生物質(zhì)炭對(duì)2，4-D丁酯脅迫下谷子生理特性的影響

李雅馨 ，曹夢(mèng)琳 ，杜慧玲 ，王宇軒 ，尚晶濤

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院，山西太谷030801）

谷子（Setaria italica）為禾本科狗尾草屬（Setaria Beauv）[1]，其適應(yīng)能力及抗逆性較強(qiáng)，耐干旱、耐瘠薄、耐貯藏，可以糧草兼用[2]，是山西省種植面積最大的雜糧作物[3]。但在其種植過程中，受到雜草的危害較為嚴(yán)重。

2，4-D丁酯是一種苯氧羧酸類除草劑，屬于激素類除草劑，其通過影響雜草體內(nèi)激素水平從而達(dá)到除草的效果。但除草劑使用不當(dāng)易產(chǎn)生藥害，禾本科作物受害表現(xiàn)為幼苗矮化或畸形[4]。有研究表明，2，4-D丁酯對(duì)谷子的安全性較差，對(duì)谷子株高、葉綠素含量、POD和SOD活性都有一定的抑制作用[5-6]。

生物質(zhì)炭（Biochar）是生物質(zhì)在缺氧或無氧環(huán)境中，經(jīng)過高溫?zé)崃呀夂螽a(chǎn)生的富含碳的有機(jī)物質(zhì)，為多孔結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附能力[7-8]。近年來，生物質(zhì)炭的相關(guān)研究已受到越來越廣泛的關(guān)注，有研究表明，適宜濃度的生物質(zhì)炭可提高玉米[9-10]、大豆[11]的生物量、葉面積指數(shù)和葉綠素含量。高敬堯[12]研究發(fā)現(xiàn)，乙草胺降低了玉米株高、葉綠素和可溶性蛋白質(zhì)含量，而添加生物質(zhì)炭可有效緩解其對(duì)玉米的脅迫。

目前，對(duì)生物質(zhì)炭調(diào)控有機(jī)污染物在土壤上的吸附和解吸等方面的應(yīng)用廣泛，但其在緩解谷子除草劑藥害中的應(yīng)用鮮見報(bào)道。

本試驗(yàn)以谷子為研究對(duì)象，研究生物質(zhì)炭對(duì)2，4-D丁酯脅迫下谷子葉片生理特性的影響，旨在揭示生物質(zhì)炭在提高除草劑對(duì)谷子的安全性應(yīng)用中的可能性。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試谷子品種為張雜谷10號(hào)（由河北省張家口農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供）和晉谷21號(hào)（由山西農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所提供）。供試藥劑2，4-D丁酯（有效成分含量為57%）由大連松遼化工有限公司生產(chǎn)。供試生物質(zhì)炭以玉米秸稈為原料制得。供試土壤取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)站的耕層土（0～20 cm），為石灰性土壤，pH值為8.47，有機(jī)質(zhì)23.56 g/kg，全鹽量0.058%，全氮 1.239 g/kg，堿解氮 45.15 mg/kg，全磷1.155 g/kg，有效磷 20.26 mg/kg，全鉀 21.68 g/kg，速效鉀217.60 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)分別于2017年6—9月和2018年6—8月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院試驗(yàn)站進(jìn)行，土樣風(fēng)干過2 mm篩，將生物質(zhì)炭和土壤混勻裝入33 cm（直徑）×25 cm（高）的塑料盆中，每盆裝土10 kg。

試驗(yàn)1：設(shè)4個(gè)處理，以不添加生物質(zhì)炭為對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)3次。生物質(zhì)炭用量分別為0（B0，CK）、1%（B1）、2%（B2）、4%（B4），均為質(zhì)量比。60 d后，取樣測(cè)定。種子發(fā)芽后每天正常澆水，保證幼苗正常生長，采用稱重法使水分保持在13%～15%。

試驗(yàn)2：在試驗(yàn)1的基礎(chǔ)上，選擇生物質(zhì)炭用量為2%的處理，待谷子幼苗長到4～6片葉時(shí)，葉面噴施除草劑2，4-D丁酯，以不添加生物質(zhì)炭噴施清水作為對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)3次。除草劑劑量分別為 0（CK）、365（B2T1）、730（B2T2）、1 460（B2T3）mL/hm2，其中，730 mL/hm2為推薦劑量。待7 d后選取谷子倒二葉進(jìn)行測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

采用文獻(xiàn)[13]的方法測(cè)定葉綠素含量；采用硫代巴比妥酸分光光度法[14]測(cè)定丙二醛（MDA）含量；采用氮藍(lán)四唑（NBT）光化還原抑制法[15]測(cè)定超氧化物歧化酶（SOD）活性；采用愈創(chuàng)木酚法[15]測(cè)定過氧化物酶（POD）活性；采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[16]測(cè)定可溶性蛋白質(zhì)含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2003進(jìn)行作圖，采用SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對(duì)谷子葉片生理特性的影響

