鉛脅迫下生物質(zhì)炭對(duì)小白菜種子萌發(fā)及生長(zhǎng)的影響

林萱萱 李曉紅，2

1.邵陽(yáng)學(xué)院食品與化學(xué)工程學(xué)院，湖南 邵陽(yáng) 422000；2.邵陽(yáng)學(xué)院農(nóng)林生態(tài)學(xué)院，湖南 邵陽(yáng) 422000

0 引言

土壤中的重金屬會(huì)降低土壤水勢(shì)，升高植物細(xì)胞外滲透壓，進(jìn)而抑制植物根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，還會(huì)通過氧化脅迫阻礙植物葉綠素合成，影響植物光合作用，從而影響植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育，使植物生長(zhǎng)緩慢，甚至?xí)?dǎo)致植物死亡［1-3］。鉛具有毒性強(qiáng)、難降解等特點(diǎn)，土壤中的鉛不僅會(huì)通過直接毒害及間接改變土壤理化性質(zhì)等途徑抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育，還會(huì)通過食物鏈的富集作用，危害人類的身體健康［4］。

在土壤中施用生物質(zhì)炭可以降低土壤中重金屬的生物有效性，從而減少植物對(duì)重金屬的吸收富集［5-7］。同時(shí)，生物質(zhì)炭可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，其富含的多種酚類物質(zhì)還可以改變植物種子的酶類活性，促進(jìn)種子萌發(fā)［8］。施用生物質(zhì)炭還可以增加土壤孔隙度，增強(qiáng)土壤保水保肥能力，其自身含有的氮、磷等有效態(tài)養(yǎng)分，可促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)，并促進(jìn)植物根系產(chǎn)生分泌物［9-10］。而植物根系分泌物可調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤能量傳遞和物質(zhì)循環(huán)，也有利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育［11-12］。

筆者通過盆栽試驗(yàn)，研究鉛脅迫下施用生物質(zhì)炭對(duì)小白菜種子萌發(fā)及生長(zhǎng)的影響，旨在探究生物質(zhì)炭能否緩解鉛對(duì)小白菜生長(zhǎng)發(fā)育的不利影響，為鉛污染土壤的修復(fù)和小白菜綠色安全生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤取自湖南省邵陽(yáng)市郊區(qū)閑置荒田，采集0～20 cm 耕層土壤，土壤類型為紅壤土，對(duì)土壤理化性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，土壤pH 值為6.13，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.23 g/kg，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.25 g/kg，堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為113.81 mg/kg，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.52 g/kg，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.05 mg/kg，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.08 g/kg，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為155.28 mg/kg，肥力中等。土壤采集完成后，將土壤風(fēng)干粉碎并過孔徑為2 mm的網(wǎng)篩。

供試生物質(zhì)炭以稻稈為原材料，在550～650 ℃無氧條件下裂解制得，購(gòu)自南京勤豐秸稈科技有限公司。供試小白菜品種為正旺達(dá)88，購(gòu)自青州市新世紀(jì)種苗有限公司。試驗(yàn)所用的鉛為硝酸鉛，購(gòu)自廣東予能實(shí)驗(yàn)室設(shè)備科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2021 年6 月1 日至8 月14 日在邵陽(yáng)學(xué)院試驗(yàn)基地進(jìn)行。將采集的土壤風(fēng)干粉碎過篩后，分為對(duì)照土壤與鉛污染土壤。鉛污染土壤的制備方法：將硝酸鉛溶解在水中，均勻噴灑到土壤中，混合均勻后，靜置平衡15 d，控制土壤中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為400 mg/kg。

將對(duì)照土壤、鉛污染土壤分別與生物質(zhì)炭混合，設(shè)4個(gè)生物質(zhì)炭添加水平，分別為0、30、40、50 g/kg（生物質(zhì)炭質(zhì)量/土壤質(zhì)量），共8 個(gè)處理；將各處理土壤分別裝入營(yíng)養(yǎng)缽（直徑21 cm、高26 cm）中，每個(gè)處理20盆，每盆播種3粒種子，每個(gè)處理播種60粒種子。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

在播種第3 天，測(cè)算小白菜種子發(fā)芽勢(shì)（播種第3天正常發(fā)芽的種子數(shù)/試驗(yàn)種子數(shù)）；在播種第7 天，測(cè)算小白菜種子發(fā)芽率（播種第7 天正常發(fā)芽的種子數(shù)/試驗(yàn)種子數(shù)）；在播種第8天進(jìn)行間苗，每盆僅留1株健壯幼苗；在小白菜生長(zhǎng)45 d 后，每個(gè)處理隨機(jī)選取15株，統(tǒng)計(jì)葉片數(shù)，測(cè)量小白菜根長(zhǎng)和株高，將小白菜用蒸餾水洗凈并吸干水分后稱取鮮質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，使用R軟件分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行方差分析和制圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜種子發(fā)芽勢(shì)的影響

