生物炭對鹽堿地藜麥根系生長及生理特性的影響

梁曉艷，衣葵花，李萌，付嬈，馬蘭，宋延靜，王向譽，郭洪恩

（山東省蠶業研究所，山東 煙臺 264002）

黃河三角洲是我國三大河口三角洲之一，土壤主要以濱海鹽土為主，具有巨大的土地開發利用潛力，而濱海鹽土中較高的含鹽量限制了大部分農作物的生長。因此，篩選和引進抗逆性強、耐鹽性突出的優良作物品種是黃河三角洲濱海鹽堿地開發利用的重要途徑。藜麥（Chenopodium quinoa Willd.）是一種典型的耐鹽堿作物，可以耐受高鹽脅迫（電導率 40 dS／m，或相當于約 400 mmol／L NaCl），在土壤 pH值 5.5～8.5條件下可以正常生長［1，2］。藜麥不僅抗逆性強，而且營養價值高，是唯一一種單體植物即可滿足人體基本營養需求的食物，在鹽堿地的開發利用中具有獨特優勢。然而，濱海鹽堿土除了含鹽量高外，土壤質地粘重、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及產量的形成，因此，采取適當的土壤改良措施改善鹽堿地的理化性質，提高耐鹽作物的產量，對鹽堿地的高效開發利用具有重要意義。

生物炭是生物有機質在缺氧或低氧條件下高溫裂解而生成的固體物質，具有多孔性、比表面積大、離子交換能力強等特點［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構，調節鹽基離子濃度和pH值，提高有機質含量，改善微生物的附著性，提高土壤中微生物的活性及多樣性，改善土壤的微環境，促進植物生長［5-10］。因此，生物炭作為土壤改良劑在改善土壤理化性質、促進植物生長等方面顯示出較大潛力。大多數研究表明，生物炭對土壤生產性能和產量的影響表現出明顯的正效應［11-13］，但也有一些研究表明生物炭的改土增產作用不顯著，甚至有負面效應［14-16］。不同的研究結果可能與生物炭類型、施用量、土壤類型、土壤肥力及作物類型等因素的差異有密切關系。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］。目前關于生物炭的研究及應用多集中于酸性土壤和中性土壤，并且取得良好效果［17-19］，而關于生物炭對濱海鹽堿土的改良效果及對鹽堿地藜麥生長的促進效應卻鮮見報道。因此，本研究以黃河三角洲濱海鹽堿土和藜麥為材料，開展不同施用量的生物炭處理試驗，通過根系形態、生理特性、植物生長及產量等指標的測定，闡明生物炭對濱海鹽堿土藜麥生長的促進效應及作用機理，旨在為生物炭在濱海鹽堿地藜麥生產中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自山東省東營市廣饒縣農高區鹽堿土地塊（0～30 cm土層），土壤類型為潮土，土壤基本理化性質見表1。本試驗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、電導率4.74 mS／cm、灰分 52.31%、比表面積 207.54 m2／g、有機碳含量 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，由青海省農林科學院提供。

表1 鹽堿土基本理化性質

1.2 試驗設計

試驗于2017年在山東省蠶業研究所進行。采用盆栽試驗，設4個處理。處理1為對照，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）。隨機區組排列，重復3次，每重復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2 mm篩，每盆裝土4.0 kg，按照設計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，待幼苗長到四葉一心時定苗，每盆留長勢均勻的植株3株。

1.3 樣品采集與分析測定

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，迅速帶回實驗室進行植株農藝性狀、植株生物量、根系形態指標及生理指標的測定。于成熟期進行單株產量及其構成因素的測定。

1.3.2 相關指標測定 根系形態指標測定：將根系用清水沖洗干凈后用EPSON V850 PROPHOTO掃描儀進行掃描。掃描時將根系放入特制的透明托盤內，加入1／2的水，用鑷子將根系分散開，避免根系分支的互相纏繞。掃描后保存圖像，采用WinRHIZO PRO 2017根系分析系統軟件（Regent Instruments Inc8，Canada）分析根系表面積、根系體積、總根長、根系平均直徑、根尖數等形態參數，最大根長用直尺測量。根系活力采用TTC法，根系POD活性采用愈創木酚比色法測定，SOD活性采用氮藍四唑法測定，CAT活性采用分光光度法測定，MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定。

植株農藝性狀及產量測定：株高用直尺測量，莖粗用游標卡尺測量，葉面積采用葉片打孔法測定。每處理選取植株主穗，測量穗部長度，從各處理收獲的種子中抽取1 000粒稱重測定千粒重；取單株藜麥所收獲種子總數，用電子天平稱重即為單株產量。

1.4 數據分析

試驗數據采用 Microsoft Excel進行處理，采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析，采用LSD檢驗法（P＜0.05）進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 生物炭對藜麥根系形態發育的影響

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發育存在顯著差異。苗期，C1、C2和C3處理均不同程度提高主根長度（最大根長）及總根長，其中C2效果最為顯著，主根長與總根長分別比對照提高15.5%和30.0%；C3和C1處理間主根長和總根長無顯著差異，但均顯著高于CK。這說明生物炭處理顯著促進藜麥根系的縱向伸長及側根的發生，但施炭量并不是越多越好。與根系長度結果相似，施用生物炭處理根表面積、根體積、根系平均直徑及根尖數均得到顯著提高，總體表現為C2＞C3＞C1＞CK。根系平均直徑的增加說明生物炭促進了根系的粗壯度；根表面積、根體積及根尖數的顯著增加說明生物炭為根系的生長提供了有利環境，擴大了根系的分布范圍，提高了養分的吸收能力。

