秸稈熱裂解木醋液成分及其對辣椒生長(cháng)及品質(zhì)的影響

南京農業(yè)大學(xué)學(xué)報2011,34(5):58-62Journal of Nanjing Agricultural Universityhttp://nauxb.niau.educn鈺,陸鑫達,李戀卿,等秸稈熱裂解木醋液成分及其對辣椒生長(cháng)及品質(zhì)的影響[].南京農業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,34(5):58-62秸稈熱裂解木醋液成分及其對辣椒生長(cháng)及品質(zhì)的影響閆鈺,陸鑫達,李戀卿,鄭金偉,潘根興(南京農業(yè)大學(xué)農業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所,江蘇南京210095)摘要:采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析了木醋液的主要化學(xué)成分并將不同稀釋倍數(100、300和500倍)的木醋液對辣椒進(jìn)行葉面噴施溫室試驗,以清水為對照,考察木醋液對辣椒生長(cháng)及品質(zhì)的影響。結果表明:木醋液是一種成分復雜的液態(tài)混合物,主要含有酚類(lèi)和烯-酮類(lèi)等物質(zhì)。葉面噴施木醋液能提高辣椒的株高、產(chǎn)量以及果實(shí)中維生素C含量。其中稀釋300倍的木醋液葉面噴施對增加辣椒株高及維生素C含量效果最好,而噴施稀釋500倍的木醋液對辣椒增產(chǎn)效果最好,表明木醋液含有植物生長(cháng)促進(jìn)物質(zhì)具有開(kāi)發(fā)為農用葉面噴施制劑的應用潛力關(guān)鍵詞:木醋液;有機成分;辣椒;作物生長(cháng);維生素C中圖分類(lèi)號:S147.22文獻標志碼:A文章編號:1000-2030(2011)05-0058-05Components of pyroligneous solution from straw pyrolysisand its effect on growth and quality of pepper spiceYAN Yu, LU Xin-da, LI Lian-qing, ZHENG Jin-wei, PAN Gen-xingInstitute of Resource, Ecosystem and Environment of Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)Abstract: Organic components of pyroligneous solution( PLS )from straw pyrolysis was analyzed using GC-MS. A greenhouseexperiment was conducted on the effect on yield and vitamin C content of pepper spice. The results showed that PLS solution wasmixture containing mainly ethylene, phenolic and ketones groups. Spraying of diluted solution of PLS increased height, yield andvitamin C content of pepper compared to those of water. Dilution at 300 times seemed to have greatest effect on enhancing plantheight and the vitamin C content but biggest increase in yield of pepper was observed at dilution of 500 times. This study showed thate pyroligneous solution from straw pyrolysis contains components beneficial to plant growth and has the potential to be used as foliarsprayer for crops in agriculture.Key words: pyroligneous solution; organic components; pepper spice; crop growth; vitamin C我國每年產(chǎn)生大量的農作物秸稈,據統計我國農作物秸稈年總產(chǎn)量約7億噸其中稻谷、小麥和玉米秸稈共占總量的76%左右。