生物炭浸提液对小白菜种子萌发及幼苗荧光作用的影响

夏红霞, 喻大燕, 朱启红, 刘希东, 李强, 王书敏, 丁武泉

(重庆文理学院材料与化工学院, 环境材料与修复技术重庆市重点实验室, 重庆 402168)

生物炭是生物质在缺氧或限氧条件下经过高温裂解形成的稳定、富碳、固体产物，具备孔隙结构丰富、吸附能力强等特性[1]。将生物炭施用到土壤，不仅可以改善土壤物理性质，增加土壤养分含量，还可以增强土壤保水保肥能力，降低土壤污染物质活性[2]，进而促进植物生长[3]。生物炭以其对土壤理化性质的综合改变和高度稳定性[4-5]，在土壤低产地改良以及污染土壤修复中展示出巨大的优势和潜力[6]，现已成为环境和农业科学领域的研究热点之一[7]。

但也有学者对生物炭农用安全存在质疑。他们认为，生物质原料在热解过程中产生的有机酸、焦油、多环芳烃等有机液体若不能完全分解，将会在生物炭固体中残留，从而致生物炭含有一定量的焦油、多环芳烃、有机酸等潜在有机毒物[8]；此外，制备生物炭所用的秸秆、沼渣、畜禽粪便等生物质中均含有一定量的重金属，这些重金属在生物炭制备过程中不断浓缩，并最终残留在生物炭中[9]。这些有毒物质会随着生物炭农用而进入土壤环境，对土壤生态环境产生潜在威胁[10]，或被植物吸收而进入农产品，危及人类健康。此外，生物炭农用是一不可逆过程，一旦施用将不可逆转，这就决定了在大规模利用生物炭改良低产地、修复污染土壤前,必需明确生物炭农用对土壤生态环境和农作物生长方面的影响，以有效评估生物炭农用的安全性，从而科学、合理利用生物炭。因此，生物炭农用安全性研究迫在眉睫。为此，本研究拟以酒糟生物炭、梨木生物炭为供试生物炭，研究不同生物炭浸提液对小白菜种子萌发及幼苗生长的影响，进而揭示生物炭可能存在的潜在毒性，为科学、合理利用生物炭提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试小白菜种子为品种‘金沙赤叶03’。

供试生物炭选用酒糟生物炭和梨木生物炭。分别将酒糟和梨木粉碎过100目筛，然后在500 ℃条件下采用限氧热解法[11]制成生物炭。制备的酒糟生物炭、梨木生物炭基本化学元素组成见表1。

表1 供试生物炭基本化学元素组成Table 1 Elements composition of experimented biochars

1.2 试验设计

1.2.1生物炭浸提液的制备 分别将酒糟生物炭(A)、梨木生物炭(B)与去离子水按质量比1∶3的比例置于锥形瓶，在25 ℃、180 r·min-1条件下恒温振荡2 h，抽滤制成生物炭浸提液。将生物炭浸提液分别稀释0、10倍和50倍，共A1、A2、A3、B1、B2、B3六个处理。

1.2.2种子萌发及幼苗生长 选取30颗籽粒饱满、大小均一的小白菜种子，播种于装有30 g石英砂的培养皿中。向培养皿中加入10 mL不同浓度的生物炭浸提液，置于恒温光照培养箱中进行培养。培养条件设置为25 ℃、光照强度3 000 lx、光照时间12 h·d-1。培养期间定期补充5 mL生物炭浸提液，自第3 d起观察记录种子发芽情况，第14 d后开始测定植株株高、根面积、根长、根系活力等指标。以添加蒸馏水为对照，每个处理重复3次。

1.3 样品分析与指标测定

采用WinRHIZO根系分析系统(加拿大Regent)测定幼苗根面积，用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定幼苗根系活力[12]，用MINI-PAM便携式调制叶绿素荧光仪(德国WALZ)测定幼苗叶片叶绿素荧光参数，用丙酮提取法测量叶片叶绿素含量，用硫代巴比妥酸法测定叶片丙二醛含量[13]。

于上午9:00—10:00用叶绿素荧光测定仪原位测定植株叶片叶绿素荧光参数。

种子萌发率通过以下公式计算。

萌发率=萌发种子数/种子总数×100%

1.4 数据分析

试验数据采用SPSS 22.0软件进行统计分析，并利用LSD法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭浸提液对小白菜种子萌发的影响

不同处理的小白菜种子萌发结果(图1)显示，生物炭浸提原液处理小白菜种子的萌发率均低于CK处理，这与王晋等[14]研究结果一致。但是，经稀释后生物炭浸提液却促进小白菜种子的萌发。尤其是稀释50倍后梨木炭浸提液处理种子发芽率较CK显著增长16.67%，说明稀释后的生物炭浸提液促进小白菜种子的萌发。试验结果还显示，不同生物炭浸提液处理间也存在较大差异。酒糟生物炭浸提液处理种子萌发率均低于梨木生物炭浸提液处理，尤其是酒糟生物炭浸提液原液处理比梨木生物炭浸提液原液处理低13.04%，差异显著(P<0.05)。

