朱海云，張保華

（1.寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源化工學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)新農(nóng)藥創(chuàng)制研究所，山東青島 266109）

生物炭是指生物質(zhì)在無氧或缺氧的條件下經(jīng)過高溫?zé)峤馓蓟コ龘]發(fā)性油和汽后得到具有多孔結(jié)構(gòu)、較高pH 值、強(qiáng)陽離子交換量和較大比表面積的一類穩(wěn)定、高度芳香化、富含碳素的固態(tài)物質(zhì)[1-2]。由于生物炭的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征和理化性質(zhì)，目前在水環(huán)境治理[3-4]、土壤修復(fù)改良[5]、水土保持[6]、農(nóng)作物病害控制[7-8]及農(nóng)業(yè)環(huán)境[9]等方面得到了廣泛應(yīng)用。

已有研究表明，不同來源生物質(zhì)及制備條件得到的生物炭具有不同的形貌結(jié)構(gòu)和表面特性[10]。楊放等[11]研究發(fā)現(xiàn)，不同熱解材料在相同制備溫度下得到的生物炭營(yíng)養(yǎng)元素也有差異。張春燕等[12]以向日葵秸稈、橘皮、泡桐殼、稻殼等不同廢棄植物類物質(zhì)制備生物炭，并對(duì)其性能進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同植物類生物炭具有不同的成炭率、孔隙率和吸附性能。生物炭作為一種重要的土壤肥力改良劑，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域備受關(guān)注，但是由于不同來源的生物炭組成、性能存在差異，造成對(duì)作物生長(zhǎng)的不同影響，如SPOKAS 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施用到土壤中可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，但另有研究發(fā)現(xiàn)，其對(duì)植物有一定的生長(zhǎng)抑制作用[14]，而李陽等[15]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)小麥根、芽的生長(zhǎng)表現(xiàn)出低劑量促進(jìn)、高劑量抑制的現(xiàn)象。

無花果（Ficus caricaL.）屬于桑科榕屬多年生亞熱帶落葉灌木或小喬木果樹[16]，是一種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，且具有一定藥效和功能的新型水果[17]，也是人類最早栽培的經(jīng)濟(jì)樹種之一。在我國(guó)無花果有2 000 多年的栽培歷史[18]，據(jù)2016年統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，全國(guó)無花果種植面積為5 000 hm2，山東省約占50%，威海市種植面積最大，約有2 000 hm2[19]。隨著無花果種植技術(shù)的不斷提高，其種植面積日益擴(kuò)大。無花果采摘后，會(huì)有大量的葉片無法處理，如何變廢為寶，實(shí)現(xiàn)資源利用，成為種植戶、研究人員和政府關(guān)注的問題。如果能利用無花果葉作為生物炭制備原料的來源，則可以減輕因堆積或焚燒廢棄物造成的環(huán)境污染，同時(shí)有利于生物炭在農(nóng)業(yè)種植的循環(huán)應(yīng)用。

本研究基于無花果葉片的資源利用，選擇無花果葉作為研究對(duì)象，采取不同的熱解溫度制備生物炭，并以小麥為供試作物進(jìn)一步探索不同熱解溫度制備的生物炭及其不同用量對(duì)小麥種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)及幼苗抗氧化酶活性的影響，旨在明確無花果葉生物炭對(duì)小麥種子萌發(fā)及生長(zhǎng)的影響，從而為無花果葉生物炭在農(nóng)業(yè)種植及生產(chǎn)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

材料：供試小麥品種為魯麥15 號(hào)，無花果葉采自田間種植園。儀器：Varian640-IR 紅外光譜儀（青島圣中儀器有限公司），JSM-7500F 型掃描電子顯微鏡（日本電子株式會(huì)社），鼓風(fēng)干燥箱（山東省龍口市先科儀器有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 生物炭的制備 取無花果葉洗凈、烘干，粉碎過篩，將過2 mm 篩后的細(xì)粉放置在不銹鋼盤子中，并置于鼓風(fēng)干燥箱中80 ℃干燥4 h。然后將其分裝入坩堝，壓實(shí)、密封，放入馬弗爐，真空狀態(tài)下以10 ℃/min 分別升至碳化溫度400、500、600 ℃，灼燒6 h。將制得的生物炭裝入干燥密封袋保存待用。

