萬思宇，王文玉，張雪松，趙海成，張家智，鄭桂萍

（黑龍江八一農(nóng)墾大學農(nóng)學院，大慶 163319）

我國作為農(nóng)業(yè)大國，各類農(nóng)作物秸稈資源十分豐富，每年約生產(chǎn)7.0億t左右[1-2]，并且產(chǎn)量仍在逐年增加[3]，主要為稻草、玉米秸、豆秸，約占總量的75%以上[4]。秸稈中含有大量粗纖維，且有較高熱值，還普遍有著豐富的有機碳、N、P、K、Mg、Ca等營養(yǎng)元素[5]，具有可再生性，資源豐富性等特點，是一種寶貴的資源[6]。近年來秸稈資源的利用率普遍較低，目前只能利用其中的1/3，但有2/3因為缺乏相應設備和技術只能堆積甚至焚燒掉[7]，這不僅造成了大量的資源浪費，也加劇了空氣污染。由于天然秸稈難以降解，這大大減少了秸稈資源的轉(zhuǎn)化率和利用率，因此研究適用的方法處理利用秸稈，增大秸稈資源利用率，將成為緩解我國當前面臨的“能源與環(huán)境”危機的重要途徑之一[8]。秸稈還田是目前解決秸稈綜合利用問題的重要手段[9-10]。秸稈還田可以有效改善土壤理化性狀和生物性狀，增加土壤有機質(zhì)含量、培肥土壤地力，還能使作物增產(chǎn)，達到降低農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境污染的目的[11-12]。但秸稈還田量過大還對作物出苗有嚴重影響[13]。另一方面，作物及秸稈本身還含有多種具有生物活性的化感物質(zhì)，這些物質(zhì)進入到環(huán)境中有的會抑制種子萌發(fā)和幼苗生長[14]。作物秸稈在自然環(huán)境中不能迅速腐解成有機肥被植物吸收利用，這些因素都制約著秸稈的高效利用。因此，采用有效的改良方式對秸稈的再還田是很有必要的。傳統(tǒng)的秸稈處理有氨化、堿化、水泡等處理方法，近年來，蒸汽爆破處理秸稈有所進展。蒸汽爆破處理主要是利用高溫高壓蒸汽，通過瞬間釋放壓力過程，實現(xiàn)原料的組分離散和結構變化。相比其他方法，汽爆具有能耗低、減少化學試劑使用風險、處理時間短等優(yōu)點，可以極大改善秸稈生物質(zhì)特性、減少了營養(yǎng)成分的流失、消滅了秸稈攜帶的傳染性病原菌和寄生蟲卵、減少了秸稈發(fā)酵產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)對根系生長的影響、更利于秸稈被微生物分解、實現(xiàn)培肥土壤。目前，秸稈汽爆多用于飼料，關于汽爆技術在作物秸稈方面的應用對水稻種子萌發(fā)及水稻秧苗素質(zhì)的影響研究鮮有報道。以汽爆膨化的水稻、玉米、大豆秸稈及其浸出液為原材料，探明其對水稻種子萌發(fā)及水稻秧苗素質(zhì)的影響，對于提高水稻產(chǎn)量及品質(zhì)以及環(huán)境保護有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種：墾粳8號（黑龍江八一農(nóng)墾大學），主莖13片葉，株高94.3 cm左右，穗長17.9 cm左右，千粒重23.8 g左右，生育期142 d左右，需≥10℃活動積溫2650℃左右。

供試肥料：尿素(含N46%)、磷酸二銨（P2O546%、N18%）、硫酸鉀（含K2O50%）。

供試秸稈：水稻秸稈、玉米秸稈、大豆秸稈均于2018年作物成熟收獲后采集。

1.2 試驗設計

1.2.1 秸稈汽爆膨化方式

使用莫旗稻樂農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的秸稈汽爆膨化機械對秸稈進行汽爆膨化處理，使用Quanta 450場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡觀察秸稈結構，Mag(放大倍數(shù))為800倍。

秸稈汽爆膨化方法為將秸稈粉碎成1-3 cm→裝入膨化加料箱中(同時加水達秸稈含水20%左右)→螺旋輸送到膨化器中→經(jīng)摩擦生熱→水汽化→膨化器內(nèi)壓力增大→達到一定壓力→秸稈噴出膨化。

