外源硒矿粉对谷子保护酶活性、产量和籽粒中硒含量的影响

张宇杰, 郭平毅, 郭美俊, 周浩, 原向阳, 董淑琦, 王玉国

(山西农业大学农学院, 山西 太谷 030801)

硒(selenium, Se)是生物机体必需的一种微量元素[1]，其含量只占人体重的万分之一以下，但在人体机能中发挥着极其重要的作用，具有增强免疫力、抗氧化、防衰老等作用[2-4]。硒参与植物光合和呼吸作用的调节和控制，增强植物的抗逆性，促进植物生长，还可以一定程度提高作物产量[5-7]。我国的硒缺乏程度极其严重，低于世界平均水平[8]。天然生长的植物所提供的硒元素无法满足人们日常生活所需的最小量，从而需要通过合理利用富硒肥得到富硒产品，以满足硒供应要求[9]。针对土壤中缺少硒元素的地区，主要通过叶面施肥和土壤施肥来增加作物硒元素含量[10]。

谷子在北方旱粮作物中仅次于小麦、玉米，是数千年来华夏民族的传统主粮和哺育作物[11]。谷类作物作为维持人体正常生理活动的硒元素来源，提供了人类膳食结构中所需硒元素的70%～80%[12]。研究发现，硒对作物生长和发育有一定影响，通过叶面喷施Na2SeO3可以显著提高小麦[13-15]、水稻[16]、谷子[17-18]的抗氧化能力、产量和品质，Na2SeO3浓度过高则会起到抑制作用。但是Na2SeO3有一定毒性且性质不稳定，易污染环境。在烟草[19]、玉米[20]、水稻[21]中研究发现，施用硒矿粉可以提高作物光合特性、产量和品质。然而，目前关于硒矿粉对谷子生长影响的研究报道较少。鉴于此，本研究以谷子为试验材料，采用大田试验，研究了土壤基施富硒矿粉对谷子各生育期生理特性的影响，以及对谷子产量和籽粒中硒含量的影响，以期确定硒矿粉的最佳施用量，为种植生产富硒谷子提供更加详实的科学依据和理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试谷子品种：晋谷21号，由山西省农业科学院经济作物研究所提供；张杂谷10号，由河北省农林科学院提供。

供试药剂：硒矿粉由河北硒金农业科技有限公司提供，全硒含量380.0 mg·kg-1。

供试土壤：试验田土壤为碳酸盐褐土。0—20 cm土层土壤肥力情况如下，pH 8.36、总硒含量0.15 mg·kg-1、有机质16.59 g·kg-1、全盐量0.056 6 g·kg-1、碱解氮48.76 g·kg-1、有效磷19.11 mg·kg-1、速效钾149.1 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验在山西农业大学试验基地申奉村进行，采用完全随机区组设计。试验共设置4个处理，硒矿粉施用量分别为 0(CK)、197.4(T1)、394.8(T2)、789.45 kg·hm-2(T3)。每个处理3次重复，共24个小区。小区面积为30 m2(长5 m×宽6 m)。硒矿粉在谷子播种前均匀地撒于试验田，并与0—10 cm的表层土壤混合均匀。2019年5月20日播种，出苗后进行统一田间管理，10月15日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1生理指标测定在每个小区选取10株，分别于谷子拔节期、抽穗期、灌浆期采集谷子倒二叶鲜样进行生理指标测定。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)参照NBT法测定；过氧化物酶(peroxidase, POD)活性采用愈创木酚法测定；过氧化氢酶(catalase ,CAT)测定；丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量采用硫代巴比妥酸法进行测定[22]。

1.3.2产量构成测定待谷子成熟后，从每个处理的小区选取长势均匀的6株谷子，测量其穗重、穗粒重、千粒重；单独收取每个小区的所有谷子，脱粒风干后，计算产量。

1.3.3硒含量测定采用原子荧光法。取0.5 g干样，加入5 mL混合消化液(4 mL HNO3+1 mL HClO4)，180～200 ℃消化2 h，冷却后再加10 mL 4 mol·L-1的HCl还原10 min，蒸馏水定容，用氢化物发生-原子荧光光谱法测定总硒含量[23]。

