盐胁迫下菊芋生长和生理指标对生物炭的响应

马 凯，饶良懿

（1.北京林业大学水土保持学院, 北京 100083；2.北京林业大学水土保持国家林业和草原局重点实验室, 北京 100083）

盐渍化土地是我国极为重要的后备耕地资源，总面积超过3 330 万hm2，广泛分布于西北、东北、华北及东部沿海地区[1]。随着经济发展和人口增长，用地规模不断扩大，可耕地面积不断减少，使得我国人口、粮食与耕地之间的矛盾日趋尖锐[2]。菊芋(Helianthus tuberosus)是菊科向日葵属多年生草本植物，对生态环境条件要求不严，抗逆性强，同时拥有较高的生态效益和经济效益[3]。在盐渍化地区栽种菊芋对盐渍化土地的修复和利用具有重要意义。但是土壤盐渍化会影响菊芋的生长发育，降低其质量和产量。在此情况下，加强盐渍化土地综合治理、修复、开发，提高其利用率，成为补充耕地面积、保障粮食安全，缓解人地矛盾的关键[4]。

生物炭是通过热解、碳化植物和动物的生物质而合成的一种稳定的富碳副产品[5]。生物炭具有特殊多孔结构，富含大量有机碳、有机质以及营养物质，近年来因其在固碳和提高土壤养分利用效率方面的功能成为土壤学和环境科学领域的研究热点[6]。生物炭能增强黄绵土持水性能及水分有效性，提高保水保肥能力[7]。生物炭输入草地和耕地更能达到保持土壤肥力和减少滨岸带土壤氮素淋失的效果[8]。Sun 等[9]研究表明在滨海盐碱土中以适当的比例施用生物炭可以减少N 淋失，保持土壤N 截留，不增加NH3挥发，有利于盐碱土的可持续利用。在黄河三角洲地区盐渍化土地为期3 年的田间试验表明，生物炭改善盐渍化土壤质量、提高小麦(Triticum aestivum)产量的效果比有机肥料更好[10]。施用生物炭可调节土壤结构，改善土壤理化性质，增强土壤养分对植物生长的吸收作用，也可用于吸附各种污染物，通过改变土壤中元素(C、N、K 等)的生物利用度来改变微生物的习性和功能，缓解气候问题[11]。生物炭本身具有的独特理化特性及原材料多样、环境友好等特点也使其在盐碱地生态治理中具有较为广阔的应用前景。但是，目前关于生物炭对菊芋盐胁迫下生理生态特征影响的研究鲜有报道。

因此，本研究采用盆栽试验，设置生物炭添加和不添加两种处理方式，选择菊芋为供试植物，探究生物炭对盐胁迫初期菊芋株高、地径、渗透调节物质、丙二醛含量及抗氧化酶活性的影响，以期为盐渍化地区应用生物炭，促进菊芋生长和增产提供指导，为盐渍化地区生态修复提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在北京林业大学实验苗圃自然环境下进行，以菊芋块根作为材料进行盆栽试验。移植菊芋所使用的花盆内直径26 cm，外直径30 cm，高20 cm。试验前期菊芋种植于北京林业大学林地内，移植前取样地内土壤，剥除表层植被，取0—20 cm 土层，去除杂质后过2 mm 筛备用，土壤pH 6.5。试验所用生物炭为河南立泽环保公司生产的商用玉米(Zea mays)秸秆生物质炭，由350～550 ℃热裂解碳化制得。生物炭pH 为9.08，水分系数为10.255%，有机碳含量为510.897 6 g·kg-1，全氮含量为8.51 g·kg-1，全 磷 含 量 为2.34 g·kg-1，全 钾 含 量 为15.76 g·kg-1，P2O5含量为5.35 g·kg-1，K2O 含量为19.15 g·kg-1。

1.2 试验设计

试验处理使用NaCl 和Na2SO4(摩尔浓度比为1 ∶ 1)中性复合盐按照土壤含盐量设置4 个盐分梯度：无盐处理(CK)、低度盐化即土壤含盐量1.67 g·kg-1(Y1)、中度盐化即土壤含盐量3.35 g·kg-1(Y2)、重度盐化即土壤含盐量5.02 g·kg-1(Y3)，另设置无盐处理 + 5%生物炭(S0)、1.67 g·kg-1盐胁迫+ 5%生物炭(S1)、3.35 g·kg-1盐胁迫 + 5%生物炭(S2)、5.02 g·kg-1盐胁迫 + 5%生物炭(S3)，共计8 个处理，每个处理设置3 个重复(表1)。

