生物炭對中重度鹽脅迫下棉花苗期根系形態(tài)及根系分泌物的影響

關(guān)鍵詞：生物炭；鹽脅迫；總根長；草酸；可溶性糖

中圖分類號：S562；S156.4 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2025）01-0050-09 doi：10.11654/jaes.2024-0063

根據(jù)聯(lián)合國教科文組織和糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計，全世界鹽堿土面積為9.54×108 hm²，而我國現(xiàn)有鹽堿土地約9.9×10⁷ hm²[1]，其中新疆地區(qū)鹽堿化耕地占灌區(qū)耕地面積的37.7%[2]。鹽堿地既是導(dǎo)致當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境脆弱和致貧的主要因素，也是具有開發(fā)潛力的寶貴耕地后備資源[3]，在新疆鹽堿化耕地的開發(fā)與利用中，研究如何通過土壤改良技術(shù)，降低土壤鹽分，改善和提高作物的耐鹽機制，將對增加農(nóng)民收入、保障重要農(nóng)產(chǎn)品有效供給和保護生態(tài)安全等具有重要意義[4]。

棉花，作為一種耐鹽先鋒植物，雖能在較為惡劣的環(huán)境中生長[5]，但較高鹽度的土壤環(huán)境依然對棉花出苗造成嚴重威脅，導(dǎo)致種子發(fā)芽率低，生長速度減緩，甚至植株死亡，從而對棉花的最終產(chǎn)量產(chǎn)生負面影響[6]。在作物生長中，根部是植物感知鹽害和干旱逆境最敏感的部位[7]，直接影響植物對水分和養(yǎng)分的吸收能力[8]。研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫會導(dǎo)致玉米、小麥、蘋果等作物根系生長受抑制，根長、根徑和根體積減少，進而影響整個植物的水分和營養(yǎng)吸收能力[9-11]。根系分泌物在植物適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境中扮演著關(guān)鍵角色[12]，在鹽脅迫下玉米根系分泌的有機酸可以改變根際土壤pH[13]，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加營養(yǎng)元素的有效性，減輕鹽分脅迫帶來的負面影響[13]。玉米根系分泌的糖類物質(zhì)也可在玉米耐鹽抗逆機制中發(fā)揮作用[14]。在鹽脅迫環(huán)境下，植物往往傾向于分泌更多檸檬酸、草酸、蘋果酸、氨基酸、可溶性糖和分子黏膠物質(zhì)等低分子量有機酸至植物根際[15]。研究表明，草酸和檸檬酸可以促進玉米、南芥和小麥株高的生長[16]，說明根系分泌物在增強作物耐鹽特性方面具有一定的促進作用。

生物炭是一種將生物質(zhì)材料，如農(nóng)作物殘留物、木材、動物糞便等在缺氧或低氧環(huán)境下進行高溫熱解制得的碳質(zhì)材料[17]，是一種前景廣闊的土壤改良劑[18]。生物炭施用于土壤能夠改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤保水能力、減少鹽分對植物根系的傷害，有利于提高植物葉片和根系的抗逆能力[19]。為了增加生物炭在改良土壤中的適用性，許多學(xué)者對生物炭進行了物理或化學(xué)性質(zhì)的改性[20-21]，其中酸改性生物炭可降低土壤pH值以應(yīng)用于鹽堿土壤改良。研究表明，硫酸改性生物炭可將土壤pH值從原始的9.5左右降低到6.0～7.0[22]。磷酸改性生物炭可降低土壤pH值，提高堿性土壤中的磷活性，有助于緩解土壤鹽堿化，提高土壤的微生物活性和營養(yǎng)物質(zhì)的有效性，改善植物的生長條件[23]。前期大量的研究主要關(guān)注于生物炭應(yīng)用于改善土壤理化性質(zhì)和促進植物生長方面，然而應(yīng)用于重度鹽堿土改良時，作物如何從根系形態(tài)、根系生理特性響應(yīng)外界環(huán)境的機制研究仍不充分。因此，施入生物炭能否促進植物根系在中重度鹽堿土中生長？根系生理的響應(yīng)又如何？這些問題值得深入探討。本試驗通過盆栽，在中度和重度鹽堿土壤中施用不同比例的生物炭和改性生物炭，研究了不同生物炭添加比例對苗期棉花根系形態(tài)和根系分泌物的影響，揭示了苗期棉花根系生長及生理對于生物炭應(yīng)用于鹽堿土壤改良中的響應(yīng)機制，研究結(jié)果可為作物根際環(huán)境調(diào)控耐鹽機制提供理論參考，為生物炭應(yīng)用于鹽堿土改良以及增強作物生長耐鹽性機理研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試棉花選用新陸早52號（耐鹽品種），使用生物炭（Biochar，BC）和磷酸改性生物炭（Phosphoricacid modified Biochar，GBC）作為土壤改良劑，生物炭為棉稈炭，取自新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院，制備溫度450 ℃。磷酸改性棉稈炭為棉稈炭進行20%磷酸浸泡48 h，經(jīng)60 ℃烘干粉碎過2mm篩后得到。

