苯磺隆脅迫下生物質(zhì)炭對谷子籽粒產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)的影響

趙海燕，李雅馨，趙麗潔，王子建，杜慧玲

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

谷子是我國北方地區(qū)的主要糧食作物之一[1]，由于其具有較強(qiáng)的抗逆性，耐旱耐貧瘠，且基因組較小，已經(jīng)成為新的模式作物[2]。谷子去皮后為小米，與水稻、小麥等其他主糧作物相比，其不僅富含脂肪、蛋白質(zhì)、維生素及各種微量元素，還含有豐富的生物活性物質(zhì)，對人體具有保健作用[3]。它是一種藥食兩用的優(yōu)質(zhì)雜糧，易被人體消化利用。但谷田雜草常與谷苗相伴而生，不僅降低了谷子的產(chǎn)量和品質(zhì)，嚴(yán)重時還可造成減產(chǎn)30%左右甚至絕收[4]?；瘜W(xué)除草較人工除草具有省工、高效等特點(diǎn)，但常用的除草劑撲草凈、烯禾啶、2，4-滴丁酯、苯磺隆等在使用不當(dāng)時易造成藥害。其中，苯磺隆作為一種乙酰乳酸合成酶（Acetolactate synthase，ALS）抑制劑類除草劑被廣泛應(yīng)用于小麥、玉米等農(nóng)田闊葉類雜草防除[5-6]。朱海霞[7]的研究結(jié)果表明，30%苯磺隆·炔草酯WP不僅可以有效防除春小麥1年生雜草，還可在一定程度上提高春小麥產(chǎn)量。崔海蘭等[8]的研究也表明，在闊葉雜草出齊的2～4葉期時噴施19%的苯磺隆·氯氟吡可濕性粉劑可有效減輕闊葉雜草對小麥在養(yǎng)分和水分上的競爭。但也有研究顯示，這類除草劑長期使用易使雜草產(chǎn)生抗藥性，且會阻斷光合電子傳遞鏈等影響光合作用的關(guān)鍵步驟，進(jìn)而阻止光合作用的順利進(jìn)行[9-10]。因此，選擇適宜的苯磺隆濃度對谷田雜草防除、安全生產(chǎn)具有重要意義。

生物質(zhì)炭（Biochar）不僅是一種重金屬吸附劑[11]，也是一種土壤改良劑，在增強(qiáng)土壤酶活性、刺激作物根系生長、促進(jìn)作物產(chǎn)量提升方面具有良好的應(yīng)用前景[12]。有研究表明，施用生物質(zhì)炭不僅可以提高土壤的通氣性和保水保肥能力，還能促進(jìn)作物的生長發(fā)育和品質(zhì)改良[13-15]。KERRé等[16]研究表明，施用生物質(zhì)炭后的玉米產(chǎn)量得到顯著提高，增幅達(dá)23%。此外，添加生物質(zhì)炭還可促進(jìn)微生物對農(nóng)藥的降解，提高農(nóng)藥的生物可利用性。有研究表明，向土壤中添加生物質(zhì)炭增加了土壤對利谷隆、敵草隆和滅草隆的吸附能力，且添加0.5%～2.0%的生物質(zhì)炭可使土壤對于氟磺酰胺草醚的吸附能力顯著增加4～26倍[17-18]。JIN等[19]的研究結(jié)果也表明，在一定的添加比例范圍內(nèi)增施生物質(zhì)炭可以提高土壤對吡蟲啉、異丙酚和阿特拉津的吸附能力。因此，探討添加生物質(zhì)炭對緩解苯磺隆的脅迫具有重要意義。

目前，對生物質(zhì)炭的研究也多集中于土壤改良方面，其緩解除草劑脅迫對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響鮮見報道。因此，本研究通過設(shè)置不同的生物質(zhì)炭濃度和苯磺隆施用量，探究苯磺隆脅迫下添加生物質(zhì)炭對谷子籽粒產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)的影響，旨在為谷田安全使用苯磺隆進(jìn)行化學(xué)除草提供實(shí)踐依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試谷子品種為晉谷21號和張雜谷10號，分別由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)谷子研究所和河北省張家口農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。供試藥劑為山東僑昌現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司生產(chǎn)的10%苯磺隆可濕性粉劑。

