棉秆生物炭添加对棉花种子萌发化感作用研究

冯 勇楚合营 李 凡 何 振 王德胜*

（1塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔843300）（2新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔843300）

化感作用广泛存在于自然界中，是植物或微生物通过向环境中释放化学物质而对其他植物或微生物产生直接或间接的、有益或有害的作用，从而影响环境中自身或其它植物的生长和发育的化学生态学现象［1-2］。

生物炭是生物有机材料在无氧或低氧环境中低温热裂解后的固体产物。生物炭施用对土壤性状和植物生长等的影响研究已成为当前农业和生态环境领域研究热点问题，其对土壤肥力、水分状况以及植物生长的改良促进作用在许多研究中得到证实。以土壤改良为目的的生物炭应用研究最初集中在热带、湿润地区［3］，如今相关研究在世界各地展开，温带地区的生物炭土壤应用研究也逐渐得到开展［4］。且表现为由湿润地区向干旱—半干旱地区，由酸性土壤向盐碱性土壤的延展趋势，而在诸多的研究内容当中，对土壤的影响效果研究是核心内容。

棉花是新疆最主要的经济作物，到2017年，新疆棉花面积占到全国种植面积的69.41%，产量占全国总产量的80.71%［5］。大面积的棉花种植必将带来大量的棉花秸秆，而棉花秸秆的不合理施用，在存在一定资源浪费的同时，也带来了一系列的环境问题。利用新疆棉区丰富的秸秆资源制备成生物炭作为土壤改良剂为棉花秸秆合理利用开辟了新途径［6］。

当前针对生物炭施入棉田的研究主要集中在生物炭施入对土壤养分、土壤理化性质、土壤微生物以及对棉花产量的影响上［6-8］，而关于生物炭施入棉田土壤后的化感表达还未见报道，本试验通过培养皿滤纸法研究不加生物炭、添加棉秆基生物炭以及纯棉秆基生物炭三种不同处理的浸提液对棉花种子萌发的影响效应研究，从化感表达的角度探讨棉秆基生物炭施入南疆棉田的可行性，为棉秆基生物炭在南疆棉田的施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

棉秆生物炭的制备：选取新疆阿拉尔市十团棉花（新陆中49号）采收后剩余的秸秆作为生物质原料，棉花秸秆置于GDL-1500X型管式炭化炉（合肥科晶，中国）中，400℃热解温度处理1 h制备棉秆生物炭。粉碎后过0.5 mm筛备用，生物炭PH值为9.30。

供试种子：供试棉花品种为新陆中49。

1.2 试验方法

1.2.1 不同处理浸提液的制备

分别为：含5%棉秆生物炭的棉花幼苗盆栽土壤（C炭+土）按照1：5土液比（质量比）进行浸提；不含棉秆生物炭的棉花幼苗盆栽土壤（C土）按照1：5土液比（质量比）进行浸提；炭水比1：5的纯生物炭滤液C炭；以蒸馏水对照。浸提液为原液，分别稀释到1：10、1：100、1：1 000作为待测液备用。

1.2.2 棉花种子萌发的测定

将直径为9 cm的培养皿高温灭菌，铺双层滤纸，加入20 mL各处理浸提液原液、稀释10倍液、稀释100倍液和稀释1 000倍液，以加蒸馏水为对照。均匀摆放10粒用高锰酸钾和次氯酸钠消毒、无菌水清洗、晾干后的棉花种子，密封后放置于25℃恒温培养箱中，第4天测定发芽势，第8天测定发芽率并用直尺测量幼苗胚根长。最后以蒸馏水处理后的棉花种子发芽势、发芽率、幼苗长作为对照值，其它三种处理浸提液处理后得到的数值为处理值，计算各参数的化感作用效应指数（RI）。化感综合效应(SE)为同一处理下受体植物各指标的化感效应指数（RI）的算术平均值［9］。

测定计算如下指标：（1）发芽势（GE）=(萌发4 d的发芽种子数/供试种子数）×100%；（2）发芽率（GR）=（8 d 种子萌发数/供试种子数）×100%；（3）发芽指数（GI）=（处理平均发芽率×处理平均根长）/（对照平均发芽率×对照平均根长），（4）活力指数（VI）=GR×S，S为发芽种子的胚根长（cm）。

1.3 数据统计分析

试验数据用Excel和DPS统计软件进行ANOVA分析和DUNCAN多重比较。化感作用效应指数（RI）按照（Williamson et al.(1988)提出的方法［10］进行算。