1.2.2 生物炭理化性質(zhì) 生物炭的pH 值按照生物炭與去離子水為1∶10（固液質(zhì)量體積比）混合振蕩均勻后靜置30 min，用pH 計(jì)測(cè)定；生物炭產(chǎn)率通過碳化處理前后物料質(zhì)量差進(jìn)行計(jì)算[20]；灰分按照參考文獻(xiàn)［21］的方法測(cè)定。

1.2.3 生物炭的性能表征 采用掃描電子顯微鏡SEM 觀察不同碳化溫度制備的無花果葉生物炭的形貌結(jié)構(gòu)。

1.2.4 無花果葉生物炭浸提液制備 分別取0.2、0.6、1.0、2.0 g 的無花果葉生物炭加入100 mL 的去離子水，超聲浸提1 h 后抽濾，得到2、6、10、20 g/L濃度的無花果葉生物炭浸提液備用。

1.2.5 小麥發(fā)芽與生長(zhǎng)試驗(yàn) 選取籽粒飽滿的小麥種子，用1%次氯酸鈉溶液消毒處理，用自來水沖洗數(shù)次，再用純凈水反復(fù)沖洗，浸種催芽4 h 備用。將40 粒種子均勻擺放在鋪有3 層紗布的9 cm 培養(yǎng)皿中，每天分別加入不同濃度無花果葉生物炭浸提液2 mL，以清水作為對(duì)照（CK），每個(gè)處理4 次重復(fù)。將培養(yǎng)皿置于人工氣候箱中［溫度（25.0±0.5 ℃；濕度85%；光照12 h，黑暗12 h）］培養(yǎng)。每天統(tǒng)計(jì)各處理組發(fā)芽種子數(shù)；總萌發(fā)時(shí)間7 d，萌發(fā)結(jié)束后統(tǒng)計(jì)各處理種子根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)。

1.2.6 測(cè)量指標(biāo)及方法 不同無花果葉生物炭處理的小麥幼苗在3 d 時(shí)觀察發(fā)芽（GR）情況，培養(yǎng)7 d時(shí)測(cè)定根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、根冠比（地下部分干重與地上部分干重之比）。小麥幼苗生理指標(biāo)主要測(cè)定植株的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）含量。具體方法參照參考文獻(xiàn)［22］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2007 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 無花果葉生物炭特性

由表1 可知，隨著碳化溫度由400 ℃升高至600 ℃，制備的生物炭產(chǎn)率逐漸減少，從36.21%減少至31.59%，降低4.62 個(gè)百分點(diǎn)；pH 值由9.9 增大至11.4，增加1.5；灰分則呈增加的趨勢(shì)。總體來看，產(chǎn)率、pH 值、灰分3 個(gè)指標(biāo)，處理溫度600 ℃與400 ℃差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。pH 值升高的原因可能是生物炭中與有機(jī)物結(jié)合或絡(luò)合的礦質(zhì)元素在裂解過程中逐漸向氧化態(tài)和碳酸鹽形態(tài)轉(zhuǎn)變，而且隨著碳化溫度升高，轉(zhuǎn)變率升高，從而使生物炭的水溶液呈堿性[23]。

表1 不同溫度制備的無花果葉生物炭理化性質(zhì)

2.2 無花果葉生物炭SEM 分析

不同碳化溫度制備生物炭的物理結(jié)構(gòu)及性能也會(huì)有所差異[24]。由圖1 可知，隨著碳化溫度由400 ℃升高至600 ℃，制備的生物炭微孔數(shù)量增加，多孔結(jié)構(gòu)逐漸凸現(xiàn)，從而提高了生物炭的比表面積和吸附性能，這有利于對(duì)化學(xué)物質(zhì)或細(xì)菌的吸附和固定[20，25]。

