外源硒礦粉對谷子保護酶活性、產量和籽粒中硒含量的影響

張宇杰, 郭平毅, 郭美俊, 周浩, 原向陽, 董淑琦, 王玉國

(山西農業大學農學院, 山西 太谷 030801)

硒(selenium, Se)是生物機體必需的一種微量元素[1]，其含量只占人體重的萬分之一以下，但在人體機能中發揮著極其重要的作用，具有增強免疫力、抗氧化、防衰老等作用[2-4]。硒參與植物光合和呼吸作用的調節和控制，增強植物的抗逆性，促進植物生長，還可以一定程度提高作物產量[5-7]。我國的硒缺乏程度極其嚴重，低于世界平均水平[8]。天然生長的植物所提供的硒元素無法滿足人們日常生活所需的最小量，從而需要通過合理利用富硒肥得到富硒產品，以滿足硒供應要求[9]。針對土壤中缺少硒元素的地區，主要通過葉面施肥和土壤施肥來增加作物硒元素含量[10]。

谷子在北方旱糧作物中僅次于小麥、玉米，是數千年來華夏民族的傳統主糧和哺育作物[11]。谷類作物作為維持人體正常生理活動的硒元素來源，提供了人類膳食結構中所需硒元素的70%～80%[12]。研究發現，硒對作物生長和發育有一定影響，通過葉面噴施Na2SeO3可以顯著提高小麥[13-15]、水稻[16]、谷子[17-18]的抗氧化能力、產量和品質，Na2SeO3濃度過高則會起到抑制作用。但是Na2SeO3有一定毒性且性質不穩定，易污染環境。在煙草[19]、玉米[20]、水稻[21]中研究發現，施用硒礦粉可以提高作物光合特性、產量和品質。然而，目前關于硒礦粉對谷子生長影響的研究報道較少。鑒于此，本研究以谷子為試驗材料，采用大田試驗，研究了土壤基施富硒礦粉對谷子各生育期生理特性的影響，以及對谷子產量和籽粒中硒含量的影響，以期確定硒礦粉的最佳施用量，為種植生產富硒谷子提供更加詳實的科學依據和理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試谷子品種：晉谷21號，由山西省農業科學院經濟作物研究所提供；張雜谷10號，由河北省農林科學院提供。

供試藥劑：硒礦粉由河北硒金農業科技有限公司提供，全硒含量380.0 mg·kg-1。

供試土壤：試驗田土壤為碳酸鹽褐土。0—20 cm土層土壤肥力情況如下，pH 8.36、總硒含量0.15 mg·kg-1、有機質16.59 g·kg-1、全鹽量0.056 6 g·kg-1、堿解氮48.76 g·kg-1、有效磷19.11 mg·kg-1、速效鉀149.1 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗在山西農業大學試驗基地申奉村進行，采用完全隨機區組設計。試驗共設置4個處理，硒礦粉施用量分別為 0(CK)、197.4(T1)、394.8(T2)、789.45 kg·hm-2(T3)。每個處理3次重復，共24個小區。小區面積為30 m2(長5 m×寬6 m)。硒礦粉在谷子播種前均勻地撒于試驗田，并與0—10 cm的表層土壤混合均勻。2019年5月20日播種，出苗后進行統一田間管理，10月15日收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1生理指標測定在每個小區選取10株，分別于谷子拔節期、抽穗期、灌漿期采集谷子倒二葉鮮樣進行生理指標測定。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)參照NBT法測定；過氧化物酶(peroxidase, POD)活性采用愈創木酚法測定；過氧化氫酶(catalase ,CAT)測定；丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量采用硫代巴比妥酸法進行測定[22]。

1.3.2產量構成測定待谷子成熟后，從每個處理的小區選取長勢均勻的6株谷子，測量其穗重、穗粒重、千粒重；單獨收取每個小區的所有谷子，脫粒風干后，計算產量。

1.3.3硒含量測定采用原子熒光法。取0.5 g干樣，加入5 mL混合消化液(4 mL HNO3+1 mL HClO4)，180～200 ℃消化2 h，冷卻后再加10 mL 4 mol·L-1的HCl還原10 min，蒸餾水定容，用氫化物發生-原子熒光光譜法測定總硒含量[23]。

