不同种类沼液浸种对生菜种子萌发的影响

孙蓓蓓, 刘研萍, 张继方

(北京化工大学环境科学与工程系， 北京 100029)

中国作为农业和人口大国，每年都会产生大量的有机固体废物，2018年主要农作物秸秆年产量达9亿t以上[1]，畜禽粪便年排放量达到38亿t[2]，全国生活垃圾年清运量达2.28亿t，包括餐厨垃圾1.08亿t[3]。厌氧发酵技术是处理生物质废弃物的有效手段，以上物质均可作为厌氧发酵的良好原料[4]。近年来，随着沼气工程的快速发展，我国形成了农村户用沼气、养殖场大中型沼气工程、秸秆集中供气沼气工程等多种模式的建设格局，截至2015年底，农村沼气设施规模高达4 193万户，各类型沼气工程已有10多万处，还出现了一批规模超过10 000 m3的特大型沼气工程，沼气年产生量共约158亿m3[5]。随之而来也会产生数量庞大的沼液沼渣，若未经妥善处理直接还田则会存在一定的安全隐患[6]。

沼液中含有大量氮、磷、钾等营养元素，还富含腐殖酸、氨基酸、维生素、微量元素以及一些生物活性分子等[7-8]，同时兼具速效和缓释养分。基于这些特点，沼液被广泛应用于农业生产中，如用作肥料、浸种溶液、土壤改良剂、养殖饲料等[9-11]。其中，沼液浸种技术简便，投资小，易于在农业生产中推广。种子经沼液浸泡后，沼液中的营养物质可以渗透进入种子内部，激发酶的活性，加速养分运转和新陈代谢，促进细胞生长，提高种子的发芽率和成秧率，并有抗病、壮苗、增产的作用[12-13]。但是，沼液成分比较复杂，除了含有以上提及的物质外，也可能存在一些成分尚不明确的生物抑制性物质和其他有害成分[15]。不同发酵原料产生的沼液成分也有一定的差异，所以在农用前对其应有充分的了解，以免对作物生长产生不良影响。

本研究分析了不同厌氧发酵原料及其沼液的成分，进行了生菜种子在沼液中的发芽试验和浸种试验，研究了不同类型和不同浓度的沼液对种子发芽以及幼苗生长的影响，探索合理的浸种条件，以期为沼液的农业应用提供一定依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用玉米秸取自北京市顺义区农田，牛粪取自顺义区养殖场，厨余垃圾和果蔬垃圾取自北京化工大学食堂。分别将果蔬垃圾、厨余垃圾、牛粪联合玉米秸(质量比为3∶1)厌氧发酵物离心分离后的上清液作为试验沼液。再将每种沼液稀释至原浓度的1%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%、70%、100%，以此作为种子的培养液和浸种液。所用种子为大速生菜种子，由北京市芳萱苑种子有限公司生产。

1.2 原料及沼液成分检测

分别对原料和沼液中的氮、磷、钾、有机质、总盐、重金属等进行分析。具体分析项目和方法见表1。

表1 分析检测方法

1.3 沼液作为培养液的种子发芽试验

每组沼液设置12个发芽器，每个发芽器中均匀放置50粒种子，用上述不同类型和浓度的沼液作为培养液，以蒸馏水培养为对照组，在恒温光照培养箱中于25 ℃连续培养7 d，每组3个平行试验。培养2 d后测定根长，计算发芽率、发芽指数；第7天测定芽长，计算发芽率、成秧率。

1.4 沼液作为浸种液的种子发芽试验

每组沼液设置12个发芽器，每个发芽器中均匀放置50粒种子，用上述不同类型和浓度的沼液将种子浸泡12 h，以蒸馏水浸泡为对照组，将浸泡后的种子转移到芽床上，适时补充水分保持芽床的湿润，在恒温光照培养箱中于25 ℃连续培养7 d，每组3个平行试验。培养2 d后测定根长、计算发芽率；第7天计算成秧率、发芽指数、活力指数。

