秸秆热裂解木醋液成分及其对辣椒生长及品质的影响

南京农业大学学报2011,34(5):58-62Journal of Nanjing Agricultural Universityhttp://nauxb.niau.educn钰,陆鑫达,李恋卿,等秸秆热裂解木醋液成分及其对辣椒生长及品质的影响[].南京农业大学学报,2011,34(5):58-62秸秆热裂解木醋液成分及其对辣椒生长及品质的影响闫钰,陆鑫达,李恋卿,郑金伟,潘根兴(南京农业大学农业资源与生态环境研究所,江苏南京210095)摘要:采用气相色谱-质谱联用仪分析了木醋液的主要化学成分并将不同稀释倍数(100、300和500倍)的木醋液对辣椒进行叶面喷施温室试验,以清水为对照,考察木醋液对辣椒生长及品质的影响。结果表明:木醋液是一种成分复杂的液态混合物,主要含有酚类和烯-酮类等物质。叶面喷施木醋液能提高辣椒的株高、产量以及果实中维生素C含量。其中稀释300倍的木醋液叶面喷施对增加辣椒株高及维生素C含量效果最好,而喷施稀释500倍的木醋液对辣椒增产效果最好,表明木醋液含有植物生长促进物质具有开发为农用叶面喷施制剂的应用潜力关键词:木醋液;有机成分;辣椒;作物生长;维生素C中图分类号:S147.22文献标志码:A文章编号: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我国每年产生大量的农作物秸秆,据统计我国农作物秸秆年总产量约7亿吨其中稻谷、小麦和玉米秸秆共占总量的76%左右。作物秸秆是主要的生物质资源之一,若对其加以适当利用,将产生巨大的环境、社会和经济效益。当前,作物秸秆高温缺氧条件下热裂解技术因其投入低效益高、产品多样、利于节能减排而受到越来越多研究者的关注。通过该技术秸秆热裂解产生液态物质冷凝后得到碱性馏出液,习惯称为木醋液。秸秆木醋液成分复杂可能具有促进植物生长抗菌防病等多种作用38。有研究表明,在230~370℃收集的木醋液抗菌活性最强S,并且酚类和有机酸是具有抗菌作用的活性成分36。另外,木醋液还可使百日菊、一串红等花坛植物花期提前,成活率提高),并提高作物抗旱、抗寒及抗病能力。本课题组已经对秸秆热裂解的固态产物——生物黑炭进行了农业应用田间试验,初步表明其具有增产和提高氮肥利用率并促进土壤固碳减排的良好作用”。本研究对秸秆热裂解液态产物—木醋液进行了有机成分分析,并在此基础上进行温室辣椒试验观察其对辣椒生长和品质的影响旨在为进一步开发秸秆木醋液农用产品提供科学依据和数据支撑。1中国煤化工收稿日期:201-02-15CNMHG基金项目:国家科技支撑计划项目(2008BAD95B3-1)作者简介:国钰,本科生。通讯作者:潘根兴教授博导研究方向为农业资源与生态环境农业与气候变化,E-mail:gpan@njau.du.cn第5期同钰,等:秸秆热裂解木醋液成分及其对辣椒生长及品质的影响1材料与方法11试验材料试验用秸秆木醋液由河南省商丘三利新能源有限公司提供,为小麦秸秆在550℃下限氧热裂解析出的液态产物,总有机碳(T0C)含量387gL,原液pH值为9.37。12化学成分分析1.2.1前处理在真空和-60℃至-70℃的条件下对木醋液采用 MODULYOD-230(美国热电公司)冷冻干燥机进行脱水干燥,作为红外及CC-MS分析样品。122化学分析采用 Tensor-27傅里叶变换红外光谱仪(德国布鲁克公司)对样品进行红外分析,并以空气为参比物,采用溴化钾压片法,在4000~400cm范围内扫描绘制红外光谱气质联用分析采用GCMS-QP010气相色谱质谱联用仪(日本岛津公司)对试样进行分析。气相色谱条件为:柱压30kPa;分流比1:100;载气:氦气,流速12 mL. min;进样温度250℃;GCMS接口温度280℃;柱温60℃,恒温2min后,以5℃·min-速度升温至200℃,再恒温2min;柱压从30kPa以1kPemin‘的升压速度升至66kPa;进样量0.1μL,样品直接进样。