核桃壳生物炭对厌氧干发酵的影响
Effect of Walnut Shell Biochar on Dry Anaerobic Fermentation
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Keywords:
- dry anaerobic fermentation /
- cow manure /
- biochar
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油菜是一种主要油料作物，为中国居民提供约40%的植物食用油。当前中国栽培的油菜主要是甘蓝型油菜，其单产一般约为160 kg/667 m2，菜籽含油量约为42%[1]。基因型和环境的互作共同决定菜籽的产量和含油量。油菜的生长发育、产量和含油量受许多环境因子(如温度[2-3]、光照[4]、水分[5-6]、海拔和纬度[7]等)和栽培因子(如土壤[8-10]、密度[11]、施肥[12-13]和播期[14]等)的影响。相同品种在不同环境下种植，产量和含油量也存在较大差异[15]。研究发现：低海拔区油菜产量下降，中海拔区产量显著增加，高海拔区油菜株高降低[15]，一次有效分枝数减少，但产量增加[16]；高海拔种植区的油菜生育期明显长于低海拔种植区，油菜籽千粒质量和含油量显著高于低海拔区[17]，但全株有效果数和单株产量明显降低[18]；海拔与油菜含油量呈显著正相关[19]。在南京(海拔8.9 m)、西宁(海拔2261.2 m)和拉萨(海拔3658 m)种植的甘蓝型油菜品种，其含油量随着海拔的升高而增高[15]。近年来，国内外学者对地理位置影响油菜产量和含油量的研究都取得了一定进展，但研究多位于中低海拔地区且试验点分散，存在海拔及纬度双重因素的影响。不同试验点的气候环境因素和土壤因素相差较大，获得的试验结果并非完全是海拔因素的影响。因此，本研究以4个含油量不同的甘蓝型油菜品系为试验材料，在同纬度不同高海拔地区设置试验点，采用盆栽试验研究不同海拔对油菜农艺性状和含油量的影响，为高海拔地区油菜栽培、高含油量品种选育以及油菜栽培区域拓展等提供科学依据和理论指导。
1. 材料与方法
1.1 材料
供试材料为甘蓝型油菜DH系的4个品系：DH0216、DH0405、DH0815和DH0729，均由云南农业大学油菜研究室提供。
1.2 方法
1.2.1 材料种植
试验材料种植于云南省元江县羊叉街镇老窝底山(E101°47′，N23°39′)，材料种植期间(2019年10月至2020年5月)平均降雨量为47.86 mm，平均气温为13.96 ℃。实地考察后设计5个海拔处理，分别为1600、1800、2000、2200和2400 m。为保证其他因素的一致性，试验采用盆栽，盆口直径40 cm，高70 cm。取同一块地耕作层土壤与有机肥(羊粪)和复合肥拌匀，装土至盆颈处，每盆含有机肥2 kg和复合肥200 g[m (N)∶m (P)∶m (K)=20∶10∶10]。2019年10月12日播种，每个海拔40盆，4~5叶时定苗，每盆留2株健壮苗。水肥管理和病虫害防治等按照油菜常规田间栽培管理进行。
1.2.2 油菜农艺性状的测定及生育期记录
油菜成熟时，每个海拔随机选取10株，测定其株高、一次分枝数、单株有效角果数、每角粒数和千粒质量[20]；油菜成熟后，收集这10株主花序中上部角果(50~70个角果)脱粒备用；在油菜生长生育期内记录角果成熟期(初花到角果成熟)和全生育期天数(播种至收获)。
1.2.3 种子含油量的测定
含油量的测定参照GB/T 14488.1—2008。将收获的10株油菜籽放于80 ℃烘箱内烘干至恒质量(约48 h)。待种子完全烘干脱水后(含水量低于10%)称取0.2 g种子于研钵中，研磨成粉末，然后将粉末转移到10 mL玻璃试管中，加入2 mL正己烷/异丙醇(体积比为3∶2)提取液进行油脂的提取；涡旋振荡10 min后室温静置30 min，之后1500 r/min离心10 min，将上清液转移到玻璃试管中；原试管中的残渣再用2 mL正己烷/异丙醇继续再抽提1次，合并2次抽提得到的上清液；最后加入400 μL 1%的氯化钾溶液，涡旋混匀，1500 r/min离心10 min，弃上清液，随后，真空干燥后称质量，减去玻璃试管质量即为油脂质量。设置3次生物学重复。
1.2.4 相关性分析
单株角果数、每角粒数和一次分枝数等农艺性状是产量的主要构成因子，故为进一步分析海拔与含油量和产量的关系，对海拔和单株产量与农艺性状以及含油量与海拔、角果成熟期和生育期的相关性进行分析。
1.2.5 数据处理
用Microsoft Excel 2010软件对数据进行处理；用GraphPad Prism 8.0软件作图；用SPSS 23.0分析软件进行ANOVA统计分析和相关性分析，Duncan’s检验差异显著性(P<0.05)。