1.5 高浓度沼液浸种试验

每个发芽器中均匀放置50粒种子，采用未经稀释的三组沼液分别浸种1、2、3、4、5、6、7 d，浸种后用清水培养7 d。以蒸馏水浸种为对照组，每组3个平行试验，每天统计发芽情况。

1.6 评价指标

试验各评价指标计算公式如下[16-17]：

表2 原料及沼液中的重金属含量

表3 原料及沼液中的营养物质含量

式中：Gt为在t天的种子发芽数，Dt为相对应的种子发芽天数；

活力指数(VI)=S×(GI)；

式中：GI为发芽指数；S为平均长度；平均长度(cm)=芽的长度(cm)+根的长度(cm)。

2 结果与讨论

2.1 原料及沼液成分分析

2.1.1重金属含量

由表2可知，厨余和果蔬垃圾中重金属含量低于牛粪便和玉米秸。经厌氧发酵后，秸秆以及粪便中的重金属游离释放出来进入沼液中，但相对于原料，沼液中重金属含量非常低。原料和沼液中的Cd、Cr、Pb、Hg、As含量均低于我国《城镇垃圾农用控制标准》(GB 8172-1987) 和《沼肥》 (NYT 2596- 2014)中的标准限值。微量的重金属元素有助于提升作物产量和品质，但长期大量施用会导致重金属在土壤中的残留和累积，改变土壤的理化性质，增大环境污染的风险，所以沼肥农用过程中应对重金属进行重点管控[18-19]。

2.1.2肥效成分分析

由表3可知，沼液中的速效氮主要以铵态氮存在，这可能是因为在厌氧条件下，原料中有机氮更多地转化为氨氮或铵态氮，而硝态氮经过微生物作用转化为铵态氮或通过反硝化作用转化为N2[20]。沼液中的磷和钾含量相对较低，分别为0.04～0.07 g·kg-1和0.95～3.31 g·kg-1，这与发酵原料性质、水分比例差异、发酵和贮存时间等都有一定的关系[21-22]。原料中含有大量的有机质，大部分经厌氧发酵转化为甲烷，只有少部分保留在沼液中，其中包含丰富的腐殖酸、维生素、氨基酸等易被植物吸收利用的有效成分。牛粪玉米秸、厨余、果蔬组沼液中总养分(总氮+总磷+总钾)分别为3.41、4.83、5.46 g·kg-1，含量低于《沼肥》(NYT 2596—2014)的标准(≥80 g·L-1)，在施用于农田时宜与其他营养元素混合配比后使用。

2.1.3其他成分

沼液中总盐含量为6.0～11.1 g·L-1，大大超过了我国《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2005)的限值。原料中抗生素和农药类物质含量均低于检测限。沼液中蛔虫卵死亡率可达到100%，粪大肠菌群数远小于100个·mL-1，符合沼肥的卫生指标要求。

2.2 沼液作为培养液对种子发芽的影响

2.2.1沼液对发芽率的影响

对照组的最终发芽率为80%。果蔬组、牛粪玉米秸组、厨余组沼液对发芽率的影响如图1所示。由图1可知，当浓度为1%时，三组沼液处理的发芽率都高于对照组。对发芽率进行显著性u检验。厨余组|u|=1.75 u0.05=1.96，影响显著。整体而言，1%沼液对种子发芽有促进作用。随着沼液浓度的升高，三种不同原料实验组的发芽率总体呈下降趋势，当浓度为5%时，略高于对照组。当浓度高于20%后，各组发芽率差异逐渐增大，厨余组发芽率受浓度的影响最明显，当浓度达到70%时，发芽完全被抑制。浓度为100%时，三组发芽率均降至零。

图2 沼液浓度对2 d根长(a)和2 d发芽指数(b)的影响

图1 沼液浓度对发芽率的影响

2.2.2沼液对种子发芽后期生长的影响

种子发芽2 d时，对照组的根长为0.48 cm。种子在沼液中培养2 d后根长和发芽指数如图2所示。浓度低于5%时，根长略低于对照组，随着浓度的升高，沼液对根系发育的抑制作用逐渐增加。这与吴玉红等[14]用猪粪沼液浸种玉米种子的研究结论基本一致。