质谱条件:EI源,电子能量70ev,电子倍增电压1800V离子源温度230℃,扫描速率1000u·s1,质量扫描范围20~500u。1.3辣椒温室试验试验地位于江苏省农业科学院六合基地。设清水对照(CK),及木醋液稀释100倍(M00)、300倍(M300)和500倍(M500)喷施4个处理。试验采用随机区组设计,小区面积为1.50m2,3次重复。供试作物辣椒( Capsicum frutescens L.)品种为苏椒5号’,温室栽培,2010年7月29日育苗,9月10日定植12月23日收获,其他管理相同。在辣椒生育期内分别于11月25日、12月2日、12月9日及12月16日各喷施Ⅰ次,每小区喷施量为l10mL。生育期结束后,每小区随机取样,测定辣椒株高、产量及果实维生素C含量,其中维生素C含量测定采用高锰酸钾滴定法1.4统计方法采用 Microsoft Excel20软件进行数据统计,并用 Duncan's新复极差法进行方差分析和差异显著性分析。2结果与分析2.1木醋液有机组成分由图1可见,木醋液中成分很复杂,但其主体成分存在大量芳环,并且芳环上存在酚羟基。从3550m-与2500cm处的特征吸收峰可得出木醋液中还含有羧基,而饱和碳氢化合物不是其主要成分I| I NI I4000300020001500图1木醋液红外分析光谱图Fig 1 Infrared analysis spectra of pyroline中国煤化工对经冷冻干燥后的木醋液样品进一步进行GCMS分析,所得质CNMHG解析共检出17种成分,其组成列于表1。结果显示,木醋液主要成分为酚类与阴类。其甲酚类初质相对含量达40%(质量分数,下同)苯酚低于1%,而酮类近38%。烯烃含量也占较大比例。大学学报第34卷1供试木醋液GCMS分析结果Table 1 GC-MS analysis of pyroligneous solution序号留时间/min化合物质量分数/%结构式ructural formula6.81苯酚Phen7.042,3-二甲基-2-环戊烯-1-酮2, 3-dimethyi-2-cyclopenten-1-one10.048.292-甲基苯酚3-甲基苯酚2,3,4-三甲基环己酮9.032, 3, 4-trimethyl-cyclohexanone9.314-异丙烯-3,3-二甲基-2-呋喃酮isopropenyl-3,3-dimethyl-2-furanone2,5-二甲基-环己烷-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-异丙烯-5-甲蔫-1-环已烯1615.802-isopropenyl-5-methyl-1-cyclohexene中国煤化工24,6-三甲基苯酚CNMHG2, 4, trimethylphenol第5期闫钰,等:秸秆热裂解木醋液成分及其对辣椒生长及品质的影响2.2木醋液对辣椒生长及产量的影响由表2可见,与对照相比,不同浓度木醋液均可以增加辣椒株高。浓度较低的M500处理增加了4.90%,而M300增加了23.87%。另外,各浓度处理使辣椒的单果质量均有不同程度的增加,M300和M500处理显著提高了辣椒单果质量(表2)。对于单株产量而言,M500处理的辣椒长势良好较对照产量显著提高,而M100处理的辣椒单株产量却低于对照。可能是M100的木醋液浓度较高,其中所含高浓度酚类物质对植物生长可能存在抑制作用。表2不同浓度木醋液对辣椒株高及产量的影响Table 2 Effects of pyroligneous solution with differentconcentrations on the height and yield of pepperspIce0000株高/cm单果质量/g单株产献/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处理 TreatmentM50040.70±1.53822.06±2.074176.52±11.72图2喷施不同浓度木醋液对辣椒维生素C含量的影响注:1)同一列小写字母和大写字母不同者表示在0.05和0.01水平上差异显著。 