作物秸稈是主要的生物質(zhì)資源之一,若對其加以適當利用,將產(chǎn)生巨大的環(huán)境、社會(huì )和經(jīng)濟效益。當前,作物秸稈高溫缺氧條件下熱裂解技術(shù)因其投入低效益高、產(chǎn)品多樣、利于節能減排而受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。通過(guò)該技術(shù)秸稈熱裂解產(chǎn)生液態(tài)物質(zhì)冷凝后得到堿性餾出液,習慣稱(chēng)為木醋液。秸稈木醋液成分復雜可能具有促進(jìn)植物生長(cháng)抗菌防病等多種作用38。有研究表明,在230~370℃收集的木醋液抗菌活性最強S,并且酚類(lèi)和有機酸是具有抗菌作用的活性成分36。另外,木醋液還可使百日菊、一串紅等花壇植物花期提前,成活率提高),并提高作物抗旱、抗寒及抗病能力。本課題組已經(jīng)對秸稈熱裂解的固態(tài)產(chǎn)物——生物黑炭進(jìn)行了農業(yè)應用田間試驗,初步表明其具有增產(chǎn)和提高氮肥利用率并促進(jìn)土壤固碳減排的良好作用”。本研究對秸稈熱裂解液態(tài)產(chǎn)物—木醋液進(jìn)行了有機成分分析,并在此基礎上進(jìn)行溫室辣椒試驗觀(guān)察其對辣椒生長(cháng)和品質(zhì)的影響旨在為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)秸稈木醋液農用產(chǎn)品提供科學(xué)依據和數據支撐。1中國煤化工收稿日期:201-02-15CNMHG基金項目:國家科技支撐計劃項目(2008BAD95B3-1)作者簡(jiǎn)介:國鈺,本科生。通訊作者:潘根興教授博導研究方向為農業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境農業(yè)與氣候變化,E-mail:gpan@njau.du.cn第5期同鈺,等:秸稈熱裂解木醋液成分及其對辣椒生長(cháng)及品質(zhì)的影響1材料與方法11試驗材料試驗用秸稈木醋液由河南省商丘三利新能源有限公司提供,為小麥秸稈在550℃下限氧熱裂解析出的液態(tài)產(chǎn)物,總有機碳(T0C)含量387gL,原液pH值為9.37。12化學(xué)成分分析1.2.1前處理在真空和-60℃至-70℃的條件下對木醋液采用 MODULYOD-230(美國熱電公司)冷凍干燥機進(jìn)行脫水干燥,作為紅外及CC-MS分析樣品。122化學(xué)分析采用 Tensor-27傅里葉變換紅外光譜儀(德國布魯克公司)對樣品進(jìn)行紅外分析,并以空氣為參比物,采用溴化鉀壓片法,在4000~400cm范圍內掃描繪制紅外光譜氣質(zhì)聯(lián)用分析采用GCMS-QP010氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(日本島津公司)對試樣進(jìn)行分析。氣相色譜條件為:柱壓30kPa;分流比1:100;載氣:氦氣,流速12 mL. min;進(jìn)樣溫度250℃;GCMS接口溫度280℃;柱溫60℃,恒溫2min后,以5℃·min-速度升溫至200℃,再恒溫2min;柱壓從30kPa以1kPemin‘的升壓速度升至66kPa;進(jìn)樣量0.1μL,樣品直接進(jìn)樣。質(zhì)譜條件:EI源,電子能量70ev,電子倍增電壓1800V離子源溫度230℃,掃描速率1000u·s1,質(zhì)量掃描范圍20~500u。1.3辣椒溫室試驗試驗地位于江蘇省農業(yè)科學(xué)院六合基地。設清水對照(CK),及木醋液稀釋100倍(M00)、300倍(M300)和500倍(M500)噴施4個(gè)處理。試驗采用隨機區組設計,小區面積為1.50m2,3次重復。供試作物辣椒( Capsicum frutescens L.)品種為蘇椒5號’,溫室栽培,2010年7月29日育苗,9月10日定植12月23日收獲,其他管理相同。在辣椒生育期內分別于11月25日、12月2日、12月9日及12月16日各噴施Ⅰ次,每小區噴施量為l10mL。生育期結束后,每小區隨機取樣,測定辣椒株高、產(chǎn)量及果實(shí)維生素C含量,其中維生素C含量測定采用高錳酸鉀滴定法1.4統計方法采用 Microsoft Excel20軟件進(jìn)行數據統計,并用 Duncan's新復極差法進(jìn)行方差分析和差異顯著(zhù)性分析。2結果與分析2.1木醋液有機組成分由圖1可見(jiàn),木醋液中成分很復雜,但其主體成分存在大量芳環(huán),并且芳環(huán)上存在酚羥基。