鼠李糖脂改性生物炭對(duì)鹽漬土小白菜抗性及氮素吸收的影響

王敏鴿,劉藝文,張丹丹,許均澤,茍 聰,古一鳴,王旭東,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

鹽漬土在我國(guó)分布廣泛，西北、華北、東北及沿海是我國(guó)鹽漬土的主要集中分布地區(qū)[1]，受鹽分的影響，鹽漬土嚴(yán)重影響作物對(duì)水分和養(yǎng)分離子的吸收，制約著作物出苗率和發(fā)育生長(zhǎng)，導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降[2]。鹽漬土的改良有水利工程[3-4]、物理[5]、化學(xué)[6-7]、生物[8]等多種措施，在工程、物理措施下，通過一些化學(xué)改良劑或新型材料施用來降低鹽害是一種行之有效的方法，能起到事半功倍的效果。

鼠李糖脂是一種陰離子表面活性劑，不僅具有乳化、增溶、降低表/界面張力等功能，而且毒性小、易于生物降解，因而在眾多領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力[9]。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，鼠李糖脂作為一種良好的堿性土壤改性添加劑，其堿溶性較好，在堿性條件下，可電離出 Rh+與 H+離子，中和堿性土壤中的 OH-，改善土壤的堿性，且具有改良土壤結(jié)構(gòu)、避免土壤板結(jié)的作用。生物炭是生物有機(jī)質(zhì)在缺氧或低氧條件下高溫裂解產(chǎn)生的固體產(chǎn)物，含碳量高、具有多孔性、比表面積大、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能改善土壤理化性質(zhì)，降低土壤容重，從而達(dá)到保水保肥的效果，利用生物炭改良鹽漬土已經(jīng)有一些研究[2,10-11]，但由于生物炭本身偏堿性及其不同來源生物炭的性質(zhì)差異，效果穩(wěn)定性不一。采用鼠李糖脂改性的生物炭探究鹽漬土性狀變化及其對(duì)植物生長(zhǎng)的影響是一種新的思路。本研究通過盆栽試驗(yàn)，研究不同配比的鼠李糖脂與生物炭制成的改性生物炭對(duì)鹽漬土的改良效果，以小白菜的抗鹽性及生長(zhǎng)狀況為指標(biāo)，尋找鼠李糖脂與生物炭用于改良鹽漬土的最佳配比，以期為鹽漬土的改良提供一定的理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤于2020年7月采自于甘肅省高臺(tái)縣巷道鎮(zhèn)紅聯(lián)村0～20 cm耕層土樣，土壤為灌淤土。供試生物炭由陜西谷佳現(xiàn)代有機(jī)農(nóng)業(yè)科技有限公司提供，是由蘋果樹枝條在厭氧條件下高溫(650℃)裂解制備，供試土壤與生物炭的理化性質(zhì)見表1。鼠李糖脂是由西安瑞捷生物科技有限公司提供，濃度為250 g·L-1。

表1 供試土壤與生物炭的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 改性生物炭配制 鼠李糖脂改性生物炭的制備：稱取200 g生物炭(過2 mm篩)，與濃度為250 g·L-1的鼠李糖脂按4種比例混合并充分?jǐn)噭?，在室溫下平?4 h，然后晾干即得到鼠李糖脂改性生物炭。具體配制比例見表2。

1.2.2 盆栽試驗(yàn) 盆栽試驗(yàn)設(shè)置兩種改性生物炭的施用量，分別為30 g(2%土壤質(zhì)量比)和15 g(1%土壤質(zhì)量比)，各改性生物炭施用量下分別設(shè)4個(gè)鼠李糖脂的配比濃度，即15%、10%、5%和0%(表2)，另加空白對(duì)照處理(不添加改性生物碳)，共計(jì)9個(gè)處理。每盆裝土1.5 kg，4個(gè)重復(fù)。盆栽土壤澆水量為田間持水量的75%，化肥作基肥一次性施入，以CO(NH2)2、KCl和NH4H2PO4為肥源，施用量按N、P2O5計(jì)均為0.2 g·kg-1、K2O施用量為0.1 g·kg-1。于2020年9月20號(hào)將消毒、提前浸泡8 h的籽粒飽滿、大小均勻的小白菜種子點(diǎn)種到盆中，每盆60個(gè)種子，出苗后定苗為12株。

