硅钙肥与纳米碳对干旱胁迫下小麦幼苗形态及生理的影响

2017-03-28党芳芳冯文新尹美强芦文杰曹梦琳温银元孙敏郝兴宇高志强

山西农业大学学报（自然科学版） 2017年3期

关键词：钙肥超氧叶绿素

党芳芳，冯文新，尹美强，芦文杰，曹梦琳，温银元，孙敏，郝兴宇，高志强

(山西农业大学农学院，山西太谷 030801)

硅钙肥与纳米碳对干旱胁迫下小麦幼苗形态及生理的影响

党芳芳，冯文新，尹美强*，芦文杰，曹梦琳，温银元，孙敏，郝兴宇，高志强

(山西农业大学农学院，山西太谷 030801)

[目的]研究硅钙肥和纳米碳处理对小麦幼苗生长及生理特性的影响，为提高作物的抗旱能力提供新的依据。[方法]用硅钙肥和纳米碳对干旱胁迫下的小麦幼苗进行处理，研究对干旱敏感的小麦品种幼苗株高、根长、根数、鲜重、干重、根冠比的影响，分析小麦叶片光合色素、超氧阴离子自由基、丙二醛、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性的变化。[结果]结果表明，在干旱胁迫下，硅钙肥、硅钙肥与纳米碳混施处理比对照(CK)的小麦叶片的株高、根长、鲜重、干重均明显升高，超氧阴离子自由基、MDA均明显降低，叶绿素总量，SOD、POD活性明显升高。[结论]硅钙肥与3‰纳米碳混施对冬小麦幼苗期的干旱胁迫缓解最显著。

小麦；硅钙肥；纳米碳；抗旱性

Wheat， Silicon Calcium Fertilizer， nanocarbon， drought resistance

小麦是我国最主要的粮食作物之一，占粮食种植面积的1/4 左右，其种植产量仅次于玉米、水稻，居全国第3位[1，2]。但是干旱严重影响小麦的生长发育，造成作物减产并使生态环境日益恶化。干旱对陆地生态系统生产力的影响主要表现在降低光合作用效率[3，4]。因此，提高小麦抗旱的能力、发展旱地小麦已经成为农业生产中急需解决的关键问题。

近几十年来，硅钙肥对水稻、玉米、小麦施用试验的结果表明，硅钙肥对改善小麦生长发育以及作物增产显著。硅钙肥是一种硅钙复合型肥料，可为农作物补充硅元素和钙元素，促进光合作用，并且在植物体内形成硅化细胞，促进茎叶的表层细胞壁加厚，从而提高小麦的抗倒伏能力，钙能有效促进青蒜苗生长，增加叶片色素含量，改善光合特性[5]。

纳米碳是具有宏观量子隧道效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和表面与界面效应的小尺度的纳米材料。其被广泛应用于农业生产中，纳米材料可以促进作物的生长发育，提高作物对肥料的利用率等方面的作用受到人们极大的关注[6]，此外，由纳米材料研制的纳米增效肥料可以减少肥料营养元素的流失，在提高肥料利用率以及土壤养分吸收等方面展现出显著效果[7]。

山西省旱地小麦面积占较大比重，因此研究硅钙肥与纳米碳结合对冬小麦的抗旱性研究很有必要。本文通过研究硅钙肥、硅钙肥与纳米结合，探究硅钙肥以及纳米碳混施对干旱胁迫下小麦的生理及形态的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

晋太102品种，由山西农业大学农学院小麦研究所提供。

1.2 试验设计

试验于2016年10月24日进行。选籽粒饱满且大小一致的小麦种子，用0.1%HgCl2消毒后，蒸馏水反复清洗多次，取干净滤纸吸干种子上的水分，阴干，播种于13×19×7 cm的发芽盒中，每盒200粒小麦种子，沙培法，每盒装沙1 300 g(小麦种子上部沙300 g，下部沙1 000 g)，在光照培养架下用Hoagland营养液培养至小麦第二叶完全展开(11月2日)，对幼苗进行干旱处理至萎蔫状态。3个处理分别为：CK、硅钙肥为1.74 g·盒-1、硅钙肥1.74 g·盒-1+纳米碳3‰(表1)，各处理均重复三次。(硅钙肥1.74 g·盒-1相当于施用的硅钙肥量为1 500 kg·hm-2，纳米碳的具体用量由硅钙肥用量乘以纳米碳的添加比例)

