鼠李糖脂改性生物炭對鹽漬土小白菜抗性及氮素吸收的影響

王敏鴿,劉藝文,張丹丹,許均澤,茍 聰,古一鳴,王旭東,2

(1.西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100；2.農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

鹽漬土在我國分布廣泛，西北、華北、東北及沿海是我國鹽漬土的主要集中分布地區[1]，受鹽分的影響，鹽漬土嚴重影響作物對水分和養分離子的吸收，制約著作物出苗率和發育生長，導致作物產量和品質下降[2]。鹽漬土的改良有水利工程[3-4]、物理[5]、化學[6-7]、生物[8]等多種措施，在工程、物理措施下，通過一些化學改良劑或新型材料施用來降低鹽害是一種行之有效的方法，能起到事半功倍的效果。

鼠李糖脂是一種陰離子表面活性劑，不僅具有乳化、增溶、降低表/界面張力等功能，而且毒性小、易于生物降解，因而在眾多領域具有極大的應用潛力[9]。在農業應用中，鼠李糖脂作為一種良好的堿性土壤改性添加劑，其堿溶性較好，在堿性條件下，可電離出 Rh+與 H+離子，中和堿性土壤中的 OH-，改善土壤的堿性，且具有改良土壤結構、避免土壤板結的作用。生物炭是生物有機質在缺氧或低氧條件下高溫裂解產生的固體產物，含碳量高、具有多孔性、比表面積大、吸附能力強等特點，能改善土壤理化性質，降低土壤容重，從而達到保水保肥的效果，利用生物炭改良鹽漬土已經有一些研究[2,10-11]，但由于生物炭本身偏堿性及其不同來源生物炭的性質差異，效果穩定性不一。采用鼠李糖脂改性的生物炭探究鹽漬土性狀變化及其對植物生長的影響是一種新的思路。本研究通過盆栽試驗，研究不同配比的鼠李糖脂與生物炭制成的改性生物炭對鹽漬土的改良效果，以小白菜的抗鹽性及生長狀況為指標，尋找鼠李糖脂與生物炭用于改良鹽漬土的最佳配比，以期為鹽漬土的改良提供一定的理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤于2020年7月采自于甘肅省高臺縣巷道鎮紅聯村0～20 cm耕層土樣，土壤為灌淤土。供試生物炭由陜西谷佳現代有機農業科技有限公司提供，是由蘋果樹枝條在厭氧條件下高溫(650℃)裂解制備，供試土壤與生物炭的理化性質見表1。鼠李糖脂是由西安瑞捷生物科技有限公司提供，濃度為250 g·L-1。

表1 供試土壤與生物炭的基本理化性質

1.2 試驗方法

1.2.1 改性生物炭配制 鼠李糖脂改性生物炭的制備：稱取200 g生物炭(過2 mm篩)，與濃度為250 g·L-1的鼠李糖脂按4種比例混合并充分攪勻，在室溫下平衡24 h，然后晾干即得到鼠李糖脂改性生物炭。具體配制比例見表2。

1.2.2 盆栽試驗 盆栽試驗設置兩種改性生物炭的施用量，分別為30 g(2%土壤質量比)和15 g(1%土壤質量比)，各改性生物炭施用量下分別設4個鼠李糖脂的配比濃度，即15%、10%、5%和0%(表2)，另加空白對照處理(不添加改性生物碳)，共計9個處理。每盆裝土1.5 kg，4個重復。盆栽土壤澆水量為田間持水量的75%，化肥作基肥一次性施入，以CO(NH2)2、KCl和NH4H2PO4為肥源，施用量按N、P2O5計均為0.2 g·kg-1、K2O施用量為0.1 g·kg-1。于2020年9月20號將消毒、提前浸泡8 h的籽粒飽滿、大小均勻的小白菜種子點種到盆中，每盆60個種子，出苗后定苗為12株。

表2 改性生物炭的配制比例

1.2.3 樣品采集與處理 盆栽小白菜在露天網室生長45 d后進行采收，分別采集土壤樣品、小白菜地上部樣品和地下部根系樣品。土壤樣品保留一定鮮樣，其余樣品進行風干；小白菜樣品留一部分鮮樣，剩余部分進行烘干(先105℃殺青30 min，而后在70℃烘干24 h)、保藏，備用于相關指標的分析測定。

1.2.4 指標測定 土壤pH值采用水土比2.5∶1浸提液，用pH計(梅特勒FiveEasy PlusTMFE28)測定；土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法[12]；土壤硝、銨態氮含量采用1 mol·L-1KCl浸提(水土比為10∶1)，AA3型連續流動分析儀測定[12]。

植株全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定；谷氨酰胺合成酶 (GS)活性參照中國科學院上海植物生理研究所[13]的方法；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定[14]；過氧化物酶(POD)活性的測定采用愈創木酚法[15]。

