沼液浸种对水稻种子萌发的影响范文

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《生态与农村环境学报》2015年第四期

沼气工程是一项以农村畜禽养殖粪便和农作物秸秆等废弃物为原材料，以获取再生能源并解决环境污染问题为目的的农村能源工程［1－3］。通过微生物厌氧发酵，产生以甲烷为主的沼气作为再生燃料;同时降解消耗其原材料中的有机质，从而减少环境污染。为达到污染治理的目的，相关沼气工程还有一个重要的延伸环节，即发酵尾产物沼渣、沼液的去向问题。经过发酵过程，虽然尾产物中有机质显著下降，但尾产物仍含有丰富的N、P、K和微量元素，以及维生素、氨基酸等活性成分［4－5］。因而，有机肥是当前沼渣、沼液的理想消化方向。现代农业生产过程中，化肥已成为保证作物产量的决定性因素。但由于过度使用化肥而带来的水体富营养化等环境问题，以及蔬菜、大米等食品质量下降问题也相当突出。利用有机肥改良土壤环境，改善食品质量是当前农业发展的新趋势［11］。近年来，有关沼液在生菜、西红柿和玉米等农作物栽培中的应用研究也时有报道。

关于沼液在水稻生产中应用的报道很多，但所得结论却差异很大。多数研究认同沼液施肥可以减轻病虫害，提高水稻产量和质量，但张进等却发现沼液完全代替化肥施用对水稻生长及产量形成是不利的。另外，也有不少研究认为沼液浸种可以提高水稻种子的萌发，并提升幼苗质量。相关报道集中于不同沼液浸种时间对种子萌发的影响，但适宜的浸种时间尚无定论，如李骏等［17］认为以12～36h为宜，丁丽则认为以24～44h为宜。有关适宜浸种沼液浓度的研究较少。李骏等［17］的浸种实验中并未对沼液进行稀释，而魏章焕等则提出纯沼液浸种效果不如稀释液〔V(沼液)∶V(水)=1∶1〕。上述研究结果的差异除了因为部分实验条件粗糙、精确度有限以外，也可能与不同来源的沼液本身质量存在较大差异有关。相关沼液浓度和浸种时间的不确定性给沼液在生产实践中的应用带来诸多困扰。为进一步明确沼液在水稻浸种过程中的应用价值及其使用方法，该研究在室内环境因素精确控制条件下，研究不同沼液浓度对水稻浸种效果的差异。考虑到不同来源的沼液在组成成分和浓度上存在较大差异，文中列出了此次实验所用沼液的基本理化参数，以便后续不同沼液间的比较。

1材料与方法

1.1实验材料采用水稻日本晴品系(yzasativa)，人工选取饱满种子作为研究对象。实验所用沼液来自上海林海生态技术股份有限公司下属富民农场沼气工程点。沼液基本理化性质:pH值为7.14，电导率为5.88mS•cm－1，ρ(COD)为37878.8mg•L－1，总氮、总磷、总钾、铜和锌的质量浓度分别为1569.1、1757.1、1367.5、130.1和219.0mg•L－1。

1.2浸种及萌发过程以去离子水稀释沼液，获得2%、5%、10%、25%、50%和100%(纯沼液)浓度梯度(相当于总氮质量浓度为31.4、78.5、156.9、392.3、784.6和1569.1mg•L－1)。依次量取稀释后的沼液50mL于小烧杯中，每杯放入20颗种子，搅动使其完全浸入液体中。每组沼液浓度设置5个重复，同时设纯水处理作为对照。为防浸种过程中沼液残余微生物耗氧而导致水稻种子缺氧，将小烧杯置于气浴恒温振荡器(SHZ－82A，金坛)中旋转培养，设定温度为30℃，转速为150r•min－1。24h后将沼液倒掉，种子转移至光照培养箱(新苗GZX－250BS－Ⅲ，上海)内催芽。种子放入玻璃培养皿中，上下各铺1层滤纸，每日早晚2次以去离子水湿润滤纸，并以无明显积水为准。培养箱设定t(光)∶t(暗)=12h∶12h，〔光〕照度为6000lx，温度保持在30℃。

