生物炭對(duì)化感物質(zhì)脅迫下番茄幼苗生物量及保護(hù)酶活性的影響

李亮亮　吳正超　陳彬

摘要：研究化感物質(zhì)對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)的抑制作用及加入生物炭緩解化感物質(zhì)對(duì)番茄幼苗的毒害作用，并從生物量、光合作用指標(biāo)、保護(hù)酶活性及丙二醛（MDA）含量的變化進(jìn)行討論。結(jié)果表明，化感物質(zhì)對(duì)番茄幼苗的生物量、光合作用及葉綠素含量具有顯著的抑制作用，幼苗體內(nèi)SOD、POD、CAT的活性降低，番茄幼苗體內(nèi)的MDA含量顯著增加；加入不同來源的生物炭，番茄幼苗的生物量、胞間CO2濃度、蒸騰速率、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及葉綠素含量有顯著提高，化感物質(zhì)對(duì)保護(hù)酶活性的抑制作用得到緩解，番茄幼苗體內(nèi)MDA含量有所降低，番茄幼苗的生長(zhǎng)得到改善；炭化秸稈與炭化稻殼的作用效果相近，與炭化稻殼、炭化秸稈相比，炭化污泥緩解化感物質(zhì)毒害作用的效果相對(duì)較差。因此，添加生物炭可用于預(yù)防番茄連作障礙的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：番茄；化感物質(zhì)；生物炭；光合作用；保護(hù)酶活性

中圖分類號(hào)： S641201文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2017）16-0099-05

收稿日期：2017-02-04

基金項(xiàng)目：遼寧省自然科學(xué)基金（編號(hào)：201202192）。

作者簡(jiǎn)介：李亮亮（1971—），男，北京人，博士，副教授，從事設(shè)施園藝及農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究。E-mail：LLL204600@163com。

通信作者：臧健，碩士，講師，從事農(nóng)業(yè)資源與土壤生態(tài)環(huán)境研究。E-mail：zangjian-12@163com。

連作障礙是影響番茄產(chǎn)量的重要因素之一，而引起番茄連作障礙的原因很多，化感物質(zhì)的毒害作用是其中之一[1-4]。防止化感物質(zhì)對(duì)蔬菜產(chǎn)生毒害的方法有多種多樣，包括客土法、土壤中添加生物制劑或改良劑、土壤淋洗等，其中，土壤中添加有機(jī)質(zhì)被認(rèn)為是一種方便可行的方法[5-7]。但是，有機(jī)質(zhì)降解性較強(qiáng)、降解后可能產(chǎn)生其他不確定因素而使其應(yīng)用受到一定的限制。生物炭是生物質(zhì)在缺氧條件下熱降解的產(chǎn)物，對(duì)除草劑、農(nóng)藥等有機(jī)物具有較強(qiáng)的吸附能力[8-10]。因此，添加不易降解、吸附性好、來源廣泛的生物炭可能會(huì)成為一個(gè)新的發(fā)展方向，而研究生物炭緩解或消除化感物質(zhì)對(duì)番茄幼苗的毒害作用，對(duì)指導(dǎo)番茄抗連作障礙栽培具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

有研究表明，鄰苯二甲酸、鞣酸、香草酸、苯甲酸、水楊酸、阿魏酸及肉桂酸等化感物質(zhì)能夠?qū)κ卟俗魑锂a(chǎn)生毒害作用[11-12]，可以引起植株生物量、保護(hù)酶、根系三羧酸（TCA）循環(huán)酶活性降低，根系呼吸速率、線粒體功能受到抑制，土壤酶活性被改變[13-14]。生物炭具有巨大的比表面積微孔結(jié)構(gòu)，有很強(qiáng)的吸附能力，能吸附土壤污染物、降低污染物對(duì)土壤環(huán)境的危害，目前活性炭、活性木炭等已在美國(guó)、日本等國(guó)家蔬菜種植中廣泛應(yīng)用，并取得較好的效果[15-16]。有研究發(fā)現(xiàn)，活性碳可在水培條件下吸附植物根系分泌物，降低水楊酸、苯甲酸、對(duì)羥基苯乙酸等化感物質(zhì)及丙二醛（MDA）的含量，增加植株生長(zhǎng)量[17]。本試驗(yàn)通過在發(fā)生化感物質(zhì)毒害的土壤中添加不同來源的生物炭，研究生物炭對(duì)番茄幼苗生物量參數(shù)、光合作用、葉綠素含量及對(duì)根系、葉片保護(hù)酶活性的影響，探討番茄幼苗緩解化感物質(zhì)傷害的途徑，為有效防治番茄連作障礙提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