由圖1 可知，在生物質(zhì)炭施用水平相同時(shí)，對(duì)照處理小白菜種子發(fā)芽勢(shì)均顯著高于鉛污染處理小白菜種子發(fā)芽勢(shì)，說明鉛脅迫會(huì)顯著降低小白菜種子發(fā)芽勢(shì)，處理小白菜種子萌發(fā)；隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，對(duì)照處理小白菜種子發(fā)芽勢(shì)增大，說明施用生物質(zhì)炭可以提高小白菜種子發(fā)芽勢(shì)，促進(jìn)小白菜種子萌發(fā)；隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，鉛污染處理小白菜種子發(fā)芽勢(shì)增大，生物質(zhì)炭施用水平為50 g/kg 時(shí)，鉛污染處理小白菜種子發(fā)芽勢(shì)高于生物質(zhì)炭施用水平為0 g/kg時(shí)對(duì)照處理小白菜種子發(fā)芽勢(shì)，說明鉛脅迫下施用生物質(zhì)炭可以提高小白菜種子發(fā)芽勢(shì)，緩解鉛脅迫對(duì)小白菜種子萌發(fā)的抑制作用。

2.2 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜種子發(fā)芽率的影響

由圖2 可知，生物質(zhì)炭施用水平相同時(shí)，對(duì)照處理小白菜種子發(fā)芽率均高于鉛污染處理小白菜種子發(fā)芽率，說明鉛脅迫會(huì)降低小白菜種子發(fā)芽率，抑制種子萌發(fā)；隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，對(duì)照處理小白菜種子發(fā)芽率增大，說明施用生物質(zhì)炭可以提高小白菜種子發(fā)芽率，促進(jìn)小白菜種子萌發(fā)；隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，鉛污染處理小白菜種子發(fā)芽率增大，生物質(zhì)炭施用水平為50 g/kg時(shí)，鉛污染處理小白菜種子發(fā)芽率高于生物質(zhì)炭施用水平為0 g/kg時(shí)對(duì)照處理小白菜種子發(fā)芽率，說明鉛脅迫下施用生物質(zhì)炭可以提高小白菜種子發(fā)芽率，緩解鉛脅迫對(duì)小白菜種子萌發(fā)的抑制作用。

圖2 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜種子發(fā)芽率的影響

2.3 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜葉片數(shù)的影響

由圖3 可知，生物質(zhì)炭施用水平相同時(shí)，對(duì)照處理小白菜葉片數(shù)均多于鉛污染處理小白菜葉片數(shù)，說明鉛脅迫會(huì)抑制小白菜葉片生長(zhǎng)；隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，對(duì)照處理小白菜葉片數(shù)增多，說明施用生物質(zhì)炭可以促進(jìn)小白菜葉片生長(zhǎng)；隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，鉛污染處理小白菜葉片數(shù)增多，生物質(zhì)炭施用水平為50 g/kg時(shí)，鉛污染處理小白菜葉片數(shù)多于生物質(zhì)炭施用水平為0 g/kg 時(shí)對(duì)照處理小白菜葉片數(shù)，說明鉛脅迫下施用生物質(zhì)炭可以促進(jìn)小白菜葉片生長(zhǎng)，緩解鉛脅迫對(duì)小白菜葉片生長(zhǎng)的抑制作用。

圖3 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜葉片數(shù)的影響

2.4 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜根長(zhǎng)的影響

由圖4 可知，生物質(zhì)炭施用水平相同時(shí)，對(duì)照處理小白菜根長(zhǎng)均顯著長(zhǎng)于鉛污染處理小白菜根長(zhǎng)，說明鉛脅迫會(huì)抑制小白菜根系生長(zhǎng)；隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，對(duì)照處理小白菜根長(zhǎng)增長(zhǎng)，說明生物質(zhì)炭可以促進(jìn)小白菜根系生長(zhǎng)；隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，鉛污染處理小白菜根長(zhǎng)增長(zhǎng)，生物質(zhì)炭施用水平為50 g/kg時(shí)，鉛污染處理小白菜根長(zhǎng)長(zhǎng)于生物質(zhì)炭施用水平為0 g/kg 時(shí)對(duì)照處理小白菜根長(zhǎng)，說明鉛脅迫下施用生物質(zhì)炭可以促進(jìn)小白菜根系生長(zhǎng)，緩解鉛脅迫對(duì)小白菜根系生長(zhǎng)的抑制作用。

