劉小光， 劉宗萌， 鄧進(jìn)超， 李慧玲， 彭光霞， 曹曉虎， 李彩斌

(1.北京中持綠色能源環(huán)境技術(shù)有限公司, 北京 100080； 2.北京中持綠色農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司, 北京 100080)

我國是世界第一養(yǎng)殖大國，每年養(yǎng)殖糞污的產(chǎn)生量巨大，其中生豬的存欄量和出欄量均居世界第一位[1]。畜禽糞污中含有豐富的有機(jī)質(zhì)及氮磷鉀等營養(yǎng)元素，如果得不到妥善利用，將導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。對(duì)此，國家近些年出臺(tái)了一系列措施推動(dòng)畜禽的資源化利用。其中畜禽糞污的厭氧發(fā)酵利用作為一種主要手段，得到了快速發(fā)展。干式厭氧發(fā)酵具有沼液產(chǎn)生量小的優(yōu)點(diǎn)，沼渣還可用于有機(jī)肥的生產(chǎn)，相較于濕式厭氧發(fā)酵，具有明顯優(yōu)勢(shì)[2]。目前干式厭氧技術(shù)已經(jīng)在國外得到了成熟的應(yīng)用，但在我國還處于剛剛起步階段[3]。但結(jié)合其在產(chǎn)氣率、沼液產(chǎn)生量方面的優(yōu)勢(shì)，必將得到快速的發(fā)展，其在國內(nèi)的應(yīng)用范圍將越來越廣。

沼液中含有豐富的腐殖酸、氨基酸、生長促進(jìn)物質(zhì)、抗病物質(zhì)及多種礦質(zhì)元素，對(duì)提高作物抗性，促進(jìn)生長具有明顯的作用[4]。目前關(guān)于沼液對(duì)種子萌發(fā)影響或作物生長影響的研究，前人已經(jīng)做了大量的工作，但多為濕式厭氧發(fā)酵技術(shù)得到的沼液[5-6]。而關(guān)于干式厭氧發(fā)酵沼液在這些方面的研究還較少。干式厭氧發(fā)酵沼液與濕式工藝的沼液相比，具有EC值高，含固率高的特點(diǎn)，如果還田或者浸種掌握不好濃度，會(huì)產(chǎn)生燒苗或者妨礙正常生長等副作用。玉米是我國種植面積最大的糧食作物之一，且分布范圍廣。將來在沼液的應(yīng)用方面，玉米是繞不開的作物。鑒于干式厭氧發(fā)酵技術(shù)的廣闊發(fā)展前景，以及玉米的廣泛種植范圍，關(guān)于沼液在玉米種植上的應(yīng)用研究就顯得十分必要。尤其是沼液的安全施用濃度，是首先需要解決的問題，

本試驗(yàn)擬通過發(fā)芽試驗(yàn)的方法，確定一個(gè)沼液施用的安全濃度范圍，在此基礎(chǔ)上能為玉米播種后的沼液施用提供一定的借鑒參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)

本試驗(yàn)于2020年5月21日～26日在肥城某公司化驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。種子被置于墊有一層濾紙的透明塑料發(fā)芽盒中，發(fā)芽盒帶有盒蓋，防止水分散失，盒尺寸為19×13×12 cm。為維持黑暗環(huán)境，發(fā)芽盒被放置在恒溫培養(yǎng)箱中遮光培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為25℃。

1.2 試驗(yàn)材料

沼液：取自肥城某公司干式厭氧發(fā)酵后的沼液。沼液采用北京某公司研發(fā)的DANAS干式厭氧發(fā)酵技術(shù)得到。DANAS干式厭氧發(fā)酵技術(shù)和濕式厭氧發(fā)酵的生物化學(xué)反應(yīng)在本質(zhì)上是相同的，主要是在厭氧環(huán)境下，厭氧和兼性厭氧微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生沼氣的過程。該技術(shù)采用臥式推流的攪拌方式，可連續(xù)進(jìn)出料，是針對(duì)市政、農(nóng)業(yè)、工業(yè)有機(jī)廢棄物開發(fā)的一種干式厭氧發(fā)酵技術(shù)，反應(yīng)含固率為15%～35%，停留期15～30 d，有機(jī)負(fù)荷高達(dá)4～10 kg·VSm-3·d-1，容積產(chǎn)氣率2～6 m3·m-3。

