生物炭對甜瓜幼苗質(zhì)量與根系生理特性的影響

馬光恕，梁 梟，張 渟，李潤哲，廉 華

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)園藝園林學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

生物炭是一種新型的土壤改良劑，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域共同關(guān)注的熱點。生物炭是在厭氧或無氧條件下，經(jīng)高溫?zé)峤?350～600℃)產(chǎn)生的一種多孔富碳、高度芳香化難溶性的固態(tài)物質(zhì)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、比表面積大、吸附能力強(qiáng)的特點[1]，近幾年因其獨特的結(jié)構(gòu)特征和理化性狀，在土壤理化改良、增加土壤肥力及提高作物產(chǎn)量等方面具有良好的效果[2-5]。生物炭主要是通過有機(jī)物質(zhì)在缺氧的環(huán)境下熱解所形成的，不同的原料以及生產(chǎn)方式都會影響到生物炭的性能[6]。

根系作為植物的主要器官之一，具有吸收、分泌和感知等多種重要的生理功能[7]。根系不僅為植物從土壤中吸收水分和礦質(zhì)營養(yǎng)的主要器官[8]，更是多種激素、氨基酸與有機(jī)酸合成的重要場所，其形態(tài)與生理指標(biāo)對地上部的生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)形成均有重要作用[9]。根系的功能受根系的形態(tài)和生理指標(biāo)影響，并且也需要良好的根系來支撐地上部分的正常生長[10]。因此在作物生產(chǎn)中，通過營養(yǎng)調(diào)控促進(jìn)根系發(fā)育、提高幼苗質(zhì)量，將是作物獲得高產(chǎn)的重要保證。

甜瓜(CucumismelonL.)是具有高附加值的世界性水果，我國是世界重要的甜瓜種植國和消費國。據(jù)FAO數(shù)據(jù)庫顯示，2018年全球甜瓜收獲面積和產(chǎn)量分別為104.73萬hm2和2 734.92萬t，分別占世界水果面積的1.54%和3.15%[11]；同時根據(jù)《2019中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》等資料顯示，2018年我國甜瓜收獲面積和產(chǎn)量分別為35.45萬hm2和1 272.73萬t，分別占全球的33.85%和46.54%[12]。我國甜瓜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，面積、產(chǎn)量均位居全球第一，人們?nèi)找骊P(guān)注甜瓜產(chǎn)量和品質(zhì)[13]。生物炭在甜瓜生產(chǎn)上也有一定的研究，De Souza Laurentino等[14]通過測定不同劑量生物炭下甜瓜幼苗的生物量(地上、根系)及根長，評價甜瓜幼苗質(zhì)量，確定甜瓜幼苗發(fā)育的最佳劑量為12 t·hm-2；Elbashier等[15]在溫室內(nèi)進(jìn)行了甜瓜盆栽試驗，采用生物炭、沼渣和氮、磷、鉀不同配施量，用自來水和NaCl溶液灌溉植株，結(jié)果顯示，在鹽漬灌溉條件下，生物炭與沼渣配施對甜瓜的生長、光合速率、水分利用效率和產(chǎn)量均有顯著影響，特別是在鹽灌水和不加N、P、K肥的條件下。單用沼氣比使用生物炭更有效，可作為無機(jī)NPK肥料的替代肥料；張芙蓉等[16]研究了生物炭在鹽漬化土壤中的改良作用以及對甜瓜生長的影響，結(jié)果表明：與施用有機(jī)肥(對照)相比，生物炭處理降低了土壤中可溶性鹽分的含量以及土壤的呼吸作用，減少了溫室氣體CO2的排放，同時提高了植株的凈光合速率，但對甜瓜生物量及果實品質(zhì)沒有顯著改善效果。而生物炭施用對甜瓜幼苗及其根系生理特性的影響鮮有報道。本研究利用盆栽試驗，設(shè)置不同生物炭添加劑量，針對生物炭對甜瓜根表面積、根系生理指標(biāo)以及幼苗質(zhì)量的影響進(jìn)行研究，以期為甜瓜壯苗培育提供理論基礎(chǔ)和實踐依據(jù)，為甜瓜高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

