生物炭浸提液對(duì)小白菜種子萌發(fā)及幼苗熒光作用的影響

夏紅霞, 喻大燕, 朱啟紅, 劉希東, 李強(qiáng), 王書(shū)敏, 丁武泉

(重慶文理學(xué)院材料與化工學(xué)院, 環(huán)境材料與修復(fù)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 402168)

生物炭是生物質(zhì)在缺氧或限氧條件下經(jīng)過(guò)高溫裂解形成的穩(wěn)定、富碳、固體產(chǎn)物，具備孔隙結(jié)構(gòu)豐富、吸附能力強(qiáng)等特性[1]。將生物炭施用到土壤，不僅可以改善土壤物理性質(zhì)，增加土壤養(yǎng)分含量，還可以增強(qiáng)土壤保水保肥能力，降低土壤污染物質(zhì)活性[2]，進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)[3]。生物炭以其對(duì)土壤理化性質(zhì)的綜合改變和高度穩(wěn)定性[4-5]，在土壤低產(chǎn)地改良以及污染土壤修復(fù)中展示出巨大的優(yōu)勢(shì)和潛力[6]，現(xiàn)已成為環(huán)境和農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[7]。

但也有學(xué)者對(duì)生物炭農(nóng)用安全存在質(zhì)疑。他們認(rèn)為，生物質(zhì)原料在熱解過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸、焦油、多環(huán)芳烴等有機(jī)液體若不能完全分解，將會(huì)在生物炭固體中殘留，從而致生物炭含有一定量的焦油、多環(huán)芳烴、有機(jī)酸等潛在有機(jī)毒物[8]；此外，制備生物炭所用的秸稈、沼渣、畜禽糞便等生物質(zhì)中均含有一定量的重金屬，這些重金屬在生物炭制備過(guò)程中不斷濃縮，并最終殘留在生物炭中[9]。這些有毒物質(zhì)會(huì)隨著生物炭農(nóng)用而進(jìn)入土壤環(huán)境，對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生潛在威脅[10]，或被植物吸收而進(jìn)入農(nóng)產(chǎn)品，危及人類健康。此外，生物炭農(nóng)用是一不可逆過(guò)程，一旦施用將不可逆轉(zhuǎn)，這就決定了在大規(guī)模利用生物炭改良低產(chǎn)地、修復(fù)污染土壤前,必需明確生物炭農(nóng)用對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境和農(nóng)作物生長(zhǎng)方面的影響，以有效評(píng)估生物炭農(nóng)用的安全性，從而科學(xué)、合理利用生物炭。因此，生物炭農(nóng)用安全性研究迫在眉睫。為此，本研究擬以酒糟生物炭、梨木生物炭為供試生物炭，研究不同生物炭浸提液對(duì)小白菜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響，進(jìn)而揭示生物炭可能存在的潛在毒性，為科學(xué)、合理利用生物炭提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小白菜種子為品種‘金沙赤葉03’。

供試生物炭選用酒糟生物炭和梨木生物炭。分別將酒糟和梨木粉碎過(guò)100目篩，然后在500 ℃條件下采用限氧熱解法[11]制成生物炭。制備的酒糟生物炭、梨木生物炭基本化學(xué)元素組成見(jiàn)表1。

表1 供試生物炭基本化學(xué)元素組成Table 1 Elements composition of experimented biochars

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1生物炭浸提液的制備 分別將酒糟生物炭(A)、梨木生物炭(B)與去離子水按質(zhì)量比1∶3的比例置于錐形瓶，在25 ℃、180 r·min-1條件下恒溫振蕩2 h，抽濾制成生物炭浸提液。將生物炭浸提液分別稀釋0、10倍和50倍，共A1、A2、A3、B1、B2、B3六個(gè)處理。

1.2.2種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng) 選取30顆籽粒飽滿、大小均一的小白菜種子，播種于裝有30 g石英砂的培養(yǎng)皿中。向培養(yǎng)皿中加入10 mL不同濃度的生物炭浸提液，置于恒溫光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)條件設(shè)置為25 ℃、光照強(qiáng)度3 000 lx、光照時(shí)間12 h·d-1。培養(yǎng)期間定期補(bǔ)充5 mL生物炭浸提液，自第3 d起觀察記錄種子發(fā)芽情況，第14 d后開(kāi)始測(cè)定植株株高、根面積、根長(zhǎng)、根系活力等指標(biāo)。以添加蒸餾水為對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.3 樣品分析與指標(biāo)測(cè)定

