生物質炭浸提液對水稻種子萌發及幼苗生長的影響

許 唯，張 蛟，姚易寒，宋余澤，胡帥棟*(.嘉興市農業科學研究院 園藝研究所，浙江 嘉善 400； .江蘇沿江地區農業科學研究所，江蘇 南通 654；.浙江農林大學 環境與資源學院，浙江 杭州 00)

水稻是世界上三大糧食作物之一，是我國的最主要的糧食作物，稻米質量安全事關國計民生[1-2]。中國糧食安全面臨著結構不合理、環境可持續性較差等問題[2-3]。因此，提高農業生產過程中資源利用效率、生態環境可持續性是當下迫切需要解決的問題。

生物質炭是指生物質在無氧或部分缺氧條件下通過熱裂解(>250 ℃)制備而成，具有多孔性、吸附性和穩定性等特點的芳香類化學物質[4-5]，能改善土壤pH、容重，具有持水性和保肥性，被認為是一種良好可持續性的土壤改良劑，并廣泛應用于農林業生產與生態保護方面[6-7]。然而，生物質在熱解過程中產生的焦油、多環芳烴(PAHs)等，會隨冷卻吸附于生物質炭表面，且部分生物質材料自身含有的重金屬等潛在污染物會隨熱解過程富集在生物質炭中[8-9]。因此，當生物質炭施用于土壤中，可能會對植物、土壤微生物及土壤環境產生危害[10]。

植物種子萌發和幼苗生長發育階段對毒害較為敏感，有相關報道對水稻小麥種子萌發做了毒理性試驗，但都在較高pH培養條件下[11-12]。本研究采用低溫熱裂解的竹葉生物炭pH與稻田基本相一致，通過控制其浸提液濃度對不同水稻種子進行培養，以探究不同濃度生物質炭浸提液對不同水稻種子萌發和幼苗生長發育的潛在影響，從而為實際生產過程中對生物質炭施用量和水稻生產提供科學依據，促進水稻產業發展，改善環境生態和提高資源利用效益。

1 材料與方法

1.1 材料

竹葉生物質炭購自浙江布萊蒙農業科技股份有限公司，該生物質炭是由新鮮采集竹葉在缺氧環境中經300 ℃熱裂解制備而成。生物質炭烘干過2 mm篩后置于自封袋中保存并用于試驗。竹葉生物質炭基本性質為pH值6.58(H2O)，KCl 6.15，電導率(EC)值686.0 μS·cm-1。粳型常規稻鹽豐47、秈型常規稻珍珠糯和秈型三系雜交稻甬優15號種子購于市場。

1.2 方法

1.2.1 生物質炭理化性質測定

生物質炭pH與電導率(EC)由樣品過2 mm篩后，按1∶20(m/V)的炭水比將竹葉生物炭和超純水混合攪拌，靜置30 min后用pH計和電導率儀測定。竹葉生物質炭化學組分含量的測定參照傳統土壤測定方法[13]，結果如表1所示。

1.2.2 生物質炭水浸提液制備

稱取過2 mm篩后竹葉生物質炭樣品5 g，用超純水按炭水比1∶15，混合于100 mL塑料瓶中，25 ℃條件下180 r·min-1振蕩12 h，0.45 μm濾膜真空抽濾，所得液體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1所示。抽取的濾液分別稀釋到0%(CK)、10%(相當于炭水比1∶150)、30%(1∶50)、50%(1∶30)、75%(1∶20)、100%(1∶15)，采用6種不同濃度的浸提液進行后續水稻發芽試驗。

表1 竹葉生物質炭(BC)及其水浸提液(AE)的化學組分

注：-表示未檢測到。

1.2.3 種子發芽試驗

種子活力測定均以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% NaClO，10 min和3% H2O2，24 h浸種處理，先后用超純水沖洗3次。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，置于光照培養箱中培養。

設置培養條件。20 ℃黑暗條件下16 h，30 ℃光照條件下8 h(光照度為8 000 lx)。第3天開始以種子根長超過種子長度，芽長達到種子長度一半以上為標準統計發芽數，每天記錄發芽種子數，直至第14天；發芽第5天、第14天分別統計水稻種子發芽勢和發芽率

1.2.4 幼苗生長測定

水稻種子在添加不同濃度竹葉生物質炭水浸提液處理培養14 d后，挑取長勢平均的20株幼苗用游標卡尺測定芽長、根長；再將上述幼苗用濾紙吸干水分后測定20株水稻幼苗鮮重。試驗均重復4次。

1.2.5 數據處理

數據采用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，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 對不同水稻種子萌發的影響

由表2可知，隨著竹葉生物質炭水浸提液濃度的增加，3個不同水稻品種的發芽勢均基本表現為一定的抑制趨勢。與CK相比，在濃度100%浸提液培養下，鹽豐47、珍珠糯和甬優15號3個水稻品種的種子發芽勢均出現顯著降低；然而，在濃度10%浸提液培養對珍珠糯和甬優15號的種子發芽勢具有顯著的提高。同時，在不同濃度浸提液培養下，3個水稻品種的種子發芽指數與種子發芽勢具有相似的變化趨勢。