圖1 不同處理溫度制備無花果葉生物炭的SEM 圖

2.3 無花果葉生物炭對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響

由圖2 可知，無花果葉生物炭對(duì)小麥的萌發(fā)均有影響，在濃度為2 g/L 時(shí)，3 種生物炭處理的小麥發(fā)芽率均高于90%，與對(duì)照差異不顯著（P＞0.05）。隨著生物炭濃度的增大，對(duì)小麥發(fā)芽率的抑制增強(qiáng)，500 ℃和600 ℃處理的生物炭對(duì)小麥發(fā)芽率的抑制更為明顯，600 ℃處理的生物炭在使用濃度為20 g/L時(shí)發(fā)芽率最低（55%），與對(duì)照差異顯著（P＜0.05）。無花果葉生物炭對(duì)小麥的根長(zhǎng)促進(jìn)率和芽長(zhǎng)促進(jìn)率表現(xiàn)出不同的結(jié)果，500 ℃和600 ℃處理的生物炭對(duì)根長(zhǎng)促進(jìn)率總體要高于400 ℃處理的生物炭，且500 ℃處理的生物炭，根長(zhǎng)促進(jìn)率明顯高于其他兩種處理，同時(shí)，3 種生物炭隨著處理濃度的增大根長(zhǎng)促進(jìn)率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在生物炭濃度為6 g/L 時(shí)，500 ℃處理的生物炭小麥根長(zhǎng)促進(jìn)率最高，達(dá)到213.93%。3 種生物炭的芽長(zhǎng)促進(jìn)率也表現(xiàn)出隨生物炭濃度的增加而呈現(xiàn)先升高再降低的規(guī)律，但600 ℃處理的生物炭芽長(zhǎng)促進(jìn)率在6～20 g/L濃度下要高于其他兩種處理，6 g/L 時(shí)芽長(zhǎng)促進(jìn)率最高，為52.39%，與400 ℃處理的生物炭差異顯著（P＜0.05）。不同無花果葉生物炭處理對(duì)小麥根冠比的影響表現(xiàn)為低濃度大于高濃度處理，且生物炭處理濃度為2 g/L 時(shí)，400 ℃和500 ℃處理的生物炭根冠比分別為0.60 和0.57，與對(duì)照相比差異顯著（P＞0.05）。隨著生物炭濃度增大，根冠比逐漸減小，在生物炭濃度為20 g/L 時(shí)達(dá)到最小值，分別為0.34、0.46、0.41，均低于對(duì)照。

圖2 無花果葉生物炭對(duì)小麥發(fā)芽率、根和芽生長(zhǎng)及根冠比的影響

2.4 無花果葉生物炭對(duì)小麥幼苗SOD、POD 活性的影響

由圖3 可知，400 ℃和500 ℃處理的生物炭隨著濃度的提高，小麥幼苗SOD 活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，400 ℃處理的生物炭在濃度為10 g/L 時(shí)小麥幼苗SOD 活性為最大值，為254.36 U/mg，500 ℃處理的生物炭在濃度為6 g/L 時(shí)，小麥幼苗SOD 活性達(dá)最大值，為231.09 U/mg；600 ℃處理的生物炭對(duì)小麥幼苗SOD 活性的影響雖然是隨著濃度的增大而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，但降低趨勢(shì)不明顯。400 ℃處理的生物炭對(duì)小麥幼苗SOD 活性的影響低于500 ℃和600 ℃處理的生物炭。3 種生物炭對(duì)小麥幼苗POD 活性的影響，隨著生物炭濃度的增加，400 ℃處理的生物炭小麥幼苗POD 活性先升高后降低，最大值為濃度6 g/L 時(shí)，POD 活性為159.60 U/mg，而其他兩種生物炭均表現(xiàn)出先升高再降低的變化趨勢(shì)，尤其是500 ℃處理的生物炭在濃度為2 g/L 時(shí)，POD 活性最高達(dá)到207.60 U/mg，其后隨著生物炭濃度的增加逐漸降低。3 種生物炭在濃度為2 g/L 時(shí)，小麥幼苗POD活性與對(duì)照差異顯著（P＜0.05），但其他濃度生物炭，除400 ℃處理的生物炭與對(duì)照差異顯著（P＜0.05），其他均與對(duì)照差異不顯著（P＞0.05）。

圖3 無花果葉生物炭濃度對(duì)小麥幼苗SOD、POD 活性的影響

3 結(jié)論與討論

碳化溫度對(duì)生物炭的理化性質(zhì)有決定作用。本研究通過采取不同的炭化溫度制備了無花果葉生物炭，發(fā)現(xiàn)隨著碳化溫度的升高，制備的生物炭多孔結(jié)構(gòu)逐漸豐富，pH 值和灰分隨著溫度升高而增加，而產(chǎn)率逐漸降低，從400 ℃至600 ℃處理生物炭，產(chǎn)率從36.21%下降至31.59%，pH 值從9.83 升高到11.05，灰分從41.94%增加到47.50%。有研究表明，隨著溫度的升高，生物質(zhì)熱能反應(yīng)劇烈，質(zhì)量損失較多，導(dǎo)致生物炭產(chǎn)率降低[26]，而灰分增加，同時(shí)灰分中的金屬弱酸鹽又導(dǎo)致pH 值升高到堿性[23]，與本研究結(jié)果一致。