采用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)(加拿大Regent)測(cè)定幼苗根面積，用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測(cè)定幼苗根系活力[12]，用MINI-PAM便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(德國(guó)WALZ)測(cè)定幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)，用丙酮提取法測(cè)量葉片葉綠素含量，用硫代巴比妥酸法測(cè)定葉片丙二醛含量[13]。

于上午9:00—10:00用葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定儀原位測(cè)定植株葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)。

種子萌發(fā)率通過(guò)以下公式計(jì)算。

萌發(fā)率=萌發(fā)種子數(shù)/種子總數(shù)×100%

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并利用LSD法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭浸提液對(duì)小白菜種子萌發(fā)的影響

不同處理的小白菜種子萌發(fā)結(jié)果(圖1)顯示，生物炭浸提原液處理小白菜種子的萌發(fā)率均低于CK處理，這與王晉等[14]研究結(jié)果一致。但是，經(jīng)稀釋后生物炭浸提液卻促進(jìn)小白菜種子的萌發(fā)。尤其是稀釋50倍后梨木炭浸提液處理種子發(fā)芽率較CK顯著增長(zhǎng)16.67%，說(shuō)明稀釋后的生物炭浸提液促進(jìn)小白菜種子的萌發(fā)。試驗(yàn)結(jié)果還顯示，不同生物炭浸提液處理間也存在較大差異。酒糟生物炭浸提液處理種子萌發(fā)率均低于梨木生物炭浸提液處理，尤其是酒糟生物炭浸提液原液處理比梨木生物炭浸提液原液處理低13.04%，差異顯著(P<0.05)。

注：不同字母表示不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note：Different letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level.圖1 生物炭浸提液對(duì)種子萌發(fā)的影響Fig.1 Effect of biochar extract on seed germination rate

2.2 生物炭浸提液對(duì)幼苗生長(zhǎng)的影響

不同處理的幼苗株高結(jié)果(圖2)可見(jiàn)，施用生物炭浸提液處理幼苗株高均高于CK處理，且與CK差異顯著(P<0.05)；尤其是梨木炭浸提液各處理幼苗株高均超過(guò)CK 30%以上，差異極顯著(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，這與朱優(yōu)矯等[15]的研究結(jié)果一致。

注：不同字母表示不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note：Different letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level.圖2 生物炭浸提液對(duì)幼苗株高和根系活力的影響Fig.2 Effects of biochar extract on plant height and root activity of seedling growth

研究還發(fā)現(xiàn)，酒糟生物炭浸提液雖然也提高了小白菜幼苗株高，但其促進(jìn)作用明顯低于梨木生物炭浸提液處理。這說(shuō)明梨木炭對(duì)株高的促進(jìn)效果更為顯著，這可能由于兩種生物炭浸提液中的N、K、P、微量元素以及部分利于小白菜幼苗生長(zhǎng)的有機(jī)物質(zhì)含量差異導(dǎo)致，對(duì)這方面的影響機(jī)制有待后續(xù)深入研究。

從不同處理的幼苗根系活力結(jié)果(圖2)可見(jiàn)，酒糟炭和梨木炭浸提液處理幼苗根系活力均高于CK，且差異顯著(P<0.05)。尤其是稀釋10倍梨木浸提液處理根系活力達(dá)1.6 μg·g-1·h-1，較CK增長(zhǎng)100%，差異極顯著(P<0.01)。由此說(shuō)明，生物炭浸提液可提高小白菜幼苗根系活力，這與蔣健等[16]的研究結(jié)果一致。

試驗(yàn)結(jié)果還顯示，酒糟生物炭浸提液處理幼苗根系活力的作用均顯著低于梨木生物炭浸提液處理植株；尤其是浸提液原液處理以及稀釋50倍處理植株幼苗根系活力分別比梨木生物炭浸提液處理低20.0%和26.7%，差異極顯著(P<0.01)。