供試薄皮甜瓜品種為‘金妃’，供試土壤為蔬菜營養(yǎng)土，均購于大慶市長青種子公司。

供試蔬菜營養(yǎng)土基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)含量45.8 g·kg-1，pH 6.86，堿解氮含量96.8 mg·kg-1，速效磷含量31.7 mg·kg-1，速效鉀含量189.3 mg·kg-1，含水量13%，電導(dǎo)率0.57 mS·cm-1，容重1.28 g·cm-3。

1.2 試驗設(shè)計

2021年4—7月在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)教學(xué)試驗基地的現(xiàn)代化溫室和塑料大棚開展試驗。

試驗設(shè)5個處理，即生物炭含量分別占風(fēng)干蔬菜營養(yǎng)土質(zhì)量0 g·kg-1(CK)、 10 g·kg-1(T1)、20 g·kg-1(T2)、40 g·kg-1(T3)、80 g·kg-1(T4)，每個處理4次重復(fù)。

將蔬菜育苗營養(yǎng)土和生物炭全部過2 mm篩，與化肥混勻后做育苗基質(zhì)備用?；适褂昧坑嬎闳缦拢喊凑?0 cm深土層的重量為3.84×106kg·hm-2計，甜瓜基本施肥量為225 kg·hm-2磷酸二胺、675 kg·hm-2硫酸鉀、625 kg·hm-2尿素，相當(dāng)于每kg營養(yǎng)土中需要施入0.059 g磷酸二胺、0.176 g硫酸鉀、0.098 g尿素。

甜瓜苗期試驗采用塑料育苗盒(長×寬×高=34.5 cm×24 cm×11 cm)，每盒裝育苗基質(zhì)2.5 kg。每盒播種催芽后的甜瓜種子140粒，出苗后均勻保留70株，每個處理播種28盒。

1.3 試驗實施

2021年4月20日，將甜瓜種子置于55～60℃溫水下浸種15 min，降溫后繼續(xù)浸種12 h。然后將甜瓜種子置于28～30℃條件的恒溫培養(yǎng)箱中催芽18 h，甜瓜種子全部發(fā)芽。

在育苗盒中裝滿育苗基質(zhì)，熱水打透底水。將催芽處理后的甜瓜種子均勻播種在育苗盒中。甜瓜出苗后15 d和25 d取樣2次，每個處理選取160株(每個重復(fù)40株)，用于幼苗期甜瓜根系生理指標(biāo)的測定。出苗后25 d，每個處理選取80株(每個重復(fù)20株)，用于測定甜瓜幼苗形態(tài)指標(biāo)和物質(zhì)積累量，計算根冠比和壯苗指數(shù)；同時，測定根體積、根系總吸收面積和活躍吸收面積，計算活躍吸收面積百分比和根系比表面積。出苗后25 d，每個處理選取20株(每個重復(fù)5株)收集甜瓜根系周圍的根區(qū)土壤，過2 mm的網(wǎng)篩，將土壤帶回實驗室，在室溫下自然風(fēng)干，用于物理性質(zhì)分析。

1.4 試驗測定指標(biāo)與方法

生理指標(biāo)測定：

根系活力采用α-萘胺氧化法；硝態(tài)氮含量采用水楊酸-硫酸法；硝酸還原酶(NR)活性采用活體分光光度法；過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法；過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑光化還原法；抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性采用抗壞血酸比色法；多酚氧化酶(PPO)活性采用鄰苯二酚分光光度法。

根系總吸收面積和活躍吸收面積采用甲烯藍(lán)比色法。計算公式為：

根系活躍吸收面積(%)=活躍吸收面積/總吸收面積×100

根系比表面積(m2·cm-3)=總吸收面積/根體積

形態(tài)指標(biāo)測定：

株高：植株的莖基部到生長點之間的距離，用直尺測定；莖粗：植株子葉節(jié)下1 cm處粗度，用游標(biāo)卡尺測定；根體積：采用排水法；葉面積：采用剪紙稱重法。

物質(zhì)積累量指標(biāo)測定：

利用清水反復(fù)沖洗植株，再用吸水紙吸干，將其地上部與地下部分開后分別測其鮮質(zhì)量；然后將鮮樣在105℃殺青15 min后，于70℃烘至恒重，用北孝感亞光醫(yī)用電子有限公司TB-4002型分析天平分別測定地上部與地下部干質(zhì)量。

