增施生物炭对灌浆期低温胁迫下晚稻抗氧化酶活性和产量的影响

龙俊江 祝孟洋 周丁香 郭章亮 徐华勤 童治军,2

（1湖南农业大学 农学院，长沙 410128；2平江县农业农村局，湖南 平江 414500；第一作者：1769092017@qq.com；*通信作者：247157028@qq.com）

低温胁迫是影响水稻产量的重要环境胁迫之一[1]。湖南是我国双季稻重要产区[2]，在晚稻生长的9 月下旬常会出现“寒露风”等低温天气[3]，晚稻灌浆期受“寒露风”影响，其结实率和粒质量下降，造成严重减产[4-5]。研究表明，“寒露风”持续时间每增加1 d，晚稻结实率下降0.40%~3.00%[6]。因此，降低“寒露风”等低温天气造成的晚稻产量损失对保障我国粮食安全具有重要意义。

生物炭在提升土壤肥力、促进植物生长等方面具有较好效果[7-8]。研究表明，生物炭能够提高水稻叶绿素含量、氮素利用率和干物质积累等，并且能够增加水稻穗数和结实率等，从而提高水稻产量[9-11]。此外，生物炭还能够通过提高水稻等植物的抗氧化酶活性来增强植株对重金属、盐、干旱等胁迫的耐受性[12-14]。有研究发现，生物炭能够提高水稻幼苗在低温胁迫下的抗寒性。YUAN 等[15]研究发现，生物炭浸出液可能存在某些能够增加水稻秧苗抗寒性的小分子物质。祝孟洋等[16]直接应用生物炭提高了低温下水稻秧苗素质。但生物炭是否能够提高晚稻低温胁迫下的耐受性尚不清楚。因此，本试验研究了增施生物炭对灌浆期低温胁迫下晚稻抗氧化酶和产量的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

盆栽试验于2021 年在湖南农业大学校内基地进行。供试水稻品种为泰优390 和湘晚籼1 号。盆栽桶上直径22.5 cm、下直径18.0 cm、高29.0 cm。土壤取自湖南农业大学耘园基地水稻田，土壤有机质20.02 g/kg、全氮6.67 g/kg、全磷0.45 g/kg、全钾4.89 g/kg、pH 值6.2，每盆装风干土8.0 kg。生物炭为购自河南立泽环保科技公司生产的玉米秸秆生物炭，理化性质：有机碳410.89 g/kg、全氮8.51 g/kg、全磷2.34 g/kg、全钾15.76 g/kg、pH 值10.41。

1.2 试验设计

6 月26 日播种，育秧盘育秧，7 月22 日移栽，每盆移栽2 丛，每丛2 株秧苗。试验设3 个施肥处理（NPK，常规施肥；NPK+BC，常规施肥+增施土壤质量5%的生物炭，即400 g 生物炭；NPK+，常规施肥+增施化肥，增施与400 g 生物炭中N、P、K 含量相等的化肥）和2 个灌浆期温度处理（常温和低温，低温处理日均温度为17 ℃），每个处理3 次重复，共36 盆水稻。

NPK、NPK+和NPK+BC 处理的常规施肥部分为当地常规施肥量，即纯N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，折算后每桶施用尿素1.54 g、过磷酸钙（15%）2.4 g、氯化钾1.14 g。氮肥和钾肥按照基肥∶分蘖肥=1∶1 施入，磷肥作基肥一次性施用。NPK+和NPK+BC 处理增施的化肥和生物炭均作基肥一次性施入。灌浆期常温为环境温度，即将水稻放置在通风的大棚内。根据湖南省地方标准《气象灾害术语和分级》中的重度寒露风等级设定低温，具体操作为人工气候室设置日均温17 ℃（每日6∶00—18∶00，19 ℃；其余时间，15 ℃；湿度70%，光照强度40 000 lx）。在灌浆期对水稻进行7 d 的低温处理。低温处理后的水稻放回大棚内原位置。于灌浆期低温处理结束后和成熟期进行破坏性取样。病虫害防治和水分管理参照大田常规方法。晚稻生长期内没有出现自然极端低温天气。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 抗氧化酶活性和丙二醛含量

在低温处理结束后，对常温处理和低温处理的水稻剑叶和根系取样，每个处理3 盆。取下的样品用液氮保存转运至实验室之后，存于-80 ℃冰箱。POD 活性采用愈创木酚法测定[17]；SOD 活性采用氮蓝四唑法测定[17]；CAT 活性采用过氧化氢法测定[18]。MDA 含量采用硫代巴比妥法测定[17]。

1.3.2 产量与产量构成因素

在水稻成熟后，每个处理取3 盆测定产量及产量构成因子（有效穗数、每穗总粒数、结实率和千粒重）。

1.4 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2020 进行数据处理。用SPSS 20进行方差分析和相关性分析，多重比较采用LSD 法。