2.3 生物炭浸提液對(duì)幼苗丙二醛含量的影響

丙二醛(melondialdehyde,MDA)是植株細(xì)胞膜脂過(guò)氧化過(guò)程的重要產(chǎn)物之一，不但可以反映植物細(xì)胞膜脫脂化程度和超氧自由基生成量，還可以反映超氧自由基對(duì)組織損傷的嚴(yán)重程度[17]。不同處理的幼苗MDA含量結(jié)果如圖3所示，可知，施用生物炭浸提液處理幼苗MDA含量均低于CK。其中梨木炭浸提液處理較CK下降34.1%，酒糟炭浸提液處理MDA含量較CK降低15.1%，均差異顯著(P<0.05)。由此表明，生物炭浸提液可抑制小白菜幼苗葉片MDA含量，這與王艷芳等[17]的研究結(jié)果一致。

注：不同字母表示不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note：Different letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level.圖3 生物炭浸提液對(duì)幼苗丙二醛含量的影響Fig.3 Effect of biochar extract on MDA content of seedling

試驗(yàn)結(jié)果還顯示，施用酒糟生物炭浸提液處理幼苗MDA含量均顯著高于施用梨木生物炭浸提液處理。這可能因?yàn)榫圃闵锾拷嵋褐袪I(yíng)養(yǎng)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質(zhì)含量高于梨木生物炭浸提液的原因。

2.4 生物炭浸提液對(duì)幼苗葉綠素等相關(guān)參數(shù)的影響

不同處理的幼苗葉綠素含量結(jié)果如圖4A，可知，施用生物炭浸提液各處理下幼苗葉片葉綠素含量均高于CK，其中梨木炭浸提液原液處理幼苗葉綠素含量較CK增長(zhǎng)25%，差異顯著(P<0.05)。由此表明，施用生物炭浸提液可提高小白菜幼苗葉綠素含量，這與王曉維等[18]的研究結(jié)果一致。

光化學(xué)效率(Fv/Fm)可反映植株葉片PSⅡ反應(yīng)中心光能的轉(zhuǎn)化效率[19]。正常生理狀態(tài)下，F(xiàn)v/Fm值極少發(fā)生變化，常維持在0.83左右；但當(dāng)植物受到光抑制和逆境脅迫時(shí)，其值明顯下降[18]。Fv/Fm值下降越多，說(shuō)明PSⅡ損傷越大[20]。因此，F(xiàn)v/Fm是植物逆境生理研究的重要指示性參數(shù)[21]。不同處理的幼苗PSⅡFv/Fm結(jié)果見(jiàn)圖4B，可知，CK組Fv/Fm為0.78，數(shù)值偏小，這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)采用石英砂培植而非土壤培植，對(duì)幼苗生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分供給相對(duì)缺乏，導(dǎo)致植株生長(zhǎng)受到限制。施用生物炭浸提液處理幼苗葉片的Fv/Fm均大于CK，但差異不顯著(P>0.05)，這與黃韡等[22]的研究結(jié)果一致。

實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)可反映光下光合機(jī)構(gòu)所吸收的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的比例[23]，較高的ΦPSⅡ值表示植株擁有較高的光能轉(zhuǎn)化效率，可促進(jìn)碳同化的高效運(yùn)轉(zhuǎn)和有機(jī)物積累[24]。生物炭浸提液對(duì)供試植株葉片ΦPSⅡ的影響結(jié)果見(jiàn)圖4C，可知，施用生物炭浸提液處理小白菜幼苗ΦPSⅡ均高于CK，這與王艷芳等[17]的研究結(jié)果相似。試驗(yàn)結(jié)果還顯示，不同生物炭浸提液對(duì)小白菜葉片ΦPSⅡ影響差異較大。如酒糟炭浸提液各處理均高于CK，但差異不顯著(P>0.05)。而施用梨木炭浸提液原液處理植株葉片ΦPSⅡ值達(dá)0.74，較CK增長(zhǎng)32.14%，差異極顯著(P<0.01)；各稀釋液處理ΦPSⅡ值與CK相比也差異顯著(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葉片的ΦPSⅡ值。

