不同熱解溫度園林廢棄物生物質(zhì)炭對設(shè)施連作番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及青枯病的影響

胡廣宇 宋旸

摘要：以園林廢棄物為原料，分別在300、500、700 ℃條件下熱解制備生物質(zhì)炭，分析制備溫度對生物質(zhì)炭理化性質(zhì)及設(shè)施連作番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及青枯病的影響。結(jié)果表明，隨著熱解溫度的升高，園林廢棄物生物質(zhì)炭產(chǎn)率、H和O元素含量逐漸降低，C、N、P元素含量逐漸升高，而比表面積、總孔體積、微孔孔容、微孔率及平均孔徑則先升高后降低;設(shè)施連作番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及青枯病防治效果均隨熱解溫度升高而先升高后降低，以500 ℃制備溫度最佳。與CK相比，T500處理的番茄單果質(zhì)量、單株產(chǎn)量、維生素C含量、可溶性糖含量、可溶性固形物含量、番茄紅素含量及青枯病防治效果分別顯著提升36.86%、43.13%、51.59%、35.02%、27.12%、37.44%、77.99%（P<0.05），可滴定酸顯著降低18.18%（P<0.05），糖酸比顯著提升64.99%（P<0.05）。

關(guān)鍵詞：園林廢棄物;熱解溫度;生物質(zhì)炭;連作番茄;青枯病

中圖分類號： S641.204? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）23-0156-06

收稿日期：2021-04-08

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號：182102110198）。

作者信息：宋 旸（1981—），男，河南商丘人，博士，副教授，主要從事植物分子遺傳學(xué)研究。E-mail：songyangc@163.com。

通信作者：胡廣宇，碩士，中級實(shí)驗(yàn)師，主要從事植物生理學(xué)研究。E-mail：hgy5990@163.com。

園林廢棄物是指園林綠化植物在生長過程中因衰老脫落或人工修剪而產(chǎn)生的植物殘?bào)w，包括枯枝落葉、殘花落果及死亡植株等[1]。園林綠化具有美化環(huán)境、凈化空氣、緩解熱島效應(yīng)等作用，是城市規(guī)劃和建設(shè)中必不可少的重要一環(huán)。近年來，隨著人們對精神生活需求的日益提高，“生態(tài)城市”和“森林城市”建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，城市園林綠化面積迅速增加，導(dǎo)致大量園林廢棄物的急劇增加[2]。園林廢棄物富含N、P、K、Ca等營養(yǎng)元素，填埋、焚燒等傳統(tǒng)處置方式不僅會導(dǎo)致資源浪費(fèi)，而且會對環(huán)境造成污染[3]。園林廢棄物資源化利用是未來低碳經(jīng)濟(jì)和低碳城市發(fā)展的重要方向之一。

目前，好氧發(fā)酵堆肥和熱解炭化是園林廢棄物資源化利用的主要途徑[1]。生物質(zhì)炭是一種難溶的固態(tài)產(chǎn)物，具有較大的比表面積、豐富的孔隙結(jié)構(gòu)及較高的碳素含量和陽離子交換量等優(yōu)勢，已在固碳減排、環(huán)境治理、土壤改良及病蟲害防治等方面得到廣泛應(yīng)用[4-9]。生物質(zhì)炭理化性狀及產(chǎn)品性能與原材料、熱解溫度、熱解時(shí)間等密切相關(guān)。Alexis等研究發(fā)現(xiàn)，原材料C元素含量越高，生物質(zhì)炭產(chǎn)品C元素含量也越高[10];高秀紅等研究表明，隨著熱解溫度升高，生物質(zhì)炭產(chǎn)率逐漸降低，比表面積、總孔容及平均孔徑逐漸升高，對水中4-硝基酚的去除效果逐漸增強(qiáng)[11];而楊興等則研究發(fā)現(xiàn)，煙桿炭比表面積在熱解溫度為500 ℃時(shí)達(dá)到最大，超過500 ℃又開始降低[12];田雪等研究表明，隨著炭化時(shí)間延長，樹枝生物炭對P的解吸能力基本保持不變，而樹葉生物炭則逐漸降低[13]。由此可見，原材料、熱解溫度及熱解時(shí)間對生物質(zhì)炭理化性質(zhì)及產(chǎn)品性能具有明顯影響，在生物質(zhì)炭產(chǎn)品推廣應(yīng)用中起關(guān)鍵作用。然而，目前關(guān)于熱解溫度對園林廢棄物生物質(zhì)炭理化性質(zhì)方面的影響尚不多見，而不同熱解溫度生物質(zhì)炭對設(shè)施連作番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及青枯病抗性方面的影響更是未見相關(guān)報(bào)道。

