許 唯，張 蛟，姚易寒，宋余澤，胡帥棟*(.嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 園藝研究所，浙江 嘉善 400； .江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 南通 654；.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 00)

水稻是世界上三大糧食作物之一，是我國(guó)的最主要的糧食作物，稻米質(zhì)量安全事關(guān)國(guó)計(jì)民生[1-2]。中國(guó)糧食安全面臨著結(jié)構(gòu)不合理、環(huán)境可持續(xù)性較差等問(wèn)題[2-3]。因此，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中資源利用效率、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性是當(dāng)下迫切需要解決的問(wèn)題。

生物質(zhì)炭是指生物質(zhì)在無(wú)氧或部分缺氧條件下通過(guò)熱裂解(>250 ℃)制備而成，具有多孔性、吸附性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)的芳香類化學(xué)物質(zhì)[4-5]，能改善土壤pH、容重，具有持水性和保肥性，被認(rèn)為是一種良好可持續(xù)性的土壤改良劑，并廣泛應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)保護(hù)方面[6-7]。然而，生物質(zhì)在熱解過(guò)程中產(chǎn)生的焦油、多環(huán)芳烴(PAHs)等，會(huì)隨冷卻吸附于生物質(zhì)炭表面，且部分生物質(zhì)材料自身含有的重金屬等潛在污染物會(huì)隨熱解過(guò)程富集在生物質(zhì)炭中[8-9]。因此，當(dāng)生物質(zhì)炭施用于土壤中，可能會(huì)對(duì)植物、土壤微生物及土壤環(huán)境產(chǎn)生危害[10]。

植物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)發(fā)育階段對(duì)毒害較為敏感，有相關(guān)報(bào)道對(duì)水稻小麥種子萌發(fā)做了毒理性試驗(yàn)，但都在較高pH培養(yǎng)條件下[11-12]。本研究采用低溫?zé)崃呀獾闹袢~生物炭pH與稻田基本相一致，通過(guò)控制其浸提液濃度對(duì)不同水稻種子進(jìn)行培養(yǎng)，以探究不同濃度生物質(zhì)炭浸提液對(duì)不同水稻種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的潛在影響，從而為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)生物質(zhì)炭施用量和水稻生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)水稻產(chǎn)業(yè)發(fā)展，改善環(huán)境生態(tài)和提高資源利用效益。

1 材料與方法

1.1 材料

竹葉生物質(zhì)炭購(gòu)自浙江布萊蒙農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，該生物質(zhì)炭是由新鮮采集竹葉在缺氧環(huán)境中經(jīng)300 ℃熱裂解制備而成。生物質(zhì)炭烘干過(guò)2 mm篩后置于自封袋中保存并用于試驗(yàn)。竹葉生物質(zhì)炭基本性質(zhì)為pH值6.58(H2O)，KCl 6.15，電導(dǎo)率(EC)值686.0 μS·cm-1。粳型常規(guī)稻鹽豐47、秈型常規(guī)稻珍珠糯和秈型三系雜交稻甬優(yōu)15號(hào)種子購(gòu)于市場(chǎng)。

1.2 方法

1.2.1 生物質(zhì)炭理化性質(zhì)測(cè)定

生物質(zhì)炭pH與電導(dǎo)率(EC)由樣品過(guò)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(jì)和電導(dǎo)率儀測(cè)定。竹葉生物質(zhì)炭化學(xué)組分含量的測(cè)定參照傳統(tǒng)土壤測(cè)定方法[13]，結(jié)果如表1所示。

1.2.2 生物質(zhì)炭水浸提液制備

稱取過(guò)2 mm篩后竹葉生物質(zhì)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(fā)射光譜儀(ICP-MS 7000 DV)分析溶液中水溶性的化學(xué)組分含量，結(jié)果如表1所示。抽取的濾液分別稀釋到0%(CK)、10%(相當(dāng)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(jìn)行后續(xù)水稻發(fā)芽試驗(yàn)。

