生物炭对中重度盐胁迫下棉花苗期根系形态及根系分泌物的影响

关键词：生物炭；盐胁迫；总根长；草酸；可溶性糖

中图分类号：S562；S156.4 文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2025）01-0050-09 doi：10.11654/jaes.2024-0063

根据联合国教科文组织和粮农组织不完全统计，全世界盐碱土面积为9.54×108 hm²，而我国现有盐碱土地约9.9×10⁷ hm²[1]，其中新疆地区盐碱化耕地占灌区耕地面积的37.7%[2]。盐碱地既是导致当地生态环境脆弱和致贫的主要因素，也是具有开发潜力的宝贵耕地后备资源[3]，在新疆盐碱化耕地的开发与利用中，研究如何通过土壤改良技术，降低土壤盐分，改善和提高作物的耐盐机制，将对增加农民收入、保障重要农产品有效供给和保护生态安全等具有重要意义[4]。

棉花，作为一种耐盐先锋植物，虽能在较为恶劣的环境中生长[5]，但较高盐度的土壤环境依然对棉花出苗造成严重威胁，导致种子发芽率低，生长速度减缓，甚至植株死亡，从而对棉花的最终产量产生负面影响[6]。在作物生长中，根部是植物感知盐害和干旱逆境最敏感的部位[7]，直接影响植物对水分和养分的吸收能力[8]。研究发现盐胁迫会导致玉米、小麦、苹果等作物根系生长受抑制，根长、根径和根体积减少，进而影响整个植物的水分和营养吸收能力[9-11]。根系分泌物在植物适应盐胁迫环境中扮演着关键角色[12]，在盐胁迫下玉米根系分泌的有机酸可以改变根际土壤pH[13]，改善土壤结构，增加营养元素的有效性，减轻盐分胁迫带来的负面影响[13]。玉米根系分泌的糖类物质也可在玉米耐盐抗逆机制中发挥作用[14]。在盐胁迫环境下，植物往往倾向于分泌更多柠檬酸、草酸、苹果酸、氨基酸、可溶性糖和分子黏胶物质等低分子量有机酸至植物根际[15]。研究表明，草酸和柠檬酸可以促进玉米、南芥和小麦株高的生长[16]，说明根系分泌物在增强作物耐盐特性方面具有一定的促进作用。

生物炭是一种将生物质材料，如农作物残留物、木材、动物粪便等在缺氧或低氧环境下进行高温热解制得的碳质材料[17]，是一种前景广阔的土壤改良剂[18]。生物炭施用于土壤能够改善土壤结构、增加土壤保水能力、减少盐分对植物根系的伤害，有利于提高植物叶片和根系的抗逆能力[19]。为了增加生物炭在改良土壤中的适用性，许多学者对生物炭进行了物理或化学性质的改性[20-21]，其中酸改性生物炭可降低土壤pH值以应用于盐碱土壤改良。研究表明，硫酸改性生物炭可将土壤pH值从原始的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，提高碱性土壤中的磷活性，有助于缓解土壤盐碱化，提高土壤的微生物活性和营养物质的有效性，改善植物的生长条件[23]。前期大量的研究主要关注于生物炭应用于改善土壤理化性质和促进植物生长方面，然而应用于重度盐碱土改良时，作物如何从根系形态、根系生理特性响应外界环境的机制研究仍不充分。因此，施入生物炭能否促进植物根系在中重度盐碱土中生长？根系生理的响应又如何？这些问题值得深入探讨。本试验通过盆栽，在中度和重度盐碱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对苗期棉花根系形态和根系分泌物的影响，揭示了苗期棉花根系生长及生理对于生物炭应用于盐碱土壤改良中的响应机制，研究结果可为作物根际环境调控耐盐机制提供理论参考，为生物炭应用于盐碱土改良以及增强作物生长耐盐性机理研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试棉花选用新陆早52号（耐盐品种），使用生物炭（Biochar，BC）和磷酸改性生物炭（Phosphoricacid modified Biochar，GBC）作为土壤改良剂，生物炭为棉秆炭，取自新疆农业科学院，制备温度450 ℃。磷酸改性棉秆炭为棉秆炭进行20%磷酸浸泡48 h，经60 ℃烘干粉碎过2mm筛后得到。

供试土壤采自新疆维吾尔自治区喀什市伽师县克孜勒苏乡棉田耕层0～30 cm盐碱土，根据新疆土壤盐化分级标准[24]，土壤被分为中度和重度盐碱土，具体参数如表1。

1.2 试验设计

盆栽试验于2023年5月在新疆农业大学试验地开展。将土壤过5 mm筛，去除大块石块等杂物。试验用塑料盆口径27 cm、底径21.2 cm、高30 cm，每盆12 kg土壤。土壤盐度分为中度和重度，生物炭添加量为0、0.5%、1%和2%，每处理设3组重复，具体处理组见表2。添加生物炭后稳定1周，播种后浇水覆膜，每盆定苗3株，在三叶期时去除覆膜。在棉花三叶期每盆棉花随水追施5 g尿素和5 g重过磷酸钙，在棉花生长至30 d时进行采样测定。