根冠比計算公式為：根冠比=地下部鮮質(zhì)量/地上部鮮質(zhì)量

壯苗指數(shù)計算公式為：壯苗指數(shù)=(莖粗/株高+地下部干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量)× 全株干質(zhì)量

土壤物理性狀指標(biāo)測定：

pH值用上海雷磁臺式酸度計PHSJ-5型測定；土壤含水量在80℃烘箱中烘至恒重測定；土壤容重利用環(huán)刀法測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用DPS 7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和方差分析，不同處理間數(shù)據(jù)的多重比較采用Duncan新復(fù)極差法檢驗(P<0.05)；采用Excel 2007軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭施用對甜瓜幼苗根系生理指標(biāo)的影響

2.1.1 甜瓜幼苗根系活力 在甜瓜出苗后15 d和25 d，生物炭不同處理下根系活力如圖1所示，CK根系活力最低，分別為69.980 μg·g-1·h-1和92.397 μg·g-1·h-1。在甜瓜出苗后15 d和25 d，T3根系活力最高(分別為77.367 μg·g-1·h-1和111.693 μg·g-1·h-1)且顯著高于其他處理，分別比CK、T1、T2、T4處理高10.56%、8.35%、2.47%、1.46%和20.88%、17.13%、7.03%、5.71%；T4、T2之間差異不顯著但二者均顯著高于T1和CK，出苗后15 d分別高6.79%、8.96%和5.74%、7.89%，出苗后25 d分別高10.80%、14.35%和9.44%、12.95%；T1顯著高于CK(2.03%和3.21%)；CK根系活力最低，分別為69.980 μg·g-1·h-1和92.397 μg·g-1·h-1。說明適量生物炭處理對甜瓜根系活力具有促進(jìn)作用。

注：圖中正負(fù)誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差大小。不同小寫字母表示在同一時期各處理之間差異顯著(P<0. 05)。下同。Note：Values in the chart are standard error. Different lowercase letters in the same period indicate that the difference reach a significant level (P<0.05)among different treatments. The same below．

2.1.2 甜瓜幼苗根系硝態(tài)氮含量和NR活性 不同處理下甜瓜幼苗根系硝態(tài)氮含量如圖2A所示，與甜瓜出苗后15 d各處理幼苗根系硝態(tài)氮含量相比，在甜瓜出苗后25 d各處理的硝態(tài)氮含量均有所下降，CK、T1、T2、T3、T4下降幅度分別為68.19%、67.29%、67.74%、68.40%、68.10%。在甜瓜出苗后15 d，T3與T4、T4與T2之間差異均不顯著，T3、T4、T2均顯著高于T1和CK，分別高6.38%、4.31%、2.46%和6.39%、4.32%、2.47%；T1與CK之間差異不顯著。在甜瓜出苗后25 d，T3與T4之間差異不顯著，T3顯著高于CK、T1、T2，分別高5.70%、2.77%、1.72%；T4、T2、T1之間差異不顯著但三者均顯著高于CK，分別高4.61%、3.92%、2.85%；CK根系硝態(tài)氮含量最低，為1 158.013 μg·mg-1。說明適量生物炭處理對甜瓜根系硝態(tài)氮含量提高具有促進(jìn)效果。

圖2 生物炭對甜瓜幼苗根系硝態(tài)氮含量和NR活性的影響Fig.2 Effect of biochar on nitrate nitrogen content and NR activity of melon seedlings root

不同處理下甜瓜幼苗根系NR活性如圖2B所示，與甜瓜出苗后15 d各處理幼苗根系NR活性相比，在甜瓜出苗后25 d各處理的NR活性均有所下降，CK、T1、T2、T3、T4下降幅度分別為75.81%、73.01%、65.89%、61.36%、63.41%。在甜瓜出苗后15 d和25 d，T3根系NR活性均最高，分別為0.880 μg·g-1·h-1和0.340 μg·g-1·h-1；T3顯著高于T4、T2、T1、CK，分別高16.25%、20.05%、31.93%、41.94%和22.74%、36.00%、88.89%、126.67%；T4、T2、T1、CK之間均存在顯著差異，CK根系NR活性最低，分別為0.620 μg·g-1·h-1和0.150 μg·g-1·h-1。說明適量生物炭處理能提高甜瓜根系NR活性，提高氮代謝能力，有利于提高幼苗質(zhì)量。

