鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜光合特性的影響

劉新宇，武沛然，李彩鳳，王玉波，張樹友，陳婧婷

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

隨著地球環(huán)境的持續(xù)惡化，各種問題應(yīng)運(yùn)而生，土壤鹽堿化現(xiàn)已成為全球性的環(huán)境問題，日益侵占并威脅著人類有限的生活空間。如何改良和利用鹽堿地已經(jīng)成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)面臨的主要問題。我國東北地區(qū)的鹽堿地面積為7.66×106hm2，約占全國鹽堿地面積的7.9%[1]。光合速率下降是導(dǎo)致鹽堿脅迫植物生長緩慢的主要原因之一。鹽堿脅迫能破壞植物的葉綠體結(jié)構(gòu)[2]，葉片中鹽分的積累導(dǎo)致植物葉綠素含量下降，影響植物的光系統(tǒng)，降低植物接收光能的能力[3]，使植物生長發(fā)育緩慢甚至死亡。

甜菜(BetavulgarisL.)是世界兩大糖料作物之一，也是我國北方地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物，本身具有一定的抗鹽堿能力。目前有關(guān)鹽堿脅迫對(duì)甜菜生長影響的研究較多，有研究表明，低鹽環(huán)境可以促進(jìn)甜菜生長，高鹽環(huán)境下甜菜生長則會(huì)受到抑制[4]。鹽堿脅迫會(huì)顯著抑制甜菜的光合作用[5]，施加有機(jī)肥能有效緩解鹽堿脅迫對(duì)甜菜光合作用的抑制，并提高甜菜的產(chǎn)量[6]。

生物炭是在缺氧或絕氧條件下，將生物有機(jī)材料在高溫下熱裂解產(chǎn)生的固體[7]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,可以將生物炭按一定比例與市場上的氮磷鉀肥混合，形成新型的炭基有機(jī)、無機(jī)復(fù)合肥。生物炭與化肥混合成粒后，兩者緊密結(jié)合，可以使肥效緩慢釋放并減少化肥的流失，從而提高化肥利用率，減少環(huán)境污染[8]。由于生物炭能提高土壤的腐殖質(zhì)和有機(jī)質(zhì)含量，具備“鎖”碳能力，從而使土壤肥力和二氧化碳含量提高[9]，間接提高植物的光合能力。如果在逆境 (鹽堿或漬害) 條件下施加生物炭，則能降低土壤體積質(zhì)量，增加土壤營養(yǎng)成分含量，同時(shí)提高作物產(chǎn)量[10-11]。另外，在施加生物炭的條件下同時(shí)減少施肥量，也能顯著提高玉米產(chǎn)量[12]。

中國黑龍江松嫩平原鹽堿土面積大，對(duì)其進(jìn)行修復(fù)及開發(fā)利用具有十分重要的實(shí)際意義，但是目前在甜菜栽培上尚缺乏進(jìn)一步有效提高其耐鹽堿能力的技術(shù)措施，從而限制了甜菜在該地區(qū)的種植、開發(fā)和利用。為此，本試驗(yàn)在鹽堿脅迫條件下，通過生物炭與氮肥配施，研究甜菜葉綠素含量、RuBP羧化酶活性、凈光合速率及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化規(guī)律，探索鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜光合特性的影響，以期為甜菜抗鹽堿栽培及其生理研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試甜菜品種為KWS0143，由德國KWS公司生產(chǎn)。生物炭由玉米秸稈在500 ℃高溫低氧下制成，pH值為9.29，碳含量為67.08%，由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年在黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)站(126°63′W，45°10′N)進(jìn)行。供試土壤為本地自然黑鈣土，土壤基礎(chǔ)肥力(0～20 cm)為：有機(jī)質(zhì)含量35.66 g/kg，堿解氮含量176.27 mg/kg，速效磷含量83.30 mg/kg，速效鉀含量153.20 mg/kg，土壤土水比1∶5浸提液的電導(dǎo)率(EC1∶5)為12.2 mS/m，pH值為7.65。

將供試土壤與中性鹽(Na2SO4∶NaCl=1∶2(物質(zhì)的量比，下同)) 和堿性鹽(Na2CO3∶NaHCO3=1∶2) 混合，此時(shí)土壤中Na+含量為3 g/kg，EC1∶5為33.2 mS/m，pH值為9.15。