表1 竹葉生物質(zhì)炭(BC)及其水浸提液(AE)的化學(xué)組分

注：-表示未檢測(cè)到。

1.2.3 種子發(fā)芽試驗(yàn)

種子活力測(cè)定均以100粒種子為單次重復(fù)，每組處理設(shè)4次重復(fù)。所有供試種子均先經(jīng)過(guò)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(jī)分樣數(shù)出的種子均勻置于鋪有用生物質(zhì)炭水浸提液浸濕的雙層發(fā)芽紙的發(fā)芽盒內(nèi)，置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。

設(shè)置培養(yǎng)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(zhǎng)超過(guò)種子長(zhǎng)度，芽長(zhǎng)達(dá)到種子長(zhǎng)度一半以上為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù)，每天記錄發(fā)芽種子數(shù)，直至第14天；發(fā)芽第5天、第14天分別統(tǒng)計(jì)水稻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率

1.2.4 幼苗生長(zhǎng)測(cè)定

水稻種子在添加不同濃度竹葉生物質(zhì)炭水浸提液處理培養(yǎng)14 d后，挑取長(zhǎng)勢(shì)平均的20株幼苗用游標(biāo)卡尺測(cè)定芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)；再將上述幼苗用濾紙吸干水分后測(cè)定20株水稻幼苗鮮重。試驗(yàn)均重復(fù)4次。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)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(duì)不同數(shù)據(jù)組之間的差異進(jìn)行比較，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)不同水稻種子萌發(fā)的影響

由表2可知，隨著竹葉生物質(zhì)炭水浸提液濃度的增加，3個(gè)不同水稻品種的發(fā)芽勢(shì)均基本表現(xiàn)為一定的抑制趨勢(shì)。與CK相比，在濃度100%浸提液培養(yǎng)下，鹽豐47、珍珠糯和甬優(yōu)15號(hào)3個(gè)水稻品種的種子發(fā)芽勢(shì)均出現(xiàn)顯著降低；然而，在濃度10%浸提液培養(yǎng)對(duì)珍珠糯和甬優(yōu)15號(hào)的種子發(fā)芽勢(shì)具有顯著的提高。同時(shí)，在不同濃度浸提液培養(yǎng)下，3個(gè)水稻品種的種子發(fā)芽指數(shù)與種子發(fā)芽勢(shì)具有相似的變化趨勢(shì)。

表2 竹葉生物質(zhì)炭水浸提液對(duì)不同水稻種子萌發(fā)相關(guān)指標(biāo)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(yǎng)對(duì)3個(gè)水稻品種的種子發(fā)芽率均無(wú)顯著影響；在幼苗鮮重方面，濃度10%浸提液對(duì)鹽豐47品種幼苗有顯著提高，但對(duì)珍珠糯和甬優(yōu)15號(hào)品種無(wú)顯著性變化。濃度50%、75%和100%的浸提液都對(duì)鹽豐47品種幼苗鮮重產(chǎn)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(duì)珍珠糯品種幼苗鮮重產(chǎn)生顯著性的抑制作用，其鮮重分別降低7.2%和21.0%。在甬優(yōu)15號(hào)水稻種子中只有濃度100%的浸提液對(duì)其幼苗鮮重產(chǎn)生9.5%的顯著降低。

綜合以上結(jié)果，不同粳稻、秈稻和雜交秈稻種子活力對(duì)生物質(zhì)炭水浸提液的響應(yīng)基本一致。10%濃度下的竹葉生物質(zhì)炭水浸提液對(duì)鹽豐47、珍珠糯和甬優(yōu)15號(hào)的活力指標(biāo)和幼苗鮮重具有顯著促進(jìn)作用。而100%的竹葉生物質(zhì)炭水浸提液對(duì)鹽豐47、珍珠糯和甬優(yōu)15號(hào)的活力指標(biāo)和幼苗鮮重具有顯著的抑制作用。在高濃度(≥50%)竹葉生物質(zhì)炭水浸提液培養(yǎng)下，鹽豐47具有比珍珠糯和甬優(yōu)15號(hào)更抗逆的表現(xiàn)。而在低濃度(10%)竹葉生物質(zhì)炭水浸提液培養(yǎng)條件下，生物質(zhì)炭水浸提液對(duì)甬優(yōu)15號(hào)種子活力具有更強(qiáng)的促進(jìn)作用。