表1 试验处理分组Table 1 Test treatment group

所有处理均在花盆内添加3 kg 土壤，为确保试验结果，待植株长势稳定后(14 d)，向S0、S1、S2、S3中分别加入150 g 生物炭，然后进行盐胁迫处理，其中CK 和S0分别添加500 mL 去离子水，Y1和S1、Y2和S2、Y3和S3分 别 一 次 性 根 施500 mL 的50、100、150 mmol·L-1配制盐溶液达到目标土壤含盐量，试验共进行21 d。

1.3 测量指标与方法

在试验进行的当天和21 d 时分别对菊芋生长生理指标进行测定，计算21 d 内各指标的变化量，本研究中各指标均为试验期内的变化量，即试验结束后(21 d)的测量值 - 试验初始(0 d)时的测量值。采用米尺测定菊芋植株顶端到茎基部的高度，使用游标卡尺来测量菊芋植株的地径。

酶液制备：称取0.2 g 菊芋叶片样本，将遇冷的磷酸缓冲液(0.05 mol·L-1，pH 7.8)加入研钵并在冰浴中研磨成匀浆，倒入有盖离心管中，在低温离心机4 ℃、8 000 r·min-1条件下离心10 min，提取上清液为酶液，用于可溶性糖(soluble sugar, SS)、可溶性蛋白(soluble protein, SP)、脯氨酸(proline, Pro)、丙二醛(malondialdehyde, MDA)、过氧化物酶(peroxidase,POD)、 超 氧 化 物 歧 化 酶 (superoxide dismutase,SOD)和过氧化氢酶(catalase, CAT)测定。其中SS含量利用蒽酮比色法测定，SP 利用BCA 法测定，Pro 利用磺基水杨酸测定，MDA 含量采用硫代巴比妥酸测定，CAT 活性利用紫外分光光度法测定，SOD 活性利用WST-8 法测定，POD 活性采用比色法测定[12]。

1.4 数据处理与分析

数据的整理统计和分析运用Excel 2021，应用Origin 2022 作图。在R-4.2.1 软件中利用agricolae函数对数据进行单因素方差分析，利用Hmisc 包进行Pearson 相关性分析，同时利用corrplot 包作图。

2 结果

2.1 生物炭对盐胁迫下菊芋株高、地径的影响

1.67 g·kg-1盐胁迫对菊芋的株高无显著影响(P＞0.05)，但是地径与CK 相比显著增加了8.25% (P＜0.05)。3.35 和5.02 g·kg-1盐胁迫会显著抑制菊芋生长(P＜ 0.05)，与CK 相比，株高分别降低了20.93%和23.89%，地径分别减小了6.41%和15.44%。添加生物炭后，菊芋生长水平较盐胁迫处理显著提升，对比Y1和S1，Y2和S2，Y3和S3，株高分别提高了28.73%、46.84%和44.89%，地径分别增加了49.70%、39.86%和39.01% (图1)。这说明生物炭对菊芋所受到的盐胁迫起到了缓解作用。

图1 生物炭和不同水平盐胁迫下菊芋株高、地径的变化量Figure 1 Effect of biochar on plant height and ground diameter of Helianthus tuberosus under salt stress

2.2 生物炭对盐胁迫下菊芋渗透调节物质含量的影响

盐胁迫对菊芋的渗透调节物质具有显著影响(P＜ 0.05) (图2)。与CK 相比，盐处理组菊芋SP、SS、Pro 含量均显著增加(P＜ 0.05)。此外，生物炭的添加使受不同程度盐胁迫影响的菊芋SP 含量、Pro 含量显著下降(P＜ 0.05)，SS 含量下降但不显著(P＞0.05)。具体表现为：SP 含量S1、S2、S3处理比Y1、Y2、Y3处理分别降低了512.23%、153.53%、161.76%；SS 含量S1、S2、S3处理比Y1、Y2、Y3处理分别降低了19.94%、18.65%、16.83%；Pro 含量S1、S2、S3处理比Y1、Y2、Y3处 理 分 别 降 低 了83.11%、52.98%、55.48%。这说明生物炭显著降低了菊芋在盐胁迫下渗透调节物质的含量(P＜ 0.05)。

