生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒緩解番茄幼苗酚酸化感脅迫效應(yīng)的研究

涂玉婷，黃繼川，吳雪娜，廖偉杰，彭智平

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/廣東省養(yǎng)分資源循環(huán)利用與耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510640）

0 引言

連作障礙是指在同一地塊連續(xù)種植同一種或近緣作物后，即使釆用正常的栽培管理措施，也會(huì)出現(xiàn)植株生長(zhǎng)發(fā)育狀況不良、產(chǎn)量下降、品質(zhì)變差的現(xiàn)象[1]。近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化水平的不斷發(fā)展，一些耕種區(qū)域連作障礙問(wèn)題日益突顯。國(guó)內(nèi)連作障礙危害程度較高的土地占總耕地面積的比例已超過(guò)10%，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[2]。

作物連作障礙的機(jī)理非常復(fù)雜，是作物與土壤內(nèi)部諸多因素和外部因素綜合作用的結(jié)果。目前已有的研究表明，連作障礙機(jī)理可概括為植物的化感自毒作用、土壤生物學(xué)環(huán)境惡化、土壤理化性狀劣化3個(gè)方面，而三者之間又是相互關(guān)聯(lián)的[3]。其中，植物化感自毒作用是由根系分泌、地上部淋溶和殘?bào)w腐解所產(chǎn)生的化感自毒物質(zhì)在土壤中累積所致。研究表明，高等植物的化感物質(zhì)主要是酚酸類和萜類，以及少數(shù)含氮化合物、聚乙炔和香豆素等次生物質(zhì)。其中酚酸類化感物質(zhì)數(shù)量比所有其他類型化感物質(zhì)的總量多，也是研究最多、活性較強(qiáng)的一類化感物質(zhì)[4]。高濃度的酚酸類化感物質(zhì)不僅可以通過(guò)直接的自毒作用抑制作物的生長(zhǎng)，還會(huì)選擇性地抑制或促進(jìn)微生物生長(zhǎng)，造成土壤微生物群落結(jié)構(gòu)失衡[5]。此外，前人研究還發(fā)現(xiàn)酚酸會(huì)導(dǎo)致土壤pH下降，并對(duì)土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化過(guò)程造成負(fù)面影響[6]。因此，開發(fā)去除連作土壤中化感自毒物質(zhì)的技術(shù)是從根源上解決連作障礙的有效措施。

傳統(tǒng)的客土、輪作倒差、藥劑處理對(duì)防治土傳病害、緩解連作障礙有一定效果，但是分別存在操作成本高、適用范圍有限、藥劑易殘留等缺點(diǎn)[7]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將高溫碳化制備出的生物質(zhì)炭材料應(yīng)用于連作土壤修復(fù)研究中。由于生物炭具有豐富的孔隙和很強(qiáng)的吸附性能，對(duì)連作土壤理化性質(zhì)改良、微生物調(diào)控及農(nóng)作物增產(chǎn)提質(zhì)均表現(xiàn)出良好的效果[2,8]。Atucha等[9]研究表明，在連作土壤中施用20%(v/v)的生物炭，可使桃樹地下部和地上部生物量與對(duì)照組相比分別增加2.6和0.6倍，顯著促進(jìn)桃樹生長(zhǎng)并減少再植病的發(fā)病率。武春成等[10-11]研究發(fā)現(xiàn)，按連作土壤質(zhì)量比5%施入玉米秸稈生物炭，可使連作土壤pH提高0.56個(gè)單位，降低土壤真菌和尖孢鐮刀菌數(shù)量，提高細(xì)菌數(shù)量和細(xì)菌/真菌比值，改善黃瓜根區(qū)土壤微生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)黃瓜生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高。但生物炭吸附并不能徹底去除有機(jī)物，只是將其從土壤中轉(zhuǎn)移到生物質(zhì)炭材料中，一部分滯留在生物質(zhì)炭中的有機(jī)物會(huì)通過(guò)解吸附過(guò)程釋放回土壤環(huán)境，其對(duì)作物正常生長(zhǎng)和土壤中的微生物仍存在一定威脅[12]。為實(shí)現(xiàn)連作土壤中化感自毒物質(zhì)的快速?gòu)氐兹コ?，本研究將多孔生物炭與化學(xué)氧化劑相耦合，通過(guò)吸附-氧化協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)對(duì)化感自毒物質(zhì)的有效去除。

