朱秀紅, 樊 博, 楊會煥, 張龍沖, 于 宏, 黃 麗, 茹廣欣

(1. 河南農(nóng)業(yè)大學林學院,鄭州 450002;2. 鄭州市林業(yè)科技示范中心,鄭州 450000;3. 澠池縣自然資源局,河南 三門峽 472400)

【研究意義】20世紀以來,大量重工業(yè)的投入使用導(dǎo)致土壤中重金屬含量嚴重超標[1]。為促進惡劣土壤環(huán)境下植物生長,由農(nóng)林廢棄物等富含生物質(zhì)的原料制備的生物炭作為一種新型低成本的土壤重金屬改良劑受到廣泛關(guān)注[2]。生物炭是一種有效的土壤重金屬固定改良劑,可操作性高,可以通過提高土壤營養(yǎng)水平來增加植物生物量[3-5]。此外,在污染土壤中,施氮能夠改善土壤中Cd的生物有效性,維持土壤酸堿平衡,極大降低了Cd的溶解度和流動性[2,6]。生物炭與氮素配施在一定程度上可優(yōu)化植物發(fā)育前期根系的形態(tài)特征、提高根系活力、延緩上流速率,并促進根系中生長素等物質(zhì)的生物合成,從而增強營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)運能力、保證植株旺盛的新陳代謝,最終實現(xiàn)養(yǎng)分的高效利用和增產(chǎn)[7]。因此,生物炭配施氮素基肥是改善土壤理化性狀的可行途徑,其廣泛應(yīng)用符合我國綠色可持續(xù)發(fā)展的主題?！厩叭搜芯窟M展】近年來,很多研究證實生物炭與化肥配施增產(chǎn)效果顯著,且具有較強的土壤重金屬固定能力,已經(jīng)成為國內(nèi)外農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究熱點。馮惠琳等[8]在植煙土壤上減氮施加生物炭,顯著提升土壤中N、P、K水平,促進煙草對營養(yǎng)元素的吸收,維持植物根系區(qū)域土壤碳氮平衡,調(diào)控土壤微生物群落結(jié)構(gòu),提升植物對Cd的耐受性。柴冠群等[2]發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮和生物炭配施能促進辣椒莖葉對Cd的吸收、增加辣椒維生素C含量、提高辣椒產(chǎn)量。張麗等[9]對Cd脅迫下的水稻配施生物炭和氮肥,有效抑制了Cd在水稻的累積,提高了土壤酶活性,同時發(fā)現(xiàn)單一施用生物炭或氮肥不及二者配施效果好,二者聯(lián)合施用對土壤中Cd有效性的降低有顯著影響。李平等[10]研究發(fā)現(xiàn),水稻秸稈生物炭與化肥配施后可以顯著提高青菜的產(chǎn)量和肥料利用率。宋世龍等[11]研究表明,氮肥減量15%配施生物炭,對春小麥光合生產(chǎn)、干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運及產(chǎn)量提升最有利,小麥增產(chǎn)最高。王凱等[12]發(fā)現(xiàn)生物炭配施氮肥顯著提高土壤氮礦化速率,有助于毛白楊的生長。王希賢等[13]發(fā)現(xiàn)施加生物炭及氮素顯著提高了鼓節(jié)竹葉片色素含量和凈光合速率,進而促進植株的生長發(fā)育。在植物修復(fù)Cd污染土壤、改善土壤結(jié)構(gòu)的眾多措施中,生物炭配施氮素作為土壤改良劑是當前較高效的一種措施。因此,為使中、輕度Cd污染土壤得到安全利用,可選擇邊修復(fù)邊生產(chǎn)的策略,在施用生物炭的同時,加施適量氮肥既可以維持農(nóng)林作物正常生長所需的N供應(yīng),又能移除土壤中的重金屬?！颈狙芯壳腥朦c】關(guān)于Cd脅迫下生物炭配施氮素對泡桐生理生化特性的影響研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以‘泡桐1201’幼苗為試驗材料,研究生物炭配施氮素對Cd脅迫下幼苗生長發(fā)育、離子吸收的影響,進而探討生物炭配施氮素在植株抵御重金屬Cd時的作用及機制,為合理利用生物炭及氮素修復(fù)Cd污染土壤提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為‘泡桐1201’幼苗,生物炭(泡桐葉在550 ℃高溫條件下缺氧裂解而成)和CdCl2、氮素(NH4Cl分析純)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2022年6月在河南農(nóng)業(yè)大學林學院組培室中進行。選取生長健壯的泡桐組培苗,瓶內(nèi)煉苗1周后移栽至含有1/2 Hoagland營養(yǎng)液水培容器中進行溫室培養(yǎng),每盆定植4株。每隔3 d更換1次營養(yǎng)液,9 d后更換為Hoagland全營養(yǎng)液,再將泡桐幼苗移至黑色玻璃瓶中,用定植棉固定,培養(yǎng)15 d后對泡桐幼苗進行試驗處理。