試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)處理，其中3個(gè)正常施肥處理，分別為黑鈣土(CK)、鹽堿脅迫處理(ALK)及鹽堿脅迫下施加3%生物炭(N180)；4個(gè)鹽堿脅迫下施加3%生物炭并同時(shí)減少氮肥用量處理，其施肥量分別為162 kg/hm2(N162)、144 kg/hm2(N144)、126 kg/hm2(N126)和108 kg/hm2(N108)，其中生物炭施用量為風(fēng)干土壤質(zhì)量(每桶10 kg) 的3%，正常施肥的施用量比例為N∶P2O5∶K2O=180∶90∶90，減少氮肥施用處理的磷、鉀肥施用量與正常施肥處理相同。肥料分別使用尿素、磷酸二胺和硫酸鉀。將各處理的鹽堿、化肥和生物炭與過篩后的土壤混勻后裝入桶中，桶的直徑為30.0 cm，高為26.5 cm。播種前每桶澆水2 L (澆透)，4月31日進(jìn)行人工播種，每桶播5穴，每穴播10粒種子，每個(gè)處理40桶。待第2對(duì)真葉展開時(shí)間苗，每桶留1株。生育期內(nèi)澆水、除草同大田管理。

在甜菜整個(gè)生育期內(nèi)，分別在06-22,07-11,08-05,08-25和09-15，隨機(jī)選擇各處理長勢(shì)相同的3株甜菜進(jìn)行取樣。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 葉綠素含量的測(cè)定 取甜菜的第3對(duì)真葉，采用乙醇提取法[13]測(cè)定甜菜葉片中的葉綠素含量。

1.3.2 RuBP羧化酶活性的測(cè)定 RuBP羧化酶活性測(cè)定采用酶聯(lián)免疫分析法，并使用上海酶聯(lián)生物科技有限公司提供的試劑盒進(jìn)行測(cè)定。

1.3.3 凈光合速率和氣孔導(dǎo)度的測(cè)定 在取樣前后的晴朗天氣，使用便攜式光合作用-熒光測(cè)量系統(tǒng) (GFS-3000，上海澤泉) ，于09:00-11:00測(cè)定甜菜的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度?？刂乒夂嫌行л椛錇? 500 μmol/(m2·s)，葉室CO2濃度為390 μmol/mol。

1.3.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 在取樣前后的晴朗天氣，于09:00-11:00使用便攜式葉綠素?zé)晒鈨x(PAM-2500，上海澤泉) 測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，包括光系統(tǒng)Ⅱ最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)、光系統(tǒng)Ⅱ?qū)嶋H光能轉(zhuǎn)換效率(Y(Ⅱ))、光系統(tǒng)Ⅱ相對(duì)電子傳遞速率(ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qL)和非化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)。

1.3.5 干物質(zhì)量的測(cè)定 每處理取3株長勢(shì)相同植株，用蒸餾水沖洗干凈，將地上部與地下部分開后，在烘箱中殺青30 min (105 ℃)，80 ℃烘干至恒質(zhì)量后進(jìn)行測(cè)定，取平均值為植株的干物質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

圖表中數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”。用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖，采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和5%水平的差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜葉綠素含量的影響

由表1可見，就整個(gè)生育期而言，各處理甜菜葉綠素含量均呈先升高后降低趨勢(shì)，CK處理的葉綠素含量在整個(gè)生育期均顯著高于各鹽堿脅迫處理。

表1 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜葉綠素含量的影響

表1顯示，在6月22日，N180、N162、N144和N126處理甜菜葉綠素含量顯著高于ALK處理，說明鹽堿脅迫下施加生物炭能顯著增加甜菜的葉綠素含量。在7月11日，N180、N162、N144和N126處理甜菜葉綠素含量較ALK處理分別提高了31.9%，36.9%，32.4%和19.8%，是各處理葉綠素含量較ALK處理增幅最大的時(shí)期。與7月11日相比，N162和N144處理甜菜葉綠素含量在8月5日略有下降，其他處理則仍呈上升趨勢(shì)。在8月25日，ALK處理甜菜的葉綠素含量與除CK外的其他處理差異不顯著，但各處理甜菜葉綠素含量均有明顯下降。在9月15日，各處理甜菜葉綠素含量均達(dá)到最低值。