1.3萌发指标测定自催芽开始后每隔24h调查萌发种子数，以幼芽伸出2mm以上为萌出依据。参考CHIAPUSIO等［20］的萌发速率指数(S)分析不同处理间种子萌出的快慢，具体计算公式:S=(N1/1+N2/2+N3/3)/(N1+N2+N3)。其中，N1、N2和N3分别为催芽开始后第24、48和72h时萌出的种子数。预实验结果表明，在该实验条件下，自催芽开始3d后不再有新的种子萌出，即在实验第3天从每皿中选出3株长势最佳的幼苗(50%沼液处理取全部幼苗)，测定其茎长、茎粗、根数和总根长等形态学参数。鉴于该实验所得萌发率与已有报道差异很大，该实验自催芽初始和3d后分别测定培养材料的呼吸速率。具体测定以CIRAS－2光合测定系统联合土壤呼吸室(PPSystems，美国)进行，每组沼液处理随机取3个皿，将全部材料(包括萌发的幼苗和未萌发的种子)转移至呼吸室中，以大气为气源，控制流速为200mL•min－1，测定温度为室温(28℃)。期间保持材料表面湿润，待仪器稳定后读出CO2摩尔分数差值〔△x(CO2)〕。测定结束后称量材料鲜重，并以此换算出单位质量材料每小时的呼吸量。计算方式:呼吸速率=△x(CO2)×气体流速×10－3/24.7×60/鲜重。其中，24.7为28℃和标准大气压下空气的平均摩尔体积，L•mol－1;60为时间单位换算率，min•h－1。待测材料鲜重呼吸速率(以CO2计)单位为μmol•g－1•h－1。最后将每皿幼苗的芽(茎叶)和根自基部切开，烘干至恒重后称量并换算为单株平均干重。

1.4数据分析与统计不同沼液浓度处理间以单因素方差分析和Duncan多重比较法统计分析指标差异显著性，指标变化趋势与沼液浓度间相关性以Pearson双尾检验进行分析。试验结果以平均值±标准误差形式表示。

2结果与分析

2.1不同浓度沼液浸种对水稻种子萌发率和萌发速率的影响图1显示，日本晴水稻种子萌发率很高，经纯水浸种可达98%，其萌发速度也很快。24h沼液浸种对日本晴水稻种子萌发率和萌发速率未产生促进作用。2%～5%沼液对水稻种子萌发率无显著影响。但10%及更高浓度的沼液使水稻种子萌发率急剧下降(P＜0.05)，25%和50%沼液处理萌发率分别仅为对照的50%(P＜0.05)和3%(P＜0.05)，纯沼液处理无种子萌发(P＜0.05)。沼液浸种同样降低了水稻种子的萌发速率。除2%沼液处理水稻种子萌发速率较对照无显著变化(P＞0.05)外，更高浓度沼液浸种后水稻种子萌发速率呈显著下降趋势(图1)。其中，5%沼液处理S值较对照下降27%(P＜0.05)，10%～25%沼液处理S值分别较对照下降57%～76%(P＜0.05)，50%沼液处理S值仅为对照的1%(P＜0.05)。