朱秀紅等[14]研究表明,30 mg/L CdCl2可顯著抑制泡桐生長,因此本研究選取30 mg/L CdCl2作為Cd脅迫處理。選擇長勢一致的泡桐幼苗隨機分組,采用正交法設(shè)置9個處理(表1),每個處理6次重復(fù)。以CdCl2為Cd原始培養(yǎng)液,初始Cd濃度為30 mg/L,培養(yǎng)10 d后,加入生物炭懸浮液(分別稱取3和 5 g生物炭加入1 L雙蒸水中,在100 W、40 KHz條件下超聲分散30 min)進行處理。以不加生物炭和NH4Cl為對照(CK),處理15 d后取培養(yǎng)液,用0.45 μm濾膜過濾測定培養(yǎng)液中剩余Cd2+含量,用于測定泡桐幼苗生長指標、根系參數(shù)、光合氣體參數(shù)、抗氧氧化酶活性、MDA含量及Cd積累量、富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運系數(shù)。

表1 試驗處理Table 1 Experimental treatment

1.3 泡桐幼苗相關(guān)指標測定

1.3.1 生長指標測定 鎘處理20 d后每個處理隨機取6株泡桐幼苗,用直尺測量幼苗的株高和主根長,用萬分天平稱其鮮重,再將幼苗分為根、莖、葉三部分,放入烘箱,105 ℃殺青30 min,75 ℃烘至恒重,測其干重。每株幼苗測量3次,取平均值。

1.3.2 根系參數(shù)測定 用Epson根系掃描儀掃描泡桐幼苗的根系形態(tài)并獲取圖像,采用WinRhizo根系分析系統(tǒng)記錄根系參數(shù)并分析幼苗總根長、根總表面積、根體積、根尖數(shù)和根平均直徑。

1.3.3 抗氧化酶活性、MDA含量測定 超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑(NBT)法[15],過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[15],過氧化氫酶(CAT)活性測定采用雙氧水法[15],丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸法[16]。

1.3.4 光合指標測定 葉片色素含量測定采用95%乙醇浸提法[15]。每個處理隨機選取6株長勢一致、葉片完全展開的泡桐幼苗,取頂部以下第3片功能葉測定光合氣體參數(shù)。在9:30—12:00使用便攜式光合儀(CIRAS-3型)測定葉片凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)。大氣CO2濃度(Ca)為400 μmol/mol,水分利用效率(Water use efficiency,WUE)和氣孔限制值(Limiting value of stomata,Ls)的計算公式如下。

WUE=Pn/Tr

(1)

Ls=1-Ci/Ca

(2)

1.3.5 Cd離子含量測定 Cd2+測定采用HNO3-HCl4濕法消化法[17]。將泡桐幼苗根、莖、葉放入Na2-EDTA溶液中浸泡10 min,用去離子水沖洗干凈,吸水紙吸去表面水分,105 ℃烘箱殺青30 min,75 ℃烘至恒重,粉碎研磨后,過30目篩后精確稱取0.3 g,混酸HNO3-HCl4(4∶1)消解,用FAAS-M6原子吸收儀測定幼苗各部位Cd濃度,進而計算Cd金屬離子轉(zhuǎn)運系數(shù)(Translocation factor,TF)及富集系數(shù)(Bioconcentration factors,BCF)。其中TF、BCF、Cd積累量的計算公式如下:

TF(Cd)=Cd1/Cd2

(3)

BCF(Cd)=Cp(Cd)/Cs(Cd)

(4)

Cd=Cd3×DW

(5)

式中,TF(Cd):Cd轉(zhuǎn)運系數(shù),Cd1:植株地上部Cd含量,Cd2:植株地下部Cd含量,BCF(Cd):Cd富集系數(shù);Cp(Cd):植株中Cd含量,Cs(Cd):培養(yǎng)液中Cd含量,Cd:Cd積累量,Cd3:植株各部位Cd含量,DW:干重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2016處理原始數(shù)據(jù),用SPSS 25.0進行方差分析,用LSD法進行多重比較,用Origin 2021進行相關(guān)性分析,用Canoco 5進行主成分分析(Principal component analysis, PCA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對Cd脅迫下泡桐幼苗生長指標的影響

不同處理對Cd脅迫下泡桐幼苗生長的影響有顯著差異(P<0.05,表2)。T3、T4處理下,除地下部干重和主根長外,泡桐幼苗的株高、地上部干重和總干重的增長量均大于T1、T2處理,與CK相比,T4處理下,泡桐幼苗主根長、地上部及總干重分別增加125.76%、82.89%、63.56%。T5～T8處理生物炭配施氮素交互處理下,氮素水平一致,隨著生物炭濃度增大,泡桐幼苗的株高、主根長、地下部干重、總干重呈增加趨勢;生物炭水平一致,除地上部干重外,泡桐幼苗其他各項指標均隨氮素濃度的增加而顯著增加。就整體而言,T8處理下,泡桐幼苗株高、主根長、地下部干重、總干重分別增加63.90%、157.55%、135.78%、89.58%。說明,生物炭和氮素單一處理或生物炭配施氮素均可調(diào)控Cd脅迫下泡桐的生長發(fā)育,生物炭配施氮素處理時效果最好。

表2 不同處理對Cd脅迫下泡桐形態(tài)指標及生物量的影響Table 2 Effects of different treatments on morphological indexes and biomass of Paulownia fortunei under Cd stress

2.2 不同處理對Cd脅迫下泡桐幼苗根系參數(shù)的影響

不同濃度生物炭及氮素處理均能促進泡桐根系生長,且各處理間差異顯著(P<0.05,表3)。Cd脅迫下,施加生物炭及氮素的泡桐幼苗根系參數(shù)均呈上升趨勢。T1、T2處理下,隨氮素濃度增加,泡桐幼苗的總根長、根表面積、根尖數(shù)和根平均直徑均增加,根體積則減小;T3、T4處理下,根尖數(shù)及根平均直徑在T4處理時達最大值,分別較CK增加165.37%、89.55%;T5～T8處理下各項根系參數(shù)均增加,與CK差異顯著(P<0.05)。泡桐幼苗總根長、根表面積和根體積在T7處理時達最大值,分別較CK增加104.00%、101.21%、111.78%。T5～T8處理時,泡桐幼苗總根長、根表面積及根體積隨生物炭濃度的增加而降低。表明,施加生物炭和氮素可促進泡桐幼苗根系生長,高濃度的生物炭會抑制幼苗的生長,交互處理效果優(yōu)于單一處理。

表3 不同處理對Cd脅迫下泡桐根系參數(shù)的影響Table 3 Effects of different treatments on root parameters of Paulowni fortuneia under Cd stress

2.3 不同處理對Cd脅迫下泡桐幼苗抗氧化酶活性、MDA含量的影響

與CK相比,T1～T8處理下泡桐幼苗SOD、CAT活性增加(P<0.05,圖1),整體呈先上升后趨于平緩的趨勢;MDA和POD活性降低(P<0.05)。T6處理下泡桐幼苗根系及葉片SOD活性達最大值,根系分別較CK增加79.62%、83.71%;T5處理下,泡桐幼苗根系及葉片POD活性最小,POD活性較CK分別降低46.83%、39.14%;T8處理下,泡桐幼苗根系及葉片CAT活性達最大值,較CK分別增加232.58%、198.16%,MDA含量達最小值,較CK分別降低64.65%、44.10%。施加生物炭和氮素,泡桐幼苗根系的SOD、CAT、MDA活性均大于葉片,POD活性則相反。說明,泡桐幼苗在生長過程中根系最先接觸到Cd,較葉片受到的毒害更大。生物炭配施氮素可有效減輕Cd脅迫對泡桐幼苗細胞膜的損傷,提高其抗性。