2.1.3 甜瓜幼苗根系抗氧化酶系活性 不同處理下甜瓜幼苗根系CAT活性如圖3A所示，與甜瓜出苗后15 d各處理幼苗根系CAT活性相比，在甜瓜出苗后25 d的CAT活性均有所上升，CK、T1、T2、T3、T4上升幅度分別為38.24%、33.39%、34.02%、27.67%、26.73%。在甜瓜出苗后15 d，T3與T4之間差異不顯著但二者均顯著高于CK、T1、T2，分別高19.61%、14.67%、8.18%和17.37%、12.52%、6.15%；T2顯著高于CK、T1，分別高10.57%、6.00%；T1顯著高于CK(4.31%)；CK根系CAT活性最低，為23.223 U·g-1。在甜瓜出苗后25 d，T3處理CAT活性最高，為35.463 U·g-1；T3顯著高于CK、T1、T2、T4，增幅分別為10.47%、9.75%、3.05%、2.66%；T4、T2之間差異不顯著但二者均顯著高于T1、CK，分別高6.90%、7.60%和6.50%、7.20%；T1、CK之間差異不顯著。說明適量生物炭處理能提高甜瓜根系CAT活性。

不同處理下甜瓜幼苗根系POD活性如圖3B所示，與甜瓜出苗后15 d各處理幼苗根系POD活性相比，在甜瓜出苗后25 d的POD活性均有所上升，CK、T1、T2、T3、T4上升幅度分別為46.45%、33.53%、28.78%、20.98%、24.95%。在甜瓜出苗后15 d，T3處理POD活性最高，為34.927 μmol·g-1·min-1；T3

圖3 生物炭對甜瓜幼苗根系抗氧化酶系活性的影響Fig.3 Effect of biochar on the activities of antioxidant enzymes in roots of melon seedlings

顯著高于CK、T1、T2、T4，增幅分別為49.41%、18.21%、10.85%、5.68%；T4、T2、T1、CK之間均呈顯著性差異，CK根系POD活性最低，為23.377 μmol·g-1·min-1。在甜瓜出苗后25 d，T3與T4、T4與T2之間差異均不顯著；T3顯著高于CK、T1、T2，分別高23.42%、7.10%、4.13%；T4顯著高于CK、T1，(20.63%、4.67%)；T2、T1、CK之間均呈現(xiàn)差異性表現(xiàn)，CK根系POD活性最低，為34.235 μmol·g-1·min-1。

不同處理下甜瓜幼苗根系SOD活性如圖3C所示，與甜瓜出苗后15 d各處理幼苗根系SOD活性相比，在甜瓜出苗后25 d的SOD活性均有所上升，CK、T1、T2、T3、T4上升幅度分別為33.63%、19.85%、26.97%、21.17%、18.65%。在甜瓜出苗后15 d，T3處理SOD活性最高，為213.463 μmol·g-1·min-1；T3顯著高于CK、T1、T2、T4，高45.12%、16.36%、13.94%、4.46%；T4顯著高于CK、T1、T2，分別高38.92%、11.39%、9.07%；T1、T2之間差異不顯著但二者均顯著高于CK，分別高24.71%、27.36%；CK的SOD活性最低，為147.098 μmol·g-1·min-1。在甜瓜出苗后25 d，T3處理SOD活性最高，為258.653 μmol·g-1·min-1；T3顯著高于CK、T1、T2、T4，分別高31.58%、17.64%、8.74%、6.68%；T4、T2、T1、CK處理之間差異顯著，CK根系SOD活性最低，為196.569 μmol·g-1·min-1。

