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  农业资源与环境学报  2020, Vol. 37 Issue (2): 202-208  DOI: 10.13254/j.jare.2019.0089
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引用本文  

冉毅, 吴延萍, 徐朗, 等. 富碳沼液施用对水稻分蘖期生长的影响[J]. 农业资源与环境学报, 2020, 37(2): 202-208.
RAN Yi, WU Yan-ping, XU Lang, et al. Growth performance of rice at the tillering stage after applying CO2-rich biogas slurry[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2020, 37(2): 202-208.

基金项目

中国农业科学院科技创新工程项目(CAAS-ASTIP-2019-BIOMA);中央高校基本科研业务费专项基金(2662018PY046);农业农村部农村能源综合建设项目(2130126-19-016)

Project supported

Agricultural Science and Technology Innovation Project of Chinese Academy of Agricultural Sciences(CAAS-ASTIP-2019-BIOMA); Special Funds for Fundamental Scientific Research Business Expenses of Central Universities(2662018PY046);Rural Energy Comprehensive Construction Project of Ministry of Agriculture and Rural Affairs(2130126-19-016)

通信作者

晏水平, E-mail:yanshp@mail.hzau.edu.cn

作者简介

冉毅(1983-), 男, 重庆武隆人, 主要从事生物质发酵产品质量安全风险评估研究。E-mail:ranyi@caas.cn

文章历史

收稿日期: 2019-02-25
录用日期: 2019-05-08
富碳沼液施用对水稻分蘖期生长的影响
冉毅1,2 , 吴延萍3 , 徐朗4,5 , 梁飞虹4,5 , 晏水平4,5     
1. 农业农村部沼气科学研究所, 成都 610041;
2. 农业农村部生物质发酵产品质量安全风险评估实验室(成都), 成都 610041;
3. 湖北省农村能源办公室, 武汉 430070;
4. 华中农业大学工学院, 武汉 430070;
5. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室, 武汉 430070
摘要: 为探究施用富碳沼液对水稻生长的影响,以氮素含量为施肥指标,分别以原沼液(BS)、富碳原沼液(CO2-BS)、5倍浓缩沼液(5CBS)和富碳5倍浓缩沼液(CO2-5CBS)为肥料施用于水稻,对水稻的矿质元素吸收利用情况及生长状况进行研究,并与复合肥施用进行对比。结果表明,从生理学指标来看,与复合肥处理的水稻相比,施用BS、CO2-BS、5CBS和CO2-5CBS后的水稻根系活力提升了93%~437%,对P元素的吸收分别降低了22.42%、20.25%、42.75%和41.06%,但CO2-BS组和CO2-5CBS组对K元素的吸收量分别提高了9.95%和2.58%,而CO2-5CBS组则对Ca元素吸收量提升了45.23%。从农艺性状角度来看,施用了BS和CO2-BS后水稻的生长量比复合肥组分别提高了9.67%和25.25%,且施用CO2-BS的水稻外观长势最好。从营养性状指标来看,施用沼液后水稻的可溶性糖含量比复合肥施用组提升14.45%~23.07%。研究表明,施用富碳沼液可促进水稻对矿质元素的吸收,提高水稻的物质同化能力,建议沼液施用前先进行富碳处理,并配合化学磷肥共同施用。
关键词: 水稻    沼液    CO2    营养吸收    生长品质    
Growth performance of rice at the tillering stage after applying CO2-rich biogas slurry
RAN Yi1,2 , WU Yan-ping3 , XU Lang4,5 , LIANG Fei-hong4,5 , YAN Shui-ping4,5     
1. Biogas Institute of Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Chengdu 610041, China;
2. Risk Assessment Lab of the Quality Safety of Biomass Fermentation Products(Chengdu), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Chengdu 610041, China;
3. Rural Energy Office of Hubei Province, Wuhan 430070, China;
4. College of Engineering, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China;
5. Key Laboratory of Agricultural Equipment in Mid-lower Yangtze River, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Wuhan 430070, China
Abstract: In order to explore the growth performance of rice after applying CO2-rich biogas slurry, the nitrogen content was selected as the index to determine the fertilizer amount for rice. Biogas slurry(BS), CO2-rich BS(CO2-BS), 5-times concentrated BS(5CBS), and CO2-rich 5CBS (CO2-5CBS) were the different fertilizer treatments applied. After their application during rice growth, the absorption and utilization of mineral elements by rice plants and growth rate were analyzed and compared with those of plants after applying the compound fertilizer(CK). The results showed that the root activities of rice treated with biogas slurry were 0.93~4.37 times higher than those under the compound fertilizer treatment. The uptake of P by rice plants treated with BS, CO2-BS, 5CBS, and CO2-5CBS decreased by about 22.42%, 20.25%, 42.75%, and 41.06%, respectively, when compared to the compound fertilizer treatments. However, the K absorption capacities of rice plants subjected to CO2-BS and CO2-5CBS treatments increased by 9.95% and 2.58%, respectively. Additionally, the Ca absorption capacity increased by 45.23% in the CO2-5CBS treatment. Furthermore, the biomass of rice plants in BS and CO2-BS treatments were 9.67% and 25.25% higher than that in the compound fertilizer treatments, respectively, and the phenotype of the rice plants in the CO2-BS treatment was the best. The soluble sugar content of rice plants subjected to biogas slurry application increased by about 14.45%~23.07%. In conclusion, the application of CO2-rich biogas slurry could promote the absorption of mineral elements and improve the assimilation ability of rice. It is suggested that CO2 saturation should be treated before biogas slurry application, and the chemical phosphate fertilizer should be applied together.
Keywords: rice    biogas slurry    CO2    nutrition absorption    growth quality    