在眾多化學(xué)氧化劑中，過(guò)氧化鈣具有較高的穩(wěn)定性和反應(yīng)速率可控性，被廣泛應(yīng)用于土壤修復(fù)領(lǐng)域。過(guò)氧化鈣與水反應(yīng)生成H2O2；當(dāng)溶液中存在Fe2+時(shí)，生成的H2O2則可通過(guò)Fenton反應(yīng)釋放出高活性和強(qiáng)氧化性的羥基自由基(·OH)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中難生物降解有機(jī)物的有效去除[13]。除作為固體H2O2應(yīng)用于2,4,6-三硝基甲苯、氯酚、多環(huán)芳烴和石油烴等難生物降解的有機(jī)污染土壤的原位修復(fù)工藝中[14-15]，過(guò)氧化鈣還可作為水稻種子包衣材料和潛育化稻田土壤改良劑使用[16-17]。但目前關(guān)于過(guò)氧化鈣對(duì)酚酸類化感自毒物質(zhì)的去除研究還未見報(bào)道。

將生物炭與過(guò)氧化鈣以何種形式復(fù)合能夠有效去除酚酸類化感物質(zhì)，制備所得的復(fù)合材料是否能夠有效緩解酚酸類物質(zhì)對(duì)番茄的化感脅迫效應(yīng)，這些問(wèn)題將通過(guò)本研究獲得解析。本研究選取連作障礙問(wèn)題較嚴(yán)重的番茄作為供試作物，以對(duì)番茄具有明顯化感效應(yīng)的苯甲酸[18-19]為模擬化感自毒物質(zhì)。通過(guò)序批試驗(yàn)比較包覆法和共混法制備所得復(fù)合顆粒對(duì)苯甲酸的去除效果和作用機(jī)理。采用水培試驗(yàn)，考察施用復(fù)合顆粒對(duì)番茄幼苗的農(nóng)藝性狀和生理生化指標(biāo)的影響，明確生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒緩解酚酸類物質(zhì)對(duì)番茄苗期生長(zhǎng)抑制作用的效果，以期為克服作物連作障礙提供可靠的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

供試番茄品種為‘大豐順’，為廣東番茄產(chǎn)區(qū)栽培的主要品種之一。苯甲酸購(gòu)買自阿拉丁試劑（上海）有限公司。生物炭采用椰殼活性炭，購(gòu)自廣州化學(xué)試劑廠。過(guò)氧化鈣、硫酸亞鐵（七水）、色譜級(jí)甲醇均購(gòu)買自上海麥克林生化科技有限公司。所有配制溶液的水均為反滲透-電去離子高純水，電阻率≥18 MΩ·cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒的制備與表征 按生物炭:過(guò)氧化鈣:礦物粘結(jié)劑的質(zhì)量比為20:5:1的比例準(zhǔn)確稱量各物料2份，其中一份使用包覆法制備生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒，另外一份使用共混法進(jìn)行復(fù)合顆粒的制備。包覆法制備復(fù)合顆粒時(shí)，先將20%的礦物粘結(jié)劑與過(guò)氧化鈣混合均勻，加入適量水后，通過(guò)造粒機(jī)制成粒徑為2 mm左右的過(guò)氧化鈣球形顆粒，再以此為內(nèi)核，將生物炭與礦物粘結(jié)劑混合粉末通過(guò)圓盤造粒機(jī)包覆于過(guò)氧化鈣顆粒表面，將制備所得顆粒于40℃下烘至恒重。共混法制備復(fù)合顆粒，需將生物炭、過(guò)氧化鈣、礦物粘結(jié)劑混合均勻，然后加入適量水，充分?jǐn)嚢璜@得具有一定粘性的混合物。通過(guò)控制顆粒粒徑，獲得與包覆法制備所得復(fù)合顆粒相等數(shù)量的球形顆粒。此外按生物炭或過(guò)氧化鈣與礦物粘結(jié)劑質(zhì)量比為25:1分別制備生物炭顆粒和過(guò)氧化鈣顆粒。制備所得以上4種顆粒的粒徑均為5 mm左右。

