鼠李糖脂改性生物炭对盐渍土小白菜抗性及氮素吸收的影响

王敏鸽,刘艺文,张丹丹,许均泽,苟 聪,古一鸣,王旭东,2

(1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100；2.农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100)

盐渍土在我国分布广泛，西北、华北、东北及沿海是我国盐渍土的主要集中分布地区[1]，受盐分的影响，盐渍土严重影响作物对水分和养分离子的吸收，制约着作物出苗率和发育生长，导致作物产量和品质下降[2]。盐渍土的改良有水利工程[3-4]、物理[5]、化学[6-7]、生物[8]等多种措施，在工程、物理措施下，通过一些化学改良剂或新型材料施用来降低盐害是一种行之有效的方法，能起到事半功倍的效果。

鼠李糖脂是一种阴离子表面活性剂，不仅具有乳化、增溶、降低表/界面张力等功能，而且毒性小、易于生物降解，因而在众多领域具有极大的应用潜力[9]。在农业应用中，鼠李糖脂作为一种良好的碱性土壤改性添加剂，其碱溶性较好，在碱性条件下，可电离出 Rh+与 H+离子，中和碱性土壤中的 OH-，改善土壤的碱性，且具有改良土壤结构、避免土壤板结的作用。生物炭是生物有机质在缺氧或低氧条件下高温裂解产生的固体产物，含碳量高、具有多孔性、比表面积大、吸附能力强等特点，能改善土壤理化性质，降低土壤容重，从而达到保水保肥的效果，利用生物炭改良盐渍土已经有一些研究[2,10-11]，但由于生物炭本身偏碱性及其不同来源生物炭的性质差异，效果稳定性不一。采用鼠李糖脂改性的生物炭探究盐渍土性状变化及其对植物生长的影响是一种新的思路。本研究通过盆栽试验，研究不同配比的鼠李糖脂与生物炭制成的改性生物炭对盐渍土的改良效果，以小白菜的抗盐性及生长状况为指标，寻找鼠李糖脂与生物炭用于改良盐渍土的最佳配比，以期为盐渍土的改良提供一定的理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤于2020年7月采自于甘肃省高台县巷道镇红联村0～20 cm耕层土样，土壤为灌淤土。供试生物炭由陕西谷佳现代有机农业科技有限公司提供，是由苹果树枝条在厌氧条件下高温(650℃)裂解制备，供试土壤与生物炭的理化性质见表1。鼠李糖脂是由西安瑞捷生物科技有限公司提供，浓度为250 g·L-1。

表1 供试土壤与生物炭的基本理化性质

1.2 试验方法

1.2.1 改性生物炭配制 鼠李糖脂改性生物炭的制备：称取200 g生物炭(过2 mm筛)，与浓度为250 g·L-1的鼠李糖脂按4种比例混合并充分搅匀，在室温下平衡24 h，然后晾干即得到鼠李糖脂改性生物炭。具体配制比例见表2。

1.2.2 盆栽试验 盆栽试验设置两种改性生物炭的施用量，分别为30 g(2%土壤质量比)和15 g(1%土壤质量比)，各改性生物炭施用量下分别设4个鼠李糖脂的配比浓度，即15%、10%、5%和0%(表2)，另加空白对照处理(不添加改性生物碳)，共计9个处理。每盆装土1.5 kg，4个重复。盆栽土壤浇水量为田间持水量的75%，化肥作基肥一次性施入，以CO(NH2)2、KCl和NH4H2PO4为肥源，施用量按N、P2O5计均为0.2 g·kg-1、K2O施用量为0.1 g·kg-1。于2020年9月20号将消毒、提前浸泡8 h的籽粒饱满、大小均匀的小白菜种子点种到盆中，每盆60个种子，出苗后定苗为12株。

表2 改性生物炭的配制比例

1.2.3 样品采集与处理 盆栽小白菜在露天网室生长45 d后进行采收，分别采集土壤样品、小白菜地上部样品和地下部根系样品。土壤样品保留一定鲜样，其余样品进行风干；小白菜样品留一部分鲜样，剩余部分进行烘干(先105℃杀青30 min，而后在70℃烘干24 h)、保藏，备用于相关指标的分析测定。

1.2.4 指标测定 土壤pH值采用水土比2.5∶1浸提液，用pH计(梅特勒FiveEasy PlusTMFE28)测定；土壤有机碳采用重铬酸钾容量法[12]；土壤硝、铵态氮含量采用1 mol·L-1KCl浸提(水土比为10∶1)，AA3型连续流动分析仪测定[12]。

