生物炭浸提液對小白菜種子萌發及幼苗熒光作用的影響

夏紅霞, 喻大燕, 朱啟紅, 劉希東, 李強, 王書敏, 丁武泉

(重慶文理學院材料與化工學院, 環境材料與修復技術重慶市重點實驗室, 重慶 402168)

生物炭是生物質在缺氧或限氧條件下經過高溫裂解形成的穩定、富碳、固體產物，具備孔隙結構豐富、吸附能力強等特性[1]。將生物炭施用到土壤，不僅可以改善土壤物理性質，增加土壤養分含量，還可以增強土壤保水保肥能力，降低土壤污染物質活性[2]，進而促進植物生長[3]。生物炭以其對土壤理化性質的綜合改變和高度穩定性[4-5]，在土壤低產地改良以及污染土壤修復中展示出巨大的優勢和潛力[6]，現已成為環境和農業科學領域的研究熱點之一[7]。

但也有學者對生物炭農用安全存在質疑。他們認為，生物質原料在熱解過程中產生的有機酸、焦油、多環芳烴等有機液體若不能完全分解，將會在生物炭固體中殘留，從而致生物炭含有一定量的焦油、多環芳烴、有機酸等潛在有機毒物[8]；此外，制備生物炭所用的秸稈、沼渣、畜禽糞便等生物質中均含有一定量的重金屬，這些重金屬在生物炭制備過程中不斷濃縮，并最終殘留在生物炭中[9]。這些有毒物質會隨著生物炭農用而進入土壤環境，對土壤生態環境產生潛在威脅[10]，或被植物吸收而進入農產品，危及人類健康。此外，生物炭農用是一不可逆過程，一旦施用將不可逆轉，這就決定了在大規模利用生物炭改良低產地、修復污染土壤前,必需明確生物炭農用對土壤生態環境和農作物生長方面的影響，以有效評估生物炭農用的安全性，從而科學、合理利用生物炭。因此，生物炭農用安全性研究迫在眉睫。為此，本研究擬以酒糟生物炭、梨木生物炭為供試生物炭，研究不同生物炭浸提液對小白菜種子萌發及幼苗生長的影響，進而揭示生物炭可能存在的潛在毒性，為科學、合理利用生物炭提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小白菜種子為品種‘金沙赤葉03’。

供試生物炭選用酒糟生物炭和梨木生物炭。分別將酒糟和梨木粉碎過100目篩，然后在500 ℃條件下采用限氧熱解法[11]制成生物炭。制備的酒糟生物炭、梨木生物炭基本化學元素組成見表1。

表1 供試生物炭基本化學元素組成Table 1 Elements composition of experimented biochars

1.2 試驗設計

1.2.1生物炭浸提液的制備 分別將酒糟生物炭(A)、梨木生物炭(B)與去離子水按質量比1∶3的比例置于錐形瓶，在25 ℃、180 r·min-1條件下恒溫振蕩2 h，抽濾制成生物炭浸提液。將生物炭浸提液分別稀釋0、10倍和50倍，共A1、A2、A3、B1、B2、B3六個處理。

1.2.2種子萌發及幼苗生長 選取30顆籽粒飽滿、大小均一的小白菜種子，播種于裝有30 g石英砂的培養皿中。向培養皿中加入10 mL不同濃度的生物炭浸提液，置于恒溫光照培養箱中進行培養。培養條件設置為25 ℃、光照強度3 000 lx、光照時間12 h·d-1。培養期間定期補充5 mL生物炭浸提液，自第3 d起觀察記錄種子發芽情況，第14 d后開始測定植株株高、根面積、根長、根系活力等指標。以添加蒸餾水為對照，每個處理重復3次。

1.3 樣品分析與指標測定

采用WinRHIZO根系分析系統(加拿大Regent)測定幼苗根面積，用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定幼苗根系活力[12]，用MINI-PAM便攜式調制葉綠素熒光儀(德國WALZ)測定幼苗葉片葉綠素熒光參數，用丙酮提取法測量葉片葉綠素含量，用硫代巴比妥酸法測定葉片丙二醛含量[13]。

于上午9:00—10:00用葉綠素熒光測定儀原位測定植株葉片葉綠素熒光參數。

種子萌發率通過以下公式計算。

萌發率=萌發種子數/種子總數×100%

1.4 數據分析

試驗數據采用SPSS 22.0軟件進行統計分析，并利用LSD法進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭浸提液對小白菜種子萌發的影響

不同處理的小白菜種子萌發結果(圖1)顯示，生物炭浸提原液處理小白菜種子的萌發率均低于CK處理，這與王晉等[14]研究結果一致。但是，經稀釋后生物炭浸提液卻促進小白菜種子的萌發。尤其是稀釋50倍后梨木炭浸提液處理種子發芽率較CK顯著增長16.67%，說明稀釋后的生物炭浸提液促進小白菜種子的萌發。試驗結果還顯示，不同生物炭浸提液處理間也存在較大差異。酒糟生物炭浸提液處理種子萌發率均低于梨木生物炭浸提液處理，尤其是酒糟生物炭浸提液原液處理比梨木生物炭浸提液原液處理低13.04%，差異顯著(P<0.05)。

