木薯渣堆肥水解液对黄瓜立枯病的防治和促生效果研究.pdf

南京农业大学学报 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金项目 作者简介 杜亚楠 硕士研究生 通信作者 冉炜 研究员 主要从事农业废弃物资源化利用和生物有机肥研究 杜亚楠 孟晓慧 梅怡然 等 木薯渣堆肥水解液对黄瓜立枯病的防治和促生效果研究 南京农业大学学报 木薯渣堆肥水解液对黄瓜立枯病的 防治和促生效果研究 杜亚楠 孟晓慧 梅怡然 谢丹 冉炜 沈其荣 南京农业大学资源与环境科学学院 江苏省固体有机废弃物资源化研究重点实验室 江苏南京 摘要 目的 本文旨在通过碱解法处理木薯渣堆肥制备水解液以用作液体有机肥料 并研究其对由立枯丝核菌 引起的黄瓜立枯病的防治与促生效果 方法 为了筛选出最优水解液 分别用不加碱的纯水及 氢氧化钾 溶液对木薯渣堆肥进行水解 利用化学分析 称重法 扫描电镜 和红外光谱法 分析水解液的 有机物和养分含量以及水解残余物的分解率和结构特征 在无菌条件下测定无菌水解液对立枯丝核菌菌丝生长的抑制作 用 并通过温室水培试验验证水解液对黄瓜立枯病的防治与促生效果 结果 溶液处理的水解液最优 该条件下水解液中的有机养分溶出效果最好 固体分解率为 堆肥的木质纤维素受到显著破坏 残渣中木质素含量 降低 大量移出到水解液中 稀释 倍的无菌水解液对病原菌菌丝生长均有抑制作用 并且随水解液稀 释倍数的降低 抑制效果增强 当培养基中水解液的稀释倍数为 时 对菌丝生长的抑制率最高 达到 水培试验 结果表明 与对照 相比 外源添加稀释 倍的木薯渣堆肥水解液处理条件下的黄瓜幼苗在接种病原菌 后未出现发病症状 其中在稀释 倍的水解液环境中生长的黄瓜幼苗 长势最好 株高 茎粗 叶面积较对照 分别增加 结论 本研究提出了 种以木薯渣堆肥为原料制备液体有机肥的新方法 制备的水 解液富含水溶性有机物和植物养分元素 能够促进黄瓜苗生长 有效防治黄瓜立枯病 关键词 木薯渣 堆肥 碱法水解 水解液 黄瓜 立枯病 液体有机肥 中图分类号 文献标志码 文章编号 南 京 农 业 大 学 学 报第 卷 木薯是世界上重要的粮食产物之一 我国木薯年产量达 万 以上 年进口木薯 主要是干木薯 万 以上 在木薯脱皮 生产淀粉和酿酒等加工过程中产生的木薯渣高达数百万吨 木薯渣富含植 物养分元素及生长素和赤霉素等植物生长调节剂 具有很大的资源化利用价值 堆肥可消纳大量木薯 渣 然而 由于木薯渣含水量高 透气性差 在堆肥过程中分解速率十分缓慢 导致堆肥成本过高 利 用木薯渣堆肥进一步生产功能性肥料有望提高木薯渣资源利用效率 碱解反应是以稀碱溶液为催化剂对生物质进行水解的化学过程 该方法具有操作简单便捷 木质素去 除效果显著等优点 广泛应用于含木质素的农业废弃物 该反应能使植物细胞壁中的木质素溶解 腐殖酸 水解成小分子有机酸 蛋白质的肽键裂解形成多肽和氨基酸 脂肪皂化为脂肪酸和醇类 细菌细胞壁的磷 壁酸和病毒的核酸裂解 并使重金属钝化 由于堆肥富含有机质和微生物细胞 利用该方法对堆肥进 行水解有望提取出丰富的水溶性小分子有机酸 氨基酸 脂肪酸和养分离子等生物活性物质 目前采用碱 解处理的物料多为秸秆类原料 将稀碱处理用于木薯渣等高淀粉类原料的研究较少 有关木薯渣水解液 