生物质炭输入对盐胁迫下玉米幼苗生长和光合生理特征的影响

刘 易，祁 通，孟阿静，黄 建，冯耀祖，王新勇

(新疆农科院 土壤肥料与农业节水研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

生物质炭输入对盐胁迫下玉米幼苗生长和光合生理特征的影响

刘 易，祁 通，孟阿静，黄 建，冯耀祖，王新勇

(新疆农科院 土壤肥料与农业节水研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

为探讨生物质炭输入对盐胁迫下玉米幼苗生长和光合生理特性的影响，在温室以轻、中、重度盐渍化土壤模拟盐胁迫环境，设置0(CK)，1%，2%，4%，8%生物质炭输入水平，进行玉米盆栽试验。对玉米幼苗生长、SPAD、净光合速率(Pn)等光合参数进行测定。结果表明：盐胁迫条件下玉米幼苗叶片叶绿素含量、光合作用等均受到抑制，进而影响玉米幼苗生长，干物质累积量、单株叶面积均显著降低。生物质炭输入能有效缓解盐胁迫对玉米幼苗生长的抑制。8%生物质炭输入水平对轻度盐胁迫下玉米幼苗生长的促进作用最显著：干物质累积量、SPAD、叶面积分别较对照增加116.22%，36.09%，107.67%，Pn、Tr、Gs分别较空白对照处理高76.60%，57.76%，17.33%；2%生物质炭水平下中度盐胁迫干物质累积量、SPAD、叶面积最高，分别较空白对照处理增加138.04%，18.92%，23.50%，Pn、Tr、Gs分别较空白对照处理高78.48%，55.56%，26.23%；8%生物质炭输入重度盐渍化土壤玉米幼苗干物质累积量、单株总叶面积最高，分别较空白对照处理高483.33%，92.32%，但SPAD在4%输入水平最高，较空白对照处理高71.50%。8%生物质炭输入重度盐渍化土壤玉米幼苗叶片Pn、Tr、Gs分别较CK处理高120.00%，88.78%，17.39%。生物质炭输入盐渍化土壤可通过自身特性增加土壤中矿质养分含量，改善土壤持水能力，提高植株叶绿素含量，促进光合作用，缓解盐胁迫对玉米幼苗生长的抑制作用，可应用于盐渍化土壤的改良。

生物质炭；灰漠土盐化土壤；玉米幼苗；光合生理

盐渍化土壤是我国典型的土地类型，总面积约1.30×107hm2，且仍不断增加[1]。新疆盐渍土总面积达1 336×104hm2[2]，36.8%的耕地面积受到盐碱危害[2]。盐胁迫对作物生长的抑制作用可通过渗透胁迫、离子毒害等方式降低作物光合作用，抑制植物生长，导致产量和品质下降，甚至死亡[3]。因此，探寻盐渍化土壤改良材料成为国内外活跃的研究领域。生物质炭作为新型技术产品，可以快速增加土壤有机炭含量，改善土壤理化性质，增加土壤持水性能[4]，提高土壤有机质含量，提升土壤养分有效性[5-9]，并长时间保持粒状结构，改善土壤结构[10-11]，提高土壤酶活性[12]，成为土壤学等领域研究的热点。研究表明，增施生物质炭能提高作物产量和品质[13]；高量生物质炭保水效应最优，中量生物质炭输入改善光合性能，有利于烤烟植株生长[14-15]；施用生物质炭各处理均增加冬小麦有效穗数和产量(P<0.05)，其中以40 t/hm2处理增加最为显著[16]；生物质炭施入酸性土壤可提高土壤pH值，改善酸性土壤环境[17-19]，进而促进作物生长。但盐渍化土壤输入生物质炭，对植物生长和光合生理特征的影响研究较少。且盐胁迫研究多局限于NaCl、Na2SO4、NaHCO3等单一盐胁迫模拟，不能完全代表特定盐渍化土壤类型中多种胁迫因素对作物生长的影响。本研究通过生物质炭输入，研究其输入新疆氯化物-硫酸盐盐化灰漠土壤对玉米幼苗生长和光合作用的影响，为生物质炭适用于盐渍化土壤改良利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

1.1.2 生物质炭的制备 生物质炭取自国家灰漠土土壤肥力与肥料效益检测基地(N43°56′30″，E87°28′16″)，原材料为棉花秸秆，温度是500～700 ℃，烧制时间8 h，测定生物质炭基本理化性质：pH值9.93，EC 3.7 mS/cm，有机碳434.18 g/kg，全氮26.71 g/kg，全磷11.85 g/kg，全钾22.54 g/kg，碱解氮5.83 mg/kg，速效磷200.49 mg/kg，速效钾108.2 mg/kg，CEC 12.65 cmol(+)/kg。

