生物质炭浸提液对水稻种子萌发及幼苗生长的影响

许 唯，张 蛟，姚易寒，宋余泽，胡帅栋*(.嘉兴市农业科学研究院 园艺研究所，浙江 嘉善 400； .江苏沿江地区农业科学研究所，江苏 南通 654；.浙江农林大学 环境与资源学院，浙江 杭州 00)

水稻是世界上三大粮食作物之一，是我国的最主要的粮食作物，稻米质量安全事关国计民生[1-2]。中国粮食安全面临着结构不合理、环境可持续性较差等问题[2-3]。因此，提高农业生产过程中资源利用效率、生态环境可持续性是当下迫切需要解决的问题。

生物质炭是指生物质在无氧或部分缺氧条件下通过热裂解(>250 ℃)制备而成，具有多孔性、吸附性和稳定性等特点的芳香类化学物质[4-5]，能改善土壤pH、容重，具有持水性和保肥性，被认为是一种良好可持续性的土壤改良剂，并广泛应用于农林业生产与生态保护方面[6-7]。然而，生物质在热解过程中产生的焦油、多环芳烃(PAHs)等，会随冷却吸附于生物质炭表面，且部分生物质材料自身含有的重金属等潜在污染物会随热解过程富集在生物质炭中[8-9]。因此，当生物质炭施用于土壤中，可能会对植物、土壤微生物及土壤环境产生危害[10]。

植物种子萌发和幼苗生长发育阶段对毒害较为敏感，有相关报道对水稻小麦种子萌发做了毒理性试验，但都在较高pH培养条件下[11-12]。本研究采用低温热裂解的竹叶生物炭pH与稻田基本相一致，通过控制其浸提液浓度对不同水稻种子进行培养，以探究不同浓度生物质炭浸提液对不同水稻种子萌发和幼苗生长发育的潜在影响，从而为实际生产过程中对生物质炭施用量和水稻生产提供科学依据，促进水稻产业发展，改善环境生态和提高资源利用效益。

1 材料与方法

1.1 材料

竹叶生物质炭购自浙江布莱蒙农业科技股份有限公司，该生物质炭是由新鲜采集竹叶在缺氧环境中经300 ℃热裂解制备而成。生物质炭烘干过2 mm筛后置于自封袋中保存并用于试验。竹叶生物质炭基本性质为pH值6.58(H2O)，KCl 6.15，电导率(EC)值686.0 μS·cm-1。粳型常规稻盐丰47、籼型常规稻珍珠糯和籼型三系杂交稻甬优15号种子购于市场。

1.2 方法

1.2.1 生物质炭理化性质测定

生物质炭pH与电导率(EC)由样品过2 mm筛后，按1∶20(m/V)的炭水比将竹叶生物炭和超纯水混合搅拌，静置30 min后用pH计和电导率仪测定。竹叶生物质炭化学组分含量的测定参照传统土壤测定方法[13]，结果如表1所示。

1.2.2 生物质炭水浸提液制备

称取过2 mm筛后竹叶生物质炭样品5 g，用超纯水按炭水比1∶15，混合于100 mL塑料瓶中，25 ℃条件下180 r·min-1振荡12 h，0.45 μm滤膜真空抽滤，所得液体利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-MS 7000 DV)分析溶液中水溶性的化学组分含量，结果如表1所示。抽取的滤液分别稀释到0%(CK)、10%(相当于炭水比1∶150)、30%(1∶50)、50%(1∶30)、75%(1∶20)、100%(1∶15)，采用6种不同浓度的浸提液进行后续水稻发芽试验。

表1 竹叶生物质炭(BC)及其水浸提液(AE)的化学组分

注：-表示未检测到。

1.2.3 种子发芽试验

种子活力测定均以100粒种子为单次重复，每组处理设4次重复。所有供试种子均先经过5% NaClO，10 min和3% H2O2，24 h浸种处理，先后用超纯水冲洗3次。将随机分样数出的种子均匀置于铺有用生物质炭水浸提液浸湿的双层发芽纸的发芽盒内，置于光照培养箱中培养。

