生物炭對小白菜幼苗生長及其生理生化特征的影響

夏紅霞， 朱啟紅， 劉希東， 李 強(qiáng)， 王書敏， 丁武泉， 孟 園

(重慶市環(huán)境材料與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室/重慶文理學(xué)院，重慶 永川 402168)

生物炭是生物質(zhì)在缺氧條件下經(jīng)過高溫裂解處理后剩下的固體物質(zhì)，具有難熔、穩(wěn)定和高度芳香化等特性，其碳含量極為豐富[1]，吸附能力和抗生物分解能力強(qiáng)。此外，生物炭中含有大量作物生長所必需的營養(yǎng)元素[2]，可為作物生長發(fā)育提供必要的養(yǎng)分，進(jìn)而減少化肥施用[3]。向農(nóng)田土壤中施用生物炭不僅可以直接促進(jìn)作物生長，還可以增強(qiáng)土壤保水保肥能力，并顯著降低土壤中污染物質(zhì)的遷移能力，進(jìn)而降低污染物質(zhì)對作物生長的毒害作用[4]。生物炭在低產(chǎn)地改良以及污染土壤修復(fù)中具有較大的優(yōu)勢和潛力[5]，現(xiàn)已成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[6]。但也有學(xué)者對生物炭農(nóng)用安全存在質(zhì)疑，認(rèn)為生物炭pH和鹽基離子含量較高[7]，甚至含有重金屬、多環(huán)芳烴和二噁英等污染物，施用到土壤中可能會抑制植物生長[8]。

由于生物炭農(nóng)用是一不可逆過程，因此，生物炭在大規(guī)模施用前必須有效評估其農(nóng)用安全性。但到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者仍將研究焦點(diǎn)聚焦于生物炭對低產(chǎn)地改良以及污染土壤的修復(fù)方面而極少關(guān)注生物炭的毒性[9]。國內(nèi)僅李陽[6]等進(jìn)行了生物炭早期植物毒性評估體系的研究。鑒于此，筆者以小白菜為供試材料，研究不同類型生物炭對其幼苗株高及生理系列指標(biāo)的影響，旨在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上科學(xué)合理利用生物炭提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 小白菜 品種為金沙赤葉03，市購。

1.1.2 生物炭 供試生物炭為酒糟生物炭和梨木生物炭，參照文獻(xiàn)[11]的方法自制。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗設(shè)7個處理，其中，酒糟生物炭A1、A2和A3，分別為2 g/10 mL、0.5 g/10 mL和0.05 g/10 mL；梨木生物炭B1、B2和B3，添加量分別為2 g/10 mL、0.5 g/10 mL和0.05 g/10 mL；以不添加生物炭處理為對照，3次重復(fù)。向盛有30 g石英砂、10 mL去離子水的培養(yǎng)皿中分別加入不同種類和用量的生物炭，充分混勻后再放入30顆顆粒飽滿、大小均一的小白菜種子，將培養(yǎng)皿置于恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)條件為溫度25℃、光照時間12 h/d，培養(yǎng)期間定期補(bǔ)充5 mL去離子水。

1.2.2 指標(biāo)測定 培養(yǎng)至第14天時開始測定小白菜幼苗株高、葉綠素含量及抗氧化酶活性等指標(biāo)。小白菜幼苗株高采用直尺直接測量，幼苗葉片葉綠素含量用葉綠素測定儀測定，葉片丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸法測定，幼苗葉片抗氧化酶(SOD、POD及CAT)活性采用試劑盒法測定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Spss對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并利用LSD法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭各處理小白菜幼苗的株高

由圖1可知，酒糟生物炭和梨木生物炭各處理幼苗株高較對照均顯著提高(>14%)；隨生物炭添加量增大2種生物炭各處理幼苗株高均呈上升趨勢，同等水平下梨木生物炭處理幼苗株高明顯高于酒糟生物炭。其中，A1和A2小白菜幼苗株高分別為2.3 cm和1.9 cm，較對照(1.4 cm)提高64.28%和35.71%，與對照差異分別達(dá)極顯著(P<0.01)和顯著水平(P<0.05)，A3株高為1.6 cm，較對照提高14.28%，與對照差異不顯著；B1和B2小白菜幼苗株高分別為2.5 cm和2.1 cm，分別較對照提高78.57%和50.00%，與對照差異極顯著(P<0.01)，B3株高為1.9 cm，較對照提高35.71%，二者差異顯著。表明，酒糟生物炭和梨木生物炭均可提高小白菜幼苗株高，與周勁松等[10-11]的研究結(jié)果類似。施用生物炭提高小白菜幼苗株高，可能是生物炭中含有小白菜幼苗生長所需要的N、P、K、Ca和Mg等營養(yǎng)元素[12]，從而促進(jìn)了幼苗生長[13]。此外，小白菜幼苗喜光喜水[14]、喜溫暖濕潤的環(huán)境，生物炭具有的熱穩(wěn)定性和生物化學(xué)抗分解性能夠有效協(xié)調(diào)水、肥、氣及熱等生態(tài)因子，也有利于作物生長[15]。B1和B2幼苗株高分別較A1和A2提高8.69%和10.52%，二者差異明顯。可能是由于不同原料制備的生物炭中所含C、N、P、K、Ga、Mg等營養(yǎng)元素及焦油、多環(huán)芳烴、重金屬等有毒物質(zhì)含量不同所致；此外，不同原料制備的生物炭表面形貌、內(nèi)部孔隙、表面官能團(tuán)等性質(zhì)也存在較大差異，都可能影響小白菜幼苗的生長。

注：圖中不同大小寫字母分別表示差異極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)。下同。

Note: Different capital and lowercase letters in the figure indicate significant difference atP<0.05 andP<0.01 level respectively. The same below.

