卓亞魯, 李 磊, 鄭金偉, 劉曉雨, 李戀卿, 潘根興

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 江蘇 南京210095)

生物質(zhì)炭浸提液對(duì)大蒜生長(zhǎng)品質(zhì)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(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 江蘇 南京210095)

[目的] 證實(shí)生物質(zhì)炭中的水溶性有機(jī)碳對(duì)作物生長(zhǎng)和品質(zhì)的作用,為生物質(zhì)炭的應(yīng)用開(kāi)辟新的途徑。[方法] 在實(shí)驗(yàn)室制取400,450,500 ℃小麥秸稈生物質(zhì)炭,以KOH溶液浸提水溶性有機(jī)碳獲得生物質(zhì)炭浸提液W400,W450,W500,并應(yīng)用于盆栽大蒜試驗(yàn),研究其對(duì)大蒜生長(zhǎng)、品質(zhì)及土壤的影響。[結(jié)果] (1) W400,W450,W500對(duì)大蒜的生長(zhǎng)都沒(méi)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(jī)質(zhì)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(jié)論] 生物質(zhì)炭浸提液對(duì)大蒜生長(zhǎng)沒(méi)有影響,但可以提高大蒜品質(zhì)。

小麥炭浸提液; 溫度; 大蒜; 品質(zhì); 土壤理化性質(zhì)

大蒜別名胡蒜、獨(dú)蒜等，為廣義百合科植物大蒜的鱗莖，因其獨(dú)特的風(fēng)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(guó)，大蒜種植效益較高，近年來(lái)種植面積不斷擴(kuò)大。但是由于長(zhǎng)年的連作，大蒜重茬病害面積呈逐年上升趨勢(shì)，化肥、農(nóng)藥依賴(lài)性增強(qiáng)，嚴(yán)重影響著大蒜的產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。在國(guó)家出臺(tái)“減肥減藥”政策大背景下，有利于植物健康生長(zhǎng)和土壤可持續(xù)利用的肥料產(chǎn)品將越來(lái)越受重視。

近年來(lái)，生物質(zhì)炭因其在農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)保方面的顯著作用而成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)[2-3]。生物質(zhì)炭是由生物質(zhì)在完全或部分缺氧以及相對(duì)較低的溫度條件下，經(jīng)熱解炭化形成的一類(lèi)含碳量極其豐富的、穩(wěn)定的、高度芳香化難熔性固態(tài)物質(zhì)[4]。很多研究結(jié)果顯示，生物質(zhì)炭施入土壤能促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)、提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[5-7]，究其原因，主要是從生物質(zhì)炭改善土壤結(jié)構(gòu)，含有一定量N，K，P等養(yǎng)分元素，提高土壤CEC和pH值，豐富土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等方面予以解釋。而很少?gòu)纳镔|(zhì)炭中含有的水溶性有機(jī)碳的作用方面去考慮，雖然不同溫度生物質(zhì)炭中水溶性有機(jī)碳含量有較大差異的事實(shí)客觀存在。目前為止，對(duì)于生物質(zhì)炭水溶性有機(jī)碳的成份的研究還較少，這主要是因?yàn)槠浣M成復(fù)雜，至少有上百種有機(jī)碳組分，對(duì)其中的有效成分更是難以分析確認(rèn)。而且，生物質(zhì)炭中有機(jī)碳組分受原料和熱裂解溫度的影響，不同溫度下生產(chǎn)的生物質(zhì)炭的有機(jī)碳組分存在很大差異[8-9]。Graber等[8]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭的水溶性組分包括多種可溶性鹽、小分子有機(jī)酸、類(lèi)腐殖酸的大分子有機(jī)化合物等。另外，已有一些研究指出腐殖酸及有機(jī)酸類(lèi)物質(zhì)能夠刺激作物生長(zhǎng)，提高其養(yǎng)分利用率，增加作物產(chǎn)量并改善其品質(zhì)[10-11]。本研究利用浸提的方法提取不同溫度生物質(zhì)炭中水溶性有機(jī)碳并進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，試圖證實(shí)生物質(zhì)炭中的水溶性有機(jī)碳對(duì)作物生長(zhǎng)和品質(zhì)的作用，以期為生物質(zhì)炭的應(yīng)用開(kāi)辟新的途徑。

1 試驗(yàn)與材料

1.1 供試材料

供試大蒜品種為金育3號(hào)。

(1) 生物質(zhì)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(zhì)炭，其理化性質(zhì)見(jiàn)(表1)。

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

表1 不同溫度生物質(zhì)炭基本性質(zhì)

