增施生物炭對灌漿期低溫脅迫下晚稻抗氧化酶活性和產量的影響

龍俊江 祝孟洋 周丁香 郭章亮 徐華勤 童治軍,2

（1湖南農業大學 農學院，長沙 410128；2平江縣農業農村局，湖南 平江 414500；第一作者：1769092017@qq.com；*通信作者：247157028@qq.com）

低溫脅迫是影響水稻產量的重要環境脅迫之一[1]。湖南是我國雙季稻重要產區[2]，在晚稻生長的9 月下旬常會出現“寒露風”等低溫天氣[3]，晚稻灌漿期受“寒露風”影響，其結實率和粒質量下降，造成嚴重減產[4-5]。研究表明，“寒露風”持續時間每增加1 d，晚稻結實率下降0.40%~3.00%[6]。因此，降低“寒露風”等低溫天氣造成的晚稻產量損失對保障我國糧食安全具有重要意義。

生物炭在提升土壤肥力、促進植物生長等方面具有較好效果[7-8]。研究表明，生物炭能夠提高水稻葉綠素含量、氮素利用率和干物質積累等，并且能夠增加水稻穗數和結實率等，從而提高水稻產量[9-11]。此外，生物炭還能夠通過提高水稻等植物的抗氧化酶活性來增強植株對重金屬、鹽、干旱等脅迫的耐受性[12-14]。有研究發現，生物炭能夠提高水稻幼苗在低溫脅迫下的抗寒性。YUAN 等[15]研究發現，生物炭浸出液可能存在某些能夠增加水稻秧苗抗寒性的小分子物質。祝孟洋等[16]直接應用生物炭提高了低溫下水稻秧苗素質。但生物炭是否能夠提高晚稻低溫脅迫下的耐受性尚不清楚。因此，本試驗研究了增施生物炭對灌漿期低溫脅迫下晚稻抗氧化酶和產量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

盆栽試驗于2021 年在湖南農業大學校內基地進行。供試水稻品種為泰優390 和湘晚秈1 號。盆栽桶上直徑22.5 cm、下直徑18.0 cm、高29.0 cm。土壤取自湖南農業大學耘園基地水稻田，土壤有機質20.02 g/kg、全氮6.67 g/kg、全磷0.45 g/kg、全鉀4.89 g/kg、pH 值6.2，每盆裝風干土8.0 kg。生物炭為購自河南立澤環?？萍脊旧a的玉米秸稈生物炭，理化性質：有機碳410.89 g/kg、全氮8.51 g/kg、全磷2.34 g/kg、全鉀15.76 g/kg、pH 值10.41。

1.2 試驗設計

6 月26 日播種，育秧盤育秧，7 月22 日移栽，每盆移栽2 叢，每叢2 株秧苗。試驗設3 個施肥處理（NPK，常規施肥；NPK+BC，常規施肥+增施土壤質量5%的生物炭，即400 g 生物炭；NPK+，常規施肥+增施化肥，增施與400 g 生物炭中N、P、K 含量相等的化肥）和2 個灌漿期溫度處理（常溫和低溫，低溫處理日均溫度為17 ℃），每個處理3 次重復，共36 盆水稻。

NPK、NPK+和NPK+BC 處理的常規施肥部分為當地常規施肥量，即純N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，折算后每桶施用尿素1.54 g、過磷酸鈣（15%）2.4 g、氯化鉀1.14 g。氮肥和鉀肥按照基肥∶分蘗肥=1∶1 施入，磷肥作基肥一次性施用。NPK+和NPK+BC 處理增施的化肥和生物炭均作基肥一次性施入。灌漿期常溫為環境溫度，即將水稻放置在通風的大棚內。根據湖南省地方標準《氣象災害術語和分級》中的重度寒露風等級設定低溫，具體操作為人工氣候室設置日均溫17 ℃（每日6∶00—18∶00，19 ℃；其余時間，15 ℃；濕度70%，光照強度40 000 lx）。在灌漿期對水稻進行7 d 的低溫處理。低溫處理后的水稻放回大棚內原位置。于灌漿期低溫處理結束后和成熟期進行破壞性取樣。病蟲害防治和水分管理參照大田常規方法。晚稻生長期內沒有出現自然極端低溫天氣。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 抗氧化酶活性和丙二醛含量

