增施生物炭對(duì)灌漿期低溫脅迫下晚稻抗氧化酶活性和產(chǎn)量的影響

龍俊江 祝孟洋 周丁香 郭章亮 徐華勤 童治軍,2

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2平江縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南 平江 414500；第一作者：1769092017@qq.com；*通信作者：247157028@qq.com）

低溫脅迫是影響水稻產(chǎn)量的重要環(huán)境脅迫之一[1]。湖南是我國(guó)雙季稻重要產(chǎn)區(qū)[2]，在晚稻生長(zhǎng)的9 月下旬常會(huì)出現(xiàn)“寒露風(fēng)”等低溫天氣[3]，晚稻灌漿期受“寒露風(fēng)”影響，其結(jié)實(shí)率和粒質(zhì)量下降，造成嚴(yán)重減產(chǎn)[4-5]。研究表明，“寒露風(fēng)”持續(xù)時(shí)間每增加1 d，晚稻結(jié)實(shí)率下降0.40%~3.00%[6]。因此，降低“寒露風(fēng)”等低溫天氣造成的晚稻產(chǎn)量損失對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有重要意義。

生物炭在提升土壤肥力、促進(jìn)植物生長(zhǎng)等方面具有較好效果[7-8]。研究表明，生物炭能夠提高水稻葉綠素含量、氮素利用率和干物質(zhì)積累等，并且能夠增加水稻穗數(shù)和結(jié)實(shí)率等，從而提高水稻產(chǎn)量[9-11]。此外，生物炭還能夠通過(guò)提高水稻等植物的抗氧化酶活性來(lái)增強(qiáng)植株對(duì)重金屬、鹽、干旱等脅迫的耐受性[12-14]。有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠提高水稻幼苗在低溫脅迫下的抗寒性。YUAN 等[15]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭浸出液可能存在某些能夠增加水稻秧苗抗寒性的小分子物質(zhì)。祝孟洋等[16]直接應(yīng)用生物炭提高了低溫下水稻秧苗素質(zhì)。但生物炭是否能夠提高晚稻低溫脅迫下的耐受性尚不清楚。因此，本試驗(yàn)研究了增施生物炭對(duì)灌漿期低溫脅迫下晚稻抗氧化酶和產(chǎn)量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

盆栽試驗(yàn)于2021 年在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)基地進(jìn)行。供試水稻品種為泰優(yōu)390 和湘晚秈1 號(hào)。盆栽桶上直徑22.5 cm、下直徑18.0 cm、高29.0 cm。土壤取自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園基地水稻田，土壤有機(jī)質(zhì)20.02 g/kg、全氮6.67 g/kg、全磷0.45 g/kg、全鉀4.89 g/kg、pH 值6.2，每盆裝風(fēng)干土8.0 kg。生物炭為購(gòu)自河南立澤環(huán)保科技公司生產(chǎn)的玉米秸稈生物炭，理化性質(zhì)：有機(jī)碳410.89 g/kg、全氮8.51 g/kg、全磷2.34 g/kg、全鉀15.76 g/kg、pH 值10.41。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

6 月26 日播種，育秧盤(pán)育秧，7 月22 日移栽，每盆移栽2 叢，每叢2 株秧苗。試驗(yàn)設(shè)3 個(gè)施肥處理（NPK，常規(guī)施肥；NPK+BC，常規(guī)施肥+增施土壤質(zhì)量5%的生物炭，即400 g 生物炭；NPK+，常規(guī)施肥+增施化肥，增施與400 g 生物炭中N、P、K 含量相等的化肥）和2 個(gè)灌漿期溫度處理（常溫和低溫，低溫處理日均溫度為17 ℃），每個(gè)處理3 次重復(fù)，共36 盆水稻。

NPK、NPK+和NPK+BC 處理的常規(guī)施肥部分為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量，即純N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，折算后每桶施用尿素1.54 g、過(guò)磷酸鈣（15%）2.4 g、氯化鉀1.14 g。氮肥和鉀肥按照基肥∶分蘗肥=1∶1 施入，磷肥作基肥一次性施用。NPK+和NPK+BC 處理增施的化肥和生物炭均作基肥一次性施入。灌漿期常溫為環(huán)境溫度，即將水稻放置在通風(fēng)的大棚內(nèi)。根據(jù)湖南省地方標(biāo)準(zhǔn)《氣象災(zāi)害術(shù)語(yǔ)和分級(jí)》中的重度寒露風(fēng)等級(jí)設(shè)定低溫，具體操作為人工氣候室設(shè)置日均溫17 ℃（每日6∶00—18∶00，19 ℃；其余時(shí)間，15 ℃；濕度70%，光照強(qiáng)度40 000 lx）。在灌漿期對(duì)水稻進(jìn)行7 d 的低溫處理。低溫處理后的水稻放回大棚內(nèi)原位置。于灌漿期低溫處理結(jié)束后和成熟期進(jìn)行破壞性取樣。病蟲(chóng)害防治和水分管理參照大田常規(guī)方法。晚稻生長(zhǎng)期內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)自然極端低溫天氣。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 抗氧化酶活性和丙二醛含量