2 d发芽指数是对发芽率和根伸长的综合评价，其高于100时为促进，反之则为抑制。只有在浓度为1%时，果蔬和牛粪组的发芽指数大于100，其余均小于100。厨余沼液对种子发芽的抑制作用最强，这是因为厨余中含有较多的油脂和盐分，厌氧发酵只能去除部分油脂，芽床表面形成的油膜影响种子的呼吸，进而影响发芽率。另外，由于有机物质的消解，可溶性盐分不断增多，盐度是影响种子萌发的主导因素，低浓度的盐可以促进种子萌发, 高浓度则会明显抑制其萌发[23]。盐分对蛋白质的合成、膜的选择透过性、离子的动态平衡、光合作用等也会产生影响。为了抵御盐分胁迫，植物体内会发生一系列反应，消耗大量的能量，最终导致植株生长缓慢甚至胁迫致死或假休眠[24]。

对照组的7 d成秧率为80%，平均芽长为3.08 cm。种子培养7 d后的成秧率和芽苗的平均长度如图3所示。成秧率和芽长基本均随着浓度的升高而减小。当浓度为1%时，果蔬组和牛粪玉米秸组的成秧率高于对照组，其余浓度下，均低于对照组。果蔬组在浓度小于15%时，芽长高于对照组，牛粪组在浓度小于10%时，芽长高于对照组，而厨余组仅在浓度为5%时的芽长略高于对照组。沼液浓度越高，幼苗的生长状况越差。在高浓度沼液中，即使种子能够发芽，后期生长状况也较差，极易腐烂。因为沼液浓度较高时存在的盐分胁迫、有机质腐化、重金属过量以及一些其他生物抑制性物质都会影响种子的发芽和幼苗的生长[15]。

2.3 沼液作为浸种液对种子发芽的影响

2.3.1沼液浸种对发芽率的影响

对照组的最终发芽率为84%，由图4可知，各组在不同浓度下的发芽率基本都超过或接近对照组。果蔬和牛粪组最大发芽率为94%，进行显著性分析检验，|u|=1.73 u0.05=1.96，浸种影响显著。可见沼液浸种能够促进种子发芽，但是在本实验中整体促进效果不显著，这可能与种子本身发芽率较高有一定的关系。

图3 沼液浓度对成秧率(a)和7 d芽长(b)的影响

沼液浸种的发芽率呈一定程度上的正态分布，当浓度低于5%和高于40%时，发芽率整体上略有降低。因为沼液浓度较低时，所含营养物质较少，对种子发芽的促进作用较小；而当浓度过高时，有害成分会对种子的胚胎造成伤害，抑制生长发育。与刘媛媛等[25]用沼液浸种早熟禾种子的研究结论一致。

图4 沼液浸种对发芽率的影响

2.3.2沼液浸种2 d后的生长情况

种子发芽2 d时对照组根长为0.84 cm。浸种2 d后的根长如图5(a)所示。可以看出，果蔬组、牛粪玉米秸组、厨余组2 d平均根长较对照组分别提高了21.21%、28.35%、28.03%，可见浸种后有利于促进根的生长。从图5(b)可以看出，不同沼液在不同浓度下对种子发芽的影响有明显差异。果蔬、牛粪、厨余组的2 d发芽指数分别在浓度为20%、5%、25%时到达最大值。杨柳等[26]研究表明，沼液浓度在30%以内时，番茄种子发芽率随沼液浓度的加大不断增大。史向远等[27]发现，沼液浓度为25%时，西瓜种子的发芽率和发芽势最高。引起这种差异的原因主要有两点，一是与种子本身的性质有关，不同种子发芽的难易程度不同；二是不同原料发酵产生的沼液成分有所差别，所以提供给种子生长所需的营养物质的种类和含量不同，进而影响种子的萌发和生长。