采用序批試驗(yàn)測(cè)試制備所得復(fù)合顆粒對(duì)苯甲酸的去除性能。在250 mL具塞錐形瓶中加入100 mL濃度為100 mg/L的苯甲酸溶液和0.15 g左右的顆粒，加入10 mg/L Fe2+(FeSO4·7H2O)做催化劑。將錐形瓶置于恒溫振蕩器上，于25℃、180 r/min條件下振蕩并計(jì)時(shí)，每隔一定時(shí)間取樣，用0.22 μm的微孔濾膜去除水中顆粒物，立即使用高效液相色譜測(cè)定濾液中苯甲酸和過(guò)氧化氫濃度。同步進(jìn)行不投加Fe2+催化劑的對(duì)照試驗(yàn)。

1.2.2 番茄幼苗水培試驗(yàn) 番茄幼苗水培試驗(yàn)于2019年在廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。將用NaClO表面消毒過(guò)的番茄種子催芽后，播于裝有草炭和蛭石（體積比1:1）的育苗盤中，待番茄幼苗長(zhǎng)到4葉期，挑選生長(zhǎng)一致的番茄幼苗，分別用自來(lái)水和去離子水沖洗根系，除去根部攜帶的基質(zhì)。將洗凈的番茄苗根部置于去離子水中過(guò)渡12 h，然后放入1/2Hongland營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)，每3天更換一次營(yíng)養(yǎng)液，培養(yǎng)至六葉一心時(shí)，選擇長(zhǎng)勢(shì)基本一致的番茄幼苗進(jìn)行處理。

本研究預(yù)試驗(yàn)分別考察番茄幼苗在含有濃度為20、50、100、150、200 mg/L的苯甲酸水培液中的生長(zhǎng)情況，結(jié)果表明苯甲酸濃度高于100 mg/L會(huì)對(duì)苯甲酸的生長(zhǎng)產(chǎn)生明顯抑制作用，因此本研究共設(shè)5個(gè)番茄苗水培試驗(yàn)處理：（1）營(yíng)養(yǎng)液對(duì)照(CK)；（2）營(yíng)養(yǎng)液+100 mg/L苯甲酸脅迫處理(T1)；（3）營(yíng)養(yǎng)液+100 mg/L苯甲酸+1.5 g/L生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒(T2)；（4）營(yíng)養(yǎng)液+100 mg/L苯甲酸+1.2 g/L生物炭顆粒(T3)；（5）營(yíng)養(yǎng)液+100 mg/L苯甲酸+0.3 g/L過(guò)氧化鈣顆粒(T4)。每個(gè)處理6株，重復(fù)3次。將定植好的番茄苗置于人工氣候箱中，培養(yǎng)溫度為白天28℃、晚上25℃，暗光培養(yǎng)/光照培養(yǎng)=14 h/10 h，光照強(qiáng)度為11000 lx，相對(duì)濕度60%。培養(yǎng)10天后對(duì)番茄幼苗各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

制備所得的顆粒的抗壓性能通過(guò)使用濟(jì)南試金WEW-600D材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定，采用縱向最大變形力值來(lái)評(píng)價(jià)。顆粒的比表面積采用美國(guó)康塔Autosorb-iQ全自動(dòng)物理/化學(xué)吸附分析儀進(jìn)行測(cè)試。

溶液中苯甲酸和過(guò)氧化氫的測(cè)定采用Waters e2695 Alliance高效液相色譜檢測(cè)，色譜柱為Water Symmetry C18(5.0 μm,4.6 mm×250 mm)，柱溫30℃。流動(dòng)相為0.1%甲酸溶液:甲醇(70:30，v/v)，流速0.8mL/min，進(jìn)樣量為20 μL。苯甲酸和過(guò)氧化氫的檢測(cè)波長(zhǎng)分別為225、200 nm。溶液pH采用上海雷磁PHS-3C型pH計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

番茄幼苗株高（從根頸部到生長(zhǎng)點(diǎn)為基準(zhǔn)）和主根長(zhǎng)采用鋼尺測(cè)量。用1/10000電子天平稱量鮮質(zhì)量、莖葉鮮重和根部鮮重。