2.2不同浓度沼液浸种对水稻形态学参数的影响催芽开始后72h内，纯水浸种的对照幼苗芽长可达3.6cm(图2)。2%沼液浸种后水稻幼苗芽长与对照相比无显著差异(P＞0.05)。5%及以上浓度沼液浸种后水稻幼苗芽长随沼液浓度的升高呈线性下降。其中，5%和50%沼液浸种处理芽长分别较对照下降16%(P＜0.05)和86%(P＜0.05)。粗出现小幅下降，但较对照差异不显著(P＞0.05)。仅50%沼液处理较对照下降28%(P＜0.05)。对照水稻幼苗平均根数为4.3条•株－1(图2)。2%沼液浸种后水稻幼苗单株根数可达5.0条•株－1，较对照增加15%(P＜0.05)。随着沼液浓度的升高，这种促进作用随即消失。5%沼液浸种后单株水稻幼苗根数比对照下降12%(P＞0.05)。10%～50%沼液浸种使单株水稻幼苗根数急剧下降，仅为对照的23%(P＜0.05)，即每株只有1条根。纯水浸种条件下单株水稻平均总根长为8.4cm(图2)。除2%沼液浸种处理单株总根长与对照无显著差异外(P＞0.05)，更高浓度沼液浸种对水稻幼苗单株总根长整体呈抑制趋势。其中，5%沼液处理单株总根长较对照下降28%(P＜0.05)，10%～25%处理较对照下降69%～76%(P＜0.05)。50%沼液处理单株总根长为对照的5%(P＜0.05)。

2.3不同浓度沼液浸种对水稻幼苗生物量的影响沼液浸种对水稻幼苗生物量的影响见图3。2%沼液浸种后水稻幼苗芽生物量较纯水浸种的对照略有增加，但差异不显著(P＞0.05，图3)。更高浓度沼液处理水稻幼苗芽生物量随沼液浓度的升高呈线性下降。其中，5%沼液处理水稻幼苗芽生物量较对照下降22%(P＜0.05)，50%沼液处理芽生物量较对照下降83%(P＜0.05)。不同浓度沼液浸种均显著降低了水稻幼苗根生物量(图3)。其中，2%和5%沼液浸种后水稻幼苗根生物量较对照分别下降27%和40%(P＜0.05)，10%～50%沼液浸种使根生物量下降62%～86%(P＜0.05)。芽/根生物量比值进一步证实沼液浸种对水稻幼苗根的抑制作用大于对芽的抑制作用(图3)。这表现为不同浓度沼液处理水稻幼苗芽/根生物量比值均高于对照，其中2%～25%沼液浸种后幼苗芽/根比值上升31%～44%，50%沼液处理芽/根比值较低、中浓度沼液处理有所下降，但仍比对照高8%。

2.4沼液浸种浓度与水稻萌发参数的相关性分析由单因素方差分析可知，不同浓度沼液处理间上述测定指标均存在显著差异(表1)。其中，水稻种子萌发率，萌发速率，幼苗芽长、根数、总根长、芽生物量和根生物量的差异均达极显著水平(P＜0.001)，另外，幼苗茎粗和芽/根生物量比值的差异也达显著水平(P＜0.05)。由相关性检验可知，上述多数指标的变化趋势与处理沼液浓度呈显著负相关关系。其中，水稻种子萌发率，萌发速率，幼苗芽长、根数、总根长、芽生物量和根生物量分别与沼液浓度之间在α=0.001水平上相关极显著，茎粗与沼液浓度之间在α=0.01水平上相关显著。仅芽/根生物量比值与沼液浓度之间的相关性未达显著水平。

2.5不同浓度沼液浸种对水稻材料呼吸速率的影响沼液浸种24h后，即催芽刚开始且仅部分水稻种子露白时，不同浓度沼液处理呼吸作用就已发生显著变化。其中，2%沼液浸种后水稻种子呼吸速率与纯水浸种的对照无显著差异(P＞0.05，图4)，但5%沼液处理种子呼吸速率较对照增加4.6倍(P＜0.05)。更高浓度沼液处理下，水稻种子呼吸速率变化幅度有所下降，10%处理呼吸速率较对照提高2.8倍(P＜0.05)，25%沼液处理较对照仍提高1.3倍(P＞0.05)，但50%沼液处理水稻种子呼吸速率被抑制，比对照降低21%(P＞0.05)。催芽72h时，对照水稻材料(主要为幼苗)呼吸速率较催芽初始(种子)上升约3倍(图4)。催芽72h时所有沼液处理水稻呼吸速率均显著低于同期对照，其中，2%～10%沼液处理呼吸速率较对照下降30%～32%(P＜0.05)，25%沼液处理较对照下降48%(P＜0.05)，50%沼液处理较对照下降63%(P＜0.05)。

