草甘膦、草铵膦喷施对槟榔根系形态及生理的影响

杨国斌,陈才志,温欣宇,陈 晖,甘 霆,杨福孙

(海南大学热带农林学院,海口,570228)

除草剂草甘膦和草铵膦具有广谱、高效的优点,防除杂草效果较好,在全球范围被广泛使用[1-3]。草甘膦为广谱内吸性传导型灭生性除草剂,能抑制植物体内的5-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸(EPSP)合成酶的形成,主要通过植物表皮组织吸收并进入植物木质部或韧皮部,抑制植物生长[4-5]。草铵膦为广谱触杀型灭生性除草剂,能够抑制谷氨酰胺合成酶(GS)的形成,引起植物体内氮代谢紊乱,导致铵过量积累,叶绿体解体,抑制光合作用,最终抑制植物生长[6]。研究发现,草甘膦可以通过根部吸收并转移至叶片进而影响茶树生长[7]。草甘膦处理会降低毛桃幼苗根尖细胞分裂指数,提高根尖细胞电解质渗透率,总体降低叶片净光合速率[8]。草甘膦会使毛桃幼苗侧根及须根数量减少,从而抑制毛桃根系发育[9];草甘膦也会显著降低向日葵根和茎的干质量[10]。此外,使用除草剂往往会造成药物漂移,影响非目标作物[11]。除草剂喷施后可被植物根部吸收并在植物体内传播,导致植株生长受到抑制,被处理的组织明显变黄,最终导致植株死亡[12]。草铵膦能抑制谷氨酰胺合成酶活力,阻断谷氨酸与氨合成谷氨酰胺的生化反应,导致植物死亡[13]。草铵膦也可被植物茎叶吸收,并迁移到植物根部[14]。草铵膦处理能抑制油菜根尖分生区细胞的有丝分裂[15],并能造成细胞膜损伤和严重坏死[16]。草铵膦主要通过外质体或木质部系统进行转运[17],导致植物叶片萎黄或坏死[18];同时,草铵膦也会抑制棉花根系生长,最终导致植株死亡[19]。

槟榔ArecacatechuL.是棕榈科多年生常绿乔木,为中国“四大南药”之首,具有重要的食用价值和药用价值,是海南省第二大热带经济作物[20-21]。槟榔根系为须根系,主根不明显,多数为不定根,不定根上又分化出许多分支根,构成庞大的根系[22]。槟榔根系浅,易受除草剂毒性影响;幼龄槟榔园植株矮,除草剂喷施易漂移到叶面上;槟榔成龄后,基部产生气生根,除草剂喷施易漂移到气生根上。槟榔根系尤其气生根能否吸收除草剂?吸收多少会影响槟榔生长发育?一直是学者及种植户关注的问题。海南省属热带海洋性季风气候,水热同期,有利于杂草繁殖[23]。海南省雨季正是槟榔叶片生长及发根旺盛期,尤其是气生根。为防除槟榔园杂草,种植户频繁使用除草剂草甘膦及草铵膦,使用面积占槟榔园面积的90%以上,极大地危害槟榔生长。因此,我们以草甘膦及草铵膦为处理药剂,研究其对幼龄槟榔与成龄槟榔根系发育的影响,为槟榔栽培管理提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 材料和处理

幼龄期槟榔,盆栽“热研1号”,选择3叶1心无病虫害健康植株,试验地在海南大学热带农林学院农学基地,北纬20°3′43.01″,东经110°19′45.53″。

成龄期槟榔,“热研1号”11～14年生挂果盛期植株,试验地在海南省定安县南丽湖槟榔园基地,北纬19°32′41.67″,东经110°26′22.99″。

除草剂,草甘膦,草甘膦异丙胺盐含量41%,草甘膦含量30%,山东运盛生物科技有限公司产;草铵膦,精草铵膦含量10%,精草铵膦铵盐有效含量11%,四川龙田丰生化有限公司生产。施药器械为3WBD-20型背负式电动喷雾器。

幼龄期盆栽槟榔试验:2017年,挑选长势一致的槟榔幼苗定植于种植盆中,盆外径36 cm,内径30 cm,高25 cm,每盆装混合土11 kg,常规管理;设置盆栽幼苗人工拔除杂草、不施除草剂不处理杂草(对照)、喷施0.006 mol/L草甘膦250 mL/株、0.006 mol/L草铵膦100 mL/株等4个处理,试验采用完全随机区组设计,重复3次,每重复7株,共84株;施药当天早上天气晴朗,微风。