供試土壤采自新疆維吾爾自治區(qū)喀什市伽師縣克孜勒蘇鄉(xiāng)棉田耕層0～30 cm鹽堿土，根據(jù)新疆土壤鹽化分級標準[24]，土壤被分為中度和重度鹽堿土，具體參數(shù)如表1。

1.2 試驗設(shè)計

盆栽試驗于2023年5月在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗地開展。將土壤過5 mm篩，去除大塊石塊等雜物。試驗用塑料盆口徑27 cm、底徑21.2 cm、高30 cm，每盆12 kg土壤。土壤鹽度分為中度和重度，生物炭添加量為0、0.5%、1%和2%，每處理設(shè)3組重復(fù)，具體處理組見表2。添加生物炭后穩(wěn)定1周，播種后澆水覆膜，每盆定苗3株，在三葉期時去除覆膜。在棉花三葉期每盆棉花隨水追施5 g尿素和5 g重過磷酸鈣，在棉花生長至30 d時進行采樣測定。

1.3 樣品采集與前處理方法

在棉花長至2～3片真葉時，選擇長勢一致的盆栽進行破壞性采樣，采樣時小心地取出完整棉花植株，用去離子水清洗根部附著的土壤，濾紙吸干表面水分，每處理隨機采3株棉花進行根系形態(tài)特征指標分析。每處理隨機選取3株棉花分別放入200 mL用錫紙包裹的細口瓶中，加入200 mL CaCl₂（0.05 mol·L^-1）溶液，培養(yǎng)3 d（6 h光照和18 h黑暗），將收集的液體抽濾后在38 ℃下旋蒸至液體體積小于10 mL后定容至10 mL放入冰箱中-20 ℃保存，用于根系分泌物中有機酸和可溶性總糖的測定。

1.4 測定方法

（1）土壤指標測定方法參照魯如坤《土壤農(nóng)化分析》[25]，土壤總鹽采用烘干法測定，pH采用pH計測定，電導(dǎo)率（EC）采用電導(dǎo)率儀測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定。

（2）棉花根系形態(tài)分析方法

通過Epson Perfection V850 Pro 掃描儀掃描棉花根系樣品，使用Win Rhizo 2017 ManualHR根系分析軟件掃描棉花根系圖片，進行根系長度、根表面積、根系體積等相關(guān)指標測定分析[26]。

（3）棉花根系分泌物檢測方法

采用HPLC 方法測定棉花根系中草酸、甲酸、蘋果酸、乙酸和檸檬酸[27]，測定儀器為高效液相色譜儀（LC-16，島津儀器蘇州有限公司），高效液相色譜儀紫外-可見檢測器（SPD-16），CTO-16 柱溫箱Inert?SustainTMAQ-C18分析柱，流動相A為98%磷酸二氫銨緩沖鹽溶液[pH=2.6～2.7，磷酸（色譜純），磷酸二氫銨10 mmol·L^-1]，B 為2% 甲醇，流動相流速1 mL·min^-1。有機酸標準溶液為檸檬酸、甲酸、蘋果酸、乙酸和草酸，檢測波長為210 nm，進樣量20 μL，有機酸加標回收率：草酸110.05%、甲酸90.09%、蘋果酸81.93%、乙酸116.07%、檸檬酸119.20%?？扇苄钥偺遣捎幂焱壬y定。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2021 進行試驗數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計，SPSS Statistics 23進行單因素方差分析，Duncan′s法（Plt;0.05）進行顯著性檢驗，Origin 2022制圖，試驗數(shù)據(jù)均用平均值±標準差（n=3）表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對鹽脅迫下苗期棉花根系形態(tài)的影響

