榛子壳制成的生物炭能够减轻饲料大豆中的镉毒性

《Frontiers in Plant Science》：Biochar of hazelnut shell mitigates cadmium toxicity in forage soybean

本研究通过温室实验探究榛子壳生物炭对镉污染土壤中饲料大豆生长及生理生化特性的影响。实验采用2×4因子设计，添加3%生物炭显著缓解镉胁迫，促进大豆株高、鲜干重及叶面积增长，降低MDA、H2O2等氧化损伤指标，并调节ABA、GA、SA等植物激素水平，提升抗逆性。

　　本研究围绕镉（Cd）污染对植物生长的影响展开，重点探讨了生物炭在缓解镉胁迫中对牧草大豆（*Glycine max* L. Merrill）的生理、生化特性以及植物激素调节方面的作用。镉污染是一种全球性问题，主要源于工业活动、农业废弃物以及土壤中自然存在的镉。随着经济和技术的发展，这些污染源的增加使得土壤中的镉含量不断上升，对植物的生长造成严重影响。镉污染会干扰植物的生理和生化过程，导致生物量减少、营养失衡，并且引发氧化应激反应，从而影响植物的健康和产量。因此，寻找一种有效、可持续的解决方案以减轻镉对植物的危害成为农业和环境科学领域的重要课题。

生物炭，一种通过生物质在缺氧或低氧环境下高温热解得到的富含碳的产物，因其能够改善土壤性质、降低重金属毒性并增强植物抗逆性而受到广泛关注。本研究中，生物炭被用于改良含有不同镉浓度的土壤，以评估其对牧草大豆生长和生理生化反应的改善效果。实验采用温室环境，将生物炭（3%）与土壤、沙子和泥炭按照3:1:1的比例混合，设置不同的镉浓度梯度（0、50、100和200 mg/kg），并采用2×4的因子设计，共进行三组重复。实验结果表明，镉胁迫显著降低了牧草大豆的地上部分鲜重（SFW）、干重（SDW）、根系鲜重（RFW）、干重（RDW）以及叶面积（LA），而生物炭的加入则有效缓解了这些负面影响，提高了植物的生长指标和生理生化状态。

在镉污染的土壤中，植物的生长受到明显抑制，主要表现为地上部分和地下部分的生物量下降，以及叶面积减少。此外，镉还会导致植物叶片中叶绿素含量的下降，这可能是由于镉对光合作用相关酶活性的抑制，以及对叶绿体结构的破坏。同时，镉胁迫还会引起植物体内氧化应激的增加，表现为氢过氧化物（H?O?）和丙二醛（MDA）等氧化产物的积累，这些物质通常被视为细胞膜受损的指标。生物炭的应用显著降低了这些氧化应激指标，同时提升了抗氧化酶（如过氧化氢酶CAT、过氧化物酶POD和超氧化物歧化酶SOD）的活性，这表明生物炭在缓解镉毒性方面具有积极作用。

此外，研究还关注了镉胁迫对植物体内营养元素吸收和积累的影响。实验发现，随着镉浓度的增加，牧草大豆中氮、磷、钾、钙、镁和硫等主要营养元素的含量显著下降，而锰、铁、锌、硼、钠和镉的含量则有所上升。这说明镉污染不仅影响了植物的生长，还干扰了其对关键营养元素的吸收与利用。然而，当生物炭被加入土壤后，这些营养元素的含量有所恢复，这可能是因为生物炭能够通过其高阳离子交换能力、丰富的官能团和高比表面积等特性，吸附和固定镉，从而减少其对植物营养吸收的干扰。这种机制不仅有助于提高植物的营养状况，还能促进植物根系和地上部分的发育，增强其整体抗逆能力。