的研究主要集中于制备乙醇 尚未发现木薯渣堆肥制备水溶性有机肥的报道 黄瓜立枯病是由立枯丝核菌 引起的土传性病害 是黄瓜育苗前期死苗倒苗的主要 病害 该病原菌侵染力强 寄主范围广 经常造成大面积的缺苗和毁灭性的损失 育苗是现代设施栽 培最重要的生产环节之一 在生产上立枯病的防治手段主要依靠化学农药防控 但大量化学农药的使用会 造成立枯病菌抗药性 其效果受环境条件限制且不稳定 急需新的非化学农药型防治手段 研究表明 施用有机肥能够增强土壤肥力 改善土壤中微生物群落 提高农作物的品质和产量 并且对很多植物病原 菌的生长 繁殖均表现出明显的抑制作用 黄新琦 的研究结果表明 施用生物有机肥对黄瓜土传 立枯病有明显的抑制作用 虽然堆肥和堆肥茶在立枯病防控上有一定效果 但防效的稳定性也受有机 物分解过程和产物组成变化的影响 在 水肥一体化 不断发展的形势下 研究具有溶解快 抑病和促 生效果好 可灌施 喷施和蘸根等即用型液体有机肥具有广阔的应用前景 本研究以木薯渣堆肥为原料 使用 溶液进行水解处理 研究不同碱浓度对木薯渣堆肥水解过程 的影响 筛选出最优水解浓度 以提高水解液的品质 并通过水培试验外源添加木薯渣堆肥水解液 来验证 其对黄瓜立枯病的防病 促生效果 旨在为木薯渣的资源化利用提供新途径 在提升其资源价值的同时 为 高效 安全的功能性液体有机肥料的开发和应用提供理论依据和技术支持 材料与方法 试验材料 供试植株及肥料 黄瓜品种为 露丰 购自江苏省农业科学院 木薯渣堆肥采集自江苏佳禾兴农 业生物科技有限公司 将所购原料过孔径为 的筛 风干后密封保存备用 其基本性质为 有机质 含量 全氮含量 全磷含量 全钾含量 无菌水解液的 制备 用稀硝酸溶液调节木薯渣堆肥水解液 值至中性 然后用 的无菌滤膜过滤除菌 供试菌株及培养基 病原菌为立枯丝核菌 由笔者所在实验室提供 马铃薯葡 萄糖琼脂固体培养基 马铃薯 葡萄糖 琼脂 自来水 自然 马铃薯葡 萄糖液体培养基 马铃薯 葡萄糖 自来水 自然 立枯丝核菌菌悬液的制 备 在 培养基上培养立枯丝核菌 后 将其转接到 液体培养基中 在 条件下 继续培养 用双层纱布滤出菌丝团 将菌丝搅碎 用无菌水将菌悬液调制到透光率为 第 期杜亚楠 等 木薯渣堆肥水解液对黄瓜立枯病的防治和促生效果研究 试验设计 木薯渣堆肥水解试验 总反应体系为 将木薯渣堆肥与 溶液按照质量体积比为 混合 置于 三角瓶中 由封口膜密封后 放入 恒温水浴锅中加热反应 共设 个处理 不 加碱处理及 处理 每个处理 个重复 水解结束后 将水解产物 离 心 上清液装入 离心管 保存 用于全氮 全磷 全钾 水溶性有机碳以及腐植酸含量的 测定 残留物用自来水冲洗至中性 在恒温鼓风干燥箱 烘干 用于固体分解率 木质纤维素含量的测 定以及扫描电镜 傅里叶红外光谱 分析 综合以上各项指标确定最优水解液 木薯渣堆肥水解液对立枯丝核菌菌丝生长的抑制作用 采用菌丝生长速率法初步检测最优水解 液对黄瓜立枯病病原菌菌丝生长的抑制作用 共设 种稀释倍数 分别将木薯渣堆肥无菌处理液稀释 和 倍 用只有 培养基的处理作为空白对照 不同处理分别接种黄瓜立枯病菌菌饼 直径 菌丝面朝上 置于 恒温培养箱培养 当对照组病原菌菌丝长满整个培养平板时试验 即停止 测量不同处理下病原菌的菌落直径 每个处理 个重复 