不同熱解溫度園林廢棄物生物質炭對設施連作番茄產量、品質及青枯病的影響

胡廣宇 宋旸

摘要：以園林廢棄物為原料，分別在300、500、700 ℃條件下熱解制備生物質炭，分析制備溫度對生物質炭理化性質及設施連作番茄產量、品質及青枯病的影響。結果表明，隨著熱解溫度的升高，園林廢棄物生物質炭產率、H和O元素含量逐漸降低，C、N、P元素含量逐漸升高，而比表面積、總孔體積、微孔孔容、微孔率及平均孔徑則先升高后降低;設施連作番茄產量、品質及青枯病防治效果均隨熱解溫度升高而先升高后降低，以500 ℃制備溫度最佳。與CK相比，T500處理的番茄單果質量、單株產量、維生素C含量、可溶性糖含量、可溶性固形物含量、番茄紅素含量及青枯病防治效果分別顯著提升36.86%、43.13%、51.59%、35.02%、27.12%、37.44%、77.99%（P<0.05），可滴定酸顯著降低18.18%（P<0.05），糖酸比顯著提升64.99%（P<0.05）。

關鍵詞：園林廢棄物;熱解溫度;生物質炭;連作番茄;青枯病

中圖分類號： S641.204? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）23-0156-06

收稿日期：2021-04-08

基金項目：河南省科技攻關項目（編號：182102110198）。

作者信息：宋 旸（1981—），男，河南商丘人，博士，副教授，主要從事植物分子遺傳學研究。E-mail：songyangc@163.com。

通信作者：胡廣宇，碩士，中級實驗師，主要從事植物生理學研究。E-mail：hgy5990@163.com。

園林廢棄物是指園林綠化植物在生長過程中因衰老脫落或人工修剪而產生的植物殘體，包括枯枝落葉、殘花落果及死亡植株等[1]。園林綠化具有美化環境、凈化空氣、緩解熱島效應等作用，是城市規劃和建設中必不可少的重要一環。近年來，隨著人們對精神生活需求的日益提高，“生態城市”和“森林城市”建設持續推進，城市園林綠化面積迅速增加，導致大量園林廢棄物的急劇增加[2]。園林廢棄物富含N、P、K、Ca等營養元素，填埋、焚燒等傳統處置方式不僅會導致資源浪費，而且會對環境造成污染[3]。園林廢棄物資源化利用是未來低碳經濟和低碳城市發展的重要方向之一。

目前，好氧發酵堆肥和熱解炭化是園林廢棄物資源化利用的主要途徑[1]。生物質炭是一種難溶的固態產物，具有較大的比表面積、豐富的孔隙結構及較高的碳素含量和陽離子交換量等優勢，已在固碳減排、環境治理、土壤改良及病蟲害防治等方面得到廣泛應用[4-9]。生物質炭理化性狀及產品性能與原材料、熱解溫度、熱解時間等密切相關。Alexis等研究發現，原材料C元素含量越高，生物質炭產品C元素含量也越高[10];高秀紅等研究表明，隨著熱解溫度升高，生物質炭產率逐漸降低，比表面積、總孔容及平均孔徑逐漸升高，對水中4-硝基酚的去除效果逐漸增強[11];而楊興等則研究發現，煙桿炭比表面積在熱解溫度為500 ℃時達到最大，超過500 ℃又開始降低[12];田雪等研究表明，隨著炭化時間延長，樹枝生物炭對P的解吸能力基本保持不變，而樹葉生物炭則逐漸降低[13]。由此可見，原材料、熱解溫度及熱解時間對生物質炭理化性質及產品性能具有明顯影響，在生物質炭產品推廣應用中起關鍵作用。然而，目前關于熱解溫度對園林廢棄物生物質炭理化性質方面的影響尚不多見，而不同熱解溫度生物質炭對設施連作番茄產量、品質及青枯病抗性方面的影響更是未見相關報道。

因此，本研究以西安市園林廢棄物為原料，分析熱解溫度對生物質炭理化性質的影響并進一步分析不同制備溫度生物質炭對設施連作番茄產量、品質及青枯病抗性的影響，以期為園林廢棄物資源化及在設施農業生產領域的利用提供一定的理論依據和技術參照。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年10月在西安市林業局漢城湖苗圃開始實施。供試園林廢棄物為自行收集的街道修剪枝條及枯枝落葉，并粉碎至1～3 mm粒徑粉末;供試番茄品種為“毛粉802”，購自西安世佳種業有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 園林廢棄物生物質炭制備