表2 改性生物炭的配制比例

1.2.3 樣品采集與處理 盆栽小白菜在露天網(wǎng)室生長(zhǎng)45 d后進(jìn)行采收，分別采集土壤樣品、小白菜地上部樣品和地下部根系樣品。土壤樣品保留一定鮮樣，其余樣品進(jìn)行風(fēng)干；小白菜樣品留一部分鮮樣，剩余部分進(jìn)行烘干(先105℃殺青30 min，而后在70℃烘干24 h)、保藏，備用于相關(guān)指標(biāo)的分析測(cè)定。

1.2.4 指標(biāo)測(cè)定 土壤pH值采用水土比2.5∶1浸提液，用pH計(jì)(梅特勒FiveEasy PlusTMFE28)測(cè)定；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法[12]；土壤硝、銨態(tài)氮含量采用1 mol·L-1KCl浸提(水土比為10∶1)，AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定[12]。

植株全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；谷氨酰胺合成酶 (GS)活性參照中國(guó)科學(xué)院上海植物生理研究所[13]的方法；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定[14]；過氧化物酶(POD)活性的測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法[15]。

小白菜氮素吸收量(mg·株-1)=植株全氮含量×植株干物質(zhì)量[16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019和SPSS 25.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素(One-way ANOVA)和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較(P=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用鼠李糖脂改性生物炭對(duì)土壤性質(zhì)的影響

不施加生物炭的處理的土壤pH值為7.66(見表3)，屬于弱堿性水平，施加鼠李糖脂改性生物炭對(duì)土壤pH值沒有顯著影響。隨著改性生物炭中鼠李糖脂配施比例的提高，土壤pH值略有上升的趨勢(shì)，但和對(duì)照土壤間未出現(xiàn)顯著差異。施加鼠李糖脂改性生物炭的處理顯著提高了土壤有機(jī)碳含量，且隨著改性生物炭用量的增加而增加；在施加生物炭2%的水平下，隨著鼠李糖脂比例的增加，土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

表3 不同處理下土壤的性質(zhì)和養(yǎng)分變化

2.2 鼠李糖脂改性生物炭施用下小白菜的生長(zhǎng)

不同處理小白菜生物量變化顯示(圖1)，與對(duì)照相比，施加生物炭顯著提高了小白菜生物量，且隨著生物炭施加量的增加而增加。在施加30 g和15 g生物炭的條件下，在鼠李糖脂添加比例為10%的情況下小白菜的生物量均達(dá)最大值，平均比單獨(dú)施加生物炭的處理增加了47.13%。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。Note:Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05). The same below.

2.3 鼠李糖脂改性生物炭施用下小白菜的氮吸收

與對(duì)照相比，施加生物炭的處理均顯著提高了小白菜的吸氮量(圖2A)，在施加生物炭的條件下，隨著鼠李糖脂添加比例的增加，植物吸氮量都呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。以添加比例為10%鼠李糖脂處理小白菜的吸氮量最高，平均比單獨(dú)施加生物炭的處理增加了43.64%。

施加生物炭提高了葉片谷氨酰胺合成酶(GS)活性(圖2B)，與對(duì)照相比，差異達(dá)顯著性水平。在施加生物炭的條件下，施用鼠李糖脂改性生物炭進(jìn)一步提高了葉片谷氨酰胺合成酶活性，其中以改性比例為10%鼠李糖脂處理小白菜的谷氨酰胺合成酶活性最高。

圖2 不同處理下小白菜的吸氮量和谷氨酰胺合成酶活性Fig.2 Nitrogen uptake and glutamine synthetase activity of Chinese cabbage under different treatments

