生物炭對(duì)鹽堿地藜麥根系生長(zhǎng)及生理特性的影響

梁曉艷，衣葵花，李萌，付嬈，馬蘭，宋延靜，王向譽(yù)，郭洪恩

（山東省蠶業(yè)研究所，山東 煙臺(tái) 264002）

黃河三角洲是我國(guó)三大河口三角洲之一，土壤主要以濱海鹽土為主，具有巨大的土地開(kāi)發(fā)利用潛力，而濱海鹽土中較高的含鹽量限制了大部分農(nóng)作物的生長(zhǎng)。因此，篩選和引進(jìn)抗逆性強(qiáng)、耐鹽性突出的優(yōu)良作物品種是黃河三角洲濱海鹽堿地開(kāi)發(fā)利用的重要途徑。藜麥（Chenopodium quinoa Willd.）是一種典型的耐鹽堿作物，可以耐受高鹽脅迫（電導(dǎo)率 40 dS／m，或相當(dāng)于約 400 mmol／L NaCl），在土壤 pH值 5.5～8.5條件下可以正常生長(zhǎng)［1，2］。藜麥不僅抗逆性強(qiáng)，而且營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，是唯一一種單體植物即可滿(mǎn)足人體基本營(yíng)養(yǎng)需求的食物，在鹽堿地的開(kāi)發(fā)利用中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，濱海鹽堿土除了含鹽量高外，土壤質(zhì)地粘重、孔隙度低、透水性差等土壤物理性狀影響了藜麥根系的生長(zhǎng)及產(chǎn)量的形成，因此，采取適當(dāng)?shù)耐寥栏牧即胧└纳汽}堿地的理化性質(zhì)，提高耐鹽作物的產(chǎn)量，對(duì)鹽堿地的高效開(kāi)發(fā)利用具有重要意義。

生物炭是生物有機(jī)質(zhì)在缺氧或低氧條件下高溫裂解而生成的固體物質(zhì)，具有多孔性、比表面積大、離子交換能力強(qiáng)等特點(diǎn)［3，4］。研究表明，生物炭可有效增加土壤孔隙度和保水保肥能力，減小土壤容重，顯著改善土壤的物理結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)鹽基離子濃度和pH值，提高有機(jī)質(zhì)含量，改善微生物的附著性，提高土壤中微生物的活性及多樣性，改善土壤的微環(huán)境，促進(jìn)植物生長(zhǎng)［5-10］。因此，生物炭作為土壤改良劑在改善土壤理化性質(zhì)、促進(jìn)植物生長(zhǎng)等方面顯示出較大潛力。大多數(shù)研究表明，生物炭對(duì)土壤生產(chǎn)性能和產(chǎn)量的影響表現(xiàn)出明顯的正效應(yīng)［11-13］，但也有一些研究表明生物炭的改土增產(chǎn)作用不顯著，甚至有負(fù)面效應(yīng)［14-16］。不同的研究結(jié)果可能與生物炭類(lèi)型、施用量、土壤類(lèi)型、土壤肥力及作物類(lèi)型等因素的差異有密切關(guān)系。生物炭大多為堿性，能夠在一定程度上提高土壤pH 值和鹽基飽和度［12］。目前關(guān)于生物炭的研究及應(yīng)用多集中于酸性土壤和中性土壤，并且取得良好效果［17-19］，而關(guān)于生物炭對(duì)濱海鹽堿土的改良效果及對(duì)鹽堿地藜麥生長(zhǎng)的促進(jìn)效應(yīng)卻鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究以黃河三角洲濱海鹽堿土和藜麥為材料，開(kāi)展不同施用量的生物炭處理試驗(yàn)，通過(guò)根系形態(tài)、生理特性、植物生長(zhǎng)及產(chǎn)量等指標(biāo)的測(cè)定，闡明生物炭對(duì)濱海鹽堿土藜麥生長(zhǎng)的促進(jìn)效應(yīng)及作用機(jī)理，旨在為生物炭在濱海鹽堿地藜麥生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤取自山東省東營(yíng)市廣饒縣農(nóng)高區(qū)鹽堿土地塊（0～30 cm土層），土壤類(lèi)型為潮土，土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。本試驗(yàn)所選用的生物炭為水稻秸稈在400℃條件下不完全燃燒24 h制成，其密度為 0.28 g／cm3、pH 值 8.01、電導(dǎo)率4.74 mS／cm、灰分 52.31%、比表面積 207.54 m2／g、有機(jī)碳含量 423.9 g／kg、含氫 1.4 g／kg、氧 105.2 g／kg、全氮 10.1 g／kg、全磷 10.8 g／kg、全鉀 47.4 g／kg、Na＋含 量 2.86 mg／kg、Ca2＋含 量 1.512 g／kg、Mg2＋含量 2.693 g／kg。供試材料為藜麥早熟品種青藜2號(hào)，由青海省農(nóng)林科學(xué)院提供。