進入孕穗期，隨著根系的進一步發育，不同處理間根系形態差異也逐漸變大，整體表現為C2＞C3＞C1＞CK，與苗期趨勢基本一致。從灌漿期到成熟期，C2和C3處理根系形態發育顯著優于C1和CK，C2處理效果最佳，說明5.0%生物炭添加量在生育后期對根系生長的促進效果大于2.5%生物炭處理。

表2 生物炭對藜麥根系形態發育的影響

2.2 生物炭對藜麥根系生理特性的影響

2.2.1 生物炭對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不同生物炭處理之間根系活力的動態變化有差異。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到最高，不同生物炭處理藜麥根系活力大小表現為C2＞C1＞C3＞CK，且差異均達到顯著水平。進入灌漿期后，各處理藜麥根系活力均開始下降，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 生物炭對藜麥根系活力的影響

2.2.2 生物炭對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，施加生物炭處理對藜麥生育期內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，5.0%和7.5%生物炭處理對抗氧化酶活性的促進效果逐漸大于2.5%生物炭處理，5.0%生物炭處理效果最佳。

丙二醛（MDA）是膜脂過氧化作用的最終分解產物，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MDA含量處于較低水平，隨著生育期的推進，呈逐漸上升趨勢，到成熟期達最大值。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分吸收能力。

圖2 生物炭對藜麥根系SOD、POD、CAT活性和 MDA含量的影響

2.3 生物炭對藜麥植株生長發育及單株產量的影響

由表3可以看出，鹽堿土條件下，施加生物炭處理對藜麥植株生長發育、產量及產量構成因素均具有顯著影響。從苗期開始，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%。這說明生物炭有效促進了藜麥幼苗的粗壯度，增加葉片的光合面積。進入孕穗期，各生物炭處理的藜麥植株生長優勢更為突顯，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。進入籽粒灌漿期，穗部逐漸發育，施加生物炭處理的藜麥穗部發育顯著優于CK。成熟期，各處理間產量及產量構成因素均存在顯著差異，C1、C2和C3處理單株產量分別比對照提高30.6%、56.5%和53.2%。從千粒重結果分析，不同生物炭處理之間無顯著差異，但均顯著高于CK，說明生物炭的添加增加了藜麥籽粒的飽滿度。由此可見，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育狀況，促進生育后期穗部的發育及籽粒的形成，對產量的形成具有顯著的促進作用。

表3 生物炭對藜麥植株農藝性狀、產量及產量構成因素的影響

3 討論與結論

根系是直接與土壤接觸的營養器官，土壤的理化性質等因素可直接影響根系的生長、分布及功能，進而影響植株的生長發育，并最終影響作物產量［20］。土壤物理性狀是限制植物根系生長的重要環境因素，主要包括機械阻抗（土壤太硬以至于根不能迅速貫入）、水分脅迫（提供給根系生長的水分過少）、缺氧（提供給根呼吸的氧氣太少）［20，21］。濱海鹽堿土總體表現為含鹽量高、土壤結構性差、有效養分低等特點［22］，這一系列問題是限制藜麥根系生長及產量提高的重要障礙因子。本研究結果表明，添加生物炭可顯著促進藜麥根系的形態發育，增加根系長度、根表面積、根體積及根尖數。生物炭對藜麥根系的顯著促進作用與土壤理化性質的改良密切相關，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質等養分，能有效改善鹽堿土有機質含量低的問題；另外，生物炭在水土交融作用下可能會釋放或吸收調控植物生長的化學信號等，對根系分泌物產生影響，從而刺激和干擾根系生理進程，影響根系生長［21，25］。本研究結果表明，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%生物炭對苗期根系活力和抗氧化酶活性的促進效果相對減弱，但生育后期促進作用又有所增加。其原因可能是生物炭的過量施入導致土壤鹽基離子濃度過高，土壤電導率增加，導致幼苗生長出現生理損傷，表現出暫時的毒性效應，而隨著生長時間的延長，毒性效應得到有效緩解，但隨著幼苗的生長毒性效應是否會緩解也因植物不同而可能存在一定差異［26，27］。

良好的根系形態及生理活性可提高植物對養分和水分的吸收能力，進一步提高地上部光合產物的形成及干物質的積累，從而保證作物產量的形成［28］。大部分研究表明，生物炭對植物生長及產量形成具有良好的促進效應：張偉明等［12］對中性沙壤土研究表明，生物炭的添加可增強土壤生態系統功能，為根系提供良好的生長環境，優化根系形態，增強生理功能，為地上部營養物質供應、轉化與積累提供重要保障，并促使最終產量提高；張云舒等［29］研究表明，生物炭可有效改善灌耕風沙土的土壤環境，提高土壤有效養分含量，使玉米增產10.2% ～42.1%。Jeffery等［30］在土壤質地方面研究了生物炭與作物產量的相關性，發現生物炭對酸性土壤和貧瘠土壤改良和作物增產效果較好。目前，關于生物炭對鹽堿地的應用效果仍然存在一定的爭議，因為生物炭多呈堿性，成分中含有大量的堿性離子，盲目或過量的生物炭添加可能會加重鹽堿土的鹽堿化程度，不利于植物的生長。本研究結果表明，3個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、葉面積及單株產量，說明添加生物炭對藜麥地下部及地上部生長均起到良好的促進作用，但并不是添加量越多越好。C1、C2和C3三個不同添加量的生物炭處理藜麥單株產量分別比對照提高30.6%、56.5%和53.2%。從植株發育及產量構成因素可以看出，生物炭處理顯著促進藜麥植株的生長發育，增加葉片的光合面積，促進穗部發育，提高藜麥種子的飽滿度及單株產量，這說明生物炭對濱海鹽堿地藜麥的生長及產量的形成具有顯著的促進作用。