1.3 样品采集与前处理方法

在棉花长至2～3片真叶时，选择长势一致的盆栽进行破坏性采样，采样时小心地取出完整棉花植株，用去离子水清洗根部附着的土壤，滤纸吸干表面水分，每处理随机采3株棉花进行根系形态特征指标分析。每处理随机选取3株棉花分别放入200 mL用锡纸包裹的细口瓶中，加入200 mL CaCl₂（0.05 mol·L^-1）溶液，培养3 d（6 h光照和18 h黑暗），将收集的液体抽滤后在38 ℃下旋蒸至液体体积小于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机酸和可溶性总糖的测定。

1.4 测定方法

（1）土壤指标测定方法参照鲁如坤《土壤农化分析》[25]，土壤总盐采用烘干法测定，pH采用pH计测定，电导率（EC）采用电导率仪测定，有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定。

（2）棉花根系形态分析方法

通过Epson Perfection V850 Pro 扫描仪扫描棉花根系样品，使用Win Rhizo 2017 ManualHR根系分析软件扫描棉花根系图片，进行根系长度、根表面积、根系体积等相关指标测定分析[26]。

（3）棉花根系分泌物检测方法

采用HPLC 方法测定棉花根系中草酸、甲酸、苹果酸、乙酸和柠檬酸[27]，测定仪器为高效液相色谱仪（LC-16，岛津仪器苏州有限公司），高效液相色谱仪紫外-可见检测器（SPD-16），CTO-16 柱温箱Inert⁃SustainTMAQ-C18分析柱，流动相A为98%磷酸二氢铵缓冲盐溶液[pH=2.6～2.7，磷酸（色谱纯），磷酸二氢铵10 mmol·L^-1]，B 为2% 甲醇，流动相流速1 mL·min^-1。有机酸标准溶液为柠檬酸、甲酸、苹果酸、乙酸和草酸，检测波长为210 nm，进样量20 μL，有机酸加标回收率：草酸110.05%、甲酸90.09%、苹果酸81.93%、乙酸116.07%、柠檬酸119.20%。可溶性总糖采用蒽酮比色法测定。

1.5 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2021 进行试验数据处理和统计，SPSS Statistics 23进行单因素方差分析，Duncan′s法（Plt;0.05）进行显著性检验，Origin 2022制图，试验数据均用平均值±标准差（n=3）表示。

2 结果与分析

2.1 生物炭对盐胁迫下苗期棉花根系形态的影响

由表3分析可知，相较于中度盐胁迫，重度盐胁迫抑制了棉花的总根长、根系表面积和根系体积（Plt;0.05）。在中度盐胁迫条件下，与CK 相比，BC2处理使棉花的总根长和根表面积分别增加了55.91% 和41.70%（Plt;0.05），而GBC2处理显著增加了棉花总根长、根表面积及根系体积，表明磷酸改性生物炭对根系形态具有促进作用。相反，BC0.5处理棉花的总根长相比CK组下降了25.31%（Plt;0.05）。

在重度盐胁迫条件下，与CK相比，BC1、GBC1和GBC2 处理的总根长显著增加93.84%、107.45% 和79.20%，GBC1 和GBC2 处理的根表面积显著增加了64.41% 和60.24%。相比之下，BC1 处理在重度盐胁迫下主根直径降低了40.85%（Plt;0.05）。

与CK组相比，添加生物炭与改性生物炭后在中度盐碱胁迫下棉花主根直径差异不显著；在重度盐胁迫下，添加0.5%、1%生物炭和1%改性生物炭后棉花主根直径显著降低。

2.2 生物炭对盐胁迫下苗期棉花根系有机酸分泌的影响

如图1所示，在中度盐胁迫条件下，与CK相比，BC1 和GBC1 处理根系草酸含量分别降低了33.64%和46.48%（Plt;0.05）；BC1和BC2处理根系甲酸含量分别降低了46.10% 和44.21%（Plt;0.05），乙酸含量分别降低了40.65%和27.89%（Plt;0.05）；GBC2处理棉花根系草酸含量增加了212.88%，甲酸含量增加了266.55%，柠檬酸含量增加了464.97%（Plt;0.05）；BC0.5和GBC0.5处理棉花根系柠檬酸含量分别增加了145.10%和145.85%（Plt;0.05）。结果表明生物炭和磷酸改性生物炭在中度盐胁迫条件下能显著促进根系有机酸的分泌量。