随着我国沼气工程数量的增长,尤其是大中型沼气工程数量的剧增,沼液的产量大幅提升,年排放量已超过2亿t,其低成本无害化处理已成为沼气工程良性发展的关键环节之一[1-2]。沼液中除了富含植物生长和发育所必需的大量元素、微量元素和植物生长激素外,还含有较丰富的可溶性有机碳等营养物质及对病虫害有抑制作用的抗生素,是一种可循环再生的优质有机肥原料[3-5]。目前,沼液的主要处理方式为农田直接消纳,但沼液的利用率及附加值都较低[6],且难以形成商业化产品,既造成沼液的浪费,又对农田健康构成潜在威胁,甚至还会造成环境的二次污染[7-8]

已有研究表明,沼液对改良土壤、提升肥力和提高农产品产量、品质及优化土壤微生物群落结构等均有重要作用[9-10]。因此,将沼液肥料化、资源化利用是一种可行的途径。水稻作为全球种植分布最广的粮食作物,需水多,施用沼肥为处理储量巨大的沼液提供了一种可能的途径。但由于沼液中的氮、磷、钾含量相差较大,在实际生产中单施沼液对提高作物生长的效果并不明显[11],同时沼液呈弱碱性,氨氮含量高,施用不当极易造成烧苗现象[12-13]。如果在沼液利用前,降低其氨氮含量,并将pH值调节至近中性,同时与化肥配合施用,可能有益于提高作物产量和改善营养品质[14]

基于此,本研究首先对沼液进行浓缩与富碳处理,通过沼液浓缩来降低氨氮含量,并提升相关营养元素的含量,通过富碳处理来稳定沼液pH值,使pH降至近中性。研究中,采用原沼液及浓缩与富碳后的沼液对水稻进行施肥,从水稻对沼液中矿质元素的吸收利用与水稻生长状况等角度探究了沼液施用对水稻分蘖期生长的影响,并与传统复合肥施肥效果进行对比,从而提出沼液的前处理方法与施用建议。

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试水稻品种选取广泛种植于成都平原的泸优9803(四川川种有限责任公司,纯度≥ 96.0%,发芽率≥ 80.0%,水分≤ 13.0%),水稻种子用清水催芽后,在穴盘中育苗,培养至三叶期进行移栽[15]

供试沼液来源于华中农业大学沼气发酵中试装置,发酵以猪粪为主要原料,配合添加少量的鸡粪及生活污水,在35 ℃下中温发酵20 d。沼液取回后在常温(25±5)℃下密封保存至不再产气后,将沼液在4000 r·min-1下离心分离20 min(TSZ5-WS型低速多管架自动平衡离心机,湖南湘仪离心机仪器有限公司),然后取上清液通过旋蒸仪(RE-5298旋转蒸发器,上海恒勤仪器设备有限公司)进行浓缩。浓缩系统及工艺流程参照文献[16]。浓缩过程中,沼液温度设置为45 ℃,系统压力为2 kPa,循环冷却水温度为2.5 ℃。根据前期研究结果,当沼液浓缩后体积为原体积的1/5(即5倍浓缩沼液)时,沼液具有更低的植物生理毒性,且浓缩经济成本适中。当浓缩倍数不足5倍时,沼液中氨氮含量仍偏高;超过5倍后,沼液中N元素含量无法满足水稻生长所需,且浓缩成本过高[17-18]