2. 结果与分析
2.1 高海拔对油菜生育期、株高和一次分枝数的影响
由图1可知：随着海拔的升高，油菜生育期均延长。海拔1600和1800 m条件下，各品系油菜的生育期无显著差异，而在海拔2000、2200和2400 m条件下，各品系油菜的生育期均显著增加(P<0.05)。其中，海拔2400 m处理组中DH0729的生育期最长，为232 d；海拔1600 m处理组中DH0405和DH0815的生育期最短，均为167 d。一定海拔范围内(1600~2200 m)，油菜株高和一次分枝数均随着海拔升高而增加；到海拔2400 m时，株高和一次分枝数较海拔2200 m处理组均显著下降，且一次分枝数减少至最低值。综上所述，海拔升高甘蓝型油菜生育期延长，株高和一次分支数呈现增加后下降的趋势，海拔2200 m是油菜生长发育的区域拐点，高于海拔2200 m油菜生育期延长趋势最大、主要农艺性状变差。
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图 1 高海拔处理下甘蓝型油菜生育期、株高和一次分枝数变化注：不同小写字母表示同一品系不同海拔间差异显著(P<0.05)；下同。Figure 1. The changes of the growth period, plant height and primary branch number of Brassica napus under high altitude treatmentNote: Different lowercase letters represent the same line with significant difference between different altitudes (P<0.05); the same as below.2.2 高海拔对油菜产量性状的影响
由图2可知：油菜每角粒数随着海拔的升高呈逐渐减少的趋势，千粒质量则呈逐渐增加的趋势。其中，DH0815的每角粒数降幅最大，从31.33粒降至25.17粒；DH0216降幅最低，只降低1.33粒；此外，海拔2400 m时，除DH0216外，其余材料的每角粒数均显著降至最低。随着海拔的升高，DH0815的千粒质量增幅最大，增加0.78 g；DH0216的增幅最低，仅增加0.5 g。
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图 2 高海拔处理下甘蓝型油菜产量性状变化Figure 2. Changes of yield traits of B. napus under high altitude treatment由图2还可知：随着海拔的升高(1600~2200 m)，油菜的单株有效角果数和单株产量均表现为增加的趋势，但海拔升至2400 m时，均较海拔2200 m处理显著下降至最低值。除DH0815外，其他材料单株有效角果数和单株产量在海拔1600和1800 m间均无显著差异。海拔2200 m处理组中，DH0729的单株有效角果数和单株产量均最高，分别为1278.33个和134.33 g；海拔2400 m处理组中，DH0405的单株有效角果数最少(592.67个)，DH0216的单株产量最低(68.31 g)。
综上所述，海拔1600~2200 m 范围内甘蓝型油菜产量性状及角果性状趋于优化，超出此范围整体趋于劣质化。
2.3 高海拔对油菜角果成熟期和含油量的影响
不同高海拔对油菜角果成熟期(开花后到种子成熟)的影响如图3所示。随着海拔的升高，油菜角果成熟期延长，尤其以DH0815延长时间最长，延长21 d，DH0405延长时间最短，为14 d。
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图 3 高海拔处理下甘蓝型油菜角果成熟期和含油量变化Figure 3. The changes of pod maturity and oil content of B. napus under high altitude treatment油菜含油量随海拔升高而增加，其中DH0815的增幅最大，从海拔1600 m的31.07%增加到海拔2400 m的36.53%；DH0405的增加幅度最小，从海拔1600 m的41.1%增加到海拔2400 m的42.48%。
2.4 不同海拔下油菜单株产量与主要农艺性状的相关性分析
由表1可知：每角粒数与海拔呈显著负相关，千粒质量与海拔呈极显著正相关；单株有效角果数、一次分枝数、每角粒数、千粒质量和株高均与单株产量呈极显著或显著正相关，其中单株有效角果数与单株产量的相关系数最大。说明海拔对千粒质量和每角粒数影响最大；单株有效角果数是影响产量的最主要因素，而对株高的影响最小。