木薯渣堆肥水解液对水培黄瓜苗期的防病与促生效果 挑选籽粒饱满的黄瓜种子进行浸种催芽 待黄瓜出现 片子叶后移入含 营养液的三角瓶中继续培养 挑选长势一致的 苗龄的黄瓜幼 苗 移入装有 不同处理的营养液中 每个处理加入 立枯丝核菌菌悬液 观察发病周期 共设 个处理 为 营养液处理 分别为木薯渣堆肥水解液稀释 和 倍处理 每个处理 个重复 温室条件下 每隔 加 次营养液 培养至对照组黄瓜幼苗发病死亡 测定项目与方法 堆肥的固体分解率 通过测定木薯渣堆肥的固体分解率 判断水解效果 固体分解率 的计算 公式为 式中 为加入木薯渣堆肥的质量 为水解物离心后剩余残渣的 质量 水解残渣中木质纤维素含量 浓硫酸法测定木质素含量 差重法测定纤维素含量 盐酸水解法测定半纤维素含量 水解残渣的扫描电镜 观察 将水解残渣烘干样品置于电镜载物台导电胶上 并用洗耳球吹 掉表面脏物 经低温真空干燥并离子溅射镀金后 利用 场发射电子显微镜 观察其表面特征 水解残渣傅里叶红外光谱 分析 将水解残渣烘干样品粉末与 光谱纯 按体积比为 的比例混合于玛瑙研钵中研磨均匀 将混合物置于真空红外干燥器内干燥 使用压片机压成 薄圆片 用傅里叶红外光谱仪 进行扫描测定 波数范围 扫描间隔 扫描次数 次 分辨率 以 为空白对照 采集背景值 水解液的基本理化性质 全氮 全磷和全钾含量测定参照农业行业标准 和文献 中有关有机肥料养分测定的方法 先将木薯渣堆肥水解液充分混匀 取 木薯渣堆肥水解液 浓 硫酸 双氧水消煮 定容到 待测 采用连续流动自动分析仪 测定全氮含量 用钼锑抗比色法 分光光度计测定全磷含量 用 火焰光度计测定全钾 含量 每个样品重复 次 混匀后的木薯渣堆肥水解液经 微孔滤膜过滤 滤液稀释一定浓度 用 仪 岛津 测定水溶性有机碳含量 每个样品重复 次 参照农业行业标准 中有关水溶肥料腐植酸含量的测定方法测定腐植酸含量 每个样品重复 次 菌落直径 采用十字交叉法测量 并计算抑制率 菌落扩展直径 菌落平均直径 菌 饼直径 菌丝生长抑制率 对照菌落扩展直径 处理菌落扩展直径 对照菌落扩展直径 植株生长指标 收获并记录各处理组黄瓜的株高 茎粗 叶面积 叶绿素相对含量 地上部鲜重以 及根系鲜重等指标 用 测定叶绿素含量 选用根系扫描仪 拍摄根系照片 数据处理与分析 采用 统计软件进行数据处理 采用 软件中的 法和 法进行 差异显著性分析 用 软件对获得的数据绘制图表 南 京 农 业 大 学 学 报第 卷 结果与分析 溶液水解木薯渣堆肥性质及表征分析 木薯渣堆肥固体分解率 如图 所示 与不加碱处理相比 不同浓度 溶液处理后的木薯渣堆 肥固体分解率均显著增加 这表明最适合木薯渣堆肥固体分解的 浓度是 木薯渣堆肥水解残渣中木质纤维素含量 从图 可知 在未加碱处理条件下 水解残渣中木质素 含量最高 纤维素次之 半纤维素含量最低 加碱之后木质素及半纤维素被脱除 纤维素含量显著增加 并且当 溶液的浓度由 增加至 木质素 半纤维素含量逐渐减少 纤 维素含量逐渐增加 当 浓度为 时 纤维素含量最高为 与不加碱处理相比 增加 木质素含量为 与不加碱处理相比 减少 半纤维素含量为 与不加碱处理 相比 减少 当 浓度升至 时 木质素 半纤维素含量降幅微弱 几乎不变 由此可 见 在 溶液处理条件下 既能高效脱除木质素和半纤维素 又能最大程度保留纤维素 图 