图2 生物炭和不同水平盐胁迫下菊芋渗透调节物质的变化量Figure 2 Effect of biochar on osmoregulatory substances in Helianthus tuberosus under salt stress

2.3 生物炭对盐胁迫下菊芋抗氧化系统的影响

菊芋对盐胁迫的抑制作用产生了积极的响应，与CK 相比，盐处理各组菊芋的POD 活性、SOD 活性、CAT 活性均显著提高(P＜ 0.05)，MDA 含量除Y1增加不显著外、Y2、Y3均显著增加(P＜ 0.05)。施加生物炭后，菊芋的渗透胁迫得到有效的缓解，MDA 含量S1较Y1相比下降21.08%，但不显著(P ＞0.05)；S2、S3较Y2、Y3相 比 显 著 下 降(P＜0.05)，分别下降了44.85%、61.83%。生物炭处理促进了菊芋抗氧化酶系统对盐胁迫的响应，S1、S2、S3处理的菊芋POD 活性较盐处理分别下降了176.42%、98.51%、71.85%；S1、S2、S3处理显著降低盐胁迫下菊芋的SOD 活性，分别为48.18%、63.53%、66.25%；CAT 活性在S1、S2、S3处理下也较盐胁迫处理分别降低了1 297.07%、427.82%、340.05% (P＜0.05) (图3)。这说明生物炭提高了菊芋对盐胁迫的耐受能力。

图3 生物炭和不同水平盐胁迫下菊芋丙二醛含量和抗氧化酶活性的变化量Figure 3 Effect of biochar on malondialdehyde content and antioxidant enzyme activity of Helianthus tuberosus under salt stress

2.4 生物炭处理盐胁迫下菊芋各指标间相关性

株高和地径显著正相关(P＜ 0.001)，株高和Pro含量、POD 活性显著负相关(P＜ 0.01)，株高和SP显著负相关(P＜ 0.05)。地径与SP 活性显著负相关(P＜0.01)，地径和Pro 活性显著负相关(P＜ 0.05) (图4)。表明菊芋植株的生长与Pro 和SP 的渗透调节作用以及POD 等抗氧化酶活性相关。SS 含量与Pro 含量、SOD 活性显著正相关(P＜ 0.05)，与POD 活性显著正相关(P＜ 0.01)。SOD 活性与POD 活性显著正相关(P＜ 0.001)，与Pro 含量显著正相关(P＜ 0.05)。POD 活性与Pro 含量显著正相关(P＜ 0.01)。这表明菊芋遭受盐胁迫时，体内渗透调节物质和抗氧化酶共同发生作用。

图4 生物炭处理盐胁迫下菊芋各指标间相关性Figure 4 Correlation among indicators of salt stress in Kikuyu under biochar treatment

3 讨论

3.1 生物炭对盐胁迫下菊芋生长指标的影响

不同浓度盐胁迫对菊芋生长所产生的影响不同，菊芋的生长形态能够直观地反映这一结果。本研究表明，1.67 g·kg-1盐胁迫对菊芋植株的株高、地径无显著抑制作用，甚至会对其产生促进作用。薛延丰和刘兆普[13]的研究结果也表明，在相同浓度盐胁迫下，菊芋品种‘大丰’的鲜重和干重均与无盐胁迫对照无显著差异，且高于对照。盐胁迫下，菊芋根部会吸收大量Na+，并运输积累在茎部，此时根系保持了较高的K+含量，导致根部较低的Na+/K+，从而缓解盐胁迫对菊芋生长的影响[14]。试验中当土壤含盐量为3.35 和5.02 g·kg-1时，菊芋生长明显受到抑制，株高和地径增量较CK 显著下降(P＜ 0.05)。王磊等[15]的研究也表明当盐胁迫超过这一浓度时能明显抑制菊芋幼苗生物量的积累。任智新等[16]的研究也表明超过适宜浓度的盐胁迫会抑制青绿苔草(Carex leucochlora)生长。因此，适宜的盐浓度会在一定程度上促进菊芋生长，但当盐浓度超过菊芋耐受能力时则会抑制其生长。综上所述，本研究中菊芋种能够在土壤含盐量0～1.67 g·kg-1范围内正常生长，当土壤盐含量超过3.35 g·kg-1时，菊芋生长会受到抑制。

