硅鈣肥與納米碳對(duì)干旱脅迫下小麥幼苗形態(tài)及生理的影響

黨芳芳，馮文新，尹美強(qiáng)，蘆文杰，曹夢(mèng)琳，溫銀元，孫敏，郝興宇，高志強(qiáng)

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801)

硅鈣肥與納米碳對(duì)干旱脅迫下小麥幼苗形態(tài)及生理的影響

黨芳芳，馮文新，尹美強(qiáng)*，蘆文杰，曹夢(mèng)琳，溫銀元，孫敏，郝興宇，高志強(qiáng)

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801)

[目的]研究硅鈣肥和納米碳處理對(duì)小麥幼苗生長及生理特性的影響，為提高作物的抗旱能力提供新的依據(jù)。[方法]用硅鈣肥和納米碳對(duì)干旱脅迫下的小麥幼苗進(jìn)行處理，研究對(duì)干旱敏感的小麥品種幼苗株高、根長、根數(shù)、鮮重、干重、根冠比的影響，分析小麥葉片光合色素、超氧陰離子自由基、丙二醛、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)活性的變化。[結(jié)果]結(jié)果表明，在干旱脅迫下，硅鈣肥、硅鈣肥與納米碳混施處理比對(duì)照(CK)的小麥葉片的株高、根長、鮮重、干重均明顯升高，超氧陰離子自由基、MDA均明顯降低，葉綠素總量，SOD、POD活性明顯升高。[結(jié)論]硅鈣肥與3‰納米碳混施對(duì)冬小麥幼苗期的干旱脅迫緩解最顯著。

小麥； 硅鈣肥； 納米碳； 抗旱性

Wheat， Silicon Calcium Fertilizer， nanocarbon， drought resistance

小麥?zhǔn)俏覈钪饕募Z食作物之一，占糧食種植面積的1/4 左右，其種植產(chǎn)量僅次于玉米、水稻，居全國第3位[1，2]。但是干旱嚴(yán)重影響小麥的生長發(fā)育，造成作物減產(chǎn)并使生態(tài)環(huán)境日益惡化。干旱對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響主要表現(xiàn)在降低光合作用效率[3，4]。因此，提高小麥抗旱的能力、發(fā)展旱地小麥已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中急需解決的關(guān)鍵問題。

近幾十年來，硅鈣肥對(duì)水稻、玉米、小麥?zhǔn)┯迷囼?yàn)的結(jié)果表明，硅鈣肥對(duì)改善小麥生長發(fā)育以及作物增產(chǎn)顯著。硅鈣肥是一種硅鈣復(fù)合型肥料，可為農(nóng)作物補(bǔ)充硅元素和鈣元素，促進(jìn)光合作用，并且在植物體內(nèi)形成硅化細(xì)胞，促進(jìn)莖葉的表層細(xì)胞壁加厚，從而提高小麥的抗倒伏能力，鈣能有效促進(jìn)青蒜苗生長，增加葉片色素含量，改善光合特性[5]。

納米碳是具有宏觀量子隧道效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和表面與界面效應(yīng)的小尺度的納米材料。其被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，納米材料可以促進(jìn)作物的生長發(fā)育，提高作物對(duì)肥料的利用率等方面的作用受到人們極大的關(guān)注[6]，此外，由納米材料研制的納米增效肥料可以減少肥料營養(yǎng)元素的流失，在提高肥料利用率以及土壤養(yǎng)分吸收等方面展現(xiàn)出顯著效果[7]。

山西省旱地小麥面積占較大比重，因此研究硅鈣肥與納米碳結(jié)合對(duì)冬小麥的抗旱性研究很有必要。本文通過研究硅鈣肥、硅鈣肥與納米結(jié)合，探究硅鈣肥以及納米碳混施對(duì)干旱脅迫下小麥的生理及形態(tài)的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