2.2 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜RuBP羧化酶活性的影響

由表2可知，CK處理甜菜RuBP羧化酶活性在各取樣時(shí)期分別較ALK處理高1.8%(06-22)，6.7%(07-11)，24.6%(08-05)，24.7%(08-25)和19.7%(09-15)，說明鹽堿脅迫會(huì)降低甜菜RuBP羧化酶的活性。6月22日，ALK處理甜菜的RuBP羧化酶活性與其他處理無顯著差異。8月5日，在鹽堿脅迫條件下隨施氮量的降低甜菜RuBP羧化酶活性均逐漸降低，其中N180和N162處理均高于ALK處理，而N108處理顯著低于ALK處理。在8月25日，ALK處理甜菜的RuBP羧化酶活性顯著低于其他處理。在9月15日，CK、ALK、N180、N162、N144、N126處理甜菜的RuBP羧化酶活性均高于8月25日，其中N180、N162、N144、N126處理甜菜的RuBP羧化酶活性分別較ALK處理高16.6%，11.9%，6.3%和3.2%。

表2 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜RuBP羧化酶活性的影響

2.3 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜葉片光合特性的影響

2.3.1 凈光合速率 表3顯示，隨著生育期的推進(jìn)，甜菜葉片凈光合速率呈先升高后降低的趨勢(shì)，CK處理的凈光合速率在整個(gè)生育時(shí)期均顯著高于ALK處理，說明鹽堿脅迫使甜菜葉片凈光合速率顯著降低。隨著施氮量的降低，甜菜葉片凈光合速率也逐漸降低，除7月11日外，N180和N162處理均顯著高于其他減氮處理；除8月5日外，N108處理甜菜的凈光合速率在其余各取樣時(shí)期均低于ALK處理。在6月22日，N180、N162和N144處理甜菜葉片的凈光合速率顯著高于ALK處理。各處理甜菜的凈光合速率均在7月11日達(dá)到峰值，此時(shí)各處理間凈光合速率的變化趨勢(shì)與6月22日基本相同。

表3 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜葉片凈光合速率的影響

2.3.2 氣孔導(dǎo)度 由表4可知，甜菜葉片氣孔導(dǎo)度隨甜菜的生長呈先升高后降低的趨勢(shì)，在整個(gè)生育期內(nèi)ALK處理均顯著低于CK處理，在各取樣時(shí)期較CK分別下降了28.5%(06-22)、21.0%(07-11)、40.3%(08-05)、31.2%(08-25)和43.6%(09-15)，說明甜菜葉片氣孔導(dǎo)度在鹽堿脅迫下顯著下降。在各取樣時(shí)期，N180、N162和N144處理甜菜葉片氣孔導(dǎo)度均顯著高于ALK處理；隨氮肥施用量的減少，氣孔導(dǎo)度逐漸降低，其中N180處理顯著高于N162、N144、N126和N108處理。

表4 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜葉片氣孔導(dǎo)度的影響

2.4 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.4.1Fv/Fm由表5可知，甜菜的Fv/Fm隨生育期的推進(jìn)呈無規(guī)律變化，N180，N162和CK處理在整個(gè)生育期均顯著高于ALK處理，說明鹽堿脅迫顯著減低了甜菜的Fv/Fm，生物炭的加入顯著增加了甜菜葉片的Fv/Fm?？傮w上而言，隨著氮肥施用量的減少，甜菜葉片F(xiàn)v/Fm呈逐漸下降趨勢(shì)，除6月22日外，其余取樣時(shí)期N180與N162處理相比無顯著差異。

表5 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜Fv/Fm的影響

2.4.2Y(Ⅱ) 由圖1可知，隨著生育期的推進(jìn)，各處理甜菜葉片的Y(Ⅱ)均呈先升高后下降的趨勢(shì)，ALK處理的Y(Ⅱ)在各取樣時(shí)期較CK處理分別下降了4.7%(06-22)，2.0%(07-11)，7.1%(08-05)，2.7%(08-25)和4.1%(09-15)，且差異均達(dá)到顯著水平，說明鹽堿脅迫使甜菜的Y(Ⅱ)顯著降低。N180和N162處理甜菜的Y(Ⅱ)在各取樣時(shí)期均顯著高于ALK處理。