圖1 不同處理對Cd脅迫下泡桐幼苗抗氧化酶活性及MDA含量的影響Fig.1 Effects of different treatments on antioxidant enzyme activity and MDA content of Paulownia fortunei seedlings under Cd stress

2.4 不同處理對Cd脅迫下泡桐幼苗葉片光合色素含量的影響

與CK相比,施加生物炭及氮素均能增加泡桐幼苗葉片光合色素含量,促進泡桐幼苗的光合作用(圖2)。T3、T4處理下,隨著氮素濃度增大泡桐幼苗葉片的Chla、Chlb、Chl(a+b)含量增大,Chl(a/b)含量減小;T3、T4處理下,泡桐幼苗葉片光合色素含量均增大。T4處理下,Chla、Chlb、Chl(a+b)達最大值,分別較CK增加82.42%、67.43%、77.41%。在T5～T8處理,隨著生物炭和氮素濃度的增大,泡桐幼苗Chla、Chlb、Chl(a+b)含量增大,但各處理間Chl(a/b)值無明顯差異,整體水平低于單一施加生物炭。說明,生物炭配施氮素能夠促進泡桐幼苗體內(nèi)葉片光合色素含量的積累,使泡桐幼苗葉綠素維持在較高水平,為植株提供更多養(yǎng)分支撐,改善光合性能。

圖2 不同處理對Cd脅迫下泡桐葉片光合色素含量的影響Fig.2 Effects of different treatments on pigment content in leaves of Paulownia fortunei seedlings under Cd stress

2.5 不同處理對Cd脅迫下泡桐幼苗光合氣體參數(shù)的影響

從表4可知,隨著氮素濃度的增加,T1、T2處理泡桐幼苗的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度數(shù)(Gs)均呈上升趨勢,水分利用效率(WUE)和氣孔限制值(Ls)顯著下降;單一生物炭處理中,T4處理WUE最大,較CK增加25.49%,Ls最小,較CK降低53.68%,說明泡桐幼苗受到的毒害可能是氣孔限制型。與CK相比,T7、T8處理中除Ls外,Pn、Tr、Ci、Gs顯著增加(P<0.05)。說明,施加生物炭和氮素可顯著降低Cd對泡桐幼苗光合作用的破壞,增加光合活性。

表4 不同處理對Cd脅迫下泡桐幼苗光合氣體參數(shù)的影響Table 4 Effects of different treatments on photosynthetic gas parameters of Paulownia fortunei seedlings under Cd stress

2.6 不同處理對泡桐幼苗根、莖、葉Cd含量的影響

施用生物炭和氮素可顯著降低泡桐幼苗根、莖、葉的Cd含量(P<0.05,圖3),隨著生物炭和氮素施用量的增加,泡桐幼苗根、葉、莖Cd含量逐漸下降,依次為根>葉>莖。與CK相比,單一施加氮素,T1、T2處理泡桐幼苗根、莖、葉中Cd含量降低;單一施加生物炭,T3、T4處理泡桐幼苗根的Cd含量在T4處理最小,較CK降低52.63%;莖和葉的Cd含量在T3處理最小,分別較CK降低53.66%、37.73%。T5～T8處理生物炭與氮素配施,氮素用量相同,隨著生物炭濃度的增大,泡桐幼苗根、葉中Cd含量降低,莖中Cd含量增大;生物炭用量相同,隨著氮素濃度的增大,根、莖、葉中Cd含量均降低。說明,泡桐幼苗根系為吸收重金屬的主要部位,受到Cd毒害最大;生物炭與氮素單一施用或配施均能降低泡桐幼苗根、莖、葉中Cd含量,增強泡桐幼苗對Cd的抵抗能力。

圖3 不同處理對泡桐根、莖、葉Cd含量的影響Fig.3 Effects of different treatments on Cd content in roots, stems and leaves of Paulownia fortunei