不同浓度 溶液处理后木薯渣堆肥 水解残渣的木质纤维素含量 不同字母表示同一指标处理间在 水平差异显著 图 不同浓度 溶液对木薯渣堆肥固体 分解率的影响 不同字母表示处理间在 水平差异显著 下同 木薯渣堆肥水解残渣的扫描电镜观察 从图 可知 在不加碱处理条件下 木薯渣堆肥大颗粒团 聚在一起 表面相对完整紧凑 经 溶液处理过后 样品被破碎成块状 表面粗糙 结构疏松 木质纤维 素的结构被显著破坏 当 溶液浓度由 增加至 破坏效果愈发明显 当 浓 度为 时 相对于 处理下的木薯渣堆肥 表面结构破坏程度变化不大 木薯渣堆肥水解残渣的傅里叶红外光谱分析 从图 可知 不同浓度 溶液处理的木薯渣堆肥 残渣具有相似的光谱特征 只是在相对吸收强度上有一定差异 在波数 处 不同浓度 溶 液处理的木薯渣堆肥都有峰出现 该处吸收峰表征碳水化合物 脂肪族化合物及木质素的 和 伸缩振动 与不加碱处理相比 加碱后的木薯渣堆肥吸收峰强度降低 表明亚甲基和甲基含量降低 标志碳 水化合物和木质素的分解 木质素中的 伸缩振动 芳香族骨架振动 蛋白质以及酰胺化合物中的 与 键振动主要集中在 处 不加碱处理的木薯渣堆肥在此处有 个明显尖峰出 现 吸收峰的强度比为 而经 和 溶液处理的木薯渣堆肥均出现 较平缓的肩峰 且尖峰的位置发生偏移 吸收峰强度比不加碱处理分别降低 和 说 明加碱能够降解木质素和蛋白质并且破坏其结构 以 溶液处理的木薯渣堆肥中的木质素 和蛋白质降解效果最好 处是木质素和脂肪族化合物的典型吸收峰 与不加碱处理相比 加碱 处理的木薯渣堆肥均出现 个明显尖峰 且当 浓度为 时 吸收峰的强度比最 低为 这表明该浓度能够更好地促进类脂类物质转化为羧酸盐类 能够更大程度降解和破坏木质素 第 期杜亚楠 等 木薯渣堆肥水解液对黄瓜立枯病的防治和促生效果研究 图 不同浓度 溶液处理木薯渣堆肥水解残渣的扫描电镜图像 图 不同浓度 溶液处理木薯渣堆肥水解残渣的傅里叶红外分析 木薯渣堆肥水解液对黄瓜立枯病的防治促生效果 木薯渣堆肥水解液基本理化性质 从表 可知 与不加碱处理相比 加碱能够显著促进木薯渣堆 肥中全氮 全磷的溶出 当 溶液浓度为 时 木薯渣堆肥水解液中的全氮 全磷 含量均达到最高值 但与 溶液处理相比 木薯渣堆肥水解液中的全氮 全磷含量增幅微 弱 仅为 和 与上述物质含量变化不同 木薯渣堆肥水解液中的水溶性有机碳和腐 植酸含量虽然在加碱之后显著增加 但是经 溶液处理的木薯渣堆肥水解液中 水溶性有机碳和腐植酸含量反而低于 溶液处理 因此 溶液处理木薯 渣堆肥有机养分溶出效果最好 虽然碱浓度的增加在一定范围内可以促进木薯渣堆肥固体物质的溶解 有机养分的溶出 以及木质 素 半纤维的降解 但是在实际生产应用中 还得考虑资源耗费和后期处理工作繁杂程度 所以最终选择的 溶液浓度为 南 京 农 业 大 学 学 报第 卷 表 不同浓度 溶液处理木薯渣堆肥的水解液基本理化性质 处理 全氮含量 全磷含量 全钾含量 水溶性有机碳含量 腐植酸含量 注 水解液中全钾含量包括木薯渣堆肥溶出的钾含量和氢氧化钾溶液中的钾含量 同列不同小写字母表示处理间在 水平差异 显著 木薯渣堆肥水解液对立枯丝核菌菌丝生长的抑制作用 从图 可知 菌丝在含有过滤除菌的木薯 渣堆肥水解液培养平板上的生长速度显著低于对照处理 且随着木薯渣堆肥水解液稀释倍数的降低 