生物質炭輸入對鹽脅迫下玉米植株生物學性狀的影響

劉 易，孟阿靜，黃 建，祁 通，馮耀祖，唐光木，葛春暉，王新勇

(新疆農科院土壤肥料與農業節水研究所， 新疆 烏魯木齊 830091)

新疆鹽漬土總面積達到8.476×106hm2[1]，31.1%的耕地面積受到鹽堿危害[2]。鹽漬化導致的環境問題成為限制農作物產量提升和品質改良的重要因素之一。鹽脅迫可以通過抑制光合作用，打破植物營養平衡；可以抑制植物離子吸收和轉運，改變植物細胞內滲透壓、破壞細胞膜的完整性和降低酶活性。同時，鹽脅迫也可以通過改變土壤理化性質間接對植物生長產生影響。且鹽度越大，作用時間越長越明顯[3-6]。鹽堿地的改良利用，特別是土壤鹽分-植物生長-改良劑之間的關系研究一直是國內外活躍的研究領域。研究成果也對提高農作物產量和改善鹽堿地區生態環境起到了重要作用[7]。生物質炭是一種新型技術產品，能快速增加土壤有機炭含量、改善土壤理化性質、增加土壤持水性能[8]，并長時間保持粒狀結構，改善土壤結構[9-10]。研究表明生物質炭應用在酸性土壤中無論是單獨施入還是和化肥、廄肥混合施用，土壤pH均會有不同程度的上升，進而改善酸性土壤環境[11-13]。而關于生物質炭應用于鹽漬化土壤改良，對植物的生長、生理影響的研究較少。本研究擬通過生物質炭輸入新疆氯化物-硫酸鹽鹽化灰漠土壤，以其為基質栽培玉米，研究生物質炭輸入對玉米生物學性狀的影響，為生物質炭應用于鹽漬化耕地的改良利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 供試土壤 供試土壤采自瑪納斯北五岔，土壤類型為灰漠土，取土深度0～30 cm，經碾壓、粉碎、風干、過篩(2 mm)，測定土壤基本理化性質見表1。重度鹽漬化耕地土壤含鹽量為16.3 g·kg-1；中度鹽漬化土壤含鹽量為10.2 g·kg-1；輕度鹽漬化土壤含鹽量為4.0 g·kg-1；依據Cl-/SO42-離子毫克當量比例在0.2～1.0之間為氯化物-硫酸鹽鹽漬化土壤的分類方法[14]，該供試土壤鹽漬化類型為氯化物-硫酸鹽。

表1 供試土壤基本理化性質

1.1.2 生物質炭的制備 生物質炭取自國家灰漠土土壤肥力與肥料效益檢測基地(N43°56′30″，E87°28′16″)，原材料為棉花秸稈，溫度是500℃～700℃，燒制時間8個小時，測定生物質炭基本理化性質：pH 9.93，EC3.7 mS·cm-1，有機碳434.18 g·kg-1，全氮26.71 g·kg-1，全磷11.85 g·kg-1，全鉀22.54 g·kg-1，堿解氮5.83 mg·kg-1，速效磷200.49 mg·kg-1，速效鉀108.2 mg·kg-1，CEC 12.65 cmol(+)·kg-1。

1.2 試驗設計

供試土壤處理為輕、中、重3種程度鹽漬化土壤(理化性質見表1)，土壤容重為1.5 g·cm-3，過2 mm篩備用；生物質炭輸入量按照土壤質量的0%(BC0，空白對照)、1%(BC1)、2%(BC2)、4%(BC4)、8%(BC8)，與土壤混合均勻。換算為田間施入量分別為0、22.5、45、90、180 t·hm-2。2016年5月17日裝盆、播種，每個處理3次重復，共15個處理。

供試作物為玉米，品種為鄭單958，播種10 粒·盆-1，6月2日定苗，3 株·盆-1。灌水定量：每天50～100 ml·盆-1(土壤含水量達到田間持水量的60%～70%)。分別于苗期(6月3日)，拔節期(6月23日)測定玉米生物學性狀，6月27日測定葉片酶活性。