因此，本研究以西安市園林廢棄物為原料，分析熱解溫度對生物質(zhì)炭理化性質(zhì)的影響并進(jìn)一步分析不同制備溫度生物質(zhì)炭對設(shè)施連作番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及青枯病抗性的影響，以期為園林廢棄物資源化及在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的利用提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)參照。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2019年10月在西安市林業(yè)局漢城湖苗圃開始實(shí)施。供試園林廢棄物為自行收集的街道修剪枝條及枯枝落葉，并粉碎至1～3 mm粒徑粉末;供試番茄品種為“毛粉802”，購自西安世佳種業(yè)有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 園林廢棄物生物質(zhì)炭制備

將園林廢棄物顆粒裝入瓷坩堝后加蓋密封，于馬弗爐內(nèi)進(jìn)行灼燒。采用程序升溫法進(jìn)行炭化，以10 ℃/min的升溫速率升到200 ℃，保溫2 h，進(jìn)行預(yù)炭化;采用相同的升溫速率分別將熱解溫度升高至300、500、700 ℃，保溫3 h熱解炭化;待自然冷卻至50 ℃時(shí)，出料研磨，過100目篩并取樣測定理化性狀，每個(gè)處理3次重復(fù)。待取樣完成后，將各處理3次重復(fù)樣品充分混勻后裝袋封存?zhèn)溆茫謩e標(biāo)記為T300、T500、T700。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2020年3月，選取大小一致、籽粒飽滿種子，采用0.1%高錳酸鉀溶液浸種消毒;選用72孔穴盤育苗，基質(zhì)按V椰糠 ∶V草炭 ∶V蛭石 ∶V珍珠巖=2 ∶1 ∶1 ∶1比例配制。2020年4月溫室定植，土壤容重為1.41 g/cm3，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷及全鉀含量分別為 6.52、0.77、0.41、10.85 g/kg;試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，即整地前分別施入1 100 kg/hm2不同溫度制備的園林廢棄物生物質(zhì)炭（T300、T500、T700），以不施入生物質(zhì)炭為對照（CK）;小區(qū)面積為6.3 m×1.5 m=9.45 m2，株行距為30 cm×50 cm，每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列，各小區(qū)間用苯板隔離，田間管理措施保持完全一致。

1.2.3 測定指標(biāo)及方法

生物質(zhì)炭產(chǎn)率采用俞花美等方法[14]進(jìn)行測定并計(jì)算;生物質(zhì)炭C、H、O、N及P元素含量采用元素分析儀（Vario MICRO，德國）進(jìn)行測定;生物質(zhì)炭比表面積、總孔體積、微孔體積、微孔率及平均孔徑采用靜態(tài)氮吸附儀（JW-BK224）測定。分別于番茄定植后90、110、130、150 d 對各小區(qū)進(jìn)行測產(chǎn)，計(jì)算平均單果質(zhì)量和平均單株產(chǎn)量;選取各處理第2穗成熟果實(shí)（定植后110 d）進(jìn)行營養(yǎng)品質(zhì)測定。分別采用鉬藍(lán)比色法、蒽酮比色法、便攜式數(shù)顯糖度計(jì)、高效液相色譜（high performance liquid chromatography，簡稱HPLC）法和酸堿滴定法測定維生素C、可溶性糖、可溶性固形物、番茄紅素和可滴定酸含量，計(jì)算糖酸比：糖酸比=可溶性糖含量（%）/可滴定酸含量（%）。