將園林廢棄物顆粒裝入瓷坩堝后加蓋密封，于馬弗爐內進行灼燒。采用程序升溫法進行炭化，以10 ℃/min的升溫速率升到200 ℃，保溫2 h，進行預炭化;采用相同的升溫速率分別將熱解溫度升高至300、500、700 ℃，保溫3 h熱解炭化;待自然冷卻至50 ℃時，出料研磨，過100目篩并取樣測定理化性狀，每個處理3次重復。待取樣完成后，將各處理3次重復樣品充分混勻后裝袋封存備用，分別標記為T300、T500、T700。

1.2.2 試驗設計

2020年3月，選取大小一致、籽粒飽滿種子，采用0.1%高錳酸鉀溶液浸種消毒;選用72孔穴盤育苗，基質按V椰糠 ∶V草炭 ∶V蛭石 ∶V珍珠巖=2 ∶1 ∶1 ∶1比例配制。2020年4月溫室定植，土壤容重為1.41 g/cm3，有機質、全氮、全磷及全鉀含量分別為 6.52、0.77、0.41、10.85 g/kg;試驗共設4個處理，即整地前分別施入1 100 kg/hm2不同溫度制備的園林廢棄物生物質炭（T300、T500、T700），以不施入生物質炭為對照（CK）;小區面積為6.3 m×1.5 m=9.45 m2，株行距為30 cm×50 cm，每個處理重復3次，隨機區組排列，各小區間用苯板隔離，田間管理措施保持完全一致。

1.2.3 測定指標及方法

生物質炭產率采用俞花美等方法[14]進行測定并計算;生物質炭C、H、O、N及P元素含量采用元素分析儀（Vario MICRO，德國）進行測定;生物質炭比表面積、總孔體積、微孔體積、微孔率及平均孔徑采用靜態氮吸附儀（JW-BK224）測定。分別于番茄定植后90、110、130、150 d 對各小區進行測產，計算平均單果質量和平均單株產量;選取各處理第2穗成熟果實（定植后110 d）進行營養品質測定。分別采用鉬藍比色法、蒽酮比色法、便攜式數顯糖度計、高效液相色譜（high performance liquid chromatography，簡稱HPLC）法和酸堿滴定法測定維生素C、可溶性糖、可溶性固形物、番茄紅素和可滴定酸含量，計算糖酸比：糖酸比=可溶性糖含量（%）/可滴定酸含量（%）。

1.3 數據處理及統計分析

采用Excel 2013進行數據整理及作圖，采用SPSS 16.0軟件進行數據統計分析，用Duncans氏新復極差法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同制備溫度對園林廢棄物生物質炭理化性質的影響

2.1.1 不同制備溫度對園林廢棄物生物質炭產率及化學元素組成的影響

由表1可知，隨著熱解溫度的升高，園林廢棄物生物質炭產率逐漸降低，生物質炭的C、N、P元素含量逐漸升高，而H、O元素含量逐漸降低。與300 ℃制備溫度相比，700 ℃ 制備溫度的生物質炭產率降低25.92%，C、N、P元素含量分別提升50.56%、25.37%、48.39%，H和O元素含量分別降低72.82%、84.25%，均達到顯著差異水平。與500 ℃制備溫度相比，700 ℃制備溫度的園林廢棄物生物質炭產率顯著降低19.82%，C、N、P含量分別提升9.59%、6.33%、10.84%，而H和O元素含量則分別降低56.76%、51.19%，且C、N元素含量500 ℃和700 ℃制備溫度下差異不顯著。綜合考慮產率和化學元素含量，以500 ℃為園林廢棄物生物質炭最佳制備溫度。

2.1.2 不同制備溫度對園林廢棄物生物質炭比表面積及孔徑結構的影響

由表2可知，隨著熱解溫度的升高，園林廢棄物生物質炭的比表面積、總孔體積、微孔孔容、微孔率及平均孔徑均呈先上升后下降的趨勢，其大小順序為T500>T700>T300。與700 ℃制備溫度相比，500 ℃制備的生物質炭比表面積、總孔體積、微孔孔容、微孔率及平均孔徑分別顯著提升33.83%、38.78%、131.82%、45.73%、23.91%。這說明500 ℃制備的園林廢棄物生物質炭具有最佳的孔隙結構。

