《Journal of Plant Growth Regulation》：Distinct and Combined Applications of Biochar and Wood Distillate Modulate Functional Responses in Young Vitis vinifera L.
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本文推荐关注如何在可持续农业框架下解决土壤退化和农业废弃物资源化问题。研究人员针对源自农业废弃物的生物炭（BC）和木馏液（WD）作为土壤改良剂的单一及组合应用，系统评估了其对幼龄葡萄（Vitis vinifera L.）植株形态、生理生化及营养状况的差异化与交互效应。研究发现，WD或BC单独施用均会降低叶绿素与叶片葡萄糖含量，但联合施用（BC+WD）能恢复至对照水平，呈现出协同作用并缓解了各自的负面影响。该研究揭示了BC和WD在调控植物应激代谢与养分利用效率方面的复杂机制，为开发针对性的农艺改良剂配方以实现最优农业效益提供了科学依据。
随着全球人口不断增长和耕地资源的持续开发利用，土壤退化问题日益严峻，确保粮食安全成为一项紧迫的全球性挑战。与此同时，急剧增长的农业废弃物也给环境带来巨大压力。然而，在循环经济的框架下，这些废弃物正被视为宝贵的资源，有望催生创新的解决方案。将农业和林业废弃生物质通过热解气化技术转化为生物炭（Biochar， BC）和木馏液（Wood distillate， WD），正是这种变废为宝的“绿色”处理策略之一。这两种产物因其对改善土壤性质、增强植物抗逆性以及提升作物产量的潜在益处，在农业领域备受关注。例如，已有研究表明，适量施用木馏液可以增强植物对盐分和干旱胁迫的耐受性。
但当前研究大多集中在成熟的田间作物或与其他肥料（如堆肥）联合施用的效果上，对于幼龄植株，尤其是具有重要经济价值的葡萄（Vitis vinifera L.），BC和WD单独及组合应用的直接效应仍缺乏深入了解。葡萄种植业在全球范围内不断扩张，面临着气候变化带来的巨大挑战，因此，探索能够支持幼苗健康生长、确保其成功移栽的可持续栽培实践至关重要。那么，源自废弃木材的生物炭和木馏液，究竟会如何影响幼龄葡萄的生长发育和内在生理状态？它们各自是发挥积极作用，还是会带来意想不到的负面效应？当两者携手并用时，是简单的效果叠加，还是会产生“1+1>2”的协同增效，或者反而相互抵消？解答这些问题，对于优化农艺实践、提高资源利用效率具有重要意义。
为了探究这些问题，一个研究团队开展了一项精细的盆栽实验。他们将幼龄葡萄植株（品种为桑娇维塞，VCR23克隆/110R VCR114砧木）栽种在添加了不同改良剂的商用泥炭基质中，设置了四组处理：空白对照（CK）、单独施用20%重量比的生物炭（BC）、每周施用0.5%体积比的木馏液（WD），以及两者组合施用（BC+WD）。植株在严格控制光温湿度的生长室中培育45天后，研究人员对植株的形态生物特征、叶片叶绿素、可溶性糖、氨基酸、蛋白质、酚类物质含量以及根部和叶片的大量、微量营养元素进行了全面测定。收获后，他们还分析了栽培基质的化学性质、热学特性、元素组成及养分生物有效性。
研究团队运用了一系列关键的技术方法来揭示这些效应。他们通过便携式叶绿素计非破坏性测量了叶片总叶绿素含量。利用高效液相色谱（HPLC）技术分析了叶片中的可溶性糖（果糖和葡萄糖）和游离氨基酸谱。采用分光光度法测定了叶片总可溶性蛋白质和总酚含量。通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）这一高灵敏度技术，精确测定了植物组织（根和叶）以及栽培基质中的多种元素（如Ca、K、Mg、P、Cu、Fe、Mn、Mo、Zn、Na）的总量和生物有效态含量。此外，他们还使用热重-差示扫描量热联用（TGA-DSC）分析了栽培基质有机质的稳定性，并通过元素分析仪测定了基质的总碳、氢、氮含量。统计方面，他们采用了主成分分析（PCA）来探索不同处理下植株多项指标间的多变量关系，并通过热图直观展示了游离氨基酸的变化模式。
植物响应
叶绿素与生长
单独施用BC或WD均显著降低了叶片总叶绿素含量（分别降低17%和16%），而BC+WD联合处理则使其恢复到对照水平。WD处理显著降低了茎秆高度（-16%）和地上部鲜重（-24%），但增加了根部鲜重（+29%），BC+WD处理也增加了根鲜重（+34%）。所有处理均增加了根长，而仅含BC的处理（BC和BC+WD）显著增加了根表面积。