2.3.3沼液浸种7 d后的生长状况

对照组的成秧率为70%，浸种后的成秧率如图6(a)所示。由图6(a)可知，果蔬组在沼液浓度为20%时成秧率最大，为78%，进行显著性分析，|u|=0.48u0.01=2.58，影响极显著；厨余组在沼液浓度为100%时成秧率最大，为82%，|u|=1.72

对照组的7 d发芽指数为33.83。浸种7 d后的发芽指数见图6(b)，由图6(b)可知，沼液浓度低于30%时，三组的发芽指数均高于对照组，浓度大于30%时，整体呈下降趋势。发芽指数一定程度上反映种子发芽快慢，可见，低浓度沼液浸种能够提高种子的发芽速度。

对照组的活力指数为285.19，浸种后的活力指数见图6(c)。由图6(c)可知，当沼液浸种浓度低于30%时，果蔬组和厨余组的活力指数均高于对照组，牛粪组的活力指数始终低于对照组。当浓度高于30%时，活力指数均有所下降。张继红等[28]研究表明，当沼液浓度大于60%时，种子的发芽指数和活力指数均呈下降趋势，说明高浓度的沼液在一定程度上会延缓种子的发芽进程,但不同种子对沼液适宜浓度的临界点不同。

综合以上各指标，得到果蔬、牛粪、厨余沼液的最佳浸种浓度分别为20%、5%、25%。

2.4 高浓度沼液浸种时间对发芽的影响

在以沼液作培养液的实验中发现，高浓度沼液对种子发芽有抑制作用，本试验用于验证这种抑制性影响，并研究浸种时间对种子活性的影响。

图5 沼液浸种对2 d根长(a)和2 d发芽指数(b)的影响

图6 沼液浸种对成秧率(a)、7 d发芽指数(b)和活力指数(c)的影响

对照组的最终发芽个数为42个。用未经稀释的果蔬沼液、牛粪玉米秸沼液、厨余沼液浸种生菜种子。由图7可知，果蔬和厨余沼液浸种的各组试验的最终发芽率均低于对照组，牛粪沼液浸种时间为1 d时高于对照组，之后均低于对照组。并且随着浸种时间的延长，发芽种子数不断减少。可见，种子在高浓度沼液中的浸泡时间过长会破坏种子的结构，使种子胚胎失活。但浸种一定时间的种子再用清水培养，部分种子能够逐渐恢复发芽能力。龙胜碧等[29]研究发现，沼液浸种24 h和36 h后再用清水浸泡24 h的水稻种子发芽率接近对照组。

不同浸种时间下的成秧率见表4。由表4可知，各组浸种1 d的成秧率最高，随着浸种时间的延长，成秧率整体呈降低趋势。所以沼液浸种时应控制适宜的浸种时间和浸种浓度。

图7 高浓度果蔬沼液(a)、牛粪玉米秸沼液(b)、厨余沼液(c)浸种各组发芽种子数随时间的变化情况

表4 高浓度沼液浸种成秧率

3 结 论

不同厌氧发酵原料及其沼液中的营养物质、重金属、盐分含量等均存在一定差异，部分沼液中的盐分和重金属含量超过了相关标准限值，因此在排放或者农用时应做好预处理，避免对作物和土壤产生不良的影响。

以沼液为培养液时，随着沼液浓度的升高，种子发芽率、发芽指数、成秧率等都逐渐降低，尤其是含有较高盐分和有机物的厨余沼液作为培养液时，种子对沼液浓度的变化更为敏感。各沼液浓度为1%时，对种子发芽有一定的促进作用，当浓度大于1%时，开始产生抑制作用，浓度越高抑制越明显。

以沼液为浸种液时，整体上有利于种子的发芽。牛粪沼液在较低浓度下对种子发芽和生长具有较明显促进作用，而厨余和果蔬沼液在浓度较低或较高时，浸种效果不太理想。综合发芽率、发芽指数、根长、芽长等指标，果蔬沼液最佳浸种浓度为20%，牛粪玉米秸沼液的最佳浸种浓度为5%，厨余沼液最佳浸种浓度为25%。