2.4 鼠李糖脂改性生物炭施用下小白菜生理學(xué)指標(biāo)變化

過氧化物酶(POD)活性變化顯示(圖3A)，不施加生物炭的處理過氧化物酶(POD)活性最低，施加生物炭顯著提高了過氧化物酶(POD)活性。隨改性生物炭中鼠李糖脂改性比例增加，過氧化物酶(POD)活性呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，其中以添加比例為10%鼠李糖脂處理過氧化物酶(POD)活性最高。

小白菜可溶性蛋白含量變化顯示(圖3B)，各處理小白菜可溶性蛋白含量值有差異，在施用鼠李糖脂改性生物炭的不同施用量下，施用鼠李糖脂改性生物炭15%、10%、5%、0%的2%水平(即30 g)比1%施用水平(即15 g)的可溶性蛋白含量分別減少了24.58%、11.69%、7.37%、52.20%，且處理15%和0%間達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)。在施用30 g改性生物炭條件下，小白菜可溶性蛋白含量隨著鼠李糖脂比例的增加呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì)，施用鼠李糖脂改性生物炭10%、5%的處理與對(duì)照相比可溶性蛋白含量分別增加了0.91%、32.33%，且處理5%與對(duì)照處理間達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)，施用鼠李糖脂改性生物炭15%、0%的處理與對(duì)照相比可溶性蛋白含量分別減少了10.17%、38.54%，且處理0%與對(duì)照處理間達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)，不同鼠李糖脂添加比例下可溶性蛋白含量從大到小次序?yàn)?%>10%>15%>0%，處理5%可溶性蛋白含量為16.3033 mg·g-1。在施用15g改性生物炭條件下，施用鼠李糖脂改性生物炭15%、10%、5%、0%的處理與對(duì)照相比可溶性蛋白含量分別增加了19.12%、14.27%、42.86%、28.59%，且處理5%、0%與對(duì)照分別達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)，其可溶性蛋白含量由大到小排序?yàn)?%>0%>15%>10%，處理5%可溶性蛋白含量為17.6008 mg·g-1。

圖3 不同處理下小白菜的生理學(xué)指標(biāo)變化Fig.3 Changes of physiological indexes of Chinese cabbage under different treatments

不施加生物炭的處理丙二醛(MDA)含量最高(圖3C)，施加生物炭的處理均顯著降低了丙二醛(MDA)含量。鼠李糖脂改性生物炭施用，進(jìn)一步降低了MDA含量，其中以改性比例為10%鼠李糖脂處理丙二醛(MDA)含量最低。

3 討 論

3.1 鼠李糖脂改性生物炭的施用對(duì)土壤有機(jī)碳和氮素的影響

3.2 鼠李糖脂改性生物炭的施用對(duì)小白菜生長(zhǎng)、氮吸收和抗鹽性的影響

土壤環(huán)境存在鹽分、水分等脅迫常常導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧積累[29]，造成細(xì)胞膜氧化損傷, 膜質(zhì)過氧化產(chǎn)生丙二醛(MDA)。因此， MDA含量是細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)損傷的重要指標(biāo)[30-31]，而過氧化物酶(POD)是植物抗氧化保護(hù)酶之一, 維持體內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除的動(dòng)態(tài)平衡，反映出作物的自動(dòng)保護(hù)和適應(yīng)機(jī)制[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，施用鼠李糖脂改性生物炭可以提高小白菜的POD含量，在適宜的改性比例下(10%)，進(jìn)一步提高了POD含量，反映出了小白菜抗性的增強(qiáng)。另外，施用鼠李糖脂改性生物炭情況下小白菜的丙二醛(MDA)含量下降，說明植物受鹽分脅迫引起的細(xì)胞傷害減小，而且在10%的改性比例下丙二醛(MDA)含量最低，也進(jìn)一步說明了鼠李糖脂改性生物炭的施用對(duì)提高植物抗性的增效作用。鼠李糖脂增效作用與濃度有關(guān)，在一定濃度時(shí)效果較大，但濃度過高，增效作用減弱，其作用機(jī)制還需要深入研究。

