生物质炭对2，4-D丁酯胁迫下谷子生理特性的影响

李雅馨 ，曹梦琳 ，杜慧玲 ，王宇轩 ，尚晶涛

（1.山西农业大学农学院，山西太谷030801；2.山西农业大学文理学院，山西太谷030801）

谷子（Setaria italica）为禾本科狗尾草属（Setaria Beauv）[1]，其适应能力及抗逆性较强，耐干旱、耐瘠薄、耐贮藏，可以粮草兼用[2]，是山西省种植面积最大的杂粮作物[3]。但在其种植过程中，受到杂草的危害较为严重。

2，4-D丁酯是一种苯氧羧酸类除草剂，属于激素类除草剂，其通过影响杂草体内激素水平从而达到除草的效果。但除草剂使用不当易产生药害，禾本科作物受害表现为幼苗矮化或畸形[4]。有研究表明，2，4-D丁酯对谷子的安全性较差，对谷子株高、叶绿素含量、POD和SOD活性都有一定的抑制作用[5-6]。

生物质炭（Biochar）是生物质在缺氧或无氧环境中，经过高温热裂解后产生的富含碳的有机物质，为多孔结构，具有较大的比表面积和较强的吸附能力[7-8]。近年来，生物质炭的相关研究已受到越来越广泛的关注，有研究表明，适宜浓度的生物质炭可提高玉米[9-10]、大豆[11]的生物量、叶面积指数和叶绿素含量。高敬尧[12]研究发现，乙草胺降低了玉米株高、叶绿素和可溶性蛋白质含量，而添加生物质炭可有效缓解其对玉米的胁迫。

目前，对生物质炭调控有机污染物在土壤上的吸附和解吸等方面的应用广泛，但其在缓解谷子除草剂药害中的应用鲜见报道。

本试验以谷子为研究对象，研究生物质炭对2，4-D丁酯胁迫下谷子叶片生理特性的影响，旨在揭示生物质炭在提高除草剂对谷子的安全性应用中的可能性。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试谷子品种为张杂谷10号（由河北省张家口农业科学院提供）和晋谷21号（由山西农业科学院谷子研究所提供）。供试药剂2，4-D丁酯（有效成分含量为57%）由大连松辽化工有限公司生产。供试生物质炭以玉米秸秆为原料制得。供试土壤取自山西农业大学试验站的耕层土（0～20 cm），为石灰性土壤，pH值为8.47，有机质23.56 g/kg，全盐量0.058%，全氮 1.239 g/kg，碱解氮 45.15 mg/kg，全磷1.155 g/kg，有效磷 20.26 mg/kg，全钾 21.68 g/kg，速效钾217.60 mg/kg。

1.2 试验设计

盆栽试验分别于2017年6—9月和2018年6—8月在山西农业大学资源环境学院试验站进行，土样风干过2 mm筛，将生物质炭和土壤混匀装入33 cm（直径）×25 cm（高）的塑料盆中，每盆装土10 kg。

试验1：设4个处理，以不添加生物质炭为对照，每个处理重复3次。生物质炭用量分别为0（B0，CK）、1%（B1）、2%（B2）、4%（B4），均为质量比。60 d后，取样测定。种子发芽后每天正常浇水，保证幼苗正常生长，采用称重法使水分保持在13%～15%。

试验2：在试验1的基础上，选择生物质炭用量为2%的处理，待谷子幼苗长到4～6片叶时，叶面喷施除草剂2，4-D丁酯，以不添加生物质炭喷施清水作为对照，每个处理重复3次。除草剂剂量分别为 0（CK）、365（B2T1）、730（B2T2）、1 460（B2T3）mL/hm2，其中，730 mL/hm2为推荐剂量。待7 d后选取谷子倒二叶进行测定。

1.3 测定指标及方法

采用文献[13]的方法测定叶绿素含量；采用硫代巴比妥酸分光光度法[14]测定丙二醛（MDA）含量；采用氮蓝四唑（NBT）光化还原抑制法[15]测定超氧化物歧化酶（SOD）活性；采用愈创木酚法[15]测定过氧化物酶（POD）活性；采用考马斯亮蓝G-250染色法[16]测定可溶性蛋白质含量。

