生物炭对化感物质胁迫下番茄幼苗生物量及保护酶活性的影响

李亮亮　吴正超　陈彬

摘要：研究化感物质对番茄幼苗生长的抑制作用及加入生物炭缓解化感物质对番茄幼苗的毒害作用，并从生物量、光合作用指标、保护酶活性及丙二醛（MDA）含量的变化进行讨论。结果表明，化感物质对番茄幼苗的生物量、光合作用及叶绿素含量具有显著的抑制作用，幼苗体内SOD、POD、CAT的活性降低，番茄幼苗体内的MDA含量显著增加；加入不同来源的生物炭，番茄幼苗的生物量、胞间CO2浓度、蒸腾速率、净光合速率、气孔导度及叶绿素含量有显著提高，化感物质对保护酶活性的抑制作用得到缓解，番茄幼苗体内MDA含量有所降低，番茄幼苗的生长得到改善；炭化秸秆与炭化稻壳的作用效果相近，与炭化稻壳、炭化秸秆相比，炭化污泥缓解化感物质毒害作用的效果相对较差。因此，添加生物炭可用于预防番茄连作障碍的发生。

关键词：番茄；化感物质；生物炭；光合作用；保护酶活性

中图分类号： S641201文献标志码：

文章编号：1002-1302（2017）16-0099-05

收稿日期：2017-02-04

基金项目：辽宁省自然科学基金（编号：201202192）。

作者简介：李亮亮（1971—），男，北京人，博士，副教授，从事设施园艺及农业环境生态研究。E-mail：LLL204600@163com。

通信作者：臧健，硕士，讲师，从事农业资源与土壤生态环境研究。E-mail：zangjian-12@163com。

连作障碍是影响番茄产量的重要因素之一，而引起番茄连作障碍的原因很多，化感物质的毒害作用是其中之一[1-4]。防止化感物质对蔬菜产生毒害的方法有多种多样，包括客土法、土壤中添加生物制剂或改良剂、土壤淋洗等，其中，土壤中添加有机质被认为是一种方便可行的方法[5-7]。但是，有机质降解性较强、降解后可能产生其他不确定因素而使其应用受到一定的限制。生物炭是生物质在缺氧条件下热降解的产物，对除草剂、农药等有机物具有较强的吸附能力[8-10]。因此，添加不易降解、吸附性好、来源广泛的生物炭可能会成为一个新的发展方向，而研究生物炭缓解或消除化感物质对番茄幼苗的毒害作用，对指导番茄抗连作障碍栽培具有一定的现实意义。

有研究表明，邻苯二甲酸、鞣酸、香草酸、苯甲酸、水杨酸、阿魏酸及肉桂酸等化感物质能够对蔬菜作物产生毒害作用[11-12]，可以引起植株生物量、保护酶、根系三羧酸（TCA）循环酶活性降低，根系呼吸速率、线粒体功能受到抑制，土壤酶活性被改变[13-14]。生物炭具有巨大的比表面积微孔结构，有很强的吸附能力，能吸附土壤污染物、降低污染物对土壤环境的危害，目前活性炭、活性木炭等已在美国、日本等国家蔬菜种植中广泛应用，并取得较好的效果[15-16]。有研究发现，活性碳可在水培条件下吸附植物根系分泌物，降低水杨酸、苯甲酸、对羟基苯乙酸等化感物质及丙二醛（MDA）的含量，增加植株生长量[17]。本试验通过在发生化感物质毒害的土壤中添加不同来源的生物炭，研究生物炭对番茄幼苗生物量参数、光合作用、叶绿素含量及对根系、叶片保护酶活性的影响，探讨番茄幼苗缓解化感物质伤害的途径，为有效防治番茄连作障碍提供科学依据。

1材料与方法

11试验材料

111番茄壮苗的培育试验于2014年5月在沈阳农业大学试验基地塑料大棚进行，供试番茄品种为辽园多丽。将挑选好的番茄种子播于穴盘中，培养至4叶1心时，将优良壮苗移栽到盛有不同土壤处理的10 cm×10 cm塑料钵内。土壤为棕壤土，碱解氮、有效钾、速效磷的含量分别为5015、6825、5225 mg/g，有机质含量为112 g/kg，pH值为68。