晉太102品種，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院小麥研究所提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年10月24日進(jìn)行。選籽粒飽滿且大小一致的小麥種子，用0.1%HgCl2消毒后，蒸餾水反復(fù)清洗多次，取干凈濾紙吸干種子上的水分，陰干，播種于13×19×7 cm的發(fā)芽盒中，每盒200粒小麥種子，沙培法，每盒裝沙1 300 g(小麥種子上部沙300 g，下部沙1 000 g)，在光照培養(yǎng)架下用Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)至小麥第二葉完全展開(11月2日)，對(duì)幼苗進(jìn)行干旱處理至萎蔫狀態(tài)。3個(gè)處理分別為：CK、硅鈣肥為1.74 g·盒-1、硅鈣肥1.74 g·盒-1+納米碳3‰(表1)，各處理均重復(fù)三次。(硅鈣肥1.74 g·盒-1相當(dāng)于施用的硅鈣肥量為1 500 kg·hm-2，納米碳的具體用量由硅鈣肥用量乘以納米碳的添加比例)

表1 硅鈣肥和納米碳用量表

Table 1 Table of silicon calcium fertilizer and nanocarbon Dosage

處理Treatments硅鈣肥用量/g·盒-1Dosageofsiliconcalciumfertilizer納米碳的量/g·盒-1Dosageofnanocarbon納米碳添加比例AddproportionofnanocarbonCK000G1.7400G+N1.740.00523‰

1.3 指標(biāo)測(cè)定

在自然干旱處理后第16天，選取生長均勻的10株小麥幼苗，用精確至0.1 mm的刻度尺測(cè)量其小麥株高，根長。再用電子天平稱其小麥地上部，地下部的鮮重，然后105 ℃殺青15 min，80 ℃烘24 h，用電子天平稱其干重。

葉綠素含量的測(cè)定用Arnon[8]提供的方法；過氧化物酶(POD)活性測(cè)定用愈創(chuàng)木酚法[9]測(cè)定；超氧化物歧化酶(SOD)活性測(cè)定采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原抑制法進(jìn)行測(cè)定；丙二醛(MDA)含量的測(cè)定采用硫代巴比妥酸分光光度法進(jìn)行測(cè)定；超氧陰離子自由基含量采用高俊鳳[10]提供的方法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)使用Microsoft excel軟件進(jìn)行繪圖，用Microsoft word軟件進(jìn)行制表，方差分析用SPSS 17.0進(jìn)行分析，顯著性檢驗(yàn)用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅鈣肥與納米碳對(duì)干旱脅迫下小麥幼苗株高、根長、根數(shù)的影響

由表2可以看出，小麥幼苗進(jìn)行干旱脅迫后，硅鈣肥(G)、硅鈣肥與納米碳混施(G+N)比CK的株高、根數(shù)、根長均有提高，株高分別增加了35.11%和43.72%，差異極顯著(P<0.01)，根長分別增加了3.60%和16.90%，差異極顯著(P<0.01)。但是干旱脅迫下，根數(shù)相對(duì)變化不大且處理間差異不顯著，硅鈣肥，硅鈣肥與納米碳混施，比CK分別增加了1.31%和6.38%。

表2 硅鈣肥與納米碳對(duì)干旱脅迫下小麥幼苗株高、根長、根數(shù)的影響

Table 2 Effects of silicon calcium fertilizer and nanocarbon on the plant height, root length and root number of wheat seedlings under drought stress

處理Treatments株高/cmPlantheight根長/cmRootlength根數(shù)/條RootnumbersCK11.62±0.02a10.83±0.02a5.33±0.58aG15.70±0.01b11.22±0.01b5.40±0.1aG+N16.70±0.02c12.66±0.02c5.67±0.12b

注: 數(shù)值為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(SD)，同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)；表3同。

Note: The values mean average standard deviation(SD);The different letters in the same column indicate significant differences (P<0.05);The same as in table 3.

因此，硅鈣肥和納米碳混施，硅鈣肥均可以提高小麥的株高、根長，其中以納米碳與硅鈣肥混施為極顯著，緩解了干旱對(duì)冬小麥幼苗期的株高，根長脅迫。

2.2 硅鈣肥與納米碳對(duì)干旱脅迫下小麥幼苗鮮重、干重、根冠比的影響

由表3可以看出，小麥幼苗進(jìn)行干旱脅迫后，硅鈣肥(G)比對(duì)照(CK)的鮮重增加了20.95%，差異為顯著(P<0.05)，硅鈣肥與納米碳混施(G+N)比對(duì)照(CK)的鮮重增加了51.53%，差異為極顯著(P<0.01)。而硅鈣肥(G)、硅鈣肥與納米碳混施(G+N)比對(duì)照(CK)的干重分別增加8.83%、17.65%，差異均達(dá)到顯著(P<0.05)。

