沼液浸種對水稻種子萌發的影響范文

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《生態與農村環境學報》2015年第四期

沼氣工程是一項以農村畜禽養殖糞便和農作物秸稈等廢棄物為原材料，以獲取再生能源并解決環境污染問題為目的的農村能源工程［1－3］。通過微生物厭氧發酵，產生以甲烷為主的沼氣作為再生燃料;同時降解消耗其原材料中的有機質，從而減少環境污染。為達到污染治理的目的，相關沼氣工程還有一個重要的延伸環節，即發酵尾產物沼渣、沼液的去向問題。經過發酵過程，雖然尾產物中有機質顯著下降，但尾產物仍含有豐富的N、P、K和微量元素，以及維生素、氨基酸等活性成分［4－5］。因而，有機肥是當前沼渣、沼液的理想消化方向。現代農業生產過程中，化肥已成為保證作物產量的決定性因素。但由于過度使用化肥而帶來的水體富營養化等環境問題，以及蔬菜、大米等食品質量下降問題也相當突出。利用有機肥改良土壤環境，改善食品質量是當前農業發展的新趨勢［11］。近年來，有關沼液在生菜、西紅柿和玉米等農作物栽培中的應用研究也時有報道。

關于沼液在水稻生產中應用的報道很多，但所得結論卻差異很大。多數研究認同沼液施肥可以減輕病蟲害，提高水稻產量和質量，但張進等卻發現沼液完全代替化肥施用對水稻生長及產量形成是不利的。另外，也有不少研究認為沼液浸種可以提高水稻種子的萌發，并提升幼苗質量。相關報道集中于不同沼液浸種時間對種子萌發的影響，但適宜的浸種時間尚無定論，如李駿等［17］認為以12～36h為宜，丁麗則認為以24～44h為宜。有關適宜浸種沼液濃度的研究較少。李駿等［17］的浸種實驗中并未對沼液進行稀釋，而魏章煥等則提出純沼液浸種效果不如稀釋液〔V(沼液)∶V(水)=1∶1〕。上述研究結果的差異除了因為部分實驗條件粗糙、精確度有限以外，也可能與不同來源的沼液本身質量存在較大差異有關。相關沼液濃度和浸種時間的不確定性給沼液在生產實踐中的應用帶來諸多困擾。為進一步明確沼液在水稻浸種過程中的應用價值及其使用方法，該研究在室內環境因素精確控制條件下，研究不同沼液濃度對水稻浸種效果的差異。考慮到不同來源的沼液在組成成分和濃度上存在較大差異，文中列出了此次實驗所用沼液的基本理化參數，以便后續不同沼液間的比較。

1材料與方法

1.1實驗材料采用水稻日本晴品系(yzasativa)，人工選取飽滿種子作為研究對象。實驗所用沼液來自上海林海生態技術股份有限公司下屬富民農場沼氣工程點。沼液基本理化性質:pH值為7.14，電導率為5.88mS•cm－1，ρ(COD)為37878.8mg•L－1，總氮、總磷、總鉀、銅和鋅的質量濃度分別為1569.1、1757.1、1367.5、130.1和219.0mg•L－1。

1.2浸種及萌發過程以去離子水稀釋沼液，獲得2%、5%、10%、25%、50%和100%(純沼液)濃度梯度(相當于總氮質量濃度為31.4、78.5、156.9、392.3、784.6和1569.1mg•L－1)。依次量取稀釋后的沼液50mL于小燒杯中，每杯放入20顆種子，攪動使其完全浸入液體中。每組沼液濃度設置5個重復，同時設純水處理作為對照。為防浸種過程中沼液殘余微生物耗氧而導致水稻種子缺氧，將小燒杯置于氣浴恒溫振蕩器(SHZ－82A，金壇)中旋轉培養，設定溫度為30℃，轉速為150r•min－1。24h后將沼液倒掉，種子轉移至光照培養箱(新苗GZX－250BS－Ⅲ，上海)內催芽。種子放入玻璃培養皿中，上下各鋪1層濾紙，每日早晚2次以去離子水濕潤濾紙，并以無明顯積水為準。培養箱設定t(光)∶t(暗)=12h∶12h，〔光〕照度為6000lx，溫度保持在30℃。