1.3 觀測指標測定及方法

土壤pH值用電位法(土水比1∶5測定)；

發芽率=(發芽種子數/供試種子數)×100；

發芽勢=(第t天的種子發芽數/供試種子數)×100，t=7；

發芽指數=∑(在t天的發芽數/相應發芽日數)；

玉米幼苗干物質測定：每個處理選取3株有代表性的植株，用抖根法去除玉米根際土壤。將玉米根、莖、葉分開，在105℃殺青15 min，60 ℃烘干，分別稱重；

生理指標測定：過氧化氫酶采用KMnO4滴定法[15]；過氧化物酶采用愈創木酚法[15]；細胞膜脂的損傷程度用脂質過氧化產物丙二醛(MDA)生成量反映[15]；超氧化物歧化酶(SOD)活性用NBT還原抑制法測定[16]。

1.4 數據統計

數據采用Microsoft Excel 2007和SPSS17.0進行數據統計分析和顯著性檢驗，用最小顯著性差異表示(LSD0.05)。

2 結果與分析

2.1 生物質炭輸入對鹽漬化土壤pH和總鹽的影響

輕、中度鹽漬化土壤輸入生物質炭，與BC0處理相比，BC1、BC2、BC4處理土壤pH降低0.27%～1.91%，差異不顯著(P>0.05)；BC8處理土壤pH 較BC0增加2.93%～5.49%，差異顯著(P<0.05)。重度鹽漬化土壤pH隨生物質炭輸入量增加而增大，BC8處理最高，較對照增加8.16%。生物質炭輸入鹽漬化土壤對pH的影響如圖1所示。

注：相同程度鹽漬化土壤各處理間不同字母表示差異達5%顯著水平，下同。

Note: Different small letters within the same Saliferous level of soil mean significant difference between treatments at 0.05 level,The same below.

圖1生物質炭輸入對鹽漬化土壤pH的影響

Fig.1 Effects of biochar additions on saliferous soil pH

生物質炭輸入條件下，三種鹽漬化程度土壤BC1、BC2、BC4處理總鹽均低于BC0處理，差異顯著(P<0.05)；但BC8處理總鹽均高于其余處理，較CK增加31.76%、9.17%、11.13%，差異顯著(P<0.05)，見圖2。說明輸入一定量生物質炭可降低土壤總鹽；但超量施入，將提高土壤總鹽含量。

圖2生物質炭輸入對鹽漬化土壤總鹽的影響

Fig.2 Effects of biochar additions on saliferous soil total salt

2.2 生物質炭輸入對玉米生長的影響

2.2.1 生物質炭輸入對玉米種子發芽率的影響 由表2可知，未輸入生物質炭，玉米種子發芽率與土壤鹽脅迫程度呈負相關，土壤鹽分對種子萌發的抑制大小順序依次為：重度鹽脅迫>中度鹽脅迫>輕度鹽脅迫。輸入生物質炭條件下，玉米種子發芽率高于空白對照(BC0)。以三個鹽脅迫水平為基礎，不同生物質炭輸入量各處理的玉米種子發芽率：BC8>BC4>BC2>BC1>BC0，BC8處理發芽率較BC0增加145.43%、174.57%、73.72%。表明生物質炭對玉米種子萌發的促進作用隨輸入量增大而增強；但與4%生物質炭輸入量相比，8%生物質炭輸入量對中、重度鹽漬化土壤種子發芽率促進作用不顯著(P>0.05)，說明在中、重度鹽漬化土壤中，生物質炭促進種子萌發的最佳輸入量為4%～8%。

玉米種子發芽勢、發芽指數均隨土壤鹽漬化程度增大而降低，說明鹽脅迫可導致玉米種子活力降低。生物質炭輸入能顯著提高鹽漬化土壤中種子發芽勢和發芽指數，且提高幅度與生物質炭輸入量呈正相關。在不同鹽漬化程度的處理中增幅不同，重度鹽漬化處理玉米種子發芽勢和發芽力的增幅最大。

2.2.2 生物質炭輸入對玉米莖粗和株高的影響 株高和莖粗是直接反映作物生長狀況的重要指標。由表2可看出，未輸入生物質炭，玉米苗期莖粗隨土壤鹽漬化程度增加而降低，重度鹽漬化土壤BC0處理最低，僅4.58 cm。玉米苗期株高表現：中度鹽漬化處理>輕度鹽漬化處理>重度鹽漬化處理，中度鹽脅迫促進了玉米幼苗株高生長，株高達37.28 cm，但與輕度鹽漬化土壤BC0處理差異不顯著(P>0.05)。重度鹽漬化土壤BC0處理株高僅25.75 cm，受鹽脅迫抑制最顯著(P<0.05)。

表2 生物質炭輸入鹽漬化土壤對玉米種子萌發和生長的影響

注：同列不同小寫字母表示處理間差異達5%顯著水平。

Note: Different small letters within a column mean significant difference between treatments at 0.05 level.