2.7 不同處理對泡桐幼苗Cd的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響

不同處理下,泡桐幼苗根、莖、葉的Cd富集系數(shù)(BCF)及轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)差異顯著(P<0.05,表5)。BCF根(溶液向根系轉(zhuǎn)運Cd的效率)>BCF葉(溶液向葉片轉(zhuǎn)運Cd的效率)>BCF莖(溶液向莖段轉(zhuǎn)運Cd的效率),說明根系吸收的Cd先向莖段轉(zhuǎn)運,后是葉片。單一氮素處理,泡桐幼苗的Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)略有降低;單一生物炭處理,BCF和TF均隨著濃度的增大而增大,與CK相比,Cd富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運系數(shù)分別增加11.70%、18.79%;生物炭與氮素互施,轉(zhuǎn)運系數(shù)在T8處理達最大,較CK增加29.08%;同水平氮素處理下,隨著生物炭濃度增大,BCF根、BCF葉增大;同水平生物炭處理下,隨著氮素濃度增大,BCF根增大,BCF葉、BCF莖無顯著變化。說明,BCF根、BCF葉、BCF莖不僅與生物炭和氮素的用量有關(guān),還與兩者的交互作用有關(guān),施用生物炭和氮素能促進Cd從泡桐幼苗地下部向地上部轉(zhuǎn)運。

表5 不同處理下泡桐Cd的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運系數(shù)Table 5 Enrichment coefficient and transport coefficient of Cd in Paulownia fortunei under different treatments

2.8 不同處理對泡桐幼苗各部位Cd積累量的影響

不同處理下,泡桐幼苗各部位的Cd積累量差異顯著(P<0.05,表6)。與CK相比,T1、T2處理泡桐幼苗根系Cd積累量分別增加9.20%、2.80%;莖段Cd積累量分別增加14.79%、33.55%;泡桐幼苗總Cd積累量分別增加0.10%、0.24%。與CK相比,T3、T4處理泡桐幼苗莖段Cd積累量分別增加66.48%、76.83%;植株總Cd積累量分別增加11.79%、13.95%;T5～T8處理下,隨著氮素濃度的增大,泡桐幼苗根系、莖段及植株總Cd積累量較CK均顯著增大。其中,根系Cd積累量在T7處理達最大,較CK增加11.87%;葉片和植株總Cd積累量在T8處理達最大,分別較CK增加18.02%、19.71%。表明,施加生物炭和氮素可促進泡桐幼苗各部位的Cd積累量,兩者互施時效果更加顯著。

表6 不同處理對泡桐Cd各部位Cd積累量的影響Table 6 Effects of different treatments on Cd accumulation in different parts of Paulownia fortunei (μg)

2.9 泡桐幼苗葉片生理標相關(guān)性分析

生物炭配施氮素對泡桐幼苗葉片生理指標影響的相關(guān)性分析結(jié)果(圖4)表明,泡桐幼苗葉片SOD活性與POD活性、MDA含量、Ls,POD活性與CAT活性,CAT含量與MDA含量,MDA含量與TF,Tr和Ci與Ls、Cd含量呈極顯著負相關(guān)(P<0.01);SOD活性與CAT活性、Tr、Ci,POD活性與MDA含量,CAT活性與TF,Chl(a+b)含量與Pn、Gs、WUE,Pn與Gs、WUE,Tr與Ci、Gs,Ls與Cd,Cd與BCF呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);SOD活性與Cd活性,POD活性與Tr、TF,MDA含量與Tr、Gi,Chl(a+b)含量和Pn與Ls、Cd含量,Tr和Ci與BCF,Gs與Ls、Cd呈顯著負相關(guān)(P<0.05);SOD活性與TF,CAT活性與Tr,MDA含量與Ls,Chl(a+b)含量和Pn與Tr、Ci,Gs與WUE,Ls與BCF呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。說明,生物炭配施氮素對Cd脅迫下泡桐幼苗的影響是多方面的,單獨一項指標并不能全面評價泡桐生理生態(tài)的變化,多項指標綜合比較才更加客觀全面。