1.3萌發指標測定自催芽開始后每隔24h調查萌發種子數，以幼芽伸出2mm以上為萌出依據。參考CHIAPUSIO等［20］的萌發速率指數(S)分析不同處理間種子萌出的快慢，具體計算公式:S=(N1/1+N2/2+N3/3)/(N1+N2+N3)。其中，N1、N2和N3分別為催芽開始后第24、48和72h時萌出的種子數。預實驗結果表明，在該實驗條件下，自催芽開始3d后不再有新的種子萌出，即在實驗第3天從每皿中選出3株長勢最佳的幼苗(50%沼液處理取全部幼苗)，測定其莖長、莖粗、根數和總根長等形態學參數。鑒于該實驗所得萌發率與已有報道差異很大，該實驗自催芽初始和3d后分別測定培養材料的呼吸速率。具體測定以CIRAS－2光合測定系統聯合土壤呼吸室(PPSystems，美國)進行，每組沼液處理隨機取3個皿，將全部材料(包括萌發的幼苗和未萌發的種子)轉移至呼吸室中，以大氣為氣源，控制流速為200mL•min－1，測定溫度為室溫(28℃)。期間保持材料表面濕潤，待儀器穩定后讀出CO2摩爾分數差值〔△x(CO2)〕。測定結束后稱量材料鮮重，并以此換算出單位質量材料每小時的呼吸量。計算方式:呼吸速率=△x(CO2)×氣體流速×10－3/24.7×60/鮮重。其中，24.7為28℃和標準大氣壓下空氣的平均摩爾體積，L•mol－1;60為時間單位換算率，min•h－1。待測材料鮮重呼吸速率(以CO2計)單位為μmol•g－1•h－1。最后將每皿幼苗的芽(莖葉)和根自基部切開，烘干至恒重后稱量并換算為單株平均干重。

1.4數據分析與統計不同沼液濃度處理間以單因素方差分析和Duncan多重比較法統計分析指標差異顯著性，指標變化趨勢與沼液濃度間相關性以Pearson雙尾檢驗進行分析。試驗結果以平均值±標準誤差形式表示。

2結果與分析

2.1不同濃度沼液浸種對水稻種子萌發率和萌發速率的影響圖1顯示，日本晴水稻種子萌發率很高，經純水浸種可達98%，其萌發速度也很快。24h沼液浸種對日本晴水稻種子萌發率和萌發速率未產生促進作用。2%～5%沼液對水稻種子萌發率無顯著影響。但10%及更高濃度的沼液使水稻種子萌發率急劇下降(P＜0.05)，25%和50%沼液處理萌發率分別僅為對照的50%(P＜0.05)和3%(P＜0.05)，純沼液處理無種子萌發(P＜0.05)。沼液浸種同樣降低了水稻種子的萌發速率。除2%沼液處理水稻種子萌發速率較對照無顯著變化(P＞0.05)外，更高濃度沼液浸種后水稻種子萌發速率呈顯著下降趨勢(圖1)。其中，5%沼液處理S值較對照下降27%(P＜0.05)，10%～25%沼液處理S值分別較對照下降57%～76%(P＜0.05)，50%沼液處理S值僅為對照的1%(P＜0.05)。