112化感物质的配制分别配制10 mmol/L邻苯二甲酸、鞣酸、香草酸、苯甲酸的02%乙醇水溶液，等体积混合。将配制好的化感物质分别施入各营养钵中，每5 d施入1次，每次60 mL。

113生物炭的制备分别选用秸秆、稻壳、污泥作为生物质原料，风干；置于烘箱烘干，粉碎，过10目筛；取一定量烘干的生物质，表面包裹铝箔纸，置于去掉内衬的高压消解罐内在马弗炉中500 ℃热解3 h。

12试验设计

试验共设5个土壤处理，分别为CK：土壤+02%乙醇水溶液；A：土壤+化感物质；B：土壤+化感物质+炭化秸秆（2%全碳含量）；C：土壤+化感物质+炭化稻壳（2%全碳含量）；D：土壤+化感物质+炭化污泥（2%全碳含量）。每處理定植10株，重复3次，随机排列。每3 d浇1次Hoagland营养液，每次50 mL。其他栽培管理与生产相同。

13测定内容及方法

131生长指标及叶绿素含量测定开始处理后10 d，采用称质量法测定幼苗根、叶片、地上部鲜质量，采用钢卷尺测定根长；按Arnon的方法[18]测定叶绿素含量；

132光合作用参数测定处理后20 d，使用Li-6400型便携式光合作用仪测定番茄幼苗第6张功能叶的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间隙CO2浓度（Ci），控制条件为空气相对湿度50%～70%、温度30 ℃，采用开放式气路。

133保护酶活性及丙二醛含量测定分别取处理后2、5、10、20 d的根尖或去脉叶片样品10 g，加入5 mL预冷的 50 mmol/L pH值为78的磷酸缓冲液[含02 mmol/L乙二胺四乙酸（EDTA）、2%聚乙烯吡咯烷酮（PVP）]；研磨，匀浆 4 ℃ 4 000 r/min离心10 min；取上清液，参考李合生的方法[19]测定超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）的活性，酶活性分别以U/g、U/（g·min）表示，按照Aebi等的方法[20]测定过氧化氢酶（CAT）活性，酶活性以μmol/（mg·min）表示，采用硫代巴比妥酸法[21]测定MDA含量，单位为μmol/g。

14数据统计分析

采用Excel 2010、SPSS 120软件对数据进行统计，采用Duncans新复极差法进行差异显著性分析。

2结果与分析

21化感物质对幼苗生长及叶绿素含量的影响及生物炭的缓解作用

由表1可见，不同处理对番茄幼苗生物量及叶绿素含量有显著影响；与对照相比，A处理的番茄幼苗各生长指标及叶绿素含量均有显著降低，根鲜质量、地上部鲜质量、叶鲜质量、根长、叶绿素a含量、叶绿素b含量分别为对照的566%、663%、580%、620%、268%、437%，说明化感物质对番茄幼苗生长有显著的抑制作用，且导致叶绿素含量有显著降低（P<005）；B处理与C处理相比，除地上部鲜质量、叶鲜质量差异显著（P<005）外，其他指标相互间差异不显著（P>005），说明炭化稻壳与炭化秸秆对化感物质土壤的处理效果较为相似；B处理、C处理各指标均显著小于对照值，说明生物炭能有效缓解化感物质对番茄的毒害作用；与B处理、C处理相比，炭化污泥处理（D处理）除叶绿素b含量差异不显著（P>005）外，其他指标显著降低（P<005），其中叶鲜质量只有C处理的677%；与A处理相比，D处理各生长指标及叶绿素含量均显著提高（P<005），其中叶绿素a含量的差异相对最大，为A处理的24倍。