注：不同字母表示不同处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note：Different letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level.图1 生物炭浸提液对种子萌发的影响Fig.1 Effect of biochar extract on seed germination rate

2.2 生物炭浸提液对幼苗生长的影响

不同处理的幼苗株高结果(图2)可见，施用生物炭浸提液处理幼苗株高均高于CK处理，且与CK差异显著(P<0.05)；尤其是梨木炭浸提液各处理幼苗株高均超过CK 30%以上，差异极显著(P<0.01)。由此表明，施用生物炭浸提液可提高小白菜幼苗株高，这与朱优矫等[15]的研究结果一致。

注：不同字母表示不同处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note：Different letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level.图2 生物炭浸提液对幼苗株高和根系活力的影响Fig.2 Effects of biochar extract on plant height and root activity of seedling growth

研究还发现，酒糟生物炭浸提液虽然也提高了小白菜幼苗株高，但其促进作用明显低于梨木生物炭浸提液处理。这说明梨木炭对株高的促进效果更为显著，这可能由于两种生物炭浸提液中的N、K、P、微量元素以及部分利于小白菜幼苗生长的有机物质含量差异导致，对这方面的影响机制有待后续深入研究。

从不同处理的幼苗根系活力结果(图2)可见，酒糟炭和梨木炭浸提液处理幼苗根系活力均高于CK，且差异显著(P<0.05)。尤其是稀释10倍梨木浸提液处理根系活力达1.6 μg·g-1·h-1，较CK增长100%，差异极显著(P<0.01)。由此说明，生物炭浸提液可提高小白菜幼苗根系活力，这与蒋健等[16]的研究结果一致。

试验结果还显示，酒糟生物炭浸提液处理幼苗根系活力的作用均显著低于梨木生物炭浸提液处理植株；尤其是浸提液原液处理以及稀释50倍处理植株幼苗根系活力分别比梨木生物炭浸提液处理低20.0%和26.7%，差异极显著(P<0.01)。

2.3 生物炭浸提液对幼苗丙二醛含量的影响

丙二醛(melondialdehyde,MDA)是植株细胞膜脂过氧化过程的重要产物之一，不但可以反映植物细胞膜脱脂化程度和超氧自由基生成量，还可以反映超氧自由基对组织损伤的严重程度[17]。不同处理的幼苗MDA含量结果如图3所示，可知，施用生物炭浸提液处理幼苗MDA含量均低于CK。其中梨木炭浸提液处理较CK下降34.1%，酒糟炭浸提液处理MDA含量较CK降低15.1%，均差异显著(P<0.05)。由此表明，生物炭浸提液可抑制小白菜幼苗叶片MDA含量，这与王艳芳等[17]的研究结果一致。

注：不同字母表示不同处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note：Different letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level.图3 生物炭浸提液对幼苗丙二醛含量的影响Fig.3 Effect of biochar extract on MDA content of seedling

试验结果还显示，施用酒糟生物炭浸提液处理幼苗MDA含量均显著高于施用梨木生物炭浸提液处理。这可能因为酒糟生物炭浸提液中营养元素含量低于梨木生物炭浸提液，也可能是酒糟生物炭浸提液中有毒物质含量高于梨木生物炭浸提液的原因。

2.4 生物炭浸提液对幼苗叶绿素等相关参数的影响

不同处理的幼苗叶绿素含量结果如图4A，可知，施用生物炭浸提液各处理下幼苗叶片叶绿素含量均高于CK，其中梨木炭浸提液原液处理幼苗叶绿素含量较CK增长25%，差异显著(P<0.05)。由此表明，施用生物炭浸提液可提高小白菜幼苗叶绿素含量，这与王晓维等[18]的研究结果一致。

光化学效率(Fv/Fm)可反映植株叶片PSⅡ反应中心光能的转化效率[19]。正常生理状态下，Fv/Fm值极少发生变化，常维持在0.83左右；但当植物受到光抑制和逆境胁迫时，其值明显下降[18]。Fv/Fm值下降越多，说明PSⅡ损伤越大[20]。因此，Fv/Fm是植物逆境生理研究的重要指示性参数[21]。不同处理的幼苗PSⅡFv/Fm结果见图4B，可知，CK组Fv/Fm为0.78，数值偏小，这可能是因为本试验采用石英砂培植而非土壤培植，对幼苗生长所需的养分供给相对缺乏，导致植株生长受到限制。施用生物炭浸提液处理幼苗叶片的Fv/Fm均大于CK，但差异不显著(P>0.05)，这与黄韡等[22]的研究结果一致。