圖1不同生物炭處理小白菜幼苗的株高

Fig.1 Height ofB.campestrisseedlings under different biochar treatments

2.2 不同生物炭各處理小白菜幼苗葉片的葉綠素含量

由圖2可知，生物炭對小白菜葉綠素含量均有明顯的促進(jìn)作用，且隨生物炭添加量增大2種生物炭各處理葉綠素含量均呈上升趨勢；同等水平下梨木生物炭的促進(jìn)作用高于酒糟生物炭。其中，A1和A2葉綠素含量分別較對照增加21.43%和17.86%，與對照差異顯著(P<0.05)；A3植株葉綠素含量較對照僅增加8.93%，二者差異不顯著(P>0.05)。梨木生物炭各處理幼苗葉綠素含量分別較對照增加25.00%、19.64%和10.71%，與對照差異顯著(P<0.05)。表明，施用生物炭可以提高小白菜幼苗葉片葉綠素含量，且生物炭施用量越高其促進(jìn)作用越明顯，與張偉明等[8，16]的研究結(jié)果一致。因為施用生物炭可增加培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)小白菜對N、P及Mg等元素的吸收[17-18]，從而提高了植株的葉綠素含量，進(jìn)而增強(qiáng)了小白菜接收、傳遞電子的速率和對有效光合福射的利用能力[19]。

圖2 不同生物炭處理小白菜幼苗葉片的葉綠素含量

Fig.2 Leaf chlorophyll content ofB.campestrisseedlings under different biochar treatments

2.3 不同生物炭各處理小白菜幼苗的丙二醛含量

丙二醛(MDA)是植物細(xì)胞膜酯化反應(yīng)的產(chǎn)物，其數(shù)值高低可反應(yīng)植物細(xì)胞在逆境下受到的傷害程度[20]。由圖3可知，不同生物炭各處理小白菜幼苗的丙二醛含量均低于對照，且隨生物炭添加量增大2種生物炭各處理丙二醛含量均呈下降趨勢；同等水平下梨木生物炭的促降作用高于酒糟生物炭。其中，酒糟生物炭各處理小白菜幼苗丙二醛含量分別較對照降低23.81%、16.67%和4.76%，梨木生物炭各處理較對照分別降低45.24%、38.10%和19.04%。表明，施用生物炭可降低小白菜幼苗丙二醛含量，與張振宇等[21-23]的研究結(jié)果相似。原因可能是由于生物炭中的堿性物質(zhì)提高了培養(yǎng)液的pH[16]，并增加了培養(yǎng)液中營養(yǎng)元素(N、P、K)含量，從而促進(jìn)了幼苗生長，進(jìn)而緩解了小白菜幼苗的質(zhì)膜損傷，降低了丙二醛含量[22]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭具有一定的毒害作用[24]，高施碳量可增加植株的MDA含量[7，25]，從而抑制植株生長。

圖3 不同生物炭各處理小白菜幼苗的丙二醛含量

Fig.3 MDA content ofB.campestrisseedlings under different biochar treatments

2.4 生物炭對小白菜幼苗抗氧化酶的影響

從圖4可知，施用生物炭對小白菜幼苗的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性均存在不同程度的影響。

2.4.1 SOD活性 SOD是植物抗氧化系統(tǒng)的重要組成部分，可降低逆境對植株生長的影響[26-27]。不同生物炭各處理小白菜幼苗的SOD活性均高于對照，隨添加量增大酒糟生物炭處理幼苗的SOD活性呈逐漸上升趨勢，而梨木生物炭處理幼苗的SOD活性呈先升后降再升趨勢；同等水平下梨木生物炭處理幼苗的SOD活性高于酒糟生物炭處理。其中，酒糟生物炭各處理小白菜幼苗SOD活性較對照分別增加1.89%、1.30%和1.01%，與對照差異不顯著(P>0.05)；梨木生物炭各處理小白菜幼苗SOD活性也均高于對照，但最高也僅增加2.23%。表明，施用生物炭可提高小白菜幼苗葉片超氧化物歧化酶活性。同時，隨著生物炭施用量增加，小白菜幼苗SOD酶活性逐漸增強(qiáng)，與金睿等[28-29]的研究結(jié)果一致?？赡苁巧锾渴┯昧吭蕉?，培養(yǎng)基中能夠為小白菜幼苗生長提供的營養(yǎng)元素越多，促進(jìn)了幼苗生長，從而提高了幼苗導(dǎo)體內(nèi)過氧化物歧化酶的活性。