表1 鹽堿土基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年在山東省蠶業(yè)研究所進(jìn)行。采用盆栽試驗(yàn)，設(shè)4個(gè)處理。處理1為對(duì)照，不添加生物炭（CK）；處理2為添加2.5%生物炭（C1）；處理3為添加5.0%生物炭（C2）；處理4為添加7.5%生物炭處理（C3）。隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次，每重復(fù)10盆。

采用上口徑 27.5 cm、下口徑 19.5 cm、高25.5 cm的塑料盆栽培。盆栽用土全部過(guò)2 mm篩，每盆裝土4.0 kg，按照設(shè)計(jì)分別施入不同用量的生物炭。另外，分別施入N、P2O5、K2O各 0.2 g／kg，將生物炭、肥料與土壤充分混勻后澆透水沉積1周備用。于3月16日，選取大小一致、籽粒飽滿(mǎn)的藜麥種子，浸種1 h后播種，每盆均勻播9粒種子，覆土1 cm。播種后等量澆水，待幼苗長(zhǎng)到四葉一心時(shí)定苗，每盆留長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株3株。

1.3 樣品采集與分析測(cè)定

1.3.1 樣品的采集 分別于苗期（4月16日）、孕穗期（5月16日）、灌漿期（6月12日）、成熟期（7月2日）進(jìn)行植株樣品采集，每處理取3盆。將每盆植株連根帶土全部放入40目尼龍篩網(wǎng)袋，用水浸泡約30 min，然后用流水小心沖洗根系后，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行植株農(nóng)藝性狀、植株生物量、根系形態(tài)指標(biāo)及生理指標(biāo)的測(cè)定。于成熟期進(jìn)行單株產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的測(cè)定。

1.3.2 相關(guān)指標(biāo)測(cè)定 根系形態(tài)指標(biāo)測(cè)定：將根系用清水沖洗干凈后用EPSON V850 PROPHOTO掃描儀進(jìn)行掃描。掃描時(shí)將根系放入特制的透明托盤(pán)內(nèi)，加入1／2的水，用鑷子將根系分散開(kāi)，避免根系分支的互相纏繞。掃描后保存圖像，采用WinRHIZO PRO 2017根系分析系統(tǒng)軟件（Regent Instruments Inc8，Canada）分析根系表面積、根系體積、總根長(zhǎng)、根系平均直徑、根尖數(shù)等形態(tài)參數(shù)，最大根長(zhǎng)用直尺測(cè)量。根系活力采用TTC法，根系POD活性采用愈創(chuàng)木酚比色法測(cè)定，SOD活性采用氮藍(lán)四唑法測(cè)定，CAT活性采用分光光度法測(cè)定，MDA含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定。

植株農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量測(cè)定：株高用直尺測(cè)量，莖粗用游標(biāo)卡尺測(cè)量，葉面積采用葉片打孔法測(cè)定。每處理選取植株主穗，測(cè)量穗部長(zhǎng)度，從各處理收獲的種子中抽取1 000粒稱(chēng)重測(cè)定千粒重；取單株藜麥所收獲種子總數(shù)，用電子天平稱(chēng)重即為單株產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel進(jìn)行處理，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用LSD檢驗(yàn)法（P＜0.05）進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)藜麥根系形態(tài)發(fā)育的影響