紅色代表顯著正相關(guān), 藍色代表顯著負相關(guān)。*表示P<0.05, **表示P<0.01。Red color represents significant positive correlation,and blue color represents negative correlation.*represents P<0.05,and ** represents P<0.01.圖4 泡桐幼苗葉片生理指標相關(guān)系數(shù)分析Fig.4 Correlation coefficient analysis of leaf indexes of Paulownia fortunei seedlings

2.10 泡桐幼苗生長環(huán)境因子與生理指標的主成分分析

將生物炭配施氮素對Cd脅迫下泡桐幼苗的影響進行主成分分析(圖5),第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的貢獻率分別是81.03%和11.52%,兩者累計貢獻率為92.55%(92.55%>80.00%)。PC1與生物炭濃度呈高度正相關(guān),PC2與氮素濃度呈高度正相關(guān),與Cd2+濃度呈高度負相關(guān)。2個主成分可以反映不同處理下泡桐幼苗生理生化及Cd積累的綜合效果。不同處理分布的差異較大,T3～T6處理主要分布在第二象限,說明此處理下,泡桐幼苗的Cd含量較少;T1、T2處理主要分布在第三象限,說明此時泡桐幼苗受到的毒害較大;T7、T8處理主要分布在第四象限,說明此時泡桐幼苗對Cd的積累量較大。泡桐幼苗總Cd積累量與Cd2+呈極顯著正相關(guān)。泡桐幼苗Ls與Chl(a+b)、光合氣體參數(shù)(Pn、Tr、Ci、Gs)、Cd2+轉(zhuǎn)運系數(shù)、形態(tài)指標及葉片和根系的SOD、CAT、Cd2+積累量呈顯著負相關(guān),與根、莖、葉Cd2+含量及葉片和根系MDA含量呈極顯著正相關(guān)。說明,生物炭及氮素處理能提高泡桐的生長量、抗氧化酶活性、光合效率和Cd2+的積累量,降低MDA含量,緩解Cd2+對植株的毒害。圖5中縱坐標軸值越接近于0,植株受毒害程度越大,生物炭與氮素的緩解效果就越好,反之亦然。因此,生物炭配施氮素處理(T5～T8處理)效果最佳,單一生物炭(T3、T4處理)處理次之,這也與前述結(jié)果一致。

PH. 株高;LW. 地上部干重;RW. 地下部干重;DW. 總干重;RL.主根長;RS. 根表面積;RV. 根尖數(shù);RR. 根平均直徑;R. 根系;L. 葉片。PH. Plant height; LW. Aboveground dry weight; RW. Underground dry weight; DW. Tolal dry weight; RL. Main root length; RS. Root surface length; RV. Root tip number; RR. Root mean diameter; R. Root; L. Leaf.圖5 泡桐幼苗生長環(huán)境因子與生理指標的主成分分析Fig.5 Principal component analysis of environmental factors and physiological indexes of Paulownia fortunei seedlings

3 討 論

3.1 不同處理對泡桐幼苗形態(tài)及根系發(fā)育的影響

生物炭對環(huán)境中的重金屬鎘離子有較強的吸附作用,氮素能促進植物的生長發(fā)育,決定植物的產(chǎn)量和品質(zhì)[18-19]。本研究中,生物炭與氮素配施下,泡桐幼苗的株高、干重、根長均優(yōu)于對照組,這與趙春容等[20]的結(jié)果一致。這可能是因為生物炭通過吸附作用減緩重金屬鎘脅迫,同時施加氮素保障植株充足的N供給,很大程度促進泡桐幼苗的早期生長。

根系是植物吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)的主要器官,連接植物地上部與外界環(huán)境,根系發(fā)育越好,受Cd脅迫的危害程度就越小,植株抗逆性就越強[21]。本研究中,施加不同濃度生物炭及氮素對泡桐幼苗根系參數(shù)的影響雖有差異,但整體來看2種外源物對泡桐幼苗根系生長起促進作用,植株根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)、根平均直徑均顯著高于對照組。這與曹瑩等[22]研究發(fā)現(xiàn)生物炭可增加花生根長、根直徑、根體積結(jié)果一致,這可能是由于生物炭的加入提升了泡桐幼苗根系對氮的利用。