表3 硅鈣肥與納米碳對(duì)干旱脅迫下小麥幼苗鮮重、干重、根冠比的影響

Table 3 Effects of silicon calcium fertilizer and nanocarbon on the fresh weight、dry weight and root/shoot ratio of wheat seedlings under drought stress

處理Treatments鮮重/gFreshweight干重/gDryweight根冠比Root/shootratioCK1.48±0.08a0.34±0.01a0.52±0.03aG1.79±0.06b0.37±0.01b0.54±0.03aG+N2.24±0.06c0.40±0.02c0.72±0.01b

就根冠比而言，硅鈣肥(G)比對(duì)照(CK)增加了3.85%，差異不顯著，而硅鈣肥與納米碳混施(G+N)比對(duì)照(CK)、硅鈣肥(G)分別增加了38.46%，33.33%，差異均達(dá)到顯著(P<0.05)。

因此，硅鈣肥和納米碳，硅鈣肥均可以提高小麥的干重、鮮重與根冠比，其中以硅鈣肥和納米碳混施最為顯著，緩解了干旱對(duì)冬小麥幼苗期的脅迫。

2.3 硅鈣肥與納米碳對(duì)干旱脅迫下小麥幼苗葉綠素總量的影響

圖1 硅鈣肥與納米碳對(duì)干旱脅迫下小麥幼苗葉綠素總量(Ct)的影響Fig.1 Effects of silicon calcium fertilizer and nanocarbon treatments on the total chlorophyll content of wheat seedlings under drought stress

如圖1所示，隨著干旱處理天數(shù)的增加，各個(gè)處理與對(duì)照(CK)的葉綠素總量均呈“先升后降”的趨勢(shì)，在第7天各個(gè)處理的葉綠素含量達(dá)到最大值。在干旱處理第16天，硅鈣肥和納米碳混施(G+N)比對(duì)照(CK)、硅鈣肥(G)的葉綠素總量分別增加了 33.33%，27.12%，差異均達(dá)到了極顯著(P<0.01)。因此，硅鈣肥和納米碳混施，硅鈣肥均可以提高冬小麥幼苗期的葉綠素總量。其中以硅鈣肥與納米碳混施處理最顯著。

如圖2所示，隨著干旱脅迫下處理的天數(shù)增加，各個(gè)處理的MDA含量均呈“升-降-升”的趨勢(shì)，并在第3天達(dá)到最高值，而對(duì)照(CK)在第16天達(dá)到最高值。硅鈣肥、硅鈣肥與納米碳混施比對(duì)照(CK)的MDA含量變化較為明顯，在干旱第16天，硅鈣肥(G)、硅鈣肥與納米碳混施(G+N)比CK分別下降了28%，36.84%，均達(dá)到了極顯著(P<0.01)，而且硅鈣肥和納米碳混施(G+N)比硅鈣(G)下降了12.73%，差異顯著(P<0.05)，所以硅鈣肥和納米碳混施處理(G+N)下降最為顯著。

圖2 硅鈣肥與納米碳對(duì)干旱脅迫下小麥幼苗丙二醛含量(MDA)的影響Fig.2 Effects of silicon calcium fertilizer and nanocarbon treatments on MDA content of wheat seedlings under drought stress

如圖3所示，隨著干旱處理天數(shù)的增加，各個(gè)處理與對(duì)照(CK)的超氧陰離子含量均呈“升-降-升”的趨勢(shì)。硅鈣肥、硅鈣肥與納米碳混施比對(duì)照(CK)的超氧陰離子含量變化較為明顯，在干旱第7天，硅鈣肥(G)、硅鈣肥和納米碳混種(G+N)比CK分別下降了15.6%，18.17%，均達(dá)到了極顯著(P<0.01)，而且硅鈣肥和納米碳(G+N)比硅鈣肥(G)下降了3.04%。因此，硅鈣肥和納米碳，硅鈣肥均可以降低小麥幼苗期的MDA含量和超氧陰離子含量，緩解了干旱對(duì)冬小麥幼苗期脅迫，其中以硅鈣肥與納米碳混施處理最為顯著。

圖3 硅鈣肥與納米碳對(duì)干旱脅迫下小麥幼苗超氧陰離子含量)的影響Fig.3 Effects of silicon calcium fertilizer and nanocarbon treatments on content of wheat seedlings under drought stress