小白菜氮素吸收量(mg·株-1)=植株全氮含量×植株干物質量[16]。

1.3 數據處理

采用Excel 2019和SPSS 25.0軟件對數據進行統計分析。采用單因素(One-way ANOVA)和Duncan法進行方差分析和多重比較(P=0.05)。

2 結果與分析

2.1 施用鼠李糖脂改性生物炭對土壤性質的影響

不施加生物炭的處理的土壤pH值為7.66(見表3)，屬于弱堿性水平，施加鼠李糖脂改性生物炭對土壤pH值沒有顯著影響。隨著改性生物炭中鼠李糖脂配施比例的提高，土壤pH值略有上升的趨勢，但和對照土壤間未出現顯著差異。施加鼠李糖脂改性生物炭的處理顯著提高了土壤有機碳含量，且隨著改性生物炭用量的增加而增加；在施加生物炭2%的水平下，隨著鼠李糖脂比例的增加，土壤有機碳含量呈現增加的趨勢。

表3 不同處理下土壤的性質和養分變化

2.2 鼠李糖脂改性生物炭施用下小白菜的生長

不同處理小白菜生物量變化顯示(圖1)，與對照相比，施加生物炭顯著提高了小白菜生物量，且隨著生物炭施加量的增加而增加。在施加30 g和15 g生物炭的條件下，在鼠李糖脂添加比例為10%的情況下小白菜的生物量均達最大值，平均比單獨施加生物炭的處理增加了47.13%。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。Note:Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05). The same below.

2.3 鼠李糖脂改性生物炭施用下小白菜的氮吸收

與對照相比，施加生物炭的處理均顯著提高了小白菜的吸氮量(圖2A)，在施加生物炭的條件下，隨著鼠李糖脂添加比例的增加，植物吸氮量都呈現先增加后減少的趨勢。以添加比例為10%鼠李糖脂處理小白菜的吸氮量最高，平均比單獨施加生物炭的處理增加了43.64%。

施加生物炭提高了葉片谷氨酰胺合成酶(GS)活性(圖2B)，與對照相比，差異達顯著性水平。在施加生物炭的條件下，施用鼠李糖脂改性生物炭進一步提高了葉片谷氨酰胺合成酶活性，其中以改性比例為10%鼠李糖脂處理小白菜的谷氨酰胺合成酶活性最高。

圖2 不同處理下小白菜的吸氮量和谷氨酰胺合成酶活性Fig.2 Nitrogen uptake and glutamine synthetase activity of Chinese cabbage under different treatments

2.4 鼠李糖脂改性生物炭施用下小白菜生理學指標變化

過氧化物酶(POD)活性變化顯示(圖3A)，不施加生物炭的處理過氧化物酶(POD)活性最低，施加生物炭顯著提高了過氧化物酶(POD)活性。隨改性生物炭中鼠李糖脂改性比例增加，過氧化物酶(POD)活性呈現先增加后減少的趨勢，其中以添加比例為10%鼠李糖脂處理過氧化物酶(POD)活性最高。

小白菜可溶性蛋白含量變化顯示(圖3B)，各處理小白菜可溶性蛋白含量值有差異，在施用鼠李糖脂改性生物炭的不同施用量下，施用鼠李糖脂改性生物炭15%、10%、5%、0%的2%水平(即30 g)比1%施用水平(即15 g)的可溶性蛋白含量分別減少了24.58%、11.69%、7.37%、52.20%，且處理15%和0%間達到差異顯著水平(P<0.05)。在施用30 g改性生物炭條件下，小白菜可溶性蛋白含量隨著鼠李糖脂比例的增加呈現先增加后減少的變化趨勢，施用鼠李糖脂改性生物炭10%、5%的處理與對照相比可溶性蛋白含量分別增加了0.91%、32.33%，且處理5%與對照處理間達到差異顯著水平(P<0.05)，施用鼠李糖脂改性生物炭15%、0%的處理與對照相比可溶性蛋白含量分別減少了10.17%、38.54%，且處理0%與對照處理間達到差異顯著水平(P<0.05)，不同鼠李糖脂添加比例下可溶性蛋白含量從大到小次序為5%>10%>15%>0%，處理5%可溶性蛋白含量為16.3033 mg·g-1。在施用15g改性生物炭條件下，施用鼠李糖脂改性生物炭15%、10%、5%、0%的處理與對照相比可溶性蛋白含量分別增加了19.12%、14.27%、42.86%、28.59%，且處理5%、0%與對照分別達到差異顯著水平(P<0.05)，其可溶性蛋白含量由大到小排序為5%>0%>15%>10%，處理5%可溶性蛋白含量為17.6008 mg·g-1。

圖3 不同處理下小白菜的生理學指標變化Fig.3 Changes of physiological indexes of Chinese cabbage under different treatments