2.1.1 生物質(zhì)炭對(duì)谷子葉片光合色素含量的影響從表1可以看出，2個(gè)品種谷子葉片的光合色素含量均隨生物質(zhì)炭含量的增加呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，均在B2處理時(shí)達(dá)到最大；與B0（CK）處理相比，張雜谷10號(hào)B2處理的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量分別增加11.40%、39.04%、15.94%和10.21%；晉谷21號(hào)B2處理的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量分別增加15.33%、40.71%、19.76%和7.46%，且差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

表1 生物質(zhì)炭對(duì)谷子葉片光合色素含量的影響 mg/g

2.1.2 生物質(zhì)炭對(duì)谷子葉片丙二醛（MDA）含量的影響 由圖1可知，2個(gè)品種谷子葉片的丙二醛含量均隨生物質(zhì)炭含量的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，且均在B2處理時(shí)達(dá)最小值，與B0（CK）處理相比，張雜谷10號(hào)B2處理降低了13.10%；晉谷21號(hào)B2處理降低了16.72%，且差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

2.1.3 生物質(zhì)炭對(duì)谷子葉片SOD、POD活性的影響

由圖2可知，2個(gè)品種谷子葉片的SOD、POD活性均隨生物質(zhì)炭含量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，均在B2處理時(shí)達(dá)到最大值，與B0（CK）處理相比，張雜谷10號(hào)和晉谷21號(hào)2個(gè)品種谷子葉片的SOD活性B2處理分別增加了2.93%和10.63%，POD活性B2處理分別增加了5.63%和11.98%，且差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

2.1.4 生物質(zhì)炭對(duì)谷子葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的影響 生物質(zhì)炭對(duì)谷子葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的影響如圖3所示。

由圖3可知，2個(gè)品種谷子葉片的可溶性蛋白質(zhì)含量隨生物質(zhì)炭含量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，均在B2處理時(shí)達(dá)到最大值，張雜谷10號(hào)和晉谷21號(hào)2個(gè)品種分別比B0（CK）處理增加了9.52%和23.71%；張雜谷10號(hào)，除B0（CK）處理和B4處理間差異不顯著外（P＞0.05），其他各處理之間差異均顯著（P＜0.05）；晉谷21號(hào)各處理間差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

2.2 生物質(zhì)炭對(duì)2，4-D丁酯脅迫下谷子生理特性的影響

2.2.1 生物質(zhì)炭對(duì)2，4-D丁酯脅迫下谷子光合色素含量的影響 由表2可知，與B2處理相比，2個(gè)品種谷子葉片的光合色素含量均隨2，4-D丁酯濃度的增加而降低。與CK相比，B2T1處理下張雜谷10號(hào)的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量均未達(dá)到顯著水平，晉谷21號(hào)的葉綠素b和類胡蘿卜素含量分別顯著增加了20.79%和11.36%；B2T2處理下張雜谷10號(hào)的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量分別顯著降低了3.69%、6.78%、4.63%和6.55%，晉谷21號(hào)的葉綠素a和總?cè)~綠素含量分別顯著降低了9.62%和5.42%，葉綠素b含量顯著增加了13.32%。

表2 生物質(zhì)炭對(duì)2，4-D丁酯脅迫下谷子葉片光合色素含量的影響 mg/g

2.2.2 生物質(zhì)炭對(duì)2，4-D丁酯脅迫下谷子MDA含量的影響 由圖4可知，2個(gè)品種谷子葉片的MDA含量隨2，4-D丁酯濃度的增加而升高。張雜谷10號(hào)和晉谷21號(hào)的MDA含量均在B2T3處理時(shí)達(dá)到最大值，與B2處理相比，B2T3處理分別顯著增加了23.86%和23.68%，且差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）；與CK相比，晉谷21號(hào)B2T3處理顯著增加了12.80%，張雜谷10號(hào)B2T3處理變化不明顯。

2.2.3 生物質(zhì)炭對(duì)2，4-D丁酯脅迫下谷子SOD、POD含量的影響 由圖5可知，2個(gè)品種谷子葉片的SOD、POD活性隨2，4-D丁酯濃度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，均在B2T2處理時(shí)達(dá)到最大值，張雜谷10號(hào)的SOD、POD活性較CK分別顯著增加了49.95%和46.20%，較B2處理分別顯著增加了9.88%和29.96%；晉谷21號(hào)的SOD、POD活性較CK分別顯著增加了76.89%和70.09%，較B2處理分別顯著增加了21.98%和42.71%。