番茄根系活力采用TTC法（氯化三苯基四氮唑法）測(cè)定；根系細(xì)胞膜相對(duì)透性采用電導(dǎo)法測(cè)定，以細(xì)胞膜相對(duì)電導(dǎo)率表示；根系丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定；葉片超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性采用NBT還原法測(cè)定，過(guò)氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan法在P＜0.05水平上進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合顆粒性能指標(biāo)檢測(cè)

從圖1可以看出，制備方法對(duì)復(fù)合顆粒的外觀形貌沒有太大影響，2種顆粒的粒徑均在5.0 mm左右（表1），制備復(fù)合顆粒所用生物炭和過(guò)氧化鈣粉末的比表面積分別為514.24和35.18 m2/g。經(jīng)造粒處理所得的4種顆粒與原料相比，比表面積均有不同程度的下降，但2種復(fù)合顆粒仍一定程度地保留了生物炭較大比表面積的特性。最大變形力測(cè)定結(jié)果表明，制備所得4種顆粒的力學(xué)性能從大到小依次為過(guò)氧化鈣顆粒、包覆顆粒、共混顆粒、生物炭顆粒。這可能是由于生物炭具有較大的比表面積，孔隙結(jié)構(gòu)豐富，制備所得顆粒結(jié)構(gòu)較松散，力學(xué)性能低于結(jié)構(gòu)更致密的過(guò)氧化鈣顆粒。而生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒的力學(xué)介于生物炭顆粒和過(guò)氧化鈣顆粒之間，且包覆顆粒的最大變形力略高于共混顆粒。

圖1 共混法和包覆法制備所得生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒

表1 制備所得顆粒的比表面積和最大變形力

每克包覆顆粒和共混顆粒在去離子水中氫氧根離子的釋放量隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示，同時(shí)使用與復(fù)合顆粒中等組分含量的粉末狀CaO2和顆粒狀CaO2作為對(duì)比。粉末狀CaO2加入去離子水后，溶液pH在前20 min迅速上升，釋放出大量氫氧根離子。而添加粘結(jié)劑造粒后的顆粒狀CaO2、生物炭-CaO2共混復(fù)合顆粒和包覆顆粒在去離子水中的氫氧根離子釋放速率明顯減緩，浸泡3 h后，以上3個(gè)體系中氫氧根離子釋放總量分別為等含量的CaO2粉末氫氧根離子釋放量的11.6%、8.9%和0.9%?？梢姡褂谜辰Y(jié)劑造粒處理可有效降低氫氧根離子的釋放速率，并減少釋放量。且生物炭包覆造粒處理對(duì)減少氫氧根離子釋放量的效果最顯著，可有效緩沖CaO2分解對(duì)水溶液pH的影響。

圖2 不同顆粒和過(guò)氧化鈣粉末在去離子水中OH-釋放量隨時(shí)間的變化情況

2.2 復(fù)合顆粒對(duì)苯甲酸的去除性能

本研究通過(guò)序批試驗(yàn)考察1.5 g/L包覆法和共混法制備所得生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒，1.2 g/L生物質(zhì)炭顆粒和0.3 g/L過(guò)氧化鈣顆粒在不添加亞鐵離子(Fe2+)的情況下，體系對(duì)100 mg/L苯甲酸的去除情況。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)3 h反應(yīng)后，包覆顆粒、共混顆粒和生物炭顆粒對(duì)溶液中苯甲酸的去除率較接近，分別為32.8%、33.1%和31.7%，而過(guò)氧化鈣顆粒對(duì)苯甲酸的去除率僅為0.5%。說(shuō)明過(guò)氧化鈣在無(wú)Fe2+存在的情況下對(duì)苯甲酸的去除性能極低，復(fù)合顆粒在該條件下對(duì)苯甲酸去除率主要是由生物炭的吸附作用貢獻(xiàn)。

進(jìn)一步通過(guò)序批試驗(yàn)分別考察包覆法和共混法制備所得生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒在Fe2+存在的情況下對(duì)苯甲酸的去除性能，結(jié)果如圖3a所示。經(jīng)過(guò)3 h反應(yīng)后，1.5 g/L包覆顆粒和共混顆粒對(duì)100 mg/L苯甲酸的去除率分別為82.6%和67.0%。在相同反應(yīng)條件下，與復(fù)合顆粒中等組分含量的生物炭顆粒和過(guò)氧化鈣顆粒對(duì)苯甲酸的去除率僅為32.5%和12.9%。這2個(gè)單組分體系對(duì)苯甲酸的去除率之和為45.4%，顯著低于復(fù)合顆粒體系中苯甲酸的去除率?？梢姡瑢⑸锾颗c過(guò)氧化鈣復(fù)合對(duì)苯甲酸的去除具有協(xié)同增效的作用，且包覆法制備所得復(fù)合顆粒對(duì)苯甲酸的去除性能優(yōu)于共混顆粒。