植物激素在植物生长和胁迫响应中发挥着关键作用。在本研究中，镉胁迫导致植物体内生长促进激素如生长素（IAA）、赤霉素（GA）、水杨酸（SA）、细胞分裂素（CK）和茉莉酸（JA）的含量下降，而胁迫响应激素如脱落酸（ABA）的含量则显著上升。这表明，镉胁迫会触发植物体内的一系列生理调节机制，其中脱落酸作为主要的应激响应激素，其浓度升高可能是植物为了适应镉毒性而启动的防御反应。然而，生物炭的加入能够有效调节这些激素的平衡，减少胁迫激素的积累，同时提升生长促进激素的水平。这种激素调控的改善，可能是生物炭缓解镉胁迫的重要机制之一，有助于植物维持正常的生长和发育。

进一步研究发现，生物炭对植物体内脯氨酸和蔗糖等渗透调节物质的积累也有显著影响。镉胁迫通常会促使植物体内积累这些物质，以应对细胞内的氧化损伤和渗透失衡。然而，生物炭的加入减少了这些物质的积累，这可能是因为生物炭能够通过降低镉对植物的毒害，减少植物体内的应激反应，从而减轻其对渗透调节物质的需求。这一结果与先前研究中生物炭对其他作物（如豆类、玉米和水稻）在镉胁迫下的作用一致，说明生物炭在改善植物对重金属胁迫的适应能力方面具有普遍性。

值得注意的是，生物炭不仅能够直接吸附和固定土壤中的镉，还能通过改善土壤的物理、化学和生物特性，间接促进植物的生长和发育。例如，生物炭可以提高土壤的持水能力、改善土壤结构、增加土壤有机质含量，从而为植物提供更适宜的生长环境。这些土壤改良效果有助于植物根系的发育，提高其对水分和养分的吸收能力，进而改善其整体生长状态。此外，生物炭的添加还能够调节土壤pH值，降低重金属的生物有效性，从而减少其对植物的毒害。

本研究中使用的生物炭来源于榛子壳，这是一种在土耳其广泛存在的农业废弃物。榛子壳富含纤维素、半纤维素和木质素，使其成为生产高质量生物炭的理想原料。通过热解工艺，榛子壳能够转化为具有高比表面积和孔隙率的生物炭，这为重金属吸附和固定提供了良好的物理和化学条件。此外，生物炭中富含的腐殖质（腐殖酸和富里酸）也有助于土壤的稳定性和肥力提升，进一步促进植物的生长和发育。

尽管生物炭在缓解镉胁迫方面展现出显著效果，但本研究也指出，目前关于榛子壳生物炭在农业应用中的研究仍较为有限。因此，进一步的田间试验和长期生态评估显得尤为重要。生物炭的使用不仅需要考虑其对植物生长的直接促进作用，还需关注其对土壤微生物群落、营养循环和土壤理化性质的潜在影响。例如，生物炭可能改变土壤中的微生物组成，影响土壤的养分释放和转化，进而对植物的生长产生间接作用。因此，在推广生物炭作为土壤改良剂之前，需要对其生态效应进行全面评估，以确保其在农业和环境治理中的可持续性。

此外，本研究的实验结果表明，生物炭在缓解镉胁迫方面具有显著的潜力，特别是在改善植物生长、促进营养吸收和调节植物激素方面。然而，这些发现仍需在实际农田条件下进行验证，以确保其在不同土壤类型和环境条件下都能发挥预期效果。同时，还需要探索不同生物炭种类和添加比例对植物的影响，以优化其应用策略。此外，生物炭的生产成本、环境影响以及其对土壤长期肥力的维护能力，也是未来研究的重要方向。

综上所述，生物炭作为一种低成本、环保的土壤改良材料，在缓解镉污染对植物的负面影响方面展现出巨大潜力。特别是在牧草大豆等重要作物的种植中，生物炭的应用不仅能够改善土壤质量，还能提高作物的生长性能和抗逆能力。然而，为了更好地推广和应用生物炭，还需要进一步研究其在实际农田中的效果，并探讨其对土壤生态系统的潜在影响。未来的研究应结合田间试验和生态评估，以全面了解生物炭在重金属污染土壤修复中的作用，并推动其在农业可持续发展中的广泛应用。