由表2可以看出，鹽堿土條件下，添加不同用量生物炭處理的藜麥不同生育期的根系形態(tài)發(fā)育存在顯著差異。苗期，C1、C2和C3處理均不同程度提高主根長(zhǎng)度（最大根長(zhǎng)）及總根長(zhǎng)，其中C2效果最為顯著，主根長(zhǎng)與總根長(zhǎng)分別比對(duì)照提高15.5%和30.0%；C3和C1處理間主根長(zhǎng)和總根長(zhǎng)無(wú)顯著差異，但均顯著高于CK。這說(shuō)明生物炭處理顯著促進(jìn)藜麥根系的縱向伸長(zhǎng)及側(cè)根的發(fā)生，但施炭量并不是越多越好。與根系長(zhǎng)度結(jié)果相似，施用生物炭處理根表面積、根體積、根系平均直徑及根尖數(shù)均得到顯著提高，總體表現(xiàn)為C2＞C3＞C1＞CK。根系平均直徑的增加說(shuō)明生物炭促進(jìn)了根系的粗壯度；根表面積、根體積及根尖數(shù)的顯著增加說(shuō)明生物炭為根系的生長(zhǎng)提供了有利環(huán)境，擴(kuò)大了根系的分布范圍，提高了養(yǎng)分的吸收能力。

進(jìn)入孕穗期，隨著根系的進(jìn)一步發(fā)育，不同處理間根系形態(tài)差異也逐漸變大，整體表現(xiàn)為C2＞C3＞C1＞CK，與苗期趨勢(shì)基本一致。從灌漿期到成熟期，C2和C3處理根系形態(tài)發(fā)育顯著優(yōu)于C1和CK，C2處理效果最佳，說(shuō)明5.0%生物炭添加量在生育后期對(duì)根系生長(zhǎng)的促進(jìn)效果大于2.5%生物炭處理。

表2 生物炭對(duì)藜麥根系形態(tài)發(fā)育的影響

2.2 生物炭對(duì)藜麥根系生理特性的影響

2.2.1 生物炭對(duì)藜麥根系活力的影響 圖1顯示，鹽堿土條件下藜麥生育期內(nèi)不同生物炭處理之間根系活力的動(dòng)態(tài)變化有差異。苗期，C2處理根系活力最高，C1處理次之，二者均顯著高于C3，CK根系活力最低。這說(shuō)明適量生物炭可以提高鹽堿條件下藜麥幼苗的根系活力，但并不是施炭量越多越好，5.0%施炭量根系活力最高。孕穗期各處理藜麥根系活力水平均達(dá)到最高，不同生物炭處理藜麥根系活力大小表現(xiàn)為C2＞C1＞C3＞CK，且差異均達(dá)到顯著水平。進(jìn)入灌漿期后，各處理藜麥根系活力均開(kāi)始下降，其中不施生物炭處理藜麥根系活力下降51.2%，C1、C2及C3處理根系活力分別下降44.1%、43.7%和38.2%。這說(shuō)明生物炭的添加延緩了藜麥生育后期根系活力的下降，且隨著施炭量的增加，效果更為顯著。成熟期，各處理根系活力均顯著下降，但添加生物炭處理根系活力顯著高于對(duì)照，C1、C2和C3處理分別比CK提高27.2%、48.7%和42.6%。

圖1 生物炭對(duì)藜麥根系活力的影響

2.2.2 生物炭對(duì)藜麥根系抗氧化酶活性及MDA含量的影響 由圖2可以看出，鹽堿土條件下，施加生物炭處理對(duì)藜麥生育期內(nèi)根系抗氧化酶活性及MDA含量影響顯著。苗期，不同生物炭處理與CK相比均顯著提高根系的SOD、POD及CAT活性，其中，C1和C2處理效果最為顯著，C3處理次之。這說(shuō)明添加2.5%和5.0%生物炭最有利于苗期根系抗氧化酶活性的提高。孕穗期和灌漿期，不同處理間差異基本一致，但是隨著生育期的推進(jìn)，5.0%和7.5%生物炭處理對(duì)抗氧化酶活性的促進(jìn)效果逐漸大于2.5%生物炭處理，5.0%生物炭處理效果最佳。

