劉新宇，武沛然，李彩鳳，王玉波，張樹友，陳婧婷

(東北農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，黑龍江 哈爾濱 150000)

隨著地球環(huán)境的持續(xù)惡化，各種問題應(yīng)運而生，土壤鹽堿化現(xiàn)已成為全球性的環(huán)境問題，日益侵占并威脅著人類有限的生活空間。如何改良和利用鹽堿地已經(jīng)成為當前農(nóng)業(yè)面臨的主要問題。我國東北地區(qū)的鹽堿地面積為7.66×106hm2，約占全國鹽堿地面積的7.9%[1]。光合速率下降是導(dǎo)致鹽堿脅迫植物生長緩慢的主要原因之一。鹽堿脅迫能破壞植物的葉綠體結(jié)構(gòu)[2]，葉片中鹽分的積累導(dǎo)致植物葉綠素含量下降，影響植物的光系統(tǒng)，降低植物接收光能的能力[3]，使植物生長發(fā)育緩慢甚至死亡。

甜菜(BetavulgarisL.)是世界兩大糖料作物之一，也是我國北方地區(qū)重要的經(jīng)濟作物，本身具有一定的抗鹽堿能力。目前有關(guān)鹽堿脅迫對甜菜生長影響的研究較多，有研究表明，低鹽環(huán)境可以促進甜菜生長，高鹽環(huán)境下甜菜生長則會受到抑制[4]。鹽堿脅迫會顯著抑制甜菜的光合作用[5]，施加有機肥能有效緩解鹽堿脅迫對甜菜光合作用的抑制，并提高甜菜的產(chǎn)量[6]。

生物炭是在缺氧或絕氧條件下，將生物有機材料在高溫下熱裂解產(chǎn)生的固體[7]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,可以將生物炭按一定比例與市場上的氮磷鉀肥混合，形成新型的炭基有機、無機復(fù)合肥。生物炭與化肥混合成粒后，兩者緊密結(jié)合，可以使肥效緩慢釋放并減少化肥的流失，從而提高化肥利用率，減少環(huán)境污染[8]。由于生物炭能提高土壤的腐殖質(zhì)和有機質(zhì)含量，具備“鎖”碳能力，從而使土壤肥力和二氧化碳含量提高[9]，間接提高植物的光合能力。如果在逆境 (鹽堿或漬害) 條件下施加生物炭，則能降低土壤體積質(zhì)量，增加土壤營養(yǎng)成分含量，同時提高作物產(chǎn)量[10-11]。另外，在施加生物炭的條件下同時減少施肥量，也能顯著提高玉米產(chǎn)量[12]。

中國黑龍江松嫩平原鹽堿土面積大，對其進行修復(fù)及開發(fā)利用具有十分重要的實際意義，但是目前在甜菜栽培上尚缺乏進一步有效提高其耐鹽堿能力的技術(shù)措施，從而限制了甜菜在該地區(qū)的種植、開發(fā)和利用。為此，本試驗在鹽堿脅迫條件下，通過生物炭與氮肥配施，研究甜菜葉綠素含量、RuBP羧化酶活性、凈光合速率及葉綠素熒光參數(shù)的變化規(guī)律，探索鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜光合特性的影響，以期為甜菜抗鹽堿栽培及其生理研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試甜菜品種為KWS0143，由德國KWS公司生產(chǎn)。生物炭由玉米秸稈在500 ℃高溫低氧下制成，pH值為9.29，碳含量為67.08%，由東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2018年在黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學試驗站(126°63′W，45°10′N)進行。供試土壤為本地自然黑鈣土，土壤基礎(chǔ)肥力(0～20 cm)為：有機質(zhì)含量35.66 g/kg，堿解氮含量176.27 mg/kg，速效磷含量83.30 mg/kg，速效鉀含量153.20 mg/kg，土壤土水比1∶5浸提液的電導(dǎo)率(EC1∶5)為12.2 mS/m，pH值為7.65。