表 1 甘蓝型油菜农艺性状与海拔和单株产量的相关性分析Table 1. Correlation analysis of agronomic traits with altitude and yield per plant of Brassica napus项目
item单株有效角果数
number of effective
pods per plant每角粒数
number of seeds
per pod一次分枝数
number of primary
branches千粒质量
1000-grain weight株高
plant height海拔 altitude −0.350 −0.540* −0.350 0.979** 0.360 单株产量 yield per plant 0.687** 0.288** 0.414** 0.400** 0.138* 注：“*”表示在0.05水平上显著相关；“**”表示在0.01水平上极显著相关。
Note: “*” means significance at the 0.05 level; “**” means significance at the 0.01 level.2.5 海拔、角果成熟期和生育期与油菜籽含油量的相关性分析
甘蓝型油菜的角果成熟期和海拔与菜籽含油量呈显著正相关(P<0.05)，相关系数分别为0.528和0.560；生育期与菜籽含油量呈极显著正相关(P<0.01，r=0.720)。说明海拔升高和生育期延长是油菜含油量的主要影响因素。
3. 讨论
油菜的农艺性状决定其单株产量。农艺性状除受到自身遗传基因控制外，还受到海拔等环境因素的影响。本研究表明：4个油菜品系的生育期和千粒质量均随海拔升高而增加，而株高、一次分枝数、单株有效角果数和单株产量均随着海拔升高而呈先增加后降低的变化规律。该结果与符明联等[16]的研究结果一致，但与张晓春等[15]和张大琼等[17]的研究结果不尽一致，分析其原因可能是他们的研究区位于海拔1200 m以下，而本研究是在高海拔条件下进行。本研究发现：油菜的每角粒数随着海拔升高而降低，这与张晓春等[15]和符明联等[16]的研究结果不同，但与张大琼等[17]的研究结果一致。这可能是由于在高海拔下，气温较低，影响了花粉萌发和受精，导致每角粒数减少。特别是在海拔2400 m时，上午时常雾气缭绕，并且气温非常低，较大地影响了油菜的农艺性状及叶片与角果的光合作用，导致一次分枝数、单株有效角果数和单株产量均显著降低。因此，海拔2400 m以上地区不适合甘蓝型冬油菜种植。
张子龙等[19]在湖北省恩施地区的研究表明：不同海拔种植的同一油菜品种含油量有随海拔升高而增加的趋势，海拔从450~1500 m时，油菜含油量增加了7.39%。本研究表明：海拔从1600 m升高至2400 m时，4个品系的角果成熟期延长，含油量增加了2.89%，海拔与含油量的相关系数为0.560，与付三雄等[7]和张子龙等[19]的研究结果一致，可能是随着海拔升高，油菜的角果成熟期延长，角果为油脂累积提供更多的底物和能量，有利于油脂合成，使得含油量提高；同时，随着海拔升高，昼夜温差较大，夜间低温种子呼吸作用减弱，消耗的有机物较少，干物质积累多，从而增加油菜含油量。但在海拔2400 m时，虽然种子含油量增加，但单株产量降低，影响油菜综合效益，因此，云南高原地区油菜适宜种植于海拔2400 m以下。
不同海拔下油菜的单株产量与农艺性状的相关性分析表明：油菜单株产量与株高、一次分枝数、单株有效角果数、千粒质量和每角粒数均呈显著或极显著正相关，这与已有研究中“提高产量需提高单株有效果和一次分枝数”的结论[21]有相似之处。张锦芳等[22]研究认为：单株有效角果数、每角粒数和千粒质量对油菜单株产量的影响较大；廖淑梅等[23]发现：甘蓝型油菜主要农艺性状与产量的相关性中，单株有效角果数最大，其次是千粒质量、每果粒数、主花序有效角果数、株高和分枝部位；关周博等[24]发现：株高、单株有效角果数和每角粒数均与单株产量呈显著相关。本研究发现：单株有效角果数与单株产量的相关系数最大，与廖淑梅等[23]和关周博等[24]的研究结果相一致。因此，在低纬度高海拔地区种植冬油菜应选择分枝数多、单株有效角果数多、每角粒数多和籽粒大的品种为宜，特别是针对含油量而言应选择对环境不敏感和角果成熟期长的油菜品种。
在供试的4个油菜品系中，在相同的栽培管理条件下，随着海拔升高，DH0815的主要农艺性状、单株产量和含油量都呈现梯度性变化，而DH0216变化幅度较小，并且2个品系含油量差异较大，这可能是由于DH0815对环境敏感，而DH0216对环境较敏感。因此，未来从生理生化、基因表达和功能基因挖掘等方面研究海拔对油菜籽含油量的影响及其生物学机制时，这2个品系可作为对照材料。