设置培养条件。20 ℃黑暗条件下16 h，30 ℃光照条件下8 h(光照度为8 000 lx)。第3天开始以种子根长超过种子长度，芽长达到种子长度一半以上为标准统计发芽数，每天记录发芽种子数，直至第14天；发芽第5天、第14天分别统计水稻种子发芽势和发芽率

1.2.4 幼苗生长测定

水稻种子在添加不同浓度竹叶生物质炭水浸提液处理培养14 d后，挑取长势平均的20株幼苗用游标卡尺测定芽长、根长；再将上述幼苗用滤纸吸干水分后测定20株水稻幼苗鲜重。试验均重复4次。

1.2.5 数据处理

数据采用Excel 2010和SPSS 22.0统计分析，Origin 2017软件作图。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差法(LSD)对不同数据组之间的差异进行比较，显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 对不同水稻种子萌发的影响

由表2可知，随着竹叶生物质炭水浸提液浓度的增加，3个不同水稻品种的发芽势均基本表现为一定的抑制趋势。与CK相比，在浓度100%浸提液培养下，盐丰47、珍珠糯和甬优15号3个水稻品种的种子发芽势均出现显著降低；然而，在浓度10%浸提液培养对珍珠糯和甬优15号的种子发芽势具有显著的提高。同时，在不同浓度浸提液培养下，3个水稻品种的种子发芽指数与种子发芽势具有相似的变化趋势。

表2 竹叶生物质炭水浸提液对不同水稻种子萌发相关指标的影响

注：同列不同小写字母表示平均值在P<0.05水平上差异极显著。

另外，不同浓度浸提液培养对3个水稻品种的种子发芽率均无显著影响；在幼苗鲜重方面，浓度10%浸提液对盐丰47品种幼苗有显著提高，但对珍珠糯和甬优15号品种无显著性变化。浓度50%、75%和100%的浸提液都对盐丰47品种幼苗鲜重产生显著性的抑制作用，其鲜重分别降低3.3%、10.7%和17.2%。浓度75%和100%的浸提液都对珍珠糯品种幼苗鲜重产生显著性的抑制作用，其鲜重分别降低7.2%和21.0%。在甬优15号水稻种子中只有浓度100%的浸提液对其幼苗鲜重产生9.5%的显著降低。

综合以上结果，不同粳稻、籼稻和杂交籼稻种子活力对生物质炭水浸提液的响应基本一致。10%浓度下的竹叶生物质炭水浸提液对盐丰47、珍珠糯和甬优15号的活力指标和幼苗鲜重具有显著促进作用。而100%的竹叶生物质炭水浸提液对盐丰47、珍珠糯和甬优15号的活力指标和幼苗鲜重具有显著的抑制作用。在高浓度(≥50%)竹叶生物质炭水浸提液培养下，盐丰47具有比珍珠糯和甬优15号更抗逆的表现。而在低浓度(10%)竹叶生物质炭水浸提液培养条件下，生物质炭水浸提液对甬优15号种子活力具有更强的促进作用。

2.2 对不同水稻幼苗芽根长度的影响

由图1结果可知，竹叶生物质炭水浸提液在浓度10%～30%下对盐丰47幼苗芽长没有影响，但在浓度50%～100%下盐丰47幼苗芽长相比对照减少7.3%～10.4%。