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及作圖，采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用Duncans氏新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同制備溫度對園林廢棄物生物質(zhì)炭理化性質(zhì)的影響

2.1.1 不同制備溫度對園林廢棄物生物質(zhì)炭產(chǎn)率及化學(xué)元素組成的影響

由表1可知，隨著熱解溫度的升高，園林廢棄物生物質(zhì)炭產(chǎn)率逐漸降低，生物質(zhì)炭的C、N、P元素含量逐漸升高，而H、O元素含量逐漸降低。與300 ℃制備溫度相比，700 ℃ 制備溫度的生物質(zhì)炭產(chǎn)率降低25.92%，C、N、P元素含量分別提升50.56%、25.37%、48.39%，H和O元素含量分別降低72.82%、84.25%，均達(dá)到顯著差異水平。與500 ℃制備溫度相比，700 ℃制備溫度的園林廢棄物生物質(zhì)炭產(chǎn)率顯著降低19.82%，C、N、P含量分別提升9.59%、6.33%、10.84%，而H和O元素含量則分別降低56.76%、51.19%，且C、N元素含量500 ℃和700 ℃制備溫度下差異不顯著。綜合考慮產(chǎn)率和化學(xué)元素含量，以500 ℃為園林廢棄物生物質(zhì)炭最佳制備溫度。

2.1.2 不同制備溫度對園林廢棄物生物質(zhì)炭比表面積及孔徑結(jié)構(gòu)的影響

由表2可知，隨著熱解溫度的升高，園林廢棄物生物質(zhì)炭的比表面積、總孔體積、微孔孔容、微孔率及平均孔徑均呈先上升后下降的趨勢，其大小順序?yàn)門500>T700>T300。與700 ℃制備溫度相比，500 ℃制備的生物質(zhì)炭比表面積、總孔體積、微孔孔容、微孔率及平均孔徑分別顯著提升33.83%、38.78%、131.82%、45.73%、23.91%。這說明500 ℃制備的園林廢棄物生物質(zhì)炭具有最佳的孔隙結(jié)構(gòu)。

2.2 不同制備溫度生物質(zhì)炭對連作番茄產(chǎn)量的影響

由圖1可知，隨著熱解溫度的升高，連作番茄單果質(zhì)量和單株產(chǎn)量均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，其高低順序依次為T500>T700>T300>CK。與CK相比，T300、T500、T700處理的連作番茄平均單果質(zhì)量分別提升15.29%、36.86%、27.70%，單株產(chǎn)量分別提升15.65%、43.13%、29.01%。這說明 500 ℃ 制備的園林廢棄物生物質(zhì)炭對連作番茄單果質(zhì)量和產(chǎn)量的提升幅度最高。

2.3 不同制備溫度生物質(zhì)炭對連作番茄品質(zhì)的影響

由圖2可知，外施園林廢棄物生物質(zhì)炭可明顯提升連作番茄品質(zhì)，且提升幅度隨生物質(zhì)炭制備溫度升高呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，其品質(zhì)優(yōu)劣順序依次為T500>T700>T300>CK。與CK相比，T500處理的連作番茄維生素C、可溶性糖、可溶性固形物、番茄紅素含量及糖酸比分別顯著提升51.59%、35.02%、27.12%、37.44%、64.99%，可滴定酸含量顯著降低18.18%。同時(shí)，T500處理的連作番茄品質(zhì)顯著優(yōu)于T300（P<0.05）。這說明 500 ℃ 制備的園林廢棄物生物質(zhì)炭對連作番茄品質(zhì)提升效果最佳。

