生物質炭浸提液對大蒜生長品質及土壤的影響

卓亞魯, 李 磊, 鄭金偉, 劉曉雨, 李戀卿, 潘根興

(南京農業大學 農業資源與環境研究所, 江蘇 南京210095)

生物質炭浸提液對大蒜生長品質及土壤的影響

卓亞魯, 李 磊, 鄭金偉, 劉曉雨, 李戀卿, 潘根興

(南京農業大學 農業資源與環境研究所, 江蘇 南京210095)

[目的] 證實生物質炭中的水溶性有機碳對作物生長和品質的作用,為生物質炭的應用開辟新的途徑。[方法] 在實驗室制取400,450,500 ℃小麥秸稈生物質炭,以KOH溶液浸提水溶性有機碳獲得生物質炭浸提液W400,W450,W500,并應用于盆栽大蒜試驗,研究其對大蒜生長、品質及土壤的影響。[結果] (1) W400,W450,W500對大蒜的生長都沒有顯著影響; (2) W400處理使大蒜可溶性糖的含量顯著提高了27.53%,土壤有機質和速效磷含量分別提高37%,26%; (3) W450處理下大蒜維生素C、大蒜素含量分別顯著提高34.9%和8.2%。[結論] 生物質炭浸提液對大蒜生長沒有影響,但可以提高大蒜品質。

小麥炭浸提液; 溫度; 大蒜; 品質; 土壤理化性質

大蒜別名胡蒜、獨蒜等，為廣義百合科植物大蒜的鱗莖，因其獨特的風味和具有防治心血管疾病、抗腫瘤等多重功效而成為重要食物。在中國，大蒜種植效益較高，近年來種植面積不斷擴大。但是由于長年的連作，大蒜重茬病害面積呈逐年上升趨勢，化肥、農藥依賴性增強，嚴重影響著大蒜的產量和品質[1]。在國家出臺“減肥減藥”政策大背景下，有利于植物健康生長和土壤可持續利用的肥料產品將越來越受重視。

近年來，生物質炭因其在農業生態與環保方面的顯著作用而成為研究者關注的焦點[2-3]。生物質炭是由生物質在完全或部分缺氧以及相對較低的溫度條件下，經熱解炭化形成的一類含碳量極其豐富的、穩定的、高度芳香化難熔性固態物質[4]。很多研究結果顯示，生物質炭施入土壤能促進作物根系生長、提高作物的產量和品質[5-7]，究其原因，主要是從生物質炭改善土壤結構，含有一定量N，K，P等養分元素，提高土壤CEC和pH值，豐富土壤微生物群落結構等方面予以解釋。而很少從生物質炭中含有的水溶性有機碳的作用方面去考慮，雖然不同溫度生物質炭中水溶性有機碳含量有較大差異的事實客觀存在。目前為止，對于生物質炭水溶性有機碳的成份的研究還較少，這主要是因為其組成復雜，至少有上百種有機碳組分，對其中的有效成分更是難以分析確認。而且，生物質炭中有機碳組分受原料和熱裂解溫度的影響，不同溫度下生產的生物質炭的有機碳組分存在很大差異[8-9]。Graber等[8]研究發現，生物質炭的水溶性組分包括多種可溶性鹽、小分子有機酸、類腐殖酸的大分子有機化合物等。另外，已有一些研究指出腐殖酸及有機酸類物質能夠刺激作物生長，提高其養分利用率，增加作物產量并改善其品質[10-11]。本研究利用浸提的方法提取不同溫度生物質炭中水溶性有機碳并進行盆栽試驗，試圖證實生物質炭中的水溶性有機碳對作物生長和品質的作用，以期為生物質炭的應用開辟新的途徑。

1 試驗與材料

1.1 供試材料

供試大蒜品種為金育3號。

(1) 生物質炭。利用馬弗爐將小麥秸稈分別在400，450，500 ℃條件下炭化得到生物質炭，其理化性質見(表1)。

(2) 浸提液。將生物質炭和0.02 M的KOH溶液按照1∶20的固液比進行混合，在搖床上震蕩1 h。用抽濾瓶進行固液分離，得到的溶液用磷酸調節pH值至中性，制得W400，W450，W5003種生物質炭浸提液，其有機組分見(表2)稀釋100倍后用于本試驗。

表1 不同溫度生物質炭基本性質

表2 生物質炭浸提液的組成成分 mg/l

1.2 試驗處理

試驗在玻璃溫室內進行，盆栽土壤為粘壤土，土壤風干磨碎過5 mm篩后裝盆使用，每盆裝土10 kg。土壤基礎理化性質見(表3)。試驗共設4個處理，分別為CK，W400，W450，W500每個處理3次重復。每盆施入10 g的硫酸鉀型復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)做基肥，與土充分混勻。2016年1月14日播種，每盆定植4棵，用根施的方式施用浸提液,每隔2周施用1次。于2016年5月2日收獲。