4. 结论
在海拔1600~2200 m范围内，随着海拔升高，甘蓝型油菜株高、一次分枝数、单株有效角果数和单株产量增加；到海拔2400 m时，以上农艺性状显著降低。每角粒数随海拔的升高而降低。生育期、角果成熟期、千粒质量和含油量随海拔升高呈逐渐增加的趋势。甘蓝型油菜较适宜种植于海拔2400 m以下，高海拔推广甘蓝型油菜种植应选择对环境不敏感和具有早熟或极早熟特性的品种。
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图 2 各组生物炭表观微观形态及能谱分析
注：300H、400H、500H和600H为300、400、500和600 ℃处理组，下同。
Figure 2. Microstructure and energy spectrum analysis of biochar in each group
Note: 300H, 400H, 500H and 600H were the treatment groups of 300, 400, 500 and 600 ℃; the same as below.
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图 3 甲烷含量、日VS产甲烷量和累计VS产甲烷量变化情况
注：空白组不产气。
Figure 3. Change of methane content, daily VS methane production and cumulative VS methane production
Note: There was no methane in the blank group.
表 1 奶牛粪和接种物特性
Table 1 Characteristics of cow manure and inoculum
% 项目
item总固体含量
total solid content挥发性固体含量
volatile solid content总氮含量
total nitrogen content总磷含量
total phosphorus content有机质含量
organic matter content奶牛粪
cow manure43.12±0.49 77.45±0.51 1.51 0.20 16.2 接种物
inoculum11.25±0.21 64.31±0.28 0.18 未检测
no detection未检测
no detection
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表 2 发酵产气情况
Table 2 Gas production by fermentation
处理
treatmentTS 产甲烷量/(mL·g−1)
TS methane productionVS 产甲烷量/(mL·g−1)
VS methane production平均甲烷含量/%
average methane content总产甲烷量/mL
total methane production达总产甲烷 80% 的时间
time of dup to 80% of the total
methane production300H 38.14±1.35 51.54±1.82 45.0 1136.20±40.62 第19天 the 19th day 400H 68.02±1.24 91.93±1.68 48.0 1889.35±37.28 第25天 the 25th day 500H 95.95±2.32 129.67±3.13 50.0 2822.80±69.69 第28天 the 28th day 600H 135.76±2.16 183.46±2.93 54.0 4011.29±65.08 第30天 the 30th day CK 104.02±1.82 140.56±2.46 51.0 3164.85±54.68 第31天 the 31st day 空白组
blank group0 0 0 0 0 注：300H、400H、500H和600H为300、400、500和600 ℃处理组；CK. 奶牛粪+接种物；空白组. 接种物+生物炭。
Note: 300H, 400H, 500H and 600H were the treatment groups of 300, 400, 500 and 600 ℃; CK. cow manure+inoculum; blank. inoculum+biochar.
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