從3550m-與2500cm處的特征吸收峰可得出木醋液中還含有羧基,而飽和碳氫化合物不是其主要成分I| I NI I4000300020001500圖1木醋液紅外分析光譜圖Fig 1 Infrared analysis spectra of pyroline中國煤化工對經(jīng)冷凍干燥后的木醋液樣品進(jìn)一步進(jìn)行GCMS分析,所得質(zhì)CNMHG解析共檢出17種成分,其組成列于表1。結果顯示,木醋液主要成分為酚類(lèi)與陰類(lèi)。其甲酚類(lèi)初質(zhì)相對含量達40%(質(zhì)量分數,下同)苯酚低于1%,而酮類(lèi)近38%。烯烴含量也占較大比例。大學(xué)學(xué)報第34卷1供試木醋液GCMS分析結果Table 1 GC-MS analysis of pyroligneous solution序號留時(shí)間/min化合物質(zhì)量分數/%結構式ructural formula6.81苯酚Phen7.042,3-二甲基-2-環(huán)戊烯-1-酮2, 3-dimethyi-2-cyclopenten-1-one10.048.292-甲基苯酚3-甲基苯酚2,3,4-三甲基環(huán)己酮9.032, 3, 4-trimethyl-cyclohexanone9.314-異丙烯-3,3-二甲基-2-呋喃酮isopropenyl-3,3-dimethyl-2-furanone2,5-二甲基-環(huán)己烷-1-乙烯2, 5-dimethyl2-乙基苯酚2-ethylphenol10.292,5-二甲基苯酚2, 5-xylenc10.5基苯酚11.153,4-二甲基苯酚l1.435-二甲基苯酚5.483, 5-xyleno2,4-二甲基苯酚1.121-甲氧基-4-乙基苯2-乙基-4甲基苯酚2-ethyl-4-methylphenol2-異丙烯-5-甲蔫-1-環(huán)已烯1615.802-isopropenyl-5-methyl-1-cyclohexene中國煤化工24,6-三甲基苯酚CNMHG2, 4, trimethylphenol第5期閆鈺,等:秸稈熱裂解木醋液成分及其對辣椒生長(cháng)及品質(zhì)的影響2.2木醋液對辣椒生長(cháng)及產(chǎn)量的影響由表2可見(jiàn),與對照相比,不同濃度木醋液均可以增加辣椒株高。濃度較低的M500處理增加了4.90%,而M300增加了23.87%。另外,各濃度處理使辣椒的單果質(zhì)量均有不同程度的增加,M300和M500處理顯著(zhù)提高了辣椒單果質(zhì)量(表2)。對于單株產(chǎn)量而言,M500處理的辣椒長(cháng)勢良好較對照產(chǎn)量顯著(zhù)提高,而M100處理的辣椒單株產(chǎn)量卻低于對照?？赡苁荕100的木醋液濃度較高,其中所含高濃度酚類(lèi)物質(zhì)對植物生長(cháng)可能存在抑制作用。表2不同濃度木醋液對辣椒株高及產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of pyroligneous solution with differentconcentrations on the height and yield of pepperspIce0000株高/cm單果質(zhì)量/g單株產(chǎn)獻/Treatment Plant height Single fruit weight Yield per plant20照CK38.80±1.14818.99±1.99151.92±11.28M10038.88±1.63819.92±1.26b8131.47±5.33CKM|00M300M500M30048.06±3.0420.72±1.34-A161.64±5.713M8處理 TreatmentM50040.70±1.53822.06±2.074176.52±11.72圖2噴施不同濃度木醋液對辣椒維生素C含量的影響注:1)同一列小寫(xiě)字母和大寫(xiě)字母不同者表示在0.05和0.01水平上差異顯著(zhù)。 Different lowercase and capital lettersFig 2 Effects of pyrols solution with differentshow difference at 0.05 and 0. 01 levels respectively.concentrations on the content of vitamin C of2)M00M30和M00分別表示木醋液稀釋100倍、300倍和500倍。