2.4 不同制備溫度生物質(zhì)炭對連作番茄青枯病的影響

由圖3可知，外施園林廢棄物生物質(zhì)炭可顯著降低連作番茄青枯病病情指數(shù)，提高防治效果;隨著制備溫度的升高，連作番茄青枯病病情指數(shù)表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢，而防治效果則呈先升高后降低的趨勢。與CK相比，T300、T500、T700處理的連作番茄青枯病病情指數(shù)分別降低40.23%、75.26%、60.02%，均達(dá)到顯著差異水平。設(shè)CK防治效果為0，T300、T500、T700處理的連作番茄青枯病防治效果分別提升46.29%、77.99%、62.85%。這說明外施園林廢棄物生物質(zhì)炭可顯著提升連作番茄青枯病抗性，以制備溫度為500 ℃的生物質(zhì)炭效果最佳。

2.5 生物質(zhì)炭理化指標(biāo)與連作番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及青枯病的相關(guān)性分析

由表3可知，園林廢棄物生物質(zhì)炭的C元素含量與連作番茄單果質(zhì)量、單株產(chǎn)量、可溶性固形物含量、糖酸比及對青枯病防治效果呈顯著正相關(guān)，而與可滴定酸含量和青枯病病情指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān);N元素含量與連作番茄單果質(zhì)量、維生素C含量、可溶性固形物含量、青枯病防治效果呈顯著正相關(guān)，而與可滴定酸含量和青枯病病情指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān);O元素含量與單果質(zhì)量、單株產(chǎn)量、維生素C含量、可溶性固形物含量、番茄紅素含量、糖酸比及青枯病防治效果呈顯著負(fù)相關(guān)，而與可滴定酸含量及青枯病病情指數(shù)呈顯著正相關(guān);P元素含量與單果質(zhì)量、維生素C含量、可溶性固形物含量及青枯病防治效果呈顯著正相關(guān)，而與可滴定酸含量及青枯病病情指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān);園林廢棄物生物質(zhì)炭比表面積、總孔體積、微孔孔容、微孔率及平均孔徑與連作番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及青枯病的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平;同時(shí)，比表面積與番茄紅素含量達(dá)到極顯著正相關(guān);總孔體積與單果質(zhì)量、番茄紅素含量、糖酸比及青枯病防治效果均達(dá)到極顯著正相關(guān)，與可滴定酸含量及青枯病病情指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān);微孔率與單果質(zhì)量、可溶性固形物含量、番茄紅素含量、糖酸比、防治效果達(dá)到極顯著正相關(guān)，與可滴定酸含量及病情指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān);平均孔徑與單果質(zhì)量、單株產(chǎn)量、糖酸比及青枯病防治效果達(dá)到極顯著正相關(guān)，與可滴定酸含量及病情指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)。這說明園林廢棄物生物質(zhì)炭理化性質(zhì)與連作番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及青枯病抗性密切相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

生物質(zhì)炭熱裂解主要包括脫水、裂解、炭化等反應(yīng)過程，是一個(gè)極為復(fù)雜的熱化學(xué)過程，其產(chǎn)率、化學(xué)元素組成及結(jié)構(gòu)特性與原材料、熱解溫度和熱解時(shí)間等密切相關(guān)[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著制備溫度的升高，園林廢棄物生物質(zhì)炭產(chǎn)率逐漸降低，C、N、P元素含量逐漸升高，H、O元素含量則逐漸降低。本結(jié)果與林肖慶等研究結(jié)果[15-16]一致，這可能是由于隨著熱解溫度增高，原材料脫水及脫羧反應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致H和O元素丟失量逐漸增大，進(jìn)而致使H和O元素含量逐漸降低，C、N、P元素含量升高，產(chǎn)炭率逐漸降低。生物質(zhì)炭的孔隙結(jié)構(gòu)主要由2個(gè)部分組成：一方面是生物質(zhì)本身即存在的海綿結(jié)構(gòu);另一方面是由木質(zhì)素?zé)峤鈺r(shí)因揮發(fā)分析出而產(chǎn)生的氣泡與氣孔[17]。大量研究表明，隨著制備溫度的升高，生物質(zhì)炭比表面積逐漸增大，孔隙結(jié)構(gòu)逐漸變優(yōu)。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著制備溫度的升高，園林廢棄物生物質(zhì)炭比表面積、總孔體積、微孔孔容、微孔率及平均孔徑均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，最佳制備溫度為500 ℃，本結(jié)果與楊興等研究結(jié)果[12，17]一致，這可能是由于原材料不同所致，園林廢棄物生物質(zhì)炭原材料來源廣泛，包括樹枝、樹葉、植物殘?bào)w、落花落果等，熱解溫度過高可能會引起木質(zhì)素軟化熔融，造成氣孔堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致生物質(zhì)炭比表面積降低、孔隙結(jié)構(gòu)變差。