本研究發(fā)現(xiàn)，無花果葉生物炭對(duì)小麥的發(fā)芽率影響較大，而且碳化溫度越高制備的生物炭影響越顯著，在生物炭濃度為20 g/L 時(shí)，3 種生物炭與對(duì)照差異顯著（P＜0.05），600 ℃處理的生物炭小麥發(fā)芽率僅為55%，遠(yuǎn)低于對(duì)照的發(fā)芽率100%，其原因可能是不同溫度制備生物炭的pH 值對(duì)小麥發(fā)芽率的影響不同，而生物炭濃度增大，其培養(yǎng)液的pH 值也會(huì)增大，從而影響了小麥的發(fā)芽率；也有研究認(rèn)為是由于生物炭中的重金屬等污染物對(duì)小麥的發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)造成影響[27]。隨著生物炭濃度的增大，對(duì)小麥幼苗根和芽的促進(jìn)生長(zhǎng)作用呈先升高后降低的趨勢(shì)，400 ℃處理的生物炭根長(zhǎng)促進(jìn)率和芽長(zhǎng)促進(jìn)率整體小于其他兩種生物炭，在濃度為20 g/L 時(shí)，根長(zhǎng)促進(jìn)率僅為42.12%。研究也發(fā)現(xiàn)，根冠比隨著濃度的增大而減小，且在20 g/L 時(shí)根冠比與對(duì)照差異顯著（P＜0.05），400 ℃處理的生物炭根冠比僅為0.32。之所以出現(xiàn)這種結(jié)果，是由于生物炭中的N、P、K 等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量隨著生物炭濃度的增大也會(huì)增大，而在低濃度條件下，此類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)根的促進(jìn)作用高于對(duì)芽的促進(jìn)作用[27]，但生物炭高濃度條件下，由于pH 值的增大和有毒污染物的增加，會(huì)影響根的生長(zhǎng)，從而表現(xiàn)出根長(zhǎng)促進(jìn)率、芽長(zhǎng)促進(jìn)率及根冠比減少的結(jié)果[22]。

SOD 活性和POD 活性可以清除植物生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生的O2-和H2O2等自由基，從而維持植物細(xì)胞的自由基處于較低水平，避免活性氧對(duì)細(xì)胞膜脂的傷害作用[28]，這類抗氧化酶可靈敏反映植物對(duì)氧化脅迫的響應(yīng)幅度，從而可以從生化方面評(píng)價(jià)生物炭對(duì)植物生長(zhǎng)的影響效應(yīng)[29]。通過測(cè)定小麥幼苗的SOD、POD 活性，發(fā)現(xiàn)SOD 活性隨著生物炭濃度的增大呈先升高后降低的趨勢(shì)，而且均與對(duì)照差異顯著（P＜0.05），600 ℃處理的生物炭在濃度為10 g/L時(shí)小麥幼苗SOD 活性是對(duì)照的2.15 倍；而對(duì)POD活性的影響，3 種生物炭的影響規(guī)律不盡相同，但在2 g/L 濃度下小麥幼苗POD 活性顯著大于對(duì)照（P＜0.05），隨著濃度的增大POD 活性降低，在濃度為20 g/L 時(shí)與對(duì)照差異不顯著（P＞0.05）。這種結(jié)果的出現(xiàn)可能是由于生物炭低濃度條件下，污染物含量相對(duì)較低，從而增強(qiáng)抗氧化酶編碼基因的表達(dá)，提高了SOD 和POD 的活性，當(dāng)生物炭濃度增大時(shí)，污染物的累積會(huì)降低酶活性[30]。

綜上研究表明，無花果葉生物炭的不同碳化溫度會(huì)對(duì)小麥萌發(fā)和生長(zhǎng)有影響，濃度為2～10 g/L 時(shí)對(duì)小麥的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，20 g/L 時(shí)有抑制作用，而生物炭的適宜濃度則有利于小麥根系和莖的生長(zhǎng)。因此，在生物炭應(yīng)用中，不但要考慮制備條件對(duì)生物炭性能的影響，還要注意生物炭濃度的不同對(duì)作物的生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生的促進(jìn)或抑制作用，有的還會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生毒性，需要通過大量試驗(yàn)確定合適的生物炭及其濃度。