生物炭对盐碱地藜麦根系生长及生理特性的影响

梁晓艳，衣葵花，李萌，付娆，马兰，宋延静，王向誉，郭洪恩

（山东省蚕业研究所，山东 烟台 264002）

黄河三角洲是我国三大河口三角洲之一，土壤主要以滨海盐土为主，具有巨大的土地开发利用潜力，而滨海盐土中较高的含盐量限制了大部分农作物的生长。因此，筛选和引进抗逆性强、耐盐性突出的优良作物品种是黄河三角洲滨海盐碱地开发利用的重要途径。藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）是一种典型的耐盐碱作物，可以耐受高盐胁迫（电导率 40 dS／m，或相当于约 400 mmol／L NaCl），在土壤 pH值 5.5～8.5条件下可以正常生长［1，2］。藜麦不仅抗逆性强，而且营养价值高，是唯一一种单体植物即可满足人体基本营养需求的食物，在盐碱地的开发利用中具有独特优势。然而，滨海盐碱土除了含盐量高外，土壤质地粘重、孔隙度低、透水性差等土壤物理性状影响了藜麦根系的生长及产量的形成，因此，采取适当的土壤改良措施改善盐碱地的理化性质，提高耐盐作物的产量，对盐碱地的高效开发利用具有重要意义。

生物炭是生物有机质在缺氧或低氧条件下高温裂解而生成的固体物质，具有多孔性、比表面积大、离子交换能力强等特点［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，减小土壤容重，显著改善土壤的物理结构，调节盐基离子浓度和pH值，提高有机质含量，改善微生物的附着性，提高土壤中微生物的活性及多样性，改善土壤的微环境，促进植物生长［5-10］。因此，生物炭作为土壤改良剂在改善土壤理化性质、促进植物生长等方面显示出较大潜力。大多数研究表明，生物炭对土壤生产性能和产量的影响表现出明显的正效应［11-13］，但也有一些研究表明生物炭的改土增产作用不显著，甚至有负面效应［14-16］。不同的研究结果可能与生物炭类型、施用量、土壤类型、土壤肥力及作物类型等因素的差异有密切关系。生物炭大多为碱性，能够在一定程度上提高土壤pH 值和盐基饱和度［12］。目前关于生物炭的研究及应用多集中于酸性土壤和中性土壤，并且取得良好效果［17-19］，而关于生物炭对滨海盐碱土的改良效果及对盐碱地藜麦生长的促进效应却鲜见报道。因此，本研究以黄河三角洲滨海盐碱土和藜麦为材料，开展不同施用量的生物炭处理试验，通过根系形态、生理特性、植物生长及产量等指标的测定，阐明生物炭对滨海盐碱土藜麦生长的促进效应及作用机理，旨在为生物炭在滨海盐碱地藜麦生产中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取自山东省东营市广饶县农高区盐碱土地块（0～30 cm土层），土壤类型为潮土，土壤基本理化性质见表1。本试验所选用的生物炭为水稻秸秆在400℃条件下不完全燃烧24 h制成，其密度为 0.28 g／cm3、pH 值 8.01、电导率4.74 mS／cm、灰分 52.31%、比表面积 207.54 m2／g、有机碳含量 423.9 g／kg、含氢 1.4 g／kg、氧 105.2 g／kg、全氮 10.1 g／kg、全磷 10.8 g／kg、全钾 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。供试材料为藜麦早熟品种青藜2号，由青海省农林科学院提供。

表1 盐碱土基本理化性质

1.2 试验设计

试验于2017年在山东省蚕业研究所进行。采用盆栽试验，设4个处理。处理1为对照，不添加生物炭（CK）；处理2为添加2.5%生物炭（C1）；处理3为添加5.0%生物炭（C2）；处理4为添加7.5%生物炭处理（C3）。随机区组排列，重复3次，每重复10盆。

采用上口径 27.5 cm、下口径 19.5 cm、高25.5 cm的塑料盆栽培。盆栽用土全部过2 mm筛，每盆装土4.0 kg，按照设计分别施入不同用量的生物炭。另外，分别施入N、P2O5、K2O各 0.2 g／kg，将生物炭、肥料与土壤充分混匀后浇透水沉积1周备用。于3月16日，选取大小一致、籽粒饱满的藜麦种子，浸种1 h后播种，每盆均匀播9粒种子，覆土1 cm。播种后等量浇水，待幼苗长到四叶一心时定苗，每盆留长势均匀的植株3株。

1.3 样品采集与分析测定

1.3.1 样品的采集 分别于苗期（4月16日）、孕穗期（5月16日）、灌浆期（6月12日）、成熟期（7月2日）进行植株样品采集，每处理取3盆。将每盆植株连根带土全部放入40目尼龙筛网袋，用水浸泡约30 min，然后用流水小心冲洗根系后，迅速带回实验室进行植株农艺性状、植株生物量、根系形态指标及生理指标的测定。于成熟期进行单株产量及其构成因素的测定。

