【研究意义】土壤次生盐渍化是设施蔬菜优质高效生产的重要限制因子之一^[1]。据李涛等^[2]报道，蔬菜种植大省山东省约有39.73%的设施菜地出现不同程度的盐渍化现象，其中，轻度盐渍化菜地占28.64%，中度盐渍化菜地占8.37%，重度盐渍化菜地占2.29%，盐土为0.43%。次生盐渍化的成因与高度集约化的生产模式、高水平的肥料投入以及不合理的水肥管理密切相关，生产中主要通过优化化肥施用量、增施有机肥和生物菌肥、施用土壤调理剂、合理轮作等综合防控手段来治理这一土壤障碍^[3]。生物炭是由农林生物质废弃物（如锯木屑、秸秆、稻壳、粪肥等）在无氧或缺氧状态下经相对低温（≤ 700 ℃）热裂解而成的理化性状稳定的固态富碳物质，其良好的离子交换能力以及较强的吸收吸附特性为次生盐渍化土壤改良提供了可行途径^[4-5]。【前人研究进展】盐胁迫对植物的危害主要是渗透胁迫和离子毒害。Thomas等^[6]研究表明高剂量的生物炭（50 t ha⁻¹）主要通过对NaCl的吸附作用以及增加土壤的持水能力缓解盐胁迫对两种草本植物的危害。Hammer等^[7]也研究发现类似的吸附机制在生物炭缓解生菜盐胁迫中发挥了重要作用。Kim等^[8]研究发现，施用5%（w/w）的生物炭可增加围垦滩涂土壤中水稳性团聚体的稳定性，提高土壤中磷含量，其自身的富钾特性可增加土壤中钾含量，减少作物对钠吸收，进而缓解盐胁迫，提高玉米产量。植物受盐胁迫后体内积累大量活性氧，引起膜脂过氧化，是造成盐害的重要原因。Farhangi-abriz等^[9]研究发现生物炭通过缓解氧化胁迫减少盐胁迫对菜豆幼苗的危害，盐胁迫条件下施用20%生物炭处理菜豆幼苗叶片中活性氧O₂^·−、H₂O₂以及丙二醛（MDA）的含量明显降低，并且抗氧化酶活性和渗透调节物质含量维持在较低水平。此外，生物炭还可通过改善土壤微生物群落结构，提高荧光假单胞菌属和芽孢杆菌属有益微生物的丰度，促进作物生长，提高作物耐盐性^[10]。【本研究切入点】黄瓜是设施栽培重要的蔬菜作物之一，由于其根系弱、分布较浅，对盐渍化环境敏感，由次生盐渍化引起的盐胁迫已成为影响黄瓜产量和品质的重要限制因子^[11]。生产中迫切需要改良盐渍化土壤以及提高作物耐盐性的方法，然而目前关于生物炭缓解设施蔬菜作物盐胁迫作用效果的相关研究较为缺乏^[5]。【拟解决的问题】本研究以黄瓜为研究对象，通过基质盆栽试验模拟盐胁迫环境，解析生物炭施用对盐胁迫下黄瓜生长、抗氧化酶活性和矿质元素累积的影响，以期为生物炭在设施蔬菜栽培中的应用提供参考。

1.   材料与方法

1.1   供试材料

黄瓜‘翠龙’由青岛市农业科学研究院提供，为设施栽培专用品种。生物炭选用450 ℃ ~ 550 ℃条件下缺氧裂解而成的花生壳炭，主要理化特性如下：pH 8.60、碱解氮116.5 mg kg⁻¹、速效磷371.0 mg kg⁻¹、速效钾1.10 g kg⁻¹、有机质35.56%、总盐分13.40 g kg⁻¹、全氮0.94%、全磷0.17%、全钾2.25%。无土栽培基质（草炭∶蛭石 = 2∶1）购自山东商道生物科技股份有限公司。

1.2   试验设计

盆栽试验分别于2020年春季3 ~ 6月和秋季8 ~ 11月在青岛市农业科学研究院玻璃温室进行。春季黄瓜定植前，将花生壳炭过2 mm筛后，按比例一次性添加到栽培基质中，充分混匀。采用随机区组设计，设盐胁迫和非盐胁迫条件下栽培基质中分别添加质量比0%（B0）、3%（B3）和5%（B5）的花生壳炭6个处理，每个处理重复3次。植株栽培和水肥管理方法参照张功臣等^[12]的方法进行。