11試驗(yàn)材料

111番茄壯苗的培育試驗(yàn)于2014年5月在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地塑料大棚進(jìn)行，供試番茄品種為遼園多麗。將挑選好的番茄種子播于穴盤中，培養(yǎng)至4葉1心時(shí)，將優(yōu)良?jí)衙缫圃缘绞⒂胁煌寥捞幚淼?0 cm×10 cm塑料缽內(nèi)。土壤為棕壤土，堿解氮、有效鉀、速效磷的含量分別為5015、6825、5225 mg/g，有機(jī)質(zhì)含量為112 g/kg，pH值為68。

112化感物質(zhì)的配制分別配制10 mmol/L鄰苯二甲酸、鞣酸、香草酸、苯甲酸的02%乙醇水溶液，等體積混合。將配制好的化感物質(zhì)分別施入各營(yíng)養(yǎng)缽中，每5 d施入1次，每次60 mL。

113生物炭的制備分別選用秸稈、稻殼、污泥作為生物質(zhì)原料，風(fēng)干；置于烘箱烘干，粉碎，過10目篩；取一定量烘干的生物質(zhì)，表面包裹鋁箔紙，置于去掉內(nèi)襯的高壓消解罐內(nèi)在馬弗爐中500 ℃熱解3 h。

12試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)土壤處理，分別為CK：土壤+02%乙醇水溶液；A：土壤+化感物質(zhì)；B：土壤+化感物質(zhì)+炭化秸稈（2%全碳含量）；C：土壤+化感物質(zhì)+炭化稻殼（2%全碳含量）；D：土壤+化感物質(zhì)+炭化污泥（2%全碳含量）。每處理定植10株，重復(fù)3次，隨機(jī)排列。每3 d澆1次Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，每次50 mL。其他栽培管理與生產(chǎn)相同。

13測(cè)定內(nèi)容及方法

131生長(zhǎng)指標(biāo)及葉綠素含量測(cè)定開始處理后10 d，采用稱質(zhì)量法測(cè)定幼苗根、葉片、地上部鮮質(zhì)量，采用鋼卷尺測(cè)定根長(zhǎng)；按Arnon的方法[18]測(cè)定葉綠素含量；

132光合作用參數(shù)測(cè)定處理后20 d，使用Li-6400型便攜式光合作用儀測(cè)定番茄幼苗第6張功能葉的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間隙CO2濃度（Ci），控制條件為空氣相對(duì)濕度50%～70%、溫度30 ℃，采用開放式氣路。

133保護(hù)酶活性及丙二醛含量測(cè)定分別取處理后2、5、10、20 d的根尖或去脈葉片樣品10 g，加入5 mL預(yù)冷的 50 mmol/L pH值為78的磷酸緩沖液[含02 mmol/L乙二胺四乙酸（EDTA）、2%聚乙烯吡咯烷酮（PVP）]；研磨，勻漿 4 ℃ 4 000 r/min離心10 min；取上清液，參考李合生的方法[19]測(cè)定超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）的活性，酶活性分別以U/g、U/（g·min）表示，按照Aebi等的方法[20]測(cè)定過氧化氫酶（CAT）活性，酶活性以μmol/（mg·min）表示，采用硫代巴比妥酸法[21]測(cè)定MDA含量，單位為μmol/g。

14數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010、SPSS 120軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用Duncans新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性分析。