2.2 不同制備溫度生物質炭對連作番茄產量的影響

由圖1可知，隨著熱解溫度的升高，連作番茄單果質量和單株產量均呈現出先升高后降低的趨勢，其高低順序依次為T500>T700>T300>CK。與CK相比，T300、T500、T700處理的連作番茄平均單果質量分別提升15.29%、36.86%、27.70%，單株產量分別提升15.65%、43.13%、29.01%。這說明 500 ℃ 制備的園林廢棄物生物質炭對連作番茄單果質量和產量的提升幅度最高。

2.3 不同制備溫度生物質炭對連作番茄品質的影響

由圖2可知，外施園林廢棄物生物質炭可明顯提升連作番茄品質，且提升幅度隨生物質炭制備溫度升高呈現出先升高后降低的趨勢，其品質優劣順序依次為T500>T700>T300>CK。與CK相比，T500處理的連作番茄維生素C、可溶性糖、可溶性固形物、番茄紅素含量及糖酸比分別顯著提升51.59%、35.02%、27.12%、37.44%、64.99%，可滴定酸含量顯著降低18.18%。同時，T500處理的連作番茄品質顯著優于T300（P<0.05）。這說明 500 ℃ 制備的園林廢棄物生物質炭對連作番茄品質提升效果最佳。

2.4 不同制備溫度生物質炭對連作番茄青枯病的影響

由圖3可知，外施園林廢棄物生物質炭可顯著降低連作番茄青枯病病情指數，提高防治效果;隨著制備溫度的升高，連作番茄青枯病病情指數表現為先降低后升高的趨勢，而防治效果則呈先升高后降低的趨勢。與CK相比，T300、T500、T700處理的連作番茄青枯病病情指數分別降低40.23%、75.26%、60.02%，均達到顯著差異水平。設CK防治效果為0，T300、T500、T700處理的連作番茄青枯病防治效果分別提升46.29%、77.99%、62.85%。這說明外施園林廢棄物生物質炭可顯著提升連作番茄青枯病抗性，以制備溫度為500 ℃的生物質炭效果最佳。

2.5 生物質炭理化指標與連作番茄產量、品質及青枯病的相關性分析

由表3可知，園林廢棄物生物質炭的C元素含量與連作番茄單果質量、單株產量、可溶性固形物含量、糖酸比及對青枯病防治效果呈顯著正相關，而與可滴定酸含量和青枯病病情指數呈顯著負相關;N元素含量與連作番茄單果質量、維生素C含量、可溶性固形物含量、青枯病防治效果呈顯著正相關，而與可滴定酸含量和青枯病病情指數呈顯著負相關;O元素含量與單果質量、單株產量、維生素C含量、可溶性固形物含量、番茄紅素含量、糖酸比及青枯病防治效果呈顯著負相關，而與可滴定酸含量及青枯病病情指數呈顯著正相關;P元素含量與單果質量、維生素C含量、可溶性固形物含量及青枯病防治效果呈顯著正相關，而與可滴定酸含量及青枯病病情指數呈顯著負相關;園林廢棄物生物質炭比表面積、總孔體積、微孔孔容、微孔率及平均孔徑與連作番茄產量、品質及青枯病的相關性均達到顯著水平;同時，比表面積與番茄紅素含量達到極顯著正相關;總孔體積與單果質量、番茄紅素含量、糖酸比及青枯病防治效果均達到極顯著正相關，與可滴定酸含量及青枯病病情指數呈極顯著負相關;微孔率與單果質量、可溶性固形物含量、番茄紅素含量、糖酸比、防治效果達到極顯著正相關，與可滴定酸含量及病情指數呈極顯著負相關;平均孔徑與單果質量、單株產量、糖酸比及青枯病防治效果達到極顯著正相關，與可滴定酸含量及病情指數呈極顯著負相關。這說明園林廢棄物生物質炭理化性質與連作番茄產量、品質及青枯病抗性密切相關。