盐胁迫处理：黄瓜幼苗定植后每隔2天浇一次1/2浓度园试配方营养液，控制EC值在1.2 ~ 1.3 ds m⁻¹，定植2周后开始盐胁迫处理。盐处理参照孙德智等^[13]的方法进行，具体如下：每隔1天浇一次含NaCl的1/2浓度园试配方营养液，每株浇1 L。为避免盐激反应，NaCl处理浓度从50 mmol L⁻¹开始以50 mmol L⁻¹为梯度逐步增加至150 mmol L⁻¹，此时定为NaCl胁迫处理开始，盐处理20天后每个处理随机选6株进行生长指标统计，测定株高、叶片数、茎粗、最大单叶叶面积。同时，取黄瓜植株顶部起第4片完全展开叶片测定抗氧化酶活性和丙二醛含量；分别取顶部起第4片完全展开叶片以及底部起第4片叶测定矿质元素含量。

1.3   研究方法

生长及产量指标：株高采用卷尺测定，茎粗采用游标卡尺测定，叶面积的测定参照裴孝伯等^[14]报道的方法测定。在结瓜期，分次采收各处理组商品瓜，累计计产。

果实品质的测定参照李合生^[15]的方法进行。结瓜盛期采收各处理大小均匀的10根黄瓜，匀浆后测定抗坏血酸（Vc）、硝酸盐和可溶性固形物含量。其中，抗坏血酸（Vc）含量采用2,6-二氯靛酚滴定法测定，硝酸盐含量采用水杨酸比色法测定，可溶性固形物含量采用手持式折光仪测定。

抗氧化酶活性：酶活测定试剂盒购自苏州格锐思生物科技有限公司，超氧化物歧化酶（SOD）采用WST-8法测定^[16]；过氧化物酶（POD）采用愈创木酚比色法测定^[15]；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定^[15]。

叶片矿质元素测定参照鲍士旦等^[17]的方法进行，具体如下：叶片N含量采用凯氏定氮法测定；P含量采用钼锑抗比色法测定；K⁺和Na⁺含量采用火焰光度法测定；Ca²⁺和Mg²⁺含量采用原子吸收分光光度法测定。

1.4   数据分析

所得数据用平均值 ± 标准差表示，采用Microsoft office 2013进行数据整理及作图。采用IBM SPSS 20.0统计软件进行方差分析，并使用Tukey HSD测验（P < 0.05）比较各处理间的差异显著性。

2.   结果与分析

2.1   生物炭对基质栽培黄瓜生长和产量的影响

由表1可知，非盐胁迫条件下添加生物炭处理黄瓜的株高、叶片数、茎粗和最大单叶叶面积与未添加生物炭对照相比无显著差异。盐胁迫条件下，各处理的黄瓜生长均受到显著抑制，然而，添加生物炭处理的黄瓜株高和最大单叶叶面积高于对照，特别是B5处理黄瓜的株高和最大单叶叶面积与对照相比显著增加。

表  1  生物炭施用对盐胁迫条件下黄瓜生长的影响

Table  1.  Effect of biochar on the growth of cucumber with NaCl treatment

处理 Treatment		株高(cm) Plant height	叶片数 Number of leaves	茎粗(mm) Stem diameter	最大单叶叶面积(cm2) Maximum single leaf area
NaCl	生物炭 Biochar
0 mmol L−1	B0	135.67 ± 8.81 a	12.67 ± 0.75 a	8.45 ± 0.43 a	462.90 ± 46.80 a
	B3	129.33 ± 5.55 a	12.38 ± 0.53 a	8.36 ± 0.41a	450.63 ± 38.53 a
	B5	136.25 ± 7.61 a	12.58 ± 0.36 a	8.23 ± 0.43a	454.65 ± 54.02 a
150 mmol L−1	B0	100.92 ± 12.49 d	10.38 ± 0.93 b	6.97 ± 0.52 b	312.74 ± 51.90 c
	B3	103.82 ± 6.72 cd	10.68 ± 0.40 b	6.88 ± 0.44 b	336.87 ± 37.19 bc
	B5	109.92 ± 10.06 b	10.63 ± 0.83 b	7.00 ± 0.60 b	354.94 ± 42.48 b
注：同一列中不同的小写字母表示差异显著（P < 0.05），下同。

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如表2所示，非盐胁迫条件下，春季各处理条件下黄瓜瓜条数和产量无显著差异，而秋季B5处理条件下，黄瓜的瓜条数和产量显著高于B3处理和对照。盐胁迫条件下，各处理黄瓜的产量与非盐胁迫处理相比显著降低。春季盆栽实验显示添加生物炭处理的黄瓜瓜条数和产量显著高于对照；秋季B5处理条件下，黄瓜的瓜条数和产量显著高于对照，而B3处理条件下黄瓜瓜条数和产量与对照相比无显著差异。