1.2.2 汽爆膨化作物秸稈浸提液與水稻種子萌發(fā)、幼苗生長

研究采用二因素完全隨機設計，作物秸稈種類3水平（A1水稻秸稈、A2玉米秸稈、A3大豆秸稈）和汽爆膨化前后2水平（B1膨化前、B2膨化后）共計6個處理。將水稻、玉米、大豆秸稈分別剪成1~3 cm長小段，然后稱取水稻、玉米、大豆秸稈及與之對應的汽爆膨化秸稈10 g，將其放入1 L燒杯里,再將燒杯中倒入1 L純凈的蒸餾水，最后將材料放置在32℃的恒溫箱中，浸泡3 d，制成浸提液用于水稻種子發(fā)芽試驗。

取8 cm直徑的培養(yǎng)皿→鋪3層濾紙→擺入50粒種子（8個重復）→各加入20 mL對應的提取液→放入14 cm×14 cm×8 cm的發(fā)芽盒→置于32℃恒溫箱中→按照標準進行相關指標的調(diào)查測定。按照表1的設計進行浸提液對水稻種子萌發(fā)及發(fā)芽生長影響的研究。

表1 室內(nèi)和秧田各處理組合Table 1 Treatment combination of indoor and seedling fields

1.2.3 三大作物秸稈及汽爆膨化對水稻秧苗素質(zhì)的影響

粉碎的作物秸稈占土體積的25%,秸稈與秧田土壤充分混合，使秸稈均勻分布在各個深度，稱重后相當于每盤混合秸稈粉19.24 g(水稻)、20.33 g（玉米），18.13 g（大豆）于4月7日進行浸種，然后催芽，播種量為芽種130 g·盤-1。秧田試驗設計同表1。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 發(fā)芽指標測定

3 d記錄種子破胸率，4 d調(diào)查種子發(fā)芽勢，7 d調(diào)查種子發(fā)芽率，以芽長超過種子長度1/2、根長達到種子長度為標準。14 d測量20株幼苗芽長、根長。

1.3.2 秧苗素質(zhì)測定

秧苗第一片完全葉全展后，每處理定30株，每3天記載葉齡1次。移栽前(3.1~3.5葉)每處理選取大小一致、長勢相同的20株考查秧苗素質(zhì)，測定主莖株高、莖基寬等。方法是水稻根系先用清水沖洗干凈表面附著物，將根系切下平鋪在根系專用放置盤中，加水并使水層保持在1～1.2 cm，用牙簽將每條不定根單獨分開，用根系形態(tài)專用掃描儀(MicrotekScan－Makeri 800)數(shù)字化掃描，然后用LA-S植物根系分析系統(tǒng)分析總根長、總根面積、總根體積、平均直徑等根系參數(shù)，4次重復。另每盤取100株秧苗，將莖葉和根分開于105℃下殺青20~30 min，80℃烘干至恒重，稱重。

1.4 分析方法

浸提液的pH值用p HS-3C酸度計來測定；電導率EC用電導率儀測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理，用DPS 9.05進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同作物秸稈汽爆膨化對浸提液體理化性質(zhì)的影響

表2結果表明，秸稈種類因素電導率、pH值差異極顯著（F=596.45**、F=147.28**）。電導率表現(xiàn)為A1＞A2＞A3，差異達極顯著水平，A1極顯著高于A2、A3。pH值表現(xiàn)為A3＞A2＞A1，差異達極顯著水平，A3極顯著高于A2、A1。汽爆膨化因素電導率、pH值水平間差異均達到極顯著水平（F=19.86**、F=182.52**）。電導率表現(xiàn)為B1極顯著高于B2。pH值表現(xiàn)為B2極顯著高于B1。

表2 不同作物秸稈與汽爆膨化對秸稈浸提液理化性質(zhì)的影響Table 2 Treatment combination of indoor and seedling fields

2.2 不同作物秸稈汽爆膨化對水稻種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

表3結果表明，秸稈種類因素在破胸率、發(fā)芽勢、發(fā)芽率、芽長、根長方面差異達到極顯著水平（F=144.73**、F=198.67**、F=65.51**、F=239.63**、F=89.81**）。破胸率、發(fā)芽勢、發(fā)芽率均表現(xiàn)為表現(xiàn)為A3＞A2＞A1，A3極顯著高于A2、A1，且A2極顯著高于A1。芽長、根長均表現(xiàn)為A3最大，A1最小，A3極顯著高于A2、A1，且A2極顯著高于A1。汽爆膨化因素破胸率、發(fā)芽勢、發(fā)芽率、芽長、根長水平間差異均達到極顯 著 水 平（F=276.76**、F=220.22**、F=122.27**、F=261.86**、F=146.90**）。B2破胸率、發(fā)芽勢、發(fā)芽率、芽長、根長均極顯著高于B1，增幅分別為9.23%、6.57%、8.46%、3.55%、10.14%。可以看出，汽爆膨化因素對破胸率的影響最大，對根長的影響大于芽長的影響。