在低溫處理結束后，對常溫處理和低溫處理的水稻劍葉和根系取樣，每個處理3 盆。取下的樣品用液氮保存轉運至實驗室之后，存于-80 ℃冰箱。POD 活性采用愈創木酚法測定[17]；SOD 活性采用氮藍四唑法測定[17]；CAT 活性采用過氧化氫法測定[18]。MDA 含量采用硫代巴比妥法測定[17]。

1.3.2 產量與產量構成因素

在水稻成熟后，每個處理取3 盆測定產量及產量構成因子（有效穗數、每穗總粒數、結實率和千粒重）。

1.4 數據處理與分析

用Microsoft Excel 2020 進行數據處理。用SPSS 20進行方差分析和相關性分析，多重比較采用LSD 法。

2 結果與分析

2.1 不同處理對晚稻產量及產量構成因子的影響

2.1.1 對產量的影響

由表1 可知，品種、溫度、施肥，以及溫度與施肥的交互作用極顯著影響產量，品種、溫度與施肥的交互作用顯著影響產量；泰優390 和湘晚秈1 號的產量在低溫下的減產幅度均表現為NPK+BC＜NPK＜NPK+，且3個施肥處理間存在顯著差異。與灌漿期常溫相比，灌漿期低溫下泰優390 和湘晚秈1 號的產量分別下降了35.85%和27.70%。在灌漿期低溫下泰優390 不同施肥處理的產量表現為NPK+BC＞NPK+＞NPK，NPK+BC 處理的產量分別比NPK+和NPK 處理高8.67%和57.98%。在灌漿期低溫下湘晚秈1 號不同施肥處理的產量亦表現為NPK+BC＞NPK+＞NPK，且3 個施肥處理間存在顯著差異，NPK+BC 的產量分別比NPK+和NPK處理高16.76%和71.31%。

表1 不同施肥處理和灌漿期溫度對晚稻產量的影響

2.1.2 對產量構成因子的影響

由表2 可知，品種和施肥對有效穗數和每穗總粒數有極顯著影響，且二者的交互作用顯著影響有效穗數和每穗總粒數。泰優390 在灌漿期常溫和低溫下的有效穗數均表現為NPK+BC＞NPK+＞NPK，且3 個施肥處理間存在顯著差異。湘晚秈1 號在灌漿期常溫和低溫下的有效穗數表現為NPK+BC＞NPK+＞NPK，NPK+BC 和NPK+處理顯著高于NPK 處理。3 個施肥處理對灌漿期常溫下泰優390 的每穗總粒數無顯著影響，在灌漿期低溫下NPK+BC 處理的每穗總粒數顯著高于NPK 處理。湘晚秈1 號在灌漿期常溫和低溫下的每穗總粒數均是NPK+處理最高，且顯著高于NPK 和NPK+BC 處理。

表2 不同施肥處理和灌漿期溫度對晚稻產量構成的影響

品種、溫度和施肥對結實率有極顯著影響，溫度和施肥的交互作用亦極顯著影響結實率。與灌漿期常溫相比，灌漿期低溫下泰優390 和湘晚秈1 號的結實率分別下降33.65%和26.07%。泰優390 的3 個施肥處理在常溫下結實率無顯著差異，而在低溫下存在顯著差異，以NPK+BC 處理最高，分別比NPK+和NPK 處理高42.07%和22.72%。湘晚秈1 號在常溫下和低溫下的結實率均表現為NPK+BC 顯著高于NPK+和NPK 處理，常溫下分別高10.22%和12.52%，低溫下分別高40.53%和21.13%。