2.2.4 生物質(zhì)炭對(duì)2，4-D丁酯脅迫下谷子可溶性蛋白質(zhì)含量的影響 由圖6可知，不同濃度的2，4-D丁酯對(duì)2個(gè)品種谷子葉片可溶性蛋白質(zhì)含量均有不同程度的影響，其中，張雜谷10號(hào)B2、B2T1、B2T2、B2T3處理較CK分別顯著增加了41.28%、25.23%、33.94%、51.38%；晉谷21號(hào)B2處理和B2T2處理較CK分別顯著增加了19.19%、16.61%。

3 結(jié)論與討論

光合色素是植物進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ)，葉綠素在光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換中起著重要的作用，類胡蘿卜素作為補(bǔ)光色素參與光合作用，葉片光合色素含量高低是反映葉片光合作用和生理活性強(qiáng)弱的關(guān)鍵指標(biāo)之一[17]。生物質(zhì)炭對(duì)作物生長的影響受其自身性質(zhì)、土壤類型、肥力狀況及生物質(zhì)炭用量的制約[18]。有研究發(fā)現(xiàn)，施用生物質(zhì)炭可以提高玉米[19]、谷子[20]葉片葉綠素含量。張圣也等[21]研究發(fā)現(xiàn)，不添加生物炭，鹽堿脅迫導(dǎo)致綠豆葉綠素含量顯著下降，添加生物炭提高了綠豆葉片葉綠素含量。苗微[22]研究表明，在水稻苗期，添加陳化生物質(zhì)炭可以降低其葉綠素和類胡蘿卜素含量。楊艷君等[23]研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度的2，4-D對(duì)谷子幼苗的葉綠素含量有顯著影響，其中，0.25 g/L的2，4-D對(duì)葉綠素含量有一定的促進(jìn)作用，0.5 g/L的2，4-D則有一定的抑制作用。本試驗(yàn)中，谷子葉片的光合色素含量隨生物質(zhì)炭含量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)；隨著2，4-D丁酯濃度的增加，谷子葉片的光合色素含量降低，這與弓迎賓等[6]的研究結(jié)果一致。

SOD和POD是植物細(xì)胞的活性氧清除酶系統(tǒng)中比較重要的保護(hù)酶；而MDA是膜脂過氧化最重要的產(chǎn)物之一，其反映細(xì)胞膜的受損程度。李陽等[24]研究表明，當(dāng)生物質(zhì)炭含量較低時(shí)，小麥幼苗根、葉中SOD、POD活性較強(qiáng)；隨著生物質(zhì)炭含量的增加，SOD、POD活性降低，MDA含量升高，幼苗生長出現(xiàn)生理損傷。本試驗(yàn)中，谷子葉片的SOD、POD活性隨生物質(zhì)炭含量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，MDA含量呈先下降后上升的趨勢(shì)；隨著2，4-D丁酯濃度的增加，谷子葉片的SOD、POD活性呈先上升后下降的趨勢(shì)，MDA含量升高。

可溶性蛋白質(zhì)是一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其含量的高低反映了植物細(xì)胞生長的好壞，是衡量植物生長發(fā)育狀況的一個(gè)重要的生理生化指標(biāo)。卜巧珍[25]研究表明，生物質(zhì)炭對(duì)作物葉片的可溶性蛋白含量具有較明顯的促進(jìn)作用。張瑞[26]研究表明，隨著生物質(zhì)炭施入量的增加，小白菜可溶性蛋白質(zhì)含量變化不明顯。本試驗(yàn)中，谷子葉片的可溶性蛋白質(zhì)含量隨生物質(zhì)炭含量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)；隨著2，4-D丁酯濃度的增加，張雜谷10號(hào)的可溶性蛋白質(zhì)含量升高，晉谷21號(hào)的可溶性蛋白質(zhì)含量呈先升高后降低的趨勢(shì)。

本研究探討了生物質(zhì)炭對(duì)2，4-D丁酯脅迫下谷子葉片生理特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施用2%生物質(zhì)炭對(duì)谷子各項(xiàng)生理指標(biāo)促進(jìn)效果最為明顯；在B2處理下可以緩解2，4-D丁酯對(duì)于谷子的傷害，為生物質(zhì)炭和2，4-D丁酯在谷子的合理使用提供理論依據(jù)。但本試驗(yàn)僅對(duì)谷子苗期生理生化指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果僅代表了單一時(shí)期變化，對(duì)谷子全生育期及產(chǎn)量品質(zhì)方面的影響還需進(jìn)行更加深入全面的研究。