不同處理下甜瓜幼苗根系A(chǔ)PX活性如圖3D所示，與甜瓜出苗后15 d各處理幼苗根系A(chǔ)PX活性相比，在甜瓜出苗后25 d的APX活性均有所上升，CK、T1、T2、T3、T4上升幅度分別為13.20%、14.35%、20.89%、33.98%、12.65%。在甜瓜出苗后15 d，APX活性以T3最高，為17.919 U·g-1；T3顯著高于CK、T1、T2、T4，分別高30.29%、18.39%、4.99%、9.99%；T2顯著高于CK、T1、T4，分別高24.10%、12.76%、4.77%；T4顯著高于CK、T1，分別高18.45%、7.63%；T1顯著高于CK(10.06%)；APX活性以CK最低，為13.753 U·g-1。在甜瓜出苗后25 d，APX活性以T3最高，為24.007 U·g-1；T3顯著高于CK、T1、T2、T4，分別高54.21%、38.70%、16.35%、30.81%；T2顯著高于CK、T1、T4，分別高32.53%、19.21%、12.43%；T4顯著高于CK、T1，分別高17.88%和6.03%；T1顯著高于CK(11.18%)；APX活性以CK最低，為15.568 U·g-1。

不同處理下甜瓜幼苗根系PPO活性如圖3E所示，與甜瓜出苗后15 d各處理幼苗根系PPO活性相比，在甜瓜出苗后25 d的PPO活性均有所上升，CK、T1、T2、T3、T4上升幅度分別為49.67%、62.46%、70.78%、41.02%、87.61%。在甜瓜出苗后15 d，T3處理PPO活性最高，為0.529 U·g-1；T3顯著高于CK、T1、T2、T4，分別高72.88%、55.13%、41.82%、59.82%；T2顯著高于CK、T1、T4，分別高21.90%、0.09%、0.13%；T1、T4之間差異不顯著但二者均顯著高于CK，分別高11.44%、8.17%；CK的PPO活性最低，為0.306 U·g-1。在甜瓜出苗后25 d，T3處理PPO活性最高，為0.746 U·g-1；T3顯著高于CK、T1、T2、T4，分別高62.88%、34.66%、17.11%、20.13%；T2與T4之間差異不顯著但二者均顯著高于CK、T1，分別高39.08%、14.98%和35.59%、12.09%；T1顯著高于CK(20.96%)；CK的PPO活性最低，為0.458 U·g-1。

2.2 生物炭施用對甜瓜幼苗根表面積的影響

在甜瓜出苗后25 d，測定了生物炭不同處理下甜瓜幼苗根體積、根系總吸收面積和活躍吸收面積，計算了活躍吸收面積百分比和根比表面，結(jié)果如表1所示。表1表明，生物炭不同處理下甜瓜幼苗根體積、根系總吸收面積和活躍吸收面積均顯著高于CK，T3處理的根體積、根系總吸收面積和活躍吸收面積均最高，分別為0.293 cm3、0.865 m2、0.622 m2；T3顯著高于CK、T1、T2、T4，根體積分別高21.07%、11.41%、6.16%、3.90%，根系總吸收面積分別高40.19%、25.91%、17.85%、13.37%，活躍吸收面積分別高71.82%、43.65%、25.66%、18.70%；T4、T2、T1、CK之間均呈現(xiàn)差異性表現(xiàn)，CK根體積、根系總吸收面積和活躍吸收面積均最低，分別為0.242 cm3、0.617 m2、0.362 m2。T3活躍吸收面積百分比和根比表面均最高，分別為71.908%和2.952 m2·cm-3；T3顯著高于T4、T2、T1、CK，活躍吸收面積百分比分別高22.56%、14.09%、6.63%、4.71%，根比表面分別高15.76%、13.02%、11.02%、9.09%；T2、T4活躍吸收面積百分比之間差異不顯著但二者均顯著高于CK、T1，分別高14.94%、8.96%和17.05%、8.96%；T2、T4根比表面之間差異不顯著但二者均顯著高于CK、T1，分別高4.27%、1.80%和6.12%、3.60%；T1活躍吸收面積百分比和根比表面均顯著高于CK，分別高7.43%、2.43%；CK活躍吸收面積百分比和根比表面均最低，分別為58.671%和2.550 m2·cm-3。說明在苗期，施用適當(dāng)生物炭可以提高根體積、根系總吸收面積和活躍吸收面積，甜瓜幼苗可以獲得更多的養(yǎng)分和水分，增強(qiáng)幼苗根冠比，提高幼苗質(zhì)量。