溫度和施肥對千粒重有極顯著影響。與灌漿期常溫相比，灌漿期低溫下泰優390 和湘晚秈1 號的千粒重分別降低6.89%和2.49%。灌漿期常溫下和低溫下泰優390 和湘晚秈1 號的千粒重均以NPK+處理最高。

2.1.3 灌漿期低溫脅迫下水稻產量、產量下降幅度與產量構成因素相關性分析

由表3 可知，在灌漿期低溫脅迫下，水稻產量與有效穗數和每穗粒數呈極顯著或顯著正相關，與結實率和千粒重相關性不顯著。產量下降幅度與結實率極顯著負相關，而與有效穗數、每穗粒數相關性不顯著。

表3 灌漿期低溫脅迫下產量、產量下降幅度與產量構成因素的相關性分析

2.2 不同處理對抗氧化酶活性和MDA 含量的影響

2.2.1 對劍葉抗氧化酶活性和MDA 含量的影響

由表4 可知，溫度、施肥以及溫度與施肥的交互作用對劍葉POD、SOD、CAT 酶活性及MDA 含量均有極顯著影響，品種、溫度和施肥的交互作用極顯著影響劍葉MDA 含量。與灌漿期常溫相比，灌漿期低溫下泰優390 的劍葉POD、SOD 和CAT 酶活性以及MDA 含量分別提高了37.45%、9.47%、22.25%和253.80%，湘晚秈1 號的POD 和CAT 酶活性以及MDA 含量分別提高了24.52%、30.82%和117.45%。灌漿期低溫下2 個品種NPK+BC 處理劍葉POD、SOD 和CAT 酶活性均顯著高于NPK+和NPK 處理，MDA 含量均顯著低于NPK+和NPK 處理。與NPK+和NPK 處理相比，灌漿期低溫下泰優390 的NPK+BC 處理的劍葉POD、SOD 和CAT 酶活性分別提高了47.05%和35.96%、6.36%和5.40%、9.62%和12.28%，MDA 含量則分別下降了55.62%和28.01%；而湘晚秈1 號則分別提高了35.14%和72.54%、18.75%和16.81%、10.24%和16.50%，及分別下降了27.17%和38.14%。

表4 不同施肥處理和灌漿期溫度對晚稻劍葉抗氧化酶活性和MDA 含量的影響

2.2.2 對根系抗氧化酶活性和MDA 含量的影響

由表5 可知，品種、溫度和施肥對根系POD、SOD和CAT 酶活性以及MDA 含量有顯著影響，而溫度與施肥的交互作用對POD、CAT 酶活性以及MDA 含量有極顯著影響，品種、溫度和施肥的交互作用極顯著影響根系POD 酶活性及MDA 含量。與灌漿期常溫相比，灌漿期低溫下泰優390 根系的POD、SOD、CAT 酶活性以及MDA 含量分別提高了19.56%、22.75%、33.22%和303.67%，湘晚秈1 號則分別提高了20.51%、18.49%、27.90%和398.05%。在灌漿期低溫下，2 個品種NPK+BC 處理的根系POD、SOD 和CAT 酶活性均顯著高于NPK+和NPK 處理，泰優390 的NPK+BC 處理根系MDA 含量均顯著低于NPK+和NPK 處理，湘晚秈1 號NPK+BC 處理根系MDA 含量均低于NPK+和NPK 處理，但只與NPK+處理存在顯著差異。與NPK+和NPK處理相比，灌漿期低溫下泰優390 的NPK+BC 處理根系POD、SOD 和CAT 酶活性分別提高8.67%和42.19%、34.59%和26.33%、19.35%和14.81%，MDA 含量分別下降47.32%和23.96%，而湘晚秈1 號分別提高87.86%和71.59%、15.35%和9.63%、47.62%和18.37%，及分別下降29.17%和3.04%。