成龄期槟榔试验:2022年,设置对植株树盘根系周围地面喷施清水(对照)、0.016 mol/L草甘膦、0.013 mol/L草铵膦3个处理,用量均90 L/667 m2,完全随机区组设计,重复3次,每重复7株,共63株。另外设置喷施0.032、0.048、0.064 mol/L草甘膦,0.002、0.004、0.013 mol/L草铵膦,喷施清水(对照)处理,用量均90 L/667 m2,完全随机区组设计,重复3次。

1.2 测定方法

根系形态指标测定:采用EPSON SCAN(型号EU-88)根系扫描仪扫描槟榔幼苗根系后,采用WinRHIZO Pro 2008分析根系照片,获得根系构型参数,包括白根、黄根、黑根数量,表面积、体积和长度等,每15 d扫描根系测定1次;每次将植株地下部分根系清洗干净,擦干水分用电子天平测量鲜质量;再取幼苗根系105 ℃杀青后70 ℃烘干,称量根系干质量。

根系活力采用氯化三苯基四氮唑法(TTC法)测定[24],统计气生根死亡数。

气生根农药残留检测方法:按照“植物源性食品中草铵膦残留量的测定 液相色谱—质谱联用法”(GB 23200.108—2018)进行样品处理。称取试样10 g(精确至0.01g),补水2 g,加入甲醇10 mL,涡旋震荡提取2 min后3 800 r/min离心5 min,取上清液1 mL,用5 mg多壁碳钠米管涡旋净化,1 000 r/min离心3 min,上清液过直径0.22 μm有机滤膜;取该上清液0.5 mL,加入50.0 g/L硼酸纳缓冲液(pH值9)0.5 mL混匀,加入衍生试剂(氯甲酸-9-芴基甲酯)0.5 mL,涡旋1 min,40 ℃水浴衍生1 h,1 000 r/min离心1 min,过直径0.22 μm有机滤膜后上机检测。标准曲线、质控样品按以上方法同时进行衍生化。

气生根的组织结构观察:采用石蜡切片番红固绿染色法,步骤为石蜡切片脱蜡与水化,番红染色,脱色,固绿染色,透明封片,显微镜镜检,图像采集分析。

根系分类方法:依据根系颜色将根分为白根、黄根、黑根3个类型。白根,为嫩根,乳白色,质地较软,根尖部位,活性强;黄根,黄色根系,质地较硬,活性一般;黑根,为老根,灰色泛黑,空瘪,活性低(见图1)。

图1 幼龄期槟榔根系

1.3 数据分析

使用Excel office、SPSS软件进行数据统计分析,经Dancun’s方差分析差异显著水平,用Graphpad Pism 9.5 作图。

2 结果与分析

2.1 对幼龄期槟榔根系鲜质量的影响

从图2可以看出,处理后60、75 d,草铵膦处理的根系鲜质量下降,与人工除草处理相比差异显著。处理后15 d,草甘膦、草铵膦处理的白根鲜质量上升,草铵膦100 mL/株处理的白根鲜质量与人工除草、对照(不除草)差异显著;处理后60、75 d,草甘膦、草铵膦处理的白根鲜质量降低,草铵膦处理的白根鲜质量与人工除草处理差异显著。人工除草的黄根鲜质量比其他处理均较大,处理后不同时间各处理之间无显著性差异。处理后90 d,草甘膦、草铵膦处理的黑根鲜质量上升,与人工除草、对照(不除草)处理差异显著。

注:采用邓肯氏方差分析,不同小写字母表示差异显著(p<0.05),图2至图9同。

2.2 对幼龄期槟榔根系干物质的影响

从图3可以看出,处理后75 d,草铵膦处理的根系干质量最低,与人工除草处理差异显著。处理后15 d,草甘膦、草铵膦处理的白根干质量上升,与人工除草、对照(不除草)差异显著;而处理后60、75 d,草铵膦处理的白根干质量下降,与人工除草差异显著。人工除草的黄根干质量比其他处理均较大,各处理之间无显著性差异。处理后30 d,草甘膦处理的黑根干质量上升,与人工除草处理差异显著;处理后90 d,草甘膦处理的黑根干质量上升,且与人工除草、对照(不除草)处理差异显著。