將供試土壤與中性鹽(Na2SO4∶NaCl=1∶2(物質(zhì)的量比，下同)) 和堿性鹽(Na2CO3∶NaHCO3=1∶2) 混合，此時土壤中Na+含量為3 g/kg，EC1∶5為33.2 mS/m，pH值為9.15。

試驗共設(shè)7個處理，其中3個正常施肥處理，分別為黑鈣土(CK)、鹽堿脅迫處理(ALK)及鹽堿脅迫下施加3%生物炭(N180)；4個鹽堿脅迫下施加3%生物炭并同時減少氮肥用量處理，其施肥量分別為162 kg/hm2(N162)、144 kg/hm2(N144)、126 kg/hm2(N126)和108 kg/hm2(N108)，其中生物炭施用量為風干土壤質(zhì)量(每桶10 kg) 的3%，正常施肥的施用量比例為N∶P2O5∶K2O=180∶90∶90，減少氮肥施用處理的磷、鉀肥施用量與正常施肥處理相同。肥料分別使用尿素、磷酸二胺和硫酸鉀。將各處理的鹽堿、化肥和生物炭與過篩后的土壤混勻后裝入桶中，桶的直徑為30.0 cm，高為26.5 cm。播種前每桶澆水2 L (澆透)，4月31日進行人工播種，每桶播5穴，每穴播10粒種子，每個處理40桶。待第2對真葉展開時間苗，每桶留1株。生育期內(nèi)澆水、除草同大田管理。

在甜菜整個生育期內(nèi)，分別在06-22,07-11,08-05,08-25和09-15，隨機選擇各處理長勢相同的3株甜菜進行取樣。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 葉綠素含量的測定 取甜菜的第3對真葉，采用乙醇提取法[13]測定甜菜葉片中的葉綠素含量。

1.3.2 RuBP羧化酶活性的測定 RuBP羧化酶活性測定采用酶聯(lián)免疫分析法，并使用上海酶聯(lián)生物科技有限公司提供的試劑盒進行測定。

1.3.3 凈光合速率和氣孔導(dǎo)度的測定 在取樣前后的晴朗天氣，使用便攜式光合作用-熒光測量系統(tǒng) (GFS-3000，上海澤泉) ，于09:00-11:00測定甜菜的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度?？刂乒夂嫌行л椛錇? 500 μmol/(m2·s)，葉室CO2濃度為390 μmol/mol。

1.3.4 葉綠素熒光參數(shù)的測定 在取樣前后的晴朗天氣，于09:00-11:00使用便攜式葉綠素熒光儀(PAM-2500，上海澤泉) 測定葉綠素熒光參數(shù)，包括光系統(tǒng)Ⅱ最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)、光系統(tǒng)Ⅱ?qū)嶋H光能轉(zhuǎn)換效率(Y(Ⅱ))、光系統(tǒng)Ⅱ相對電子傳遞速率(ETR)、光化學淬滅系數(shù)(qL)和非化學淬滅系數(shù)(NPQ)。

1.3.5 干物質(zhì)量的測定 每處理取3株長勢相同植株，用蒸餾水沖洗干凈，將地上部與地下部分開后，在烘箱中殺青30 min (105 ℃)，80 ℃烘干至恒質(zhì)量后進行測定，取平均值為植株的干物質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

圖表中數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的“平均值±標準誤”。用Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理和制圖，采用SPSS 23.0軟件進行相關(guān)性分析和5%水平的差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜葉綠素含量的影響

由表1可見，就整個生育期而言，各處理甜菜葉綠素含量均呈先升高后降低趨勢，CK處理的葉綠素含量在整個生育期均顯著高于各鹽堿脅迫處理。

表1 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜葉綠素含量的影響

表1顯示，在6月22日，N180、N162、N144和N126處理甜菜葉綠素含量顯著高于ALK處理，說明鹽堿脅迫下施加生物炭能顯著增加甜菜的葉綠素含量。在7月11日，N180、N162、N144和N126處理甜菜葉綠素含量較ALK處理分別提高了31.9%，36.9%，32.4%和19.8%，是各處理葉綠素含量較ALK處理增幅最大的時期。與7月11日相比，N162和N144處理甜菜葉綠素含量在8月5日略有下降，其他處理則仍呈上升趨勢。在8月25日，ALK處理甜菜的葉綠素含量與除CK外的其他處理差異不顯著，但各處理甜菜葉綠素含量均有明顯下降。在9月15日，各處理甜菜葉綠素含量均達到最低值。