3 討論與結論

水稻產量形成不僅存在品種間差異，還受到環境因素和農藝措施的影響[19-21]。本試驗結果表明，灌漿期低溫顯著降低了2 個晚稻品種的產量。相關分析表明，在灌漿期低溫脅迫下，產量與有效穗數呈極顯著正相關，與每穗粒數呈顯著正相關，但低溫對2 個水稻品種有效穗數和每穗總粒數影響較小。本研究發現，低溫顯著降低了泰優390 和湘晚秈1 號的結實率，并且產量下降幅度與結實率極顯著負相關。這表明灌漿期低溫脅迫主要是降低結實率，造成水稻減產，可能是灌漿期低溫脅迫會抑制水稻光合作用、籽粒灌漿和碳氮代謝相關酶活性所導致[22]。張誠信[23]指出，灌漿期低溫脅迫降低了水稻結實率和粒質量，從而造成水稻減產。但本研究結果表明，低溫只降低了泰優390 的千粒重，而對湘晚秈1 號的千粒重無明顯影響。雖然低溫下泰優390 的產量要高于湘晚秈1 號，但與常溫下的產量相比，其產量下降幅度更大，這可能與不同品種對低溫的耐受性存在差異有關[24]。

植物在經歷脅迫時，會產生活性氧氧化膜脂，生成MDA。同時，植物會通過提高抗氧化酶活性來清除活性氧，減少細胞損傷[25-26]。本研究中，與灌漿期常溫相比，泰優390 和湘晚秈1 號劍葉和根系的POD 和CAT 酶活性在灌漿期低溫脅迫下均提高。劉濤等[27]同樣發現，水稻在低溫脅迫下會提高抗氧化酶活性，抵抗低溫脅迫。

生物炭已被證明能夠提高水稻氮素利用、有效穗數和結實率等，從而提高水稻產量[9-11,28]。本研究發現，灌漿期常溫下，增施生物炭后與常規施肥處理相比水稻產量提高，與FAHAD 等[29]的研究結果類似，但低于增施等N、P、K 量的化肥處理，可能與生物炭所含養分釋放緩慢有關[30]。在灌漿期低溫下，NPK+BC 處理的產量高于NPK+處理，并且NPK+BC 處理的產量下降幅度顯著低于NPK+處理，這表明生物炭能夠提高水稻對灌漿期低溫的抗性，并且可能不是由其自身所攜帶的養分導致的。本研究還發現，灌漿期低溫下增施生物炭水稻產量下降幅度與結實率極顯著負相關，表明增施生物炭減少低溫造成產量損失的主要原因可能與提高灌漿期低溫下晚稻結實率有關，與CHEN 等[31]結果類似。

施用生物炭能夠增強抗氧化酶活性，幫助植物提高脅迫耐受性[12]。本研究發現，在灌漿期低溫脅迫下，NPK+BC 處理的2 個水稻品種劍葉和根系中的POD、SOD 和CAT 酶活性要顯著高于NPK 和NPK+處理，且其MDA 含量最低。說明生物炭能提高水稻在低溫脅迫下抗氧化酶活性和降低MDA 含量，增強水稻對低溫脅迫的抗性。BAMAGOOS 等[32]發現，生物炭可以提高水稻葉片和木質部的抗氧化酶活性和降低MDA 含量，增強水稻對低溫脅迫的耐受性，這與本研究結果類似。生物炭能夠提高水稻對灌漿期低溫脅迫的抗性可能是由于生物炭中的某些有機小分子物質可以調控水稻脫落酸合成途徑[33]，而脫落酸能夠調節作物抗氧化酶活性，增強水稻的抗寒性[34-35]。

綜上所述，灌漿期低溫脅迫造成了晚稻減產，增施生物炭可以提高灌漿期低溫脅迫下晚稻抗氧化酶活性和結實率，從而減少產量損失。因此，施基肥時增施生物炭有可能是一種緩解晚稻灌漿期低溫脅迫的有效措施，但其機理機制還有待進一步研究。