对于重度盐胁迫条件，与CK 相比，BC0.5，GBC0.5 和GBC2 处理降低了棉花根系草酸含量（Plt;0.05）；BC1和GBC0.5处理棉花根系甲酸的分泌量分别增加了69.56%和78.22%（Plt;0.05）；GBC2处理棉花根系苹果酸含量增加了120.54%（Plt;0.05）；BC1 和BC2处理根系乙酸含量增加了51.61%和56.93%（Plt;0.05）；BC0.5，GBC1和GBC2棉花根系柠檬酸含量分别降低了55.33%、34.74% 和100%（Plt;0.05），GBC0.5处理棉花根系柠檬酸含量增加了69.40%（Plt;0.05）。

2.3 生物炭对盐胁迫下苗期棉花根系可溶性总糖含量的影响

由图2分析可知，在中度盐胁迫下，GBC1、GBC2处理棉花根系分泌物可溶性总糖含量比CK处理分别降低了61.24% 和56.81%（Plt;0.05）；BC0.5、BC1、BC2处理棉花根系可溶性糖含量分别下降了27.36%、18.32%、21.99%（Pgt;0.05）。在重度盐胁迫下，与CK处理相比添加生物炭和磷酸改性生物炭后可溶性糖含量的变化不显著。

2.4 生物炭与盐胁迫下棉花根系形态及根系分泌物间的关系

2.4.1 棉花根系形态和根系分泌物的交互影响

由表4分析可知，施加未改性生物炭，以及与盐分交互作用均对棉花根系分泌甲酸含量影响显著。施加磷酸改性生物炭，以及与盐分交互作用均对棉花根系分泌草酸、甲酸、柠檬酸含量以及根系形态指标产生显著影响。以上结果说明在盐胁迫条件下，未改性生物炭的添加主要调节了棉花根系甲酸的分泌，而磷酸改性生物炭对棉花根系形态以及根系多种有机酸的分泌均有不同程度的调节作用。

2.4.2 棉花根系形态和根系分泌物与土壤指标的相关性分析

由图3分析可知，乙酸含量与棉花根系形态各指标呈显著负相关，与土壤EC和总盐含量呈极显著正相关。可溶性总糖分别与土壤pH和总盐含量呈显著正相关。甲酸含量和棉花根表面积分别与土壤pH呈显著负相关。棉花总根长分别与根表面积和根系体积呈极显著正相关，分别与土壤中EC和总盐含量呈极显著负相关。棉花根系分泌物中的草酸含量分别与甲酸、柠檬酸含量呈极显著正相关，并分别与棉花根表面积和根系体积呈显著正相关。柠檬酸含量分别与根表面积和根系体积呈显著正相关。苹果酸与棉花总根长呈显著负相关。

3 讨论

3.1 生物炭对盐胁迫下棉花根系形态的影响

棉花根系是棉花重要的营养器官之一，能够感受土壤盐分的变化[28]，棉花的总根长、根系表面积和根系体积影响植物对环境中水分和养分的吸收能力。本试验发现重度盐胁迫显著抑制了棉花的总根长、根系表面积和根系体积。相关性分析表明，棉花根系形态特性与土壤中的总盐、EC和pH值呈负相关关系。Rewald等[29]也发现，在盐分胁迫条件下，两个橄榄品种的细根生物量和树干直径指标显著降低。另有研究发现，辣椒和绿藻的根部生物量比茎部生物量更容易受到盐胁迫的抑制，导致根茎比降低[30-31]。

生物炭在调节盐胁迫过程中发挥着重要作用。已有研究表明，随着生物炭施用量的增加，盐碱土壤中有机碳含量显著提高，水溶性盐含量降低明显，土壤阳离子交换量、酶活性及土壤微生物生物量显著提高[32-33]。生物炭还能促进大豆幼苗时期的根生长，特别是直径小于0.5 mm的根，并增强根的活力[34]。本试验中，在中度盐胁迫下，2%生物炭添加能够显著增加棉花总根长、根表面积和根系体积，这与Hazman等[35]在番茄上的研究一致。本试验中度盐胁迫下，0.5%生物炭处理抑制了棉花根系生长，这表明较低的生物炭浓度也可能会抑制根系的扩展和吸收效率，因此在使用生物炭改善盐胁迫条件促进植物生长时，需要仔细考虑适宜的添加量。综合考虑，2%生物炭和磷酸改性生物炭对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团，不仅在土壤环境作用下改善了土壤的养分状况，还可以改善土壤的物理和化学性质来缓解盐胁迫对作物的不利影响[36]。本试验发现在中度和重度盐胁迫下，2%磷酸改性生物炭添加可显著改善棉花根系形态，减轻盐胁迫对棉花根系的不良影响，其原因可能是：一方面pH降低导致土壤可溶性盐含量增加，从而提高生物炭对盐的吸附效果[37]；另一方面生物炭能够在一定程度上改善土壤物理和化学性质，从而改善盐分对作物根系的负面影响，然而在一些重度盐胁迫下，也会产生生物炭失调的情况，可能是因为其调控和缓解能力有限[35]。以上说明生物炭的适量添加可作为一种提高棉花耐盐性的调控方法。

