生物质气化液对小麦生长及土壤酶的影响

唐玲涵，马建义

(浙江农林大学 林业与生物技术学院， 杭州 311300)

农林生物质废料(竹、废木、秸秆等)进行热解气化反应后能产生木煤气供居民生活用气、供热和发电，同时产出具有高价值的生物炭及大量的液体废物，而后者是一种棕黑色液体，含有水相和油相，分离后可得生物质醋液和生物质焦油[1]。生物质气化液的主要成分是水(约占体积分数80%～90%)，其次是有机酸、酚类、醛类、酮类、脂类和醇类等。原料和生产工艺差异使成分和含量也不相同，以原料区分生物质气化液，主要有竹醋、木醋、秸秆醋[2-4]。目前，生物质醋液可广泛地施用于农业各种用途，包括叶面肥、杀菌剂、驱虫剂甚至除草剂[5-6]。这种大量使用是否会改变土壤的理化性质以及微生物群落结构进而影响土壤的性质仍有待研究，因此有必要对高浓度醋液大量使用在农业环境中的安全性做出新的全面评估。

土壤酶参与腐殖质的合成与分解，包括有机化合物、动植物和微生物残体的水解与转化以及土壤中有机、无机化合物的各种氧化还原反应等生物化学过程[7]。脲酶的酶促产物氨是植物氮源之一，尿素与氮肥的水解也与土壤脲酶活性密切相关。蛋白酶参与氮的有机转化，其水解产物是植物的氮源之一。 蔗糖酶与土壤许多因子有相关性，如土壤有机质、氯、磷含量，微生物数量及土壤呼吸强度等[8]。

本文在使用高浓度生物质气化液的条件下，以小麦生长及其培养土壤为研究对象，研究3种生物质气化液对小麦生长及土壤酶活性的影响，为高浓度醋液在农业环境中的使用安全性及生物质气化液大量使用提供理论依据和技术支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料

采集浙江农林大学内未施用农药肥料的荒地(红壤)中的新鲜土样，去除植物根及其他杂物后风干，并过0.5 nm筛备用。土壤的理化性质为有机质18.6 g/kg、全氮1.76 g/kg、有效磷22.5 mg/kg、有效钾73.4 mg/kg、pH值为7.2。竹醋液由宁波奉化竹炭厂生产(有机酸体积分数为5.4%、焦油体积分数为0.8%)，木醋液为加拿大Cantimber Biotech Inc生产(有机酸体积分数为3.6%、焦油体积分数为1.8%)，秸秆醋液浙江华尚新能源股份有限公司生产(有机酸体积分数为1.8%、焦油体积分数为2.4%)，普通小麦为Triticum aestivum L品种西农1376。

1.2 试验设计

1.2.1幼苗生长法

试验以直径7.6 cm、高7 cm的花盆装取上述风干土样，每盆种10颗小麦种子。分别加入40 mL的0.25%、1.25%、2.5%、5% 4种体积分数的竹醋液、木醋液、秸秆醋液以加等体积的蒸馏水为对照(使得土壤含水量为田间最大含水量40%)。每3 d浇1次竹、木、秸秆醋，在恒温20 ℃、相对湿度为80%的光照培养箱里培养14 d。测定幼苗的根长、根数和株高。试验设置3个重复[9-11]。

1.2.2土壤酶活性的测定方法

脲酶活性测定采用靛蓝比色法，蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法，蛋白酶采用茚三酮比色法[12]。