1.4 数据分析

采用Excel 2019和SPSS24.0软件进行数据处理、统计和制图，显著性采用单因素方差分析邓肯(Duncan)法。

2 结果与分析

2.1 外源硒矿粉对谷子保护酶活性的影响

2.1.1外源硒矿粉对谷子SOD活性的影响从图1可以看出，随着硒矿粉施用量的增加，谷子叶片SOD活性呈现先上升后降低的趋势。施硒量在T2处理时，谷子的SOD活性最好。T2处理下，拔节期张杂谷10号和晋谷21号较对照分别增加了23.05%、24.50%，抽穗期较对照分别增加了28.17%、42.11%，灌浆期较对照分别增加了19.03%、12.58%。

注: 同一时期不同小写字母表示在P<0.05水平差异显著。

2.1.2外源硒矿粉对谷子POD活性的影响由图2可知，施用硒矿粉可以提高晋谷21号和张杂谷10号叶片的POD活性。两个品种在T2处理下叶片POD活性均达到最高值，且差异显著。T2处理下，张杂谷10号在拔节期、抽穗期、灌浆期叶片POD活性增加幅度分别为25.01%、28.60%、23.48%；晋谷21号增加幅度分别为33.03%、48.86%、43.00%。

注: 同一时期不同小写字母表示在P<0.05水平差异显著。

2.1.3外源硒矿粉对谷子CAT活性的影响图3结果显示，通过土壤施用硒矿粉，可以显著提高谷子叶片CAT活性。T2处理下，晋谷21号和张杂谷10号在各生育期的叶片CAT含量均达到峰值。在T2处理时，晋谷21号在拔节期CAT活性增加了33.74%，张杂谷10号增加了30.51%；抽穗期CAT含量与对照相比分别增加了38.80%和30.89%；灌浆期CAT含量分别上升了24.01%、23.63%。两个谷子品种均在抽穗期CAT含量增加幅度最大。

注: 同一时期不同小写字母表示在P<0.05水平差异显著。

2.1.4外源硒矿粉对谷子MDA含量的影响由图4可知，土壤施用硒矿粉可以显著降低谷子叶片中MDA含量。晋谷21号和张杂谷10号MDA含量在T2处理下达到最低值。T2处理下，拔节期晋谷21号和张杂谷10号在MDA含量分别下降了17.18%、37.74%；抽穗期MDA含量分别下降了17.18%、11.21%；灌浆期分别降低了8.00%、22.10%。由此可见，土壤施用硒矿粉后谷子在拔节期叶片的MDA含量变化幅度最大，张杂谷10号比晋谷21号MDA含量更低。

注: 同一时期不同小写字母表示在P<0.05水平差异显著。

2.2 外源硒矿粉对谷子产量性状的影响

由表1可知，不同浓度硒处理下，晋谷21号和张杂谷10号的千粒重、穗重和穗粒重与对照相比均存在着一定差异。这种差异在T2处理下表现最为显著，在T2处理后，晋谷21号穗重、穗粒重和千粒重明显均高于对照，与对照组差异达到极显著水平。张杂谷10号在T2处理后穗重、穗粒重和千粒重均高于对照组，与对照组差异达到显著水平。说明土壤基施硒矿粉对谷子穗重、穗粒重和千粒重均有明显的促进作用。结果表明，施用适量外源硒可以提高谷子产量，但是随着硒处理浓度的升高，其增产效果会降低。张杂谷10号和晋谷21号在施用不同浓度硒矿粉后其产量都显著高于对照，且都在T2处理时的产量达到最大值，晋谷21号产量达到4 654.35 kg·hm-2，比对照增产8.64%；张杂谷10号产量达到4 634.55 kg·hm-2，比对照增产6.64%。由此得出，晋谷21号比张杂谷10号影响更明显。

表1 外源硒矿粉对谷子产量的影响

2.3 外源硒矿粉对谷子籽粒中硒含量的影响

图5显示，谷子籽粒中总硒含量随着施硒浓度的增加呈现上升趋势。张杂谷10号经过施用硒矿粉处理后，籽粒中硒含量分别达到了0.062、0.125、0.166 mg·kg-1，比对照组分别提高了1.1倍、3.2倍和4.6倍；晋谷21号籽粒中的硒含量分别达到了0.064、0.131、0.169 mg·kg-1，与对照相比分别提高了1.2倍、3.5倍和4.8倍，均在国家标准粮食硒含量范围内(硒含量在0.1～0.3 mg·kg-1为正常)。由此可见，T3处理时籽粒硒含量在处理间增幅最大。

