盐碱胁迫下生物炭对甜菜生长的影响

武沛然，郭广昊，刘 磊，刘 丹，杨芳芳，邹春雷，王玉波，李彩凤

(东北农业大学 农学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

随着地球环境的不断恶化，土壤盐碱化现已成为全球性的环境问题，日益侵占并威胁着人类有限的生活空间。据不完全统计，世界盐碱地总面积约1×109hm2[1]，占世界陆地面积的7.6%，遍布30多个国家。中国盐碱土地面积大约9.913×107hm2，且类型多、分布广[2]。通常土壤含盐量在0.2%～0.5%就会对植物生长造成影响[3]，而盐渍土在拥有高含盐量的同时往往伴随着较高的pH值，因此对植株生长发育造成了更强的毒害作用[4]，耐盐能力低的植物很难在盐渍土上生存，所以土壤盐碱化已经成为世界范围内影响农作物产量的关键因素[5]。盐碱胁迫对植物生活史的各阶段及主要生理过程都有影响，如种子萌发、植株生长、光合色素和光合作用、水分吸收利用、营养平衡、氧化应激等[6]。

生物炭(Biochar)是将具有生物量特征的农业废弃物(如秸秆、废弃木头及畜禽粪便等)在少氧或微氧条件下，通过高温裂解形成稳定的固体富碳产物，其形态以粉状颗粒为主。生物炭中蕴含有机碳，一般含有60%以上的C元素，能够提高土壤有机碳含量[7]，同时提高土壤有机质[8]或腐殖质含量，从而进一步提高土壤养分吸持容量及土壤含水量[9-10]。生物炭的施用能够使表层土的容重降低，土壤变得疏松，孔隙度变大[11-12]。生物炭还能够增加土壤微生物的数量，促进微生物活动[13]，进而改善土壤结构，增加土壤孔隙度。随着生物炭施加量的增加，作物产量呈现先增加后下降的趋势。张伟明等[14]研究发现，在砂壤土中施用生物炭水稻产量显著提高，以施用量10 g/kg时水稻产量最高。 Zwieten等[15]和Hossain等[16]研究表明，当生物炭施用量为10 t/hm2时，小麦、萝卜和番茄的产量均可增加50%以上。

甜菜是世界两大糖料作物之一，也是北方地区主要的经济作物，同时具有一定的抗盐碱能力。低盐环境可以促进甜菜生长，高盐环境下甜菜生长则会受到抑制[17]。因此，甜菜在北方尤其是中国黑龙江松嫩平原大面积盐碱土的修复、开发及利用方面具有较好的发展潜力，但是目前在甜菜的栽培措施上，缺乏有效的进一步提高其耐盐碱能力的技术，限制了甜菜在盐碱地上的种植以及盐碱地的开发和利用[18]。生物炭可以改良和培肥土壤，促进土壤的可持续利用及作物增产，对探索盐碱地甜菜高产优质栽培具有重要理论和实践意义。本试验研究3种不同比例的生物炭处理对盐碱胁迫下甜菜干物质量、净光合速率、内源激素含量以及产量等的调控作用，以期明确生物炭对盐碱地甜菜产糖量的影响，为今后继续深入研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试甜菜品种KWS0143，由德国kws提供。

1.2 试验设计

试验在东北农业大学园艺站进行，供试土壤为黑土，土壤基础肥力如下：碱解氮含量55.26 mg/kg，速效磷含量138.3 mg/kg，速效钾含量241 mg/kg，有机质含量44.84 g/kg，pH为7.6，电导率(EC)为260 μS/cm。

将碳酸钠和碳酸氢钠(均无结晶水，分析纯99.8%)按物质的量比1∶2加入土壤中，使其占风干土质量的1.05%。处理后土壤碱化度(ESP)为70.9%，盐分为0.47 g/kg，电导率(EC)为946 μS/cm，pH为9.19。试验用桶的直径为30.0 cm，高为26.5 cm。试验设3个生物炭处理，即生物炭用量分别占风干土质量的1%(C1)，3%(C3)，5%(C5)，以不添加生物炭为对照(CK)。试验中所有处理在播种前按纯氮120 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2进行施肥，肥料分别为尿素、磷酸二铵和硫酸钾。将盐碱、化肥、生物炭与土壤混匀后装入桶中。4月30日进行人工播种，播种前每桶浇水2 L(浇透)，常规管理，搭建防雨棚。生长期间每周浇水1次，每次每桶1 L，快速生长期每2 d浇水1次，每次每桶500 mL，10月1日收获。