表1 供试土壤基本理化性质Tab.1 Basic properties of the soil in the pot experiment g/kg

1.2 试验设计

供试土壤处理为轻、中、重3种程度盐渍化土壤(理化性质见表1)，土壤容重为1.5 g/cm3，过2 mm筛备用；生物质炭输入量按照土壤质量的0(BC0，空白对照)、1%(BC1)、2%(BC2)、4%(BC4)、8%(BC8)，与土壤混合均匀。换算为田间施入量分别为0，22.5，45.0，90.0，180.0 t/hm2。2016年5月17日装盆、播种，每个处理3次重复，共15个处理。

供试作物为玉米，品种为郑单958，播种10粒/盆，6月2日定苗，3株/盆；灌水定量：每天50～100 mL/盆(土壤含水量达到田间持水量的60%～70%)。

试验于6月18日(拔节期)，采用英国PP-system公司TPS-2便携式光合作用系统测定玉米幼苗叶片光合生理指标；采用SPAD-502叶绿素计用于叶绿素含量测定。6月27日测定玉米农艺性状。

1.3 生长和光合生理指标的测定及方法

试验于上午9：30-11：30测定净光合速率(Pn，μmol/(m2·s))、气孔导度(Gs，μmol/(m2·s))、蒸腾速率(Tr，μmol/(m2·s))、胞间CO2浓度(Ci，μmol/(m2·s))。施用系统自带LED光源控制光合有效辐射强度938 μmol/(m2·s)，叶片温度(28±1)℃，叶室内CO2浓度(400±10)μmol/mol。每个处理标记长势一致的植株3株，每株测功能叶片(倒三叶)。

水分利用效率(WUE)=Pn/Tr；

气孔限制值(Ls)=Ci/Ca；

玉米幼苗干物质测定：每个处理选取3株有代表性的植株，用抖根法去除玉米根际土壤。将玉米根、茎、叶分开，在105 ℃杀青15 min，60 ℃烘干，分别称重；

干物质累积总量=地上干物质累积量+地下干物质累积量。

1.4 数据统计

数据采用Office Excel 2007和SPSS 17.0进行数据统计分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 生物质炭输入对盐胁迫下玉米生长的影响

2.1.1 生物质炭输入对玉米干物质累积量的影响 干物质累积量是衡量作物生长发育的重要指标。由图1可知，玉米干物质累积量随土壤盐渍化程度增强而降低，总体呈现轻度盐胁迫处理>中度盐胁迫处理>重度盐胁迫处理。轻、中度盐渍化土壤处理，输入生物质炭后玉米干物质量较BC0处理均显著增大。轻度盐胁迫下玉米干物质累积量与生物质炭输入量呈正相关，BC8处理最大，较对照提高116.22%，2%与4%处理间差异不显著(P>0.05)，其余各处理间差异显著(P<0.05)；中度盐胁迫条件下干物质累积量随生物质炭输入量增加呈现先升后降的趋势，BC2处理最高，较BC0增加138.04%，差异显著(P<0.05)。重度盐胁迫下玉米干物质量在BC8处理最高，较BC0处理高483.33%，差异显著(P<0.05)。

2.1.2生物质炭输入对盐胁迫下玉米幼苗单株总叶面积的影响 由图2可知，轻、中、重度盐渍化土壤中玉米幼苗单株总叶面积随盐胁迫程度增强而减小。重度盐胁迫下BC0处理单株总叶面积降至83.97 cm2/株，较轻度BO0处理减少51.78%，表明盐胁迫抑制玉米幼苗叶片生长。轻、重度盐胁迫下生物质炭输入水平与单株总叶面积呈正相关，BC8处理单株总叶面积较对照均达最大，分别增大107.67%，92.32%；中度盐渍化土壤BC2处理玉米幼苗单株总叶面积最大，达199.33 cm2/株，较对照增加23.50%，各生物质炭输入水平处理间差异显著，但无规律。

相同程度盐渍化土壤各处理间不同字母表示差异达5%显著水平。图2-9同。Different small alphabet within the same saliferous level of soil mean significant difference between treatments at 0.05 level.The same as Fig.2-9.