生物質炭輸入促進了玉米莖粗和株高生長。輕度、中度鹽漬化土壤輸入2%生物質炭處理對莖粗、株高的生長促進效應均達到最大，較BC0處理莖粗分別增加32.73%和15.19%，株高分別增加61.78%和36.50%，差異顯著(P<0.05)；但不同生物質炭輸入水平下莖粗差異不顯著(P>0.05)。重度鹽漬化土壤BC4處理莖粗、株高均最高，較BC0處理分別增加44.76%、63.96%，差異顯著(P<0.05)。

2.2.3 生物質炭輸入對玉米干物質積累量的影響 干物質累積量是衡量作物生長發育的重要指標。由圖3、圖4可知玉米地上部干重和地下部干重均隨土壤鹽漬化程度增強而降低。與BC0相比，輸入生物質炭后玉米的地上、地下干物質質量均顯著增大，差異顯著(P<0.05)。輕度鹽漬化處理玉米地上、地下干物質累積量與生物質炭輸入量呈正相關，BC8處理最大，各處理間差異顯著(P<0.05)；中度鹽漬化處理地上、地下干物質累積量均隨生物質炭輸入量的增加呈現先升后降的趨勢，BC2處理最高，較BC0增幅分別為151.2%、91.7%，差異顯著(P<0.05)。重度鹽漬化土壤處理玉米地上、地下干物質量在BC8處理中最高，較BC0處理高648%、241%，差異顯著(P<0.05)。

圖3生物質炭輸入鹽漬化土壤對玉米地上干物質累積量的影響

Fig.3 Effects of biochar iuputs to Saliferous soil during corn overground dry matter accumulation

2.3 生物質炭輸入對玉米幼苗葉片酶活性的影響

2.3.1 生物質炭輸入對玉米幼苗葉片超氧化物歧化酶活性的影響 超氧化物歧化酶(SOD)是植物細胞中普遍存在的一種含金屬離子的抗氧化酶，是植物抗氧化劑系統中主要組分之一。由圖5可知，未添加生物質炭條件下，土壤鹽分抑制植株葉片SOD酶活性，重度鹽漬化土壤處理玉米葉片SOD酶活性最低，僅為10.17 U·g-1·min-1，較輕度BC0處理降低19.35%，差異顯著(P<0.05)，表明SOD酶活性受到外界脅迫而降低，對逆境的抵抗力降低。

圖4 生物質炭輸入鹽漬化土壤對玉米地下干物質累積量的影響

圖5生物質炭輸入鹽漬化土壤對玉米幼苗葉片SOD活性的影響

Fig.5 Effects of biochar additions on saliferous soil to corn SOD activity

生物質炭輸入顯著促進玉米葉片SOD酶活性，隨生物質炭輸入量增加呈現先增高后降低趨勢。輕、中、重度鹽漬化土壤BC2處理葉片SOD酶活性均最高，分別達17.33、19.44、17.31 U·g-1·min-1，分別較輕、中、重BC0處理增加37.43%、55.41%、70.22%，差異顯著(P<0.05)；隨生物質炭輸入量繼續增大，葉片SOD酶活性降低，但均高于對照。表明生物質炭輸入能顯著緩解鹽漬化土壤對植株的脅迫。

2.3.2 生物質炭輸入對玉米幼苗葉片丙二醛含量的影響 丙二醛是膜脂過氧化的產物，它的含量可反映膜損傷程度的大小。由圖6可知，空白對照中玉米葉片MDA含量隨鹽脅迫程度增加而升高，重度鹽漬化土壤BC0處理達10.29 U·g-1·min-1，較輕度BC0處理增高64.91%，差異較顯著(P<0.05)。表明鹽漬化土壤在一定程度上誘導了玉米體內活性氧自由基的累積，脂質過氧化加劇，使MDA含量顯著增加。輸入生物質炭后，玉米幼苗葉片MDA含量隨生物質炭輸入量增加而降低，輕、中、重度鹽漬化土壤BC8處理均降至最低，分別為3.89、4.83、4.41 U·g-1·min-1，表明輸入生物質炭有效緩解了脂質過氧化，MDA含量顯著降低。