不施加生物炭的處理丙二醛(MDA)含量最高(圖3C)，施加生物炭的處理均顯著降低了丙二醛(MDA)含量。鼠李糖脂改性生物炭施用，進一步降低了MDA含量，其中以改性比例為10%鼠李糖脂處理丙二醛(MDA)含量最低。

3 討 論

3.1 鼠李糖脂改性生物炭的施用對土壤有機碳和氮素的影響

3.2 鼠李糖脂改性生物炭的施用對小白菜生長、氮吸收和抗鹽性的影響

土壤環境存在鹽分、水分等脅迫常常導致植物體內活性氧積累[29]，造成細胞膜氧化損傷, 膜質過氧化產生丙二醛(MDA)。因此， MDA含量是細胞膜結構損傷的重要指標[30-31]，而過氧化物酶(POD)是植物抗氧化保護酶之一, 維持體內活性氧產生和清除的動態平衡，反映出作物的自動保護和適應機制[32]。本研究發現，施用鼠李糖脂改性生物炭可以提高小白菜的POD含量，在適宜的改性比例下(10%)，進一步提高了POD含量，反映出了小白菜抗性的增強。另外，施用鼠李糖脂改性生物炭情況下小白菜的丙二醛(MDA)含量下降，說明植物受鹽分脅迫引起的細胞傷害減小，而且在10%的改性比例下丙二醛(MDA)含量最低，也進一步說明了鼠李糖脂改性生物炭的施用對提高植物抗性的增效作用。鼠李糖脂增效作用與濃度有關，在一定濃度時效果較大，但濃度過高，增效作用減弱，其作用機制還需要深入研究。

谷氨酰胺合成酶(GS)是植物體內硝態氮同化的調節酶和限速酶，增強谷氨酰胺合成酶的活性對作物吸收利用氮素有著非常重要的促進作用[33]。谷氨酰胺合成酶(GS)可以催化銨離子與谷氨酸合成谷氨酸，進一步合成蛋白質，從而促進氮素的吸收、轉運和合成[29,34]。而本試驗發現，施用鼠李糖脂改性生物炭，葉片谷氨酰胺合成酶有所提高，且在鼠李糖脂改性比例為10%情況下谷氨酰胺合成酶活性最高，反映出鼠李糖脂在一定施用濃度下可以提高小白菜在鹽漬土中對氮素吸收的促進效應，這與前述施用鼠李糖脂在一定濃度下可提高小白菜過氧化物酶(POD)活性、降低丙二醛(MDA)含量相呼應。

滲透調節作用是植物抵御逆境的重要生理機制，生物體在其正常的代謝過程中可通過有機滲透調節物質(可溶性蛋白) 的積累、合成來調節細胞滲透平衡，從而緩解逆境脅迫對植物造成的傷害[35-36]。肖強等[37]研究表明，互花米草葉片中可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量隨鹽度增加總體呈上升趨勢，在鹽脅迫下，滲透調節物質的積累是互花米草對鹽脅迫的主要響應過程。方志紅等[38]研究表明，隨鹽脅迫濃度的增加，堿蒿可溶性糖和可溶性蛋白含量呈先升高后低的趨勢，這可能是堿蒿對高鹽脅迫的一種生理反應或適應機制。本研究表明鼠李糖脂改性生物炭的施入有利于提高小白菜的可溶性蛋白含量。本試驗中是施用鼠李糖脂改性生物炭的施入增加了小白菜可溶性蛋白含量，這與鼠李糖脂可以緩解植物鹽脅迫有關。

4 結 論

施用生物炭提高了土壤有機碳含量，同時也增加了土壤銨態氮和硝態氮的含量；鼠李糖脂改性生物炭的施用，進一步提高了土壤銨態氮和硝態氮的含量。其中，施加鼠李糖脂改性生物炭的處理與對照相比有機碳含量增加了55.05%～142.67%，施加鼠李糖脂改性生物炭比例為10%的處理平均與對照相比銨態氮含量顯著提高了156.69%，施加鼠李糖脂改性生物炭比例為15%和10%的處理與對照相比硝態氮含量平均分別顯著增加了39.94%和41.46%。

施用鼠李糖脂改性生物炭提高了小白菜的過氧化物酶活性，提高了小白菜可溶性蛋白含量，降低了小白菜的丙二醛含量，提高小白菜對鹽分脅迫的抗性；提高了谷氨酰胺合成酶活性，促進了小白菜對氮素的吸收。其中，施加鼠李糖脂改性生物炭比例為10%的處理葉片谷氨酰胺酶活性較對照平均顯著提高了113.64%，過氧化物酶活性顯著提高了30.87%，丙二醛含量顯著降低了80.60%。施加鼠李糖改性生物炭比例為10%和5%的處理平均分別與對照相比可溶性蛋白含量提高了7.59%和37.60%。

改性生物炭中鼠李糖脂適宜的改性比例為10%，改性后施用在鹽漬土中對小白菜的生長和氮素吸收促進作用最大。