抑制 作用逐渐增强 在稀释 和 倍的培养基上 立枯丝核菌的菌丝直径分别为 和 菌丝生长抑制率分别为 和 由此可见 木薯渣堆肥水解液 能够有效抑制立枯丝核菌的生长 图 木薯渣堆肥水解液对立枯丝核菌菌丝生长的抑制作用 为不添加水解液的空白对照 木薯渣堆肥水解液对水培黄瓜苗期的防病与促生效果 图 为 苗龄的黄瓜幼苗接种立枯丝 核菌 和 的发病情况 对照组黄瓜幼苗在接种病原菌 后 茎基部产生暗褐色病斑 病部出现凹 陷 叶片出现卷曲发黄的症状 随着时间的推移 叶片黄色部位逐渐从叶边缘向叶中心扩展 待接种病原 菌 后 叶片卷曲萎蔫症状非常明显 甚至死亡 然而 在稀释后的木薯渣堆肥水解液中培养的黄瓜幼 苗并未出现典型发病症状 表明木薯渣堆肥水解液能有效防治黄瓜立枯病 外源添加木薯渣堆肥水解液培养的苗期黄瓜生长情况见表 对照组植株在立枯丝核菌的胁迫下 生长发育受阻 株型较小 叶片发黄萎蔫 在木薯渣堆肥水解液中培养的植株 其生长状况则显著优于对 照组 处理的促生作用最优 其株高 茎粗 叶绿素相对含量 叶面积 地上部鲜重和根鲜重分别比对照 组增加了 和 结果表明 在黄瓜水培体系中外源添 加不同稀释倍数的木薯渣堆肥水解液均能不同程度地促进黄瓜幼苗的生长 第 期杜亚楠 等 木薯渣堆肥水解液对黄瓜立枯病的防治和促生效果研究 图 木薯渣堆肥水解液对水培黄瓜的防病促生作用 为 营养液培养 空白对照 分别为黄瓜幼苗的木薯渣堆肥水解液分别稀释 和 倍处理 下同 表 木薯渣堆肥水解液对水培黄瓜苗期的促生作用 处理 株高 茎粗 叶面积 叶绿素相对含量 地上部鲜重 根鲜重 图 表明 高浓度的木薯渣堆肥水解液会抑制黄瓜根系生长 处理黄瓜幼苗总根长 根面积比对照 下降 而其他处理能明显促进黄瓜的根系发育 且随稀释倍数的增加 促生效果逐渐减弱 与 相比 处理的总根长 根面积分别增加 和 处理分别增加 和 处理分别增 加 和 处理分别增加 和 上述结果均表明 在适宜浓度下 木薯渣堆肥 水解液能够促进黄瓜幼苗根系生长 讨论 本研究采用 溶液水解木薯渣堆肥 能够将堆肥中不溶性大分子物质转化为可溶性物质 其水解 液富含有机养分 可作为有机液肥使用 经过脱除木质素后的堆肥残渣富含多孔纤维素 也具有潜在的应 用价值 与高温高压水解过程相比 本研究在常压 和 停留时间条件下进 行堆肥水解试验 属于一种较低成本的温和处理方法 南 京 农 业 大 学 学 报第 卷 图 木薯渣堆肥水解液对水培黄瓜苗期根系生长的影响 本研究在对木薯渣堆肥进行碱解的过程中发现 在一定范围内碱浓度越高 固体分解率越大 这与众 多学者的研究结果一致 但是当碱浓度超过 后 反而不利于反应的进行 可能是因为过量 的碱液使少量的木质纤维素发生碳化 使干物质被溶出 稀碱溶液处理木薯渣堆肥时 其木质纤维素 组成比例发生很大变化 碱浓度越大 对半纤维素和木质素的降解效果越好 这可能与碱液中的 数 量有关 当碱浓度增加时 数量增加 碱性条件下 能够破坏木质素分子间的醚键 削弱半纤维素 和纤维素间的氢键 皂化半纤维素和木质素之间的酯键 进而使部分木质素与纤维素分解生成酚类和酸类 物质 本研究中的扫描电镜 图像验证了稀碱水解可以促进木质纤维素的降解 红外光谱吸收 峰相对强度的改变也说明碱处理使木薯渣堆肥中的碳水化合物 蛋白质 木质素 半纤维素等物质大量降 