对离心后的原沼液(BS)和5倍浓缩后沼液(5CBS)进行富碳操作来降低pH值至近中性,具体方法为向BS和5CBS中通入纯CO2,使pH降至6.5~7.0,制备出富碳原沼液(CO2-BS)和富碳5倍浓缩沼液(CO2-5CBS)备用。各沼液的主要养分含量如表 1所示。

表 1 处理前后沼液上清液的主要养分含量 Table 1 Main nutrient content of the supernatant of biogas slurry

表 1可知,5倍浓缩后,沼液氨氮含量降低,这主要是因为在沼液体系中存在NH4+与NH3之间的动态平衡,而在减压浓缩条件下,沼液中的自由氨(NH3)会被抽离系统,促进了NH4+向NH3的转变,进而源源不断地从沼液体系中脱离,导致氨氮含量下降[19]

1.2 试验设计

育苗完成后的水稻移栽至培养钵中进行土培,每钵装15 kg过筛后的风干混合栽培土壤。为避免稻田土土壤肥力对试验效果产生影响,栽培土壤由稻田土和黄沙按1:1(V/V)混合而成,其具体成分如表 2所示。试验过程中,培养钵土壤表面全程保持2~5 cm深的水层。

表 2 试验土壤中主要养分含量 Table 2 Main nutrient content in the test soil

研究设置BS、CO2-BS、5CBS和CO2-5CBS 4种沼液浇灌处理进行试验。沼液施用量根据每千克土0.1 g氨氮的标准来确定,其中50%用作基肥,其余用于水稻分蘖期追肥。同时,以复合肥(N:P2O5:K2O= 16:16:16)施用作为对照(CK),按每千克土0.1 g纯氮的标准(通过每公顷施肥量换算)施用复合肥。同样,基肥占50%,其余作为追肥在分蘖期施用。

研究从水稻三叶期开始,到水稻全部分蘖完成结束,整个试验历时40 d。水稻种植在栽培温室中,气候条件模拟适宜水稻生长的最佳条件。首先在25 ℃、湿度60%条件下黑暗处理12 h,再在光照20 000 lx、温度28 ℃和湿度60%条件下处理9 h,接着在光照12 000 lx、温度32 ℃及湿度65%条件下处理3 h,循环此设定[20]

以水稻干物质中主要元素(P、K、Ca)含量、水稻的农艺学性状[21-22](生长量、根长、株高、叶片数)和生理学性状[23](叶绿素含量、可溶性糖含量、根系活力)为主要指标,并与复合肥组水稻对比,探究沼液对水稻生长的施肥效果。

1.3 测试方法 1.3.1 沼液及土壤养分含量测定

在土壤养分测量前,先取试验土壤5 g,加入100 mL蒸馏水,振荡15 min后,取过滤液进行测定。土壤滤液及经过1.1节方法初步处理后沼液的电导率(EC)采用DDS-307A型电导率仪(上海仪电科学仪器股份有限公司)进行测定,总无机碳(TIC)浓度由T860型全自动滴定仪(济南海能仪器)测定,铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、总磷(TP)及速效磷含量等则采用SmartChem 200全自动化学分析仪(意大利AMS-Westco公司)测定。测量时随机取样分析。

K、Ca含量测试前,先取沼液1 mL或试验土壤0.1 g,采用MARS6型全自动微波消解仪(美国CEM公司)经H2SO4-H2O2在220 ℃下消解1 h,再用电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7700X ICP-MS)进行K、Ca含量测试。

1.3.2 水稻干物质中P、K、Ca含量测定

将清理干净的水稻植株置于烘箱中进行烘干脱水,先在105 ℃烘箱中杀青15~20 min,随后立即降低烘箱温度至80 ℃,继续烘干12 h。用粉碎机粉碎后过60目筛,取0.1 g样品采用MARS6型全自动微波消解仪(美国CEM公司)经H2SO4-H2O2在220 ℃下消解1 h,用电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7700X ICPMS)测定P、K、Ca含量。