植株全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定；谷氨酰胺合成酶 (GS)活性参照中国科学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测定[14]；过氧化物酶(POD)活性的测定采用愈创木酚法[15]。

小白菜氮素吸收量(mg·株-1)=植株全氮含量×植株干物质量[16]。

1.3 数据处理

采用Excel 2019和SPSS 25.0软件对数据进行统计分析。采用单因素(One-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较(P=0.05)。

2 结果与分析

2.1 施用鼠李糖脂改性生物炭对土壤性质的影响

不施加生物炭的处理的土壤pH值为7.66(见表3)，属于弱碱性水平，施加鼠李糖脂改性生物炭对土壤pH值没有显著影响。随着改性生物炭中鼠李糖脂配施比例的提高，土壤pH值略有上升的趋势，但和对照土壤间未出现显著差异。施加鼠李糖脂改性生物炭的处理显著提高了土壤有机碳含量，且随着改性生物炭用量的增加而增加；在施加生物炭2%的水平下，随着鼠李糖脂比例的增加，土壤有机碳含量呈现增加的趋势。

表3 不同处理下土壤的性质和养分变化

2.2 鼠李糖脂改性生物炭施用下小白菜的生长

不同处理小白菜生物量变化显示(图1)，与对照相比，施加生物炭显著提高了小白菜生物量，且随着生物炭施加量的增加而增加。在施加30 g和15 g生物炭的条件下，在鼠李糖脂添加比例为10%的情况下小白菜的生物量均达最大值，平均比单独施加生物炭的处理增加了47.13%。

注：不同小写字母表示处理间差异显著(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

与对照相比，施加生物炭的处理均显著提高了小白菜的吸氮量(图2A)，在施加生物炭的条件下，随着鼠李糖脂添加比例的增加，植物吸氮量都呈现先增加后减少的趋势。以添加比例为10%鼠李糖脂处理小白菜的吸氮量最高，平均比单独施加生物炭的处理增加了43.64%。

施加生物炭提高了叶片谷氨酰胺合成酶(GS)活性(图2B)，与对照相比，差异达显著性水平。在施加生物炭的条件下，施用鼠李糖脂改性生物炭进一步提高了叶片谷氨酰胺合成酶活性，其中以改性比例为10%鼠李糖脂处理小白菜的谷氨酰胺合成酶活性最高。

图2 不同处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学指标变化

过氧化物酶(POD)活性变化显示(图3A)，不施加生物炭的处理过氧化物酶(POD)活性最低，施加生物炭显著提高了过氧化物酶(POD)活性。随改性生物炭中鼠李糖脂改性比例增加，过氧化物酶(POD)活性呈现先增加后减少的趋势，其中以添加比例为10%鼠李糖脂处理过氧化物酶(POD)活性最高。

小白菜可溶性蛋白含量变化显示(图3B)，各处理小白菜可溶性蛋白含量值有差异，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别减少了24.58%、11.69%、7.37%、52.20%，且处理15%和0%间达到差异显著水平(P<0.05)。在施用30 g改性生物炭条件下，小白菜可溶性蛋白含量随着鼠李糖脂比例的增加呈现先增加后减少的变化趋势，施用鼠李糖脂改性生物炭10%、5%的处理与对照相比可溶性蛋白含量分别增加了0.91%、32.33%，且处理5%与对照处理间达到差异显著水平(P<0.05)，施用鼠李糖脂改性生物炭15%、0%的处理与对照相比可溶性蛋白含量分别减少了10.17%、38.54%，且处理0%与对照处理间达到差异显著水平(P<0.05)，不同鼠李糖脂添加比例下可溶性蛋白含量从大到小次序为5%>10%>15%>0%，处理5%可溶性蛋白含量为16.3033 mg·g-1。在施用15g改性生物炭条件下，施用鼠李糖脂改性生物炭15%、10%、5%、0%的处理与对照相比可溶性蛋白含量分别增加了19.12%、14.27%、42.86%、28.59%，且处理5%、0%与对照分别达到差异显著水平(P<0.05)，其可溶性蛋白含量由大到小排序为5%>0%>15%>10%，处理5%可溶性蛋白含量为17.6008 mg·g-1。

图3 不同处理下小白菜的生理学指标变化Fig.3 Changes of physiological indexes of Chinese cabbage under different treatments