2.5 硅鈣肥與納米碳對(duì)干旱脅迫下小麥幼苗SOD和POD活性的影響

如圖4所示，隨著干旱處理天數(shù)的增加，各個(gè)處理的SOD活性均呈“先升后降”的趨勢(shì)，并在第3天達(dá)到最高值，對(duì)照(CK)隨著天數(shù)的增加較處理變化幅度不大。硅鈣(G)、硅鈣肥與納米碳混施比對(duì)照(CK)的SOD活性變化較明顯，在干旱第三天，硅鈣肥(G)、硅鈣肥和納米碳混施(G+N)比CK分別增加了8.34%，10.91%，但均達(dá)到了極顯著(P<0.01)，而且硅鈣肥和納米碳(G+N)比硅鈣肥(G)增加了3.53%，差異顯著(P<0.05)，所以硅鈣肥和納米碳混施(G+N)的SOD活性升高最為顯著，緩解了干旱對(duì)冬小麥幼苗期脅迫。

圖4 硅鈣肥與納米碳對(duì)干旱脅迫下小麥幼苗SOD活性的影響Fig.4 Effects of silicon calcium fertilizer and nanocarbon treatments on SOD activity of wheat seedlings under drought stress

圖5 硅鈣肥與納米碳對(duì)干旱脅迫下小麥幼苗POD活性的影響Fig.5 Effects of silicon calcium fertilizer and nanocarbon treatments on POD activity of wheat seedlings under drought stress

如圖5所示，隨著干旱處理天數(shù)的增加，各個(gè)處理的POD活性均呈“升-降-升”波動(dòng)型的趨勢(shì)，并在第16天達(dá)到最高值，而對(duì)照(CK)隨著干旱天數(shù)的增加，POD活性也持續(xù)增加，但上升的趨勢(shì)較為緩慢。硅鈣(G)、硅鈣肥與納米碳混施POD活性變化明顯，在干旱第16天，硅鈣肥(G)、硅鈣肥和納米碳混施(G+N)比CK分別增加了21.05%，31.38%，均達(dá)到了極顯著(P<0.01)，而且硅鈣肥和納米碳(G+N)比硅鈣肥(G)增加了8.54%，差異顯著(P<0.05)，所以以硅鈣肥與納米碳混施處理最顯著，緩解了干旱對(duì)冬小麥幼苗期脅迫。

3 討論與結(jié)論

本研究通過設(shè)置施1 500 kg·hm-2硅鈣肥(G)以及3‰的納米混施(G+N)2個(gè)處理，研究納米碳與硅鈣肥混施以及硅鈣肥對(duì)干旱脅迫下冬小麥的形態(tài)及生理方面的影響研究，結(jié)果表明，施硅鈣肥(G)與對(duì)照(CK)相比，小麥葉片的株高、根長、鮮重、干重均不同程度的增加，與張麗萍、梁太波研究一致。張麗萍[11]等利用硫酸鉀型蔬菜專用肥和硅鈣肥配施的研究結(jié)果表明，番茄施用硅鈣肥對(duì)其番茄的生育有促進(jìn)作用，能夠使番茄株高、干重增加，其促進(jìn)干物質(zhì)積累，并且對(duì)番茄的增產(chǎn)效果較為明顯。梁太波[12]試驗(yàn)結(jié)果表明在普通肥料中施用不同量的納米碳能促進(jìn)烤煙植株的生長發(fā)育，增加其干物質(zhì)的積累量。說明可能硅鈣肥和納米碳促進(jìn)干旱脅迫下小麥根系的生長，促進(jìn)小麥對(duì)水分以及養(yǎng)分的吸收，并且促進(jìn)小麥干物質(zhì)的積累，增加小麥的抗旱性。

試驗(yàn)結(jié)果超氧陰離子、MDA均明顯降低，葉綠素總量，SOD、POD活性明顯升高，與張麗陽[11]、Hong F S[13]等的結(jié)論一致。張麗陽等試驗(yàn)得出：施用一定量的硅鈣肥增加爆裂籽粒的硅和鈣含量，并且可使POD活性增加、丙二醛含量減少，提高其光合速率以及葉綠素的含量。說明可能硅鈣肥抑制了干旱脅迫下小麥超氧自由基的產(chǎn)生，具有降低膜質(zhì)過氧化、保護(hù)細(xì)胞膜的作用，并且硅鈣肥增加葉綠素總量，說明可能其具有提高光合速率的作用，增加干旱脅迫下小麥葉綠素含量或減少葉綠素的降解，從而提高干旱脅迫下小麥的抗旱性。