1.3 测定指标及方法

出苗率的测定：待甜菜子叶完全展开时统计幼苗出苗情况，计算出苗率。

干物质量的测定：待甜菜第2对真叶完全展开(7月7日)时取样，于7 d后进行第2次取样，14 d后进行第3次取样，之后每隔25 d左右的晴天上午进行第4次(8月14日)、第5次(9月3日)取样。每处理完整取3株放冰盒中带回并用蒸馏水冲洗干净，用滤纸吸干表面水分，然后将地上部和地下部用刀快速切开，放入烘箱中105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量，分别称其地上部和地下部的干质量，取平均值。

SPAD、光合指标及植物激素含量的测定：每次取样时每处理随机取3株，对其完全展开的功能叶片使用便携式叶绿素仪进行SPAD测定，利用CI-340手持式光合作用测定系统(CID，USA)进行净光合速率和气孔导度的测定。将叶片洗净剪碎，迅速经液氮处理保存于-80 ℃超低温冰箱，之后采用上海酶联生物科技有限公司提供的酶联免疫分析(ELISA)试剂盒，用酶标仪在450 nm波长下测定吸光值，通过标准曲线计算样品中植物激素含量。

块根产量及含糖率的测定：10月1日收获，测定块根产量，并用便携式折光仪测定含糖率，计算产糖量。

1.4 数据分析

用Excel 2010数据分析软件进行试验数据处理和制图，采用SPSS 22.0进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 盐碱胁迫对甜菜出苗率的影响

如图1所示，盐碱胁迫严重影响了甜菜的正常出苗，施加不同量生物炭对盐碱胁迫下甜菜的出苗产生了积极影响。与CK相比，C1、C3、C5处理甜菜出苗率分别上升11.3%，28.9%，37.6%，其中C3和C5与CK差异显著，说明在盐碱处理土壤中添加生物炭可以促进甜菜种子的萌发，而且添加量为土壤质量的3%及5%时改善效果明显，说明生物炭自身优良的物理及化学性质对于盐碱土壤改良有明显促进作用。

图1 盐碱胁迫下生物炭对甜菜出苗率的影响Fig.1 Effects of biochar on emergence rate of sugar beet under alkali and salt stress

2.2 盐碱胁迫下施加生物炭对甜菜干物质量的影响

2.2.1 地上部干物质量 由表1可以看出，向土壤中施加不同量生物炭，在不同取样期均可有效增加甜菜地上部分干物质量。其中C3各个取样期干物质量较CK分别提高26.5%，200.0%，97.3%，78.9%和32.7%；C5各个取样期干物质量较CK分别提高100.0%，230.0%，135.0%，68.6%和50.2%。C3和C5地上部分干物质量均高于C1和CK，且与CK差异显著。

表1 盐碱胁迫下生物炭对甜菜地上部分干物质量的影响Table 1 Effects of biochar on dry matter weight of aerial part of sugar beet under alkali and salt stress g/株

注:同列数据后标不同小写字母表示在P<0.05 水平差异显著。下同。

Note:Different lowercase letters in same column show significant difference atP<0.05 level.The same below.

2.2.2 块根干物质量 如表2所示，各处理甜菜块根干物质量在取样期均呈上升趋势。在各个取样期，C3和C5甜菜块根干物质量较CK分别提高100%，285%，181%，113%，47%和225%，357%，294%，116%，82%，与CK差异显著。C1处理块根干物质量在甜菜整个生育期均高于CK，但后期与CK差异不显著。

表2 盐碱胁迫下生物炭对甜菜块根干物质量的影响Table 2 Effects of biochar on root tuber dry weight of sugar beet under alkaline and salt stress g/株

2.2.3 根冠比 如图2所示，同一处理根冠比随着生育期的推进而增加，并且根冠比随着生物炭用量的增加而增加，在中后期C3、C5处理显著高于CK。说明生物炭的施入可以减弱盐碱胁迫对甜菜生长的影响。

图2 盐碱胁迫下生物炭对甜菜根冠比的影响Fig.2 Effects of biochar on root shoot ratio of beet under alkaline and salt stress

2.3 盐碱胁迫下生物炭对甜菜SPAD值的影响

如图3所示，在整个生育期，向土壤中施加不同量的生物炭可显著提高甜菜植株的SPAD值，与CK相比总体显著提高，并且随着生育期的推进SPAD值呈现先增加后降低的趋势。总体而言，SPAD值随着生物炭使用量的增加而增加，但9月3日以C3处理高于C5处理，可能是由于过量生物炭在后期对甜菜生长产生了一定的抑制作用。