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P<005）。表2同。

22化感物质对幼苗光合作用的影响及生物炭的缓解作用

由表2可见，使用化感物质处理的番茄幼苗（处理A），其叶片胞间CO2浓度、蒸腾速率、净光合速率、气孔导度均有显著下降（P<005），分别下降273%、209%、241%、440%；分别加入炭化秸秆、炭化稻壳的番茄幼苗（处理B、处理C），其叶片胞间CO2浓度、蒸腾速率、净光合速率、气孔导度相互间差异不显著（P>005），但显著高于处理A（P<005），净光合速率、气孔导度显著低于CK（P<005），胞间CO2浓度、蒸腾速率与CK差异不显著（P>005）；加入炭化污泥的番茄幼苗（D处理），其叶片胞间CO2浓度、蒸腾速率、净光合速率、气孔导度显著高于A处理（P<005），除气孔导度外其他光合指标均显著低于处理B、处理C（P<005）。由此说明，化感物质对番茄幼苗的光合作用有一定影响，可通过生物炭物质进行缓解，不致使番茄在幼苗期就受到较重的损害，这与之前的研究结论[11]一致；不同来源的生物炭缓解化感作用的效果不同，炭化污泥虽有缓解作用，但效果差于炭化秸秆、炭化稻壳。

23化感物质对番茄幼苗叶和根保护酶活性、膜质过氧化的影响及生物炭的缓解作用

231对POD活性的影响由图1可见，试验处理后2、5、10、20 d，处理A的根POD活性显著低于CK、处理B、处理C，处理B、处理C的根POD活性除处理后2 d外显著低于CK，处理B与处理C的根POD活性相互间差异不显著；与处理A相比，处理D的根POD活性有所升高，除处理后20 d时与A处理差异显著外，其他时期均与A处理差异不显著；处理后 20 d 时，处理D的根POD活性与处理B、处理C差异不显著，可[CM（25]能与采样或测定误差有关。各处理对叶片POD活性的作用与根有着相似的趋势，处理A的叶片POD活性多显著低于其他处理；处理B、处理C、处理D均能有效缓解化感物质对叶片POD活性的影响，减缓叶片POD活性的下降；处理D的叶片POD活性显著高于处理A。这说明番茄幼苗在受到化感物质刺激，会导致导致根、叶的POD活性下降，而添加不同来源的生物炭，可明显降低其变化幅度，不同程度缓解化感物质对番茄幼苗的刺激作用。

232对SOD活性的影响由图2可见，处理A的根SOD活性随生育进程逐渐降低，且显著低于CK；添加不同来源的生物炭（处理B、处理C、处理D）与处理A相比，均能明显提高根SOD的活性，但均显著低于CK处理；处理B、处理C的根SOD活性相互间差异不显著；处理D的根SOD活性在处理后10、20 d 时显著低于处理B、处理C。从整体看，各处理对叶片SOD活性的作用与根相似，化感物质对叶片的影响小于根；处理A的叶片SOD活性显著低于CK，处理B、处理C的叶片SOD活性与处理A相比多显著提高，且处理B、处理C相互间差异不显著，在分别处理后2、5 d时与CK差异不显著；处理D的叶片SOD活性在处理后20 d显著低于处理B、处理C。

233對CAT活性的影响由图3可见，处理A的根、叶片CAT活性显著低于CK，其中，处理A的根CAT活性随生育进程而逐渐降低，这与SOD活性规律相似；添加不同来源的生物炭均能明显提高番茄幼苗根、叶片的CAT活性，其中，处理C的效果相对最为显著，C处理的根CAT活性是处理A的 16～21倍，叶片CAT活性为15～16倍，尤其处理后2 d的根和处理后2、5 d的叶片，处理C与CK差异不显著；处理B缓解CAT活性的降低效果明显低于处理C，其根、叶片CAT活性是C处理的823%～969%，而D处理的效果相对更差一些，只有C处理的625%～843%。

234对膜质过氧化的影响由图4可见，随番茄幼苗培养时间的延长，各处理番茄幼苗根、叶片中的MDA含量逐渐增加；处理A的根、叶片MDA含量显著高于CK，是CK处理的14～29倍；添加不同来源的生物炭与处理A相比，可显著降低番茄幼苗根和叶片的MDA含量；处理B和处理C对番茄根、叶片MDA含量的影响多为不显著，仅处理后10 d时处理C的根MDA含量显著低于处理B；加入炭化污泥（D处理）虽然也能有效降低番茄幼苗根、叶片中的MDA含量，但与处理