在低溫處理結(jié)束后，對(duì)常溫處理和低溫處理的水稻劍葉和根系取樣，每個(gè)處理3 盆。取下的樣品用液氮保存轉(zhuǎn)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室之后，存于-80 ℃冰箱。POD 活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定[17]；SOD 活性采用氮藍(lán)四唑法測(cè)定[17]；CAT 活性采用過(guò)氧化氫法測(cè)定[18]。MDA 含量采用硫代巴比妥法測(cè)定[17]。

1.3.2 產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素

在水稻成熟后，每個(gè)處理取3 盆測(cè)定產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子（有效穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2020 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。用SPSS 20進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，多重比較采用LSD 法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)晚稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

2.1.1 對(duì)產(chǎn)量的影響

由表1 可知，品種、溫度、施肥，以及溫度與施肥的交互作用極顯著影響產(chǎn)量，品種、溫度與施肥的交互作用顯著影響產(chǎn)量；泰優(yōu)390 和湘晚秈1 號(hào)的產(chǎn)量在低溫下的減產(chǎn)幅度均表現(xiàn)為NPK+BC＜NPK＜NPK+，且3個(gè)施肥處理間存在顯著差異。與灌漿期常溫相比，灌漿期低溫下泰優(yōu)390 和湘晚秈1 號(hào)的產(chǎn)量分別下降了35.85%和27.70%。在灌漿期低溫下泰優(yōu)390 不同施肥處理的產(chǎn)量表現(xiàn)為NPK+BC＞NPK+＞NPK，NPK+BC 處理的產(chǎn)量分別比NPK+和NPK 處理高8.67%和57.98%。在灌漿期低溫下湘晚秈1 號(hào)不同施肥處理的產(chǎn)量亦表現(xiàn)為NPK+BC＞NPK+＞NPK，且3 個(gè)施肥處理間存在顯著差異，NPK+BC 的產(chǎn)量分別比NPK+和NPK處理高16.76%和71.31%。

表1 不同施肥處理和灌漿期溫度對(duì)晚稻產(chǎn)量的影響

2.1.2 對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

由表2 可知，品種和施肥對(duì)有效穗數(shù)和每穗總粒數(shù)有極顯著影響，且二者的交互作用顯著影響有效穗數(shù)和每穗總粒數(shù)。泰優(yōu)390 在灌漿期常溫和低溫下的有效穗數(shù)均表現(xiàn)為NPK+BC＞NPK+＞NPK，且3 個(gè)施肥處理間存在顯著差異。湘晚秈1 號(hào)在灌漿期常溫和低溫下的有效穗數(shù)表現(xiàn)為NPK+BC＞NPK+＞NPK，NPK+BC 和NPK+處理顯著高于NPK 處理。3 個(gè)施肥處理對(duì)灌漿期常溫下泰優(yōu)390 的每穗總粒數(shù)無(wú)顯著影響，在灌漿期低溫下NPK+BC 處理的每穗總粒數(shù)顯著高于NPK 處理。湘晚秈1 號(hào)在灌漿期常溫和低溫下的每穗總粒數(shù)均是NPK+處理最高，且顯著高于NPK 和NPK+BC 處理。

表2 不同施肥處理和灌漿期溫度對(duì)晚稻產(chǎn)量構(gòu)成的影響

品種、溫度和施肥對(duì)結(jié)實(shí)率有極顯著影響，溫度和施肥的交互作用亦極顯著影響結(jié)實(shí)率。與灌漿期常溫相比，灌漿期低溫下泰優(yōu)390 和湘晚秈1 號(hào)的結(jié)實(shí)率分別下降33.65%和26.07%。泰優(yōu)390 的3 個(gè)施肥處理在常溫下結(jié)實(shí)率無(wú)顯著差異，而在低溫下存在顯著差異，以NPK+BC 處理最高，分別比NPK+和NPK 處理高42.07%和22.72%。湘晚秈1 號(hào)在常溫下和低溫下的結(jié)實(shí)率均表現(xiàn)為NPK+BC 顯著高于NPK+和NPK 處理，常溫下分別高10.22%和12.52%，低溫下分別高40.53%和21.13%。