發(fā)酵原料為牛糞和雞糞，pH值8.32，含固率為12%，具體為將厭氧消化物通過螺旋擠壓機(jī)進(jìn)行脫水，擠壓得到的沼液在密閉的沼液儲(chǔ)存池中儲(chǔ)存約180天。

種子：由河南省豫玉種業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的中農(nóng)大788雜交玉米種，種子帶有種子包衣，包衣成分主要為抗病抗蟲農(nóng)藥(以下農(nóng)藥含量，單位均為g·100kg-1種子)：咯菌腈3.75，精甲霜靈3，噻菌靈22.5，噻蟲嗪70，不含有激素類等可影響種子生長、萌發(fā)的物質(zhì)。

沼液EC值采用臺(tái)灣衡欣AZ8373 筆型水質(zhì)計(jì)測(cè)定。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照以下稀釋比例將沼液進(jìn)行稀釋，在不同稀釋比例的沼液上進(jìn)行玉米發(fā)芽試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)置如表1所示。

表1 不同處理沼液濃度梯度設(shè)置 (%)

通過對(duì)比不同稀釋倍數(shù)沼液中玉米種子的發(fā)芽情況來選擇出一個(gè)最佳稀釋倍數(shù)。

將按上表稀釋的沼液50 mL放入到墊有1層濾紙的發(fā)芽盒中進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，保證濾紙浸透沼液。挑取飽滿均勻無破損的健康玉米種子放置于濾紙上，并使種子胚與濾紙相接觸，每個(gè)處理放置50粒玉米種子，重復(fù)4次。每天固定同一時(shí)間統(tǒng)計(jì)不同處理下玉米種子的發(fā)芽情況。

玉米種子發(fā)芽率計(jì)算方法：

本試驗(yàn)中，將種皮脹破露白(胚根剛剛伸出種皮)的狀態(tài)視為種子發(fā)芽。

1.3.2 統(tǒng)計(jì)分析

本試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)通過金山WPS表格及SPSS21軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同稀釋比例對(duì)沼液EC值的影響

EC值是衡量物質(zhì)中可溶性離子濃度的指標(biāo)，它的高低反應(yīng)了沼液中可溶性離子濃度的高低，而離子濃度會(huì)導(dǎo)致滲透勢(shì)升高，影響種子對(duì)水分的吸收，進(jìn)而影響種子萌發(fā)及生長。通過測(cè)量不同稀釋倍數(shù)沼液的EC值變化，可更好掌握在實(shí)際施用時(shí)的沼液用量，達(dá)到安全合理施用的目的。

從圖1可以看出，沼液稀釋倍數(shù)與其對(duì)應(yīng)的EC值擬合曲線的R2=0.9977，這表明沼液的EC值與其稀釋比例是高度線性相關(guān)的。由表2可知，稀釋比例越大，其電導(dǎo)率越低。當(dāng)沼液體積比為25%時(shí)，其EC值為11.75 mS·cm-1;當(dāng)沼液體積比為5%時(shí)，其EC值為2.70 mS·cm-1。

表2 不同稀釋倍數(shù)與沼液EC值的關(guān)系

2.2 24 h后玉米種子萌發(fā)情況

24 h后，不同濃度沼液處理下的玉米種子發(fā)芽情況差異明顯。如圖2所示，清水處理、5%濃度、10%濃度下的種子在24 h后平均發(fā)芽率分別為64.50%，39.00%，7.50%，且差異顯著。其余15%～25%濃度下的種子全部沒有發(fā)芽。由此看出，在播種24 h后，清水處理下的種子發(fā)芽率是最高的。這表明在最開始的24 h，不同試驗(yàn)濃度沼液對(duì)玉米種子的萌發(fā)起到了抑制作用，且隨著沼液濃度的提高，抑制作用也更加明顯。在萌發(fā)種子的長勢(shì)方面，清水處理下的部分種子的幼根已經(jīng)伸出了種皮，而5%和10%濃度下的發(fā)芽種子則全部為露白狀態(tài)，無幼根伸出。種子在萌發(fā)的最初階段，是依靠種子內(nèi)部的蛋白質(zhì)、糖類吸收水分的，是物理性的膨脹，屬于吸脹作用。依靠這些物質(zhì)將種子外部的水分吸收進(jìn)來促進(jìn)種子的生理性萌發(fā)并轉(zhuǎn)變?yōu)闈B透吸水。無論是種子的吸脹吸水還是滲透吸水，含有沼液的水的濃度都要高于清水的濃度，這在一定程度上造成了清水處理下種子對(duì)水分的吸收量最大，因此清水處理的種子吸水更多，種子萌發(fā)條件更好，進(jìn)而使其發(fā)芽數(shù)最多。