1.4 數據分析

采用Excel 2019和SPSS24.0軟件進行數據處理、統計和制圖，顯著性采用單因素方差分析鄧肯(Duncan)法。

2 結果與分析

2.1 外源硒礦粉對谷子保護酶活性的影響

2.1.1外源硒礦粉對谷子SOD活性的影響從圖1可以看出，隨著硒礦粉施用量的增加，谷子葉片SOD活性呈現先上升后降低的趨勢。施硒量在T2處理時，谷子的SOD活性最好。T2處理下，拔節期張雜谷10號和晉谷21號較對照分別增加了23.05%、24.50%，抽穗期較對照分別增加了28.17%、42.11%，灌漿期較對照分別增加了19.03%、12.58%。

注: 同一時期不同小寫字母表示在P<0.05水平差異顯著。

2.1.2外源硒礦粉對谷子POD活性的影響由圖2可知，施用硒礦粉可以提高晉谷21號和張雜谷10號葉片的POD活性。兩個品種在T2處理下葉片POD活性均達到最高值，且差異顯著。T2處理下，張雜谷10號在拔節期、抽穗期、灌漿期葉片POD活性增加幅度分別為25.01%、28.60%、23.48%；晉谷21號增加幅度分別為33.03%、48.86%、43.00%。

注: 同一時期不同小寫字母表示在P<0.05水平差異顯著。

2.1.3外源硒礦粉對谷子CAT活性的影響圖3結果顯示，通過土壤施用硒礦粉，可以顯著提高谷子葉片CAT活性。T2處理下，晉谷21號和張雜谷10號在各生育期的葉片CAT含量均達到峰值。在T2處理時，晉谷21號在拔節期CAT活性增加了33.74%，張雜谷10號增加了30.51%；抽穗期CAT含量與對照相比分別增加了38.80%和30.89%；灌漿期CAT含量分別上升了24.01%、23.63%。兩個谷子品種均在抽穗期CAT含量增加幅度最大。

注: 同一時期不同小寫字母表示在P<0.05水平差異顯著。

2.1.4外源硒礦粉對谷子MDA含量的影響由圖4可知，土壤施用硒礦粉可以顯著降低谷子葉片中MDA含量。晉谷21號和張雜谷10號MDA含量在T2處理下達到最低值。T2處理下，拔節期晉谷21號和張雜谷10號在MDA含量分別下降了17.18%、37.74%；抽穗期MDA含量分別下降了17.18%、11.21%；灌漿期分別降低了8.00%、22.10%。由此可見，土壤施用硒礦粉后谷子在拔節期葉片的MDA含量變化幅度最大，張雜谷10號比晉谷21號MDA含量更低。

注: 同一時期不同小寫字母表示在P<0.05水平差異顯著。

2.2 外源硒礦粉對谷子產量性狀的影響

由表1可知，不同濃度硒處理下，晉谷21號和張雜谷10號的千粒重、穗重和穗粒重與對照相比均存在著一定差異。這種差異在T2處理下表現最為顯著，在T2處理后，晉谷21號穗重、穗粒重和千粒重明顯均高于對照，與對照組差異達到極顯著水平。張雜谷10號在T2處理后穗重、穗粒重和千粒重均高于對照組，與對照組差異達到顯著水平。說明土壤基施硒礦粉對谷子穗重、穗粒重和千粒重均有明顯的促進作用。結果表明，施用適量外源硒可以提高谷子產量，但是隨著硒處理濃度的升高，其增產效果會降低。張雜谷10號和晉谷21號在施用不同濃度硒礦粉后其產量都顯著高于對照，且都在T2處理時的產量達到最大值，晉谷21號產量達到4 654.35 kg·hm-2，比對照增產8.64%；張雜谷10號產量達到4 634.55 kg·hm-2，比對照增產6.64%。由此得出，晉谷21號比張雜谷10號影響更明顯。

表1 外源硒礦粉對谷子產量的影響

2.3 外源硒礦粉對谷子籽粒中硒含量的影響

圖5顯示，谷子籽粒中總硒含量隨著施硒濃度的增加呈現上升趨勢。張雜谷10號經過施用硒礦粉處理后，籽粒中硒含量分別達到了0.062、0.125、0.166 mg·kg-1，比對照組分別提高了1.1倍、3.2倍和4.6倍；晉谷21號籽粒中的硒含量分別達到了0.064、0.131、0.169 mg·kg-1，與對照相比分別提高了1.2倍、3.5倍和4.8倍，均在國家標準糧食硒含量范圍內(硒含量在0.1～0.3 mg·kg-1為正常)。由此可見，T3處理時籽粒硒含量在處理間增幅最大。