图2 生物质炭输入盐渍化土壤对玉米幼苗单株总叶面积的影响Fig.2 Effects of biochar inputs to saliferous soil during corn plant total leaf area

2.1.3 生物质炭输入对玉米幼苗SPAD的影响 由图3可知，玉米幼苗叶片SPAD值随盐胁迫程度升高而降低。重度盐渍化条件下BC0处理SPAD较轻度BC0处理低42.27%；生物质炭输入增加轻、中、重度盐渍化条件下玉米幼苗叶片SPAD值：轻度盐渍化BC8处理最高，达34.07，较BC0处理增大36.09%，各处理间差异显著(P<0.05)；中度盐渍化土壤处理BC2处理最高，达33.63，较对照增加18.92%；重度盐胁迫BC4处理最高，较对照增加71.50%，BC8、BC4处理间差异不显著(P>0.05)。

图3 生物质炭输入盐渍化土壤对玉米幼苗SPAD值的影响Fig.3 Effects of biochar inputs to saliferous soil during corn SPAD

2.2 生物质炭输入对盐胁迫下玉米幼苗叶片光合生理特征的影响2.2.1 生物质碳输入对盐胁迫下幼苗叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)的影响 Pn与Tr、Gs、Ci等因素相互影响。如图4-6所示，随盐胁迫程度增强，3种盐渍化程度Pn、Tr、Gs空白对照(CK)处理均降低，与盐胁迫程度呈反比。中、重度盐胁迫BC0处理Pn、Tr、Gs分别较轻度盐胁迫BC0处理降低15.96%，7.76%，18.67%和52.13%，39.13%，69.33%。生物质碳输入轻度盐渍化土壤，叶片Pn、Tr、Gs均随生物质炭输入水平增高逐渐增大。其中BC0处理与BC1处理间Gs差异不显著(P>0.05)；8%输入量Pn、Tr、Gs均达到最高值，分别较CK处理高76.60%，57.76%，17.33%。表明8%生物质碳输入量对轻度盐胁迫下玉米幼苗光合作用的促进作用最强。生物质碳输入中度盐渍化土壤，玉米幼苗叶片Pn、Tr、Gs均在2%生物质炭输入水平达到最高，分别较CK处理高78.48%，55.56%，26.23%。其中不同生物质炭输入量各处理间对Pn、Tr影响差异显著(P<0.05)；生物质碳输入中度盐渍化土壤，BC0处理与BC1处理、BC2处理和BC8处理间Gs差异不显著(P>0.05)。说明2%生物质碳输入水平对中度盐胁迫下作物光合作用的促进作用最强。生物质碳输入重度盐渍化土壤，Pn、Tr、Gs变化趋势一致，均随生物质炭输入量增加而增大。8%输入量Pn、Tr、Gs均达到最高值，分别较CK处理高120.00%，88.78%，17.39%。说明8%生物质碳输入水平对重度盐胁迫下玉米幼苗光合作用的促进作用最强。

2.2.2 生物质碳输入对幼苗水分利用效率(WUE)的影响 由图7可知，随着盐胁迫程度增加，未输入生物质炭处理WUE呈降低趋势，中、重度CK处理较轻度CK处理分别降低8.88%,21.35%，差异显著(P<0.05)。表明盐胁迫导致叶片含水量降低，持水性能减弱，水分利用率低，抑制作物的光合，且抑制作用与盐胁迫程度呈正相关。输入生物质炭后，轻、重度盐胁迫处理随生物质碳输入水平的提高，WUE升高(P<0.05)，均在8%生物质炭水平达到最高，较轻、重度盐胁迫CK处理分别增加11.93%，16.54%。中度盐胁迫处理WUE在2%生物质炭输入水平达最高，较CK高14.74%；1.00%，8.00%生物质炭输入水平间差异不显著(P>0.05)。

图4 生物质炭输入盐渍化土壤对玉米幼苗叶片净光合速率的影响Fig.4 Effects of biochar inputs to saliferous soil during corn Pn

图5 生物质炭输入盐渍化土壤对玉米幼苗叶片蒸腾速率的影响Fig.5 Effects of biochar inputs to saliferous soil during corn Tr

图6 生物质炭输入盐渍化土壤对玉米幼苗叶片气孔导度的影响Fig.6 Effects of biochar inputs to saliferous soil during corn Gs

2.2.3 生物质碳输入对幼苗叶片胞间CO2浓度(Ci)和气孔限制值(Ls)的影响 Ci与Ls变化趋势一致(图8-9)。未输入生物质炭条件下，Ci、Ls随盐胁迫程度增加呈下降趋势，其中重度盐胁迫BC0处理与轻、中度盐胁迫BC0处理差异均显著(P<0.05)。轻、中度盐渍化土壤输入生物质炭，Ci、Ls随生物质炭输入量增高呈现先增后降的趋势，分别在1%，2%输入水平达到最高，Ci、Ls分别较轻、中度盐胁迫BC0处理高25.20%和42.28%、32.83%和40.42%；在8%输入水平降至最低，Ci、Ls较对照分别降低77.95%和39.02%、77.03%和37.53%；重度盐胁迫下，Ci、Ls与生物质炭输入量呈正相关，8%输入水平达到最高，较CK处理分别高117.86%，119.68%，差异显著(P<0.05)。