2.2 對(duì)不同水稻幼苗芽根長(zhǎng)度的影響

由圖1結(jié)果可知，竹葉生物質(zhì)炭水浸提液在濃度10%～30%下對(duì)鹽豐47幼苗芽長(zhǎng)沒有影響，但在濃度50%～100%下鹽豐47幼苗芽長(zhǎng)相比對(duì)照減少7.3%～10.4%。

所有不同濃度的竹葉生物質(zhì)炭浸提液對(duì)鹽豐47的幼苗根長(zhǎng)都產(chǎn)生了促進(jìn)作用，增幅為15.5%～63.2%。浸提液在濃度10%～50%下對(duì)珍珠糯幼苗芽長(zhǎng)沒有影響，但在濃度75%～100%下，鹽豐47幼苗芽長(zhǎng)相比對(duì)照減少10.5%～29.5%。而30%～75%濃度的浸提液促進(jìn)了珍珠糯幼苗根長(zhǎng)，增幅為29.6%～38.4%。對(duì)于品種甬優(yōu)15號(hào)，只有75%濃度的浸提液抑制其幼苗芽長(zhǎng)，相比對(duì)照，其幼苗芽長(zhǎng)減少8.3%。所有不同濃度的浸提液對(duì)甬優(yōu)15號(hào)的根長(zhǎng)均有促進(jìn)作用，而50%～100%濃度的浸提液較對(duì)照增加23.4%～47.9%。另外，水稻幼苗根芽比隨竹葉生物質(zhì)炭水浸提液濃度的增加而增加(表2)，與上述結(jié)果一致，表明竹葉生物質(zhì)炭水浸提液對(duì)不同水稻種子幼苗根系生長(zhǎng)具有激發(fā)作用，而且隨浸提液濃度增加，根的生長(zhǎng)也增加。綜合以上結(jié)果，添加生物質(zhì)炭水浸提液對(duì)不同粳稻、秈稻和雜交秈稻幼苗生長(zhǎng)狀況的影響基本一致，且對(duì)幼苗生長(zhǎng)過(guò)程中根系生長(zhǎng)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(zhì)炭水浸提液對(duì)不同水稻幼苗芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)的影響

3 小結(jié)與討論

本研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭水浸提液對(duì)水稻種子活力基本呈“低促高抑”影響。生物質(zhì)炭中除了含有植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素外，也含有重金屬、PAHs等潛在土壤污染物。通過(guò)對(duì)該生物質(zhì)炭檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其重金屬含量均低于GB15618—1995土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。而在很多研究報(bào)道中都檢測(cè)出生物質(zhì)炭PAHs含量超標(biāo)[9,12]，并有研究報(bào)道PAHs(Na、BaA、Ch)對(duì)植物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)具有顯著的抑制作用[14]，可推測(cè)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(bào)道，添加高濃度竹炭、稻稈炭和煙稈炭對(duì)水稻幼苗根長(zhǎng)與芽長(zhǎng)都產(chǎn)生了抑制。

本試驗(yàn)中，3種不同水稻品種在生物質(zhì)炭條件下，幼苗芽長(zhǎng)具有抑制作用，但對(duì)幼苗根長(zhǎng)卻產(chǎn)生促進(jìn)作用，這可能是試驗(yàn)過(guò)程中培養(yǎng)環(huán)境不同所造成的差異。合理控制生物炭的使用量對(duì)農(nóng)作物不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，甚至?xí)龠M(jìn)植物的萌發(fā)和生長(zhǎng)[16-18]。本研究結(jié)果支持以上結(jié)論，10%濃度生物質(zhì)炭水浸提液對(duì)珍珠糯和甬優(yōu)15號(hào)2個(gè)品種的水稻種子的萌發(fā)均達(dá)到一定的促進(jìn)作用。