溫度和施肥對(duì)千粒重有極顯著影響。與灌漿期常溫相比，灌漿期低溫下泰優(yōu)390 和湘晚秈1 號(hào)的千粒重分別降低6.89%和2.49%。灌漿期常溫下和低溫下泰優(yōu)390 和湘晚秈1 號(hào)的千粒重均以NPK+處理最高。

2.1.3 灌漿期低溫脅迫下水稻產(chǎn)量、產(chǎn)量下降幅度與產(chǎn)量構(gòu)成因素相關(guān)性分析

由表3 可知，在灌漿期低溫脅迫下，水稻產(chǎn)量與有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)呈極顯著或顯著正相關(guān)，與結(jié)實(shí)率和千粒重相關(guān)性不顯著。產(chǎn)量下降幅度與結(jié)實(shí)率極顯著負(fù)相關(guān)，而與有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)相關(guān)性不顯著。

表3 灌漿期低溫脅迫下產(chǎn)量、產(chǎn)量下降幅度與產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性分析

2.2 不同處理對(duì)抗氧化酶活性和MDA 含量的影響

2.2.1 對(duì)劍葉抗氧化酶活性和MDA 含量的影響

由表4 可知，溫度、施肥以及溫度與施肥的交互作用對(duì)劍葉POD、SOD、CAT 酶活性及MDA 含量均有極顯著影響，品種、溫度和施肥的交互作用極顯著影響劍葉MDA 含量。與灌漿期常溫相比，灌漿期低溫下泰優(yōu)390 的劍葉POD、SOD 和CAT 酶活性以及MDA 含量分別提高了37.45%、9.47%、22.25%和253.80%，湘晚秈1 號(hào)的POD 和CAT 酶活性以及MDA 含量分別提高了24.52%、30.82%和117.45%。灌漿期低溫下2 個(gè)品種NPK+BC 處理劍葉POD、SOD 和CAT 酶活性均顯著高于NPK+和NPK 處理，MDA 含量均顯著低于NPK+和NPK 處理。與NPK+和NPK 處理相比，灌漿期低溫下泰優(yōu)390 的NPK+BC 處理的劍葉POD、SOD 和CAT 酶活性分別提高了47.05%和35.96%、6.36%和5.40%、9.62%和12.28%，MDA 含量則分別下降了55.62%和28.01%；而湘晚秈1 號(hào)則分別提高了35.14%和72.54%、18.75%和16.81%、10.24%和16.50%，及分別下降了27.17%和38.14%。

表4 不同施肥處理和灌漿期溫度對(duì)晚稻劍葉抗氧化酶活性和MDA 含量的影響

2.2.2 對(duì)根系抗氧化酶活性和MDA 含量的影響

由表5 可知，品種、溫度和施肥對(duì)根系POD、SOD和CAT 酶活性以及MDA 含量有顯著影響，而溫度與施肥的交互作用對(duì)POD、CAT 酶活性以及MDA 含量有極顯著影響，品種、溫度和施肥的交互作用極顯著影響根系POD 酶活性及MDA 含量。與灌漿期常溫相比，灌漿期低溫下泰優(yōu)390 根系的POD、SOD、CAT 酶活性以及MDA 含量分別提高了19.56%、22.75%、33.22%和303.67%，湘晚秈1 號(hào)則分別提高了20.51%、18.49%、27.90%和398.05%。在灌漿期低溫下，2 個(gè)品種NPK+BC 處理的根系POD、SOD 和CAT 酶活性均顯著高于NPK+和NPK 處理，泰優(yōu)390 的NPK+BC 處理根系MDA 含量均顯著低于NPK+和NPK 處理，湘晚秈1 號(hào)NPK+BC 處理根系MDA 含量均低于NPK+和NPK 處理，但只與NPK+處理存在顯著差異。與NPK+和NPK處理相比，灌漿期低溫下泰優(yōu)390 的NPK+BC 處理根系POD、SOD 和CAT 酶活性分別提高8.67%和42.19%、34.59%和26.33%、19.35%和14.81%，MDA 含量分別下降47.32%和23.96%，而湘晚秈1 號(hào)分別提高87.86%和71.59%、15.35%和9.63%、47.62%和18.37%，及分別下降29.17%和3.04%。