注：不同字母表示不同處理間差異在P<0.05水平具有統計學意義。Note：Different letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level.圖1 生物炭浸提液對種子萌發的影響Fig.1 Effect of biochar extract on seed germination rate

2.2 生物炭浸提液對幼苗生長的影響

不同處理的幼苗株高結果(圖2)可見，施用生物炭浸提液處理幼苗株高均高于CK處理，且與CK差異顯著(P<0.05)；尤其是梨木炭浸提液各處理幼苗株高均超過CK 30%以上，差異極顯著(P<0.01)。由此表明，施用生物炭浸提液可提高小白菜幼苗株高，這與朱優矯等[15]的研究結果一致。

注：不同字母表示不同處理間差異在P<0.05水平具有統計學意義。Note：Different letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level.圖2 生物炭浸提液對幼苗株高和根系活力的影響Fig.2 Effects of biochar extract on plant height and root activity of seedling growth

研究還發現，酒糟生物炭浸提液雖然也提高了小白菜幼苗株高，但其促進作用明顯低于梨木生物炭浸提液處理。這說明梨木炭對株高的促進效果更為顯著，這可能由于兩種生物炭浸提液中的N、K、P、微量元素以及部分利于小白菜幼苗生長的有機物質含量差異導致，對這方面的影響機制有待后續深入研究。

從不同處理的幼苗根系活力結果(圖2)可見，酒糟炭和梨木炭浸提液處理幼苗根系活力均高于CK，且差異顯著(P<0.05)。尤其是稀釋10倍梨木浸提液處理根系活力達1.6 μg·g-1·h-1，較CK增長100%，差異極顯著(P<0.01)。由此說明，生物炭浸提液可提高小白菜幼苗根系活力，這與蔣健等[16]的研究結果一致。

試驗結果還顯示，酒糟生物炭浸提液處理幼苗根系活力的作用均顯著低于梨木生物炭浸提液處理植株；尤其是浸提液原液處理以及稀釋50倍處理植株幼苗根系活力分別比梨木生物炭浸提液處理低20.0%和26.7%，差異極顯著(P<0.01)。

2.3 生物炭浸提液對幼苗丙二醛含量的影響

丙二醛(melondialdehyde,MDA)是植株細胞膜脂過氧化過程的重要產物之一，不但可以反映植物細胞膜脫脂化程度和超氧自由基生成量，還可以反映超氧自由基對組織損傷的嚴重程度[17]。不同處理的幼苗MDA含量結果如圖3所示，可知，施用生物炭浸提液處理幼苗MDA含量均低于CK。其中梨木炭浸提液處理較CK下降34.1%，酒糟炭浸提液處理MDA含量較CK降低15.1%，均差異顯著(P<0.05)。由此表明，生物炭浸提液可抑制小白菜幼苗葉片MDA含量，這與王艷芳等[17]的研究結果一致。

注：不同字母表示不同處理間差異在P<0.05水平具有統計學意義。Note：Different letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level.圖3 生物炭浸提液對幼苗丙二醛含量的影響Fig.3 Effect of biochar extract on MDA content of seedling

試驗結果還顯示，施用酒糟生物炭浸提液處理幼苗MDA含量均顯著高于施用梨木生物炭浸提液處理。這可能因為酒糟生物炭浸提液中營養元素含量低于梨木生物炭浸提液，也可能是酒糟生物炭浸提液中有毒物質含量高于梨木生物炭浸提液的原因。

2.4 生物炭浸提液對幼苗葉綠素等相關參數的影響

不同處理的幼苗葉綠素含量結果如圖4A，可知，施用生物炭浸提液各處理下幼苗葉片葉綠素含量均高于CK，其中梨木炭浸提液原液處理幼苗葉綠素含量較CK增長25%，差異顯著(P<0.05)。由此表明，施用生物炭浸提液可提高小白菜幼苗葉綠素含量，這與王曉維等[18]的研究結果一致。

光化學效率(Fv/Fm)可反映植株葉片PSⅡ反應中心光能的轉化效率[19]。正常生理狀態下，Fv/Fm值極少發生變化，常維持在0.83左右；但當植物受到光抑制和逆境脅迫時，其值明顯下降[18]。Fv/Fm值下降越多，說明PSⅡ損傷越大[20]。因此，Fv/Fm是植物逆境生理研究的重要指示性參數[21]。不同處理的幼苗PSⅡFv/Fm結果見圖4B，可知，CK組Fv/Fm為0.78，數值偏小，這可能是因為本試驗采用石英砂培植而非土壤培植，對幼苗生長所需的養分供給相對缺乏，導致植株生長受到限制。施用生物炭浸提液處理幼苗葉片的Fv/Fm均大于CK，但差異不顯著(P>0.05)，這與黃韡等[22]的研究結果一致。