供試生物質(zhì)炭是以玉米秸稈為原料制得的生物質(zhì)炭,其理化性質(zhì)為：pH值8.92，有機(jī)碳含量443.89 g/kg，全氮含量11.58 g/kg。供試土壤取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)申奉村試驗(yàn)基地0～20 cm耕層土，土壤類型為石灰性褐土，其理化性質(zhì)為：pH值8.51，有機(jī)質(zhì)含量20.98 g/kg，堿解氮含量63.26 mg/kg，有效磷含量7.65 mg/kg，速效鉀含量123.71 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)采用二因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，生物質(zhì)炭濃度設(shè)置0（B0）和2%（B2）2個水平，苯磺隆用量設(shè)置113（H1）、225（H2）、450（H3） g/hm2等3個水平，以不施苯磺隆為對照（H0），共8個處理，每個處理重復(fù)3次，每個小區(qū)面積為6 m2。谷子成熟收獲后，采集植物樣品，籽粒風(fēng)干脫殼后用于相關(guān)指標(biāo)的測定。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 籽粒營養(yǎng)品質(zhì)測定 將樣品消煮后，全氮、全磷、全鉀含量分別采用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度法測定[20]；粗蛋白含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 5009.5—2016）進(jìn)行計(jì)算[21]；粗脂肪含量采用索氏提取法測定[22]；可溶性總糖含量采用蒽酮比色法測定[23]；還原糖含量采用3，5-二硝基水楊酸法（DNS）測定[23]；淀粉含量采用蒽酮比色法測定[24]；維生素C含量采用2，6-二氯酚靛酚滴定法測定[25]。

1.3.2 產(chǎn)量測定 待谷子成熟期成熟后全部收回，脫粒稱質(zhì)量，計(jì)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用Origin 2018作圖，采用SPSS 25.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 苯磺隆脅迫下生物質(zhì)炭對谷子籽粒產(chǎn)量的影響

由圖1可知，添加生物質(zhì)炭后，與不添加生物質(zhì)炭相比，張雜谷10號的產(chǎn)量整體上呈上升趨勢，在H2處理下達(dá)到最大值，為6 213.11 kg/hm2，與H0處理相比顯著增加了10.50%；不添加生物質(zhì)炭時在H1處理下達(dá)到最大值（5 419.38 kg/hm2），與H0處理相比增加了6.70%；且添加生物質(zhì)炭后的H0、H1、H2、H3處理與不添加生物質(zhì)炭的處理相比，張雜谷10號的產(chǎn)量分別增加了10.70%、5.78%、28.31%和28.03%。晉谷21號添加生物質(zhì)炭后，與不添加生物質(zhì)炭相比，其產(chǎn)量整體上呈下降趨勢，H1處理與H0處理相比，顯著增加了20.26%（P＜0.05）；各處理間均呈顯著差異。張雜谷10號產(chǎn)量明顯高于晉谷21號。

圖1 苯磺隆脅迫下生物質(zhì)炭對谷子籽粒產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of biochar on millet grain yield under tribenuron-methyl stress

2.2 苯磺隆脅迫下生物質(zhì)炭對谷子籽粒礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量的影響

不同用量苯磺隆脅迫下不同濃度生物質(zhì)炭對谷子籽粒礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量的影響如表1所示。

表1 苯磺隆脅迫下生物質(zhì)炭對谷子籽粒礦質(zhì)營養(yǎng)元素的影響Tab.1 Effect of biochar on main mineral nutrients content in millet grains under tribenuron-methyl stress g/kg

由表1可知，生物質(zhì)炭、苯磺隆及其之間的交互作用均對谷子籽粒的氮含量表現(xiàn)出極顯著差異（P＜0.001）。不添加生物質(zhì)炭的情況下，張雜谷10號與晉谷21號籽粒氮含量均在H2處理下達(dá)到最大值，與H0處理相比，分別顯著提高了3.27%、1.87%。添加生物質(zhì)炭后，籽粒氮含量則在H1處理下達(dá)到最大值，與H0處理相比，分別顯著提高了3.79%、4.62%。品種和苯磺隆、生物質(zhì)炭和苯磺隆、品種和生物質(zhì)炭之間的交互效應(yīng)對籽粒磷含量表現(xiàn)出極顯著差異（P＜0.001）。張雜谷10號在不添加生物質(zhì)炭和添加生物質(zhì)炭的情況下磷含量均在H1處理下達(dá)到最大值，分別為0.34、0.29 g/kg，與2組對照（B0H0、B2H0）相比，籽粒磷含量分別提高了21.43%、7.41%。晉谷21號添加生物質(zhì)炭后，籽粒磷含量在H0處理達(dá)到最大值，為0.29 g/kg，與H0處理相比，添加生物質(zhì)炭后的H1、H2、H3處理籽粒磷含量分別降低了10.34%、3.45%、3.45%。品種、生物質(zhì)炭與苯磺隆均對籽粒鉀含量有極顯著影響（P＜0.001），添加生物質(zhì)炭后，2個谷子品種籽粒鉀含量與不添加生物質(zhì)炭相比均有所增加，并在H2處理下達(dá)到最大值，分別為3.05、2.94 g/kg，與H0處理相比，分別提高了18.68%、1.38%。