2結(jié)果與分析

21化感物質(zhì)對(duì)幼苗生長(zhǎng)及葉綠素含量的影響及生物炭的緩解作用

由表1可見，不同處理對(duì)番茄幼苗生物量及葉綠素含量有顯著影響；與對(duì)照相比，A處理的番茄幼苗各生長(zhǎng)指標(biāo)及葉綠素含量均有顯著降低，根鮮質(zhì)量、地上部鮮質(zhì)量、葉鮮質(zhì)量、根長(zhǎng)、葉綠素a含量、葉綠素b含量分別為對(duì)照的566%、663%、580%、620%、268%、437%，說明化感物質(zhì)對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)有顯著的抑制作用，且導(dǎo)致葉綠素含量有顯著降低（P<005）；B處理與C處理相比，除地上部鮮質(zhì)量、葉鮮質(zhì)量差異顯著（P<005）外，其他指標(biāo)相互間差異不顯著（P>005），說明炭化稻殼與炭化秸稈對(duì)化感物質(zhì)土壤的處理效果較為相似；B處理、C處理各指標(biāo)均顯著小于對(duì)照值，說明生物炭能有效緩解化感物質(zhì)對(duì)番茄的毒害作用；與B處理、C處理相比，炭化污泥處理（D處理）除葉綠素b含量差異不顯著（P>005）外，其他指標(biāo)顯著降低（P<005），其中葉鮮質(zhì)量只有C處理的677%；與A處理相比，D處理各生長(zhǎng)指標(biāo)及葉綠素含量均顯著提高（P<005），其中葉綠素a含量的差異相對(duì)最大，為A處理的24倍。

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著（P<005）。表2同。

22化感物質(zhì)對(duì)幼苗光合作用的影響及生物炭的緩解作用

由表2可見，使用化感物質(zhì)處理的番茄幼苗（處理A），其葉片胞間CO2濃度、蒸騰速率、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度均有顯著下降（P<005），分別下降273%、209%、241%、440%；分別加入炭化秸稈、炭化稻殼的番茄幼苗（處理B、處理C），其葉片胞間CO2濃度、蒸騰速率、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度相互間差異不顯著（P>005），但顯著高于處理A（P<005），凈光合速率、氣孔導(dǎo)度顯著低于CK（P<005），胞間CO2濃度、蒸騰速率與CK差異不顯著（P>005）；加入炭化污泥的番茄幼苗（D處理），其葉片胞間CO2濃度、蒸騰速率、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度顯著高于A處理（P<005），除氣孔導(dǎo)度外其他光合指標(biāo)均顯著低于處理B、處理C（P<005）。由此說明，化感物質(zhì)對(duì)番茄幼苗的光合作用有一定影響，可通過生物炭物質(zhì)進(jìn)行緩解，不致使番茄在幼苗期就受到較重的損害，這與之前的研究結(jié)論[11]一致；不同來源的生物炭緩解化感作用的效果不同，炭化污泥雖有緩解作用，但效果差于炭化秸稈、炭化稻殼。

23化感物質(zhì)對(duì)番茄幼苗葉和根保護(hù)酶活性、膜質(zhì)過氧化的影響及生物炭的緩解作用

231對(duì)POD活性的影響由圖1可見，試驗(yàn)處理后2、5、10、20 d，處理A的根POD活性顯著低于CK、處理B、處理C，處理B、處理C的根POD活性除處理后2 d外顯著低于CK，處理B與處理C的根POD活性相互間差異不顯著；與處理A相比，處理D的根POD活性有所升高，除處理后20 d時(shí)與A處理差異顯著外，其他時(shí)期均與A處理差異不顯著；處理后 20 d 時(shí)，處理D的根POD活性與處理B、處理C差異不顯著，可[CM（25]能與采樣或測(cè)定誤差有關(guān)。各處理對(duì)葉片POD活性的作用與根有著相似的趨勢(shì)，處理A的葉片POD活性多顯著低于其他處理；處理B、處理C、處理D均能有效緩解化感物質(zhì)對(duì)葉片POD活性的影響，減緩葉片POD活性的下降；處理D的葉片POD活性顯著高于處理A。這說明番茄幼苗在受到化感物質(zhì)刺激，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)致根、葉的POD活性下降，而添加不同來源的生物炭，可明顯降低其變化幅度，不同程度緩解化感物質(zhì)對(duì)番茄幼苗的刺激作用。