2.3 48 h后玉米種子萌發(fā)情況

在種子被不同濃度沼液浸泡后第48小時(shí)，如圖3所示，5%和10%濃度下的玉米發(fā)芽數(shù)是最多的，平均發(fā)芽率分別達(dá)到了86.50%和83.00%，高于清水處理的72.00%。上述3個(gè)處理的種子平均發(fā)芽率明顯高于其余更高濃度沼液處理，且差異顯著。這一情況說明，5%和10%這兩種低濃度沼液明顯促進(jìn)了玉米種子的萌發(fā)。而更高濃度的沼液則對(duì)種子的萌發(fā)產(chǎn)生了抑制。為進(jìn)一步觀察沼液對(duì)種子發(fā)芽的影響，對(duì)清水，5%，10%這3個(gè)處理下萌發(fā)種子的生長量進(jìn)行了比較，通過對(duì)比露白數(shù)、僅長出了幼根數(shù)、同時(shí)長出了幼根和幼芽數(shù)分別所占的比例來進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖4。清水處理的發(fā)芽率雖然低，但發(fā)芽種子中大部分在第48小時(shí)就長出了根和芽，這一比例均高于另兩個(gè)處理，但僅生出了根和露白的種子比例偏低，這表明在清水處理下不同玉米種子萌發(fā)的程度差異更大，而一定濃度的沼液雖然減緩了種子的萌發(fā)，但縮小了不同種子萌發(fā)時(shí)間的差異。種子發(fā)芽整齊度的提高意味著將來植株發(fā)育整齊度的提高，這在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可能比部分種子更快萌發(fā)更重要。

在芽長勢(shì)方面，雖然清水處理下的芽生長是最快的，長出的幼芽可明顯看見黃色的胚芽鞘，而5%濃度和10%濃度下長出幼芽的種子，其幼芽長度短于清水處理下的幼芽長度。

在根長勢(shì)方面，清水處理下的幼根長度較短，不足1 cm，但更粗壯。而5%處理下的根長且細(xì)，其中平均約12.5%的種子根長度超過了1 cm。但所有生出幼根的種子，無論長度如何，根的直徑均較清水處理下的纖細(xì)。這表明在5%濃度沼液的影響下，幼根的軸向生長速度更快，但其徑向長勢(shì)偏弱。反觀10%沼液濃度下的種子，其幼根長度均在0.2 cm上下，此濃度的沼液對(duì)種子幼根的生長起到了抑制作用。種子的根系對(duì)于植物激素的濃度是最敏感的，低濃度的植物激素可對(duì)根系生長起到促進(jìn)作用，高濃度則抑制其生長?？梢钥隙ǖ氖牵?0%濃度沼液中的植物激素濃度要高于5%沼液內(nèi)的濃度。因此這種現(xiàn)象可能是沼液中含有的植物激素導(dǎo)致的。

2.4 72 h后玉米種子的萌發(fā)情況

在種子被不同濃度沼液浸泡后第72小時(shí)，不同處理下種子的發(fā)芽情況見圖5。清水處理的種子發(fā)芽率為82%，依舊低于5%和10%兩個(gè)處理的98%和91%，尤其是與5%濃度下的發(fā)芽率差距進(jìn)一步拉大。15%，20%，25%這3個(gè)濃度下的種子發(fā)芽率依舊很低，分別只有36.5%，22.5%和0%，且發(fā)芽的種子多處于露白的階段。雖然不同處理下的發(fā)芽率都所變化，但第72小時(shí)的總體態(tài)勢(shì)與48 h時(shí)仍舊保持一致。