2.3 苯磺隆脅迫下生物質(zhì)炭對谷子籽粒粗蛋白、粗脂肪和淀粉含量的影響

苯磺隆脅迫下生物質(zhì)炭對谷子籽粒粗蛋白、粗脂肪和淀粉含量的影響如表2所示。

表2 苯磺隆脅迫下生物質(zhì)炭對谷子籽粒粗蛋白、粗脂肪和淀粉含量的影響Tab.2 Effects of biochar on coarse protein， fat， and starch content in millet grains under tribenuron-methyl stress

由表2可知，苯磺隆和品種或生物質(zhì)炭間的交互作用對谷子籽粒粗蛋白含量有顯著影響。添加生物質(zhì)炭后，張雜谷10號和晉谷21號2個谷子品種籽粒粗蛋白含量均隨著苯磺隆施用量的增加呈先上升后下降的趨勢，且籽粒粗蛋白含量在不添加生物質(zhì)炭的情況下均在H2處理下達(dá)到最大值，分別為12.44%、12.94%，與H0處理相比，分別顯著提高了3.32%、1.89%；添加生物質(zhì)炭后，則均在H1處理下達(dá)到最大值，分別為12.32%、12.03%。品種、苯磺隆、生物質(zhì)炭及其之間的交互作用均對籽粒粗脂肪含量有極顯著影響（P＜0.001）。添加生物質(zhì)炭后與不添加生物質(zhì)炭相比，晉谷21號籽粒粗脂肪含量呈下降趨勢，在H0處理達(dá)到最大值，為5.20%，H1、H2、H3處 理 與 其 相 比 分 別 降 低 了1.92%、10.00%、8.46%；張雜谷10號則表現(xiàn)出上升趨勢，在H2與H3處理處達(dá)到最大值，均為5.12%，與H0處理相比，均顯著提高了3.13%。品種×生物質(zhì)炭的交互作用對谷子籽粒淀粉含量無顯著影響。張雜谷10號在添加生物質(zhì)炭后，其籽粒淀粉含量在H2處理下達(dá)到最大值，為0.50 g/g，且與H0處理相比，顯著提高了19.05%。晉谷21號則在添加生物質(zhì)炭后H3處理下達(dá)到最大值，并與H0處理相比，顯著提高了11.11%。

2.4 苯磺隆脅迫下生物質(zhì)炭對谷子籽粒糖含量的影響

從圖2可以看出，張雜谷10號籽粒的可溶性總糖含量添加生物質(zhì)炭后與不添加生物質(zhì)炭的各處理相比，隨著苯磺隆施用量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。添加生物質(zhì)炭后，2個品種籽粒的可溶性總糖含量均在H2處理下達(dá)到最大值，分別為35.28、34.06 mg/g，與H0處 理 相 比，分 別 提 高 了22.29%、3.31%。晉谷21號在添加生物質(zhì)炭后，與不添加生物質(zhì)炭相比，其可溶性總糖含量整體上呈上升趨勢，但各處理之間無顯著性差異。

圖2 苯磺隆脅迫下生物質(zhì)炭對谷子籽粒糖含量的影響Fig.2 Effect of biochar on sugar content in millet grains under tribenuron-methyl stress

張雜谷10號在添加生物質(zhì)炭后，其籽粒還原糖含量在H3處理下達(dá)到最大值，與同一不添加生物質(zhì)炭的處理相比，提高了3.67%；添加生物質(zhì)炭后，H3處理與H0、H1、H2處理相比，則分別增加了19.17%、15.09%、27.23%。添加生物質(zhì)炭后，晉谷21號的籽粒還原糖含量在H1處理下達(dá)到最大值，與H0處理相比，籽粒還原糖含量顯著提高了24.38%。