232對(duì)SOD活性的影響由圖2可見，處理A的根SOD活性隨生育進(jìn)程逐漸降低，且顯著低于CK；添加不同來源的生物炭（處理B、處理C、處理D）與處理A相比，均能明顯提高根SOD的活性，但均顯著低于CK處理；處理B、處理C的根SOD活性相互間差異不顯著；處理D的根SOD活性在處理后10、20 d 時(shí)顯著低于處理B、處理C。從整體看，各處理對(duì)葉片SOD活性的作用與根相似，化感物質(zhì)對(duì)葉片的影響小于根；處理A的葉片SOD活性顯著低于CK，處理B、處理C的葉片SOD活性與處理A相比多顯著提高，且處理B、處理C相互間差異不顯著，在分別處理后2、5 d時(shí)與CK差異不顯著；處理D的葉片SOD活性在處理后20 d顯著低于處理B、處理C。

233對(duì)CAT活性的影響由圖3可見，處理A的根、葉片CAT活性顯著低于CK，其中，處理A的根CAT活性隨生育進(jìn)程而逐漸降低，這與SOD活性規(guī)律相似；添加不同來源的生物炭均能明顯提高番茄幼苗根、葉片的CAT活性，其中，處理C的效果相對(duì)最為顯著，C處理的根CAT活性是處理A的 16～21倍，葉片CAT活性為15～16倍，尤其處理后2 d的根和處理后2、5 d的葉片，處理C與CK差異不顯著；處理B緩解CAT活性的降低效果明顯低于處理C，其根、葉片CAT活性是C處理的823%～969%，而D處理的效果相對(duì)更差一些，只有C處理的625%～843%。

234對(duì)膜質(zhì)過氧化的影響由圖4可見，隨番茄幼苗培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各處理番茄幼苗根、葉片中的MDA含量逐漸增加；處理A的根、葉片MDA含量顯著高于CK，是CK處理的14～29倍；添加不同來源的生物炭與處理A相比，可顯著降低番茄幼苗根和葉片的MDA含量；處理B和處理C對(duì)番茄根、葉片MDA含量的影響多為不顯著，僅處理后10 d時(shí)處理C的根MDA含量顯著低于處理B；加入炭化污泥（D處理）雖然也能有效降低番茄幼苗根、葉片中的MDA含量，但與處理

B、處理C相比，其緩解化感物質(zhì)毒害的作用相對(duì)較差。

3討論

有研究表明，造成蔬菜連作障礙的原因主要有土傳病蟲害、土壤營(yíng)養(yǎng)失衡、化感物質(zhì)的毒害作用這3個(gè)方面，其中連作土壤中的化感物質(zhì)是引起番茄連作障礙的一個(gè)重要因素[22-23]。番茄受到化感物質(zhì)脅迫，其生物量、生長(zhǎng)速率和物質(zhì)含量都會(huì)發(fā)生變化，化感物質(zhì)對(duì)植株的干物質(zhì)積累、保護(hù)性酶、光合作用都有很大影響[24-25]。在逆境脅迫下，植物氣孔受到限制，氣孔阻力增加，光合機(jī)構(gòu)功能受損，葉綠體結(jié)構(gòu)受到破壞，葉綠素含量降低，造成光合作用受到影響[26-27]?；钚匝跛胶湍ぶ^氧化程度等與光合速率下降也有關(guān)。王艷芳等認(rèn)為，加入對(duì)羥基苯甲酸會(huì)造成平邑甜茶幼苗葉片中的葉綠素含量和光合速率顯著降低，電子傳遞速率（ETR）、光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）實(shí)際光化學(xué)效率（ФPSⅡ）和有效光化學(xué)效率（Fv′/Fm′）下降，PSⅡ反應(yīng)中心的光化學(xué)活性受到抑制，PSⅡ的電子傳遞效率降低[28]。植株在生長(zhǎng)過程中，膜脂過氧化會(huì)對(duì)細(xì)胞膜造成傷害，因此，POD、SOD、CAT等細(xì)胞酶會(huì)在體內(nèi)會(huì)形成自我抵御體系，起到消除細(xì)胞內(nèi)活性氧、維持活性氧動(dòng)態(tài)平衡的作用，而化感物質(zhì)會(huì)對(duì)POD、SOD、CAT酶活性產(chǎn)生一定的影響。MDA是生物膜系統(tǒng)中一種脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物，MDA含量高低表明脂質(zhì)過氧化強(qiáng)度的高低及對(duì)膜系統(tǒng)的傷害程度。因此，化感物質(zhì)可通過影響保護(hù)酶的活性而使得MDA含量提高[29-30]。本研究中，加入化感物質(zhì)可引起番茄幼苗根鮮質(zhì)量、地上部鮮質(zhì)量、葉鮮質(zhì)量、根長(zhǎng)等生物量指標(biāo)的降低，光合作用指標(biāo)下降，葉綠素含量降低，番茄幼苗不同生長(zhǎng)時(shí)間的根、葉片POD、SOD、CAT酶活性明顯降低，自由基的過量積累不能受到有效抑制，自由基的產(chǎn)生與清除之間的平衡被打破，造成脂膜過氧化損傷，MDA含量顯著升高。