由表3分析可知，相較于中度鹽脅迫，重度鹽脅迫抑制了棉花的總根長、根系表面積和根系體積（Plt;0.05）。在中度鹽脅迫條件下，與CK 相比，BC2處理使棉花的總根長和根表面積分別增加了55.91% 和41.70%（Plt;0.05），而GBC2處理顯著增加了棉花總根長、根表面積及根系體積，表明磷酸改性生物炭對根系形態(tài)具有促進作用。相反，BC0.5處理棉花的總根長相比CK組下降了25.31%（Plt;0.05）。

在重度鹽脅迫條件下，與CK相比，BC1、GBC1和GBC2 處理的總根長顯著增加93.84%、107.45% 和79.20%，GBC1 和GBC2 處理的根表面積顯著增加了64.41% 和60.24%。相比之下，BC1 處理在重度鹽脅迫下主根直徑降低了40.85%（Plt;0.05）。

與CK組相比，添加生物炭與改性生物炭后在中度鹽堿脅迫下棉花主根直徑差異不顯著；在重度鹽脅迫下，添加0.5%、1%生物炭和1%改性生物炭后棉花主根直徑顯著降低。

2.2 生物炭對鹽脅迫下苗期棉花根系有機酸分泌的影響

如圖1所示，在中度鹽脅迫條件下，與CK相比，BC1 和GBC1 處理根系草酸含量分別降低了33.64%和46.48%（Plt;0.05）；BC1和BC2處理根系甲酸含量分別降低了46.10% 和44.21%（Plt;0.05），乙酸含量分別降低了40.65%和27.89%（Plt;0.05）；GBC2處理棉花根系草酸含量增加了212.88%，甲酸含量增加了266.55%，檸檬酸含量增加了464.97%（Plt;0.05）；BC0.5和GBC0.5處理棉花根系檸檬酸含量分別增加了145.10%和145.85%（Plt;0.05）。結(jié)果表明生物炭和磷酸改性生物炭在中度鹽脅迫條件下能顯著促進根系有機酸的分泌量。

對于重度鹽脅迫條件，與CK 相比，BC0.5，GBC0.5 和GBC2 處理降低了棉花根系草酸含量（Plt;0.05）；BC1和GBC0.5處理棉花根系甲酸的分泌量分別增加了69.56%和78.22%（Plt;0.05）；GBC2處理棉花根系蘋果酸含量增加了120.54%（Plt;0.05）；BC1 和BC2處理根系乙酸含量增加了51.61%和56.93%（Plt;0.05）；BC0.5，GBC1和GBC2棉花根系檸檬酸含量分別降低了55.33%、34.74% 和100%（Plt;0.05），GBC0.5處理棉花根系檸檬酸含量增加了69.40%（Plt;0.05）。

2.3 生物炭對鹽脅迫下苗期棉花根系可溶性總糖含量的影響

由圖2分析可知，在中度鹽脅迫下，GBC1、GBC2處理棉花根系分泌物可溶性總糖含量比CK處理分別降低了61.24% 和56.81%（Plt;0.05）；BC0.5、BC1、BC2處理棉花根系可溶性糖含量分別下降了27.36%、18.32%、21.99%（Pgt;0.05）。在重度鹽脅迫下，與CK處理相比添加生物炭和磷酸改性生物炭后可溶性糖含量的變化不顯著。

2.4 生物炭與鹽脅迫下棉花根系形態(tài)及根系分泌物間的關(guān)系

2.4.1 棉花根系形態(tài)和根系分泌物的交互影響

由表4分析可知，施加未改性生物炭，以及與鹽分交互作用均對棉花根系分泌甲酸含量影響顯著。施加磷酸改性生物炭，以及與鹽分交互作用均對棉花根系分泌草酸、甲酸、檸檬酸含量以及根系形態(tài)指標產(chǎn)生顯著影響。以上結(jié)果說明在鹽脅迫條件下，未改性生物炭的添加主要調(diào)節(jié)了棉花根系甲酸的分泌，而磷酸改性生物炭對棉花根系形態(tài)以及根系多種有機酸的分泌均有不同程度的調(diào)節(jié)作用。