2.5 苯磺隆脅迫下生物質(zhì)炭對谷子籽粒維生素C含量的影響

由圖3可知，張雜谷10號和晉谷21號2個谷子品種在添加生物質(zhì)炭后，其籽粒維生素C含量與不添加生物質(zhì)炭相比均有所上升，且整體上隨著苯磺隆施用量的增加而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。不添加生物質(zhì)炭，張雜谷10號和晉谷21號籽粒維生素C含量均在H2處理下達(dá)到最大值，且與H0處理相比，分別提高了13.77%、27.80%。添加生物質(zhì)炭后，張雜谷10號籽粒維生素C含量在H1處理下達(dá)到最大值，與H0處理相比提高了6.92%，且H0、H1、H2、H3處理與不添加生物質(zhì)炭的各處理相比，分別增加了24.44%、29.92%、13.01%、9.08%。晉谷21號則在H2處理下達(dá)到最大值，與H0處理相比，顯著提高了13.08%。

圖3 生物質(zhì)炭對苯磺隆脅迫下谷子籽粒維生素C含量的影響Fig.3 Effect of biochar on vitamin C content in millet grains under tribenuron-methyl stress

3 討論

3.1 苯磺隆脅迫下生物質(zhì)炭對谷子產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量的高低與土壤肥力、氣候因素密切相關(guān)。研究表明，適量的秸稈和生物質(zhì)炭還田可以顯著提升作物的產(chǎn)量[26]。本研究結(jié)果表明，添加生物質(zhì)炭后，張雜谷10號和晉谷21號在H1處理的產(chǎn)量與不添加生物質(zhì)炭的H1處理相比，分別增加了5.78%和13.48%，這表明生物質(zhì)炭的添加可緩解苯磺隆對谷子的脅迫，這與高敬堯[27]的“添加生物質(zhì)炭可有效緩解乙草胺對玉米的脅迫”研究結(jié)果一致。這可能是由于生物質(zhì)炭的添加，增加了谷子對氮素和其他養(yǎng)分的吸收，促進(jìn)了氮素循環(huán)，且生物質(zhì)炭較大的比表面積以及多孔的結(jié)構(gòu)，延緩了肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放，從而增加了土壤保肥性能和養(yǎng)分的有效性[28]，最終提高了作物產(chǎn)量。

3.2 苯磺隆脅迫下生物質(zhì)炭對谷子籽粒營養(yǎng)品質(zhì)的影響

崔虎等[29]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭能夠提高土壤氮、鉀元素的滯留能力，進(jìn)而提高作物對土壤養(yǎng)分的利用率。本試驗(yàn)中，添加生物質(zhì)炭后，2個谷子品種籽粒鉀含量與H0處理相比，分別提高了18.68%和1.38%。這與秦亞旭等[30]的“增施生物炭基肥可以提高土壤速效鉀含量”研究結(jié)果一致，說明增施生物炭基肥可以提高其在土壤中的含量并減少速效鉀的淋溶損失，從而增加了作物根系對鉀離子的吸收利用。楊勁峰等[31]的研究結(jié)果也表明，生物炭對作物生長發(fā)育的促進(jìn)作用和產(chǎn)量的提高源自其對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響。

淀粉、可溶性糖、維生素C等是反映谷子籽粒營養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)。施用生物質(zhì)炭能有效緩解肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放速率，提高植物對肥料的利用率，改善作物的營養(yǎng)品質(zhì)[32]。本研究結(jié)果表明，添加生物質(zhì)炭后，其H1處理與不施苯磺隆的H0處理相比，張雜谷10號籽粒的維生素C、淀粉以及可溶性總糖含量分別提高了6.92%、14.29%和16.29%，晉谷21號也分別增加了5.90%、6.67%和3.00%。這與屠娟麗等[33]在馬鈴薯中施用生物質(zhì)炭的研究結(jié)果相似，均表明施用生物質(zhì)炭可提高作物淀粉、維生素C和可溶性糖的含量。這可能是因?yàn)樯镔|(zhì)炭本身具有改良土壤的能力，提高了土壤肥力、促進(jìn)了作物根系生長和活力，增強(qiáng)了作物對土壤養(yǎng)分的吸收，從而影響體內(nèi)碳水化合物的合成與分配，加快了光合產(chǎn)物向籽粒的運(yùn)輸速率，最終提高了作物品質(zhì)[34]。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)噴施113 g/hm2的苯磺隆時，添加生物質(zhì)炭可以部分緩解苯磺隆脅迫對谷子產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，提高谷子產(chǎn)量以及籽粒鉀含量、維生素C、可溶性總糖等部分營養(yǎng)品質(zhì)的含量，改善谷子營養(yǎng)品質(zhì)，但其影響機(jī)制、施用劑量以及施用方式還需要進(jìn)一步探究。