2.4 盐碱胁迫下生物炭对甜菜叶片净光合速率和气孔导度的影响

盐碱胁迫下生物炭对甜菜叶片净光合速率和气孔导度的影响见表3。

表3 盐碱胁迫下生物炭对甜菜叶片净光合速率和气孔导度的影响Table 3 Effects of biochar on photosynthetic rate and stomatal conductance of sugar beet leaves under alkaline and salt stress

如表3所示，随生育进程的推进，特别是7月14日以后，各处理甜菜叶片的净光合速率呈逐渐上升的趋势，气孔导度呈先上升后下降的趋势。在7月14日，C1、C3、C5处理甜菜叶片净光合速率分别是CK的1.28，1.61和3.01倍，C3、C5与CK达差异显著水平；9月3日，C1、C3、C5处理甜菜叶片的净光合速率分别是CK的1.19倍，1.39倍和1.17倍，其中C3与CK达差异显著水平。7月14日，C1、C3、C5处理甜菜叶片气孔导度分别是CK的1.13倍，1.32倍和1.81倍；8月14日，C1、C3、C5处理甜菜叶片气孔导度分别是CK的1.02倍，1.32倍和1.50倍；9月3日，C1、C3、C5处理甜菜叶片气孔导度分别是CK的1.12倍，1.51倍和1.63倍，其中C3、C5处理差异不明显，但均显著高于CK。

综上可知，在土壤中施加不同量的生物炭均可以增强甜菜叶片的净光合速率和气孔导度。随着施用量的增加，增强效果逐步增加，伴随着生育进程的推进，施加3%生物炭和施加5%生物炭的差异逐步变小，最后差异不显著。

2.5 盐碱胁迫下生物炭对甜菜内源激素含量的影响

2.5.1 ABA含量 如图4所示，7月21日和8月14日取样期，甜菜叶片中ABA含量均低于CK，C1、C3、C5处理ABA含量分别比CK下降8.6%，10.7%，3.8%和11.2%，12.6%，7.0%；C1、C3与CK达差异显著水平，C1与C3差异不显著。

在土壤中施加生物炭，可降低甜菜叶片中ABA含量，随着甜菜的生长，降低趋势越明显。盐碱土壤使得甜菜叶片中ABA含量随着甜菜生长而升高，土壤中加入一定量的生物炭可降低甜菜叶片中ABA含量，且在土壤质量3%的生物炭量降低ABA效果明显。

图4 盐碱胁迫下生物炭对甜菜ABA含量的影响Fig.4 Effects of biochar on ABA content of sugar beet under alkaline and salt stress

2.5.2 CTK含量 如图5所示，盐碱胁迫下，C1处理甜菜叶片CTK含量呈先上升再下降的趋势，C5处理甜菜叶片CTK含量呈逐渐上升的趋势。在7月14日取样时，甜菜叶片CTK含量依次为C3>C1>C5>CK，在8月14日取样，甜菜叶片CTK含量依次为C5>C3>C1>CK，且C1、C3、C5处理的CTK含量较CK分别增加9.2%，16.4%和21.5%，均呈差异显著水平。

图5 盐碱胁迫下生物炭对甜菜CTK含量的影响Fig.5 Effects of biochar on CTK content of sugar beet under alkaline and salt stress

2.5.3 GA3含量 如图6所示，生物炭处理甜菜GA3含量均高于CK，其中C3在各个取样期的GA3含量均最高，分别较CK高35.2%，44.7%和29.9%。C1在生育期取样中，GA3含量呈现逐渐上升的趋势，C3和C5呈先下降再上升的趋势，向土壤中添加不同量的生物炭，与CK相比较，均可显著提升其GA3含量。

2.6 盐碱胁迫下生物炭对块根产量和含糖率的影响

如表4所示，生物炭处理的甜菜块根产量大小顺序为C5>C3>C1>CK，含糖率的大小顺序为C3>CK>C1>C5。与CK相比，C1、C3、C5处理块根产量提高10.5%，79.5%和105.5%，C3、C5与CK、C1达差异显著水平。与CK相比，C3处理含糖率增加1.26%，差异不显著，而C1和C5处理含糖率减少10.58%和26.04%，差异显著。与CK相比，C3、C5的产糖量分别提高82.05%和52.25%，C3显著高于C5，且C3、C5与C1和CK达差异显著水平。表明在土壤中施加生物炭，可以明显增加甜菜的块根质量，当施用量达到土壤质量的5%之后，块根产量大幅度上升，但含糖率大幅度下降。

表4 盐碱胁迫下生物炭对甜菜块根产量和含糖率的影响Table 4 Effects of biochar on root tuber yield and sugar content in sugar beet under alkaline and salt stress