2.2 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜RuBP羧化酶活性的影響

由表2可知，CK處理甜菜RuBP羧化酶活性在各取樣時期分別較ALK處理高1.8%(06-22)，6.7%(07-11)，24.6%(08-05)，24.7%(08-25)和19.7%(09-15)，說明鹽堿脅迫會降低甜菜RuBP羧化酶的活性。6月22日，ALK處理甜菜的RuBP羧化酶活性與其他處理無顯著差異。8月5日，在鹽堿脅迫條件下隨施氮量的降低甜菜RuBP羧化酶活性均逐漸降低，其中N180和N162處理均高于ALK處理，而N108處理顯著低于ALK處理。在8月25日，ALK處理甜菜的RuBP羧化酶活性顯著低于其他處理。在9月15日，CK、ALK、N180、N162、N144、N126處理甜菜的RuBP羧化酶活性均高于8月25日，其中N180、N162、N144、N126處理甜菜的RuBP羧化酶活性分別較ALK處理高16.6%，11.9%，6.3%和3.2%。

表2 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜RuBP羧化酶活性的影響

2.3 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜葉片光合特性的影響

2.3.1 凈光合速率 表3顯示，隨著生育期的推進，甜菜葉片凈光合速率呈先升高后降低的趨勢，CK處理的凈光合速率在整個生育時期均顯著高于ALK處理，說明鹽堿脅迫使甜菜葉片凈光合速率顯著降低。隨著施氮量的降低，甜菜葉片凈光合速率也逐漸降低，除7月11日外，N180和N162處理均顯著高于其他減氮處理；除8月5日外，N108處理甜菜的凈光合速率在其余各取樣時期均低于ALK處理。在6月22日，N180、N162和N144處理甜菜葉片的凈光合速率顯著高于ALK處理。各處理甜菜的凈光合速率均在7月11日達到峰值，此時各處理間凈光合速率的變化趨勢與6月22日基本相同。

表3 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜葉片凈光合速率的影響

2.3.2 氣孔導(dǎo)度 由表4可知，甜菜葉片氣孔導(dǎo)度隨甜菜的生長呈先升高后降低的趨勢，在整個生育期內(nèi)ALK處理均顯著低于CK處理，在各取樣時期較CK分別下降了28.5%(06-22)、21.0%(07-11)、40.3%(08-05)、31.2%(08-25)和43.6%(09-15)，說明甜菜葉片氣孔導(dǎo)度在鹽堿脅迫下顯著下降。在各取樣時期，N180、N162和N144處理甜菜葉片氣孔導(dǎo)度均顯著高于ALK處理；隨氮肥施用量的減少，氣孔導(dǎo)度逐漸降低，其中N180處理顯著高于N162、N144、N126和N108處理。

表4 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜葉片氣孔導(dǎo)度的影響

2.4 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響

2.4.1Fv/Fm由表5可知，甜菜的Fv/Fm隨生育期的推進呈無規(guī)律變化，N180，N162和CK處理在整個生育期均顯著高于ALK處理，說明鹽堿脅迫顯著減低了甜菜的Fv/Fm，生物炭的加入顯著增加了甜菜葉片的Fv/Fm?？傮w上而言，隨著氮肥施用量的減少，甜菜葉片F(xiàn)v/Fm呈逐漸下降趨勢，除6月22日外，其余取樣時期N180與N162處理相比無顯著差異。

表5 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜Fv/Fm的影響

2.4.2Y(Ⅱ) 由圖1可知，隨著生育期的推進，各處理甜菜葉片的Y(Ⅱ)均呈先升高后下降的趨勢，ALK處理的Y(Ⅱ)在各取樣時期較CK處理分別下降了4.7%(06-22)，2.0%(07-11)，7.1%(08-05)，2.7%(08-25)和4.1%(09-15)，且差異均達到顯著水平，說明鹽堿脅迫使甜菜的Y(Ⅱ)顯著降低。N180和N162處理甜菜的Y(Ⅱ)在各取樣時期均顯著高于ALK處理。