圖3b為在外源Fe2+存在的情況下，添加4種顆粒的苯甲酸溶液pH隨反應(yīng)時(shí)間的變化情況。由于在反應(yīng)過(guò)程中，苯甲酸氧化降解成小分子有機(jī)酸和過(guò)氧化鈣分解生成氫氧化鈣2個(gè)反應(yīng)均會(huì)影響溶液pH，溶液的pH存在一定的波動(dòng)現(xiàn)象。反應(yīng)3 h后，復(fù)合顆粒體系的溶液pH顯著低于過(guò)氧化鈣顆粒體系，且添加包覆顆粒的溶液pH最低，為4.68。這與2種顆粒在水中的氫氧根離子釋放性能測(cè)定的試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖3 不同處理苯甲酸去除率和溶液pH隨反應(yīng)時(shí)間的變化情況

綜合復(fù)合顆粒理化性質(zhì)表征結(jié)果，選用包覆法制備所得復(fù)合顆粒用于番茄苗水培試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)10天培養(yǎng)后，對(duì)照CK的水培液pH 6.54，添加苯甲酸脅迫的T1處理組水培液pH 5.70，添加復(fù)合顆粒、生物炭顆粒、過(guò)氧化鈣顆粒的處理水培液分別為pH 6.01、7.16、9.89。添加復(fù)合生物炭的水培系統(tǒng)中苯甲酸的去除率可達(dá)68.5%。

2.3 不同處理對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

由表2可知，單獨(dú)施用苯甲酸的T1處理與CK相比，生物量減少38.46%，根重和莖葉鮮重分別減少53.1%和36.3%，均達(dá)差異顯著水平。添加生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒(T2)、生物炭顆粒(T3)和過(guò)氧化鈣顆粒(T4)處理的番茄幼苗生物量較T1處理分別增加48.0%、28.2%和6.8%。其中添加生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒處理(T2)的番茄植株單顆生物量最接近CK。在根重和莖葉鮮重2個(gè)指標(biāo)上，T2處理分別比T1處理增加83.0%和44.2%，差異達(dá)顯著水平。說(shuō)明施加適量的生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒有利于緩解苯甲酸對(duì)番茄幼苗根部和地上部的抑制作用。添加生物炭顆粒的處理也可一定程度地增加苯甲酸脅迫下番茄植株的根重和莖葉鮮重，但效果不及生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒。而添加過(guò)氧化鈣顆粒的T4處理，與T1處理相比，在根重和莖葉鮮重上差異不顯著。

表2 不同處理番茄幼苗平均生物量、根重、莖葉鮮重、株高和根長(zhǎng)比較

與對(duì)照相比，施用外源苯甲酸后，番茄株高降低了11.5%，差異不顯著；而T1處理與CK相比，番茄植株根長(zhǎng)下降了32.4%，差異達(dá)顯著水平。說(shuō)明100 mg/L的苯甲酸對(duì)番茄株高和根長(zhǎng)均有抑制作用，且對(duì)根長(zhǎng)的抑制作用強(qiáng)于對(duì)株高的抑制。T2、T3、T4不同緩解措施處理的番茄株高較T1處理分別提高9.5%、6.6%和1.2%，但差異均不顯著。在主根長(zhǎng)指標(biāo)上，T2和T3處理均可緩解酚酸對(duì)根長(zhǎng)的抑制作用，促進(jìn)幼苗主根長(zhǎng)的增加。其中T2處理較T1增加37.3%，差異達(dá)顯著水平，且T2處理主根長(zhǎng)與CK相近。故添加生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒有利于緩解苯甲酸對(duì)番茄根長(zhǎng)的抑制作用。

