玉米秸秆发酵基质抑制种子萌发因素分析与改良

发布时间：2016-06-17 05:59

1 文献综述

1.1 栽培基质研究及应用概述
国外无土栽培已有近 100 a 的历史（关绍华等，2013）。20 世纪 50 年代德国开始将工厂化发酵的锯末用于番茄育苗试验，随后蚯蚓粪、椰糠、树皮等经过加工处理也逐渐被应用于园艺生产。荷兰的设施栽培比较发达，其花卉产量高、质量优、品种丰富，鲜花产量约占世界鲜花市场的 60%，年出口额 112.51 亿美元，是荷兰的主要支柱产业，其温室面积超过 1亿 m2，且 80%采用基质栽培，广泛应用的基质材料有树皮、陶粒、岩棉、椰壳、泥炭等（田吉林等，2000）。美国农业的结构特征是人少地多，农业现代化程度高，农作物秸秆一般就地粉碎，常用作新型园艺基质的材料有椰壳、树皮、锯末、橄榄壳、动物粪便等。以色列的自然条件与我国南疆地区有诸多相似之处，，光热资源丰富但土地贫瘠，以色列人充分利用资源优势，注重生态效益，积极发展特色农业，在继“绿色革命”之后又收获了“白色革命”的辉煌成就。以色列的园艺基质主要就地取材，以凝灰石为主。日本的植物工厂处于世界领先水平，基质常用材料有赤玉土等，新型基质材料多用树皮。 我国的设施栽培起步较晚。20 世纪 80 年代中期，我国引进穴盘育苗精良播种生产线，无土栽培技术首次成功应用于生产。“九五”期间，国家建立高效农业产业工程项目，花卉、蔬菜等高附加值的农业开始向现代化、工厂化、规模化、市场化的现代产业转变。到 2005年，我国基质栽培面积已超过 1 100 hm2（秦性英，2007），大量使用的基质仍为传统的蛭石、珍珠岩、草炭和岩棉等。我国是农业大国，年产秸秆 6.4 亿多吨，另外酒渣、沼渣、醋渣等产出量也相当可观，这些工农业废弃物富含有机物，经加工处理作为园艺栽培基质不仅解决了草炭资源紧张的困难，同时也避免了这些废弃物随意弃置所带来的环境问题。 国内开发的新型基质材料种类繁多，包括玉米、小麦、水稻等秸秆，稻壳、椰壳、松子壳、树皮、芦苇末、菇渣等农林副产物，另外，木糖渣、蔗渣、酒渣、沼渣、醋渣、药渣等工业废弃物经堆沤发酵，也用来替代草炭应用于设施栽培。 
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1.2 栽培基质研究的主要内容
基质的原材料包括合成材料和天然材料。早期的无土栽培基质主要是天然材料，如河沙、石砾、石英、泥炭等，沙砾被认为是最早的栽培基质。之后到 1968 年，丹麦 Groden 企业研究出岩棉栽培技术，岩棉成为国外应用最多最广泛的无土栽培基质。人工合成的基质还包括活性炭、水晶、碎瓷、纯碳酸钙、硅酸、蛭石、陶粒、珍珠岩、海绵、硅胶、离子交换树脂、塑料颗粒等。近些年来，很多基质原材料的开发都遵循因地制宜、就地取材的原则，各种工业和农业废弃物经过处理后用作育苗及栽培基质均取得良好效果。造纸厂的纸浆、中药厂的药渣（伍淳操等，2013）、生产柠檬酸的下脚料、醋厂的醋渣、酒厂的酒渣以及炉灰渣等工业废弃物经处理后可作为基质材料。玉米秸秆、玉米芯、树皮、稻壳、椰壳、棉籽壳、豆渣、菇渣（周诚等，2013）等农业废弃资源经处理后作为栽培基质其适用性也得到试验证明。牲畜粪便经过堆肥处理与其他基质复配使用，不仅具有团聚成粒作用，还为植物生长提供营养物质，但基质中堆肥比例需控制在适宜范围内，以防堆肥过程中可能产生的有害物质影响植株生长。 
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2 引言 