3.2 生物炭对盐胁迫下棉花根系分泌有机酸的影响

植物根系分泌物是根际微生态系统的中心枢纽，其组成和含量的改变集中反映了植物对外界环境变化的响应[38]。根系分泌物中的有机酸可以改善土壤pH值，还可以通过与土壤中的盐离子形成螯合作用，降低土壤中的可溶性盐分，从而减轻植物根部的盐分压力。袁秀梅等[39]的研究发现，带有羟基（—OH）和羧基（—COOH）的低分子量有机酸，如乳酸和柠檬酸，容易与矿物中的金属离子形成络合物。草酸则因含有—COOH，具有形成金属有机配合物和发生络合反应的双重能力[39]。有研究也报道，植物根系草酸和甲酸含量增加可能与植物根系为了抵御盐分胁迫而增强的代谢活动有关[40-41]，而柠檬酸的增加可能与生物炭促进的根系发育和营养吸收效率提高有关[42-44]。Sun等[45]的研究发现苹果酸可通过植物光合作用提供的还原力来提高植物抗盐性。本试验发现未改性生物炭主要调节了棉花根系分泌物中甲酸的含量，而磷酸改性生物炭主要调节了棉花根系分泌草酸、甲酸和柠檬酸的含量，低浓度的生物炭和磷酸改性生物炭主要调节了根系分泌柠檬酸的含量。由相关性分析可得出，磷酸改性生物炭通过降低土壤pH、总盐含量以及EC等指标，影响植物根系有机酸、可溶性总糖的含量，提高根系生长发育，从而增强棉花根系对盐胁迫的适应能力[40]。目前关于盐胁迫下，作物根系分泌物组成调节其根系形态及环境适应性的生理作用机制还并不清楚，需进一步开展深入研究。

3.3 生物炭对盐胁迫下棉花根系分泌可溶性糖的影响

根系分泌物中的可溶性总糖对于植物生长及其与周围环境的相互作用具有重要意义。根系分泌物中可溶性总糖为作物根际微生物提供了能量和碳源，这对于维持根际微生物群落的健康和多样性至关重要[46]。研究发现，玉米根系分泌物中可溶性糖通过吸引有益微生物，如固氮菌和促生菌，来促进玉米生长和健康[47]。Shelden等[48]的研究揭示了耐盐大麦品种中细胞分裂和根伸长的维持与氨基酸、糖和有机酸的合成及积累密切相关。此外，Rizhsky 等[49]在研究拟南芥时发现，当植物面临干旱、高温或综合性胁迫时，蔗糖、麦芽糖和葡萄糖的积累显著增加。这些研究结果表明，作物可通过增加根系分泌的可溶性糖来抵御环境胁迫。本试验中无论中度还是重度盐胁迫下，生物炭的添加都导致棉花根系可溶性糖含量的降低，这可能是因为生物炭中的活性成分可能与土壤中的Na+形成络合，从而降低了盐分的活性[50]，减轻了盐胁迫对植物的伤害，进而降低了可溶性糖在根系的分泌[31]。

盐碱土壤中盐分高低密切关系着作物立地成活和后期生长，苗期阶段植株对环境条件的敏感性可能更高，因此本试验仅对棉花苗期2～3片真叶阶段的植株根系开展了研究，试验结果在一定程度上反映出了磷酸改性生物炭对棉花苗期生长条件改善的积极效果，未来的研究中还应继续开展不同生物炭对盐碱土壤改良以及盐胁迫下植物生长生理响应的研究，为生物炭调控盐胁迫下作物根际环境，提高作物耐盐性长期效应提供实践依据。

4结论

在中重度盐胁迫下，2%的生物炭及磷酸改性生物炭均会显著影响棉花的总根长、根系表面积和根系体积。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、甲酸和柠檬酸的含量。相关性分析可得出，磷酸改性生物炭通过降低土壤pH、总盐含量以及电导率，提高土壤有机质等影响植物根系有机酸、可溶性总糖的含量并促进根系生长发育，从而提高棉花根系对盐胁迫的适应能力。综上得出，在中度或重度盐分土壤中施用2% 磷酸改性生物炭能有效改善棉花根系的生长并提高棉花的耐盐生理特性。