表2 生物質(zhì)炭浸提液的組成成分 mg/l

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)在玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行，盆栽土壤為粘壤土，土壤風(fēng)干磨碎過(guò)5 mm篩后裝盆使用，每盆裝土10 kg。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見(jiàn)(表3)。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別為CK，W400，W450，W500每個(gè)處理3次重復(fù)。每盆施入10 g的硫酸鉀型復(fù)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(yàn)土壤理化性質(zhì)

1.3 土壤樣品采集和理化性質(zhì)的測(cè)定

大蒜收獲后將盆內(nèi)土壤倒出混勻并采集500 g土樣，自然風(fēng)干去根，0.85和0.15 mm孔徑過(guò)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(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法：速效磷采用碳酸氫鈉法測(cè)定[12]；速效鉀采用乙酸銨提取—火焰光度計(jì)法[12]。

1.4 大蒜樣品采集和測(cè)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(fēng)干20 d。選取的蒜頭剪碎混勻，稱(chēng)取鮮樣測(cè)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(cè)定；可溶性糖采用苯酚法[13]測(cè)定；大蒜素采用苯腙比色法[14]測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行方差分析。各處理與對(duì)照間的差異采用單因素方差分析和多重比較(LSD檢驗(yàn))，處理之間的顯著性分析均在p<0.05水平下。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭浸提液對(duì)大蒜生長(zhǎng)的影響

本研究盆栽試驗(yàn)中，生物質(zhì)炭浸提液對(duì)大蒜生長(zhǎng)的影響如表4所示。不同炭化溫度下生物質(zhì)炭浸提液處理于對(duì)照相比，在大蒜株高和生物量上都沒(méi)有顯著性差異，說(shuō)明浸提液對(duì)大蒜植株生長(zhǎng)沒(méi)有顯著影響。

表4 不同炭化溫度生物質(zhì)炭浸提液對(duì)大蒜生長(zhǎng)的影響

注：同一列數(shù)據(jù)后標(biāo)識(shí)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(zhì)炭浸提液。下同。

2.2不同炭化溫度下生物質(zhì)炭浸提液對(duì)大蒜品質(zhì)的影響

可溶性糖、維生素C、大蒜素是大蒜重要的品質(zhì)指標(biāo)，其中大蒜素具有很強(qiáng)的抗菌作用，被稱(chēng)為天然的光譜抗生素[15]。不同溫度生物質(zhì)炭浸提液對(duì)大蒜品質(zhì)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(méi)有達(dá)到顯著水平，而W500處理則降低了大蒜可溶性糖含量，但無(wú)顯著差異。與對(duì)照相比，W400，W450，W500這3個(gè)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(dá)到最高，相比對(duì)照提高了34.9%。

圖1 不同炭化溫度下生物質(zhì)炭浸提液對(duì)大蒜品質(zhì)的影響

2.3不同炭化溫度生物質(zhì)炭浸提液對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

不同炭化溫度生物質(zhì)炭浸提液對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響如表5所示?？梢钥闯?，與對(duì)照相比，W400，W450，W500這3種浸提液都顯著提高了土壤pH值。同時(shí)，也使土壤有機(jī)質(zhì)含量得到了提高，但只有W400處理達(dá)到顯著水平。對(duì)土壤N，P，K等養(yǎng)分指標(biāo)，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(dá)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(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

3 討 論

生物質(zhì)炭的理化特性受炭化溫度的影響較大，炭化溫度與生物質(zhì)炭pH值、有機(jī)碳含量和穩(wěn)定性等指標(biāo)呈正相關(guān)，而與易揮發(fā)的水溶性有機(jī)碳含量呈負(fù)相關(guān)[16]。王英惠等[17]發(fā)現(xiàn)施用低溫生物質(zhì)炭增加了土壤腐植酸和胡敏酸含量，而施用高溫生物質(zhì)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(yǎng)試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)低溫制備的生物質(zhì)炭更易被土壤中微生物分解利用。這主要是由生物質(zhì)炭中揮發(fā)性物質(zhì)和可溶性碳含量決定的[19]。從浸提液組成成分的結(jié)果表明低溫生物質(zhì)炭含有較多的水溶性有機(jī)碳和一些小分子酸，這些有機(jī)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(zhì)炭浸提液對(duì)大蒜生長(zhǎng)及品質(zhì)的影響