2.4 不同處理對(duì)番茄幼苗生理指標(biāo)的影響

2.4.1 對(duì)番茄幼苗根系活力的影響 根系活力是反映植株吸收功能的綜合指標(biāo)，直接影響著根系的生長(zhǎng)、代謝和吸收功能，進(jìn)而影響地上部的生長(zhǎng)發(fā)育[21]。從圖4a中可以看出，試驗(yàn)濃度下苯甲酸對(duì)番茄幼苗根系活力表現(xiàn)出顯著抑制作用。而T2～T4處理根系活力分別是T1處理的2.7、2.1和1.2倍，可見3種措施處理對(duì)苯甲酸脅迫下根系活力的恢復(fù)均有一定作用，其中添加生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒處理(T2)的緩解效果最好。

2.4.2 對(duì)根系細(xì)胞膜相對(duì)透性的影響 酚酸脅迫可使植物根系細(xì)胞膜遭到破壞，膜透性增大，細(xì)胞內(nèi)的電解質(zhì)外滲，從而導(dǎo)致浸提液的電導(dǎo)率增大。因此，圖4b中T1的細(xì)胞膜相對(duì)透性顯著高于CK。不同緩解措施對(duì)番茄幼苗根系細(xì)胞膜相對(duì)透性的影響差異較大，其中添加生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒和生物炭顆粒均可顯著緩解酚酸對(duì)細(xì)胞膜的破壞作用，與T1相比，T2和T3處理的細(xì)胞膜相對(duì)透性分別降低23.7%和24.0%，差異達(dá)顯著水平。而加入過(guò)氧化鈣顆粒(T4)對(duì)調(diào)節(jié)酚酸脅迫下番茄根系細(xì)胞膜的相對(duì)透性無(wú)明顯效果。

2.4.3 對(duì)番茄幼苗葉片MDA含量的影響 丙二醛(MDA)是植株細(xì)胞膜脂過(guò)氧化最重要的產(chǎn)物之一。植株體內(nèi)MDA含量的變化可以反映逆境條件下植物細(xì)胞膜脫脂化程度和超氧自由基對(duì)組織損傷的嚴(yán)重程度[22]。如圖4c所示，與CK對(duì)照相比，經(jīng)酚酸處理后，番茄幼苗葉片中MDA的含量明顯提高，增幅達(dá)51.4%。3種緩解措施處理與T1處理比較，均可一定程度地減緩酚酸脅迫下MDA含量的增加幅度，其中T2處理組較T1處理MDA含量下降30.3%，且與CK組相比無(wú)顯著性差異?？梢?，添加生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆?？捎行Ь徑獗郊姿崦{迫造成的番茄幼苗體內(nèi)膜質(zhì)過(guò)氧化作用。

圖4 不同處理對(duì)番茄幼苗根系活力、根系細(xì)胞膜相對(duì)透性和葉片MDA含量的影響

2.4.4 不同處理對(duì)番茄幼苗葉片保護(hù)酶活性的影響 與CK相比，本試驗(yàn)所用濃度的苯甲酸脅迫處理組(T1)的超氧化物歧化酶(SOD)和過(guò)氧化物酶(POD)酶活性均有所降低（圖5），表明酚酸的施加使番茄葉片抗氧化酶活力下降，不利于番茄生長(zhǎng)發(fā)育。與T1處理組相比，各緩解措施處理組的SOD酶活性分別提高了61.0%、49.9%、17.6%，POD酶活性分別提高了45.6%、26.5%、3.4%。其中添加生物炭-過(guò)氧化鈣顆粒處理的SOD和POD抗氧化酶的活性提高效果最明顯，表明施加生物炭-過(guò)氧化鈣顆?？梢杂行У靥岣叻铀崦{迫下番茄葉片的抗氧化酶活性，使植株清除體內(nèi)活性氧自由基的能力增強(qiáng)，在細(xì)胞水平上減輕苯甲酸對(duì)植物造成的氧化損傷，緩解酚酸對(duì)番茄幼苗的生長(zhǎng)脅迫，有利于番茄的生長(zhǎng)發(fā)育。

