苯磺隆胁迫下生物质炭对谷子籽粒产量和营养品质的影响

2023-01-16赵海燕李雅馨赵丽洁王子建杜慧玲

山西农业科学 2023年1期

赵海燕，李雅馨，赵丽洁，王子建，杜慧玲

（山西农业大学农学院，山西太谷 030801）

谷子是我国北方地区的主要粮食作物之一[1]，由于其具有较强的抗逆性，耐旱耐贫瘠，且基因组较小，已经成为新的模式作物[2]。谷子去皮后为小米，与水稻、小麦等其他主粮作物相比，其不仅富含脂肪、蛋白质、维生素及各种微量元素，还含有丰富的生物活性物质，对人体具有保健作用[3]。它是一种药食两用的优质杂粮，易被人体消化利用。但谷田杂草常与谷苗相伴而生，不仅降低了谷子的产量和品质，严重时还可造成减产30%左右甚至绝收[4]。化学除草较人工除草具有省工、高效等特点，但常用的除草剂扑草净、烯禾啶、2，4-滴丁酯、苯磺隆等在使用不当时易造成药害。其中，苯磺隆作为一种乙酰乳酸合成酶（Acetolactate synthase，ALS）抑制剂类除草剂被广泛应用于小麦、玉米等农田阔叶类杂草防除[5-6]。朱海霞[7]的研究结果表明，30%苯磺隆·炔草酯WP不仅可以有效防除春小麦1年生杂草，还可在一定程度上提高春小麦产量。崔海兰等[8]的研究也表明，在阔叶杂草出齐的2～4叶期时喷施19%的苯磺隆·氯氟吡可湿性粉剂可有效减轻阔叶杂草对小麦在养分和水分上的竞争。但也有研究显示，这类除草剂长期使用易使杂草产生抗药性，且会阻断光合电子传递链等影响光合作用的关键步骤，进而阻止光合作用的顺利进行[9-10]。因此，选择适宜的苯磺隆浓度对谷田杂草防除、安全生产具有重要意义。

生物质炭（Biochar）不仅是一种重金属吸附剂[11]，也是一种土壤改良剂，在增强土壤酶活性、刺激作物根系生长、促进作物产量提升方面具有良好的应用前景[12]。有研究表明，施用生物质炭不仅可以提高土壤的通气性和保水保肥能力，还能促进作物的生长发育和品质改良[13-15]。KERRÉ等[16]研究表明，施用生物质炭后的玉米产量得到显著提高，增幅达23%。此外，添加生物质炭还可促进微生物对农药的降解，提高农药的生物可利用性。有研究表明，向土壤中添加生物质炭增加了土壤对利谷隆、敌草隆和灭草隆的吸附能力，且添加0.5%～2.0%的生物质炭可使土壤对于氟磺酰胺草醚的吸附能力显著增加4～26倍[17-18]。JIN等[19]的研究结果也表明，在一定的添加比例范围内增施生物质炭可以提高土壤对吡虫啉、异丙酚和阿特拉津的吸附能力。因此，探讨添加生物质炭对缓解苯磺隆的胁迫具有重要意义。

目前，对生物质炭的研究也多集中于土壤改良方面，其缓解除草剂胁迫对作物产量和品质的影响鲜见报道。因此，本研究通过设置不同的生物质炭浓度和苯磺隆施用量，探究苯磺隆胁迫下添加生物质炭对谷子籽粒产量和营养品质的影响，旨在为谷田安全使用苯磺隆进行化学除草提供实践依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试谷子品种为晋谷21号和张杂谷10号，分别由山西农业大学谷子研究所和河北省张家口农业科学院提供。供试药剂为山东侨昌现代农业有限公司生产的10%苯磺隆可湿性粉剂。

供试生物质炭是以玉米秸秆为原料制得的生物质炭,其理化性质为：pH值8.92，有机碳含量443.89 g/kg，全氮含量11.58 g/kg。供试土壤取自山西农业大学申奉村试验基地0～20 cm耕层土，土壤类型为石灰性褐土，其理化性质为：pH值8.51，有机质含量20.98 g/kg，碱解氮含量63.26 mg/kg，有效磷含量7.65 mg/kg，速效钾含量123.71 mg/kg。

1.2 试验设计

田间试验采用二因素完全随机区组设计，生物质炭浓度设置0（B0）和2%（B2）2个水平，苯磺隆用量设置113（H1）、225（H2）、450（H3） g/hm2等3个水平，以不施苯磺隆为对照（H0），共8个处理，每个处理重复3次，每个小区面积为6 m2。谷子成熟收获后，采集植物样品，籽粒风干脱壳后用于相关指标的测定。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 籽粒营养品质测定将样品消煮后，全氮、全磷、全钾含量分别采用凯氏定氮法、钒钼黄比色法、火焰光度法测定[20]；粗蛋白含量参照国家标准（GB 5009.5—2016）进行计算[21]；粗脂肪含量采用索氏提取法测定[22]；可溶性总糖含量采用蒽酮比色法测定[23]；还原糖含量采用3，5-二硝基水杨酸法（DNS）测定[23]；淀粉含量采用蒽酮比色法测定[24]；维生素C含量采用2，6-二氯酚靛酚滴定法测定[25]。