无土栽培在现代农业中的应用越来越广泛，它具有省水、省地、省肥等特征，而且受环境影响较小、管理方便、病虫害少，作物生长快且高产优质。随着无土栽培技术的迅速发展，栽培基质作为该技术的基础，成为研究和开发的重点。早期的栽培基质主要有岩棉、河沙、蛭石，后来发展到珍珠岩、陶粒、草炭等。其中，草炭是需求最多、应用效果最好的基质，全世界每年产量约 9 000 万 m3。但是，草炭的过度开采对环境造成较大破坏，欧洲一些国家已对草炭开采实行限制政策。在我国，草炭主要分布于北方，向南方运输则成本升高。因此，开发出新的基质材料成为无土栽培技术继续发展的关键。近几年，工、农业废弃物被开发应用作为新型园艺栽培基质成为研究热点，其中，树皮、椰壳、锯末、芦苇末、作物秸秆、动物粪便、工业废渣等先后作为无土栽培基质进行生产试验并取得良好效果。新型园艺栽培基质的开发应用不仅解决了栽培基质资源不足的难题，同时可以变废为宝，实现了资源再利用，是可持续发展的必然趋势。      玉米秸秆营养丰富，且含有大量木质素、纤维素和半纤维素，经发酵后形成的玉米秸秆生物基质养分含量高，孔隙度适宜，在花卉、蔬菜等的栽培过程中表现出较大的优越性。但是，玉米秸秆发酵基质在蔬菜、花卉等的育苗试验中出现问题较多，主要表现在种子萌发迟缓、发芽率低。经分析，其原因可初步归纳为三类：一是玉米秸秆发酵基质 EC 值偏高，然而有研究报道在降低 EC 值至适宜范围内之后种子萌发受到抑制的现状并为得到改善；二是玉米秸秆发酵基质亲水性差；三是玉米秸秆发酵基质中含某些酚类、醛类等有机物抑制种子的萌发。
本试验就原因二和原因三进行探究。用聚谷氨酸稀释液按照不同浓度对玉米秸秆发酵基质进行处理，以改善其亲水性。采用高效液相色谱分析技术测定了玉米秸秆发酵基质中已确定的五种醛类物质，发现其含量甚微，不足以影响到种子萌发。用紫外分光光度法测定了玉米秸秆发酵基质中的总酚含量，发现总酚含量较高。将玉米秸秆发酵基质用不同量的高铁酸钾处理，以脱除基质中高含量的酚类物质。最后分别利用各种处理后的玉米秸发酵基质与处理前的玉米秸发酵基质进行金盏菊育苗试验。试验最终确定出玉米秸秆发酵基质影响种子萌发的因素，并找到改良措施，使玉米秸秆发酵基质成为一种新型优良育苗基质，并为我国新型基质材料的开发研究提供参考。  
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3  材料与方法 ......... 18 
3.1  试验材料 ...... 18 
3.2  试验方法 ...... 18 
3.2.1 基质理化性质的测定 .... 18 
3.2.2  基质中醛类物质含量的测定 ....... 19 
3.2.3  基质中总酚含量的测定 ....... 19 
3.2.4  基质配方 ....... 20 
3.2.5  金盏菊和矮牵牛育苗试验 ........... 20 
3.2.6  种子发芽率、发芽势及植株形态指标的测定 ........... 21 
3.3 试验数据统计分析 ....... 21 
4  结果与分析 ......... 22 
4.1 基质理化性质分析 ....... 22 
4.2 玉米秸秆发酵基质醛类物质含量检测分析 ....... 24 
4.3  高铁酸钾处理玉米秸秆发酵基质对其用作育苗基质的影响 .......... 25
4.4  聚谷氨酸处理玉米秸秆发酵基质对其用作育苗基质的影响 .......... 31
5  结论与讨论 ......... 35
5.1  结论 ...... 35 
5.2  讨论 ...... 36 