2.4.2 棉花根系形態(tài)和根系分泌物與土壤指標的相關(guān)性分析

由圖3分析可知，乙酸含量與棉花根系形態(tài)各指標呈顯著負相關(guān)，與土壤EC和總鹽含量呈極顯著正相關(guān)。可溶性總糖分別與土壤pH和總鹽含量呈顯著正相關(guān)。甲酸含量和棉花根表面積分別與土壤pH呈顯著負相關(guān)。棉花總根長分別與根表面積和根系體積呈極顯著正相關(guān)，分別與土壤中EC和總鹽含量呈極顯著負相關(guān)。棉花根系分泌物中的草酸含量分別與甲酸、檸檬酸含量呈極顯著正相關(guān)，并分別與棉花根表面積和根系體積呈顯著正相關(guān)。檸檬酸含量分別與根表面積和根系體積呈顯著正相關(guān)。蘋果酸與棉花總根長呈顯著負相關(guān)。

3 討論

3.1 生物炭對鹽脅迫下棉花根系形態(tài)的影響

棉花根系是棉花重要的營養(yǎng)器官之一，能夠感受土壤鹽分的變化[28]，棉花的總根長、根系表面積和根系體積影響植物對環(huán)境中水分和養(yǎng)分的吸收能力。本試驗發(fā)現(xiàn)重度鹽脅迫顯著抑制了棉花的總根長、根系表面積和根系體積。相關(guān)性分析表明，棉花根系形態(tài)特性與土壤中的總鹽、EC和pH值呈負相關(guān)關(guān)系。Rewald等[29]也發(fā)現(xiàn)，在鹽分脅迫條件下，兩個橄欖品種的細根生物量和樹干直徑指標顯著降低。另有研究發(fā)現(xiàn)，辣椒和綠藻的根部生物量比莖部生物量更容易受到鹽脅迫的抑制，導(dǎo)致根莖比降低[30-31]。

生物炭在調(diào)節(jié)鹽脅迫過程中發(fā)揮著重要作用。已有研究表明，隨著生物炭施用量的增加，鹽堿土壤中有機碳含量顯著提高，水溶性鹽含量降低明顯，土壤陽離子交換量、酶活性及土壤微生物生物量顯著提高[32-33]。生物炭還能促進大豆幼苗時期的根生長，特別是直徑小于0.5 mm的根，并增強根的活力[34]。本試驗中，在中度鹽脅迫下，2%生物炭添加能夠顯著增加棉花總根長、根表面積和根系體積，這與Hazman等[35]在番茄上的研究一致。本試驗中度鹽脅迫下，0.5%生物炭處理抑制了棉花根系生長，這表明較低的生物炭濃度也可能會抑制根系的擴展和吸收效率，因此在使用生物炭改善鹽脅迫條件促進植物生長時，需要仔細考慮適宜的添加量。綜合考慮，2%生物炭和磷酸改性生物炭對棉花根系的提升效果最好。

磷酸改性可在生物炭的表面引入磷基團，不僅在土壤環(huán)境作用下改善了土壤的養(yǎng)分狀況，還可以改善土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)來緩解鹽脅迫對作物的不利影響[36]。本試驗發(fā)現(xiàn)在中度和重度鹽脅迫下，2%磷酸改性生物炭添加可顯著改善棉花根系形態(tài)，減輕鹽脅迫對棉花根系的不良影響，其原因可能是：一方面pH降低導(dǎo)致土壤可溶性鹽含量增加，從而提高生物炭對鹽的吸附效果[37]；另一方面生物炭能夠在一定程度上改善土壤物理和化學(xué)性質(zhì)，從而改善鹽分對作物根系的負面影響，然而在一些重度鹽脅迫下，也會產(chǎn)生生物炭失調(diào)的情況，可能是因為其調(diào)控和緩解能力有限[35]。以上說明生物炭的適量添加可作為一種提高棉花耐鹽性的調(diào)控方法。