1.3.2 相关指标测定 根系形态指标测定：将根系用清水冲洗干净后用EPSON V850 PROPHOTO扫描仪进行扫描。扫描时将根系放入特制的透明托盘内，加入1／2的水，用镊子将根系分散开，避免根系分支的互相缠绕。扫描后保存图像，采用WinRHIZO PRO 2017根系分析系统软件（Regent Instruments Inc8，Canada）分析根系表面积、根系体积、总根长、根系平均直径、根尖数等形态参数，最大根长用直尺测量。根系活力采用TTC法，根系POD活性采用愈创木酚比色法测定，SOD活性采用氮蓝四唑法测定，CAT活性采用分光光度法测定，MDA含量采用硫代巴比妥酸法测定。

植株农艺性状及产量测定：株高用直尺测量，茎粗用游标卡尺测量，叶面积采用叶片打孔法测定。每处理选取植株主穗，测量穗部长度，从各处理收获的种子中抽取1 000粒称重测定千粒重；取单株藜麦所收获种子总数，用电子天平称重即为单株产量。

1.4 数据分析

试验数据采用 Microsoft Excel进行处理，采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析，采用LSD检验法（P＜0.05）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 生物炭对藜麦根系形态发育的影响

由表2可以看出，盐碱土条件下，添加不同用量生物炭处理的藜麦不同生育期的根系形态发育存在显著差异。苗期，C1、C2和C3处理均不同程度提高主根长度（最大根长）及总根长，其中C2效果最为显著，主根长与总根长分别比对照提高15.5%和30.0%；C3和C1处理间主根长和总根长无显著差异，但均显著高于CK。这说明生物炭处理显著促进藜麦根系的纵向伸长及侧根的发生，但施炭量并不是越多越好。与根系长度结果相似，施用生物炭处理根表面积、根体积、根系平均直径及根尖数均得到显著提高，总体表现为C2＞C3＞C1＞CK。根系平均直径的增加说明生物炭促进了根系的粗壮度；根表面积、根体积及根尖数的显著增加说明生物炭为根系的生长提供了有利环境，扩大了根系的分布范围，提高了养分的吸收能力。

进入孕穗期，随着根系的进一步发育，不同处理间根系形态差异也逐渐变大，整体表现为C2＞C3＞C1＞CK，与苗期趋势基本一致。从灌浆期到成熟期，C2和C3处理根系形态发育显著优于C1和CK，C2处理效果最佳，说明5.0%生物炭添加量在生育后期对根系生长的促进效果大于2.5%生物炭处理。

表2 生物炭对藜麦根系形态发育的影响

2.2 生物炭对藜麦根系生理特性的影响

2.2.1 生物炭对藜麦根系活力的影响 图1显示，盐碱土条件下藜麦生育期内不同生物炭处理之间根系活力的动态变化有差异。苗期，C2处理根系活力最高，C1处理次之，二者均显著高于C3，CK根系活力最低。这说明适量生物炭可以提高盐碱条件下藜麦幼苗的根系活力，但并不是施炭量越多越好，5.0%施炭量根系活力最高。孕穗期各处理藜麦根系活力水平均达到最高，不同生物炭处理藜麦根系活力大小表现为C2＞C1＞C3＞CK，且差异均达到显著水平。进入灌浆期后，各处理藜麦根系活力均开始下降，其中不施生物炭处理藜麦根系活力下降51.2%，C1、C2及C3处理根系活力分别下降44.1%、43.7%和38.2%。这说明生物炭的添加延缓了藜麦生育后期根系活力的下降，且随着施炭量的增加，效果更为显著。成熟期，各处理根系活力均显著下降，但添加生物炭处理根系活力显著高于对照，C1、C2和C3处理分别比CK提高27.2%、48.7%和42.6%。

图1 生物炭对藜麦根系活力的影响

2.2.2 生物炭对藜麦根系抗氧化酶活性及MDA含量的影响 由图2可以看出，盐碱土条件下，施加生物炭处理对藜麦生育期内根系抗氧化酶活性及MDA含量影响显著。苗期，不同生物炭处理与CK相比均显著提高根系的SOD、POD及CAT活性，其中，C1和C2处理效果最为显著，C3处理次之。这说明添加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。孕穗期和灌浆期，不同处理间差异基本一致，但是随着生育期的推进，5.0%和7.5%生物炭处理对抗氧化酶活性的促进效果逐渐大于2.5%生物炭处理，5.0%生物炭处理效果最佳。

丙二醛（MDA）是膜脂过氧化作用的最终分解产物，其含量多少可以反映植物遭受逆境伤害的程度。苗期，植物体内MDA含量处于较低水平，随着生育期的推进，呈逐渐上升趋势，到成熟期达最大值。不同生物炭处理均不同程度降低根系MDA含量，生育后期效果尤为明显，灌浆期C1、C2、C3处理根系MDA含量分别比CK降低24.9%、33.4%、37.1%。这说明生物炭的添加缓解了藜麦生育后期根系的衰老，保证了生育后期藜麦根系的养分吸收能力。