因此，生物質(zhì)炭在農(nóng)田林地等推廣應(yīng)用之前，其存在的潛在生態(tài)土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，還需針對(duì)特種植物生長(zhǎng)及土壤相關(guān)生物學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步研究分析。此外，對(duì)不同材料、不同裂解溫度和不同制作工藝的生物質(zhì)炭潛在毒性評(píng)估需要更深入的研究。由于本研究只對(duì)生物質(zhì)炭對(duì)水稻種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響進(jìn)行研究，而實(shí)際施用到土壤中，土壤及土壤微生物會(huì)對(duì)部分毒害物質(zhì)進(jìn)行吸附和降解[11]，因此在將來(lái)的研究中需開展大田試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 應(yīng)興華，金連登，徐霞，等. 我國(guó)稻米質(zhì)量安全現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策研究[J]. 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與安全，2010(6)：40-43.

[2] 黃麗，柏蕓，韓文芳，等. 稻米質(zhì)量對(duì)食品安全的影響[J]. 中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2013，28(4)：113-117.

[3] 張?jiān)t，劉長(zhǎng)全，國(guó)魯來(lái). 中國(guó)糧食安全狀況評(píng)價(jià)與戰(zhàn)略思考[J]. 中國(guó)農(nóng)村觀察，2015，1(1)：14-27.

[4] LEHMANN J. A handful of carbon[J]. Nature，2007，447：143-144.

[5] GUL S，WHALEN J K，THOMAS B W，et al. Physico-chemical properties and microbial responses in biochar-amended soils：Mechanisms and future directions[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2015，206：46-59.

[6] STAVI I，LAL R. Agroforestry and biochar to offset climate change：a review[J]. Agronomy for Sustainable Development，2013，33：81-96.

[7] LI Y F，HU S D，CHEN J H，et al. Effects of biochar application in forest ecosystems on soil properties and greenhouse gas emissions：a review[J]. Journal of Soils and Sediments，2018，18：546-563.

[8] FREDDO A，CAI C，REID B J. Environmental contextualisation of potential toxic elements and polycyclic aromatic hydrocarbons in biochar[J]. Environmental Pollution，2012，171：18-24.

[10] MCHENRY M P. Agricultural bio-char production，renewable energy generation and farm carbon sequestration in Western Australia：Certainty，uncertainty and risk[J]. Agriculture，Ecosystems & Environment，2009，129：1-7.

[11] 王晉，莊舜堯，曹志洪，等. 不同生物炭浸提液對(duì)水稻發(fā)芽及幼苗發(fā)育的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2014，30(30)：50-55.

[12] 李陽(yáng)，黃梅，沈飛，等. 生物炭對(duì)小麥種子萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)的植物毒理效應(yīng)[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2017，12(1)：234-242.

[13] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

[14] LI Y，SHEN F，GUO H Y，et al. Phytotoxicity assessment on corn stover biochar，derived from fast pyrolysis，based on seed germination，early growth，and potential plant cell damage[J]. Environmental Science & Pollution Research International，2015，22：9534-9543.

[15] 王晉，莊舜堯，曹志洪，等. 不同原料生物炭對(duì)水稻幼苗發(fā)育的影響評(píng)估[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42(22)：7360-7362.

[16] 李陽(yáng)，黃梅，沈飛，等. 生物炭早期植物毒性評(píng)估培養(yǎng)方法研究[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2016，11(4)：168-175.

[17] FREE H F，MCGILL C R，ROWARTH J S，et al. The effect of biochars on maize (Zeamays) germination[J]. New Zealand Journal of Agricultural Research，2010，53：1-4.

[18] OH T K，SHINOGI Y，CHIKUSHI J，et al. Effect of aqueous extract of biochar on germination and seedling growth of lettuce (LactucasativaL.) [J]. Journal of the Faculty of Agriculture，Kyushu University，2012，57：55-60.