同一取樣日期下不同小寫字母表示各處理間在0.05水平差異顯著。下同

2.4.3 ETR 由表6可知，隨生育期的推進，各處理甜菜的ETR總體均呈先升高后降低的趨勢?？傮w而言，鹽堿脅迫使甜菜ETR明顯降低，適量氮肥條件下施加生物炭可以顯著提升甜菜的ETR。6月22日，N180和N162處理甜菜的ETR顯著高于除CK外的其他處理。7月11日，各處理甜菜的ETR均達到最大值，此時N180和N162處理顯著高于其他處理。8月5日，CK處理甜菜的ETR顯著高于其他處理。至8月25日，N180處理甜菜的ETR顯著高于其他處理。

表6 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜葉片ETR的影響

2.4.4qL表7顯示，鹽堿脅迫下加入生物炭后，隨著生育期的推進，各處理甜菜的qL均呈先升高后降低的趨勢，在各取樣時期ALK處理的qL較CK處理分別降低了14.6% (06-22)，14.6%(07-11)，5.2% (08-05)，10.1% (08-25) 和14.3% (09-15)，且差異均達到了顯著水平。隨著氮肥施用量的減少，甜菜qL逐漸降低。N162和N180處理甜菜的qL在6月22日、7月11日和8月5日無顯著差異，而在8月25日和9月15日，以N180處理顯著高于N162。

表7 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜qL的影響

2.4.5 NPQ 從表8可以看出，隨生育期的推進,各處理甜菜的NPQ均呈先減小后增大的趨勢，鹽堿脅迫顯著增加了甜菜的NPQ，施加生物炭能顯著降低NPQ。CK處理與N180處理、N180處理與N162處理相比，甜菜NPQ在各取樣時期均無顯著差異。在7月11日，除CK處理外其他處理的NPQ均達到最低值，此時ALK和N126處理甜菜的NPQ顯著高于其他處理，隨后又開始逐漸升高；8月25日，ALK、N144、N126和N108處理甜菜的NPQ顯著高于CK、N180和N162處理；至9月15日，N144、N126和N108處理甜菜的NPQ顯著高于其他處理。

表8 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜NPQ的影響

2.5 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜干物質(zhì)量的影響

2.5.1 葉片干物質(zhì)量 由圖2可知，各處理甜菜葉片干物質(zhì)量總體均隨生育期的推進呈先增加后減小趨勢。鹽堿脅迫顯著降低了甜菜葉片的干物質(zhì)量，ALK處理甜菜葉片干物質(zhì)量在各取樣時期較CK處理分別降低了67.5%(06-22)，22.3%(07-11)，26.1%(08-05)，26.1%(08-25)和15.7%(09-15)。N180和N162處理甜菜葉片干物質(zhì)量在各生育時期也顯著高于ALK處理。除N108處理外，其他處理甜菜葉片的干物質(zhì)量均在8月5日達到最大值，其中以N180處理最大，為11.14 g，較ALK處理高出177%。在8月25日，N108處理葉片干物質(zhì)量較8月5日略有增長，其他處理則開始下降。

圖2 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜葉片干物質(zhì)量的影響

2.5.2 根系干物質(zhì)量 由圖3可知，隨生育期的推進，各處理甜菜根系干物質(zhì)量均呈逐漸增大趨勢，鹽堿脅迫顯著降低了甜菜根系的干物質(zhì)量。在各取樣時期，N180、N162、N144處理甜菜根系干物質(zhì)量均顯著高于ALK處理；在6月22日、8月5日和8月25日，N180處理甜菜的根系干物質(zhì)量均顯著高于N162處理；在7月11日，N180和N162處理甜菜的根系干物質(zhì)量無顯著差異，而在9月15日，N162處理甜菜的根系干物質(zhì)量較N180處理高7.2%，且差異顯著。