M100,M300 and M500 represent pyroligneouspepper spicesolution dilution at 100, 300 and 500 times respectively. Thesame as follows2.3木醋液對辣椒品質(zhì)的影響由圖2可以看出,與對照相比,噴施3種不同濃度木醋液對辣椒果實(shí)中維生素C含量影響存在差異。M100處理辣椒果實(shí)中維生素C含量最低,只有89.26mg·100g2;M500處理辣椒果實(shí)維生素C含量為102.56mg100g;而M300處理辣椒果實(shí)維生素C含量最高,達到114.15mg·100g2,顯著(zhù)高于對照(99.85mg·100g-)和其他處理(P<0.05)。因此,噴施300倍稀釋木醋液對辣椒維生素C含量增加有一定促進(jìn)效果,但當濃度過(guò)高或者過(guò)低,效果則不明顯3討論與結論木醋液是一種成分復雜的混合物,各組分含量隨來(lái)源以及制備而異。本試驗也表明秸稈木醋液中含有的酚類(lèi)和酮類(lèi)物質(zhì)比竹醋液中的多而其有機酸類(lèi)物質(zhì)比竹醋液中少1。這主要是由于秸稈和竹材的結構存在很大的差異,而且在不同燒制條件下也會(huì )導致木醋液成分差別。秸稈中含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等主要成分,秸稈木醋液作為秸稈的熱裂解產(chǎn)物與其原料的成分有著(zhù)緊密的聯(lián)系。本研究中GC-MS分析表明,秸稈木醋液中含有大量的酚類(lèi)物質(zhì),主要是苯酚以及其同系物。這些物質(zhì)主要來(lái)源于秸稈中的木質(zhì)素,而且纖維素熱解時(shí)也能形成酚類(lèi)8。此木醋液中酚類(lèi)化合物含量最高,種類(lèi)最多,可能是木醋液蒸餾時(shí),木焦油等重餾分在釜內長(cháng)期停留并受熱導致餾出液中苯酚含量明顯增加,并可推測酚類(lèi)化合物是木醋液中的主要抑菌活性組成成分,但較多的酚類(lèi)物質(zhì)可能對植物生長(cháng)具有一定的刺激作用。CCMS分析未鑒別出乙酸等酸性物質(zhì),因乙酸易揮發(fā),樣品的pH值高于9,其含量可以忽略。木醋液中所含的酚類(lèi)物質(zhì)對植物生長(cháng)發(fā)育有一定的調節作用特別是其中所含的二元酚或多元酚對植物生長(cháng)有著(zhù)顯著(zhù)的促進(jìn)作用2,并且酚類(lèi)物質(zhì)對作物生長(cháng)的影響可能存在閾值,即在低濃度情況下,才對植物生長(cháng)起到促進(jìn)作用。木醋液提髙辣椒產(chǎn)量、增加株高以及提高果實(shí)中維生素C的含量,其可能的作用機制是木醋液中含有辣椒生長(cháng)所必需的營(yíng)養物質(zhì),并通過(guò)促進(jìn)辣椒的根系分化,增強根系活力,促進(jìn)對N、P、K元素的吸收,進(jìn)而促進(jìn)光合作用及相關(guān)代謝過(guò)程。特別是吸收的鉀元素提高辣椒果實(shí)維生素C含量效果顯著(zhù)。但本研究中未分析木醋液中的無(wú)機成分。中國煤化工本研究也觀(guān)察到,木醋液使辣椒根系發(fā)育良好(照片未刊出),CNMHG的共同提高另外,木醋液濃度對產(chǎn)量和品質(zhì)的影響較大,當濃度太高時(shí)會(huì )對辣椒植株的生長(cháng)產(chǎn)生抑制作用。本試驗中液面噴施稀釋300倍的木醋液在增加辣椒株高及提高果實(shí)維生素C含量方面效果最好,而在提髙辣椒產(chǎn)南京農業(yè)大學(xué)學(xué)報第34卷量方面,噴施稀釋500倍木醋液具有更好的效果。這與之前關(guān)于木醋液濃度太高對植物生長(cháng)有抑制作用的報道相同,但對不同植物而言,產(chǎn)生抑制的濃度不同21-2總之,木醋液含有的有機酸和酚類(lèi)物質(zhì)本身對植物具有生理活性,起到了類(lèi)似“生長(cháng)素”的作用看來(lái),秸稈木醋液具有開(kāi)發(fā)為農用葉面制劑而用于作物生產(chǎn)的潛力,對于不同作物來(lái)說(shuō),噴施的濃度和劑量還需要更進(jìn)一步的試驗研究參考文獻:[1]熊昌國謝祖琪,易文裕,等農作物秸稈能源利用基本性能的研究[J].西南農業(yè)學(xué)報,2010,23(5):1725-1732[2]潘根興林振衡李戀卿等試論我國農業(yè)和農村有機廢棄物生物質(zhì)碳產(chǎn)業(yè)化[門(mén)中國農業(yè)科技導報,2011,13(1):75-82[3]Wang Ze, Lin Weigang, Song Wenli, et al. 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