2.4.2 POD活性 POD是一種活性較高的酶，既可以與過氧化氫酶(CAT)一起消除葉片細(xì)胞內(nèi)的H2O2，降低H2O2對植株的傷害[30]；又可以引發(fā)葉片細(xì)胞膜脂化反應(yīng)，對植物生長造成傷害[31]。施用生物炭對小白菜幼苗葉片POD活性影響較大。其中，A2和A3小白菜幼苗葉片POD活性分別降低1.80%和4.88%，與對照差異不顯著(P>0.05)；A1小白菜葉片POD活性較對照降低43.04%，二者差異顯著(P<0.05)。B1和B2幼苗葉片POD活性分別較對照降低17.58%和29.24%，與對照差異顯著(P<0.05)；但B3幼苗葉片POD活性僅較對照降低2.22%，二者差異不顯著(P>0.05)。表明，施用生物炭可降低小白菜幼苗葉片POD活性，且施碳量越多對小白菜幼苗葉片POD活性的抑制作用越明顯，與金睿等[28]等的研究結(jié)果相似?？赡苁且驗槭┯蒙锾看龠M(jìn)了小白菜幼苗的生長，從而降低了幼苗葉片POD含量。

2.4.3 CAT活性 CAT是植物防預(yù)系統(tǒng)的關(guān)鍵酶之一[37]。不同生物炭處理小白菜幼苗葉片CAT活性均大于對照，隨添加量增大酒糟生物炭處理幼苗的CAT活性呈逐漸上升趨勢，而梨木生物炭處理幼苗的CAT活性呈先升后降趨勢。A3小白菜幼苗葉片CAT活性較對照提高9.36%，二者差異不顯著(P>0.05)；A1和A2小白菜幼苗葉片CAT活性分別較對照提高102.64%和67.47%，與對照差異極顯著(P<0.01)。說明，中高濃度酒糟生物炭對提高小白菜CAT活性作用明顯，而低濃度對幼苗CAT活性效果不顯著。梨木生物炭對小白菜幼苗葉片CAT活性的影響與之相似。B1和B2小白菜幼苗葉片CAT活性分別比對照提高64.16%和122.75%，與對照差異極顯著(P<0.01)；B3僅比對照提高2.70%，差異不顯著(P>0.05)。表明，添加生物炭可提高小白菜幼苗葉片CAT活性，且與生物炭施用量間關(guān)系顯著，與王曉維等[16，32-33]研究結(jié)果一致。

圖4 不同生物炭處理小白菜幼苗的抗氧化酶活性

Fig.4 SOD, POD and CAT activity ofB.campestrisseedlings under different biochar treatments

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，施用酒糟生物炭和梨木生物炭均可提高小白菜幼苗株高和葉片葉綠素含量，降低幼苗葉片丙二醛含量和過氧化物酶活性，增加幼苗葉片超氧化物歧化酶、過氧化氫酶活性。不同生物炭對小白菜幼苗的影響差異較大，梨木生物炭對小白菜幼苗株高、葉片葉綠素含量及抗氧化酶活性等參數(shù)的影響大于酒糟生物炭。

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物炭施用量超過一定限值時，將不利于作物生長。李治玲等[35]研究發(fā)現(xiàn)，向紫色土中施用0.8%生物炭可提高油菜株高16.52%，但施用4%的生物炭卻明顯抑制油菜株高。王晉等[36]研究發(fā)現(xiàn)，適量的生物炭有益于種子萌發(fā)和幼苗生長，但高劑量的生物炭可對作物產(chǎn)生毒害?？赡苁且驗樯镔|(zhì)原料在高溫?zé)峤膺^程中產(chǎn)生了焦油、多環(huán)芳烴等潛在有機(jī)毒物[37]，抑制了幼苗的生長。此外，生物炭中富含碳和鹽基離子，添加生物炭可顯著提高培養(yǎng)基的pH和碳氮比，進(jìn)而影響氮素的利用，抑制作物生長[38]。在該試驗中未出現(xiàn)高施碳量抑制小白菜幼苗生長的影響，可能是因為生物炭的添加量較少，生物炭中有毒物質(zhì)的負(fù)效應(yīng)被其正效應(yīng)掩蓋所致；也有可能是施用生物炭中的大部分有毒物質(zhì)為水溶性的，經(jīng)水洗后對作物的抑制作用顯著降低[39]所致。

該試驗中梨木生物炭添加量為0.5 g時小白菜幼苗過氧化氫酶活性最高，可能是因為梨木生物炭本身具有較強(qiáng)的吸附能力，可以吸附酶分子對酶促反應(yīng)結(jié)合位點(diǎn)形成保護(hù)，從而阻止酶促反應(yīng)的進(jìn)行[39]。另外，由于生物炭結(jié)構(gòu)以及幼苗酶活性與酶本身分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致生物炭對CAT活性的影響與SOD活性和POD活性不盡相同。