同一取樣日期下不同小寫字母表示各處理間在0.05水平差異顯著。下同

2.4.3 ETR 由表6可知，隨生育期的推進(jìn)，各處理甜菜的ETR總體均呈先升高后降低的趨勢(shì)?？傮w而言，鹽堿脅迫使甜菜ETR明顯降低，適量氮肥條件下施加生物炭可以顯著提升甜菜的ETR。6月22日，N180和N162處理甜菜的ETR顯著高于除CK外的其他處理。7月11日，各處理甜菜的ETR均達(dá)到最大值，此時(shí)N180和N162處理顯著高于其他處理。8月5日，CK處理甜菜的ETR顯著高于其他處理。至8月25日，N180處理甜菜的ETR顯著高于其他處理。

表6 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜葉片ETR的影響

2.4.4qL表7顯示，鹽堿脅迫下加入生物炭后，隨著生育期的推進(jìn)，各處理甜菜的qL均呈先升高后降低的趨勢(shì)，在各取樣時(shí)期ALK處理的qL較CK處理分別降低了14.6% (06-22)，14.6%(07-11)，5.2% (08-05)，10.1% (08-25) 和14.3% (09-15)，且差異均達(dá)到了顯著水平。隨著氮肥施用量的減少，甜菜qL逐漸降低。N162和N180處理甜菜的qL在6月22日、7月11日和8月5日無顯著差異，而在8月25日和9月15日，以N180處理顯著高于N162。

表7 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜qL的影響

2.4.5 NPQ 從表8可以看出，隨生育期的推進(jìn),各處理甜菜的NPQ均呈先減小后增大的趨勢(shì)，鹽堿脅迫顯著增加了甜菜的NPQ，施加生物炭能顯著降低NPQ。CK處理與N180處理、N180處理與N162處理相比，甜菜NPQ在各取樣時(shí)期均無顯著差異。在7月11日，除CK處理外其他處理的NPQ均達(dá)到最低值，此時(shí)ALK和N126處理甜菜的NPQ顯著高于其他處理，隨后又開始逐漸升高；8月25日，ALK、N144、N126和N108處理甜菜的NPQ顯著高于CK、N180和N162處理；至9月15日，N144、N126和N108處理甜菜的NPQ顯著高于其他處理。

表8 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜NPQ的影響

2.5 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜干物質(zhì)量的影響

2.5.1 葉片干物質(zhì)量 由圖2可知，各處理甜菜葉片干物質(zhì)量總體均隨生育期的推進(jìn)呈先增加后減小趨勢(shì)。鹽堿脅迫顯著降低了甜菜葉片的干物質(zhì)量，ALK處理甜菜葉片干物質(zhì)量在各取樣時(shí)期較CK處理分別降低了67.5%(06-22)，22.3%(07-11)，26.1%(08-05)，26.1%(08-25)和15.7%(09-15)。N180和N162處理甜菜葉片干物質(zhì)量在各生育時(shí)期也顯著高于ALK處理。除N108處理外，其他處理甜菜葉片的干物質(zhì)量均在8月5日達(dá)到最大值，其中以N180處理最大，為11.14 g，較ALK處理高出177%。在8月25日，N108處理葉片干物質(zhì)量較8月5日略有增長，其他處理則開始下降。

圖2 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜葉片干物質(zhì)量的影響

2.5.2 根系干物質(zhì)量 由圖3可知，隨生育期的推進(jìn)，各處理甜菜根系干物質(zhì)量均呈逐漸增大趨勢(shì)，鹽堿脅迫顯著降低了甜菜根系的干物質(zhì)量。在各取樣時(shí)期，N180、N162、N144處理甜菜根系干物質(zhì)量均顯著高于ALK處理；在6月22日、8月5日和8月25日，N180處理甜菜的根系干物質(zhì)量均顯著高于N162處理；在7月11日，N180和N162處理甜菜的根系干物質(zhì)量無顯著差異，而在9月15日，N162處理甜菜的根系干物質(zhì)量較N180處理高7.2%，且差異顯著。