图2 生物炭对藜麦根系SOD、POD、CAT活性和 MDA含量的影响

2.3 生物炭对藜麦植株生长发育及单株产量的影响

由表3可以看出，盐碱土条件下，施加生物炭处理对藜麦植株生长发育、产量及产量构成因素均具有显著影响。从苗期开始，生物炭处理显著提高藜麦的株高、茎粗及单株叶面积，各生物炭处理之间差异相对较小，C1、C2和C3处理藜麦单株叶面积分别比 CK 提高 87.4%、99.7%和93.4%。这说明生物炭有效促进了藜麦幼苗的粗壮度，增加叶片的光合面积。进入孕穗期，各生物炭处理的藜麦植株生长优势更为突显，株高、茎粗及叶面积均显著高于CK，C2处理效果最佳，C3处理次之。进入籽粒灌浆期，穗部逐渐发育，施加生物炭处理的藜麦穗部发育显著优于CK。成熟期，各处理间产量及产量构成因素均存在显著差异，C1、C2和C3处理单株产量分别比对照提高30.6%、56.5%和53.2%。从千粒重结果分析，不同生物炭处理之间无显著差异，但均显著高于CK，说明生物炭的添加增加了藜麦籽粒的饱满度。由此可见，滨海盐碱土条件下，生物炭的添加可有效改善藜麦的植株发育状况，促进生育后期穗部的发育及籽粒的形成，对产量的形成具有显著的促进作用。

表3 生物炭对藜麦植株农艺性状、产量及产量构成因素的影响

3 讨论与结论

根系是直接与土壤接触的营养器官，土壤的理化性质等因素可直接影响根系的生长、分布及功能，进而影响植株的生长发育，并最终影响作物产量［20］。土壤物理性状是限制植物根系生长的重要环境因素，主要包括机械阻抗（土壤太硬以至于根不能迅速贯入）、水分胁迫（提供给根系生长的水分过少）、缺氧（提供给根呼吸的氧气太少）［20，21］。滨海盐碱土总体表现为含盐量高、土壤结构性差、有效养分低等特点［22］，这一系列问题是限制藜麦根系生长及产量提高的重要障碍因子。本研究结果表明，添加生物炭可显著促进藜麦根系的形态发育，增加根系长度、根表面积、根体积及根尖数。生物炭对藜麦根系的显著促进作用与土壤理化性质的改良密切相关，一方面生物炭的高表面积和孔隙度有效增大土壤的比表面积、降低土壤容重，增加土壤的通气孔隙，提高土壤的田间持水量，这是生物炭改良盐碱土的重要因素［23，24］；另一方面生物炭富含有机质等养分，能有效改善盐碱土有机质含量低的问题；另外，生物炭在水土交融作用下可能会释放或吸收调控植物生长的化学信号等，对根系分泌物产生影响，从而刺激和干扰根系生理进程，影响根系生长［21，25］。本研究结果表明，适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）的积累，但并不是添加量越多越好，7.5%生物炭对苗期根系活力和抗氧化酶活性的促进效果相对减弱，但生育后期促进作用又有所增加。其原因可能是生物炭的过量施入导致土壤盐基离子浓度过高，土壤电导率增加，导致幼苗生长出现生理损伤，表现出暂时的毒性效应，而随着生长时间的延长，毒性效应得到有效缓解，但随着幼苗的生长毒性效应是否会缓解也因植物不同而可能存在一定差异［26，27］。

良好的根系形态及生理活性可提高植物对养分和水分的吸收能力，进一步提高地上部光合产物的形成及干物质的积累，从而保证作物产量的形成［28］。大部分研究表明，生物炭对植物生长及产量形成具有良好的促进效应：张伟明等［12］对中性沙壤土研究表明，生物炭的添加可增强土壤生态系统功能，为根系提供良好的生长环境，优化根系形态，增强生理功能，为地上部营养物质供应、转化与积累提供重要保障，并促使最终产量提高；张云舒等［29］研究表明，生物炭可有效改善灌耕风沙土的土壤环境，提高土壤有效养分含量，使玉米增产10.2% ～42.1%。Jeffery等［30］在土壤质地方面研究了生物炭与作物产量的相关性，发现生物炭对酸性土壤和贫瘠土壤改良和作物增产效果较好。目前，关于生物炭对盐碱地的应用效果仍然存在一定的争议，因为生物炭多呈碱性，成分中含有大量的碱性离子，盲目或过量的生物炭添加可能会加重盐碱土的盐碱化程度，不利于植物的生长。本研究结果表明，3个不同添加量的生物炭处理均不同程度提高藜麦的株高、茎粗、叶面积及单株产量，说明添加生物炭对藜麦地下部及地上部生长均起到良好的促进作用，但并不是添加量越多越好。C1、C2和C3三个不同添加量的生物炭处理藜麦单株产量分别比对照提高30.6%、56.5%和53.2%。从植株发育及产量构成因素可以看出，生物炭处理显著促进藜麦植株的生长发育，增加叶片的光合面积，促进穗部发育，提高藜麦种子的饱满度及单株产量，这说明生物炭对滨海盐碱地藜麦的生长及产量的形成具有显著的促进作用。