表1 生物炭施用對甜瓜幼苗根表面積的影響

2.3 生物炭施用對甜瓜幼苗形態(tài)建成的影響

在甜瓜出苗后25 d，測定了不同處理下甜瓜幼苗株高、莖粗、葉面積、地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量、地下部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量，計算出全株鮮質(zhì)量、全株干質(zhì)量、根冠比和壯苗指數(shù)，結(jié)果如表2所示。表2表明，不同處理下甜瓜幼苗株高、莖粗、葉面積、全株鮮質(zhì)量、全株干質(zhì)量、根冠比和壯苗指數(shù)均呈現(xiàn)一定差異。上述形態(tài)建成指標(biāo)中均以T3處理最高，與CK、T1、T2、T4相比，其株高分別高35.14%、27.14%、21.09%、15.35%，莖粗分別高31.71%、23.93%、17.76%、8.31%，葉面積分別高33.91%、29.36%、12.58%、24.27%，全株鮮質(zhì)量分別高31.92%、28.23%、19.85%、18.12%，全株干質(zhì)量分別高45.10%、37.04%、27.59%、17.46%，壯苗指數(shù)分別高43.33%、19.44%、13.16%、10.26%；T3與T4根冠比之間差異不顯著但二者均顯著高于CK、T1、T2，分別高64.94%、56.79%、47.67%和57.14%、49.38%、40.70%；CK株高、莖粗、葉面積、全株鮮質(zhì)量、全株干質(zhì)量、根冠比和壯苗指數(shù)均最低。說明在苗期施用適當(dāng)生物炭對甜瓜幼苗形態(tài)建成和物質(zhì)積累具有促進(jìn)作用，可增大幼苗根冠比，提高壯苗指數(shù)，改善甜瓜幼苗質(zhì)量。

表2 生物炭施用對甜瓜幼苗形態(tài)建成的影響

2.4 生物炭施用對土壤物理性狀的影響

在甜瓜出苗后25 d，測定了不同處理下土壤的pH值、含水量和容重，結(jié)果如表3所示：T4土壤的pH值最高，為7.11，顯著高于CK、T1、T2、T3，分別高1.86%、1.72%、1.28%、0.85%；T3顯著高于CK、T1，增幅分別為1.00%和0.86%；T2與T1、CK之間無顯著性差異；CK的pH值最低，為6.98。T3、T4土壤的含水量之間差異不顯著但二者均顯著高于CK、T1、T2，分別高3.51%、2.63%、1.62%和3.16%、2.29%、1.28%；T2含水量顯著高于CK、T1，分別高1.85%和0.99%；T1、CK之間無顯著性差異；CK含水量最低，為19.95%。T4土壤的容重最低，為1.18 g·cm-3，其顯著低于CK、T1、T2、T3，分別低5.93%、5.08%、5.08%、4.24%；CK、T1、T2、T3的土壤容重之間差異不顯著。說明在苗期施用生物炭造成土壤pH值和含水量升高，具有降低土壤容重的趨勢，對改善土壤物理性質(zhì)具有積極作用。

表3 生物炭施用對土壤物理性狀的影響

3 討 論

作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)是獲得較高的生物產(chǎn)量，而生物產(chǎn)量高低則在很大程度上取決于根系發(fā)育狀況[17]。高產(chǎn)作物的根系必須既有一定的數(shù)量(根質(zhì)量)，又有較高的質(zhì)量(生理活性)[18]，這樣才能高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。研究表明，根系形態(tài)和生理特征是根系質(zhì)量優(yōu)劣的體現(xiàn)，與作物地上部的生長發(fā)育關(guān)系非常密切[19]，適宜的根系發(fā)育狀態(tài)對植物生長和產(chǎn)量形成具有十分重要的作用[20-21]。