丙二醛（MDA）是膜脂過(guò)氧化作用的最終分解產(chǎn)物，其含量多少可以反映植物遭受逆境傷害的程度。苗期，植物體內(nèi)MDA含量處于較低水平，隨著生育期的推進(jìn)，呈逐漸上升趨勢(shì)，到成熟期達(dá)最大值。不同生物炭處理均不同程度降低根系MDA含量，生育后期效果尤為明顯，灌漿期C1、C2、C3處理根系MDA含量分別比CK降低24.9%、33.4%、37.1%。這說(shuō)明生物炭的添加緩解了藜麥生育后期根系的衰老，保證了生育后期藜麥根系的養(yǎng)分吸收能力。

圖2 生物炭對(duì)藜麥根系SOD、POD、CAT活性和 MDA含量的影響

2.3 生物炭對(duì)藜麥植株生長(zhǎng)發(fā)育及單株產(chǎn)量的影響

由表3可以看出，鹽堿土條件下，施加生物炭處理對(duì)藜麥植株生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素均具有顯著影響。從苗期開(kāi)始，生物炭處理顯著提高藜麥的株高、莖粗及單株葉面積，各生物炭處理之間差異相對(duì)較小，C1、C2和C3處理藜麥單株葉面積分別比 CK 提高 87.4%、99.7%和93.4%。這說(shuō)明生物炭有效促進(jìn)了藜麥幼苗的粗壯度，增加葉片的光合面積。進(jìn)入孕穗期，各生物炭處理的藜麥植株生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)更為突顯，株高、莖粗及葉面積均顯著高于CK，C2處理效果最佳，C3處理次之。進(jìn)入籽粒灌漿期，穗部逐漸發(fā)育，施加生物炭處理的藜麥穗部發(fā)育顯著優(yōu)于CK。成熟期，各處理間產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素均存在顯著差異，C1、C2和C3處理單株產(chǎn)量分別比對(duì)照提高30.6%、56.5%和53.2%。從千粒重結(jié)果分析，不同生物炭處理之間無(wú)顯著差異，但均顯著高于CK，說(shuō)明生物炭的添加增加了藜麥籽粒的飽滿(mǎn)度。由此可見(jiàn)，濱海鹽堿土條件下，生物炭的添加可有效改善藜麥的植株發(fā)育狀況，促進(jìn)生育后期穗部的發(fā)育及籽粒的形成，對(duì)產(chǎn)量的形成具有顯著的促進(jìn)作用。

