生物质炭与氮肥配施对谷子光合色素和保护酶的影响

李 杰 ，吴 荣 ，尚晶涛 ，张 杰 ，杜慧玲

（1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801；2.山西农业大学文理学院，山西太谷 030801）

生物质炭（Biochar）是指由农作物废弃物、植物落叶等生物质在缺氧或无氧条件下经高温热裂解（通常＜700℃）产生的一类高度芳香化富碳的稳定产物[1-3]。生物质炭具有良好的孔隙度和较强的吸附能力，作为一种外源输入的新型功能材料，其在增加土壤碳库，改良土壤以及提高作物产量、品质方面发挥作用[4-6]。

我国农业生产中，存在氮肥使用量大，利用率低，环境污染风险大的问题。生物质炭具有表面积大，孔隙度高，同时表面还有一定的官能团的特点，能够在其表面吸持一定的养分，增强肥料的缓释性，提高肥料利用率，促进作物生长，提高产量。但生物质炭自身养分含量较低，与肥料配施，效果显著[7]。张万杰等[8]研究表明，生物质炭与氮肥配施可以增加菠菜产量。刘明等[9]研究表明，生物质炭与氮肥配施提高了大豆的叶绿素含量，通过调节单株粒数增加了大豆产量。张雯等[10]研究表明，施用不同类型生物质炭基氮肥对土壤硝酸还原酶活性具有提高作用。王浩等[11]研究不同氮肥水平下生物质炭对高粱苗期生长及有关生理特性的影响，结果表明，低量生物质炭（1%）有利于高粱种子发芽和幼苗生长，高量生物质炭（5%和10%）和高氮水平（800 kg/hm2）在一定程度上抑制了高粱幼苗的生长；植株硝酸盐含量随生物质炭施用量的增加而相应减少，随氮肥水平提高而相应增加。

谷子作为山西杂粮的“领军代表”，耐旱耐瘠薄，抗逆性强。谷粒的营养价值高，含丰富的蛋白质、脂肪和维生素等。在谷子的生产中，轻简化栽培以及施肥提高谷子产量的研究报道比较多，但是，生物质炭与氮肥配施对谷子生长的影响以及提高氮肥利用率的研究鲜见报道。

本研究采用盆栽试验，研究生物质炭与氮肥配施对谷子生理特性的影响，旨在为谷子生产减肥增效提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试谷子品种为晋谷21，生物质炭为玉米秸秆生物质炭，来自山西农业大学理化实验室。盆栽所用土壤取自山西农业大学试验站耕层土（0～20cm），去除根、枝等残留物，过2 mm筛装盆。土壤为石灰性褐土，pH值7.81，碱解氮54.29 mg/kg，速效磷78.09 mg/kg，速效钾 221.1 mg/kg，有机质 21.74 g/kg；供试氮肥为尿素（含N46%）。

1.2 试验设计

采用口径为27.5 cm，高为25.5 cm的塑料花盆进行盆栽试验，每盆装风干土4.5 kg。设生物质炭和氮肥2个因素，每个因素3个水平。生物质炭用量按盆装土的质量计算，分别为 0（C0），2%（C1）和 4%（C2）；氮肥（尿素）分别为 0（N0），0.13（N1），0.26 g/kg（N2）。共9个处理，每个处理重复3次。将生物质炭、尿素和土壤混匀装盆。选取籽粒饱满的种子，撒播播种，覆砂子2 cm，在谷子出苗两叶一心时，每盆定苗10株。

1.3 测定项目及方法

在谷子拔节期，选取长势均匀一致的新鲜植株5株，采用ARNON[12]的方法测定光合色素含量；采用硫代巴比妥酸分光光度法测定丙二醛（MDA）含量；采用愈创木酚法[13]测定过氧化物酶（POD）活性；采用氮蓝四唑（NBT）光化还原抑制法测定超氧化物歧化酶（SOD）活性；采用磺胺比色法[14]测定硝酸还原酶（NR）活性。

1.4 数据处理

试验数据用Microsoft Excel作图，用SPSS 17.0进行方差分析，用Duncan新复极差法进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 生物质炭与氮肥配施对谷子光合色素含量的影响

由表1可知，在不施氮肥的情况（N0）下，施用生物质炭显著增加了谷子叶片叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素的含量。其中，与C0相比，C1，C2处理的叶绿素b含量的增幅分别为42.3%，44.6%，而类胡萝卜素含量显著降低19.8%，20.2%。在N1水平下，C1处理的谷子叶片叶绿素a、总叶绿素含量较C0均显著降低，降幅分别为29.5%，9.4%，而叶绿素b含量显著增加26.2%，类胡萝卜素含量差异不显著；C2处理的叶绿素a和类胡萝卜素含量较C0分别显著降低27.3%和13.7%，叶绿素b含量显著增加41.6%。在N2水平下，与C0相比，C1处理的谷子叶片叶绿素a、类胡萝卜素、总叶绿素含量均显著降低，降幅分别为21.3%，13.5%，16.0%；C2处理谷子叶片的类胡萝卜素含量显著降低15.6%，但叶绿素a含量显著增加3.5%。表明总叶绿素含量和类胡萝卜素含量与土壤C/N有关，随着C/N的增大总叶绿素含量增加，而类胡萝卜素含量减少。