注: 同一品種不同小寫字母表示在P<0.05水平差異顯著。

3 討論

3.1 硒與保護酶

硒具有通過影響酶活性進而對作物生長進行調節的生物學特性[24]。本研究結果表明，隨著硒礦粉用量的增加，各生育期谷子葉片的SOD、POD、CAT酶活性均呈現先上升后降低的趨勢。與王永會等[25]在谷子上的研究結果相似。說明外源硒可以顯著提高谷子葉片的保護酶活性，增強谷子的抗氧化作用，提高了谷子生長發育過程中抗逆性。有研究發現，硒濃度過高會對小麥生長發育產生輕微毒害，產生抑制作用[15]。本研究中硒礦粉施用量過高時，谷子保護酶活性降低，可能是因為硒濃度過高對植株的抗氧化能力產生了抑制作用。研究發現，谷子葉片的SOD、POD、CAT活性均在抽穗期增幅最大，抽穗期是谷子對水、肥吸收的高峰期，也是開花結實的決定期，此結果與穆婷婷等[18]的研究結果相似。本研究表明，施用硒礦粉顯著減低了谷子葉片中MDA含量，兩個品種的谷子均在T2處理時表現最佳，并且在拔節期減幅最大。MDA是膜脂過氧化的主要產物，MDA含量降低說明硒元素可減弱膜脂過氧化作用。試驗結果與Nawaz等[14]、趙薇等[26]對小麥、葡萄的研究報道一致。因此，施用硒礦粉對谷子抗氧化方面有著重要的作用。

3.2 硒與產量

本研究結果表明，在合適劑量范圍內，土壤施用硒礦粉不僅可以提高谷子產量，而且可以提高谷子穗重、穗粒重和千粒重，說明施用外源硒可以提高谷子千粒重、穗粒重和穗重，從而促進產量的增加。原因主要是適量施硒能增加土壤有效硒含量，有利于土壤有效磷、鉀含量的提高，改善土壤肥力，從而影響作物對養分的吸收利用[27]。這與穆婷婷等[18]、郭美俊等[28]對谷子的研究結果一致。但當硒礦粉施用量達到789.45 kg·hm-2，產量性狀呈現降低的趨勢，其原因可能是硒礦粉施用量過高，對土壤結構有一定的破壞。劉慶等[20]研究表明，施用硒礦粉對玉米生物量與籽粒產量無顯著影響，這可能與作物種類、土壤理化性狀等不同有關。

3.3 硒與籽粒硒含量

植物對硒的吸收受土壤類型、硒肥品種、施硒方式、施硒時間和施硒濃度和施硒量等多種因素的影響，與葉面噴施相比，通過土壤施硒提高作物籽粒硒含量需要施用更多的硒，但在施硒量的選擇上，應在保證作物正常生長發育的基礎上，根據作物可食部位硒含量與目標產量最終確定[29-30]。土壤施硒量介于0～789.45 kg·hm-2時，谷子籽粒硒含量與施硒量間呈正相關，施用硒礦粉增加了土壤硒含量和谷子硒營養，加速了谷子對硒的吸收轉化。在T3處理(789.45 kg·hm-2)時籽粒硒含量達到了最大值。但是研究發現，當施硒量大于T2處理時，谷子籽粒中硒含量增幅開始趨于平穩，這與穆婷婷等[18]、史麗娟等[31]、楊益花等[32]的研究結果基本一致。

本研究還發現，雖然谷子籽粒中的硒含量隨著硒礦粉的施用量有相應增加，但總體上硒的利用率仍低于前人研究結果，主要的原因是本研究中硒源為富硒礦粉，富硒礦粉與其他形態硒源相比，緩效或遲效形態的硒所占比例較大[33]。有研究發現，硒礦粉通過根系施肥，具有速效和緩效的雙重作用，硒肥中的有效硒可以被植物直接吸收，非有效硒可以被空氣和土壤中的微生物轉化成有效硒，可被植物長期利用，有效期長達2～3年[34]。李鳳鳴等[35]研究了不同硒源對小麥生長及硒吸收分配和玉米后效的影響發現，硒礦粉對作物生長的改善能力最強，而且硒礦粉在玉米中的相對有效性明顯高于硒酸鹽和亞硒酸鹽。