2.2不同濃度沼液浸種對水稻形態學參數的影響催芽開始后72h內，純水浸種的對照幼苗芽長可達3.6cm(圖2)。2%沼液浸種后水稻幼苗芽長與對照相比無顯著差異(P＞0.05)。5%及以上濃度沼液浸種后水稻幼苗芽長隨沼液濃度的升高呈線性下降。其中，5%和50%沼液浸種處理芽長分別較對照下降16%(P＜0.05)和86%(P＜0.05)。粗出現小幅下降，但較對照差異不顯著(P＞0.05)。僅50%沼液處理較對照下降28%(P＜0.05)。對照水稻幼苗平均根數為4.3條•株－1(圖2)。2%沼液浸種后水稻幼苗單株根數可達5.0條•株－1，較對照增加15%(P＜0.05)。隨著沼液濃度的升高，這種促進作用隨即消失。5%沼液浸種后單株水稻幼苗根數比對照下降12%(P＞0.05)。10%～50%沼液浸種使單株水稻幼苗根數急劇下降，僅為對照的23%(P＜0.05)，即每株只有1條根。純水浸種條件下單株水稻平均總根長為8.4cm(圖2)。除2%沼液浸種處理單株總根長與對照無顯著差異外(P＞0.05)，更高濃度沼液浸種對水稻幼苗單株總根長整體呈抑制趨勢。其中，5%沼液處理單株總根長較對照下降28%(P＜0.05)，10%～25%處理較對照下降69%～76%(P＜0.05)。50%沼液處理單株總根長為對照的5%(P＜0.05)。

2.3不同濃度沼液浸種對水稻幼苗生物量的影響沼液浸種對水稻幼苗生物量的影響見圖3。2%沼液浸種后水稻幼苗芽生物量較純水浸種的對照略有增加，但差異不顯著(P＞0.05，圖3)。更高濃度沼液處理水稻幼苗芽生物量隨沼液濃度的升高呈線性下降。其中，5%沼液處理水稻幼苗芽生物量較對照下降22%(P＜0.05)，50%沼液處理芽生物量較對照下降83%(P＜0.05)。不同濃度沼液浸種均顯著降低了水稻幼苗根生物量(圖3)。其中，2%和5%沼液浸種后水稻幼苗根生物量較對照分別下降27%和40%(P＜0.05)，10%～50%沼液浸種使根生物量下降62%～86%(P＜0.05)。芽/根生物量比值進一步證實沼液浸種對水稻幼苗根的抑制作用大于對芽的抑制作用(圖3)。這表現為不同濃度沼液處理水稻幼苗芽/根生物量比值均高于對照，其中2%～25%沼液浸種后幼苗芽/根比值上升31%～44%，50%沼液處理芽/根比值較低、中濃度沼液處理有所下降，但仍比對照高8%。

2.4沼液浸種濃度與水稻萌發參數的相關性分析由單因素方差分析可知，不同濃度沼液處理間上述測定指標均存在顯著差異(表1)。其中，水稻種子萌發率，萌發速率，幼苗芽長、根數、總根長、芽生物量和根生物量的差異均達極顯著水平(P＜0.001)，另外，幼苗莖粗和芽/根生物量比值的差異也達顯著水平(P＜0.05)。由相關性檢驗可知，上述多數指標的變化趨勢與處理沼液濃度呈顯著負相關關系。其中，水稻種子萌發率，萌發速率，幼苗芽長、根數、總根長、芽生物量和根生物量分別與沼液濃度之間在α=0.001水平上相關極顯著，莖粗與沼液濃度之間在α=0.01水平上相關顯著。僅芽/根生物量比值與沼液濃度之間的相關性未達顯著水平。

2.5不同濃度沼液浸種對水稻材料呼吸速率的影響沼液浸種24h后，即催芽剛開始且僅部分水稻種子露白時，不同濃度沼液處理呼吸作用就已發生顯著變化。其中，2%沼液浸種后水稻種子呼吸速率與純水浸種的對照無顯著差異(P＞0.05，圖4)，但5%沼液處理種子呼吸速率較對照增加4.6倍(P＜0.05)。更高濃度沼液處理下，水稻種子呼吸速率變化幅度有所下降，10%處理呼吸速率較對照提高2.8倍(P＜0.05)，25%沼液處理較對照仍提高1.3倍(P＞0.05)，但50%沼液處理水稻種子呼吸速率被抑制，比對照降低21%(P＞0.05)。催芽72h時，對照水稻材料(主要為幼苗)呼吸速率較催芽初始(種子)上升約3倍(圖4)。催芽72h時所有沼液處理水稻呼吸速率均顯著低于同期對照，其中，2%～10%沼液處理呼吸速率較對照下降30%～32%(P＜0.05)，25%沼液處理較對照下降48%(P＜0.05)，50%沼液處理較對照下降63%(P＜0.05)。