土壤中添加生物炭可有效地降低化感物質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)的毒害作用[31-34]。有研究表明，添加生物炭的污染土壤，其可提取態(tài)的酚類及多環(huán)芳烴等有機(jī)污染物含量顯著降低，可顯著增加酸性土壤的陽離子交換量（CEC）[35-38]。本研究結(jié)果表明，添加不同來源的生物炭能夠緩解化感物質(zhì)帶來的傷害作用，能夠顯著提高番茄幼苗的生物量、葉綠素含量及光合作用指標(biāo)，明顯提高番茄幼苗根、葉片中POD、SOD、CAT這3種保護(hù)酶的活性，顯著降低根、葉片中的MDA含量，提高番茄幼苗的抗逆性；3種不同來源的生物炭對(duì)化感物質(zhì)毒害作用的緩解效果不同，炭化稻殼與炭化秸稈的作用相似，其中炭化稻殼的作用效果相對(duì)好一些，而炭化污泥的效果相對(duì)炭化稻殼與炭化秸稈而言更差。

目前，大多學(xué)者認(rèn)為，生物炭能緩解化感物質(zhì)毒害作用的原因在于生物炭可通過吸附或隔離作用而降低化感物質(zhì)、殘留農(nóng)藥及重金屬離子等有害物質(zhì)對(duì)植物的傷害[39-41，10]；也有人認(rèn)為，生物炭可以提高植株的赤霉素和生長(zhǎng)素含量，兩者能激活SOD活性，從而抑制超氧自由基及羥基自由基的產(chǎn)生，提高植物清除活性氧的能力，減少膜脂的過氧化作用，緩解化感物質(zhì)對(duì)植株的破壞[42-45]。不同來源的生物炭之所以產(chǎn)生不同的效果，一是由于生產(chǎn)生物炭的生物質(zhì)不同，所產(chǎn)生的生物碳結(jié)構(gòu)可能會(huì)不同，因此吸附化感物質(zhì)的能力也就有所不同，二是不同來源的生物炭夾帶的其他物質(zhì)不同，如重金屬含量等，可能會(huì)導(dǎo)致生物炭對(duì)植物激素的刺激不同或造成干擾，這都有待進(jìn)一步研究。

總之，化感物質(zhì)抑制番茄幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育，降低其生物量和光合作用，影響番茄保護(hù)酶的活性，增加丙二醛含量，而加入生物炭能緩解番茄因自毒作用引起的生長(zhǎng)障礙。但是，添加不同來源的生物炭其作用效果不同，添加碳化稻殼、碳化秸稈的效果相對(duì)更好，對(duì)土壤物理性質(zhì)也有改善作用，且不會(huì)引入過多的其他有害物質(zhì)。

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