发芽率＞发芽势＞破胸率，分别较常规秸秆浸提液处理增加了10.98%、10.84%、9.71%。在试验中，常规秸秆浸提液的电导率值均极显著高于秸秆汽爆膨化后浸提液，这会显著增加水稻种子质膜的透性，导致离子外渗速度变快，破坏了水稻种子萌发时所需的正常内部环境[19]。试验的秸秆汽爆膨化后浸提液的pH值极显著高于常规秸秆浸提液，通常浸提液pH值越低，酚酸类化感物质阻碍植物吸收离子的能力越强，即浸提液pH值越高，化感物质越不易穿透细胞膜，从而使作物化感效应降低。由于化感物质可以改变酶的活性[20]，因此随着时间的推移，常规秸秆浸提液对水稻种子的化感胁迫时间延长，可能会导致酶活性降低。在水稻、玉米、大豆这三类作物的秸秆浸提液处理中，水稻种子的破胸率、发芽势等值均为水稻秸秆浸提液处理最小，这可能是因为自身秸秆的毒害作用导致的，这与朱丽珍等[21]研究结果一致。因此有选择的换茬可以降低化感作用，从而减少对下茬作物的不利影响[22]。研究结果表明，水稻幼苗的芽长和根长等值秸秆汽爆膨化后浸提液处理极显著高于常规秸秆浸提液处理，分别较常规秸秆浸提液处理增加了6.53%、9.82%。这说明秸秆汽爆膨化后浸提液处理对水稻幼苗的根部促进作用更强。已有研究表明，化感物质对胚根伸长、根系内部结构以及根部细胞分裂等方面有明显的效果[23]。在水稻、玉米、大豆三种类型的作物秸秆浸提液中，水稻秸秆浸提液处理的芽长最大，但与另外两种作物秸秆浸提液差异不显著。玉米秸秆浸提液处理的根长最大，极显著高于另外两种秸秆浸提液处理。这可能是不同作物秸秆浸提液中提供的氮、钾养分不同，化感物质也不相同，不同类型的作物秸秆浸提液成分以及化感物质的相互作用还需进一步研究。

3.2 三大作物秸秆与汽爆膨化汽爆膨化对水稻秧苗素质的探讨

水稻生产中，一直有“秧好八成粮”的说法，足以见到秧苗素质在水稻生产中的重要性[24-25]。培育健壮秧苗，一直是提高水稻栽插质量、保证水稻高产的关键。李瑞等[27]研究发现，用水稻秸秆、菇渣及牛粪，在高温发酵、腐熟等处理后按照不同比列配制，其培育出的秧苗素质比营养土要好。有学者研究表明，利用好秸秆等作为水稻育苗基质，可以使秧苗根系发达，秧苗矮壮，可增加秧苗的茎基宽，简单方便的同时可以培育壮苗[27]。杨振东等[28]研究表明，采用基质板培育秧苗，根系长、根系多、秧苗高，提高了水稻的秧苗素质。试验研究结果表明，不同作物秸秆水平间叶龄、株高、茎基宽差异达到显著或极显著水平，根表面积、根体积、根平均直径、百株干重差异达到极显著或显著水平，根长差异均不显著。不同作物秸秆对水稻秧苗素质的不同指标影响有所差异，例如叶龄最大的为水稻秸秆处理，株高、百株干重最大的为玉米秸秆处理，根表面积、根体积、根平均直径最大的为大豆秸秆处理。但在自然环境条件下，作物秸秆对水稻秧苗素质的影响是综合作用表现。因此，在物种水平上评价作物秸秆对水稻秧苗素质的影响将更能真实反应作物秸秆实际生产中应用的价值。秸秆汽爆膨化前后水平间水稻秧苗素质差异均达到显著或极显著水平。汽爆膨化秸秆的水稻秧苗素质全部优于常规秸秆。这是因为秸秆通过汽爆膨化处理后，由于高温裂解的作用，消灭了秸秆携带的传染性病原菌和寄生虫卵、减少了秸秆发酵产生有毒有害物质，很大程度降低了水稻秧苗在生长发育过程中的不利影响。而且由于秸秆汽爆膨化后，体积变小，比表面积大[29]，更容易与土壤环境中微生物和酶接触，分解速率更快，有利于培肥土壤。这与代文才等[30]的研究结果相似。

4 结论

4.1 作物秸秆汽爆膨化浸提液对水稻种子萌发及幼苗生长的影响

秸秆浸提液与水稻种子破胸率、发芽势、发芽率、芽长、根长的关系均呈现大豆秸秆＞玉米秸秆＞水稻秸秆。且呈现汽爆膨化秸秆＞未汽爆膨化秸秆，增幅分别达到9.23%、6.57%、8.46%、3.55%、10.14%。各指标的互作效应均以汽爆膨化后大豆秸秆最高。

4.2 作物秸秆汽爆膨化对水稻秧苗素质的影响

水稻秧苗叶龄呈现为水稻秸秆＞玉米秸秆＞大豆秸秆，株高、茎基宽、根长、根表面积、百株干重最大的为玉米秸秆，根体积、根直径呈现大豆秸秆＞玉米秸秆＞水稻秸秆。叶龄、株高、茎基宽、根长、根表面积、根体积、根平均直径、百株干重表现为汽爆膨化秸秆极显著高于未汽爆膨化秸秆，分别增幅为14.01%、10.21%、13.68%、16.30%、13.70%、29.30%、11.76%、29.46%。综合评价，表现最好的是玉米秸秆汽爆膨化处理。