Hong F S等試驗(yàn)結(jié)果表明納米碳使植物體內(nèi)多種酶的活性增加，能夠提高植物的光合速率[13，14]，所以可能由于納米碳是具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特性的納米顆粒，納米碳顆粒與土壤中的養(yǎng)分離子形成聚合物，促進(jìn)小麥對(duì)土壤中養(yǎng)分的吸收，提高肥料的利用率，從而達(dá)到了節(jié)肥增效的結(jié)果。

綜上所述，硅鈣肥以及硅鈣肥和納米碳混施均可以提高小麥抗氧化代謝水平，提高植物株高和根長，提高根系活力，有利于干物質(zhì)積累以及植株對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，增加干旱脅迫下小麥的抗旱性。其中以硅鈣肥1 500 kg·hm-2與3‰納米碳混施處理最顯著。但是由于本文研究了一個(gè)濃度的硅鈣肥和納米碳，所以關(guān)于硅鈣肥與納米碳對(duì)小麥促進(jìn)的最適的配比濃度，以及納米碳的作用機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

[1]于振文.作物栽培學(xué)各論[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2003：22-23.

[2]李雪琴,張浩,劉利,等.我國小麥主產(chǎn)區(qū)的小麥面粉粉質(zhì)特性分析[J].食品科技,2013,29(4):178-181.

[3]田漢勤,徐小鋒,宋霞.干旱對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2007,31(2):231-241.

[4]Xiao J F,Zhuang Q L,Liang E Y, et al. Twentieth-century droughts and their impacts on terrestrial carbon cycling in China[J].Earth Interactions,2009(13):1-31.

[5]李賀,劉世琦,陳祥偉.鈣對(duì)水培青蒜苗生長、光合特性及品質(zhì)的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2013,19(5):1118-1128.

[6]方國東,司友斌.納米Fe3O4對(duì)紅壤微生物數(shù)量、酶活性及2,4-D降解的影響[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2011,44(6):1165-1172.

[7]劉安勛,盧其明,曹玉江.納米復(fù)合材料對(duì)水稻生長發(fā)育的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2007,13(2):344-347.

[8]Arnon D I.Copper enzymes in isolated chloroplasts: Polyphenol oxidase in Beta vulgaris[J].Plant Physiology,1949(24):1-15.

[9]鄭炳松.現(xiàn)代植物生理生化研究技術(shù)[M].北京:氣象出版社,2006:41-42,91-92.

[10]高俊鳳.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京:高等教育出版社,2006:210-221.

[11]張麗陽，史振聲，王志斌，等.硅鈣肥對(duì)爆裂玉米品質(zhì)和生理指標(biāo)的影響分析[J].種子,2009,28(4):21-23.

[12]梁太波,尹啟生,張艷玲,等.施用納米碳對(duì)烤煙氮素吸收和利用的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(6):1429-1435.

[13]Hong F S,Yang P,Gao F Q, et al. Effect of nano-anatase TiO2on spectral characterization of photosystem Ⅱ particles from spinach[J].Chemical Research in Chinese Universities,2005,21(2):196-200．

[14]Hong F S,Zhou J,Liu C, et al. Effect of nano-TiO2on photochemical reaction of chloroplasts of spinach[J].Biological Trace Element Research,2005,105 (13):269-279.

(編輯：邢國芳)

2016-06-21

2016-11-27

黨芳芳(1990-)，女(漢)，山西嵐縣人，碩士研究生，研究方向：植物生理與分子生物學(xué)

*通信作者：尹美強(qiáng)，副教授，碩士生導(dǎo)師，Tel:0354-6288344；E-mail:yinmq999@163.com

公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(201303104)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(CARS-03-01-24)

S512.1+1

A

1671-8151(2017)03-0164-05

Effects of silicon calcium Fertilizer and nanocarbon on growth of wheat seedlings under drought stress

Dang Fangfang, Feng Wenxin, Yin Meiqiang*, Lu Wenjie, Cao Menglin, Wen Yinyuan, Sun Min, Hao Xingyu, Gao Zhiqiang

(CollegeofAgriculture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)