表1 硅钙肥和纳米碳用量表

Table 1 Table of silicon calcium fertilizer and nanocarbon Dosage

处理Treatments硅钙肥用量/g·盒-1Dosageofsiliconcalciumfertilizer纳米碳的量/g·盒-1Dosageofnanocarbon纳米碳添加比例AddproportionofnanocarbonCK000G1.7400G+N1.740.00523‰

1.3 指标测定

在自然干旱处理后第16天，选取生长均匀的10株小麦幼苗，用精确至0.1 mm的刻度尺测量其小麦株高，根长。再用电子天平称其小麦地上部，地下部的鲜重，然后105 ℃杀青15 min，80 ℃烘24 h，用电子天平称其干重。

叶绿素含量的测定用Arnon[8]提供的方法；过氧化物酶(POD)活性测定用愈创木酚法[9]测定；超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑(NBT)光化还原抑制法进行测定；丙二醛(MDA)含量的测定采用硫代巴比妥酸分光光度法进行测定；超氧阴离子自由基含量采用高俊凤[10]提供的方法测定。

1.4 数据处理

所得数据使用Microsoft excel软件进行绘图，用Microsoft word软件进行制表，方差分析用SPSS 17.0进行分析，显著性检验用Duncan新复极差法进行分析。

2 结果与分析

2.1 硅钙肥与纳米碳对干旱胁迫下小麦幼苗株高、根长、根数的影响

由表2可以看出，小麦幼苗进行干旱胁迫后，硅钙肥(G)、硅钙肥与纳米碳混施(G+N)比CK的株高、根数、根长均有提高，株高分别增加了35.11%和43.72%，差异极显著(P<0.01)，根长分别增加了3.60%和16.90%，差异极显著(P<0.01)。但是干旱胁迫下，根数相对变化不大且处理间差异不显著，硅钙肥，硅钙肥与纳米碳混施，比CK分别增加了1.31%和6.38%。

表2 硅钙肥与纳米碳对干旱胁迫下小麦幼苗株高、根长、根数的影响

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

处理Treatments株高/cmPlantheight根长/cmRootlength根数/条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: 数值为平均数±标准差(SD)，同列字母不同表示差异显著(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，硅钙肥和纳米碳混施，硅钙肥均可以提高小麦的株高、根长，其中以纳米碳与硅钙肥混施为极显著，缓解了干旱对冬小麦幼苗期的株高，根长胁迫。

2.2 硅钙肥与纳米碳对干旱胁迫下小麦幼苗鲜重、干重、根冠比的影响

由表3可以看出，小麦幼苗进行干旱胁迫后，硅钙肥(G)比对照(CK)的鲜重增加了20.95%，差异为显著(P<0.05)，硅钙肥与纳米碳混施(G+N)比对照(CK)的鲜重增加了51.53%，差异为极显著(P<0.01)。而硅钙肥(G)、硅钙肥与纳米碳混施(G+N)比对照(CK)的干重分别增加8.83%、17.65%，差异均达到显著(P<0.05)。

表3 硅钙肥与纳米碳对干旱胁迫下小麦幼苗鲜重、干重、根冠比的影响

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

处理Treatments鲜重/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，硅钙肥(G)比对照(CK)增加了3.85%，差异不显著，而硅钙肥与纳米碳混施(G+N)比对照(CK)、硅钙肥(G)分别增加了38.46%，33.33%，差异均达到显著(P<0.05)。