B、处理C相比，其缓解化感物质毒害的作用相对较差。

3讨论

有研究表明，造成蔬菜连作障碍的原因主要有土传病虫害、土壤营养失衡、化感物质的毒害作用这3个方面，其中连作土壤中的化感物质是引起番茄连作障碍的一个重要因素[22-23]。番茄受到化感物质胁迫，其生物量、生长速率和物质含量都会发生变化，化感物质对植株的干物质积累、保护性酶、光合作用都有很大影响[24-25]。在逆境胁迫下，植物气孔受到限制，气孔阻力增加，光合机构功能受损，叶绿体结构受到破坏，叶绿素含量降低，造成光合作用受到影响[26-27]。活性氧水平和膜脂过氧化程度等与光合速率下降也有关。王艳芳等认为，加入对羟基苯甲酸会造成平邑甜茶幼苗叶片中的叶绿素含量和光合速率显著降低，电子传递速率（ETR）、光系统Ⅱ（PSⅡ）实际光化学效率（ФPSⅡ）和有效光化学效率（Fv′/Fm′）下降，PSⅡ反应中心的光化学活性受到抑制，PSⅡ的电子传递效率降低[28]。植株在生长过程中，膜脂过氧化会对细胞膜造成伤害，因此，POD、SOD、CAT等细胞酶会在体内会形成自我抵御体系，起到消除细胞内活性氧、维持活性氧动态平衡的作用，而化感物质会对POD、SOD、CAT酶活性产生一定的影响。MDA是生物膜系统中一种脂质过氧化产物，MDA含量高低表明脂质过氧化强度的高低及对膜系统的伤害程度。因此，化感物质可通过影响保护酶的活性而使得MDA含量提高[29-30]。本研究中，加入化感物质可引起番茄幼苗根鲜质量、地上部鲜质量、叶鲜质量、根长等生物量指标的降低，光合作用指标下降，叶绿素含量降低，番茄幼苗不同生长时间的根、叶片POD、SOD、CAT酶活性明显降低，自由基的过量积累不能受到有效抑制，自由基的产生与清除之间的平衡被打破，造成脂膜过氧化损伤，MDA含量显著升高。

土壤中添加生物炭可有效地降低化感物質对植物生长的毒害作用[31-34]。有研究表明，添加生物炭的污染土壤，其可提取态的酚类及多环芳烃等有机污染物含量显著降低，可显著增加酸性土壤的阳离子交换量（CEC）[35-38]。本研究结果表明，添加不同来源的生物炭能够缓解化感物质带来的伤害作用，能够显著提高番茄幼苗的生物量、叶绿素含量及光合作用指标，明显提高番茄幼苗根、叶片中POD、SOD、CAT这3种保护酶的活性，显著降低根、叶片中的MDA含量，提高番茄幼苗的抗逆性；3种不同来源的生物炭对化感物质毒害作用的缓解效果不同，炭化稻壳与炭化秸秆的作用相似，其中炭化稻壳的作用效果相对好一些，而炭化污泥的效果相对炭化稻壳与炭化秸秆而言更差。

目前，大多学者认为，生物炭能缓解化感物质毒害作用的原因在于生物炭可通过吸附或隔离作用而降低化感物质、残留农药及重金属离子等有害物质对植物的伤害[39-41，10]；也有人认为，生物炭可以提高植株的赤霉素和生长素含量，两者能激活SOD活性，从而抑制超氧自由基及羟基自由基的产生，提高植物清除活性氧的能力，减少膜脂的过氧化作用，缓解化感物质对植株的破坏[42-45]。不同来源的生物炭之所以产生不同的效果，一是由于生产生物炭的生物质不同，所产生的生物碳结构可能会不同，因此吸附化感物质的能力也就有所不同，二是不同来源的生物炭夹带的其他物质不同，如重金属含量等，可能会导致生物炭对植物激素的刺激不同或造成干扰，这都有待进一步研究。

总之，化感物质抑制番茄幼苗的生长发育，降低其生物量和光合作用，影响番茄保护酶的活性，增加丙二醛含量，而加入生物炭能缓解番茄因自毒作用引起的生长障碍。但是，添加不同来源的生物炭其作用效果不同，添加碳化稻壳、碳化秸秆的效果相对更好，对土壤物理性质也有改善作用，且不会引入过多的其他有害物质。

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