圖3 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜根系干物質(zhì)量的影響

2.6 甜菜葉片干質(zhì)量與光合重要指標(biāo)的相關(guān)性

在8月5日，除N108處理外，其他處理甜菜的葉片干物質(zhì)量均達(dá)到最大值，說明此時(shí)甜菜處于葉叢快速生長期，因此選擇8月5日時(shí)的各指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析。葉綠素含量和RuBP羧化酶活性均與甜菜的光合作用相關(guān)，甜菜葉片凈光合速率、Y(Ⅱ)和qL是光合作用速率與效率的直觀表現(xiàn)。由表9可以看出，甜菜葉片的葉綠素含量、RuBP羧化酶活性、凈光合速率、Y(Ⅱ)、qL和葉片干物質(zhì)量之間均存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。

表9 甜菜葉片干物質(zhì)量與光合重要指標(biāo)的相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

光合作用是植物最基本也是最重要的生理代謝之一，其能制造植物所需的有機(jī)物，平衡大氣中氧和二氧化碳的平衡，在自然界中具有重要意義。鹽堿土中過量的Na+導(dǎo)致土壤水勢(shì)降低，使植物從土壤中吸水困難；植物吸收大量的Na+后不僅使植物對(duì)其他養(yǎng)分難于吸收，而且還會(huì)導(dǎo)致植物的生理代謝紊亂，降低植物的光合作用。研究表明，高濃度的鹽堿脅迫顯著降低了植物葉片的葉綠素含量和光系統(tǒng)Ⅱ的光化學(xué)效率[14-17]，這與本研究結(jié)果相一致，其原因可能是過量的鹽分導(dǎo)致植物原生質(zhì)凝聚，破壞了葉綠體的結(jié)構(gòu)，抑制了光合作用的光反應(yīng)[18]。在鹽堿脅迫下枸杞的RuBP羧化酶活性顯著降低，使得枸杞的碳同化能力下降，光合作用速率減慢[19]，與本研究結(jié)果相同，這可能是由于能量供應(yīng)被限制所致[20]。李帥霖等[21]研究表明，施加2%的生物炭和0.2 g/kg純N的氮肥可使小麥葉片凈光合速率顯著提高。其原因可能是由于生物炭疏松多孔的結(jié)構(gòu)能提高土壤的透氣性，并使土壤的比表面積增大，有利于植物更容易地從土壤中交換營養(yǎng)物質(zhì)，為植物提供了良好的生長環(huán)境。

本研究結(jié)果表明，鹽堿脅迫能顯著降低甜菜的葉綠素含量，減慢光合作用光反應(yīng)和暗反應(yīng)速率及干物質(zhì)積累速率，而施加生物炭能有效緩解鹽堿脅迫對(duì)甜菜生長的影響，這與武沛然等[22]關(guān)于鹽堿脅迫下施加生物炭對(duì)甜菜生長的影響研究結(jié)果相一致。同時(shí)，在減少10%氮肥施用量 (N162) 的情況下，甜菜的光合作用和干物質(zhì)量與氮肥不減量處理(N180)無顯著差異，這可能是由于施加生物炭和適當(dāng)減少氮肥用量增加了土壤微生物的多樣性。有研究表明，生物炭與氮肥配施能使土壤中的微生物生物量碳提高45.1%～208.6%，土壤脲酶活性提高91.7%，還能顯著增加土壤微生物數(shù)量[23]。這可能是由于生物炭具有較強(qiáng)的吸附性，能吸附土壤中的營養(yǎng)元素和礦質(zhì)元素[24]，有利于土壤中微生物的生長繁殖；土壤脲酶活性的提高和微生物多樣性的增加能改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)，從而提高了肥料在鹽堿土中的利用效率[25]，間接提高甜菜的光合作用速率和干物質(zhì)積累速率。

綜上所述，施加3%生物炭能有效緩解鹽堿脅迫對(duì)甜菜光合作用的抑制。結(jié)合施肥成本考慮，在鹽堿脅迫條件下施加3%生物炭的同時(shí)減少10%氮肥 (N162) 最為合理，但關(guān)于鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對(duì)甜菜生長和土壤理化性質(zhì)的影響及其機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。