表3 生物炭對(duì)藜麥植株農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

3 討論與結(jié)論

根系是直接與土壤接觸的營(yíng)養(yǎng)器官，土壤的理化性質(zhì)等因素可直接影響根系的生長(zhǎng)、分布及功能，進(jìn)而影響植株的生長(zhǎng)發(fā)育，并最終影響作物產(chǎn)量［20］。土壤物理性狀是限制植物根系生長(zhǎng)的重要環(huán)境因素，主要包括機(jī)械阻抗（土壤太硬以至于根不能迅速貫入）、水分脅迫（提供給根系生長(zhǎng)的水分過(guò)少）、缺氧（提供給根呼吸的氧氣太少）［20，21］。濱海鹽堿土總體表現(xiàn)為含鹽量高、土壤結(jié)構(gòu)性差、有效養(yǎng)分低等特點(diǎn)［22］，這一系列問(wèn)題是限制藜麥根系生長(zhǎng)及產(chǎn)量提高的重要障礙因子。本研究結(jié)果表明，添加生物炭可顯著促進(jìn)藜麥根系的形態(tài)發(fā)育，增加根系長(zhǎng)度、根表面積、根體積及根尖數(shù)。生物炭對(duì)藜麥根系的顯著促進(jìn)作用與土壤理化性質(zhì)的改良密切相關(guān)，一方面生物炭的高表面積和孔隙度有效增大土壤的比表面積、降低土壤容重，增加土壤的通氣孔隙，提高土壤的田間持水量，這是生物炭改良鹽堿土的重要因素［23，24］；另一方面生物炭富含有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分，能有效改善鹽堿土有機(jī)質(zhì)含量低的問(wèn)題；另外，生物炭在水土交融作用下可能會(huì)釋放或吸收調(diào)控植物生長(zhǎng)的化學(xué)信號(hào)等，對(duì)根系分泌物產(chǎn)生影響，從而刺激和干擾根系生理進(jìn)程，影響根系生長(zhǎng)［21，25］。本研究結(jié)果表明，適量的生物炭可有效提高根系活力和抗氧化酶活性，降低根系中丙二醛（MDA）的積累，但并不是添加量越多越好，7.5%生物炭對(duì)苗期根系活力和抗氧化酶活性的促進(jìn)效果相對(duì)減弱，但生育后期促進(jìn)作用又有所增加。其原因可能是生物炭的過(guò)量施入導(dǎo)致土壤鹽基離子濃度過(guò)高，土壤電導(dǎo)率增加，導(dǎo)致幼苗生長(zhǎng)出現(xiàn)生理?yè)p傷，表現(xiàn)出暫時(shí)的毒性效應(yīng)，而隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，毒性效應(yīng)得到有效緩解，但隨著幼苗的生長(zhǎng)毒性效應(yīng)是否會(huì)緩解也因植物不同而可能存在一定差異［26，27］。

良好的根系形態(tài)及生理活性可提高植物對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收能力，進(jìn)一步提高地上部光合產(chǎn)物的形成及干物質(zhì)的積累，從而保證作物產(chǎn)量的形成［28］。大部分研究表明，生物炭對(duì)植物生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成具有良好的促進(jìn)效應(yīng)：張偉明等［12］對(duì)中性沙壤土研究表明，生物炭的添加可增強(qiáng)土壤生態(tài)系統(tǒng)功能，為根系提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，優(yōu)化根系形態(tài)，增強(qiáng)生理功能，為地上部營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)、轉(zhuǎn)化與積累提供重要保障，并促使最終產(chǎn)量提高；張?jiān)剖娴龋?9］研究表明，生物炭可有效改善灌耕風(fēng)沙土的土壤環(huán)境，提高土壤有效養(yǎng)分含量，使玉米增產(chǎn)10.2% ～42.1%。Jeffery等［30］在土壤質(zhì)地方面研究了生物炭與作物產(chǎn)量的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)生物炭對(duì)酸性土壤和貧瘠土壤改良和作物增產(chǎn)效果較好。目前，關(guān)于生物炭對(duì)鹽堿地的應(yīng)用效果仍然存在一定的爭(zhēng)議，因?yàn)樯锾慷喑蕢A性，成分中含有大量的堿性離子，盲目或過(guò)量的生物炭添加可能會(huì)加重鹽堿土的鹽堿化程度，不利于植物的生長(zhǎng)。本研究結(jié)果表明，3個(gè)不同添加量的生物炭處理均不同程度提高藜麥的株高、莖粗、葉面積及單株產(chǎn)量，說(shuō)明添加生物炭對(duì)藜麥地下部及地上部生長(zhǎng)均起到良好的促進(jìn)作用，但并不是添加量越多越好。C1、C2和C3三個(gè)不同添加量的生物炭處理藜麥單株產(chǎn)量分別比對(duì)照提高30.6%、56.5%和53.2%。從植株發(fā)育及產(chǎn)量構(gòu)成因素可以看出，生物炭處理顯著促進(jìn)藜麥植株的生長(zhǎng)發(fā)育，增加葉片的光合面積，促進(jìn)穗部發(fā)育，提高藜麥種子的飽滿(mǎn)度及單株產(chǎn)量，這說(shuō)明生物炭對(duì)濱海鹽堿地藜麥的生長(zhǎng)及產(chǎn)量的形成具有顯著的促進(jìn)作用。