1.2.3土壤酶活性抑制率的计算

抑制率(%)=(对照组酶活性-处理组酶活性)/对照组酶活×100%

1.3 试验数据分析

试验数据采用SPSS 22.0作统计处理，结合Excel 2003进行试验结果的统计，然后对结果进行分析。

2 结果与分析

2.1 生物质气化液对小麦生长的影响

在14 d对苗期小麦形态特征进行测量统计，表1显示体积分数为2.5%与5%的竹醋处理组以及5%的木醋、秸秆醋处理组的小麦并未发芽。体积分数为0.25%的竹醋、木醋、秸秆醋处理组根长、茎长以及发芽率与对照组没有显著区别，只有体积分数为0.25%的木醋处理组在根数量上有显著的促进效果。体积分数为1.25%的竹醋、木醋在根长、茎长有显著的抑制作用，体积分数为1.25%的竹醋处理组在发芽率上有显著的抑制作用，同浓度的木醋在发芽率上没有显著影响。体积分数为1.25%的秸秆醋处理组在根长与发芽率上为显著抑制，在根数上为显著促进。体积分数为2.5%的木醋、秸秆醋处理组在根长、茎长、发芽率这3个指标上均表现为显著抑制。

表1 生物质气化液对小麦生长的影响

药剂处理 药剂含量/% 生物质气化液对小麦生长的影响根长/cm 茎长/cm 根数发芽率/% 竹醋0.2510.80±0.279.73±0.175.30±0.1393.30±3.331.255.59±0.70∗7.18±0.19∗3.60±0.1840.00±10.00∗2.50.00±0.00∗0.00±0.00∗0.00±0.00∗0.00±0.00∗50.00±0.00∗0.00±0.00∗0.00±0.00∗0.00±0.00∗木醋0.2512.45±0.549.66±0.535.50±4.42∗83.30±3.331.256.49±1.59∗6.19±0.57∗4.76±3.3066.60±6.662.52.60±0.14∗4.23±0.70∗3.40±0.1230.00±5.77∗50.00±0.00∗0.00±0.00∗0.00±0.00∗0.0±0.00∗秸秆醋0.2510.86±0.3712.70±0.765.26±0.6686.60±3.331.259.73±1.40∗10.11±0.985.23±0.4963.30±12.01∗2.54.02±0.30∗6.81±1.49∗4.20±0.0530.00±5.77∗50.00±0.00∗0.00±0.00∗0.00±0.00∗0.00±0.00∗清水014.02±0.4910.98±0.204.40±0.1180.00±5.77

注：*与对照组有显著差异p<0.05

由结果可见：不同浓度的3种生物质气化液对小麦的影响表现为低体积分数(0.25%)对小麦生长没有显著影响，随着浓度的升高对小麦生长有不同程度的抑制效果，浓度越高抑制效果越显著。3种气化液对小麦的生长影响大小为：竹醋>木醋>秸秆醋。

2.2 生物质气化液对土壤酶的影响

试验使用小麦生长试验结束后的土壤进行酶活性测定，在研究生物质气化液对小麦影响的同时观察对土壤酶的影响。表2为生物质气化液对土壤脲酶活性的影响，可见体积分数为0.25%的竹醋、木醋处理组与对照组相比有显著促进作用；体积分数为1.25%的竹醋、木醋处理组没有显著差异；而体积分数为2.5%和5%的竹醋、木醋处理组表现显著抑制。体积分数为5%的秸秆醋表现为显著促进而其他3个浓度没有显著影响。这3种生物质气化液对土壤脲酶的影响有所差异。图1的土壤脲酶活性抑制率显示，竹醋与木醋相似，在低浓度对脲酶有促进作用，浓度越高抑制率就越大；而秸秆醋对脲酶活性影响不大，对土壤脲酶活性抑制作用为：竹醋>木醋>秸秆醋。

表2 生物质气化液对几种土壤酶活性的影响

药剂处理药剂含量/% 生物质气化液对土壤酶活性的影响脲酶/(NH3-H mg·g-1d-1)蛋白酶/(NH2-H mg·g-1d-1)蔗糖酶/(mg·g-1d-1)竹醋0.250.20±0.004∗0.24±0.027 0.67±0.0611.250.12±0.0070.36±0.0201.45±0.093∗2.50.08±0.009∗0.26±0.050 1.056±0.030∗50.076±0.011∗0.15±0.040∗1.096±0.048∗木醋0.250.21±0.013∗0.33±0.0140.97±0.0391.250.107±0.0200.64±0.041∗1.17±0.067∗2.50.098±0.009∗0.58±0.0291.21±0.140∗50.075±0.008∗0.31±0.0310.98±0.065∗秸秆醋0.250.13±0.0070.62±0.310∗0.88±0.378 1.250.13±0.0130.56±0.026∗0.80±0.0042.50.12±0.0060.47±0.025∗0.66±0.02650.185±0.010∗0.33±0.0180.88±0.048对照(CK)00.14±0.0100.24±0.0230.69±0.040