3討論與結論

筆者實驗條件下，日本晴水稻種子萌發率可達98%。2%沼液浸種不影響水稻種子萌發率，可增加萌出幼苗的根數及芽生物量，但降低根生物量，因而促使芽/根生物量比值增加。2%沼液浸種對水稻種子萌發速率，萌出幼苗的長度、莖粗和總根長無顯著影響。5%及以上濃度沼液浸種不利于水稻種子萌發，其抑制作用隨著沼液濃度的增加而增強。50%和100%沼液浸種后水稻種子的萌發幾乎完全被抑制。以往多數報道認為沼液浸種可以促進水稻種子的萌發，但是，龍勝碧等［21］發現沼液浸種降低了水稻種子的萌發率，筆者研究結果與其一致。為進一步探討該抑制過程，筆者還分析了催芽期間水稻材料呼吸速率的變化，發現催芽初期5%～25%沼液處理材料的呼吸速率遠高于對照和2%沼液處理。雖然沼液中含有大量微生物［22］，但筆者實驗中呼吸速率上升幅度與沼液濃度不呈正比，且50%沼液處理呼吸速率很低，可以判斷呼吸速率的上升是由于水稻種子本身引起的，而并非沼液中殘余微生物的代謝，說明5%～25%沼液浸種刺激了水稻種子萌發早期呼吸速率的升高。為何萌發后期水稻種子的呼吸速率反而下降，尚無明確的解釋。催芽72h時所測呼吸速率主要來自已萌出的水稻幼苗，相關數據也進一步佐證了幼苗的生長隨著沼液濃度的升高而呈逐漸減弱的趨勢。筆者研究表明，沼液浸種整體不利于水稻種子萌發，可能有2個方面的原因。首先，沼液中可能存在重金屬。筆者后續的研究發現同一沼氣池中(不同批次)沼液ρ(Pb)達到20.12mg•L－1。劉明久等［23］曾報道水稻催芽過程中50mg•L－1的Pb2+處理可抑制幼苗的芽高、根長、苗鮮質量及根鮮質量，但不影響種子發芽率。BIAN等也曾發現太湖地區蔬菜地使用沼液施肥后，土壤和植物中Ni、Zn、Cd和Pb等重金屬超標，高濃度沼液處理之所以抑制水稻種子的萌發，有可能是因為受到Pb污染的干擾。GB5084—2005《農田灌溉水質標準》要求ρ(Pb)不超過0.2mg•L－1。沼液等有機肥在農業應用過程中可能引發的重金屬污染是一個需要密切關注的問題。其次，沼液中可能含有其他抑制幼苗萌出的成分。沼液成分復雜，除含有植物生長所需的N、P、K等營養成分以外，也可能存在其他尚不清楚的生物抑制物質。部分水稻沼液浸種實驗中，會在浸種后催芽前以清水洗凈種子。而筆者試驗中浸種后材料未經清洗，催芽過程中也只是以去離子水保持濕潤，可能是種子表面黏附的沼液殘余物抑制了后續幼苗的萌出。綜上所述，水稻浸種過程中應慎用沼液。但這并非完全否定沼液在農業生產中的應用。筆者研究表明，在水稻分蘗期和抽穗期以沼液進行施肥實驗，可有效提高水稻產量(數據尚未發表)。這可能是種子萌發期較分蘗期和抽穗期對沼液中某些成分更敏感，因而容易造成不利影響。

作者：倪天馳 周長芳 朱洪光 周飛 李祎涵 胡楚琦 單位：南京大學生命科學學院  醫藥生物技術國家重點實驗室 同濟大學現代農業科學與工程研究院生物質能源研究中心