3 討論與結(jié)論

水稻產(chǎn)量形成不僅存在品種間差異，還受到環(huán)境因素和農(nóng)藝措施的影響[19-21]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，灌漿期低溫顯著降低了2 個(gè)晚稻品種的產(chǎn)量。相關(guān)分析表明，在灌漿期低溫脅迫下，產(chǎn)量與有效穗數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與每穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，但低溫對(duì)2 個(gè)水稻品種有效穗數(shù)和每穗總粒數(shù)影響較小。本研究發(fā)現(xiàn)，低溫顯著降低了泰優(yōu)390 和湘晚秈1 號(hào)的結(jié)實(shí)率，并且產(chǎn)量下降幅度與結(jié)實(shí)率極顯著負(fù)相關(guān)。這表明灌漿期低溫脅迫主要是降低結(jié)實(shí)率，造成水稻減產(chǎn)，可能是灌漿期低溫脅迫會(huì)抑制水稻光合作用、籽粒灌漿和碳氮代謝相關(guān)酶活性所導(dǎo)致[22]。張誠(chéng)信[23]指出，灌漿期低溫脅迫降低了水稻結(jié)實(shí)率和粒質(zhì)量，從而造成水稻減產(chǎn)。但本研究結(jié)果表明，低溫只降低了泰優(yōu)390 的千粒重，而對(duì)湘晚秈1 號(hào)的千粒重?zé)o明顯影響。雖然低溫下泰優(yōu)390 的產(chǎn)量要高于湘晚秈1 號(hào)，但與常溫下的產(chǎn)量相比，其產(chǎn)量下降幅度更大，這可能與不同品種對(duì)低溫的耐受性存在差異有關(guān)[24]。

植物在經(jīng)歷脅迫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生活性氧氧化膜脂，生成MDA。同時(shí)，植物會(huì)通過(guò)提高抗氧化酶活性來(lái)清除活性氧，減少細(xì)胞損傷[25-26]。本研究中，與灌漿期常溫相比，泰優(yōu)390 和湘晚秈1 號(hào)劍葉和根系的POD 和CAT 酶活性在灌漿期低溫脅迫下均提高。劉濤等[27]同樣發(fā)現(xiàn)，水稻在低溫脅迫下會(huì)提高抗氧化酶活性，抵抗低溫脅迫。

生物炭已被證明能夠提高水稻氮素利用、有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率等，從而提高水稻產(chǎn)量[9-11,28]。本研究發(fā)現(xiàn)，灌漿期常溫下，增施生物炭后與常規(guī)施肥處理相比水稻產(chǎn)量提高，與FAHAD 等[29]的研究結(jié)果類(lèi)似，但低于增施等N、P、K 量的化肥處理，可能與生物炭所含養(yǎng)分釋放緩慢有關(guān)[30]。在灌漿期低溫下，NPK+BC 處理的產(chǎn)量高于NPK+處理，并且NPK+BC 處理的產(chǎn)量下降幅度顯著低于NPK+處理，這表明生物炭能夠提高水稻對(duì)灌漿期低溫的抗性，并且可能不是由其自身所攜帶的養(yǎng)分導(dǎo)致的。本研究還發(fā)現(xiàn)，灌漿期低溫下增施生物炭水稻產(chǎn)量下降幅度與結(jié)實(shí)率極顯著負(fù)相關(guān)，表明增施生物炭減少低溫造成產(chǎn)量損失的主要原因可能與提高灌漿期低溫下晚稻結(jié)實(shí)率有關(guān)，與CHEN 等[31]結(jié)果類(lèi)似。

施用生物炭能夠增強(qiáng)抗氧化酶活性，幫助植物提高脅迫耐受性[12]。本研究發(fā)現(xiàn)，在灌漿期低溫脅迫下，NPK+BC 處理的2 個(gè)水稻品種劍葉和根系中的POD、SOD 和CAT 酶活性要顯著高于NPK 和NPK+處理，且其MDA 含量最低。說(shuō)明生物炭能提高水稻在低溫脅迫下抗氧化酶活性和降低MDA 含量，增強(qiáng)水稻對(duì)低溫脅迫的抗性。BAMAGOOS 等[32]發(fā)現(xiàn)，生物炭可以提高水稻葉片和木質(zhì)部的抗氧化酶活性和降低MDA 含量，增強(qiáng)水稻對(duì)低溫脅迫的耐受性，這與本研究結(jié)果類(lèi)似。生物炭能夠提高水稻對(duì)灌漿期低溫脅迫的抗性可能是由于生物炭中的某些有機(jī)小分子物質(zhì)可以調(diào)控水稻脫落酸合成途徑[33]，而脫落酸能夠調(diào)節(jié)作物抗氧化酶活性，增強(qiáng)水稻的抗寒性[34-35]。

綜上所述，灌漿期低溫脅迫造成了晚稻減產(chǎn)，增施生物炭可以提高灌漿期低溫脅迫下晚稻抗氧化酶活性和結(jié)實(shí)率，從而減少產(chǎn)量損失。因此，施基肥時(shí)增施生物炭有可能是一種緩解晚稻灌漿期低溫脅迫的有效措施，但其機(jī)理機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。