当T≥CK时，RI=1-CK/T；当T＜CK时，RI=T/CK-1（T为处理值，CK为对照值，RI为化感效应指数）。RI值＞0时表示具有促进作用，RI＜0时表示具有抑制作用，RI绝对值的大小与化感作用潜力一致。

2 结果与分析

2.1 不同处理提取液对棉花幼苗胚根长的影响

将新陆中49棉花作为生物测定受体，从图1可以看出，不同处理浸提液在原液时对棉花幼苗胚根的影响均呈现抑制作用，其抑制作用比较为：C炭＞C土＞C土+炭，随着原液稀释10倍、100倍、1 000倍，C土和C炭仍然表现为抑制作用，但抑制作用随稀释倍数的增加而逐渐减弱；C土+炭稀释液对棉花幼苗胚根长的影响呈促进作用，且促进作用呈现出随稀释液浓度的增高而增大的趋势。

图1不同处理提取液对棉花幼苗胚根长的影响

表1 不同处理提取液对棉花种子萌发的影响

2.2 不同处理提取液对棉花种子萌发的影响

2.2.1 不同处理提取液对棉花种子发芽率的影响

各指标测定计算结果见表1。从表中可以看出，C土和C炭各浓度浸提液均对棉花种子发芽率表现为较强的抑制作用，且呈现出随浸提液浓度的增高而增加的趋势，其中C炭处理原液和10倍液与对照相比分别降低30%和16.7%，差异极其显著（P＜0.01）,C土+炭处理浸提液原液和10倍液对棉花种子发芽率也呈现抑制作用，但与对照相比只分别降低10%和3.3%，且100倍稀释液和1 000倍稀释液对棉花种子发芽率无抑制作用。

2.2.2 不同处理提取液对棉花种子发芽势的影响

各浓度不同处理浸提液均对棉花种子发芽势呈现较强的抑制作用，差异均达到0.01水平，且都随浓度的增高呈现抑制加强的趋势，其中C炭浸提液的抑制作用最强，原液、10倍液与对照相比分别降低51.7%和25%，C土+炭浸提液抑制作用最弱，100倍液和1 000倍液与对照相比分别降低6.7%和3.3%。

2.2.3 不同处理提取液对棉花种子发芽指数、活力指数及化感综合效应指数的影响

从棉花种子发芽指数、活力指数及化感综合效应指数来看，C土、C炭的各浓度浸提液和C土+炭的原液均与棉花种子发发芽指数、活力指数及化感综合效应指数呈负相关，且呈现随浓度的降低而增加的趋势；但C土+炭的10倍、100倍及1 000倍稀释液与棉花种子发芽指数、活力指数及化感综合效应指数呈正相关，且呈现随浓度的降低而降低的趋势。

不同浓度土+炭浸提液处理下，原液对棉花种子发芽率有一定的抑制作用，各浓度稀释液对棉花种子发芽率影响均不明显；对发芽指数、活力指数及化感效应综合指数来讲，除原液呈现一定的化感抑制作用外，其他各浓度稀释液均呈现明显的促进作用，且以10倍稀释液的促进作用最强，而后随浓度的降低化感促进作用逐渐减弱。本研究表明，南疆棉田土壤中添加棉秆基生物炭，在一定浓度条件下对棉花种子的萌发可以起到促进作用。

3 讨论与结论

本研究结果表明，棉花土壤浸提液中的化感物质对棉花种子的萌发起抑制作用，且表现为随浸提液浓度的增加抑制作用加强的趋势，说明棉田土壤对棉花种子的萌发具有较强的自毒化感作用。这与前人在棉花［11-13］化感作用研究中的结论一致。

不同浓度纯炭浸提液处理下，发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数等指标均受到化感抑制作用，且随浓度增加化感作用呈现加强的趋势，这可能与棉秆基生物炭呈碱性有关。

土壤中添加生物炭能够显著减轻化感物质对植物生长的抑制作用［14-15］。本试验中，纯土壤浸提液和纯生物炭浸提液均对棉花种子的萌发起抑制作用，但土+炭处理的浸提液除原液外，其他稀释液均对棉花种子萌发起促进作用，表明棉秆基生物炭加入棉田土壤后，产生了一系列的物理、化学变化，改变了棉田土壤的理化性质，最终引起棉田土壤化感表达的不同，从化感角度为南疆棉田施入棉秆基生物炭提供了理论依据。但这些改变具体是如何产生的，以及具体改变了棉田土壤的那些状况从而引起了化感表达的改变仍然有待进一步的试验研究。