表1 生物质炭与氮肥配施对谷子光合色素含量的影响 mg/g

与C0N0处理相比，对叶绿素a增幅最大的是 N2C2处理，增幅高达40.4%，N1C1处理增加了19.1%；N1C2处理对叶绿素b含量的增幅高达56.6%，是对叶绿素b含量增幅最大的处理，对叶绿素b增幅最低的处理为N1C0，增幅为25.8%；对总叶绿素含量增幅最大的也是N2C2处理，增幅为41.4%，最低的为N1C1，为28.7%。

2.2 生物质炭与氮肥配施对谷子丙二醛（MDA）含量的影响

由图1可知，生物质炭的不同水平下，均表现为随着氮肥用量的增加丙二醛含量降低，特别是在C1，C2水平时，显著降低了丙二醛含量。C1N1，C2N1处理与C0N1处理相比，分别降低了66.1%和81.6%，C1N2，C2N2处理与C0N2处理相比，分别降低了55.9%和70.0%。表明生物质炭和氮肥配施能够抵抗膜脂的过氧化，起到保护细胞的作用，有利于作物的生长。N2C2处理与N0C0处理相比，MDA含量降低了142%，降幅最大。

2.3 生物质炭与氮肥配施对谷子硝酸还原酶（NR）、过氧化物酶 （POD）、超氧化物歧化酶（SOD）活性的影响

由图2可知，随着施用生物质炭量的增加，谷子叶片硝酸还原酶（NR）活性呈上升趋势，并且在C的同一水平下，随着施氮量的增加硝酸还原酶活性增加。说明生物质炭与氮肥配施对硝酸还原酶活性具有一定的协同作用。N2C2处理与C0N0处理相比，NR增加最多，达到了47.8%。

由图3可知，N0水平下，随着生物质炭用量的增加过氧化物酶活性降低，即N0C2处理＜N0C1处理＜N0C0处理，与N0C0处理相比，N0C1，N0C2处理分别降低了31.6%和48.3%。N1，N2水平下，与C0处理相比，C1处理使酶活增加，C2处理使酶活降低，以N2C1处理增加最多，为12.0%。表明生物质炭与氮肥配施对过氧化物酶活性的影响具有一定的剂量效应。

由图4可知，生物质炭与氮肥配施对超氧化物歧化酶活性影响不大，随着生物质炭和氮肥施用量的增加，谷子叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性呈下降趋势。

3 讨论与结论

生物质炭对作物的效应受其自身性质、土壤类型及施肥状况的制约[15]。叶绿素和类胡萝卜素是影响植物叶片光合速率的重要因素，光合色素含量高低是反映作物光合能力和生理活性变化的重要指标之一[16]。本研究表明，施用生物质炭对谷子叶片的光合色素有显著影响。其中，施用生物质炭虽降低了类胡萝卜素含量，但显著增加了谷子叶片叶绿素含量，特别是生物质炭与氮肥配施，随着施用量的增加叶绿素含量增加，N2C2处理叶绿素a含量的增加幅度最大，为40.4%，N1C1处理增加量最少，增加了19.1%；叶绿素b含量增加最大的为N1C2处理（56.6%），最低为CON1处理（25.8%）；总叶绿素含量的最高增幅为41.4%（N2C2处理），最低增幅为28.7%（C1N0处理）。这与王欢欢等[17]研究得出随生物质炭施加量的增加，烤烟旺长期中部叶SPAD值增加的结论一致。生物质炭与氮肥配施显著提高了总叶绿素含量。叶绿素含量直接影响植物的光合作用及产量[18]。故生物质炭与氮肥配施为提高作物产量奠定了基础。

硝酸还原酶（NR）是硝酸盐同化中的第一个酶，处于植物氮代谢的关键位置，与植物吸收利用氮肥有关，对农作物产量和品质有重要影响，因而，硝酸还原酶活性被当作植物营养或农田施肥的指标之一。本研究中生物质炭与氮肥配施，随着生物质炭和氮肥用量的增加，硝酸还原酶活性增大，与C0N0处理相比，C2N2处理硝酸还原酶活性增加了47.8%。说明生物质炭有利于提高氮肥利用率。

POD，SOD是植物保护酶系统中重要的抗氧化酶，是植物体内清除自由基的关键酶，MDA是膜脂过氧化产物，其含量可以衡量膜脂过氧化程度，评价细胞膜受伤害程度[19]。本研究中，生物质炭与氮肥配施，随着生物质炭和氮肥用量的增加，MDA含量降低。与C0N0处理相比，丙二醛降低最多达142.0%；POD随着生物质炭施用量的增加而降低，在C1处理时，配施以氮肥N1的酶活性最大；生物质炭与氮肥配施随着施用量的增加SOD酶活性呈降低趋势，但差异不显著。说明生物质炭与氮肥配施能够降低膜脂过氧化，提高作物的抗逆性。

生物质炭本身含有矿质养分和有机碳，所以，在一定程度上能够供给植物生长的养分；同时由于生物质炭具有比较大的表面积，对养分有吸持作用[20-21]，能够起到缓释作用，提高肥料利用率，实现减肥增效。

本研究探讨了生物质炭和氮肥配施对谷子拔节期叶片光合色素和保护酶的影响，生物质炭与氮肥配施对产量和氮肥利用率的影响及机制有待进一步探索。

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