注：*与对照组有显著差异p<0.05

图1 土壤脲酶活性抑制率(%)

对土壤蛋白酶活性的影响见表2，体积分数为0.25%、1.25%和2.5%的竹醋处理组没有显著差异，体积分数为5%的竹醋处理组显著抑制蛋白酶活性。体积分数为1.25%的木醋处理组显著促进，其他3个浓度竹醋没有显著影响。体积分数为0.25%、1.25%和2.5%的秸秆醋处理组显著促进蛋白酶活性，5%的秸秆醋处理组没有显著影响。图2显示:低浓度的竹醋和木醋对蛋白酶没有显著影响，体积分数为1.25%浓度时这3种醋液对土壤蛋白酶活性抑制率最低。竹醋处理组对蛋白酶活性抑制率大于木醋与秸秆醋处理组。

对土壤蔗糖酶活性的影响见表2和图3。体积分数为0.25%的竹醋、木醋处理组没有显著影响，体积分数为1.25%、2.5%和5%的竹醋、木醋处理组显著促进，而秸秆醋液处理组4个体积分数没有显著影响。低体积分数(0.25%)的3种生物质气化液对土壤蔗糖酶活性影响不显著，随着浓度升高，抑制率降低。这3种醋液对蔗糖酶活性抑制的影响为秸秆醋处理组大于木醋与竹醋处理组。

图2 土壤蛋白活性抑制率(%)

图3 土壤蔗糖酶活性抑制率(%)

3 结论与讨论

3种生物质气化液在低浓度时对小麦苗期生长没有显著差异，高浓度时会抑制小麦出芽，也对小麦苗期生长有抑制作用。对培养小麦的土壤进行3种酶活性的测定发现：生物质气化液在低于1.25%体积分数以下有促进作用，高浓度有抑制作用，对土壤酶活性抑制率为脲酶>蛋白酶>蔗糖酶。观察不同浓度的生物质气化液浇灌的小麦以及对3种土壤酶活性的影响发现：体积分数为0.25%为有益小麦生长的浓度，并对这3种酶有积极影响；质量分数为1.25%浓度下虽对小麦有消极影响，但对土壤的3种酶有一定的积极影响。这3种生物质气化液对小麦和土壤的影响不同，对小麦的生长抑制程度大小为：竹醋>木醋>秸秆醋，对土壤酶活性抑制程度大小为：竹醋>木醋>秸秆醋。

我国是农业大国，竹、木、秸秆等生物质资源丰富，生物质资源加工后产生的废液经过处理后可用于食品、化妆、医疗、农业等大量领域。生物质气化液是一种天然的有机产物，有相关研究表明：生物质气化液对农作物生长有积极影响，能提升农作物品质，提高作物产量[13-14]。生物质炭在农业上的应用特别是农林废弃物炭化还田对土壤、作物及农田生态系统的影响已经有大量报道。炭对土壤理化性质、微生物群落结构、土壤酶活性、重金属迁移等影响的研究工作也有大量的报道，但生物质醋对土壤的影响研究很少有报道，尤其是秸秆醋液[15]。为扩大生物质醋液的应用，急需开展其对农业生态环境影响的研究，浓度、使用量、使用时间与期限等具体技术因素在农业方面的科学使用。本试验中明确了使用生物质气化液的浓度与其对土壤酶活性的影响，下一步将研究长期使用与过量使用生物质气化液对植物与土壤环境的影响。