進(jìn)一步對(duì)比清水，5%，10%這3個(gè)處理下發(fā)芽種子的長勢(shì)(見圖6)。在48 h時(shí)，清水處理下生出了芽的種子占比還大幅高于其余兩個(gè)處理，但72 h時(shí)，則該占比分別比5%和10%處理下的低了約22個(gè)百分點(diǎn)和17個(gè)百分點(diǎn)。這表明在沼液的作用下，種子生出芽的速度得到了提升。但沼液處理下種子芽的健壯程度要比清水處理的差，整體外觀更纖細(xì)一些，這可是更快的生長速度導(dǎo)致的。除此之外，3個(gè)處理下生出了芽的種子大多同時(shí)生出了側(cè)根，但清水處理下的大多生出2條側(cè)根，而另兩個(gè)處理下的種子中出現(xiàn)了多個(gè)生出3條側(cè)根的現(xiàn)象。以上情況說明，較低濃度的沼液可能在促進(jìn)種子側(cè)根的形成中也具有一定的作用。

2.5 96 h后玉米種子的萌發(fā)情況

在種子被不同濃度沼液浸泡后第96小時(shí)(見圖7)，清水，5%，10%，15%，20%，25%處理下的發(fā)芽率分別為92.5%，98%，96.5%，50%，35%，0%。清水處理下的種子發(fā)芽率依舊低于5%和10%兩個(gè)處理。15%和20%兩個(gè)濃度下的種子雖然有一定的比例發(fā)芽了，但種子均處在露白或者幼根剛剛生出的階段，而25%濃度下的種子仍舊全部未萌發(fā)。低濃度沼液促進(jìn)作用及高濃度沼液的抑制萌發(fā)作用得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。

詳細(xì)對(duì)比清水，5%，10%這3個(gè)處理下發(fā)芽種子的長勢(shì)(見圖8)。5%和10%兩個(gè)處理下生出芽的種子數(shù)最多，均達(dá)到了總種子數(shù)的78%，比清水處理高出了18個(gè)百分點(diǎn)。在芽的長勢(shì)方面，清水處理下的芽較另兩個(gè)處理更粗壯，且很多幼芽已經(jīng)伸出了胚芽鞘，這可能與本處理下的芽生出得最早，使芽的生長時(shí)間更長有關(guān)系。在根系生長方面，第96小時(shí)，主根及側(cè)根上開始生出了肉眼可見的白色根毛，且在根毛數(shù)量上，10%>5%>清水，10%處理下根毛的長度也更長。根毛的增多，代表著根系對(duì)水分及礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收能力增強(qiáng)，這為后期的生長奠定了基礎(chǔ)。

3 討論

3.1 沼液的稀釋倍數(shù)與其EC值呈高度線性關(guān)系

將沼液按照25%，20%，15%，10%，5%的梯度進(jìn)行稀釋后，對(duì)不同稀釋比例的沼液EC值進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)EC值與沼液的稀釋倍數(shù)呈高度線性相關(guān)的關(guān)系。這種關(guān)系通常表現(xiàn)在強(qiáng)電解質(zhì)溶液中，這類物質(zhì)的溶解度及電解性高，在一定范圍內(nèi)濃度的變化，對(duì)其電解度幾乎無影響，因此可表現(xiàn)出EC值與濃度的線性關(guān)系。

但本試驗(yàn)測(cè)量的對(duì)象為不同濃度的沼液。沼液中不僅含有豐富的氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、錳、鋅、銅等礦質(zhì)元素，還含有種類多樣的鹽類以及氨基酸、腐殖酸及其他多種有機(jī)酸類等“生物活性物質(zhì)”[7-8]。這些有機(jī)物質(zhì)大多為弱電解質(zhì)，其導(dǎo)電性一方面與其濃度有關(guān)，另一方面也與自身的電離性能有關(guān)。他們?cè)谒写嬖陔婋x平衡，當(dāng)沼液被稀釋時(shí)，各種弱電解質(zhì)的濃度被改變，原有的電離平衡也被打破，這必然導(dǎo)致其電解度的變化，進(jìn)而體現(xiàn)為EC值的變化?？紤]到沼液中各種鹽類、酸類、氨類等多種物質(zhì)復(fù)雜的特性，其EC值隨沼液濃度呈高度線性關(guān)系還是出乎筆者預(yù)料的。

但上述這種現(xiàn)象也為田間沼液應(yīng)用帶來了方便，僅可依據(jù)沼液稀釋的倍數(shù)就可計(jì)算得到稀釋后沼液的EC值，這為進(jìn)一步研究沼液還田后對(duì)土壤EC值的變化提供了便利。