3 討論與結論

生物質炭熱裂解主要包括脫水、裂解、炭化等反應過程，是一個極為復雜的熱化學過程，其產率、化學元素組成及結構特性與原材料、熱解溫度和熱解時間等密切相關[14]。本研究發現，隨著制備溫度的升高，園林廢棄物生物質炭產率逐漸降低，C、N、P元素含量逐漸升高，H、O元素含量則逐漸降低。本結果與林肖慶等研究結果[15-16]一致，這可能是由于隨著熱解溫度增高，原材料脫水及脫羧反應增強，導致H和O元素丟失量逐漸增大，進而致使H和O元素含量逐漸降低，C、N、P元素含量升高，產炭率逐漸降低。生物質炭的孔隙結構主要由2個部分組成：一方面是生物質本身即存在的海綿結構;另一方面是由木質素熱解時因揮發分析出而產生的氣泡與氣孔[17]。大量研究表明，隨著制備溫度的升高，生物質炭比表面積逐漸增大，孔隙結構逐漸變優。本研究發現，隨著制備溫度的升高，園林廢棄物生物質炭比表面積、總孔體積、微孔孔容、微孔率及平均孔徑均呈現先上升后下降的趨勢，最佳制備溫度為500 ℃，本結果與楊興等研究結果[12，17]一致，這可能是由于原材料不同所致，園林廢棄物生物質炭原材料來源廣泛，包括樹枝、樹葉、植物殘體、落花落果等，熱解溫度過高可能會引起木質素軟化熔融，造成氣孔堵塞，進而導致生物質炭比表面積降低、孔隙結構變差。

生物質炭對植物生長和作物產量及品質提升具有明顯的促進作用[18-19]。本研究與牛亞茹等研究結果[20]一致，其原因可能包括：首先，生物質炭具有豐富的孔隙結構，可促進土壤團聚體形成，改善土壤理化性狀，增強保水保肥能力，提高土壤通氣性和養分含量，從而促進植株生長[20];其次，生物質炭豐富的孔隙結構可以為土壤微生物提供附著位點和生存空間，從而提高土壤酶活性，促進養分轉化利用[21];第三，生物質炭對植物光合作用具有一定的促進作用，從而提高作物產量和品質[22]。同時本研究還發現，園林廢棄物生物質炭的促生效果隨熱解溫度升高而呈現先升高后降低趨勢，最佳制備溫度為500 ℃，這可能是由于過高的熱解溫度可能會引起木質素軟化熔融，造成氣孔堵塞和孔隙結構變差，從而對園林廢棄物生物質炭的促生效果造成影響。牛亞茹等研究表明，外施生物質炭可增加大棚黃瓜根結線蟲卵塊數[20];王成己等研究發現，生物質炭對煙草青枯病具有一定的防控作用[23];王光飛等發現，生物質炭介導生防微生物對辣椒疫霉病具有一定的抑制作用[24];張猛等研究表明，稻殼生物炭搭載特基拉芽孢桿菌對西瓜枯萎病具有一定的防治效果，以制備溫度500 ℃效果最佳[8]。本研究發現，園林廢棄物生物質炭可顯著提高番茄青枯病防治效果，且防治效果隨著制備溫度的升高呈現先升高后降低趨勢，以500 ℃效果最佳。本結果與前人研究結果較為一致，其原因主要包括：首先，生物質炭可促進植株生長健壯，提高抗病性;其次，生物質炭豐富的孔隙結構有助于改善土壤微生物區系，維持微生物菌群平衡，促進有益菌增長、抑制病原菌數量增長;第三，500 ℃制備的生物質炭防控效果優于700 ℃生物質炭可能是由于熱解溫度過高引起木質素軟化熔融，導致生物質炭孔隙結構變差，進而造成防控效果弱于500 ℃生物質炭。

相關性分析結果表明，園林廢棄物生物質炭理化性質與連作番茄產量、品質及青枯病抗性密切相關。其中，單果質量、糖酸比及防治效果與總孔體積、微孔率及平均孔徑呈極顯著正相關，可滴定酸含量及病情指數與總孔體積、微孔率及平均孔徑呈極顯著負相關，單株產量與平均孔徑呈極顯著正相關，可溶性固形物含量與微孔率呈極顯著正相關，番茄紅素含量則與比表面積、總孔體積及微孔率呈極顯著正相關。

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