1.4 数据处理

数据采用Excel 2003进行作图，采用SPSS 19.0对数据进行显著性分析，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 生物质炭对谷子叶片生理特性的影响

2.1.1 生物质炭对谷子叶片光合色素含量的影响从表1可以看出，2个品种谷子叶片的光合色素含量均随生物质炭含量的增加呈先升高后降低的变化趋势，均在B2处理时达到最大；与B0（CK）处理相比，张杂谷10号B2处理的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量分别增加11.40%、39.04%、15.94%和10.21%；晋谷21号B2处理的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量分别增加15.33%、40.71%、19.76%和7.46%，且差异均达显著水平（P＜0.05）。

表1 生物质炭对谷子叶片光合色素含量的影响 mg/g

2.1.2 生物质炭对谷子叶片丙二醛（MDA）含量的影响 由图1可知，2个品种谷子叶片的丙二醛含量均随生物质炭含量的增加呈先降低后升高的趋势，且均在B2处理时达最小值，与B0（CK）处理相比，张杂谷10号B2处理降低了13.10%；晋谷21号B2处理降低了16.72%，且差异均达显著水平（P＜0.05）。

2.1.3 生物质炭对谷子叶片SOD、POD活性的影响

由图2可知，2个品种谷子叶片的SOD、POD活性均随生物质炭含量的增加呈先升高后降低的趋势，均在B2处理时达到最大值，与B0（CK）处理相比，张杂谷10号和晋谷21号2个品种谷子叶片的SOD活性B2处理分别增加了2.93%和10.63%，POD活性B2处理分别增加了5.63%和11.98%，且差异均达显著水平（P＜0.05）。

2.1.4 生物质炭对谷子叶片可溶性蛋白质含量的影响 生物质炭对谷子叶片可溶性蛋白质含量的影响如图3所示。

由图3可知，2个品种谷子叶片的可溶性蛋白质含量随生物质炭含量的增加呈先升高后降低的趋势，均在B2处理时达到最大值，张杂谷10号和晋谷21号2个品种分别比B0（CK）处理增加了9.52%和23.71%；张杂谷10号，除B0（CK）处理和B4处理间差异不显著外（P＞0.05），其他各处理之间差异均显著（P＜0.05）；晋谷21号各处理间差异均达显著水平（P＜0.05）。

2.2 生物质炭对2，4-D丁酯胁迫下谷子生理特性的影响

2.2.1 生物质炭对2，4-D丁酯胁迫下谷子光合色素含量的影响 由表2可知，与B2处理相比，2个品种谷子叶片的光合色素含量均随2，4-D丁酯浓度的增加而降低。与CK相比，B2T1处理下张杂谷10号的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量均未达到显著水平，晋谷21号的叶绿素b和类胡萝卜素含量分别显著增加了20.79%和11.36%；B2T2处理下张杂谷10号的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量分别显著降低了3.69%、6.78%、4.63%和6.55%，晋谷21号的叶绿素a和总叶绿素含量分别显著降低了9.62%和5.42%，叶绿素b含量显著增加了13.32%。

表2 生物质炭对2，4-D丁酯胁迫下谷子叶片光合色素含量的影响 mg/g

2.2.2 生物质炭对2，4-D丁酯胁迫下谷子MDA含量的影响 由图4可知，2个品种谷子叶片的MDA含量随2，4-D丁酯浓度的增加而升高。张杂谷10号和晋谷21号的MDA含量均在B2T3处理时达到最大值，与B2处理相比，B2T3处理分别显著增加了23.86%和23.68%，且差异均达显著水平（P＜0.05）；与CK相比，晋谷21号B2T3处理显著增加了12.80%，张杂谷10号B2T3处理变化不明显。