表2 竹葉生物質炭水浸提液對不同水稻種子萌發相關指標的影響

注：同列不同小寫字母表示平均值在P<0.05水平上差異極顯著。

另外，不同濃度浸提液培養對3個水稻品種的種子發芽率均無顯著影響；在幼苗鮮重方面，濃度10%浸提液對鹽豐47品種幼苗有顯著提高，但對珍珠糯和甬優15號品種無顯著性變化。濃度50%、75%和100%的浸提液都對鹽豐47品種幼苗鮮重產生顯著性的抑制作用，其鮮重分別降低3.3%、10.7%和17.2%。濃度75%和100%的浸提液都對珍珠糯品種幼苗鮮重產生顯著性的抑制作用，其鮮重分別降低7.2%和21.0%。在甬優15號水稻種子中只有濃度100%的浸提液對其幼苗鮮重產生9.5%的顯著降低。

綜合以上結果，不同粳稻、秈稻和雜交秈稻種子活力對生物質炭水浸提液的響應基本一致。10%濃度下的竹葉生物質炭水浸提液對鹽豐47、珍珠糯和甬優15號的活力指標和幼苗鮮重具有顯著促進作用。而100%的竹葉生物質炭水浸提液對鹽豐47、珍珠糯和甬優15號的活力指標和幼苗鮮重具有顯著的抑制作用。在高濃度(≥50%)竹葉生物質炭水浸提液培養下，鹽豐47具有比珍珠糯和甬優15號更抗逆的表現。而在低濃度(10%)竹葉生物質炭水浸提液培養條件下，生物質炭水浸提液對甬優15號種子活力具有更強的促進作用。

2.2 對不同水稻幼苗芽根長度的影響

由圖1結果可知，竹葉生物質炭水浸提液在濃度10%～30%下對鹽豐47幼苗芽長沒有影響，但在濃度50%～100%下鹽豐47幼苗芽長相比對照減少7.3%～10.4%。

所有不同濃度的竹葉生物質炭浸提液對鹽豐47的幼苗根長都產生了促進作用，增幅為15.5%～63.2%。浸提液在濃度10%～50%下對珍珠糯幼苗芽長沒有影響，但在濃度75%～100%下，鹽豐47幼苗芽長相比對照減少10.5%～29.5%。而30%～75%濃度的浸提液促進了珍珠糯幼苗根長，增幅為29.6%～38.4%。對于品種甬優15號，只有75%濃度的浸提液抑制其幼苗芽長，相比對照，其幼苗芽長減少8.3%。所有不同濃度的浸提液對甬優15號的根長均有促進作用，而50%～100%濃度的浸提液較對照增加23.4%～47.9%。另外，水稻幼苗根芽比隨竹葉生物質炭水浸提液濃度的增加而增加(表2)，與上述結果一致，表明竹葉生物質炭水浸提液對不同水稻種子幼苗根系生長具有激發作用，而且隨浸提液濃度增加，根的生長也增加。綜合以上結果，添加生物質炭水浸提液對不同粳稻、秈稻和雜交秈稻幼苗生長狀況的影響基本一致，且對幼苗生長過程中根系生長的影響最為顯著。

不同小寫字母表示平均值在<0.05水平上差異極顯著圖1 竹葉生物質炭水浸提液對不同水稻幼苗芽長和根長的影響

3 小結與討論

本研究結果表明，生物質炭水浸提液對水稻種子活力基本呈“低促高抑”影響。生物質炭中除了含有植物生長所需的營養元素外，也含有重金屬、PAHs等潛在土壤污染物。通過對該生物質炭檢測，發現其重金屬含量均低于GB15618—1995土壤環境質量標準。而在很多研究報道中都檢測出生物質炭PAHs含量超標[9,12]，并有研究報道PAHs(Na、BaA、Ch)對植物種子萌發和幼苗生長具有顯著的抑制作用[14]，可推測PAHs可能是潛在抑制水稻種子活力的主要因素。王晉等[15]研究報道，添加高濃度竹炭、稻稈炭和煙稈炭對水稻幼苗根長與芽長都產生了抑制。

本試驗中，3種不同水稻品種在生物質炭條件下，幼苗芽長具有抑制作用，但對幼苗根長卻產生促進作用，這可能是試驗過程中培養環境不同所造成的差異。合理控制生物炭的使用量對農作物不會產生明顯影響，甚至會促進植物的萌發和生長[16-18]。本研究結果支持以上結論，10%濃度生物質炭水浸提液對珍珠糯和甬優15號2個品種的水稻種子的萌發均達到一定的促進作用。

因此，生物質炭在農田林地等推廣應用之前，其存在的潛在生態土壤環境風險，還需針對特種植物生長及土壤相關生物學性質進一步研究分析。此外，對不同材料、不同裂解溫度和不同制作工藝的生物質炭潛在毒性評估需要更深入的研究。由于本研究只對生物質炭對水稻種子萌發和幼苗生長的影響進行研究，而實際施用到土壤中，土壤及土壤微生物會對部分毒害物質進行吸附和降解[11]，因此在將來的研究中需開展大田試驗進一步驗證。

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