添加生物炭后，菊芋株高、地径较盐胁迫处理均显著提升(P＜ 0.05)，说明生物炭对菊芋所受的盐胁迫起到了缓解作用。这主要是因为生物炭具有特殊的多孔结构，其较强的吸附能力和离子交换能力，能够改善土壤理化性质，从而促进植物的生长[17]。研究也表明添加生物炭能够提高土壤阳离子交换能力，改善土壤肥力，进而缓解盐胁迫[18]。且S3相比Y3，菊芋株高、地径分别增加了44.89%、34.01%，这一结果表明，添加生物炭可以有效缓解盐胁迫对菊芋生长的抑制作用。

3.2 生物炭对盐胁迫下菊芋渗透调节物质含量的影响

植物在受到盐胁迫时，由于外部渗透压降低，为维持细胞内渗透压平衡，会积累渗透调节物质以提高细胞液浓度，以此应对盐胁迫[19]。植物体内参与抗逆性重要的渗透调节物质包括SP、SS、Pro[20]。本研究中，菊芋在盐胁迫下体内SP 含量随盐浓度的增大呈现先增加后降低的趋势，且相比对照组均显著增加(P＜ 0.05)。这与姚佳等[21]研究NaCl 胁迫对扁蓿豆(Melilotoides ruthenicain) SP 含量的影响结果一致。SP 含量之所以会先增加后降低，是由于菊芋具备耐盐性，在1.67 g·kg-1盐胁迫环境下，其体内产生大量SP 来降低自身的渗透势，抵抗盐胁迫，然而随着盐胁迫强度的不断提高，菊芋的抵抗能力超出了自身的耐受极限，导致SP 被氧化分解[22]。研究表明，SS 含量的高低能反映逆境中植物的耐受能力，Pro 的积累是植物应对盐胁迫的机制之一[23-24]。在本研究中菊芋SS 含量在盐胁迫下均显著增加(P＜0.05)，且随着盐浓度的增大而增大，这与段海霞等[25]对菊芋幼苗响应盐胁迫研究的结果相一致，说明SS 在菊芋应对盐胁迫过程中大量合成以缓解盐胁迫对菊芋的不利影响。同时，本研究的结果也显示菊芋Pro 含量在盐胁迫下显著增加(P＜ 0.05)，在土壤含盐量为3.35 g·kg-1时达到最大。冯大伟等[26]的研究也表明菊芋在幼苗期能够在相同盐度胁迫下累积内渗透性物质，从而减少自身在逆境下受到的伤害。

添加生物炭后，菊芋中渗透调节物质含量相比盐处理均显著降低(P＜ 0.05)，SP 含量的增量分别下降了512.23%、153.53%、161.76%，SS 含量的增量分别下降了19.94%、18.65%、16.83%，Pro 含量的增量也分别下降了83.11%、52.98%、55.48%。这与Ekinci等[27]研究生物炭对盐胁迫下白菜(Brassica rapa)幼苗生理和生化过程的作用结果相一致，另外，Hafez等[28]研究生物炭和壳聚糖对干旱胁迫条件下大麦(Hordeum vulgare)植物的影响时，也得到了相同的渗透调节物质含量变化结果。与此同时，本研究通过相关性分析发现，施加生物炭后，Pro 含量和SS含量显著正相关(P＜ 0.05)(图4)，说明渗透调节物质共同影响着菊芋的耐盐性。以上结果均说明施加生物炭会对植物的逆境胁迫起到缓解作用，生物炭可以作为一种改良剂来降低高浓度盐胁迫对菊芋所造成的伤害。盐胁迫主要是因为大量的Na+提高了土壤盐度，造成植物根部高渗压力效应，对植物形成毒害[29]。研究表明生物炭可以通过改善与Na+去除直接相关的土壤理化和生物特性，从而有效缓解盐胁迫。除此之外，Akhtar 等[30-31]通过研究生物炭对马铃薯(Solanum tuberosum)以及小麦的盐胁迫缓解作用表明，生物炭能够通过吸附Na+来改善盐胁迫，同时释放矿物质养分到土壤溶液中来降低盐胁迫导致的渗透压力。这也进一步说明生物炭能够通过调节菊芋植株与外部环境之间的渗透压平衡，提高菊芋对高浓度盐胁迫的适应能力，使其能够在高浓度盐胁迫下正常生长。