初级代谢物
叶片果糖含量无显著变化。BC和WD单独处理分别使叶片葡萄糖含量显著降低51%和25%，而BC+WD联合处理使其恢复至对照水平。仅BC处理使叶片总可溶性蛋白质含量显著增加12%。
游离氨基酸谱
WD处理引起了最显著的游离氨基酸积累，特别是甘氨酸（Gly）、谷氨酸（Glu）、丙氨酸（Ala）和丝氨酸（Ser）含量大幅增加（例如Gly增加25.3倍）。BC处理也导致多种氨基酸适度增加（如Glu增加12.4倍）。BC+WD联合处理的效果则相对缓和。
总酚
BC的施用（无论是否与WD组合）均显著降低了叶片总酚含量（BC降低15%，BC+WD降低22%）。
养分
在叶片中，BC处理（单独或与WD联合）降低了钙（Ca）、镁（Mg）和磷（P）含量，但大幅增加了钾（K）含量（BC增加80%）。在根部也观察到类似趋势，BC处理显著降低了Ca、Mg、P含量，同时剧烈增加了K含量（+125%）。WD处理则增加了叶片和根部的P含量。对于微量元素，WD处理显著降低了根部的铜（Cu）、铁（Fe）和钼（Mo）含量，而BC处理降低了根部的Cu、Fe、锰（Mn）和锌（Zn）含量。有趣的是，BC+WD联合处理增加了根部的Fe和Mn含量。关于钠（Na），BC处理增加了其在根部的积累，而WD处理则降低了根部Na含量，叶片Na含量在所有处理中均无变化。
PCA分析
主成分分析清晰地将处理分组。叶片参数分析显示，蛋白质、K、Na与BC和BC+WD处理正相关，而叶数、地上部鲜重、茎高、葡萄糖、Fe、Zn、Mg、Ca、P和总酚则与CK和WD处理更相关。根部参数分析则将BC处理与其他处理明显区分开，根部Na和K与BC处理正相关，而根长、表面积、鲜重和Mo则与BC+WD处理紧密相关。
栽培基质的变化
化学与热学性质
BC的添加使基质pH升高约10%，电导率（EC）降低。WD的施用显著提高了基质的阳离子交换能力（CEC）。热分析表明，含有BC的基质（BC和BC+WD）含有更高比例的热稳定性强、更复杂的芳香化合物，有机质更为顽固。元素分析显示，BC处理显著增加了基质总碳（C）含量，降低了氢（H）和氮（N）含量，导致碳氢比（C/H）和碳氮比（C/N）升高，进一步印证了其有机质的高稳定性。
养分的生物有效性
在基质中，BC的添加极大地增加了钾（K）的生物有效态（增加14倍）和非生物有效态含量。WD处理显著降低了钼（Mo）的生物有效性（-65%）。BC处理增加了锰（Mn）和锌（Zn）的生物有效性，同时增加了钙（Ca）、镁（Mg）、铁（Fe）、钼（Mo）和钠（Na）的非生物有效态含量。
该研究系统地揭示了生物炭（BC）和木馏液（WD）对幼龄葡萄植株生长、生理和养分吸收的差异化及协同效应。研究证实，单独施用BC或WD会引发不同程度的胁迫反应：WD主要通过降低钼（Mo）等关键微量元素的生物有效性，影响叶绿素合成和氮代谢，导致氨基酸大量积累但蛋白质合成受限，同时通过减少钠（Na）等有害离子的吸收来增强植物的耐盐潜力；而BC则因其高钾（K）输入引发了养分失衡（如抑制钙、镁吸收），导致叶绿素下降，并促使钠在根部积累而非向地上部转运，这也是一种胁迫适应机制。
然而，最为关键的发现是两者的联合施用（BC+WD）展现出了明显的协同与互补作用。BC+WD处理不仅恢复了因单独施用而降低的叶绿素和葡萄糖水平，还在根部促进了铁（Fe）和锰（Mn）的吸收，同时部分缓解了WD引起的氨基酸过度积累和BC引起的酚类物质变化。这表明BC可能通过其多孔结构和吸附特性，缓冲了WD中某些活性成分的即时效应，并改善了根际微环境，从而帮助植株更平衡地应对改良剂带来的化学变化，实现更优的养分利用效率。
这项研究的重要意义在于，它首次在幼龄葡萄植株上细致剖析了BC和WD单一及组合应用的复杂生理生化机制，超越了以往仅关注生长促进或与肥料联用的研究。结果强调了“量身定制”的重要性：BC和WD并非“万能灵药”，其效果高度依赖于施用方式和剂量。研究指出，为获得最佳农艺效益，必须根据目标作物、生长阶段和土壤条件，对基于BC和WD的改良剂进行精准配比和施用策略优化。这项工作为开发下一代高效、可持续的土壤改良剂和植物生长调节剂组合提供了坚实的理论基础和实验依据，有助于推动循环农业和生态友好型葡萄栽培 practices 的发展。该研究成果已发表在《Journal of Plant Growth Regulation》期刊上。