生物質(zhì)炭對植物生長和作物產(chǎn)量及品質(zhì)提升具有明顯的促進(jìn)作用[18-19]。本研究與牛亞茹等研究結(jié)果[20]一致，其原因可能包括：首先，生物質(zhì)炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，可促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，改善土壤理化性狀，增強(qiáng)保水保肥能力，提高土壤通氣性和養(yǎng)分含量，從而促進(jìn)植株生長[20];其次，生物質(zhì)炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)可以為土壤微生物提供附著位點(diǎn)和生存空間，從而提高土壤酶活性，促進(jìn)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化利用[21];第三，生物質(zhì)炭對植物光合作用具有一定的促進(jìn)作用，從而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[22]。同時(shí)本研究還發(fā)現(xiàn)，園林廢棄物生物質(zhì)炭的促生效果隨熱解溫度升高而呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，最佳制備溫度為500 ℃，這可能是由于過高的熱解溫度可能會引起木質(zhì)素軟化熔融，造成氣孔堵塞和孔隙結(jié)構(gòu)變差，從而對園林廢棄物生物質(zhì)炭的促生效果造成影響。牛亞茹等研究表明，外施生物質(zhì)炭可增加大棚黃瓜根結(jié)線蟲卵塊數(shù)[20];王成己等研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭對煙草青枯病具有一定的防控作用[23];王光飛等發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭介導(dǎo)生防微生物對辣椒疫霉病具有一定的抑制作用[24];張猛等研究表明，稻殼生物炭搭載特基拉芽孢桿菌對西瓜枯萎病具有一定的防治效果，以制備溫度500 ℃效果最佳[8]。本研究發(fā)現(xiàn)，園林廢棄物生物質(zhì)炭可顯著提高番茄青枯病防治效果，且防治效果隨著制備溫度的升高呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，以500 ℃效果最佳。本結(jié)果與前人研究結(jié)果較為一致，其原因主要包括：首先，生物質(zhì)炭可促進(jìn)植株生長健壯，提高抗病性;其次，生物質(zhì)炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)有助于改善土壤微生物區(qū)系，維持微生物菌群平衡，促進(jìn)有益菌增長、抑制病原菌數(shù)量增長;第三，500 ℃制備的生物質(zhì)炭防控效果優(yōu)于700 ℃生物質(zhì)炭可能是由于熱解溫度過高引起木質(zhì)素軟化熔融，導(dǎo)致生物質(zhì)炭孔隙結(jié)構(gòu)變差，進(jìn)而造成防控效果弱于500 ℃生物質(zhì)炭。

相關(guān)性分析結(jié)果表明，園林廢棄物生物質(zhì)炭理化性質(zhì)與連作番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及青枯病抗性密切相關(guān)。其中，單果質(zhì)量、糖酸比及防治效果與總孔體積、微孔率及平均孔徑呈極顯著正相關(guān)，可滴定酸含量及病情指數(shù)與總孔體積、微孔率及平均孔徑呈極顯著負(fù)相關(guān)，單株產(chǎn)量與平均孔徑呈極顯著正相關(guān)，可溶性固形物含量與微孔率呈極顯著正相關(guān)，番茄紅素含量則與比表面積、總孔體積及微孔率呈極顯著正相關(guān)。

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