3.2 5%～10%稀釋濃度的沼液對(duì)玉米種子萌發(fā)起到了明顯的促進(jìn)作用

從上面的試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，清水處理下的種子發(fā)芽是最早的。這可能與沼液提高了種子外界液體的濃度有關(guān)。沼液中含有一定量的可溶物提高了液體的滲透勢(shì)，從而導(dǎo)致其他處理下的種子吸水量就小于清水處理，較少的吸水量使得種子萌發(fā)速度更慢，進(jìn)而使種子發(fā)芽晚于清水處理。隨著時(shí)間的推移，5%和10%濃度下的種子的發(fā)芽率及種子的發(fā)芽整齊度均超過了清水處理，但15%，20%，25%濃度下的種子發(fā)芽明顯受到了抑制。這表明低濃度沼液中的物質(zhì)對(duì)于提高種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)是有益的。尤其是在種子發(fā)芽后，沼液在促進(jìn)種子須根、根毛的生長上，效果更加顯著。但這個(gè)有益效果是建立在一定濃度范圍的基礎(chǔ)之上的。對(duì)比不同稀釋倍數(shù)的沼液EC值發(fā)現(xiàn)，在2.70～5.17 mS·cm-1電導(dǎo)率范圍內(nèi)的沼液，對(duì)于玉米種子的萌發(fā)均是有積極效果的，這一范圍對(duì)應(yīng)的沼液稀釋倍數(shù)為5%～10%的沼液濃度。

玉米種子萌發(fā)被高濃度沼液抑制，一方面可能是因?yàn)楦邼B透勢(shì)降低了種子對(duì)水分的吸收能力。另一方面，也可能與沼液內(nèi)含有的植物激素類物質(zhì)的影響有關(guān)[9]。眾多研究表明[10-12]，沼液內(nèi)含有種類豐富的植物激素。吳元奇[13]等的研究發(fā)現(xiàn)，種子的休眠程度主要受ZT，GA3，ABA這3種激素比例的控制。ZT對(duì)種子萌發(fā)抑制物有拮抗作用；GA3具有解除休眠和促進(jìn)萌發(fā)的功能；ABA具有拮抗GA3的作用，誘導(dǎo)種子休眠，抑制萌發(fā)。種子的休眠是上述幾種激素共同作用的結(jié)果。5%和10%濃度的沼液處理下的發(fā)芽率高于清水對(duì)照，再結(jié)合本試驗(yàn)所用的種子包衣中并不含有任何植物激素成分，說明該濃度范圍內(nèi)的沼液所含的激素濃度恰好對(duì)于破除種子休眠具有一定效果，從而使得種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率都得到了提高。

不僅如此，在植物激素的作用下，種子的幼根和幼苗的生長都會(huì)受到一定的影響。邵素惠[14]等的研究表明，一定濃度的GA3對(duì)提高種子田間頂土出苗能力有明顯促進(jìn)效果。這在一定程度上可以解釋5%和10%濃度沼液處理下的種子生長情況好于清水對(duì)照處理。

在玉米播種時(shí)，通常會(huì)利用播種機(jī)將化肥和種子一起播入土壤中，在化肥的作用下，有可能會(huì)導(dǎo)致種子周邊土壤的電導(dǎo)率升高，這對(duì)于種子的萌發(fā)是一種威脅。在播種完成后澆灌沼液時(shí)，由于沼液也自帶一些可溶性物質(zhì)，也有可能會(huì)進(jìn)一步提高種子周圍土壤的電導(dǎo)率，因此，應(yīng)將玉米播種后施用沼液的濃度控制在15%以下，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合玉米的施肥情況和所在地塊的土壤性質(zhì)酌情確定合理而安全的沼液施用濃度。

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)，證明了通過干式厭氧發(fā)酵工藝得到的沼液與濕式厭氧發(fā)酵工藝得到的沼液一樣，在促進(jìn)種子萌發(fā)及生長上具有積極效果。但這個(gè)效果是建立在合理的稀釋濃度的前提下的。通過玉米種子的發(fā)芽試驗(yàn)證明，DANAS干式厭氧發(fā)酵工藝得到的沼液在5%～10%體積比的稀釋倍數(shù)下，對(duì)玉米種子的萌發(fā)及生長產(chǎn)生了有益效果，這為下一步的田間實(shí)際應(yīng)用提供了一定的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在0%～25%體積比含量范圍內(nèi)的沼液EC值是隨著沼液濃度呈高度線性變化的，這為在后續(xù)的研究和應(yīng)用中隨時(shí)掌握沼液EC值的變化提供了便利。