圖6生物質炭輸入鹽漬化土壤對玉米幼苗葉片MDA活性的影響

Fig.6 Effects of biochar additions on saliferous soil to corn MDA activity

2.3.3 生物質炭輸入對玉米幼苗葉片過氧化氫酶活性的影響 由圖7可以看出，添加生物質炭前，玉米幼苗葉片CAT酶活性隨土壤鹽漬化程度增加而降低，重度鹽漬化土壤BC0處理CAT酶活性29.04 U·g-1·min-1，較輕度鹽漬化土壤BC0處理降低47.51%。

圖7生物質炭輸入鹽漬化土壤對玉米幼苗葉片CAT活性的影響

Fig.7 Effects of biochar additions on saliferous soil to corn CAT activity

生物質炭輸入輕、中程度鹽漬化土壤，玉米葉片CAT活性隨生物質炭輸入量增加呈現先升高再降低的趨勢。其中輕度鹽漬化土壤BC2處理最高，達67.85 U·g-1·min-1。隨后逐漸降低，BC8處理降至50.37 U·g-1·min-1；中度鹽漬化土壤BC1處理CAT活性最高，達70.52 U·g-1·min-1，較BC0高59.73%；重度鹽漬化土壤中玉米葉片CAT活性隨生物質炭輸入量增加顯著增高，BC8處理CAT活性最高，達54.22 U·g-1·min-1，較BC0高86.73%。

2.3.4 生物質炭輸入對玉米幼苗葉片過氧化物酶活性的影響 過氧化物酶(POD)是植物內源自由基消除劑，逆境中植物過氧化物酶活性增強或保持較高水平，可使植物減輕由自由基造成的傷害。圖8可以表明，空白對照中玉米幼苗葉片POD酶活性隨土壤鹽脅迫程度增加而降低，重度鹽漬化土壤BC0處理POD活性較輕度BC0處理降低37.37%，差異顯著(P<0.05)。說明鹽分脅迫致使玉米幼苗葉片內自由基降低，生長受到抑制。

圖8生物質炭輸入鹽漬化土壤對玉米幼苗葉片POD活性的影響

Fig.8 Effects of biochar additions on saliferous soil to corn POD activity

生物質炭輸入不同水平的鹽漬化土壤，玉米葉片POD活性均呈現先增高后降低的趨勢。輕度鹽漬化土壤輸入生物質炭各處理均低于BC0處理，差異顯著(P<0.05)；中度鹽漬化土壤中BC4處理最高，為391.1 U·g-1·min-1；重度鹽漬化土壤輸入生物質炭各處理均高于BC0處理，差異顯著(P<0.05)，BC2處理最高，達479.4 U·g-1·min-1。

3 討 論

本試驗三種程度鹽漬化土壤輸入生物質炭后，生物質炭輸入量小于8%有效降低了土壤總鹽含量，但對土壤pH沒有顯著影響。8%生物質炭輸入量均顯著提高了土壤pH和總鹽含量。推測一定量生物質炭輸入增加了土壤總孔隙度和大孔隙，增強鹽漬化土壤中鹽分離子的淋洗作用，改善了土壤物理性質，進而降低了土壤總鹽；而大量生物質炭輸入導致生物質炭自身所含有的鹽基離子在水土交融作用下釋放，提高了土壤總鹽含量。

鹽漬化危害對農業生產造成的危害主要是影響種子萌發、作物吸收水分、作物對養分的利用及離子毒害，并導致土壤結構不良，物理性狀差，供肥力弱[17]。劉世杰等[18]研究表明生物炭能夠促進玉米苗期生長，株高和莖粗分別比對照增加4.31～13.13 cm和0.04～0.18 cm。Chidumayo[19]研究表明施用生物炭可提高紫荊樹發芽率30%，生物量提高13%；Masahide等[20]發現生物炭與肥料混合施用能增加玉米和花生的產量。張瑞等[21]在生物質炭對灘涂鹽堿影響研究表明生物竹炭顯著提高土壤有效磷和速效鉀含量，促進小白菜生長；本試驗中鹽分脅迫對玉米種子萌發、株高、莖粗、干物質累積量等生長均有抑制作用。生物質炭輸入提高了玉米種子發芽率、發芽勢和發芽指數，并促進了玉米莖粗、株高生長，以及地上、地下干物質累積量增加，重度鹽漬化土壤處理地上、地下干物質量在8%生物質輸入量條件下提高了648%、241%。以上結果與前人研究結果相符。推測促進效應源于生物炭能增強作物對氮、磷、鉀的吸收，減少銨和鈣等養分離子的淋失；也可能與生物炭增加土壤有效養分，提高土壤陽離子交換量，減少交換性有害離子含量，促進作物生長有關。如張雯等[22]采用盆栽種植試驗方法,研究生物質炭不同施入量對鹽土中基礎養分含量、pH值、陽離子交換量、水溶性鹽等變化，結果表明生物炭施入顯著提高鹽土中有機碳含量，陽離子交換量大幅增加，改良效果較好；岳燕[23]研究表明向鹽漬化表層土壤加入生物質炭，顯著促進鹽分淋洗，加快鹽漬化土壤脫鹽進程；唐光木[24]研究顯示棉桿炭能夠提高灰漠土電導率、CEC、有機碳和全氮含量，并隨增加量的增加而增加。但也有研究表明施入生物炭會造成作物減產。如Kishinmoto等[25]研究顯示生物質炭施入量過大對大豆、玉米等對pH敏感的作物減產明顯；Glaser B[26]發現生物炭施用量在0.5 t·hm-2，作物產量降低。生物質炭對作物學效應正負不一與土質類型、栽培技術措施、氣候環境、生物質炭制備原料、施用量等復雜因素有關。