圖4 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜根長(zhǎng)的影響

2.5 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜株高的影響

由圖5 可知，生物質(zhì)炭施用水平相同時(shí)，對(duì)照處理小白菜株高均高于鉛污染處理小白菜株高，說明鉛脅迫對(duì)小白菜的高生長(zhǎng)有抑制作用；隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，對(duì)照處理小白菜株高增高，說明生物質(zhì)炭對(duì)小白菜的高生長(zhǎng)有促進(jìn)作用；隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，鉛污染處理小白菜株高增高，生物質(zhì)炭施用水平為50 g/kg時(shí)，鉛污染處理小白菜株高高于生物質(zhì)炭施用水平為0 g/kg 時(shí)對(duì)照處理小白菜株高，說明鉛脅迫下施用生物質(zhì)炭可以促進(jìn)小白菜高生長(zhǎng)，緩解鉛脅迫對(duì)小白菜高生長(zhǎng)的抑制作用。

圖5 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜株高的影響

2.6 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜鮮質(zhì)量的影響

由圖6 可知，生物質(zhì)炭施用水平相同時(shí)，對(duì)照處理小白菜鮮質(zhì)量均大于鉛污染處理小白菜鮮質(zhì)量，說明鉛脅迫會(huì)阻礙小白菜物質(zhì)積累，抑制小白菜生長(zhǎng)；隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，對(duì)照處理小白菜鮮質(zhì)量增大，說明施用生物質(zhì)炭有利于小白菜物質(zhì)積累，促進(jìn)小白菜生長(zhǎng)；隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，鉛污染處理小白菜鮮質(zhì)量增大，生物質(zhì)炭施用水平為50 g/kg 時(shí)，鉛污染處理小白菜鮮質(zhì)量大于生物質(zhì)炭施用水平為0 g/kg時(shí)對(duì)照處理小白菜鮮質(zhì)量，說明鉛脅迫下施用生物質(zhì)炭可以促進(jìn)小白菜物質(zhì)積累，緩解鉛脅迫對(duì)小白菜生長(zhǎng)的抑制作用。

圖6 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜鮮質(zhì)量的影響

3 結(jié)論與討論

鉛脅迫不利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育。植物體內(nèi)含鉛量過高，會(huì)使細(xì)胞外滲透壓過高，影響植物對(duì)水分和礦質(zhì)元素的吸收和運(yùn)輸，抑制蛋白質(zhì)、氨基酸、葉綠素等的合成，影響種子的萌發(fā)和植物的光合作用［13-14］。而生物質(zhì)炭主要通過改善土壤環(huán)境促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，具體表現(xiàn)為通過吸附和螯合等方式固定重金屬，降低重金屬的生物有效性和毒害作用。例如，在銅、鋅污染條件下，小麥的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和根長(zhǎng)均隨生物質(zhì)炭施用量的增加而增大［15］。同時(shí)，生物質(zhì)炭對(duì)根系的促生作用可能是植物發(fā)育的關(guān)鍵。植物根系的伸長(zhǎng)增加了植物與土壤的接觸面積，可促進(jìn)植物對(duì)水分和養(yǎng)分等物質(zhì)的吸收和利用。生物質(zhì)炭還可以促進(jìn)根系分泌物如植物生長(zhǎng)素、氨基酸等的釋放。植物生長(zhǎng)素可促進(jìn)植物細(xì)胞伸長(zhǎng)，氨基酸可通過影響土壤微生物活性進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分有效性，從而促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收［14］。例如，鎘污染條件下水稻的株高隨生物質(zhì)炭施用量的增加而增大［16］；在富硒土壤中施用生物質(zhì)炭可顯著增加小白菜的鮮質(zhì)量［17］。

此次試驗(yàn)探究了鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜種子萌發(fā)及生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭可以緩解鉛脅迫對(duì)小白菜種子發(fā)芽勢(shì)、種子發(fā)芽率、葉片數(shù)、根長(zhǎng)、株高、鮮質(zhì)量的不利影響，且緩解作用隨生物質(zhì)炭施用量的變化而變化。生物質(zhì)炭施用水平為50 g/kg 可以有效緩解鉛脅迫對(duì)小白菜生長(zhǎng)發(fā)育的不利影響，抵御鉛脅迫的效果最佳；施用水平為40 g/kg次之。此次試驗(yàn)可為鉛污染土壤的修護(hù)和小白菜綠色安全生產(chǎn)提供參考。