植株根系活力為植株根系生理活性強(qiáng)弱的直接表征，根系活力能夠影響植株干物質(zhì)的累積及植株的光合速率，從而影響植株的生長發(fā)育進(jìn)而影響植株產(chǎn)量[22-23]。根系的活躍吸收面積能夠反映出根系活力的強(qiáng)弱，徐春梅等[24]在水培條件下研究通氣增氧對水稻苗期根系生長和氮代謝的影響，結(jié)果表明，秀水09水稻品種在增氧處理后根系干物質(zhì)積累量、根長、根體積、根系活力以及吸收面積較對照增加44.64%、119.94%、43.88%、4.15%和14.14%，國稻6號增氧后根系硝態(tài)氮含量和可溶性糖含量分別是對照的2.58倍和增加9.43%；肖元松等[25]研究增氧栽培對桃幼樹根系構(gòu)型及根系氮素代謝的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)增氧栽培桃幼樹根系總長度、總表面積、一級側(cè)根數(shù)、二級側(cè)根數(shù)、根尖數(shù)、總體積、分枝數(shù)、交叉數(shù)較對照均有不同程度增加，分別比對照增加了50.53%、42.66%、13.64%、18.51%、44.94%、5.48%、37.01%和54.41%；增氧栽培的根系活力、根系硝酸還原酶(NR)、谷草轉(zhuǎn)氨酶(GOT)和谷丙轉(zhuǎn)氨酶(GPT)活性分別比對照提高了19.04%、29.80%、6.56%和19.91%；根系全氮含量較對照提高了18.90%；增氧栽培的桃幼樹植株干物質(zhì)積累量、干莖均高于對照；Voesenek等[26]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)根際氧含量過低時，植株根長變短，根系數(shù)目增多，適當(dāng)增加不同根系徑級的根系數(shù)目、根長、根系總表面積及根系的活躍吸收面積，有利于植株吸收養(yǎng)分。本研究結(jié)果表明，在苗期，施用適當(dāng)生物炭可以提高甜瓜根系根體積、根系總吸收面積和活躍吸收面積，提高其活躍吸收面積百分比和根比表面積，甜瓜幼苗可以獲得更多的養(yǎng)分和水分，促進(jìn)幼苗質(zhì)量提高，以T3即生物炭含量占風(fēng)干土質(zhì)量40 g·kg-1應(yīng)用效果最好。這可能是由于生物炭疏松多孔，可以降低基質(zhì)容重，增加孔隙率，增加基質(zhì)的通透性[27]，因此生物炭可以改善根系的外在環(huán)境，對根系周圍養(yǎng)分的供應(yīng)產(chǎn)生增益效果，促進(jìn)根系生長并增強(qiáng)根系活力。

壯苗指數(shù)則是幼苗質(zhì)量的綜合數(shù)量化指標(biāo)，是評價幼苗質(zhì)量優(yōu)劣的主要參考[28]，幼苗質(zhì)量的強(qiáng)弱也需輔以若干形態(tài)指標(biāo)、物質(zhì)積累指標(biāo)和生理指標(biāo)的變化才能準(zhǔn)確判斷。王穎[29]研究發(fā)現(xiàn)，葉面積的增加對生長發(fā)育、光能利用、干物質(zhì)積累、產(chǎn)量均有著積極的顯著影響。葉面積的增加加強(qiáng)了植株的光合作用能力，使植株同化產(chǎn)物增加、根系同化產(chǎn)物的分配比例增加，根系吸收能力增強(qiáng)從而影響甜瓜的果實重量及品質(zhì)。作物的干物質(zhì)積累量是反映作物生殖生長的一項重要指標(biāo)，可直接反映作物體內(nèi)代謝能力的強(qiáng)弱；張文哲等[30]研究了不同灌水量和不同生物炭施用量對溫室番茄株高、莖粗的影響，結(jié)果表明，不同生物炭施用量對番茄株高的影響大致相同，灌水量分別為0.8ET(Evapo-Transpiration，蒸發(fā)蒸騰量)、1.0ET、1.2ET時，番茄的株高長勢隨著生物炭施用量的增加而增加；0.8ET、1.0ET、1.2ET灌水量下，5%的生物炭施加量對番茄莖粗的增幅促進(jìn)作用最大。說明生物炭作為添加劑可以改善溫室番茄株高莖粗的生理特性，提高番茄植株質(zhì)量；呂偉靜等[31]研究結(jié)果顯示，在土壤中添加生物炭和改性生物炭均可顯著提高甜茶幼苗生物量，改性生物炭的效果更加明顯。添加改性生物炭分別使土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)的含量增加了91.9%、78.5%、114.0%、32.5%、159.4%；添加改性生物炭處理的甜茶幼苗株高、地徑、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量與對照組相比分別增加了53.1%、20.4%、78.9%和79.2%。本研究結(jié)果表明，施用適當(dāng)生物炭可以提高甜瓜株高、莖粗、葉面積，提高植株鮮質(zhì)量和干質(zhì)量，使根冠比和壯苗指數(shù)維持在比較適合的范圍，保證了甜瓜幼苗質(zhì)量，以T3應(yīng)用效果最好。這可能與生物炭施用后土壤結(jié)構(gòu)的改善有密切關(guān)系，本研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭可以提高土壤的pH值，降低土壤容重，增加土壤含水量，以T4即生物炭含量占風(fēng)干土質(zhì)量80 g·kg-1對土壤物理性狀改善效果最好，T3應(yīng)用效果較好，這可能是因為生物炭是一種具有強(qiáng)吸附性能、高灰分含量、偏堿性的粉末狀固態(tài)顆粒物質(zhì)，施于土壤后，提高了土壤酸堿性、增加了孔隙度、減少了容重有關(guān)[32]，這與Gul等[33]發(fā)現(xiàn)生物炭可以改變土壤理化性質(zhì)、促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)、增加碳固存的研究結(jié)果一致。同時，生物炭的孔隙構(gòu)造發(fā)達(dá)、比表面積大，并且擁有強(qiáng)大的吸收能力[34]，有助于在土壤中保持更多的水分和養(yǎng)分[35]，從而改善植物的生長。