葉片表觀光電子傳遞速率(ETR)即表觀光合電子傳遞速率，可以定量反映從PSⅡ到PSⅠ的電子傳遞[25]，這種能力與植株的生理狀況和環(huán)境因素密切相關(guān)[26]。生物炭浸提液對(duì)幼苗ETR的影響結(jié)果如圖4D所示，可知，施用生物炭浸提液處理植株葉片ETR值均高于CK組，且隨生物炭浸提液濃度增大而增加。其中梨木炭原液處理下的ETR值最大，達(dá)26.2，較CK增長(zhǎng)59.8%，差異極顯著(P<0.01)。酒糟炭各處理ETR較CK平均增長(zhǎng)36.0%，差異顯著(P<0.05)，但低于梨木生物炭浸提液處理。由此可見(jiàn)，施用生物炭浸提液可提高供試小白菜幼苗葉片表觀光電子傳遞速率，且梨木炭對(duì)小白菜幼苗ETR值的促進(jìn)效果更明顯。

注：A.葉綠素含量；B. Fv/Fm；C. ΦPSⅡ；D. ETR。不同字母表示不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note: A.Chlorophyll content; B. Fv/Fm; C. ΦPSⅡ; D. ETR. Different letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level.圖4 生物炭浸提液對(duì)幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig.4 Effect of biochar extracts on fluorescence parameters of seedlings

3 討論

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，生物炭浸提液原液抑制了小白菜種子的萌發(fā)。這可能是因?yàn)樯镂镔|(zhì)在厭氧環(huán)境裂解過(guò)程中產(chǎn)生的生物油具有一定的生物毒性[27]，從而抑制了種子的萌發(fā)；但這些毒性物質(zhì)具有一定的水溶性[27]，經(jīng)稀釋后其毒性降低，并且溶液中正效應(yīng)因子(如丁烯酸內(nèi)酯)的作用掩蓋了負(fù)效應(yīng)因子[14]，從而促進(jìn)小白菜種子的萌發(fā)[28]。不同生物炭浸提液對(duì)小白菜種子萌發(fā)的影響差異較大，這可能是因?yàn)椴煌现苽涞纳锾恐泻械亩拘晕镔|(zhì)種類、含量、性質(zhì)以及正效應(yīng)因子等均存在較大差異所致。

生物炭浸提液提高了幼苗根系活力，增加了幼苗葉片葉綠素含量，增強(qiáng)葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)，這可能是因?yàn)樯锾拷嵋褐泻写罅康腘、K、P、S、Ca、Mg、Fe 等營(yíng)養(yǎng)元素[29-32]，這些營(yíng)養(yǎng)元素為幼苗根系組織發(fā)育和形態(tài)建成提供重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，從而使作物根系能保持較高的活力和較強(qiáng)的生理功能，進(jìn)而促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)，提高葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)。王艷芳等[17]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后平邑甜茶幼苗的ETR值較對(duì)照有顯著提高，認(rèn)為可能是施用生物炭提高了平邑甜茶幼苗葉片葉綠素含量，植株葉片光系統(tǒng)Ⅱ的光學(xué)活性隨之增強(qiáng)，使植株葉片PSⅡ的實(shí)際電子傳遞效率得到提高，增強(qiáng)了電子傳遞鏈的穩(wěn)定性，并使葉片用于光合電子傳遞的能量占所吸收光能的比例增加[33-34]，從而提高植物的光能轉(zhuǎn)化效率，增大ETR值、ΦPSⅡ值和Fv/Fm值。研究還發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可提升植株葉片對(duì)胞間 CO2的同化能力[35-37]，從而有效改善供試植株葉片的光合性能，進(jìn)而促進(jìn)植株生長(zhǎng)。此外，生物炭浸提液中的微量元素以及部分有機(jī)物質(zhì)具有較強(qiáng)的微生物親和性[38]，可提高部分微生物和酶的活性，改善植株根際生長(zhǎng)環(huán)境[39]，促進(jìn)幼苗根系生長(zhǎng)[30]，提高幼苗的葉綠素含量。

生物炭浸提液抑制小白菜幼苗葉片MDA含量，主要是因?yàn)槭┯蒙锾拷嵋禾岣哂酌缛~片的抗氧化酶活性[17]，增強(qiáng)幼苗清除活性氧的能力，在細(xì)胞水平上減輕對(duì)植物造成的氧化損傷。此外，施用生物炭可大幅增加土壤中氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素含量[19]，促進(jìn)小白菜生長(zhǎng)，從而提高小白菜的抗逆能力。