表3 試驗土壤理化性質

1.3 土壤樣品采集和理化性質的測定

大蒜收獲后將盆內土壤倒出混勻并采集500 g土樣，自然風干去根，0.85和0.15 mm孔徑過篩備用。pH值采用電位法[12]，水∶土=5∶1；全氮采用凱氏定氮法[12]；有機質采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法：速效磷采用碳酸氫鈉法測定[12]；速效鉀采用乙酸銨提取—火焰光度計法[12]。

1.4 大蒜樣品采集和測定

挖出完整根系，洗凈，從鱗莖上部膨大處向上2 cm處剪去上部假莖后，自然風干20 d。選取的蒜頭剪碎混勻，稱取鮮樣測定可溶性糖、維生素C、大蒜素。維生素C采用2,6-二氯酚靛酚滴定法[13]測定；可溶性糖采用苯酚法[13]測定；大蒜素采用苯腙比色法[14]測定。

1.5 數據分析

采用Excel 2013軟件對試驗數據進行統計處理，采用SPSS 16.0軟件進行方差分析。各處理與對照間的差異采用單因素方差分析和多重比較(LSD檢驗)，處理之間的顯著性分析均在p<0.05水平下。

2 結果與分析

2.1 生物質炭浸提液對大蒜生長的影響

本研究盆栽試驗中，生物質炭浸提液對大蒜生長的影響如表4所示。不同炭化溫度下生物質炭浸提液處理于對照相比，在大蒜株高和生物量上都沒有顯著性差異，說明浸提液對大蒜植株生長沒有顯著影響。

表4 不同炭化溫度生物質炭浸提液對大蒜生長的影響

注：同一列數據后標識不同字母表示差異顯著(p<0.05)； W400，W450，W500分別表示400，450，500 ℃的生物質炭浸提液。下同。

2.2不同炭化溫度下生物質炭浸提液對大蒜品質的影響

可溶性糖、維生素C、大蒜素是大蒜重要的品質指標，其中大蒜素具有很強的抗菌作用，被稱為天然的光譜抗生素[15]。不同溫度生物質炭浸提液對大蒜品質的影響如圖1所示。W400和W450處理都提高了大蒜素含量，但W400效果不顯著，而W450顯著提高了大蒜中大蒜素的含量。W400處理顯著提高了大蒜可溶性糖含量，提高幅度27.53%，W450處理雖然使大蒜可溶性糖含量有所提高，但沒有達到顯著水平，而W500處理則降低了大蒜可溶性糖含量，但無顯著差異。與對照相比，W400，W450，W500這3個處理都顯著提高了大蒜維生素C的含量，其中，W450處理大蒜維生素C含量達到最高，相比對照提高了34.9%。

圖1 不同炭化溫度下生物質炭浸提液對大蒜品質的影響

2.3不同炭化溫度生物質炭浸提液對土壤理化性質的影響

不同炭化溫度生物質炭浸提液對土壤理化性質的影響如表5所示。可以看出，與對照相比，W400，W450，W500這3種浸提液都顯著提高了土壤pH值。同時，也使土壤有機質含量得到了提高，但只有W400處理達到顯著水平。對土壤N，P，K等養分指標，W400，W450，W5003種浸提液處理都顯著提高了土壤速效磷含量；W400，W450處理雖然提高了土壤全氮含量，但都未達到顯著水平；除了W400以外，其他3種處理都顯著提高了土壤中速效鉀的含量。

表5 不同溫度下小麥炭浸提液對土壤理化性質的影響

3 討 論

生物質炭的理化特性受炭化溫度的影響較大，炭化溫度與生物質炭pH值、有機碳含量和穩定性等指標呈正相關，而與易揮發的水溶性有機碳含量呈負相關[16]。王英惠等[17]發現施用低溫生物質炭增加了土壤腐植酸和胡敏酸含量，而施用高溫生物質炭的土壤其腐植酸和胡敏酸含量的變化不顯著。Zimmerman[18]的培養試驗也發現低溫制備的生物質炭更易被土壤中微生物分解利用。這主要是由生物質炭中揮發性物質和可溶性碳含量決定的[19]。從浸提液組成成分的結果表明低溫生物質炭含有較多的水溶性有機碳和一些小分子酸，這些有機碳施入土壤后因其可溶性和極易獲取性很容易被土壤微生物利用。