表3 不同作物秸稈汽爆膨化對水稻種子萌發(fā)和幼苗生長的影響Table 3 Effect of steam expansion of straw on germination and seedling growth of rice seed

秸稈種類和汽爆膨化對破胸率、發(fā)芽率、芽長、根長的互作效應顯著或極顯著。（F=12.27**、F=4.30*、F=14.83**、F=7.68**）。A1、A2、A3秸稈種類下破胸率B2均極顯著高于B1，增幅分別為14.27%、7.70%、6.38%；A1、A2、A3秸稈種類下發(fā)芽率B2顯著高于B1，增幅分別為10.63%、8.33%、6.61%；A1、A2、A3秸稈種類下芽長B2均極顯著高于B1，增幅分別為4.90%、4.01%、1.84%；A1、A2、A3秸稈種類下根長B2均極顯著高于B1，增幅分別為13.18%、8.23%、9.23%（圖1、2）。

圖1 不同作物秸稈汽爆膨化與破胸率和發(fā)芽率的互作效應Fig.1 Mutual effects of explosion and germination rate of straw in different crops

圖2 不同作物秸稈汽爆膨化與芽長和根長的互作效應Fig.2 Interaction effect of straw explosion and root growth of different crops

2.3 不同作物秸稈汽爆膨化對水稻秧苗素質(zhì)的影響

表4結果表明，秸稈種類因素葉齡、株高、莖基寬、根表面積、根體積、根平均直徑水平間差異達顯著或極顯著（F=56.65**、F=68.66**、F=5.71**、F=3.74*、F=4.70*、F=3.73*）。葉齡表現(xiàn)為A1＞A2＞A3，A1極顯著高于A2、A3，A2與A3差異不顯著。株高與莖基寬表現(xiàn)均為A2＞A3＞A1，A2與A3差異不顯著，二者極顯著高于A1。根表面積表現(xiàn)為A2＞A3＞A1，A2與A3顯著高于A1,二者差異不顯著。根體積表現(xiàn)為A3＞A2＞A1，A2與A3差異不顯著，二者顯著高于A1。根平均直徑表現(xiàn)為A3＞A2＞A1，A3與A2顯著高于A1，二者差異不顯著。汽爆膨化因素葉齡、株高、莖基寬及根系各形態(tài)指標水平間差異達顯著或極顯著水平（F=82.54**、F=37.01**、F=10.63**、F=10.55**、F=29.45**、F=68.41**、F=7.14*）。B2葉齡、株高、莖基寬、根長、根表面積、根體積、根平均直徑均高于B1。其中葉齡、株高、莖基寬、根長、根表面積、根體積、根平均直徑差異達顯著或極顯著水平，分別增加11.33%、43.58%、13.68%、16.30%、13.70%、29.30%、11.76%。

表4 不同作物秸稈汽爆膨化對水稻秧苗素質(zhì)及根系形態(tài)的影響Table 4 Effect of steam expansion of straw on rice seedling quality and the form of root

秸稈種類和汽爆膨化對葉齡、株高的互作效應極顯著（F=28.07**、F=9.78**）。A1秸稈種類下葉齡B2顯著高于B1，增幅為9.38%；A2秸稈種類下葉齡B2顯著高于B1，增幅為10.14%；A3秸稈種類下葉齡B2極顯著高于B1，增幅為14.92%。A1秸稈種類下株高B2極顯著高于B1，增幅為38.37%；A2秸稈種類下株高B2極顯著高于B1，增幅為41.39%；A3秸稈種類下株高B2極顯著高于B1，增幅為50.34%（圖3）。

圖3 不同作物秸稈汽爆膨化與葉齡和株高的互作效應Fig.3 Interaction effect of straw steam explosion and leaf age and plant height in different crops