鹽脅迫使植物產生活性氧，啟動膜脂過氧化作用，破壞細胞膜細胞，對植物造成傷害。POD、CAT、SOD是植物體內的保護酶系統，它們相互協調，共同作用清除膜脂過氧化作用產生的MDA，從而保護膜系統不受破壞[27-31]。本研究玉米幼苗在鹽脅迫下，隨脅迫程度的增加，MDA含量相應增加，高鹽漬化程度MDA含量增至最高。說明鹽脅迫條件下，玉米幼苗的膜脂過氧化作用明顯增大，作物細胞受損傷程度明顯加大細胞膜內外的物質無法達到動態平衡。輸入生物質炭后MDA含量均逐漸降低，且降低幅度與生物質炭輸入量呈正比。說明生物質炭能有效緩解鹽脅迫對幼苗細胞損傷程度。在植物體生長過程中，為抵制膜脂過氧化對細胞膜造成傷害，在體內會形成一套抵御體系。CAT、POD、SOD等組成的細胞酶防御系統，起著消除細胞內活性氧和維持活性氧的動態平衡等重要作用。本試驗玉米葉片CAT、POD、SOD等抗氧化酶活性與鹽脅迫水平呈負相關。輸入生物質炭后玉米幼苗葉片CAT、SOD酶活性均高于不添加處理，但在不同鹽漬化水平的處理中，玉米CAT、SOD酶活性增加幅度與生物質炭輸入量之間無規律；輸入生物質炭增強重度鹽脅迫條件下幼苗葉片POD酶活性，但輕度鹽脅迫條件下輸入生物質炭會引起POD酶活性降低，輕度鹽脅迫條件下輸入生物質炭POD酶活性僅BC4處理高于對照，這可能與輕、中度脅迫水平低于POD的自我調節閾值有關。

4 結 論

不同生物質炭輸入量對鹽漬化土壤pH和總鹽的影響有差異。1%、2%、4%生物質炭輸入輕、中度鹽漬化土壤，pH和總鹽降低；重度鹽漬化土壤pH、總鹽隨生物質炭輸入量增加呈增大趨勢。輸入8%生物質炭，輕、中、重度鹽漬化土壤pH和總鹽含量均達到最高；

鹽脅迫嚴重抑制玉米種子萌發、幼苗生長，以及干物質累積，且抑制效果隨鹽漬化程度增高而增大。輸入生物質炭可以顯著提高玉米種子發芽率、發芽勢、發芽指數，提高幅度與生物質炭輸入量呈正相關；輕度、中度、重度鹽漬化土壤分別輸入2%、2%、4%生物質炭量對玉米莖粗、株高的生長促進作用最強；輕度、中度、重度鹽漬化土壤分別輸入8%、2%、8%生物質炭量對玉米地上、地下干物質累積量的促進作用最大。通過以上生物學性狀，表明生物質炭對鹽脅迫下作物生長有促進作用。

隨脅迫程度的增加，玉米的MDA含量均增加，CAT、SOD、POD酶活性降低，膜脂過氧化對細胞膜造成傷害。生物質炭輸入影響了鹽脅迫下玉米幼苗葉片的生理指標：MDA含量降低，CAT、SOD酶活性增強，表明生物質炭輸入對鹽漬化土壤中生長的玉米體內保護酶系統的啟動有促進作用。

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