因此，硅钙肥和纳米碳，硅钙肥均可以提高小麦的干重、鲜重与根冠比，其中以硅钙肥和纳米碳混施最为显著，缓解了干旱对冬小麦幼苗期的胁迫。

2.3 硅钙肥与纳米碳对干旱胁迫下小麦幼苗叶绿素总量的影响

图1 硅钙肥与纳米碳对干旱胁迫下小麦幼苗叶绿素总量(Ct)的影响Fig.1 Effects of silicon calcium fertilizer and nanocarbon treatments on the total chlorophyll content of wheat seedlings under drought stress

如图1所示，随着干旱处理天数的增加，各个处理与对照(CK)的叶绿素总量均呈“先升后降”的趋势，在第7天各个处理的叶绿素含量达到最大值。在干旱处理第16天，硅钙肥和纳米碳混施(G+N)比对照(CK)、硅钙肥(G)的叶绿素总量分别增加了 33.33%，27.12%，差异均达到了极显著(P<0.01)。因此，硅钙肥和纳米碳混施，硅钙肥均可以提高冬小麦幼苗期的叶绿素总量。其中以硅钙肥与纳米碳混施处理最显著。

如图2所示，随着干旱胁迫下处理的天数增加，各个处理的MDA含量均呈“升-降-升”的趋势，并在第3天达到最高值，而对照(CK)在第16天达到最高值。硅钙肥、硅钙肥与纳米碳混施比对照(CK)的MDA含量变化较为明显，在干旱第16天，硅钙肥(G)、硅钙肥与纳米碳混施(G+N)比CK分别下降了28%，36.84%，均达到了极显著(P<0.01)，而且硅钙肥和纳米碳混施(G+N)比硅钙(G)下降了12.73%，差异显著(P<0.05)，所以硅钙肥和纳米碳混施处理(G+N)下降最为显著。

图2 硅钙肥与纳米碳对干旱胁迫下小麦幼苗丙二醛含量(MDA)的影响Fig.2 Effects of silicon calcium fertilizer and nanocarbon treatments on MDA content of wheat seedlings under drought stress

如图3所示，随着干旱处理天数的增加，各个处理与对照(CK)的超氧阴离子含量均呈“升-降-升”的趋势。硅钙肥、硅钙肥与纳米碳混施比对照(CK)的超氧阴离子含量变化较为明显，在干旱第7天，硅钙肥(G)、硅钙肥和纳米碳混种(G+N)比CK分别下降了15.6%，18.17%，均达到了极显著(P<0.01)，而且硅钙肥和纳米碳(G+N)比硅钙肥(G)下降了3.04%。因此，硅钙肥和纳米碳，硅钙肥均可以降低小麦幼苗期的MDA含量和超氧阴离子含量，缓解了干旱对冬小麦幼苗期胁迫，其中以硅钙肥与纳米碳混施处理最为显著。

图3 硅钙肥与纳米碳对干旱胁迫下小麦幼苗超氧阴离子含量)的影响Fig.3 Effects of silicon calcium fertilizer and nanocarbon treatments on content of wheat seedlings under drought stress

2.5 硅钙肥与纳米碳对干旱胁迫下小麦幼苗SOD和POD活性的影响

如图4所示，随着干旱处理天数的增加，各个处理的SOD活性均呈“先升后降”的趋势，并在第3天达到最高值，对照(CK)随着天数的增加较处理变化幅度不大。硅钙(G)、硅钙肥与纳米碳混施比对照(CK)的SOD活性变化较明显，在干旱第三天，硅钙肥(G)、硅钙肥和纳米碳混施(G+N)比CK分别增加了8.34%，10.91%，但均达到了极显著(P<0.01)，而且硅钙肥和纳米碳(G+N)比硅钙肥(G)增加了3.53%，差异显著(P<0.05)，所以硅钙肥和纳米碳混施(G+N)的SOD活性升高最为显著，缓解了干旱对冬小麦幼苗期胁迫。