3.2 不同處理對泡桐幼苗抗氧化系統(tǒng)的影響

施加外源物質(zhì)可增大植株的抗氧化性,緩解Cd對植株的抑制作用[23]。本研究中,Cd脅迫下分別施加生物炭和氮素,泡桐幼苗的葉片和根系SOD、CAT活性顯著增加,POD活性減小,說明外源物的施加觸發(fā)泡桐幼苗體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)啟動,主要通過增強SOD、CAT清除超氧陰離子的能力來適應(yīng)環(huán)境,從而減輕植株膜脂過氧化損傷。這在Zadeh等[24]對紫錐菊的研究也有體現(xiàn),外源物質(zhì)的添加有助于植株抗氧化能力的正?；謴?fù)。生物炭與氮素交互處理后,泡桐幼苗根系和葉片SOD、CAT活性的整體水平高于單一處理,再次證明氮素與生物炭一定程度上可以維持或提高泡桐的抗氧化水平,使其遭受Cd脅迫后極大限度地恢復(fù)正常狀態(tài),這與王麗等[25]對菠菜的研究結(jié)果一致。此外,氮素和生物炭處理下,植株葉片與根系POD活性低于CK,這可能因為POD對Cd以及外源物質(zhì)較敏感,耐受閾值較低[26],也可能與Cd脅迫破壞了植株部分抗氧化系統(tǒng)有關(guān),使得SOD、CAT在酶促機制中起主要作用。

MDA是植物遭受氧化脅迫后自由基與脂質(zhì)發(fā)生過氧化反應(yīng)的產(chǎn)物,與植物質(zhì)膜被破壞和細胞膜脂過氧化程度呈正相關(guān),它的大小可反映出植物在逆境下的受損程度[26]。有研究表明,植物遭受逆境脅迫后,施加外源物可顯著降低植物葉片MDA含量。本研究中,生物炭與氮素的加入顯著降低了泡桐幼苗根系與葉片的MDA含量,說明兩者的加入增強了細胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,緩解了Cd脅迫對泡桐幼苗細胞膜和細胞壁的損傷[27]。本研究中,生物炭和氮素單一處理及生物炭配施氮素處理根系的SOD、CAT、MDA大于葉片,說明泡桐幼苗生長過程中根系受到Cd毒害大于葉片,Cd脅迫對植株的傷害是不可逆的,施加生物炭及氮素只能在一定范圍內(nèi)緩解Cd對根的毒害,不能使其恢復(fù)到正常水平。這與在小麥[28]、泡桐[26]等植物的研究結(jié)果類似,推測這可能與根部直接接觸高滲透勢培養(yǎng)液有很大關(guān)系,根系水分流失嚴重,根細胞正常的代謝功能受到抑制,也可能是因為根系首先接觸Cd2+,Cd2+對葉片和根系的損害程度不一致。

3.3 不同處理對泡桐幼苗光合系統(tǒng)的影響

Cd脅迫會損傷植物葉肉細胞的葉綠體超微結(jié)構(gòu),使葉綠素蛋白合成受阻,產(chǎn)生大量的ROS參與葉綠素的降解,從而使葉片葉綠素含量顯著降低,植物因此失綠變黃,施加外源物質(zhì)后會使葉綠素含量明顯提升[25]。王希賢等[29]研究指出,生物炭配施氮肥能調(diào)控鼓節(jié)竹發(fā)筍末期葉片中葉綠素含量,進而影響其凈光合速率和生長發(fā)育。本研究中,對Cd脅迫下泡桐幼苗分別施加生物炭和氮素,泡桐幼苗的Chla、Chlb、Chl(a+b)含量均顯著增加,不同濃度氮肥配施生物炭,泡桐葉片的Chla、Chlb、Chl(a+b)、Chl(a/b)含量均有顯著變化,Chl(a/b)含量在T8處理下較CK增加18.89%,表明生物炭與氮素配施能促進泡桐幼苗的光合作用。