圖5 不同處理對(duì)番茄葉片SOD和POD活性的影響

3 結(jié)論

本研究以生物炭、過(guò)氧化鈣和礦物粘結(jié)劑為原料，分別使用共混法和包覆法制備生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒，并考察其對(duì)苯甲酸的去除率。結(jié)果表明包覆法可有效緩沖CaO2分解生成的氫氧根離子對(duì)溶液pH的影響，從而獲得比等質(zhì)量共混法制備所得復(fù)合顆粒更高的苯甲酸去除率。水培試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，復(fù)合顆?？捎行Ы档驮耘嘟橘|(zhì)中苯甲酸濃度，從而減輕酚酸對(duì)番茄的生理脅迫，緩解膜脂過(guò)氧化作用對(duì)番茄根系細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的損傷，促進(jìn)番茄幼苗生長(zhǎng)。本研究所得結(jié)果，對(duì)研究茄果類蔬菜連作障礙難題具有非常重要的實(shí)際價(jià)值，也能夠?yàn)槟壳稗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中其他農(nóng)作物存在的連作障礙問(wèn)題的解決提供積極的啟示。后續(xù)將以生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒作為連作土壤調(diào)理劑，通過(guò)盆栽和大田試驗(yàn)，進(jìn)一步研究其對(duì)植株生長(zhǎng)和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的調(diào)控效應(yīng)。

4 討論

4.1 制備方法對(duì)復(fù)合顆粒苯甲酸去除性能的影響

現(xiàn)階段，關(guān)于生物炭應(yīng)用于克服連作障礙方面的研究普遍關(guān)注施用生物炭對(duì)農(nóng)作物增產(chǎn)抗病、土壤理化性質(zhì)改善及土壤酶活和微生物群落結(jié)構(gòu)的調(diào)控效果[8-11,23-24]，而對(duì)生物炭施用后栽培介質(zhì)中酚酸的去除效果方面的研究還較缺乏。Hosseinzadeh等[25]分別比較了顆粒活性炭吸附、離子樹脂交換和臭氧氧化3種方法對(duì)萵苣水培營(yíng)養(yǎng)液中苯甲酸(BA)的去除效果，結(jié)果表明3種方法均能有效去除BA，且活性炭吸附對(duì)COD的去除率最高(72%)。Wang等[26]通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，考察施用生物炭對(duì)蘋果實(shí)生苗在連作土壤中生長(zhǎng)的影響，在生物炭施用量為80 g/kg的情況下，土壤中總酚酸的去除率達(dá)61.2%。從以上少量的研究結(jié)果可以看出，生物炭對(duì)栽培介質(zhì)中的酚酸類化感自毒物質(zhì)具有較好的吸附作用，從而有效克服連作過(guò)程中化感作用產(chǎn)生的負(fù)面影響。本研究序批試驗(yàn)經(jīng)過(guò)3 h吸附后，1.2 g/L生物質(zhì)炭顆對(duì)100 mg/L苯甲酸的去除率為31.7%，即吸附量為25.4 mg/g。該結(jié)果同樣表明生物質(zhì)炭顆粒對(duì)苯甲酸具有一定的吸附能力。而將多孔生物炭與過(guò)氧化鈣耦合，可進(jìn)一步提高復(fù)合材料對(duì)苯甲酸的去除性能。同樣經(jīng)過(guò)3 h反應(yīng)后，1.5 g/L共混法和包覆法制備所得生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒對(duì)100 mg/L苯甲酸的去除率提高為67.0%和82.6%。

在無(wú)Fe2+存在的情況下，共混法和包覆法制備所得生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒對(duì)苯甲酸的去除率與等組分含量的生物炭顆粒對(duì)苯甲酸的去除率無(wú)明顯差別。而當(dāng)體系中存在Fe2+時(shí)（圖3a），3 h反應(yīng)后，包覆顆粒和復(fù)合顆粒對(duì)苯甲酸去除率與無(wú)Fe2+的體系相比分別提高了49.8%和33.9%?？梢?，2種不同方法制備所得的復(fù)合顆粒對(duì)苯甲酸的吸附性能相近，而Fenton氧化降解性能存在較大差異，其中，包覆法制備所得顆粒在本研究所設(shè)置的試驗(yàn)條件下表現(xiàn)出更高的類Fenton催化活性。由于Fenton氧化反應(yīng)活性極大程度受到溶液pH的影響，已有研究表明Fenton反應(yīng)在溶液pH 2.0～4.0具有最佳反應(yīng)活性[27]。由于H2O2在pH較高的環(huán)境中易分解成水和氧氣，大幅減少·OH的產(chǎn)生量，因此隨著pH升高，F(xiàn)enton反應(yīng)活性會(huì)逐漸下降[28]。而生物炭包覆處理可有效緩沖過(guò)氧化鈣分解生成的氫氧根離子對(duì)溶液pH的影響，從而使添加包覆顆粒的體系pH低于添加復(fù)合顆粒體系的pH（圖3b），在相同反應(yīng)條件下，反應(yīng)體系pH越接近Fenton反應(yīng)最適pH范圍，意味著體系可保持更高的反應(yīng)活性。這也正是添加包覆顆粒的體系可獲得最高苯甲酸去除率的原因。