本研究中，W400，W450，W500這3種生物質(zhì)炭浸提液對(duì)大蒜的生長(zhǎng)指標(biāo)如株高、生物量均沒(méi)有顯著影響，但有研究發(fā)現(xiàn)噴施生物質(zhì)炭熱水浸提液能顯著提高小白菜的產(chǎn)量和品質(zhì)[20]。這說(shuō)明生物質(zhì)炭中水溶性的有機(jī)碳對(duì)不同植物的作用有差異，也可能跟施用方式有關(guān)，浸提液中的一些活性物質(zhì)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(jī)碳被土壤微生物所利用，從而影響效果。有研究報(bào)道稱(chēng)使用腐殖質(zhì)能夠改變洋蔥的品質(zhì)，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(zhì)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(jī)碳有關(guān)。生物質(zhì)炭的水溶性有機(jī)碳組分包括多種小分子有機(jī)酸、類(lèi)腐殖酸的大分子有機(jī)化合物，這些有機(jī)組分同自然狀態(tài)下溶解的有機(jī)物具有相似的性質(zhì)，均具有一定的氧化還原活性。其結(jié)構(gòu)中以醌型、芳香族、半硫醇為主，這類(lèi)物質(zhì)是微生物新陳代謝過(guò)程的重要媒介，也可以通過(guò)多種氧化過(guò)程為微量元素在植物體內(nèi)的生物循環(huán)提供便利[22]。腐殖酸有影響植物生理生化，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)的效果，因此被認(rèn)為是植物的生物刺激素。而浸提液中不僅含有類(lèi)腐殖酸的物質(zhì)還有一些微量元素同樣會(huì)影響作物的品質(zhì)。王越[23]研究稱(chēng)澆施含10 μmol/l硒和6 mmol/l硫的營(yíng)養(yǎng)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(guò)程中加入的K，以及調(diào)節(jié)浸提液pH值時(shí)加入的P相對(duì)于土壤中本身P和K的含量是非常微量的，不應(yīng)該是本研究中大蒜品質(zhì)指標(biāo)變化的主要原因。生物質(zhì)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(zhì)指標(biāo)的確定性和作用機(jī)理可能還需更多的研究來(lái)明確。

3.2 生物質(zhì)炭浸提液對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

本研究顯示，在生物質(zhì)炭浸提液處理下，盆栽大蒜土壤pH值和有機(jī)質(zhì)、速效磷含量與對(duì)照相比有明顯變化，其中W400處理影響達(dá)顯著水平。其原因可能是浸提液中不僅含有大量的類(lèi)腐殖酸物質(zhì)為微生物提供碳源，改善土壤生境，而且大量小分子的有機(jī)酸能夠促進(jìn)土壤中一些難容性磷的溶解。靳志麗等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，腐殖酸不僅能提高土壤有機(jī)質(zhì)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(xué)活性，促進(jìn)土壤中微生物的活動(dòng)以及養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和釋放。曾婕等[25]發(fā)現(xiàn)葉面噴施木醋液與根施的協(xié)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(tǒng)的多樣性和代謝活性。

4 結(jié) 論

生物質(zhì)炭浸提液對(duì)大蒜生長(zhǎng)沒(méi)有顯著影響，但是能夠改善大蒜品質(zhì)，同時(shí)也有利于土壤理化性質(zhì)的改善。①400 ℃生物質(zhì)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(jī)質(zhì)和速效磷含量分別提高37%，26%；②450 ℃生物質(zhì)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(duì)生物質(zhì)炭可溶性部分的作用提供科學(xué)依據(jù)，并且發(fā)現(xiàn)低溫生物質(zhì)炭所提取浸提液的應(yīng)用效果較好，因此建議生物質(zhì)炭在農(nóng)用生產(chǎn)要盡可能的降低炭化溫度。但這僅在盆栽試驗(yàn)基礎(chǔ)上所得出的結(jié)果。對(duì)于生物質(zhì)炭可溶性部分應(yīng)用和在大蒜上應(yīng)用的可行性，今后在大田試驗(yàn)還要進(jìn)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(xiàn)參數(shù)： 卓亞魯, 李磊, 鄭金偉, 等.生物質(zhì)炭浸提液對(duì)大蒜生長(zhǎng)品質(zhì)及土壤的影響[J].水土保持通報(bào)，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(guó)家科技支撐計(jì)劃“典型陸地生態(tài)系統(tǒng)減排增匯增產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)及示范”(2015BAC02B00)

卓亞魯(1990—),男(漢族),山東省濟(jì)寧市人,碩士研究生,主要從事生物質(zhì)炭浸提液的農(nóng)業(yè)應(yīng)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(nóng)業(yè)廢棄物利用方面的研究。E-mail:zhengjw@njau.edu.cn。