圖3 鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜根系干物質(zhì)量的影響

2.6 甜菜葉片干質(zhì)量與光合重要指標的相關(guān)性

在8月5日，除N108處理外，其他處理甜菜的葉片干物質(zhì)量均達到最大值，說明此時甜菜處于葉叢快速生長期，因此選擇8月5日時的各指標參數(shù)進行相關(guān)分析。葉綠素含量和RuBP羧化酶活性均與甜菜的光合作用相關(guān)，甜菜葉片凈光合速率、Y(Ⅱ)和qL是光合作用速率與效率的直觀表現(xiàn)。由表9可以看出，甜菜葉片的葉綠素含量、RuBP羧化酶活性、凈光合速率、Y(Ⅱ)、qL和葉片干物質(zhì)量之間均存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。

表9 甜菜葉片干物質(zhì)量與光合重要指標的相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

光合作用是植物最基本也是最重要的生理代謝之一，其能制造植物所需的有機物，平衡大氣中氧和二氧化碳的平衡，在自然界中具有重要意義。鹽堿土中過量的Na+導(dǎo)致土壤水勢降低，使植物從土壤中吸水困難；植物吸收大量的Na+后不僅使植物對其他養(yǎng)分難于吸收，而且還會導(dǎo)致植物的生理代謝紊亂，降低植物的光合作用。研究表明，高濃度的鹽堿脅迫顯著降低了植物葉片的葉綠素含量和光系統(tǒng)Ⅱ的光化學效率[14-17]，這與本研究結(jié)果相一致，其原因可能是過量的鹽分導(dǎo)致植物原生質(zhì)凝聚，破壞了葉綠體的結(jié)構(gòu)，抑制了光合作用的光反應(yīng)[18]。在鹽堿脅迫下枸杞的RuBP羧化酶活性顯著降低，使得枸杞的碳同化能力下降，光合作用速率減慢[19]，與本研究結(jié)果相同，這可能是由于能量供應(yīng)被限制所致[20]。李帥霖等[21]研究表明，施加2%的生物炭和0.2 g/kg純N的氮肥可使小麥葉片凈光合速率顯著提高。其原因可能是由于生物炭疏松多孔的結(jié)構(gòu)能提高土壤的透氣性，并使土壤的比表面積增大，有利于植物更容易地從土壤中交換營養(yǎng)物質(zhì)，為植物提供了良好的生長環(huán)境。

本研究結(jié)果表明，鹽堿脅迫能顯著降低甜菜的葉綠素含量，減慢光合作用光反應(yīng)和暗反應(yīng)速率及干物質(zhì)積累速率，而施加生物炭能有效緩解鹽堿脅迫對甜菜生長的影響，這與武沛然等[22]關(guān)于鹽堿脅迫下施加生物炭對甜菜生長的影響研究結(jié)果相一致。同時，在減少10%氮肥施用量 (N162) 的情況下，甜菜的光合作用和干物質(zhì)量與氮肥不減量處理(N180)無顯著差異，這可能是由于施加生物炭和適當減少氮肥用量增加了土壤微生物的多樣性。有研究表明，生物炭與氮肥配施能使土壤中的微生物生物量碳提高45.1%～208.6%，土壤脲酶活性提高91.7%，還能顯著增加土壤微生物數(shù)量[23]。這可能是由于生物炭具有較強的吸附性，能吸附土壤中的營養(yǎng)元素和礦質(zhì)元素[24]，有利于土壤中微生物的生長繁殖；土壤脲酶活性的提高和微生物多樣性的增加能改善土壤結(jié)構(gòu)，促進養(yǎng)分循環(huán)，從而提高了肥料在鹽堿土中的利用效率[25]，間接提高甜菜的光合作用速率和干物質(zhì)積累速率。

綜上所述，施加3%生物炭能有效緩解鹽堿脅迫對甜菜光合作用的抑制。結(jié)合施肥成本考慮，在鹽堿脅迫條件下施加3%生物炭的同時減少10%氮肥 (N162) 最為合理，但關(guān)于鹽堿脅迫下施加生物炭和減少氮肥用量對甜菜生長和土壤理化性質(zhì)的影響及其機理仍需進一步研究。