4.2 生物炭-過(guò)氧化鈣緩解番茄幼苗酚酸脅迫的作用機(jī)制

試驗(yàn)所用濃度的苯甲酸對(duì)番茄生物量、根重、莖葉鮮重、株高和根長(zhǎng)等生長(zhǎng)指標(biāo)均表現(xiàn)出明顯的抑制作用。與空白對(duì)照相比，施用苯甲酸的處理的番茄幼苗的根系細(xì)胞膜相對(duì)透性、葉片MDA含量均顯著升高，根系活力、葉片SOD和POD酶活性顯著降低。本研究結(jié)果與已有的研究報(bào)道相似。顧欣等[20]在研究中均觀察到高濃度酚酸脅迫下，黃瓜植株生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制，且對(duì)地下部的抑制作用強(qiáng)于地上部。高志華等[29]研究發(fā)現(xiàn)根系分泌物會(huì)顯著抑制草莓生長(zhǎng)，使SOD活性下降，MDA含量增加，細(xì)胞膜透性升高，根系活力降低。張恩平等[30]的研究表明，苯甲酸和肉桂酸的施用均會(huì)促進(jìn)番茄幼苗根部MDA的合成，并打破了番茄根部保護(hù)酶系統(tǒng)原有的平衡，造成了根系的膜質(zhì)過(guò)氧化。這主要是由于酚酸類化感物質(zhì)可引發(fā)植物體內(nèi)活性氧自由基的大量生成，并對(duì)維持活性氧代謝平衡的抗氧化酶活性具有抑制作用，導(dǎo)致自由基產(chǎn)生與清除之間的平衡被打破。而細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中的多不飽和脂肪酸對(duì)過(guò)氧化過(guò)程很敏感，易在活性氧的攻擊下發(fā)生過(guò)氧化，造成細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的損傷，細(xì)胞膜透性增強(qiáng)，選擇穿透能力降低，嚴(yán)重影響植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收[31-32]。

王艷芳等[33]研究表明，在平邑甜茶幼苗水培體系中加入0.5%的生物炭，可有效降低酚酸脅迫下幼苗葉片中MDA含量的增加幅度，并使幼苗葉片SOD、POD和CAT活性分別比對(duì)羥基苯甲酸脅迫處理提高55.5%、44.7%和18.6%，研究推測(cè)這種緩解效應(yīng)主要?dú)w因于生物炭可通過(guò)吸附作用降低水培液中酚酸的有害濃度。本試驗(yàn)條件下，添加生物炭顆粒和生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒，對(duì)苯甲酸脅迫下番茄幼苗的各生長(zhǎng)指標(biāo)均有一定的提升作用，根系活力和抗氧化酶活性也明顯提高，且細(xì)胞膜相對(duì)透性和葉片MDA含量的升高幅度明顯下降。其中添加生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒的處理對(duì)緩解番茄根系化感脅迫效應(yīng)的作用效果要優(yōu)于生物炭顆粒。試驗(yàn)結(jié)果表明，施用生物炭顆粒和生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆?？墒狗延酌缢嘁褐斜郊姿岬娜コ蔬_(dá)26.4%和68.5%。由此可見，對(duì)比生物炭顆粒，本研究制備所得生物炭-過(guò)氧化鈣復(fù)合顆粒對(duì)酚酸類化感物質(zhì)具有更高的去除性能。并有效提高酚酸脅迫下植株的抗氧化酶活性，緩解膜脂過(guò)氧化作用對(duì)根系細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的損傷，在細(xì)胞水平上緩解苯甲酸對(duì)植株造成的脅迫作用。