植物根系的形態(tài)變化也能夠影響植物對營養(yǎng)元素的吸收[36]。趙浩波等[37]研究發(fā)現(xiàn)，氮含量會響應(yīng)根系形態(tài)，若含氮量過低會抑制根系生長；譚龍濤[38]研究也表明，氮的利用率與根系體積、總吸收面積、活躍吸收面積有關(guān)。本研究結(jié)果表明，施用適當(dāng)生物炭可以提高甜瓜幼苗硝態(tài)氮含量和硝酸還原酶(NR)活性，促進(jìn)物質(zhì)積累和幼苗形態(tài)建成，改善了幼苗生理活性，T3應(yīng)用效果最好。NR 作為植物硝態(tài)氮還原的關(guān)鍵酶，在以硝態(tài)氮為氮源的植株中，NR 活性可以作為其利用氮素能力的重要指標(biāo)[39]。硝態(tài)氮含量是作物氮素同化和利用的主要指標(biāo)，NR的活性高低直接影響植物體對氮素營養(yǎng)的利用效果，對作物品質(zhì)和產(chǎn)量也會產(chǎn)生一定的影響[40]。

4 結(jié) 論

綜上所述，生物炭改善了土壤物理性狀，以T4即生物炭含量占風(fēng)干土質(zhì)量80 g·kg-1應(yīng)用效果最好；同時提高甜瓜根系生理特性，增強(qiáng)根表面積，促進(jìn)了甜瓜幼苗形態(tài)建成，提高了幼苗質(zhì)量，以T3即生物炭含量占風(fēng)干土質(zhì)量40 g·kg-1應(yīng)用效果最好。在甜瓜出苗后25 d，生物炭提高了土壤pH值和含水量，T4分別比CK提高1.86%和3.16%；降低土壤容重，比CK即生物炭含量占風(fēng)干土質(zhì)量0 g·kg-1降低5.93%。在甜瓜出苗后25 d，T3甜瓜幼苗根系活力、根系硝態(tài)氮含量、NR、CAT、POD、SOD、APX、PPO分別比CK高20.88%、5.70%、126.67%、10.47%、23.42%、31.58%、54.21%、62.88%；根體積、根系總吸收面積、活躍吸收面積、活躍吸收面積百分比和根比表面分別比CK高21.07%、40.19%、71.82%、22.56%和15.76%；甜瓜幼苗株高、莖粗、葉面積、全株鮮質(zhì)量、全株干質(zhì)量、根冠比和壯苗指數(shù)分別比CK高34.87%、31.71%、33.91%、31.92%、45.10%、64.94%、43.33%。