注: 同一品种不同小写字母表示在P<0.05水平差异显著。

3 讨论

3.1 硒与保护酶

硒具有通过影响酶活性进而对作物生长进行调节的生物学特性[24]。本研究结果表明，随着硒矿粉用量的增加，各生育期谷子叶片的SOD、POD、CAT酶活性均呈现先上升后降低的趋势。与王永会等[25]在谷子上的研究结果相似。说明外源硒可以显著提高谷子叶片的保护酶活性，增强谷子的抗氧化作用，提高了谷子生长发育过程中抗逆性。有研究发现，硒浓度过高会对小麦生长发育产生轻微毒害，产生抑制作用[15]。本研究中硒矿粉施用量过高时，谷子保护酶活性降低，可能是因为硒浓度过高对植株的抗氧化能力产生了抑制作用。研究发现，谷子叶片的SOD、POD、CAT活性均在抽穗期增幅最大，抽穗期是谷子对水、肥吸收的高峰期，也是开花结实的决定期，此结果与穆婷婷等[18]的研究结果相似。本研究表明，施用硒矿粉显著减低了谷子叶片中MDA含量，两个品种的谷子均在T2处理时表现最佳，并且在拔节期减幅最大。MDA是膜脂过氧化的主要产物，MDA含量降低说明硒元素可减弱膜脂过氧化作用。试验结果与Nawaz等[14]、赵薇等[26]对小麦、葡萄的研究报道一致。因此，施用硒矿粉对谷子抗氧化方面有着重要的作用。

3.2 硒与产量

本研究结果表明，在合适剂量范围内，土壤施用硒矿粉不仅可以提高谷子产量，而且可以提高谷子穗重、穗粒重和千粒重，说明施用外源硒可以提高谷子千粒重、穗粒重和穗重，从而促进产量的增加。原因主要是适量施硒能增加土壤有效硒含量，有利于土壤有效磷、钾含量的提高，改善土壤肥力，从而影响作物对养分的吸收利用[27]。这与穆婷婷等[18]、郭美俊等[28]对谷子的研究结果一致。但当硒矿粉施用量达到789.45 kg·hm-2，产量性状呈现降低的趋势，其原因可能是硒矿粉施用量过高，对土壤结构有一定的破坏。刘庆等[20]研究表明，施用硒矿粉对玉米生物量与籽粒产量无显著影响，这可能与作物种类、土壤理化性状等不同有关。

3.3 硒与籽粒硒含量

植物对硒的吸收受土壤类型、硒肥品种、施硒方式、施硒时间和施硒浓度和施硒量等多种因素的影响，与叶面喷施相比，通过土壤施硒提高作物籽粒硒含量需要施用更多的硒，但在施硒量的选择上，应在保证作物正常生长发育的基础上，根据作物可食部位硒含量与目标产量最终确定[29-30]。土壤施硒量介于0～789.45 kg·hm-2时，谷子籽粒硒含量与施硒量间呈正相关，施用硒矿粉增加了土壤硒含量和谷子硒营养，加速了谷子对硒的吸收转化。在T3处理(789.45 kg·hm-2)时籽粒硒含量达到了最大值。但是研究发现，当施硒量大于T2处理时，谷子籽粒中硒含量增幅开始趋于平稳，这与穆婷婷等[18]、史丽娟等[31]、杨益花等[32]的研究结果基本一致。

本研究还发现，虽然谷子籽粒中的硒含量随着硒矿粉的施用量有相应增加，但总体上硒的利用率仍低于前人研究结果，主要的原因是本研究中硒源为富硒矿粉，富硒矿粉与其他形态硒源相比，缓效或迟效形态的硒所占比例较大[33]。有研究发现，硒矿粉通过根系施肥，具有速效和缓效的双重作用，硒肥中的有效硒可以被植物直接吸收，非有效硒可以被空气和土壤中的微生物转化成有效硒，可被植物长期利用，有效期长达2～3年[34]。李凤鸣等[35]研究了不同硒源对小麦生长及硒吸收分配和玉米后效的影响发现，硒矿粉对作物生长的改善能力最强，而且硒矿粉在玉米中的相对有效性明显高于硒酸盐和亚硒酸盐。