林萱萱 李曉紅,2
1.邵陽(yáng)學(xué)院食品與化學(xué)工程學(xué)院,湖南 邵陽(yáng) 422000;2.邵陽(yáng)學(xué)院農(nóng)林生態(tài)學(xué)院,湖南 邵陽(yáng) 422000
土壤中的重金屬會(huì)降低土壤水勢(shì),升高植物細(xì)胞外滲透壓,進(jìn)而抑制植物根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收,還會(huì)通過(guò)氧化脅迫阻礙植物葉綠素合成,影響植物光合作用,從而影響植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育,使植物生長(zhǎng)緩慢,甚至?xí)?dǎo)致植物死亡[1-3]。鉛具有毒性強(qiáng)、難降解等特點(diǎn),土壤中的鉛不僅會(huì)通過(guò)直接毒害及間接改變土壤理化性質(zhì)等途徑抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育,還會(huì)通過(guò)食物鏈的富集作用,危害人類的身體健康[4]。
在土壤中施用生物質(zhì)炭可以降低土壤中重金屬的生物有效性,從而減少植物對(duì)重金屬的吸收富集[5-7]。同時(shí),生物質(zhì)炭可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育,其富含的多種酚類物質(zhì)還可以改變植物種子的酶類活性,促進(jìn)種子萌發(fā)[8]。施用生物質(zhì)炭還可以增加土壤孔隙度,增強(qiáng)土壤保水保肥能力,其自身含有的氮、磷等有效態(tài)養(yǎng)分,可促進(jìn)植物根系生長(zhǎng),并促進(jìn)植物根系產(chǎn)生分泌物[9-10]。而植物根系分泌物可調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu),促進(jìn)土壤能量傳遞和物質(zhì)循環(huán),也有利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育[11-12]。
筆者通過(guò)盆栽試驗(yàn),研究鉛脅迫下施用生物質(zhì)炭對(duì)小白菜種子萌發(fā)及生長(zhǎng)的影響,旨在探究生物質(zhì)炭能否緩解鉛對(duì)小白菜生長(zhǎng)發(fā)育的不利影響,為鉛污染土壤的修復(fù)和小白菜綠色安全生產(chǎn)提供參考。
供試土壤取自湖南省邵陽(yáng)市郊區(qū)閑置荒田,采集0~20 cm 耕層土壤,土壤類型為紅壤土,對(duì)土壤理化性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè),土壤pH 值為6.13,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.23 g/kg,全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.25 g/kg,堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為113.81 mg/kg,全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.52 g/kg,速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.05 mg/kg,全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.08 g/kg,速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為155.28 mg/kg,肥力中等。土壤采集完成后,將土壤風(fēng)干粉碎并過(guò)孔徑為2 mm的網(wǎng)篩。
供試生物質(zhì)炭以稻稈為原材料,在550~650 ℃無(wú)氧條件下裂解制得,購(gòu)自南京勤豐秸稈科技有限公司。供試小白菜品種為正旺達(dá)88,購(gòu)自青州市新世紀(jì)種苗有限公司。試驗(yàn)所用的鉛為硝酸鉛,購(gòu)自廣東予能實(shí)驗(yàn)室設(shè)備科技有限公司。
試驗(yàn)于2021 年6 月1 日至8 月14 日在邵陽(yáng)學(xué)院試驗(yàn)基地進(jìn)行。將采集的土壤風(fēng)干粉碎過(guò)篩后,分為對(duì)照土壤與鉛污染土壤。鉛污染土壤的制備方法:將硝酸鉛溶解在水中,均勻噴灑到土壤中,混合均勻后,靜置平衡15 d,控制土壤中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為400 mg/kg。
將對(duì)照土壤、鉛污染土壤分別與生物質(zhì)炭混合,設(shè)4個(gè)生物質(zhì)炭添加水平,分別為0、30、40、50 g/kg(生物質(zhì)炭質(zhì)量/土壤質(zhì)量),共8 個(gè)處理;將各處理土壤分別裝入營(yíng)養(yǎng)缽(直徑21 cm、高26 cm)中,每個(gè)處理20盆,每盆播種3粒種子,每個(gè)處理播種60粒種子。