图4 硅钙肥与纳米碳对干旱胁迫下小麦幼苗SOD活性的影响Fig.4 Effects of silicon calcium fertilizer and nanocarbon treatments on SOD activity of wheat seedlings under drought stress

图5 硅钙肥与纳米碳对干旱胁迫下小麦幼苗POD活性的影响Fig.5 Effects of silicon calcium fertilizer and nanocarbon treatments on POD activity of wheat seedlings under drought stress

如图5所示，随着干旱处理天数的增加，各个处理的POD活性均呈“升-降-升”波动型的趋势，并在第16天达到最高值，而对照(CK)随着干旱天数的增加，POD活性也持续增加，但上升的趋势较为缓慢。硅钙(G)、硅钙肥与纳米碳混施POD活性变化明显，在干旱第16天，硅钙肥(G)、硅钙肥和纳米碳混施(G+N)比CK分别增加了21.05%，31.38%，均达到了极显著(P<0.01)，而且硅钙肥和纳米碳(G+N)比硅钙肥(G)增加了8.54%，差异显著(P<0.05)，所以以硅钙肥与纳米碳混施处理最显著，缓解了干旱对冬小麦幼苗期胁迫。

3 讨论与结论

本研究通过设置施1 500 kg·hm-2硅钙肥(G)以及3‰的纳米混施(G+N)2个处理，研究纳米碳与硅钙肥混施以及硅钙肥对干旱胁迫下冬小麦的形态及生理方面的影响研究，结果表明，施硅钙肥(G)与对照(CK)相比，小麦叶片的株高、根长、鲜重、干重均不同程度的增加，与张丽萍、梁太波研究一致。张丽萍[11]等利用硫酸钾型蔬菜专用肥和硅钙肥配施的研究结果表明，番茄施用硅钙肥对其番茄的生育有促进作用，能够使番茄株高、干重增加，其促进干物质积累，并且对番茄的增产效果较为明显。梁太波[12]试验结果表明在普通肥料中施用不同量的纳米碳能促进烤烟植株的生长发育，增加其干物质的积累量。说明可能硅钙肥和纳米碳促进干旱胁迫下小麦根系的生长，促进小麦对水分以及养分的吸收，并且促进小麦干物质的积累，增加小麦的抗旱性。

试验结果超氧阴离子、MDA均明显降低，叶绿素总量，SOD、POD活性明显升高，与张丽阳[11]、Hong F S[13]等的结论一致。张丽阳等试验得出：施用一定量的硅钙肥增加爆裂籽粒的硅和钙含量，并且可使POD活性增加、丙二醛含量减少，提高其光合速率以及叶绿素的含量。说明可能硅钙肥抑制了干旱胁迫下小麦超氧自由基的产生，具有降低膜质过氧化、保护细胞膜的作用，并且硅钙肥增加叶绿素总量，说明可能其具有提高光合速率的作用，增加干旱胁迫下小麦叶绿素含量或减少叶绿素的降解，从而提高干旱胁迫下小麦的抗旱性。

Hong F S等试验结果表明纳米碳使植物体内多种酶的活性增加，能够提高植物的光合速率[13，14]，所以可能由于纳米碳是具有小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应等特性的纳米颗粒，纳米碳颗粒与土壤中的养分离子形成聚合物，促进小麦对土壤中养分的吸收，提高肥料的利用率，从而达到了节肥增效的结果。

综上所述，硅钙肥以及硅钙肥和纳米碳混施均可以提高小麦抗氧化代谢水平，提高植物株高和根长，提高根系活力，有利于干物质积累以及植株对水分和养分的吸收，增加干旱胁迫下小麦的抗旱性。其中以硅钙肥1 500 kg·hm-2与3‰纳米碳混施处理最显著。但是由于本文研究了一个浓度的硅钙肥和纳米碳，所以关于硅钙肥与纳米碳对小麦促进的最适的配比浓度，以及纳米碳的作用机理还有待进一步研究。

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(编辑：邢国芳)