图3 不同除草剂等处理对幼龄期槟榔根系干质量的影响

2.3 对幼龄期槟榔黑根质量占比的影响

从图4可以看出,处理后30 d,草甘膦处理的黑根鲜质量占根系鲜质量的比例上升,与人工除草处理差异显著;处理后75 d,草铵膦处理的黑根鲜质量占比上升,与人工除草处理差异显著;处理后90 d,草铵膦处理的黑根鲜质量占比下降,与人工除草处理差异显著。处理后30 d,0.006 mol/L草甘膦250 mL/株处理的黑根干质量占总根的百分比上升,与人工除草处理差异达显著;处理后75 d,0.006 mol/L草铵膦100 mL/株处理的黑根干质量占总根的百分比上升,与人工除草处理差异显著;处理后90 d,0.006 mol/L草铵膦100 mL/株处理的黑根干质量占总根的百分比下降,与人工除草处理差异达显著。

图4 不同除草剂等处理对幼龄期槟榔黑根质量占根系质量比例的影响

2.4 对幼龄期槟榔不同等级根系分布的影响

从表1可以看出,处理后0～90 d,各处理幼龄期槟榔不同直径根系参数占总根的百分比,均以直径0～1.5 mm为主,数量占比88%以上,表面积占比63%以上。对照(不除草)相比人工除草,直径0～1.5 mm的根系表面积、数量、根长、体积占比均减少。相比人工除草,草甘膦、草铵膦处理的直径0～1.5 mm根系表面积、根长、体积占比均增加;草甘膦处理的直径0～1.5 mm根系数量占比下降,草铵膦处理的数量占比上升。

表1 不同除草剂等处理对幼龄期槟榔不同直径根系参数占比的影响

2.5 对幼龄期槟榔根系活力的影响

从图5可以看出,处理后45 d,对照(不除草)、草甘膦和草铵膦处理的根系活力下降,与人工除草相比差异显著,且草甘膦处理的根系活力达到最低;处理后60 d,人工除草和对照(不除草)处理的根系活力上升,草甘膦和草铵膦处理的根系活力仍较低,前两者与后两者差异显著;处理后75 d,人工除草和对照(不除草)处理的根系活力下降,草铵膦处理的根系活力达到最低,两个药剂处理与人工除草、对照(不除草)差异显著;处理后90 d,4个处理的根系活力均上升,两个药剂处理的根系活力与人工除草,对照(不除草)仍存在显著性差异。

图5 不同除草剂等处理对幼龄期槟榔根系活力的影响

2.6 对成龄期槟榔气生根农药残留的影响

从图6可以看出,处理后4 h,与对照(清水)处理相比,0.048、0.064 mol/L草甘膦处理的气生根农残量增多且差异显著;处理后4 d,不同浓度草甘膦处理的气生根农残量下降,0.064 mol/L草甘膦处理的农残量与对照(清水)差异显著。

图6 不同浓度草甘膦和草铵膦分别处理对成龄期槟榔气生根农药残留量的影响

处理后4 h,0.013 mol/L草铵膦处理的气生根农残量增多,与0.002 mol/L草铵膦处理、对照(清水)差异显著;处理后4 d,不同浓度草铵膦处理的气生根农药残留均降低,0.013 mol/L草铵膦处理的气生根农残量虽减少,与对照(清水)仍存在显著性差异。

2.7 对成龄期槟榔气生根解剖结构的影响

从图7可以看出,与0.016 mol/L草甘膦、对照(清水)处理相比,0.013 mol/L草铵膦处理的气生根横切片中,表皮被番红染成红色,皮层随着维管束增加而增加,表皮组织厚度增加,形成木栓化,维管形成层表现较旺盛,加快木质部及韧皮部组织的分化,新根的内皮层不明显,排列稀疏,同时根的表皮细胞大量死亡,导致脱落。与0.016 mol/L草甘膦处理、对照(清水)相比,0.013 mol/L草铵膦处理的气生根纵切片中,在根冠部位,薄壁细胞数量减少,根冠薄壁细胞里的淀粉体下降,影响槟榔气生根伸长及向地性。