2.2.3 生物质炭对2，4-D丁酯胁迫下谷子SOD、POD含量的影响 由图5可知，2个品种谷子叶片的SOD、POD活性随2，4-D丁酯浓度的增加呈先升高后降低的趋势，均在B2T2处理时达到最大值，张杂谷10号的SOD、POD活性较CK分别显著增加了49.95%和46.20%，较B2处理分别显著增加了9.88%和29.96%；晋谷21号的SOD、POD活性较CK分别显著增加了76.89%和70.09%，较B2处理分别显著增加了21.98%和42.71%。

2.2.4 生物质炭对2，4-D丁酯胁迫下谷子可溶性蛋白质含量的影响 由图6可知，不同浓度的2，4-D丁酯对2个品种谷子叶片可溶性蛋白质含量均有不同程度的影响，其中，张杂谷10号B2、B2T1、B2T2、B2T3处理较CK分别显著增加了41.28%、25.23%、33.94%、51.38%；晋谷21号B2处理和B2T2处理较CK分别显著增加了19.19%、16.61%。

3 结论与讨论

光合色素是植物进行光合作用的基础，叶绿素在光能的吸收、传递和转换中起着重要的作用，类胡萝卜素作为补光色素参与光合作用，叶片光合色素含量高低是反映叶片光合作用和生理活性强弱的关键指标之一[17]。生物质炭对作物生长的影响受其自身性质、土壤类型、肥力状况及生物质炭用量的制约[18]。有研究发现，施用生物质炭可以提高玉米[19]、谷子[20]叶片叶绿素含量。张圣也等[21]研究发现，不添加生物炭，盐碱胁迫导致绿豆叶绿素含量显著下降，添加生物炭提高了绿豆叶片叶绿素含量。苗微[22]研究表明，在水稻苗期，添加陈化生物质炭可以降低其叶绿素和类胡萝卜素含量。杨艳君等[23]研究发现，不同浓度的2，4-D对谷子幼苗的叶绿素含量有显著影响，其中，0.25 g/L的2，4-D对叶绿素含量有一定的促进作用，0.5 g/L的2，4-D则有一定的抑制作用。本试验中，谷子叶片的光合色素含量随生物质炭含量的增加呈先升高后降低的趋势；随着2，4-D丁酯浓度的增加，谷子叶片的光合色素含量降低，这与弓迎宾等[6]的研究结果一致。

SOD和POD是植物细胞的活性氧清除酶系统中比较重要的保护酶；而MDA是膜脂过氧化最重要的产物之一，其反映细胞膜的受损程度。李阳等[24]研究表明，当生物质炭含量较低时，小麦幼苗根、叶中SOD、POD活性较强；随着生物质炭含量的增加，SOD、POD活性降低，MDA含量升高，幼苗生长出现生理损伤。本试验中，谷子叶片的SOD、POD活性随生物质炭含量的增加呈先升高后降低的趋势，MDA含量呈先下降后上升的趋势；随着2，4-D丁酯浓度的增加，谷子叶片的SOD、POD活性呈先上升后下降的趋势，MDA含量升高。

可溶性蛋白质是一种重要的渗透调节物质，其含量的高低反映了植物细胞生长的好坏，是衡量植物生长发育状况的一个重要的生理生化指标。卜巧珍[25]研究表明，生物质炭对作物叶片的可溶性蛋白含量具有较明显的促进作用。张瑞[26]研究表明，随着生物质炭施入量的增加，小白菜可溶性蛋白质含量变化不明显。本试验中，谷子叶片的可溶性蛋白质含量随生物质炭含量的增加呈先升高后降低的趋势；随着2，4-D丁酯浓度的增加，张杂谷10号的可溶性蛋白质含量升高，晋谷21号的可溶性蛋白质含量呈先升高后降低的趋势。

本研究探讨了生物质炭对2，4-D丁酯胁迫下谷子叶片生理特性的影响，结果发现，施用2%生物质炭对谷子各项生理指标促进效果最为明显；在B2处理下可以缓解2，4-D丁酯对于谷子的伤害，为生物质炭和2，4-D丁酯在谷子的合理使用提供理论依据。但本试验仅对谷子苗期生理生化指标进行了测定，结果仅代表了单一时期变化，对谷子全生育期及产量品质方面的影响还需进行更加深入全面的研究。