1.3.3 水稻农艺学性状测定

生长量采用精度为0.01 g的电子天平测量,称量前先用自来水冲洗根系上的杂物,吸干水分后进行称量。水稻处于自然伸展状态时,采用毫米刻度尺测量其根长和株高。

1.3.4 水稻生理学性状测定

水稻的可溶性糖含量采用3,5-二硝基水杨酸法测定,根系活力采用标准TTC法测定,光合色素(叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素)采用95%乙醇法进行测定。

2 结果与讨论 2.1 沼液施用对水稻生长状况的影响

一般而言,作物的生长状况可由农艺学性状与生理学性状进行评价,农艺学性状包括生长量、根长、株高与叶片数,生理学性状可用根系活力、可溶性糖含量、叶绿素含量等来反映。

2.1.1 沼液施用对水稻农艺学性状的影响

施用BS、CO2-BS、5CBS和CO2-5CBS后,水稻的农艺性状如图 1所示。由图 1a可知,施用BS和CO2- BS后的水稻生长量均高于CK,分别提高了9.67%和25.25%,但施用5CBS和CO2-5CBS后的水稻生长量均低于CK。由图 1还可看出,对于施用相同浓度沼液的水稻,施用富碳沼液组水稻的生长量均高于非富碳处理组:施用CO2-BS的水稻生长量比施用BS的水稻增加14.21%,而施用CO2-5CBS的水稻生长量则比施用5CBS的水稻增加了29.13%。

*表示与复合肥处理(CK)差异显著(P < 0.1)。下同 * indicate significant differences compared with the compound fertilizer treatment(CK)(P < 0.1). The same below 图 1 不同施肥方案下水稻的主要农艺性状 Figure 1 Main agronomic traits of rice by applying different fertilizers

水稻的生长分为地上部和地下部,当营养物质一定时,根长与株高发育越好,水稻长势就越好[24]。由图 1a可知,施用CO2-BS和CO2-5CBS后水稻的根长和株高与CK基本相当,但施用BS和5CBS时的水稻长势则不如CK。总体而言,CO2-BS的农艺性状最好。

在实际生长过程中,水稻绿叶数越多、死叶数越少,其植株越健康。除施用BS外,施用其他沼液时的水稻绿叶数均与CK相当(图 1b)。同时,如果沼液未经富碳处理,会导致生长过程中死叶数增加,如图 1b所示。施用BS和5CBS时,死叶数比CK分别增加66.67%和83.33%。可能是由未富碳处理的沼液pH较高所引起的,沼液体系pH越高,其中自有氨含量越高,更容易在环境中逸散,从而造成水稻叶片氨中毒[18]

不同施肥方案种植的水稻生长40 d后,水稻的根系生长表现型如图 2所示。根系是植物吸收水分、矿质元素的主要器官,根的生长情况和活力水平直接影响地上部的营养[25]。由图 2可知,除施用5CBS处理组外,施用其他沼液后水稻的根系生长状况均与CK相当。这是由于沼液中富含的粗纤维、N、P、K、微量元素等营养物质浓度可充分满足水稻的营养需求[26]。因此,水稻根系发育良好。

图 2 水稻根系生长表现型 Figure 2 Phenotype of rich root growth
2.1.2 沼液施用对水稻生理学性状的影响

根系活力以脱氢酶活性为指标,而酶活的高低则与底物浓度相关[27]。与CK相比,施用BS、CO2-BS、5CBS和CO2 - 5CBS的水稻根系活力分别提高了121%、437%、93%和353%,如图 3所示。值得注意的是,施用富碳处理的沼液后,水稻根系活力大幅提升,这说明此时沼液中的营养物质与矿物元素浓度较高,能满足水稻根系吸收及自身需求,因而脱氢酶的酶促反应可达到一级反应阶段,酶活性最高,故根系活力较高[28]。而复合肥施用时仅能提供N、P、K三种元素,虽然能够满足水稻生长需求,但根系无法充分吸收微量元素及可溶性有机碳等其他营养,脱氢酶没有足够的反应底物,酶促反应较弱[29],因而根系活力较低。