注:Ep为表皮,Co为皮层薄壁组织,En为内皮层,Me为后生木质部,Pr为原生木质部,Ph为韧皮部,Qc为不活动中心,Rc为根冠。

2.8 对成龄期槟榔根系活力的影响

从图8可以看出,处理后7 d,0.016 mol/L草甘膦、0.013 mol/L草铵膦处理的根系活力下降,与对照(清水)差异显著;处理后14 d,0.013 mol/L草铵膦处理的根系活力继续下降,而0.016 mol/L草甘膦处理的根系活力上升,且与对照(清水)差异显著;处理后21、28 d,0.016 mol/L草甘膦、0.013 mol/L草铵膦处理的根系活力均上升,0.013 mol/L草铵膦处理与0.016 mol/L草甘膦处理、对照(清水)差异显著。0.016 mol/L草甘膦处理的根系活力在处理后7 d降至最低;而0.013 mol/L草铵膦处理的根系活力在处理后14 d降至最低,之后又逐渐上升。

图8 草甘膦和草铵膦分别处理对成龄期槟榔气生根根系活力和死亡数的影响

2.9 对成龄期槟榔气生根死亡数的影响

从图8可以看出,处理后7 d,0.013 mol/L草铵膦处理的气生根死亡数增加,与0.016 mol/L草甘膦处理差异达显著;处理后14 d,0.016 mol/L草甘膦处理的气生根死亡数达最大,与其他两个处理差异显著;处理后28 d,0.013 mol/L草铵膦处理的气生根死亡数上升至最大,与对照(清水)差异显著。

3 讨论与结论

根系是植物生长的基础,也是植物营养吸收的主要器官。除草剂防除杂草的同时也会给非靶标作物造成伤害,抑制植物根系生长发育,进而影响植物生长[25]。大量研究表明,除草剂浓度超过植物的耐受范围会导致叶片变黄,根部干鲜质量下降,且除草剂浓度越高抑制越明显[26]。本试验中,喷施除草剂对幼龄期槟榔的根系干鲜质量、白根数量和表面积等生长指标都有一定的抑制作用。冯淇[27]研究指出,喷施除草剂对崧蓝幼苗根长和根系干鲜质量等生长指标具有一定程度的抑制作用,且随着除草剂处理浓度增加则抑制越明显。李志华等[28]研究表明,喷施不同浓度除草剂对高粱芽苗的根长及根系干质量具有抑制作用。冯艳[29]研究表明,喷施除草剂对棉花根系生长有显著的抑制,且随着除草剂处理浓度的增加,抑制越明显。周晶等[30]研究也表明,喷施除草剂对水稻直播秧苗的白根数具有抑制作用。这些研究结果表明,喷施除草剂能够抑制植物根系生长,与本试验研究结果一致。

根系活力是衡量植物根系功能的主要指标之一。本试验中,喷施草甘膦和草铵膦会使槟榔根系活力降低,抑制槟榔根系生长。张小龙等[31]研究表明,除草剂胁迫降低苎麻根系活力,且除草剂浓度越高抑制越明显。王学贵等[32]研究表明,施用草甘膦及百草枯除草剂降低了三叶草的根系活力,抑制根系生长,起到防除杂草的作用。本试验中,草甘膦、草铵膦导致槟榔气生根农药残留,抑制气生根的伸长及增粗,进而导致气生根死亡。王丽丽[33]研究表明,喷施除草剂会增加药用植物根系的农药残留量。张永志[34]研究也表明,施用除草剂会造成茶树体内农药残留。这些研究结果表明,施用除草剂能够造成植株体农药残留,破坏植株内部组织结构,使植株根系活力下降,导致气生根死亡数上升,进而影响植株生长。随着除草剂浓度增加,供试槟榔气生根农药残留量升高,破坏了气生根组织结构,使表皮组织变硬,内皮层排列稀疏,抑制气生根伸长与增粗;同时增加气生根死亡数量,进而影响根系生长。

本研究中,幼龄期槟榔根系以直径0～1.5 mm根系为主,数量占总根的88%以上,表面积占总根的63%以上。喷施草甘膦和草铵膦显著降低槟榔幼苗根系鲜干质量、白色吸收根比例、吸收根活力。对于成龄期槟榔气生根,喷施草甘膦和草铵膦均引起气生根药剂残留,且农残量随施用浓度增加而增加。喷施草甘膦和草铵膦阻碍了成龄期槟榔气生根发育,草甘膦处理后14 d气生根死亡数达到最高,草铵膦处理后28 d达到最高。草铵膦损害了气生根组织结构,使新根内皮层排列稀疏,表皮组织厚度增加,木栓化程度加深,导致根表皮细胞大量死亡,抑制了气生根伸长与增粗。研究结果表明,草甘膦和草铵膦导致槟榔根系木栓化,加速根系死亡,从而抑制其根系生长与发育,槟榔生产中应慎用这两种除草剂。