表  2  生物炭施用对盐胁迫条件下黄瓜产量的影响

Table  2.  Effect of biochar on the yield of cucumber with NaCl treatment

处理 Treatment			春季 Spring growing season			秋季 Autumn growing season
NaCl	生物炭 Biochar		瓜条数 Number of fruits	产量 (kg) Yield		瓜条数 Number of fruits	产量 (kg) Yield
0 mmol L−1	B0		113.33 ± 5.13 a	15.93 ± 0.06 a		38.67 ± 4.16 b	5.00 ±0.44 b
	B3		103.33 ± 4.51 a	15.92 ± 0.20 a		37.5 ± 4.36 b	4.99 ± 0.40 b
	B5		103.00 ± 2.00 a	15.11 ± 0.49 a		52.00 ± 7.81 a	7.26 ± 1.33 a
150 mmol L−1	B0		18.00 ± 1.00 d	1.70 ± 0.07 d		7.67 ± 1.15 e	0.82 ± 0.13 b
	B3		30.33 ± 8.39 c	3.03 ± 0.76 c		11.00 ± 1.00 de	0.92 ± 0.15 b
	B5		44.67 ± 3.21 b	5.05 ± 0.28 b		18.67 ± 2.08 c	2.11 ± 0.35 a

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2.2   生物炭对基质栽培黄瓜果实品质的影响

如图1a和图1b所示，无论是在非盐胁迫还是在盐胁迫条件下，与不添加生物炭相比，添加生物炭处理后黄瓜果实中抗坏血酸含量显著增加，而硝酸盐含量显著降低。各处理条件下黄瓜果实可溶性固形物含量与对照相比无显著差异（图1c）。

图  1  生物炭对非盐胁迫和盐胁迫条件下基质栽培黄瓜果实品质的影响

柱上方不同小写字母和大写字母表示差异显著（P < 0.05），下同。

Figure  1.  Effects of biochar on the quality of cucumber fruits without or with NaCl treatment under substrate cultivation

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2.3   生物炭基质栽培黄瓜叶片抗氧化酶活性和丙二醛含量的影响

如图2a和图2b所示，非盐胁迫条件下基质中添加生物炭处理黄瓜植株叶片SOD、POD活性与对照相比无显著差异。盐胁迫条件下，与对照相比，基质中添加生物炭处理植株叶片SOD和POD活性增加，尤其是B5处理植株叶片SOD和POD活性显著高于对照。丙二醛含量反应植物细胞损伤程度，非盐胁迫条件下各处理间的MDA含量无显著差异，而盐胁迫条件下添加生物炭处理植株叶片MDA含量均显著低于对照（图2c）。

图  2  生物炭对盐胁迫条件下基质栽培黄瓜叶片抗氧化酶活性和MDA含量的影响

Figure  2.  Effects of biochar on the antioxidant enzyme activity and MDA content in cucumber leaves with NaCl under substrate cultivation

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2.4   生物炭对基质栽培黄瓜叶片营养元素含量的影响

如图3a和图3b所示，黄瓜顶部叶片N、P含量显著高于底部叶片。盐处理条件下，生物炭施用可显著增加黄瓜植株叶片N含量。而无论是在非盐胁迫还是盐胁迫条件下，生物炭施用后黄瓜植株叶片P含量与对照相比均显著降低。

图  3  生物炭对非盐胁迫和盐胁迫条件下基质栽培黄瓜叶片矿质元素含量的影响

顶部叶片表示从植株主蔓顶部数第四片完全展开真叶；底部叶片表示从植株主蔓底部数第四片真叶。

Figure  3.  Effects of biochar on the mineral element content in cucumber leaves with NaCl under substrate cultivation

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生物炭施用可增加黄瓜叶片K⁺含量。除B3处理底部叶片之外，非盐胁迫和盐胁迫条件下生物炭施用均可显著提高黄瓜叶片K⁺含量（图3c）。盐胁迫可显著增加黄瓜叶片Na⁺含量，然而生物炭处理后顶部叶片和底部叶片Na⁺含量的积累存在显著差异。盐胁迫条件下，B3和B5处理黄瓜植株顶部叶片Na⁺含量与对照相比分别降低22.6%和29.8%，然而，底部叶片Na⁺含量与对照相比分别增加48.7%和54.7%（图3d）。

盐胁迫条件下，生物炭处理后黄瓜植株顶部叶片中Ca²⁺、Mg²⁺含量与对照相比显著降低，而底部叶片中除B3处理Ca²⁺含量显著低于对照外，其他处理间底部叶片Ca²⁺、Mg²⁺含量无显著差异（图3e和图3f）。