在播種第3 天,測(cè)算小白菜種子發(fā)芽勢(shì)(播種第3天正常發(fā)芽的種子數(shù)/試驗(yàn)種子數(shù));在播種第7 天,測(cè)算小白菜種子發(fā)芽率(播種第7 天正常發(fā)芽的種子數(shù)/試驗(yàn)種子數(shù));在播種第8天進(jìn)行間苗,每盆僅留1株健壯幼苗;在小白菜生長(zhǎng)45 d 后,每個(gè)處理隨機(jī)選取15株,統(tǒng)計(jì)葉片數(shù),測(cè)量小白菜根長(zhǎng)和株高,將小白菜用蒸餾水洗凈并吸干水分后稱取鮮質(zhì)量。
使用Microsoft Excel 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,使用R軟件分析數(shù)據(jù),進(jìn)行方差分析和制圖。
由圖1 可知,在生物質(zhì)炭施用水平相同時(shí),對(duì)照處理小白菜種子發(fā)芽勢(shì)均顯著高于鉛污染處理小白菜種子發(fā)芽勢(shì),說(shuō)明鉛脅迫會(huì)顯著降低小白菜種子發(fā)芽勢(shì),處理小白菜種子萌發(fā);隨著生物質(zhì)炭施用量的增加,對(duì)照處理小白菜種子發(fā)芽勢(shì)增大,說(shuō)明施用生物質(zhì)炭可以提高小白菜種子發(fā)芽勢(shì),促進(jìn)小白菜種子萌發(fā);隨著生物質(zhì)炭施用量的增加,鉛污染處理小白菜種子發(fā)芽勢(shì)增大,生物質(zhì)炭施用水平為50 g/kg 時(shí),鉛污染處理小白菜種子發(fā)芽勢(shì)高于生物質(zhì)炭施用水平為0 g/kg時(shí)對(duì)照處理小白菜種子發(fā)芽勢(shì),說(shuō)明鉛脅迫下施用生物質(zhì)炭可以提高小白菜種子發(fā)芽勢(shì),緩解鉛脅迫對(duì)小白菜種子萌發(fā)的抑制作用。
由圖2 可知,生物質(zhì)炭施用水平相同時(shí),對(duì)照處理小白菜種子發(fā)芽率均高于鉛污染處理小白菜種子發(fā)芽率,說(shuō)明鉛脅迫會(huì)降低小白菜種子發(fā)芽率,抑制種子萌發(fā);隨著生物質(zhì)炭施用量的增加,對(duì)照處理小白菜種子發(fā)芽率增大,說(shuō)明施用生物質(zhì)炭可以提高小白菜種子發(fā)芽率,促進(jìn)小白菜種子萌發(fā);隨著生物質(zhì)炭施用量的增加,鉛污染處理小白菜種子發(fā)芽率增大,生物質(zhì)炭施用水平為50 g/kg時(shí),鉛污染處理小白菜種子發(fā)芽率高于生物質(zhì)炭施用水平為0 g/kg時(shí)對(duì)照處理小白菜種子發(fā)芽率,說(shuō)明鉛脅迫下施用生物質(zhì)炭可以提高小白菜種子發(fā)芽率,緩解鉛脅迫對(duì)小白菜種子萌發(fā)的抑制作用。
圖2 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜種子發(fā)芽率的影響
由圖3 可知,生物質(zhì)炭施用水平相同時(shí),對(duì)照處理小白菜葉片數(shù)均多于鉛污染處理小白菜葉片數(shù),說(shuō)明鉛脅迫會(huì)抑制小白菜葉片生長(zhǎng);隨著生物質(zhì)炭施用量的增加,對(duì)照處理小白菜葉片數(shù)增多,說(shuō)明施用生物質(zhì)炭可以促進(jìn)小白菜葉片生長(zhǎng);隨著生物質(zhì)炭施用量的增加,鉛污染處理小白菜葉片數(shù)增多,生物質(zhì)炭施用水平為50 g/kg時(shí),鉛污染處理小白菜葉片數(shù)多于生物質(zhì)炭施用水平為0 g/kg 時(shí)對(duì)照處理小白菜葉片數(shù),說(shuō)明鉛脅迫下施用生物質(zhì)炭可以促進(jìn)小白菜葉片生長(zhǎng),緩解鉛脅迫對(duì)小白菜葉片生長(zhǎng)的抑制作用。
圖3 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜葉片數(shù)的影響
由圖4 可知,生物質(zhì)炭施用水平相同時(shí),對(duì)照處理小白菜根長(zhǎng)均顯著長(zhǎng)于鉛污染處理小白菜根長(zhǎng),說(shuō)明鉛脅迫會(huì)抑制小白菜根系生長(zhǎng);隨著生物質(zhì)炭施用量的增加,對(duì)照處理小白菜根長(zhǎng)增長(zhǎng),說(shuō)明生物質(zhì)炭可以促進(jìn)小白菜根系生長(zhǎng);隨著生物質(zhì)炭施用量的增加,鉛污染處理小白菜根長(zhǎng)增長(zhǎng),生物質(zhì)炭施用水平為50 g/kg時(shí),鉛污染處理小白菜根長(zhǎng)長(zhǎng)于生物質(zhì)炭施用水平為0 g/kg 時(shí)對(duì)照處理小白菜根長(zhǎng),說(shuō)明鉛脅迫下施用生物質(zhì)炭可以促進(jìn)小白菜根系生長(zhǎng),緩解鉛脅迫對(duì)小白菜根系生長(zhǎng)的抑制作用。