3讨论与结论

笔者实验条件下，日本晴水稻种子萌发率可达98%。2%沼液浸种不影响水稻种子萌发率，可增加萌出幼苗的根数及芽生物量，但降低根生物量，因而促使芽/根生物量比值增加。2%沼液浸种对水稻种子萌发速率，萌出幼苗的长度、茎粗和总根长无显著影响。5%及以上浓度沼液浸种不利于水稻种子萌发，其抑制作用随着沼液浓度的增加而增强。50%和100%沼液浸种后水稻种子的萌发几乎完全被抑制。以往多数报道认为沼液浸种可以促进水稻种子的萌发，但是，龙胜碧等［21］发现沼液浸种降低了水稻种子的萌发率，笔者研究结果与其一致。为进一步探讨该抑制过程，笔者还分析了催芽期间水稻材料呼吸速率的变化，发现催芽初期5%～25%沼液处理材料的呼吸速率远高于对照和2%沼液处理。虽然沼液中含有大量微生物［22］，但笔者实验中呼吸速率上升幅度与沼液浓度不呈正比，且50%沼液处理呼吸速率很低，可以判断呼吸速率的上升是由于水稻种子本身引起的，而并非沼液中残余微生物的代谢，说明5%～25%沼液浸种刺激了水稻种子萌发早期呼吸速率的升高。为何萌发后期水稻种子的呼吸速率反而下降，尚无明确的解释。催芽72h时所测呼吸速率主要来自已萌出的水稻幼苗，相关数据也进一步佐证了幼苗的生长随着沼液浓度的升高而呈逐渐减弱的趋势。笔者研究表明，沼液浸种整体不利于水稻种子萌发，可能有2个方面的原因。首先，沼液中可能存在重金属。笔者后续的研究发现同一沼气池中(不同批次)沼液ρ(Pb)达到20.12mg•L－1。刘明久等［23］曾报道水稻催芽过程中50mg•L－1的Pb2+处理可抑制幼苗的芽高、根长、苗鲜质量及根鲜质量，但不影响种子发芽率。BIAN等也曾发现太湖地区蔬菜地使用沼液施肥后，土壤和植物中Ni、Zn、Cd和Pb等重金属超标，高浓度沼液处理之所以抑制水稻种子的萌发，有可能是因为受到Pb污染的干扰。GB5084—2005《农田灌溉水质标准》要求ρ(Pb)不超过0.2mg•L－1。沼液等有机肥在农业应用过程中可能引发的重金属污染是一个需要密切关注的问题。其次，沼液中可能含有其他抑制幼苗萌出的成分。沼液成分复杂，除含有植物生长所需的N、P、K等营养成分以外，也可能存在其他尚不清楚的生物抑制物质。部分水稻沼液浸种实验中，会在浸种后催芽前以清水洗净种子。而笔者试验中浸种后材料未经清洗，催芽过程中也只是以去离子水保持湿润，可能是种子表面黏附的沼液残余物抑制了后续幼苗的萌出。综上所述，水稻浸种过程中应慎用沼液。但这并非完全否定沼液在农业生产中的应用。笔者研究表明，在水稻分蘖期和抽穗期以沼液进行施肥实验，可有效提高水稻产量(数据尚未发表)。这可能是种子萌发期较分蘖期和抽穗期对沼液中某些成分更敏感，因而容易造成不利影响。

作者：倪天驰 周长芳 朱洪光 周飞 李祎涵 胡楚琦 单位：南京大学生命科学学院  医药生物技术国家重点实验室 同济大学现代农业科学与工程研究院生物质能源研究中心