3.2 生物炭對鹽脅迫下棉花根系分泌有機酸的影響

植物根系分泌物是根際微生態(tài)系統(tǒng)的中心樞紐，其組成和含量的改變集中反映了植物對外界環(huán)境變化的響應(yīng)[38]。根系分泌物中的有機酸可以改善土壤pH值，還可以通過與土壤中的鹽離子形成螯合作用，降低土壤中的可溶性鹽分，從而減輕植物根部的鹽分壓力。袁秀梅等[39]的研究發(fā)現(xiàn)，帶有羥基（—OH）和羧基（—COOH）的低分子量有機酸，如乳酸和檸檬酸，容易與礦物中的金屬離子形成絡(luò)合物。草酸則因含有—COOH，具有形成金屬有機配合物和發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的雙重能力[39]。有研究也報道，植物根系草酸和甲酸含量增加可能與植物根系為了抵御鹽分脅迫而增強的代謝活動有關(guān)[40-41]，而檸檬酸的增加可能與生物炭促進的根系發(fā)育和營養(yǎng)吸收效率提高有關(guān)[42-44]。Sun等[45]的研究發(fā)現(xiàn)蘋果酸可通過植物光合作用提供的還原力來提高植物抗鹽性。本試驗發(fā)現(xiàn)未改性生物炭主要調(diào)節(jié)了棉花根系分泌物中甲酸的含量，而磷酸改性生物炭主要調(diào)節(jié)了棉花根系分泌草酸、甲酸和檸檬酸的含量，低濃度的生物炭和磷酸改性生物炭主要調(diào)節(jié)了根系分泌檸檬酸的含量。由相關(guān)性分析可得出，磷酸改性生物炭通過降低土壤pH、總鹽含量以及EC等指標，影響植物根系有機酸、可溶性總糖的含量，提高根系生長發(fā)育，從而增強棉花根系對鹽脅迫的適應(yīng)能力[40]。目前關(guān)于鹽脅迫下，作物根系分泌物組成調(diào)節(jié)其根系形態(tài)及環(huán)境適應(yīng)性的生理作用機制還并不清楚，需進一步開展深入研究。

3.3 生物炭對鹽脅迫下棉花根系分泌可溶性糖的影響

根系分泌物中的可溶性總糖對于植物生長及其與周圍環(huán)境的相互作用具有重要意義。根系分泌物中可溶性總糖為作物根際微生物提供了能量和碳源，這對于維持根際微生物群落的健康和多樣性至關(guān)重要[46]。研究發(fā)現(xiàn)，玉米根系分泌物中可溶性糖通過吸引有益微生物，如固氮菌和促生菌，來促進玉米生長和健康[47]。Shelden等[48]的研究揭示了耐鹽大麥品種中細胞分裂和根伸長的維持與氨基酸、糖和有機酸的合成及積累密切相關(guān)。此外，Rizhsky 等[49]在研究擬南芥時發(fā)現(xiàn)，當植物面臨干旱、高溫或綜合性脅迫時，蔗糖、麥芽糖和葡萄糖的積累顯著增加。這些研究結(jié)果表明，作物可通過增加根系分泌的可溶性糖來抵御環(huán)境脅迫。本試驗中無論中度還是重度鹽脅迫下，生物炭的添加都導(dǎo)致棉花根系可溶性糖含量的降低，這可能是因為生物炭中的活性成分可能與土壤中的Na+形成絡(luò)合，從而降低了鹽分的活性[50]，減輕了鹽脅迫對植物的傷害，進而降低了可溶性糖在根系的分泌[31]。

鹽堿土壤中鹽分高低密切關(guān)系著作物立地成活和后期生長，苗期階段植株對環(huán)境條件的敏感性可能更高，因此本試驗僅對棉花苗期2～3片真葉階段的植株根系開展了研究，試驗結(jié)果在一定程度上反映出了磷酸改性生物炭對棉花苗期生長條件改善的積極效果，未來的研究中還應(yīng)繼續(xù)開展不同生物炭對鹽堿土壤改良以及鹽脅迫下植物生長生理響應(yīng)的研究，為生物炭調(diào)控鹽脅迫下作物根際環(huán)境，提高作物耐鹽性長期效應(yīng)提供實踐依據(jù)。

4結(jié)論

在中重度鹽脅迫下，2%的生物炭及磷酸改性生物炭均會顯著影響棉花的總根長、根系表面積和根系體積。未改性生物炭主要增加了棉花根系分泌甲酸的含量，磷酸改性生物炭增加了棉花根系分泌草酸、甲酸和檸檬酸的含量。相關(guān)性分析可得出，磷酸改性生物炭通過降低土壤pH、總鹽含量以及電導(dǎo)率，提高土壤有機質(zhì)等影響植物根系有機酸、可溶性總糖的含量并促進根系生長發(fā)育，從而提高棉花根系對鹽脅迫的適應(yīng)能力。綜上得出，在中度或重度鹽分土壤中施用2% 磷酸改性生物炭能有效改善棉花根系的生長并提高棉花的耐鹽生理特性。