实际光化学效率(ΦPSⅡ)可反映光下光合机构所吸收的光能用于光化学反应的比例[23]，较高的ΦPSⅡ值表示植株拥有较高的光能转化效率，可促进碳同化的高效运转和有机物积累[24]。生物炭浸提液对供试植株叶片ΦPSⅡ的影响结果见图4C，可知，施用生物炭浸提液处理小白菜幼苗ΦPSⅡ均高于CK，这与王艳芳等[17]的研究结果相似。试验结果还显示，不同生物炭浸提液对小白菜叶片ΦPSⅡ影响差异较大。如酒糟炭浸提液各处理均高于CK，但差异不显著(P>0.05)。而施用梨木炭浸提液原液处理植株叶片ΦPSⅡ值达0.74，较CK增长32.14%，差异极显著(P<0.01)；各稀释液处理ΦPSⅡ值与CK相比也差异显著(P<0.05)。由此表明，梨木生物炭浸提液能更好地提高小白菜幼苗叶片的ΦPSⅡ值。

叶片表观光电子传递速率(ETR)即表观光合电子传递速率，可以定量反映从PSⅡ到PSⅠ的电子传递[25]，这种能力与植株的生理状况和环境因素密切相关[26]。生物炭浸提液对幼苗ETR的影响结果如图4D所示，可知，施用生物炭浸提液处理植株叶片ETR值均高于CK组，且随生物炭浸提液浓度增大而增加。其中梨木炭原液处理下的ETR值最大，达26.2，较CK增长59.8%，差异极显著(P<0.01)。酒糟炭各处理ETR较CK平均增长36.0%，差异显著(P<0.05)，但低于梨木生物炭浸提液处理。由此可见，施用生物炭浸提液可提高供试小白菜幼苗叶片表观光电子传递速率，且梨木炭对小白菜幼苗ETR值的促进效果更明显。

注：A.叶绿素含量；B. Fv/Fm；C. ΦPSⅡ；D. ETR。不同字母表示不同处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: A.Chlorophyll content; B. Fv/Fm; C. ΦPSⅡ; D. ETR. Different letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level.图4 生物炭浸提液对幼苗叶绿素荧光参数的影响Fig.4 Effect of biochar extracts on fluorescence parameters of seedlings

3 讨论

本试验结果显示，生物炭浸提液原液抑制了小白菜种子的萌发。这可能是因为生物物质在厌氧环境裂解过程中产生的生物油具有一定的生物毒性[27]，从而抑制了种子的萌发；但这些毒性物质具有一定的水溶性[27]，经稀释后其毒性降低，并且溶液中正效应因子(如丁烯酸内酯)的作用掩盖了负效应因子[14]，从而促进小白菜种子的萌发[28]。不同生物炭浸提液对小白菜种子萌发的影响差异较大，这可能是因为不同原料制备的生物炭中含有的毒性物质种类、含量、性质以及正效应因子等均存在较大差异所致。

生物炭浸提液提高了幼苗根系活力，增加了幼苗叶片叶绿素含量，增强叶片叶绿素荧光参数，这可能是因为生物炭浸提液中含有大量的N、K、P、S、Ca、Mg、Fe 等营养元素[29-32]，这些营养元素为幼苗根系组织发育和形态建成提供重要的物质基础，从而使作物根系能保持较高的活力和较强的生理功能，进而促进幼苗生长，提高叶片叶绿素荧光参数。王艳芳等[17]研究发现，施用生物炭后平邑甜茶幼苗的ETR值较对照有显著提高，认为可能是施用生物炭提高了平邑甜茶幼苗叶片叶绿素含量，植株叶片光系统Ⅱ的光学活性随之增强，使植株叶片PSⅡ的实际电子传递效率得到提高，增强了电子传递链的稳定性，并使叶片用于光合电子传递的能量占所吸收光能的比例增加[33-34]，从而提高植物的光能转化效率，增大ETR值、ΦPSⅡ值和Fv/Fm值。研究还发现，施用生物炭可提升植株叶片对胞间 CO2的同化能力[35-37]，从而有效改善供试植株叶片的光合性能，进而促进植株生长。此外，生物炭浸提液中的微量元素以及部分有机物质具有较强的微生物亲和性[38]，可提高部分微生物和酶的活性，改善植株根际生长环境[39]，促进幼苗根系生长[30]，提高幼苗的叶绿素含量。

生物炭浸提液抑制小白菜幼苗叶片MDA含量，主要是因为施用生物炭浸提液提高幼苗叶片的抗氧化酶活性[17]，增强幼苗清除活性氧的能力，在细胞水平上减轻对植物造成的氧化损伤。此外，施用生物炭可大幅增加土壤中氮、磷、钾等营养元素含量[19]，促进小白菜生长，从而提高小白菜的抗逆能力。