图 3 不同施肥方案下的水稻根系活力 Figure 3 Root activity of rice by applying different fertilizers

另外,从物质同化能力来考虑,水稻合成的光合色素含量越高,光合效率和物质同化能力越强,水稻合成和储存的可溶性糖则越多。由于沼液中含有多种植物激素和氨基酸,水稻有充分的营养物质积累去合成叶绿素a,维持自身光合作用,如图 4所示。从图中可知,除施用BS处理组外,施用CO2-BS、5CBS和CO2-5CBS处理组的水稻叶绿素a含量均略高于CK,但差异不显著。在施用沼液时,作为辅助色素的叶绿素b(合成时以叶绿素a为前体物质)和类胡萝卜素的含量低于CK。值得注意的是,施用沼液后,水稻的叶绿素a与叶绿素b的含量比有所增加,这意味着水稻对光的利用效率提升,因此合成的可溶性糖也就越多。与CK相比,施用BS、CO2-BS、5CBS和CO2-5CBS后水稻的可溶性糖含量分别显著提升了18.76%、23.07%、14.45%和20.79%(图 4b)。

图 4 不同施肥方案下水稻的同化能力 Figure 4 Photosynthetic assimilation of rice by applying different fertilizers
2.2 沼液施用对水稻主要营养元素吸收的影响

不同施肥方案下种植的水稻生长40 d后,水稻干物质中P、K、Ca元素含量如图 5所示。由于试验设计中以N素含量为基准进行施肥,因此本研究未考虑水稻对N元素的吸收情况。

图 5 不同施肥方案下水稻对主要营养元素的吸收 Figure 5 Absorption of major nutrients in rice by applying different fertilizers

对K元素的吸收而言,施用富碳沼液后的水稻中含量更高,且施用CO2-BS与CO2-5CBS后的水稻中的K含量比CK分别提高了9.95%和2.58%。这说明富碳沼液可以作为优质的钾肥,而K在碳水化合物代谢、呼吸作用及蛋白质代谢中起重要作用[20, 30]。对于Ca元素的吸收,施用BS、CO2-BS和5CBS后的水稻中Ca含量与CK相当,但施用CO2-5CBS时Ca含量比CK增加了约45.23%。由表 1可知,沼液浓缩后,Ca元素含量更高,而经富碳处理后,沼液中引入的碳酸氢根离子会使沼液中的Ca元素处于游离状态,更适宜水稻的吸收[31]

图 5可知,与CK相比,施用沼液后水稻对P的吸收量相对较低,施用BS、CO2 -BS、5CBS和CO2 - 5CBS后水稻中P含量分别降低了22.42%、20.25%、42.75%和41.06%。这主要是因为沼液中的P元素含量较低,而P元素又是水稻生长所需的大量元素[32],因而导致沼液中P元素无法满足水稻的正常生长需求。值得注意的是,施用富碳沼液后的水稻对P的吸收效果略好于未富碳处理沼液,但两者差异不明显。

2.3 沼液施肥建议

与普通复合肥相比,沼液营养更丰富,能够提升水稻的根系活力,促进光合色素的合成,进而有利于可溶性糖的合成,且综合效果与复合肥相当。因此,沼液可用于水稻栽培。另外,对沼液进行富碳处理后,沼液的功效得到进一步增强,体现为水稻的同化能力更强。

从水稻对主要营养元素的吸收利用情况可知,沼液中P含量偏低,因此,在实际施用沼肥时,应配合磷肥共同施用。其次,由于沼液本身偏碱性,进行富碳处理的沼液,其主要养分处于最佳状态,可促进水稻对矿质元素的吸收。因此,在沼液施肥时,建议先对沼液进行富碳处理。

3 结论

(1)与施用复合肥相比,施用原沼液、富碳原沼液、5倍浓缩沼液和富碳5倍浓缩沼液后的水稻根系活力可以提升93%~437%,且对K和Ca元素的吸收普遍增强,同时水稻可溶性糖含量上升了14.45%~ 23.07%,但对P元素的吸收下降了20.25%~42.75%。另外,施用富碳原沼液后的水稻生长量比施用复合肥提高约1/4。

(2)对沼液进行富碳处理有助于促进水稻对矿质元素的吸收,且能提高水稻的物质同化能力。因而,在沼液施用前,建议先进行富碳处理,且配合化学磷肥共同施用。

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