2 结果与分析

2.1 不同处理对晚稻产量及产量构成因子的影响

2.1.1 对产量的影响

由表1 可知，品种、温度、施肥，以及温度与施肥的交互作用极显著影响产量，品种、温度与施肥的交互作用显著影响产量；泰优390 和湘晚籼1 号的产量在低温下的减产幅度均表现为NPK+BC＜NPK＜NPK+，且3个施肥处理间存在显著差异。与灌浆期常温相比，灌浆期低温下泰优390 和湘晚籼1 号的产量分别下降了35.85%和27.70%。在灌浆期低温下泰优390 不同施肥处理的产量表现为NPK+BC＞NPK+＞NPK，NPK+BC 处理的产量分别比NPK+和NPK 处理高8.67%和57.98%。在灌浆期低温下湘晚籼1 号不同施肥处理的产量亦表现为NPK+BC＞NPK+＞NPK，且3 个施肥处理间存在显著差异，NPK+BC 的产量分别比NPK+和NPK处理高16.76%和71.31%。

表1 不同施肥处理和灌浆期温度对晚稻产量的影响

2.1.2 对产量构成因子的影响

由表2 可知，品种和施肥对有效穗数和每穗总粒数有极显著影响，且二者的交互作用显著影响有效穗数和每穗总粒数。泰优390 在灌浆期常温和低温下的有效穗数均表现为NPK+BC＞NPK+＞NPK，且3 个施肥处理间存在显著差异。湘晚籼1 号在灌浆期常温和低温下的有效穗数表现为NPK+BC＞NPK+＞NPK，NPK+BC 和NPK+处理显著高于NPK 处理。3 个施肥处理对灌浆期常温下泰优390 的每穗总粒数无显著影响，在灌浆期低温下NPK+BC 处理的每穗总粒数显著高于NPK 处理。湘晚籼1 号在灌浆期常温和低温下的每穗总粒数均是NPK+处理最高，且显著高于NPK 和NPK+BC 处理。

表2 不同施肥处理和灌浆期温度对晚稻产量构成的影响

品种、温度和施肥对结实率有极显著影响，温度和施肥的交互作用亦极显著影响结实率。与灌浆期常温相比，灌浆期低温下泰优390 和湘晚籼1 号的结实率分别下降33.65%和26.07%。泰优390 的3 个施肥处理在常温下结实率无显著差异，而在低温下存在显著差异，以NPK+BC 处理最高，分别比NPK+和NPK 处理高42.07%和22.72%。湘晚籼1 号在常温下和低温下的结实率均表现为NPK+BC 显著高于NPK+和NPK 处理，常温下分别高10.22%和12.52%，低温下分别高40.53%和21.13%。

温度和施肥对千粒重有极显著影响。与灌浆期常温相比，灌浆期低温下泰优390 和湘晚籼1 号的千粒重分别降低6.89%和2.49%。灌浆期常温下和低温下泰优390 和湘晚籼1 号的千粒重均以NPK+处理最高。

2.1.3 灌浆期低温胁迫下水稻产量、产量下降幅度与产量构成因素相关性分析

由表3 可知，在灌浆期低温胁迫下，水稻产量与有效穗数和每穗粒数呈极显著或显著正相关，与结实率和千粒重相关性不显著。产量下降幅度与结实率极显著负相关，而与有效穗数、每穗粒数相关性不显著。

表3 灌浆期低温胁迫下产量、产量下降幅度与产量构成因素的相关性分析

2.2 不同处理对抗氧化酶活性和MDA 含量的影响

2.2.1 对剑叶抗氧化酶活性和MDA 含量的影响

由表4 可知，温度、施肥以及温度与施肥的交互作用对剑叶POD、SOD、CAT 酶活性及MDA 含量均有极显著影响，品种、温度和施肥的交互作用极显著影响剑叶MDA 含量。与灌浆期常温相比，灌浆期低温下泰优390 的剑叶POD、SOD 和CAT 酶活性以及MDA 含量分别提高了37.45%、9.47%、22.25%和253.80%，湘晚籼1 号的POD 和CAT 酶活性以及MDA 含量分别提高了24.52%、30.82%和117.45%。灌浆期低温下2 个品种NPK+BC 处理剑叶POD、SOD 和CAT 酶活性均显著高于NPK+和NPK 处理，MDA 含量均显著低于NPK+和NPK 处理。与NPK+和NPK 处理相比，灌浆期低温下泰优390 的NPK+BC 处理的剑叶POD、SOD 和CAT 酶活性分别提高了47.05%和35.96%、6.36%和5.40%、9.62%和12.28%，MDA 含量则分别下降了55.62%和28.01%；而湘晚籼1 号则分别提高了35.14%和72.54%、18.75%和16.81%、10.24%和16.50%，及分别下降了27.17%和38.14%。