3.   讨论

土壤次生盐渍化是设施生产中的重要限制因子，生物炭良好的离子交换能力以及较强的吸收吸附特性对改善设施土壤次生盐渍化具有很好的效果^[18]。本研究发现基质中添加生物炭能有效缓解盐胁迫对黄瓜生长的抑制，促进黄瓜的生长，提高黄瓜产量，增加叶片抗氧化酶活性，提高黄瓜果实品质，这与前期在甜瓜（Cucumis melo L.）^[19]和番茄（Solanum lycopersicum）^[20]等作物上的报道相一致。Mohammed等^[19]研究发现生物炭和沼液联合施用能促进盐胁迫条件下甜瓜生长，增加光合效率和水分利用率，提高产量。She等^[20]报道，生物炭可以缓解盐胁迫对番茄生长发育的抑制，促进盐胁迫条件下番茄生长，增加光合和呼吸效率。盐胁迫对黄瓜的危害主要是渗透胁迫、离子毒害以及养分失调^[21]。相关研究表明，生物炭施用可提供氮、磷、钾等矿质养分，增加土壤有机质，提高作物对土壤养分的可利用率，缓解盐胁迫的危害^{[7, 10]}。生物炭的富钾特性可提高土壤中K⁺含量，减少盐胁迫条件下作物对Na⁺的吸收^[22-23]。另外，生物炭良好的吸附特性及多孔性结构，还可通过吸附Na⁺等有害离子，改善土壤容重、持水能力等理化性状，增强作物的耐盐能力^{[6, 8, 23]}。本研究中高盐胁迫条件下，生物炭处理黄瓜植株尽管生长受到显著抑制，但是仍具有正常的结瓜能力，春秋两季产量显著高于对照，说明耐盐性明显提高。

盐胁迫下，黄瓜体内的由非酶和酶抗氧化剂组成的活性氧清除系统启动可清除体内过多的活性氧^[11]。遭遇盐胁迫后，黄瓜氧化胁迫途径相关酶，如SOD、POD、过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶的活性提高，且随着盐浓度的增加呈现先上升后下降的趋势^[24]。曹齐卫等^[25]报道，随着盐浓度的增加不同生态类型的黄瓜品种抗氧化酶活性显著降低，盐浓度越高，受抑制程度越高，而丙二醛含量显著升高增幅变大，膜脂过氧化程度加重。本研究中，在150 mmol L⁻¹ NaCl胁迫条件下不添加生物炭处理黄瓜叶片抗氧化酶活性降低，而基质中添加生物炭处理后植株叶片SOD和POD活性与对照相比增加，尤其是B5处理植株叶片SOD和POD活性显著高于对照，MDA含量显著降低。这一结果与Hasanuzzaman等^[26]在黄麻（Corchorus olitorius L.）上和Mehmood等^[27]在大豆（Glycine max L.）上的报道相一致。Mehmood等^[27]研究发现生物炭和壳聚糖改性生物炭均可提高80 mmol L⁻¹NaCl胁迫条件下大豆抗坏血酸过氧化物酶（APX）、SOD、POD和CAT抗氧化酶活性，且壳聚糖改性生物炭处理显著诱导CAT、APX、POD和SOD基因以及两个耐盐基因GmSALT3和CHS的表达。然而，Farhangi-Abriz等^[9]报道，盐胁迫处理条件下添加10%或20%的生物炭，菜豆抗氧化酶活性降低，这一现象可能与生物炭的施用量有关。周翠香等^[28]报道生物炭在较低添加量（1% ~ 2%）时可增加盐碱地蓬的SOD和POD活性及其渗透调节物质，提高了植物的抗胁迫能力，而在较高添加量（4% ~ 8%）时SOD和POD活性却显著降低。

盐胁迫条件下，植株矿质营养元素累积失调，叶片过量积累Na⁺和Cl⁻，而K⁺含量降低，是导致植株生长发育受抑制的的重要因素^[29]。生物炭中钾含量丰富，研究发现施用生物炭可显著促进植株对K⁺的吸收，减少叶片对Na⁺的吸收，从而缓解盐胁迫的危害^[30-31]。本研究中，生物炭施用后黄瓜叶片N和K⁺含量增加而P和Na⁺含量降低。叶片N和K⁺含量的增加可促进黄瓜的生长，增加抗逆能力。植株叶片P和Na⁺含量的降低，可能是由于生物炭的吸附作用，减少了基质中可利用P素和Na⁺的含量^[32]。另外，本研究发现盐胁迫下添加生物炭处理植株顶部叶片和下部叶片对Na⁺的积累存在差异，顶部叶片Na⁺含量与对照相比显著降低，而底部叶片Na⁺含量与对照相比显著增加，说明生物炭处理阻碍或者迟滞了Na⁺由底部叶片向上部叶片运输，然而其具体作用机理还需要进一步的研究。

4.   结论

盐胁迫（150 mmol L⁻¹ NaCl）可显著抑制基质（草炭∶蛭石 = 2∶1）栽培黄瓜的生长。基质中添加3%或5%的生物炭能促进黄瓜生长，提高抗氧化酶活性，促进植株顶部叶片氮和钾的积累，减少钠的累积，缓解盐胁迫对黄瓜的危害。综合考虑生长表现、产量和品质指标，栽培基质中添加5%生物炭缓解黄瓜盐胁迫的效果较好。