3.3 生物炭对盐胁迫下菊芋抗氧化系统的影响

在生理条件正常的情况下，植物体内的活性氧自由基和自身的抗氧化系统对活性氧的清除是动态平衡的，从而保持体内正常代谢[32]。但在盐胁迫下，膜脂过氧化作用加剧，体内会积累大量的活性氧，导致细胞膜质过氧化，同时产生有毒物质MDA[33]。此时POD、SOD、CAT 等酶的活性也会提高，来应对膜脂的过氧化作用，以此增强植物对盐胁迫的耐受性[34]。本研究中MDA 含量随着盐浓度增大而增加，POD、SOD、CAT 活性也随着盐浓度的增大而提高，这与隆小华等[35]的研究结果相一致。相关性分析表明SOD 活性与POD 活性显著正相关(P＜ 0.01)，与MDA 含量正相关但不显著(P＞ 0.05)。这证明在盐胁迫下，菊芋发生膜脂过氧化作用，产生大量MDA，相应的SOD、POD、CAT 等抗氧化酶活性的提高也是菊芋为应对膜脂过氧化作用而产生的调节机制。而在张佩佩等[36]的研究中，菊芋在高氯酸盐的胁迫下，SOD、POD 和CAT 活性明显下降，这则说明菊芋对不同种类的盐胁迫耐受性也不尽相同。

本研究发现当加入生物炭后，菊芋MDA 含量增加相比盐处理下的增加明显减少，3 种浓度增量分别下降了21.08%、44.85%、61.83%，这与黄晶等[37]在研究生物炭调控盐胁迫下水稻(Oryza sativa)幼苗耐盐性能中所得到的结果一致，生物炭施加显著降低了水稻幼苗中MDA 含量，抑制膜脂过氧化作用。这也进一步说明添加生物炭能够并缓解盐胁迫下植物的氧化应激反应。但同时该研究也表明过量的生物炭反而会抑制玉米生长，任怀新等[38]在研究生物炭对盐碱胁迫初期两种典型牧草光合及抗氧化系统的影响时也得到了这一结论。由于本研究未设置不同梯度生物炭添加量，只表明施加5%生物炭能够缓解盐胁迫对菊芋生长的影响，因此缓解菊芋盐胁迫效果最好的生物炭添加量仍需进一步研究。此外，施加生物炭后，菊芋抗氧化酶的活性也相对降低，例如SOD 活性在3 种浓度下的提高量分别降低了48.18%、63.53%、66.25%，POD 的活性提高量也同时下降，CAT 的活性甚至负增长。刘晓涵等[39]在生物炭对烟草(Nicotiana tabacum)幼苗氯化钠胁迫的缓解效应研究中也表明，盐胁迫增加了植物叶片SOD 和POD 活性，加入生物炭后SOD 和POD 活性显著降低，且表现出一致性。这也与本研究中相关性分析所体现的SOD 和POD 相关性结果相一致。除此以外，Farhangi-Abriz 和Torabian[40]在研究生物炭对盐胁迫下豆类幼苗的缓解效应中也表明添加生物炭可以降低抗氧化酶的活性。因此，添加生物炭能有效抑制植物膜脂过氧化作用，提高植物抗氧化能力，减轻盐胁迫对植物幼苗的伤害，从生理层面提高植物的耐盐性。

4 结论

菊芋能够在0～1.67 g·kg-1土壤含盐量范围内正常生长，当土壤含盐量超过3.35 g·kg-1时会形成盐胁迫，显著抑制菊芋生长(P＜ 0.05)。添加生物炭能够有效维持植株与外部环境之间渗透压的平衡，抑制其膜脂过氧化作用，提高其抗氧化能力，从而有效提高菊芋对盐胁迫的抵抗能力，达到缓解盐胁迫的作用。生物炭能够缓解盐胁迫初期对菊芋的抑制作用，促进菊芋生长。这一结论为在盐渍化地区应用生物炭促进菊芋生长和增产提供了参考。未来应进行大田试验进一步确定生物炭的最适用量和施用方式，以更好地满足实际生产的应用。