谷氨酰胺合成酶(GS)是植物體內(nèi)硝態(tài)氮同化的調(diào)節(jié)酶和限速酶，增強(qiáng)谷氨酰胺合成酶的活性對(duì)作物吸收利用氮素有著非常重要的促進(jìn)作用[33]。谷氨酰胺合成酶(GS)可以催化銨離子與谷氨酸合成谷氨酸，進(jìn)一步合成蛋白質(zhì)，從而促進(jìn)氮素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和合成[29,34]。而本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用鼠李糖脂改性生物炭，葉片谷氨酰胺合成酶有所提高，且在鼠李糖脂改性比例為10%情況下谷氨酰胺合成酶活性最高，反映出鼠李糖脂在一定施用濃度下可以提高小白菜在鹽漬土中對(duì)氮素吸收的促進(jìn)效應(yīng)，這與前述施用鼠李糖脂在一定濃度下可提高小白菜過氧化物酶(POD)活性、降低丙二醛(MDA)含量相呼應(yīng)。

滲透調(diào)節(jié)作用是植物抵御逆境的重要生理機(jī)制，生物體在其正常的代謝過程中可通過有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(可溶性蛋白) 的積累、合成來調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透平衡，從而緩解逆境脅迫對(duì)植物造成的傷害[35-36]。肖強(qiáng)等[37]研究表明，互花米草葉片中可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量隨鹽度增加總體呈上升趨勢(shì)，在鹽脅迫下，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累是互花米草對(duì)鹽脅迫的主要響應(yīng)過程。方志紅等[38]研究表明，隨鹽脅迫濃度的增加，堿蒿可溶性糖和可溶性蛋白含量呈先升高后低的趨勢(shì)，這可能是堿蒿對(duì)高鹽脅迫的一種生理反應(yīng)或適應(yīng)機(jī)制。本研究表明鼠李糖脂改性生物炭的施入有利于提高小白菜的可溶性蛋白含量。本試驗(yàn)中是施用鼠李糖脂改性生物炭的施入增加了小白菜可溶性蛋白含量，這與鼠李糖脂可以緩解植物鹽脅迫有關(guān)。

4 結(jié) 論

施用生物炭提高了土壤有機(jī)碳含量，同時(shí)也增加了土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量；鼠李糖脂改性生物炭的施用，進(jìn)一步提高了土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量。其中，施加鼠李糖脂改性生物炭的處理與對(duì)照相比有機(jī)碳含量增加了55.05%～142.67%，施加鼠李糖脂改性生物炭比例為10%的處理平均與對(duì)照相比銨態(tài)氮含量顯著提高了156.69%，施加鼠李糖脂改性生物炭比例為15%和10%的處理與對(duì)照相比硝態(tài)氮含量平均分別顯著增加了39.94%和41.46%。

施用鼠李糖脂改性生物炭提高了小白菜的過氧化物酶活性，提高了小白菜可溶性蛋白含量，降低了小白菜的丙二醛含量，提高小白菜對(duì)鹽分脅迫的抗性；提高了谷氨酰胺合成酶活性，促進(jìn)了小白菜對(duì)氮素的吸收。其中，施加鼠李糖脂改性生物炭比例為10%的處理葉片谷氨酰胺酶活性較對(duì)照平均顯著提高了113.64%，過氧化物酶活性顯著提高了30.87%，丙二醛含量顯著降低了80.60%。施加鼠李糖改性生物炭比例為10%和5%的處理平均分別與對(duì)照相比可溶性蛋白含量提高了7.59%和37.60%。

改性生物炭中鼠李糖脂適宜的改性比例為10%，改性后施用在鹽漬土中對(duì)小白菜的生長(zhǎng)和氮素吸收促進(jìn)作用最大。