1.3.2 产量测定待谷子成熟期成熟后全部收回，脱粒称质量，计产。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2016进行统计，采用Origin 2018作图，采用SPSS 25.0对数据进行ANOVA分析，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 苯磺隆胁迫下生物质炭对谷子籽粒产量的影响

由图1可知，添加生物质炭后，与不添加生物质炭相比，张杂谷10号的产量整体上呈上升趋势，在H2处理下达到最大值，为6 213.11 kg/hm2，与H0处理相比显著增加了10.50%；不添加生物质炭时在H1处理下达到最大值（5 419.38 kg/hm2），与H0处理相比增加了6.70%；且添加生物质炭后的H0、H1、H2、H3处理与不添加生物质炭的处理相比，张杂谷10号的产量分别增加了10.70%、5.78%、28.31%和28.03%。晋谷21号添加生物质炭后，与不添加生物质炭相比，其产量整体上呈下降趋势，H1处理与H0处理相比，显著增加了20.26%（P＜0.05）；各处理间均呈显著差异。张杂谷10号产量明显高于晋谷21号。

图1 苯磺隆胁迫下生物质炭对谷子籽粒产量的影响Fig.1 Effect of biochar on millet grain yield under tribenuron-methyl stress

2.2 苯磺隆胁迫下生物质炭对谷子籽粒矿质营养元素含量的影响

不同用量苯磺隆胁迫下不同浓度生物质炭对谷子籽粒矿质营养元素含量的影响如表1所示。

表1 苯磺隆胁迫下生物质炭对谷子籽粒矿质营养元素的影响Tab.1 Effect of biochar on main mineral nutrients content in millet grains under tribenuron-methyl stress g/kg

由表1可知，生物质炭、苯磺隆及其之间的交互作用均对谷子籽粒的氮含量表现出极显著差异（P＜0.001）。不添加生物质炭的情况下，张杂谷10号与晋谷21号籽粒氮含量均在H2处理下达到最大值，与H0处理相比，分别显著提高了3.27%、1.87%。添加生物质炭后，籽粒氮含量则在H1处理下达到最大值，与H0处理相比，分别显著提高了3.79%、4.62%。品种和苯磺隆、生物质炭和苯磺隆、品种和生物质炭之间的交互效应对籽粒磷含量表现出极显著差异（P＜0.001）。张杂谷10号在不添加生物质炭和添加生物质炭的情况下磷含量均在H1处理下达到最大值，分别为0.34、0.29 g/kg，与2组对照（B0H0、B2H0）相比，籽粒磷含量分别提高了21.43%、7.41%。晋谷21号添加生物质炭后，籽粒磷含量在H0处理达到最大值，为0.29 g/kg，与H0处理相比，添加生物质炭后的H1、H2、H3处理籽粒磷含量分别降低了10.34%、3.45%、3.45%。品种、生物质炭与苯磺隆均对籽粒钾含量有极显著影响（P＜0.001），添加生物质炭后，2个谷子品种籽粒钾含量与不添加生物质炭相比均有所增加，并在H2处理下达到最大值，分别为3.05、2.94 g/kg，与H0处理相比，分别提高了18.68%、1.38%。

2.3 苯磺隆胁迫下生物质炭对谷子籽粒粗蛋白、粗脂肪和淀粉含量的影响

苯磺隆胁迫下生物质炭对谷子籽粒粗蛋白、粗脂肪和淀粉含量的影响如表2所示。

表2 苯磺隆胁迫下生物质炭对谷子籽粒粗蛋白、粗脂肪和淀粉含量的影响Tab.2 Effects of biochar on coarse protein， fat， and starch content in millet grains under tribenuron-methyl stress

由表2可知，苯磺隆和品种或生物质炭间的交互作用对谷子籽粒粗蛋白含量有显著影响。添加生物质炭后，张杂谷10号和晋谷21号2个谷子品种籽粒粗蛋白含量均随着苯磺隆施用量的增加呈先上升后下降的趋势，且籽粒粗蛋白含量在不添加生物质炭的情况下均在H2处理下达到最大值，分别为12.44%、12.94%，与H0处理相比，分别显著提高了3.32%、1.89%；添加生物质炭后，则均在H1处理下达到最大值，分别为12.32%、12.03%。品种、苯磺隆、生物质炭及其之间的交互作用均对籽粒粗脂肪含量有极显著影响（P＜0.001）。添加生物质炭后与不添加生物质炭相比，晋谷21号籽粒粗脂肪含量呈下降趋势，在H0处理达到最大值，为5.20%，H1、H2、H3处理与其相比分别降低了1.92%、10.00%、8.46%；张杂谷10号则表现出上升趋势，在H2与H3处理处达到最大值，均为5.12%，与H0处理相比，均显著提高了3.13%。品种×生物质炭的交互作用对谷子籽粒淀粉含量无显著影响。张杂谷10号在添加生物质炭后，其籽粒淀粉含量在H2处理下达到最大值，为0.50 g/g，且与H0处理相比，显著提高了19.05%。晋谷21号则在添加生物质炭后H3处理下达到最大值，并与H0处理相比，显著提高了11.11%。