所有不同浓度的竹叶生物质炭浸提液对盐丰47的幼苗根长都产生了促进作用，增幅为15.5%～63.2%。浸提液在浓度10%～50%下对珍珠糯幼苗芽长没有影响，但在浓度75%～100%下，盐丰47幼苗芽长相比对照减少10.5%～29.5%。而30%～75%浓度的浸提液促进了珍珠糯幼苗根长，增幅为29.6%～38.4%。对于品种甬优15号，只有75%浓度的浸提液抑制其幼苗芽长，相比对照，其幼苗芽长减少8.3%。所有不同浓度的浸提液对甬优15号的根长均有促进作用，而50%～100%浓度的浸提液较对照增加23.4%～47.9%。另外，水稻幼苗根芽比随竹叶生物质炭水浸提液浓度的增加而增加(表2)，与上述结果一致，表明竹叶生物质炭水浸提液对不同水稻种子幼苗根系生长具有激发作用，而且随浸提液浓度增加，根的生长也增加。综合以上结果，添加生物质炭水浸提液对不同粳稻、籼稻和杂交籼稻幼苗生长状况的影响基本一致，且对幼苗生长过程中根系生长的影响最为显著。

不同小写字母表示平均值在<0.05水平上差异极显著图1 竹叶生物质炭水浸提液对不同水稻幼苗芽长和根长的影响

3 小结与讨论

本研究结果表明，生物质炭水浸提液对水稻种子活力基本呈“低促高抑”影响。生物质炭中除了含有植物生长所需的营养元素外，也含有重金属、PAHs等潜在土壤污染物。通过对该生物质炭检测，发现其重金属含量均低于GB15618—1995土壤环境质量标准。而在很多研究报道中都检测出生物质炭PAHs含量超标[9,12]，并有研究报道PAHs(Na、BaA、Ch)对植物种子萌发和幼苗生长具有显著的抑制作用[14]，可推测PAHs可能是潜在抑制水稻种子活力的主要因素。王晋等[15]研究报道，添加高浓度竹炭、稻秆炭和烟秆炭对水稻幼苗根长与芽长都产生了抑制。

本试验中，3种不同水稻品种在生物质炭条件下，幼苗芽长具有抑制作用，但对幼苗根长却产生促进作用，这可能是试验过程中培养环境不同所造成的差异。合理控制生物炭的使用量对农作物不会产生明显影响，甚至会促进植物的萌发和生长[16-18]。本研究结果支持以上结论，10%浓度生物质炭水浸提液对珍珠糯和甬优15号2个品种的水稻种子的萌发均达到一定的促进作用。

因此，生物质炭在农田林地等推广应用之前，其存在的潜在生态土壤环境风险，还需针对特种植物生长及土壤相关生物学性质进一步研究分析。此外，对不同材料、不同裂解温度和不同制作工艺的生物质炭潜在毒性评估需要更深入的研究。由于本研究只对生物质炭对水稻种子萌发和幼苗生长的影响进行研究，而实际施用到土壤中，土壤及土壤微生物会对部分毒害物质进行吸附和降解[11]，因此在将来的研究中需开展大田试验进一步验证。

参考文献：

[1] 应兴华，金连登，徐霞，等. 我国稻米质量安全现状及发展对策研究[J]. 农产品质量与安全，2010(6)：40-43.

[2] 黄丽，柏芸，韩文芳，等. 稻米质量对食品安全的影响[J]. 中国粮油学报，2013，28(4)：113-117.

[3] 张元红，刘长全，国鲁来. 中国粮食安全状况评价与战略思考[J]. 中国农村观察，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] 王晋，庄舜尧，曹志洪，等. 不同生物炭浸提液对水稻发芽及幼苗发育的影响[J]. 中国农学通报，2014，30(30)：50-55.

[12] 李阳，黄梅，沈飞，等. 生物炭对小麦种子萌发与幼苗生长的植物毒理效应[J]. 生态毒理学报，2017，12(1)：234-242.

[13] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京：中国农业科技出版社，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] 王晋，庄舜尧，曹志洪，等. 不同原料生物炭对水稻幼苗发育的影响评估[J]. 安徽农业科学，2014，42(22)：7360-7362.

[16] 李阳，黄梅，沈飞，等. 生物炭早期植物毒性评估培养方法研究[J]. 生态毒理学报，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.