實際光化學效率(ΦPSⅡ)可反映光下光合機構所吸收的光能用于光化學反應的比例[23]，較高的ΦPSⅡ值表示植株擁有較高的光能轉化效率，可促進碳同化的高效運轉和有機物積累[24]。生物炭浸提液對供試植株葉片ΦPSⅡ的影響結果見圖4C，可知，施用生物炭浸提液處理小白菜幼苗ΦPSⅡ均高于CK，這與王艷芳等[17]的研究結果相似。試驗結果還顯示，不同生物炭浸提液對小白菜葉片ΦPSⅡ影響差異較大。如酒糟炭浸提液各處理均高于CK，但差異不顯著(P>0.05)。而施用梨木炭浸提液原液處理植株葉片ΦPSⅡ值達0.74，較CK增長32.14%，差異極顯著(P<0.01)；各稀釋液處理ΦPSⅡ值與CK相比也差異顯著(P<0.05)。由此表明，梨木生物炭浸提液能更好地提高小白菜幼苗葉片的ΦPSⅡ值。

葉片表觀光電子傳遞速率(ETR)即表觀光合電子傳遞速率，可以定量反映從PSⅡ到PSⅠ的電子傳遞[25]，這種能力與植株的生理狀況和環境因素密切相關[26]。生物炭浸提液對幼苗ETR的影響結果如圖4D所示，可知，施用生物炭浸提液處理植株葉片ETR值均高于CK組，且隨生物炭浸提液濃度增大而增加。其中梨木炭原液處理下的ETR值最大，達26.2，較CK增長59.8%，差異極顯著(P<0.01)。酒糟炭各處理ETR較CK平均增長36.0%，差異顯著(P<0.05)，但低于梨木生物炭浸提液處理。由此可見，施用生物炭浸提液可提高供試小白菜幼苗葉片表觀光電子傳遞速率，且梨木炭對小白菜幼苗ETR值的促進效果更明顯。

注：A.葉綠素含量；B. Fv/Fm；C. ΦPSⅡ；D. ETR。不同字母表示不同處理間差異在P<0.05水平具有統計學意義。Note: A.Chlorophyll content; B. Fv/Fm; C. ΦPSⅡ; D. ETR. Different letters indicate significant difference among treatments at P<0.05 level.圖4 生物炭浸提液對幼苗葉綠素熒光參數的影響Fig.4 Effect of biochar extracts on fluorescence parameters of seedlings

3 討論

本試驗結果顯示，生物炭浸提液原液抑制了小白菜種子的萌發。這可能是因為生物物質在厭氧環境裂解過程中產生的生物油具有一定的生物毒性[27]，從而抑制了種子的萌發；但這些毒性物質具有一定的水溶性[27]，經稀釋后其毒性降低，并且溶液中正效應因子(如丁烯酸內酯)的作用掩蓋了負效應因子[14]，從而促進小白菜種子的萌發[28]。不同生物炭浸提液對小白菜種子萌發的影響差異較大，這可能是因為不同原料制備的生物炭中含有的毒性物質種類、含量、性質以及正效應因子等均存在較大差異所致。

生物炭浸提液提高了幼苗根系活力，增加了幼苗葉片葉綠素含量，增強葉片葉綠素熒光參數，這可能是因為生物炭浸提液中含有大量的N、K、P、S、Ca、Mg、Fe 等營養元素[29-32]，這些營養元素為幼苗根系組織發育和形態建成提供重要的物質基礎，從而使作物根系能保持較高的活力和較強的生理功能，進而促進幼苗生長，提高葉片葉綠素熒光參數。王艷芳等[17]研究發現，施用生物炭后平邑甜茶幼苗的ETR值較對照有顯著提高，認為可能是施用生物炭提高了平邑甜茶幼苗葉片葉綠素含量，植株葉片光系統Ⅱ的光學活性隨之增強，使植株葉片PSⅡ的實際電子傳遞效率得到提高，增強了電子傳遞鏈的穩定性，并使葉片用于光合電子傳遞的能量占所吸收光能的比例增加[33-34]，從而提高植物的光能轉化效率，增大ETR值、ΦPSⅡ值和Fv/Fm值。研究還發現，施用生物炭可提升植株葉片對胞間 CO2的同化能力[35-37]，從而有效改善供試植株葉片的光合性能，進而促進植株生長。此外，生物炭浸提液中的微量元素以及部分有機物質具有較強的微生物親和性[38]，可提高部分微生物和酶的活性，改善植株根際生長環境[39]，促進幼苗根系生長[30]，提高幼苗的葉綠素含量。

生物炭浸提液抑制小白菜幼苗葉片MDA含量，主要是因為施用生物炭浸提液提高幼苗葉片的抗氧化酶活性[17]，增強幼苗清除活性氧的能力，在細胞水平上減輕對植物造成的氧化損傷。此外，施用生物炭可大幅增加土壤中氮、磷、鉀等營養元素含量[19]，促進小白菜生長，從而提高小白菜的抗逆能力。