解溶出 堆肥水解液中水溶性有机物和养分含量丰富 可作为有机液肥使用 由堆肥制备的液体有机肥能有效抑制某些叶传和土传病害 但具体以何种物质或通过何种方式起到 关键作用 目前尚无统一定论 丁驰等 研究未经碱预处理与经过 碱预处理的水稻秸秆水解 液中抑制物组成成分 发现经过碱处理的水稻秸秆水解液中抑制物明显增加 尤其是酚类和酸类物质 其 种类和含量较对照组显著增加 提取液中的有机酸类 酚类 挥发性脂肪酸以及氨等化合物可以通过改善 植物营养生长状况 对病原菌有直接毒性或诱导植物系统抗性以抵御病原菌侵染 等 经过试验研究发现 堆肥提取液经过滤除菌后仍保持一定的抑菌效果 可能是堆肥提取液中微生物产生的 副产物或者代谢产物在起作用 在本研究中 由木薯渣堆肥制成的有机液肥经过滤除菌后能显著降低立 枯丝核菌菌丝生长速度 其抑制率高达 由此可以推断出该堆肥水解液中可能含有某些抑制立枯 丝核菌生长的物质 木薯渣堆肥水解液中氮 磷 钾及有机质含量丰富 在防病促生方面有非常显著的效果 本研究通过 水培方式观察木薯渣堆肥水解液对黄瓜立枯病的防治效果后发现 外源添加一定浓度的木薯渣堆肥水解 液能够显著促进黄瓜幼苗的生长 增加作物的干 鲜重 并且有效抑制黄瓜立枯病的发生 这可能是因为 木薯渣堆肥水解液富含的水溶性有机物 尤其是有机酸类和酚类化合物以及多种营养元素可以为作物提 供足够的养分从而促进作物生长 增加产量 还可能直接或经化学修饰后诱导黄瓜幼苗产生抗性 本研究采用水培的方式来验证木薯渣堆肥水解液对黄瓜立枯病的防治效果 是因为水培的方式易于控制 植株的生长条件 可更直观地观察植株的发病情况 但是考虑到实际生产应用中田间植株生长环境复杂多 变 在实际应用堆肥水解液来防治植物病害时 应充分考虑堆肥来源的复杂性和病原菌种类的多样性 后 续需要对提取液中的抑菌功能物质成分进行提取和鉴定 使得对于农作物病害的绿色防控更具有可预见 性和针对性 后续还需结合盆栽及大田试验进行验证 综上所述 溶液处理能显著提高木薯渣堆肥的水解效率 且在 溶液浓度为 时 水解效果最好 该水解液能显著抑制立枯丝核菌菌丝的生长 有效防治黄瓜立枯病 促进黄瓜生长 第 期杜亚楠 等 木薯渣堆肥水解液对黄瓜立枯病的防治和促生效果研究 参考文献 方佳 濮文辉 张慧坚 国内外木薯产业发展近况 中国农学通报 彭天沁 徐刚 高文瑞 等 木薯渣资源化利用的研究进展 江苏农业科学 邓永东 木薯渣水解液发酵产乙醇的工艺优化及代谢流量分析研究 合肥 合肥工业大学 夏可心 于亚楠 张建 等 种木霉生物有机肥对蕹菜产量和品质的影响 南京农业大学学报 黄新琦 生物有机肥防控黄瓜土传立枯病效果及防控机理 南京 南京农业大学 鲍士旦 土壤农化分析 北京 中国农业出版社 高凤芹 陶雅 吴洪新 等 稀碱预处理对杂交狼尾草木质纤维素降解的影响 中国草地学报 苗林平 霍丽 徐力 等 碱性过氧化氢预处理小麦秸秆强化酶解产糖的研究 纤维素科学与技术 南 京 农 业 大 学 学 报第 卷 王炫清 苗嘉曦 陈兴 等 高效木质纤维素分解菌 原位分解小麦秸秆的研究 南京农业大学学报 丁驰 张树栋 张秋卓 等 碱处理对稻秸水解液中抑制物成分的影响 环境科学与技术 李欣欣 王秀红 史向远 等 堆肥提取液诱导草莓对黄萎病抗性及抑菌机理研究 中国生物防治学报 责任编辑 刘怡辰