2.4 苯磺隆胁迫下生物质炭对谷子籽粒糖含量的影响

从图2可以看出，张杂谷10号籽粒的可溶性总糖含量添加生物质炭后与不添加生物质炭的各处理相比，随着苯磺隆施用量的增加呈现先升高后降低的趋势。添加生物质炭后，2个品种籽粒的可溶性总糖含量均在H2处理下达到最大值，分别为35.28、34.06 mg/g，与H0处理相比，分别提高了22.29%、3.31%。晋谷21号在添加生物质炭后，与不添加生物质炭相比，其可溶性总糖含量整体上呈上升趋势，但各处理之间无显著性差异。

图2 苯磺隆胁迫下生物质炭对谷子籽粒糖含量的影响Fig.2 Effect of biochar on sugar content in millet grains under tribenuron-methyl stress

张杂谷10号在添加生物质炭后，其籽粒还原糖含量在H3处理下达到最大值，与同一不添加生物质炭的处理相比，提高了3.67%；添加生物质炭后，H3处理与H0、H1、H2处理相比，则分别增加了19.17%、15.09%、27.23%。添加生物质炭后，晋谷21号的籽粒还原糖含量在H1处理下达到最大值，与H0处理相比，籽粒还原糖含量显著提高了24.38%。

2.5 苯磺隆胁迫下生物质炭对谷子籽粒维生素C含量的影响

由图3可知，张杂谷10号和晋谷21号2个谷子品种在添加生物质炭后，其籽粒维生素C含量与不添加生物质炭相比均有所上升，且整体上随着苯磺隆施用量的增加而呈现先升高后降低的趋势。不添加生物质炭，张杂谷10号和晋谷21号籽粒维生素C含量均在H2处理下达到最大值，且与H0处理相比，分别提高了13.77%、27.80%。添加生物质炭后，张杂谷10号籽粒维生素C含量在H1处理下达到最大值，与H0处理相比提高了6.92%，且H0、H1、H2、H3处理与不添加生物质炭的各处理相比，分别增加了24.44%、29.92%、13.01%、9.08%。晋谷21号则在H2处理下达到最大值，与H0处理相比，显著提高了13.08%。

图3 生物质炭对苯磺隆胁迫下谷子籽粒维生素C含量的影响Fig.3 Effect of biochar on vitamin C content in millet grains under tribenuron-methyl stress

3 讨论

3.1 苯磺隆胁迫下生物质炭对谷子产量的影响

作物产量的高低与土壤肥力、气候因素密切相关。研究表明，适量的秸秆和生物质炭还田可以显著提升作物的产量[26]。本研究结果表明，添加生物质炭后，张杂谷10号和晋谷21号在H1处理的产量与不添加生物质炭的H1处理相比，分别增加了5.78%和13.48%，这表明生物质炭的添加可缓解苯磺隆对谷子的胁迫，这与高敬尧[27]的“添加生物质炭可有效缓解乙草胺对玉米的胁迫”研究结果一致。这可能是由于生物质炭的添加，增加了谷子对氮素和其他养分的吸收，促进了氮素循环，且生物质炭较大的比表面积以及多孔的结构，延缓了肥料养分在土壤中的释放，从而增加了土壤保肥性能和养分的有效性[28]，最终提高了作物产量。

3.2 苯磺隆胁迫下生物质炭对谷子籽粒营养品质的影响

崔虎等[29]研究发现，生物质炭能够提高土壤氮、钾元素的滞留能力，进而提高作物对土壤养分的利用率。本试验中，添加生物质炭后，2个谷子品种籽粒钾含量与H0处理相比，分别提高了18.68%和1.38%。这与秦亚旭等[30]的“增施生物炭基肥可以提高土壤速效钾含量”研究结果一致，说明增施生物炭基肥可以提高其在土壤中的含量并减少速效钾的淋溶损失，从而增加了作物根系对钾离子的吸收利用。杨劲峰等[31]的研究结果也表明，生物炭对作物生长发育的促进作用和产量的提高源自其对土壤化学性质的影响。

淀粉、可溶性糖、维生素C等是反映谷子籽粒营养品质的重要指标。施用生物质炭能有效缓解肥料养分在土壤中的释放速率，提高植物对肥料的利用率，改善作物的营养品质[32]。本研究结果表明，添加生物质炭后，其H1处理与不施苯磺隆的H0处理相比，张杂谷10号籽粒的维生素C、淀粉以及可溶性总糖含量分别提高了6.92%、14.29%和16.29%，晋谷21号也分别增加了5.90%、6.67%和3.00%。这与屠娟丽等[33]在马铃薯中施用生物质炭的研究结果相似，均表明施用生物质炭可提高作物淀粉、维生素C和可溶性糖的含量。这可能是因为生物质炭本身具有改良土壤的能力，提高了土壤肥力、促进了作物根系生长和活力，增强了作物对土壤养分的吸收，从而影响体内碳水化合物的合成与分配，加快了光合产物向籽粒的运输速率，最终提高了作物品质[34]。