4 结果与分析 

4.1 基质理化性质分析 

基质作为植物的生长介质，不仅需要能够固定、支持植株，而且需要供给植株水分、养分、氧气等。基质中必须保持良好的水、肥、气、热等环境，以利于根际区域的气体交换。生产上为了方便运输及便于盆花的栽培管理，更倾向于选择容重较小的基质，一般认为，适宜的基质容重为 0.1～0.8g·cm-3（张冬梅等，2005）。由表 4 可知，各处理容重均显著高于对照，但均在植物生长要求的适宜范围内。处理 2、3、4、5 均与处理 1 差异不显著，说明高铁酸钾处理玉米秸秆发酵基质对其容重影响并不大。理想的基质一般要求总孔隙度大于 70%，大小孔隙比为 0.5 左右（李谦盛等，2002）。表 4 中，各处理总孔隙度、持水孔隙度均显著低于对照组，通气孔隙度较对照组高，差异达到显著水平。表明玉米秸秆发酵基质的总孔隙度略低于 75%，经高铁酸钾处理后改变不大，但基本都能满足植物生长需求。其通气孔隙度偏高，持水孔隙度偏低，大小孔隙比接近 1.0，与理想基质的要求有一定差距。说明高铁酸钾对玉米秸秆发酵基质孔隙度的调节作用并不明显。大多园林植物喜偏酸性环境，金盏菊、矮牵牛等园林中常用草花在 pH 6.5 左右的基质中生长良好。表 4 中，各处理的 pH 值均显著高于对照。其中，处理 1 的 pH 值高达 7.14，基质呈微碱性，超出了适宜植物生长的范围。处理 1、处理 2、处理 3 虽然差异不显著，但随着高铁酸钾用量的增加，基质的 pH 值有降低趋势。处理 4 和处理 5 的 pH 值显著低于处理 1、2、3，证明了高铁酸钾能有效降低基质的 pH 值，原因可能是高铁酸钾在溶液中形成了呈弱碱性且具有高度吸附活性的无机絮凝剂 Fe(OH)3。EC 值是衡量溶液中可溶性离子总浓度的指标。 EC 值过高，则溶液中可溶性离子浓度高，严重时会造成盐害或烧苗。EC 值过低，则溶液中可利用离子太少，无法为植物的正常生长提供足够养分。一般来说，基质的 EC 值宜控制在 1.0～2.0 ms·cm-1范围内。表 4 中，各处理 EC 值均显著高于对照，说明玉米秸秆发酵基质 EC 值含量偏高，直接使用时对植物生长不利。处理 4 和处理 5 的 EC 值显著高于处理 1，说明随着高铁酸钾用量的增加，基质 EC 值有上升的趋势，处理 5 中基质的 EC 值已明显超出植物生长适宜的范围，故高铁酸钾的使用量需控制在一定范围内。 

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结论 

(1)分析高铁酸钾处理对基质理化性质的影响，各处理基质容重、通气孔隙度均与对照组差异性达到显著水平，但都不超出植物生长要求的适宜范围。处理 4 和处理 5 中 pH 值显著低于处理 1，表明高铁酸钾对降低玉米秸秆发酵基质的 pH 值有一定作用，随着高铁酸钾用量的增加，基质逐渐由碱变酸，适宜植株生长。但处理 5 中基质的 EC 值明显高于其它处理，高铁酸钾引起的基质 EC 值升高成为其用量的限制因素。
(2)分析聚谷氨酸处理对基质理化性质的影响，各处理容重、孔隙度均处于植物生长要求的适宜范围内，不再做过多说明。处理 7 和处理 8 的持水空隙度显著高于处理 1，说明聚谷氨酸明显地改善了玉米秸秆发酵基质的亲水性。处理 7 和处理 8 的 pH 值较处理 1 降低，且差异达到显著水平，说明聚谷氨酸在一定程度上也可以降低基质的 pH 值。随着聚谷氨酸用量的增加，基质 EC 值并无较大改变。 
(3)玉米秸秆发酵基质中五种醛类物质含量的检测结果表明，5-羟甲基糠醛和糠醛在玉米秸秆发酵基质中含量几乎为零，不可能是抑制种子萌发的因素。香草醛、香豆醛和丁香醛虽然在玉米秸秆发酵基质中检测到的含量高于草炭中含量，但其含量甚微，不足以影响种子萌发。可以初步认定基质中醛类物质不是抑制种子萌发的主要因素。 
(4)对玉米秸秆发酵基质总酚含量的测定结果表明，高铁酸钾对玉米秸秆发酵基质中酚类物质的脱除效果与高铁酸钾的用量成正相关，但由于高铁酸钾能增加基质的 EC 值，所以试验设计高铁酸钾的最高水平为每千克玉米秸秆发酵基质用量 2g。 
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参考文献(略)

本文编号：58121