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分别表示木醋液稀释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木醋液对辣椒品质的影响由图2可以看出,与对照相比,喷施3种不同浓度木醋液对辣椒果实中维生素C含量影响存在差异。M100处理辣椒果实中维生素C含量最低,只有89.26mg·100g2;M500处理辣椒果实维生素C含量为102.56mg100g;而M300处理辣椒果实维生素C含量最高,达到114.15mg·100g2,显著高于对照(99.85mg·100g-)和其他处理(P<0.05)。因此,喷施300倍稀释木醋液对辣椒维生素C含量增加有一定促进效果,但当浓度过高或者过低,效果则不明显3讨论与结论木醋液是一种成分复杂的混合物,各组分含量随来源以及制备而异。本试验也表明秸秆木醋液中含有的酚类和酮类物质比竹醋液中的多而其有机酸类物质比竹醋液中少1。这主要是由于秸秆和竹材的结构存在很大的差异,而且在不同烧制条件下也会导致木醋液成分差别。秸秆中含有纤维素、半纤维素和木质素等主要成分,秸秆木醋液作为秸秆的热裂解产物与其原料的成分有着紧密的联系。本研究中GC-MS分析表明,秸秆木醋液中含有大量的酚类物质,主要是苯酚以及其同系物。这些物质主要来源于秸秆中的木质素,而且纤维素热解时也能形成酚类8。此木醋液中酚类化合物含量最高,种类最多,可能是木醋液蒸馏时,木焦油等重馏分在釜内长期停留并受热导致馏出液中苯酚含量明显增加,并可推测酚类化合物是木醋液中的主要抑菌活性组成成分,但较多的酚类物质可能对植物生长具有一定的刺激作用。CCMS分析未鉴别出乙酸等酸性物质,因乙酸易挥发,样品的pH值高于9,其含量可以忽略。木醋液中所含的酚类物质对植物生长发育有一定的调节作用特别是其中所含的二元酚或多元酚对植物生长有着显著的促进作用2,并且酚类物质对作物生长的影响可能存在阈值,即在低浓度情况下,才对植物生长起到促进作用。木醋液提髙辣椒产量、增加株高以及提高果实中维生素C的含量,其可能的作用机制是木醋液中含有辣椒生长所必需的营养物质,并通过促进辣椒的根系分化,增强根系活力,促进对N、P、K元素的吸收,进而促进光合作用及相关代谢过程。特别是吸收的钾元素提高辣椒果实维生素C含量效果显著。但本研究中未分析木醋液中的无机成分。中国煤化工本研究也观察到,木醋液使辣椒根系发育良好(照片未刊出),CNMHG的共同提高另外,木醋液浓度对产量和品质的影响较大,当浓度太高时会对辣椒植株的生长产生抑制作用。本试验中液面喷施稀释300倍的木醋液在增加辣椒株高及提高果实维生素C含量方面效果最好,而在提髙辣椒产南京农业大学学报第34卷量方面,喷施稀释500倍木醋液具有更好的效果。这与之前关于木醋液浓度太高对植物生长有抑制作用的报道相同,但对不同植物而言,产生抑制的浓度不同21-2总之,木醋液含有的有机酸和酚类物质本身对植物具有生理活性,起到了类似“生长素”的作用看来,秸秆木醋液具有开发为农用叶面制剂而用于作物生产的潜力,对于不同作物来说,喷施的浓度和剂量还需要更进一步的试验研究参考文献:[1]熊昌国谢祖琪,易文裕,等农作物秸秆能源利用基本性能的研究[J].西南农业学报,2010,23(5):1725-1732[2]潘根兴林振衡李恋卿等试论我国农业和农村有机废弃物生物质碳产业化[门中国农业科技导报,2011,13(1):75-82[3]Wang Ze, Lin Weigang, Song Wenli, et al. 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