植物在逆境條件下,光合作用減弱,會影響植物的生長。施加外源物質(zhì)能在一定程度上提高逆境脅迫下植物的Pn、Tr、Gs、Ci等光合參數(shù)[30]。一定濃度的生物炭肥可以提高三葉青的水分用效率(WUE)和光能利用率[31]。本研究中,單施生物炭或氮素,泡桐幼苗的Pn、Tr、Gs均顯著增高,Ls顯著降低,這與上述研究結(jié)果類似。說明植物光合速率下降可能主要受Ls影響,外源施加生物炭和氮素能有效緩解Cd脅迫造成的氣孔限制,增強葉片氣體交換速率和光合活性,促進吸收。本研究發(fā)現(xiàn),不同濃度生物炭配施氮素處理,泡桐幼苗的光合呼吸參數(shù)隨著生物炭和氮素濃度的增加均有顯著變化,說明兩者配施在一定程度上可以調(diào)節(jié)植物的光合作用,進一步證實了前人的研究結(jié)果。

3.4 不同處理對泡桐幼苗Cd吸收、轉(zhuǎn)運及富集能力的影響

泡桐幼苗對Cd的吸收、轉(zhuǎn)運及富集能力受生物炭與氮素施用量的影響。Uchimiya等[32]發(fā)現(xiàn),生物炭的添加可增大土壤pH,提高土壤中Cd、Ni的穩(wěn)固性,降低土壤中重金屬的生物利用率。Zhang等[33]研究發(fā)現(xiàn),施加生物炭能減少泡桐對Cd的吸收,降低泡桐體內(nèi)的Cd濃度。本研究中,生物炭配施氮素或單一施用,泡桐幼苗根、莖、葉中Cd含量較CK顯著下降,說明生物炭與氮素能夠有效降低重金屬Cd對泡桐幼苗的作用。研究表明生長在重金屬污染土壤中的植物根系中重金屬含量顯著高于其他器官[34],這與本研究中Cd含量依次為根>葉>莖的研究結(jié)果一致。施加生物炭與氮素可顯著增加泡桐幼苗各器官及泡桐幼苗體內(nèi)總Cd的積累量,且兩者配施時效果更佳,與前人的研究結(jié)果一致[35-36]。此外,生物炭、氮素單一處理與生物炭配施氮素處理促進了泡桐幼苗根部與地上部生物量的增長,泡桐屬于速生樹種,生物量在短期內(nèi)可迅速累積,有利于將更多的Cd吸收并穩(wěn)固在體內(nèi),因此即使泡桐內(nèi)重金屬濃度低于超積累植物,但植物體中重金屬的蓄積量仍然較大[33],進一步證明泡桐可作為土壤Cd污染修復(fù)植物。

4 結(jié) 論

Cd脅迫下,生物炭配施氮素能促進泡桐幼苗的生長和根系發(fā)育,顯著增強泡桐幼苗葉片及根系抗氧化酶活性,降低MDA含量,清除過量的活性氧自由基以緩解質(zhì)膜損傷,增強泡桐幼苗抗氧化能力。生物炭配施氮素可提高泡桐幼苗葉片色素含量,緩解Cd對葉綠體超微結(jié)構(gòu)造成的損傷,為光合反應(yīng)提供重要的物質(zhì)基礎(chǔ)和條件;同時,還可提高泡桐幼苗Pn、Tr、Ci、Gs及WUE光合呼吸參數(shù),降低Ls,增強泡桐幼苗光合生理功能。PCA分析可知,泡桐幼苗總Cd積累量與Cd2+呈極顯著正相關(guān)。泡桐幼苗Ls與Chl(a+b)、光合氣體參數(shù)(Pn、Tr、Ci、Gs)、Cd2+轉(zhuǎn)運系數(shù)、形態(tài)指標及葉片和根系的SOD、CAT、Cd2+積累量呈顯著負相關(guān),與根、莖、葉Cd2+含量及葉片和根系MDA含量呈極顯著正相關(guān)。生物炭、氮素單一處理與生物炭配施氮素處理對Cd脅迫下泡桐幼苗的影響為生物炭配施氮素>生物炭>氮素。泡桐速生且生物量大,具有較強的Cd吸收轉(zhuǎn)運能力,在重金屬污染修復(fù)方面有較高的應(yīng)用價值。