3 讨论与结论

植株干质量是构成植株形态的主要性状，能够直观反映作物的生长状况，它的大小反映了植物地下部分与地上部分的相关性。根冠比能够反映出作物根系的发育情况，根冠比越大表明其根系发育越好，植株因此会具有较强的吸收水分和矿物质的能力，根系的良好发育对于作物在逆境中生长具有积极作用。

Zwieten等[19]研究表明，在生物炭施用量为10 t/hm2时能提高小麦的干质量约66.7%，高粱的干质量提高约16.7%，萝卜的干质量提高约50%。房彬等[20]在石灰土上施用生物炭后发现，轮作玉米、油菜的产量均显著提高。施用生物炭可以显著促进作物生长，增加作物地上部干物质的积累，提高菠菜[21]、番茄[22]、玉米[23]的干物质积累量。夏阳[24]研究表明，在盐碱土中施加生物炭能够显著提高田菁和滨海锦葵的地上部和地下部生物量，这与本试验结果相一致。随着生物炭用量的不断加大，使得盐碱土壤疏松，透气透水，甜菜地上部和地下部的干物质量显著增高，甜菜块根在块根膨大期能够快速生长，生物炭主要作用是改变甜菜根系环境。本试验表明，对土壤进行生物炭处理可显著降低盐碱胁迫对甜菜生长造成的伤害。

光合作用的强弱是决定作物产量多少的基础。植物的光合作用受到光照强度、光照时间、叶温、空气CO2浓度、空气湿度和土壤营养状况等环境因素和植物生理因素的综合影响[25]。本试验结果表明，在整个生育期，盐碱土中施加不同量的生物炭,甜菜叶片的净光合速率和气孔导度与对照相比均有增加，并且增强效果与生物炭的施用量呈正相关，随着生育进程的推进，施加3%和5%的生物炭差异逐步变小。这可能是由于生物炭表面疏松多孔的结构特性，能够使表层土壤体积质量降低，使土壤变得疏松，孔隙度变大，增加了盐碱土壤的孔隙度，使甜菜根系拥有了更为通水透气的生长环境，同时也增强了土壤的持水能力。生物炭除了通过自身物理性质改善土壤外，还能够增加土壤微生物的数量，通过促进微生物的不断活动，进而改善土壤结构及增加土壤孔隙度。通常来说，含有较高有机质的低容重土壤更有利于土壤养分的释放与化肥的储存，减少土壤的板结[26]。生物炭还能够为土壤微生物提供良好的生存环境，或通过对土壤根际环境的改变，增强微生物活力，激发土壤潜在养分的释放，从而增强了地上部分甜菜叶片的净光合速率和气孔导度。

高继平等[27]研究表明，当生物炭(花生壳炭)添加量在一定范围(30%～40%)时，会不同程度提高内源IAA、CTK和GA3的含量，促进水稻植株的生长。本研究结果表明，施加不同量的生物炭均可以降低甜菜叶片中ABA含量，并且随着生育期的推进，降低趋势越明显，且加入土壤质量3%的生物炭降低效果最明显；盐碱胁迫下，C1处理甜菜叶片CTK含量呈先上升再下降的趋势，C5叶片CTK含量呈逐渐上升的趋势；施加生物炭后叶片中GA3含量均高于对照，其中C3在各个取样期的GA3含量在生物炭处理中均最高。生物炭对植物内源激素的影响主要是通过改变甜菜地下部所处的土壤环境，进一步影响甜菜根系的生长，从而影响甜菜地上部生长发育。

唐春双等[28]研究发现，玉米产量随着生物炭用量的增加表现为先增大后略降低的趋势，生物炭用量为40 t/hm2时增产效果明显，较未施生物炭提高了25.99%，而施炭量为80 t/hm2处理较40 t/hm2处理的玉米产量也有所降低。刘国玲等[29]研究发现，添加生物炭处理郑单958产量最高可达12 076.35 kg/hm2，比对照增产10.23%。生物炭本身具有疏松多孔的物理性质，为土壤微生物创造了良好的栖息环境，有利于作物根系的生长。生物炭能使处理后的土壤总孔隙度增加，同时降低水分的渗滤速度，增强土壤的吸附能力，减少土壤养分淋失，因而具有肥料缓释载体功能，有利于提高肥料利用率，达到增产效果。在本试验中，添加3%和5%的生物炭均可显著提高甜菜块根产量，而添加1%生物炭处理时产糖量降低，可能是由于该添加量虽增加了块根产量但无显著促进效果。3%处理的产糖量最高，但当生物炭施加到5%之后，甜菜块根产量虽继续增加，但不能影响了甜菜品质，导致块根含糖率显著降低，从而降低产糖量。