不施加生物炭的处理丙二醛(MDA)含量最高(图3C)，施加生物炭的处理均显著降低了丙二醛(MDA)含量。鼠李糖脂改性生物炭施用，进一步降低了MDA含量，其中以改性比例为10%鼠李糖脂处理丙二醛(MDA)含量最低。

3 讨 论

3.1 鼠李糖脂改性生物炭的施用对土壤有机碳和氮素的影响

3.2 鼠李糖脂改性生物炭的施用对小白菜生长、氮吸收和抗盐性的影响

土壤环境存在盐分、水分等胁迫常常导致植物体内活性氧积累[29]，造成细胞膜氧化损伤, 膜质过氧化产生丙二醛(MDA)。因此， MDA含量是细胞膜结构损伤的重要指标[30-31]，而过氧化物酶(POD)是植物抗氧化保护酶之一, 维持体内活性氧产生和清除的动态平衡，反映出作物的自动保护和适应机制[32]。本研究发现，施用鼠李糖脂改性生物炭可以提高小白菜的POD含量，在适宜的改性比例下(10%)，进一步提高了POD含量，反映出了小白菜抗性的增强。另外，施用鼠李糖脂改性生物炭情况下小白菜的丙二醛(MDA)含量下降，说明植物受盐分胁迫引起的细胞伤害减小，而且在10%的改性比例下丙二醛(MDA)含量最低，也进一步说明了鼠李糖脂改性生物炭的施用对提高植物抗性的增效作用。鼠李糖脂增效作用与浓度有关，在一定浓度时效果较大，但浓度过高，增效作用减弱，其作用机制还需要深入研究。

谷氨酰胺合成酶(GS)是植物体内硝态氮同化的调节酶和限速酶，增强谷氨酰胺合成酶的活性对作物吸收利用氮素有着非常重要的促进作用[33]。谷氨酰胺合成酶(GS)可以催化铵离子与谷氨酸合成谷氨酸，进一步合成蛋白质，从而促进氮素的吸收、转运和合成[29,34]。而本试验发现，施用鼠李糖脂改性生物炭，叶片谷氨酰胺合成酶有所提高，且在鼠李糖脂改性比例为10%情况下谷氨酰胺合成酶活性最高，反映出鼠李糖脂在一定施用浓度下可以提高小白菜在盐渍土中对氮素吸收的促进效应，这与前述施用鼠李糖脂在一定浓度下可提高小白菜过氧化物酶(POD)活性、降低丙二醛(MDA)含量相呼应。

渗透调节作用是植物抵御逆境的重要生理机制，生物体在其正常的代谢过程中可通过有机渗透调节物质(可溶性蛋白) 的积累、合成来调节细胞渗透平衡，从而缓解逆境胁迫对植物造成的伤害[35-36]。肖强等[37]研究表明，互花米草叶片中可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量随盐度增加总体呈上升趋势，在盐胁迫下，渗透调节物质的积累是互花米草对盐胁迫的主要响应过程。方志红等[38]研究表明，随盐胁迫浓度的增加，碱蒿可溶性糖和可溶性蛋白含量呈先升高后低的趋势，这可能是碱蒿对高盐胁迫的一种生理反应或适应机制。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。本试验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，这与鼠李糖脂可以缓解植物盐胁迫有关。

4 结 论

施用生物炭提高了土壤有机碳含量，同时也增加了土壤铵态氮和硝态氮的含量；鼠李糖脂改性生物炭的施用，进一步提高了土壤铵态氮和硝态氮的含量。其中，施加鼠李糖脂改性生物炭的处理与对照相比有机碳含量增加了55.05%～142.67%，施加鼠李糖脂改性生物炭比例为10%的处理平均与对照相比铵态氮含量显著提高了156.69%，施加鼠李糖脂改性生物炭比例为15%和10%的处理与对照相比硝态氮含量平均分别显著增加了39.94%和41.46%。

施用鼠李糖脂改性生物炭提高了小白菜的过氧化物酶活性，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，提高小白菜对盐分胁迫的抗性；提高了谷氨酰胺合成酶活性，促进了小白菜对氮素的吸收。其中，施加鼠李糖脂改性生物炭比例为10%的处理叶片谷氨酰胺酶活性较对照平均显著提高了113.64%，过氧化物酶活性显著提高了30.87%，丙二醛含量显著降低了80.60%。施加鼠李糖改性生物炭比例为10%和5%的处理平均分别与对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适宜的改性比例为10%，改性后施用在盐渍土中对小白菜的生长和氮素吸收促进作用最大。