表4 不同施肥处理和灌浆期温度对晚稻剑叶抗氧化酶活性和MDA 含量的影响

2.2.2 对根系抗氧化酶活性和MDA 含量的影响

由表5 可知，品种、温度和施肥对根系POD、SOD和CAT 酶活性以及MDA 含量有显著影响，而温度与施肥的交互作用对POD、CAT 酶活性以及MDA 含量有极显著影响，品种、温度和施肥的交互作用极显著影响根系POD 酶活性及MDA 含量。与灌浆期常温相比，灌浆期低温下泰优390 根系的POD、SOD、CAT 酶活性以及MDA 含量分别提高了19.56%、22.75%、33.22%和303.67%，湘晚籼1 号则分别提高了20.51%、18.49%、27.90%和398.05%。在灌浆期低温下，2 个品种NPK+BC 处理的根系POD、SOD 和CAT 酶活性均显著高于NPK+和NPK 处理，泰优390 的NPK+BC 处理根系MDA 含量均显著低于NPK+和NPK 处理，湘晚籼1 号NPK+BC 处理根系MDA 含量均低于NPK+和NPK 处理，但只与NPK+处理存在显著差异。与NPK+和NPK处理相比，灌浆期低温下泰优390 的NPK+BC 处理根系POD、SOD 和CAT 酶活性分别提高8.67%和42.19%、34.59%和26.33%、19.35%和14.81%，MDA 含量分别下降47.32%和23.96%，而湘晚籼1 号分别提高87.86%和71.59%、15.35%和9.63%、47.62%和18.37%，及分别下降29.17%和3.04%。

3 讨论与结论

水稻产量形成不仅存在品种间差异，还受到环境因素和农艺措施的影响[19-21]。本试验结果表明，灌浆期低温显著降低了2 个晚稻品种的产量。相关分析表明，在灌浆期低温胁迫下，产量与有效穗数呈极显著正相关，与每穗粒数呈显著正相关，但低温对2 个水稻品种有效穗数和每穗总粒数影响较小。本研究发现，低温显著降低了泰优390 和湘晚籼1 号的结实率，并且产量下降幅度与结实率极显著负相关。这表明灌浆期低温胁迫主要是降低结实率，造成水稻减产，可能是灌浆期低温胁迫会抑制水稻光合作用、籽粒灌浆和碳氮代谢相关酶活性所导致[22]。张诚信[23]指出，灌浆期低温胁迫降低了水稻结实率和粒质量，从而造成水稻减产。但本研究结果表明，低温只降低了泰优390 的千粒重，而对湘晚籼1 号的千粒重无明显影响。虽然低温下泰优390 的产量要高于湘晚籼1 号，但与常温下的产量相比，其产量下降幅度更大，这可能与不同品种对低温的耐受性存在差异有关[24]。

植物在经历胁迫时，会产生活性氧氧化膜脂，生成MDA。同时，植物会通过提高抗氧化酶活性来清除活性氧，减少细胞损伤[25-26]。本研究中，与灌浆期常温相比，泰优390 和湘晚籼1 号剑叶和根系的POD 和CAT 酶活性在灌浆期低温胁迫下均提高。刘涛等[27]同样发现，水稻在低温胁迫下会提高抗氧化酶活性，抵抗低温胁迫。

生物炭已被证明能够提高水稻氮素利用、有效穗数和结实率等，从而提高水稻产量[9-11,28]。本研究发现，灌浆期常温下，增施生物炭后与常规施肥处理相比水稻产量提高，与FAHAD 等[29]的研究结果类似，但低于增施等N、P、K 量的化肥处理，可能与生物炭所含养分释放缓慢有关[30]。在灌浆期低温下，NPK+BC 处理的产量高于NPK+处理，并且NPK+BC 处理的产量下降幅度显著低于NPK+处理，这表明生物炭能够提高水稻对灌浆期低温的抗性，并且可能不是由其自身所携带的养分导致的。本研究还发现，灌浆期低温下增施生物炭水稻产量下降幅度与结实率极显著负相关，表明增施生物炭减少低温造成产量损失的主要原因可能与提高灌浆期低温下晚稻结实率有关，与CHEN 等[31]结果类似。

施用生物炭能够增强抗氧化酶活性，帮助植物提高胁迫耐受性[12]。本研究发现，在灌浆期低温胁迫下，NPK+BC 处理的2 个水稻品种剑叶和根系中的POD、SOD 和CAT 酶活性要显著高于NPK 和NPK+处理，且其MDA 含量最低。说明生物炭能提高水稻在低温胁迫下抗氧化酶活性和降低MDA 含量，增强水稻对低温胁迫的抗性。BAMAGOOS 等[32]发现，生物炭可以提高水稻叶片和木质部的抗氧化酶活性和降低MDA 含量，增强水稻对低温胁迫的耐受性，这与本研究结果类似。生物炭能够提高水稻对灌浆期低温胁迫的抗性可能是由于生物炭中的某些有机小分子物质可以调控水稻脱落酸合成途径[33]，而脱落酸能够调节作物抗氧化酶活性，增强水稻的抗寒性[34-35]。

综上所述，灌浆期低温胁迫造成了晚稻减产，增施生物炭可以提高灌浆期低温胁迫下晚稻抗氧化酶活性和结实率，从而减少产量损失。因此，施基肥时增施生物炭有可能是一种缓解晚稻灌浆期低温胁迫的有效措施，但其机理机制还有待进一步研究。