表5結果表明，秸稈種類因素地上干重、地下干重、總重、根冠比水平間差異顯著或極顯著（F=28.71**、F=4.21*、F=22.78**、F=12.63**）。地上干重、總重均表現(xiàn)為A2＞A3＞A1，差異達極顯著水平，A2極顯著高于A1、A3，A3極顯著高于A1。地下干重表現(xiàn)為A2＞A3＞A1，差異達顯著水平，A2顯著高于A1、A3。根冠比表現(xiàn)為A1＞A3＞A2，差異達極顯著水平，A1極顯著高于A2、A3，A2與A3差異不顯著。汽爆膨化因素地上和地下干重、總重、根冠比水平間差異顯著或極顯著（F=5.62*、F=80.14**、F=43.88**、F=28.22**）。B2地上和地下干重、總重、根冠比均高于B1。地上干重、地下干重、總重、根冠比差異達顯著或極顯著水平，其增幅分別為11.84%、54.72%、29.46%、37.14%。

表5 不同作物秸稈汽爆膨化對水稻秧苗素質(zhì)的影響Table 5 Effect of straw in different croon quality of rice seedlings

秸稈種類和汽爆膨化對根冠比的互作效應極顯著（F=6.47**）。A1秸稈種類下根冠比B2極顯著高于B1，增幅為25.81%；A2秸稈種類下根冠比B2極顯著高于B1，增幅為24.61%；A3秸稈種類下根冠比B2極顯著高于B1，增幅為28.98%（如圖4）。

圖4 秸稈種類汽爆膨化與根冠比的互作效應Fig.4 Interaction effect of steam explosion and root crown ratio of straw species

3 討論

3.1 三大作物秸稈與汽爆膨化浸提液對水稻種子萌發(fā)和幼苗生長的探討

發(fā)芽是植物生長過程中的關鍵時期，鄭曦等[15]研究表明，由于秸稈的化感作用，玉米秸稈浸提液對小麥種子萌發(fā)有一定抑制作用，另外李波等[16]研究發(fā)現(xiàn)，稻草秸稈浸提液對小麥種子萌發(fā)有抑制作用，這與李逢雨等[17]研究結果相似。李悅等[18]研究發(fā)現(xiàn)，線麻秸稈浸提液對四個大豆品種發(fā)芽指數(shù)均有抑制作用。研究發(fā)現(xiàn)，水稻種子的破胸率、發(fā)芽勢、發(fā)芽率值等秸稈汽爆膨化后浸提液處理極顯著高于常規(guī)秸稈浸提液處理，秸稈汽爆膨化后浸提液處理對發(fā)芽指標的影響依次為發(fā)芽率＞發(fā)芽勢＞破胸率，分別較常規(guī)秸稈浸提液處理增加了10.98%、10.84%、9.71%。在試驗中，常規(guī)秸稈浸提液的電導率值均極顯著高于秸稈汽爆膨化后浸提液，這會顯著增加水稻種子質(zhì)膜的透性，導致離子外滲速度變快，破壞了水稻種子萌發(fā)時所需的正常內(nèi)部環(huán)境[19]。試驗的秸稈汽爆膨化后浸提液的pH值極顯著高于常規(guī)秸稈浸提液，通常浸提液pH值越低，酚酸類化感物質(zhì)阻礙植物吸收離子的能力越強，即浸提液pH值越高，化感物質(zhì)越不易穿透細胞膜，從而使作物化感效應降低。由于化感物質(zhì)可以改變酶的活性[20]，因此隨著時間的推移，常規(guī)秸稈浸提液對水稻種子的化感脅迫時間延長，可能會導致酶活性降低。在水稻、玉米、大豆這三類作物的秸稈浸提液處理中，水稻種子的破胸率、發(fā)芽勢等值均為水稻秸稈浸提液處理最小，這可能是因為自身秸稈的毒害作用導致的，這與朱麗珍等[21]研究結果一致。因此有選擇的換茬可以降低化感作用，從而減少對下茬作物的不利影響[22]。研究結果表明，水稻幼苗的芽長和根長等值秸稈汽爆膨化后浸提液處理極顯著高于常規(guī)秸稈浸提液處理，分別較常規(guī)秸稈浸提液處理增加了6.53%、9.82%。這說明秸稈汽爆膨化后浸提液處理對水稻幼苗的根部促進作用更強。已有研究表明，化感物質(zhì)對胚根伸長、根系內(nèi)部結構以及根部細胞分裂等方面有明顯的效果[23]。在水稻、玉米、大豆三種類型的作物秸稈浸提液中，水稻秸稈浸提液處理的芽長最大，但與另外兩種作物秸稈浸提液差異不顯著。玉米秸稈浸提液處理的根長最大，極顯著高于另外兩種秸稈浸提液處理。這可能是不同作物秸稈浸提液中提供的氮、鉀養(yǎng)分不同，化感物質(zhì)也不相同，不同類型的作物秸稈浸提液成分以及化感物質(zhì)的相互作用還需進一步研究。