图7 生物质炭输入盐渍化土壤对玉米幼苗水分利用效率的影响Fig.7 Effects of biochar inputs to saliferous soil during corn WUE

图8 生物质炭输入盐渍化土壤对玉米幼苗叶片胞间CO2浓度的影响Fig.8 Effects of biochar inputs to saliferous soil during corn Ci

图9 生物质炭输入盐渍化土壤对玉米幼苗气孔限制值的影响 Fig.9 Effects of biochar inputs tosaliferous soil during corn Ls

3 讨论与结论

盐胁迫条件下，玉米幼苗叶片面积、SPAD、干物质累积量，以及光合生理均受到抑制。生物质炭输入盐渍化土壤可通过自身特性增加土壤中矿质养分含量、改善土壤持水能力，提高植株叶绿素含量，促进光合作用，缓解盐胁迫对幼苗生长的抑制作用。这对生物质炭应用于盐渍化土壤改良具有重要意义。

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Effect Studying of Biomass Carbon Input to Growth and Photosynthetic Physiology Feature of Corn Seedling Cultivated on Saliferous Soil

LIU Yi，QI Tong，MENG Ajing，HUANG Jian，FENG Yaozu，WANG Xinyong

(Institute of Soil Fertilizer and Agricultural Water Saving，Xinjiang Academy of Agricultural Sciences，Urumchi 830091，China)

In order to study the effect of biomass carbon input to corn seedling′s growth and photosynthesis physiology feature which cultivated on saliferous gray desert soil. The saliferous soil with biomass carbon inputs were manipulated in the lab：there were three salinization levels in gray desert soil：level 1 was low salinization，level 2 was medium salinization and level 3 was high salinization，with different weight percentage of biomass carbon inputs：0(CK)，1%，2%，4% and 8%. On these medium，the corn were cultivated to analyze the effect of biomass carbon input to corn seedling′s growth and photosynthesis physiology features. The corn′s growth，SPAD and Pn were investigated during the seedling stage. The results showed that：under the salt stress，contents of corn leaves′ chlorophyll and photosynthesis metabolism were all suppressed，and these induced the inhibition of corn growth，dry matter accumulation and leaf area per plant. Biomass carbon inputs could release the suppression which induced by salt stress to corn growth.with 8% biomass carbon input,the level 1 saliferous soil had the best accelerate effects to corn′s growth. Compared With CK，the dry matter accumulation，SPAD and leaf area were increased 116.22%，36.09% and 107.67% accordingly, Meanwhile，Pn，Tr and Gs were higher than CK 76.60%，57.76% and 17.33% accordingly, When 2% biomass carbon input to level 2 saliferous soil，compared with CK，the dry matter accumulation，SPAD and leaf area of corn were increased 138.04%，18.92% and 23.50% accordingly, Meanwhile，Pn，Tr and Gs were higher than CK 78.48%，55.56% and 26.23% accordingly,in the level 3 saliferous soil which have 8% biomass carbon input，corn had the highest dry matter accumulation and leaf area per plant，which were 483.33% and 92.32% compared with CK,in another hand,in level 3 saliferous soil which have 4%biomass carbon input，SPAD was highest，71.50%higher than CK.In level 3 saliferous soil which have 8% biomass carbon in-put，corn seedling leaves′ Pn，Tr and Gs were higher than CK 120.00%，88.78% and 17.39% accordingly. The biomass carbon input to saliferous soil could induced the mineral content change of soil，improved the soil′s water holding capacity; these could be good for chlorophyll content of plant and boosting the photosynthesis metabolism. Biomass carbon input to saliferous soil could release the plant′s growth supression effect which induced by salt stress，and could be used in saliferous soil amelioration.

Biomass carbon; Saliferous gray desert soil; Corn seedling; Photosynthesis physiology

2017-06-27

国家自然科学基金项目(41361050)； 新疆农科院优秀青年科技人才基金项目(xjnky-2013012)

刘 易(1983-)，男，河北保定人，助理研究员，硕士，主要从事盐渍化土壤改良与修复研究。

王新勇(1961-)，男，浙江江山人，研究员，硕士，主要从事盐渍化土壤治理与防治研究。

S513.01

A

1000-7091(2017)04-0182-07

10.7668/hbnxb.2017.04.029