圖4 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜根長(zhǎng)的影響
由圖5 可知,生物質(zhì)炭施用水平相同時(shí),對(duì)照處理小白菜株高均高于鉛污染處理小白菜株高,說(shuō)明鉛脅迫對(duì)小白菜的高生長(zhǎng)有抑制作用;隨著生物質(zhì)炭施用量的增加,對(duì)照處理小白菜株高增高,說(shuō)明生物質(zhì)炭對(duì)小白菜的高生長(zhǎng)有促進(jìn)作用;隨著生物質(zhì)炭施用量的增加,鉛污染處理小白菜株高增高,生物質(zhì)炭施用水平為50 g/kg時(shí),鉛污染處理小白菜株高高于生物質(zhì)炭施用水平為0 g/kg 時(shí)對(duì)照處理小白菜株高,說(shuō)明鉛脅迫下施用生物質(zhì)炭可以促進(jìn)小白菜高生長(zhǎng),緩解鉛脅迫對(duì)小白菜高生長(zhǎng)的抑制作用。
圖5 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜株高的影響
由圖6 可知,生物質(zhì)炭施用水平相同時(shí),對(duì)照處理小白菜鮮質(zhì)量均大于鉛污染處理小白菜鮮質(zhì)量,說(shuō)明鉛脅迫會(huì)阻礙小白菜物質(zhì)積累,抑制小白菜生長(zhǎng);隨著生物質(zhì)炭施用量的增加,對(duì)照處理小白菜鮮質(zhì)量增大,說(shuō)明施用生物質(zhì)炭有利于小白菜物質(zhì)積累,促進(jìn)小白菜生長(zhǎng);隨著生物質(zhì)炭施用量的增加,鉛污染處理小白菜鮮質(zhì)量增大,生物質(zhì)炭施用水平為50 g/kg 時(shí),鉛污染處理小白菜鮮質(zhì)量大于生物質(zhì)炭施用水平為0 g/kg時(shí)對(duì)照處理小白菜鮮質(zhì)量,說(shuō)明鉛脅迫下施用生物質(zhì)炭可以促進(jìn)小白菜物質(zhì)積累,緩解鉛脅迫對(duì)小白菜生長(zhǎng)的抑制作用。
圖6 鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜鮮質(zhì)量的影響
鉛脅迫不利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育。植物體內(nèi)含鉛量過(guò)高,會(huì)使細(xì)胞外滲透壓過(guò)高,影響植物對(duì)水分和礦質(zhì)元素的吸收和運(yùn)輸,抑制蛋白質(zhì)、氨基酸、葉綠素等的合成,影響種子的萌發(fā)和植物的光合作用[13-14]。而生物質(zhì)炭主要通過(guò)改善土壤環(huán)境促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育,具體表現(xiàn)為通過(guò)吸附和螯合等方式固定重金屬,降低重金屬的生物有效性和毒害作用。例如,在銅、鋅污染條件下,小麥的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和根長(zhǎng)均隨生物質(zhì)炭施用量的增加而增大[15]。同時(shí),生物質(zhì)炭對(duì)根系的促生作用可能是植物發(fā)育的關(guān)鍵。植物根系的伸長(zhǎng)增加了植物與土壤的接觸面積,可促進(jìn)植物對(duì)水分和養(yǎng)分等物質(zhì)的吸收和利用。生物質(zhì)炭還可以促進(jìn)根系分泌物如植物生長(zhǎng)素、氨基酸等的釋放。植物生長(zhǎng)素可促進(jìn)植物細(xì)胞伸長(zhǎng),氨基酸可通過(guò)影響土壤微生物活性進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分有效性,從而促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收[14]。例如,鎘污染條件下水稻的株高隨生物質(zhì)炭施用量的增加而增大[16];在富硒土壤中施用生物質(zhì)炭可顯著增加小白菜的鮮質(zhì)量[17]。
此次試驗(yàn)探究了鉛脅迫下不同生物質(zhì)炭施用水平對(duì)小白菜種子萌發(fā)及生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭可以緩解鉛脅迫對(duì)小白菜種子發(fā)芽勢(shì)、種子發(fā)芽率、葉片數(shù)、根長(zhǎng)、株高、鮮質(zhì)量的不利影響,且緩解作用隨生物質(zhì)炭施用量的變化而變化。生物質(zhì)炭施用水平為50 g/kg 可以有效緩解鉛脅迫對(duì)小白菜生長(zhǎng)發(fā)育的不利影響,抵御鉛脅迫的效果最佳;施用水平為40 g/kg次之。此次試驗(yàn)可為鉛污染土壤的修護(hù)和小白菜綠色安全生產(chǎn)提供參考。