3.1 生物質炭浸提液對大蒜生長及品質的影響

本研究中，W400，W450，W500這3種生物質炭浸提液對大蒜的生長指標如株高、生物量均沒有顯著影響，但有研究發現噴施生物質炭熱水浸提液能顯著提高小白菜的產量和品質[20]。這說明生物質炭中水溶性的有機碳對不同植物的作用有差異，也可能跟施用方式有關，浸提液中的一些活性物質噴施在葉面上能被作物直接吸收利用，而本研究采用施用于土壤的方式可能使水溶性有機碳被土壤微生物所利用，從而影響效果。有研究報道稱使用腐殖質能夠改變洋蔥的品質，提高作物的可溶性糖、淀粉含量[21]。本研究中，低于450 ℃的生物質炭所制取浸提液能夠不同程度的提高大蒜的維生素C、可溶性糖和大蒜素的含量等。這些作用可能和浸提液中含有的活性有機碳有關。生物質炭的水溶性有機碳組分包括多種小分子有機酸、類腐殖酸的大分子有機化合物，這些有機組分同自然狀態下溶解的有機物具有相似的性質，均具有一定的氧化還原活性。其結構中以醌型、芳香族、半硫醇為主，這類物質是微生物新陳代謝過程的重要媒介，也可以通過多種氧化過程為微量元素在植物體內的生物循環提供便利[22]。腐殖酸有影響植物生理生化，促進植物的生長的效果，因此被認為是植物的生物刺激素。而浸提液中不僅含有類腐殖酸的物質還有一些微量元素同樣會影響作物的品質。王越[23]研究稱澆施含10 μmol/l硒和6 mmol/l硫的營養液,可顯著提高蒜苗葉片和假莖中的可溶性糖、維生素C和大蒜素含量。本研究利用KOH浸提過程中加入的K，以及調節浸提液pH值時加入的P相對于土壤中本身P和K的含量是非常微量的，不應該是本研究中大蒜品質指標變化的主要原因。生物質炭浸提液提高大蒜可溶性糖、維生素C和大蒜素等重要品質指標的確定性和作用機理可能還需更多的研究來明確。

3.2 生物質炭浸提液對土壤理化性質的影響

本研究顯示，在生物質炭浸提液處理下，盆栽大蒜土壤pH值和有機質、速效磷含量與對照相比有明顯變化，其中W400處理影響達顯著水平。其原因可能是浸提液中不僅含有大量的類腐殖酸物質為微生物提供碳源，改善土壤生境，而且大量小分子的有機酸能夠促進土壤中一些難容性磷的溶解。靳志麗等[24]的研究發現，腐殖酸不僅能提高土壤有機質含量，酸化根際土壤，還可提高土壤中磷酸酶和蔗糖酶的活性，從而有利于提高土壤的生物學活性，促進土壤中微生物的活動以及養分的轉化和釋放。曾婕等[25]發現葉面噴施木醋液與根施的協同作用能提高烤煙土壤微生物利用碳源的能力和代謝活性，從而改善了植煙土壤微生物群系統的多樣性和代謝活性。

4 結 論

生物質炭浸提液對大蒜生長沒有顯著影響，但是能夠改善大蒜品質，同時也有利于土壤理化性質的改善。①400 ℃生物質炭浸提液的處理使大蒜可溶性糖的含量顯著提高了27.53%，土壤有機質和速效磷含量分別提高37%，26%；②450 ℃生物質炭浸提液的處理使大蒜維生素C、大蒜素含量分別顯著提高34.9%和8.2%。

本論文對生物質炭可溶性部分的作用提供科學依據，并且發現低溫生物質炭所提取浸提液的應用效果較好，因此建議生物質炭在農用生產要盡可能的降低炭化溫度。但這僅在盆栽試驗基礎上所得出的結果。對于生物質炭可溶性部分應用和在大蒜上應用的可行性，今后在大田試驗還要進一步的研究予以闡釋。

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EffectsofBiocharExtractonGrowthQualityofGarlicandSoilProperties

ZHUO Yalu, LI Lei, ZHENG Jinwei, LIU Xiaoyu, LI Lianqing, PAN Genxing

(InstituteofResources,EcosystemandEnvironmentofAgriculture,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing,Jiangsu210095,China)

[Objective] To demonstrate the effects of water-soluble organic carbon in biochar for crop growth and quality and to open up new pathway for the application of biochar. [Methods] Three wheat straw biochar samples at 400 ℃, 450 ℃, 500 ℃ were prepared in laboratory, and corresponding water-soluble organic carbons were extracted with KOH solution to obtain biochar extracts of W400, W450, W500. Furthermore, the extracts were applied in potted garlic test and the effects on garlic growth, quality and soil were measured. [Results] (1) W400, W450, W500had no significant effects on the growth of garlic. (2) W400treatment increased the content of garlic soluble sugar by 27.53%, increased soil organic matter and available phosphorus by 37%, 26%. (3) Garlic vitamin C, allicin content in the treatment of W450was significantly increased by 34.9% and 8.2%. [Conclusion] Biochar extract has no effect on the growth of garlic, but it can improve the quality of garlic.

wheatcarbonextract;temperature;garlic;quality;soilproperties

A

1000-288X(2017)05-0081-05

S145.2

文獻參數： 卓亞魯, 李磊, 鄭金偉, 等.生物質炭浸提液對大蒜生長品質及土壤的影響[J].水土保持通報，2017,37(5)：81-85.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.014； Zhuo Yalu, Li Lei, Zheng Jinwei, et al. Effects of biochar extract on growth quality of garlic and soil properties[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：81-85.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.014

2017-03-06

2017-03-20

國家科技支撐計劃“典型陸地生態系統減排增匯增產關鍵技術及示范”(2015BAC02B00)

卓亞魯(1990—),男(漢族),山東省濟寧市人,碩士研究生,主要從事生物質炭浸提液的農業應用。E-mail:2014103106@njau.edu.cn。

鄭金偉(1973—),男(漢族),江蘇省南京市人,博士,副教授,主要從事土壤微生物及農業廢棄物利用方面的研究。E-mail:zhengjw@njau.edu.cn。