3.2 三大作物秸稈與汽爆膨化汽爆膨化對水稻秧苗素質(zhì)的探討

水稻生產(chǎn)中，一直有“秧好八成糧”的說法，足以見到秧苗素質(zhì)在水稻生產(chǎn)中的重要性[24-25]。培育健壯秧苗，一直是提高水稻栽插質(zhì)量、保證水稻高產(chǎn)的關鍵。李瑞等[27]研究發(fā)現(xiàn)，用水稻秸稈、菇渣及牛糞，在高溫發(fā)酵、腐熟等處理后按照不同比列配制，其培育出的秧苗素質(zhì)比營養(yǎng)土要好。有學者研究表明，利用好秸稈等作為水稻育苗基質(zhì)，可以使秧苗根系發(fā)達，秧苗矮壯，可增加秧苗的莖基寬，簡單方便的同時可以培育壯苗[27]。楊振東等[28]研究表明，采用基質(zhì)板培育秧苗，根系長、根系多、秧苗高，提高了水稻的秧苗素質(zhì)。試驗研究結果表明，不同作物秸稈水平間葉齡、株高、莖基寬差異達到顯著或極顯著水平，根表面積、根體積、根平均直徑、百株干重差異達到極顯著或顯著水平，根長差異均不顯著。不同作物秸稈對水稻秧苗素質(zhì)的不同指標影響有所差異，例如葉齡最大的為水稻秸稈處理，株高、百株干重最大的為玉米秸稈處理，根表面積、根體積、根平均直徑最大的為大豆秸稈處理。但在自然環(huán)境條件下，作物秸稈對水稻秧苗素質(zhì)的影響是綜合作用表現(xiàn)。因此，在物種水平上評價作物秸稈對水稻秧苗素質(zhì)的影響將更能真實反應作物秸稈實際生產(chǎn)中應用的價值。秸稈汽爆膨化前后水平間水稻秧苗素質(zhì)差異均達到顯著或極顯著水平。汽爆膨化秸稈的水稻秧苗素質(zhì)全部優(yōu)于常規(guī)秸稈。這是因為秸稈通過汽爆膨化處理后，由于高溫裂解的作用，消滅了秸稈攜帶的傳染性病原菌和寄生蟲卵、減少了秸稈發(fā)酵產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，很大程度降低了水稻秧苗在生長發(fā)育過程中的不利影響。而且由于秸稈汽爆膨化后，體積變小，比表面積大[29]，更容易與土壤環(huán)境中微生物和酶接觸，分解速率更快，有利于培肥土壤。這與代文才等[30]的研究結果相似。

4 結論

4.1 作物秸稈汽爆膨化浸提液對水稻種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

秸稈浸提液與水稻種子破胸率、發(fā)芽勢、發(fā)芽率、芽長、根長的關系均呈現(xiàn)大豆秸稈＞玉米秸稈＞水稻秸稈。且呈現(xiàn)汽爆膨化秸稈＞未汽爆膨化秸稈，增幅分別達到9.23%、6.57%、8.46%、3.55%、10.14%。各指標的互作效應均以汽爆膨化后大豆秸稈最高。

4.2 作物秸稈汽爆膨化對水稻秧苗素質(zhì)的影響

水稻秧苗葉齡呈現(xiàn)為水稻秸稈＞玉米秸稈＞大豆秸稈，株高、莖基寬、根長、根表面積、百株干重最大的為玉米秸稈，根體積、根直徑呈現(xiàn)大豆秸稈＞玉米秸稈＞水稻秸稈。葉齡、株高、莖基寬、根長、根表面積、根體積、根平均直徑、百株干重表現(xiàn)為汽爆膨化秸稈極顯著高于未汽爆膨化秸稈，分別增幅為14.01%、10.21%、13.68%、16.30%、13.70%、29.30%、11.76%、29.46%。綜合評價，表現(xiàn)最好的是玉米秸稈汽爆膨化處理。