龍俊江 祝孟洋 周丁香 郭章亮 徐華勤 童治軍,2

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，長沙 410128；2平江縣農(nóng)業(yè)農(nóng)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(chǎn)量的重要環(huán)境脅迫之一[1]。湖南是我國雙季稻重要產(chǎn)區(qū)[2]，在晚稻生長的9 月下旬常會(huì)出現(xiàn)“寒露風(fēng)”等低溫天氣[3]，晚稻灌漿期受“寒露風(fēng)”影響，其結(jié)實(shí)率和粒質(zhì)量下降，造成嚴(yán)重減產(chǎn)[4-5]。研究表明，“寒露風(fēng)”持續(xù)時(shí)間每增加1 d，晚稻結(jié)實(shí)率下降0.40%~3.00%[6]。因此，降低“寒露風(fēng)”等低溫天氣造成的晚稻產(chǎn)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(jìn)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(zhì)積累等，并且能夠增加水稻穗數(shù)和結(jié)實(shí)率等，從而提高水稻產(chǎn)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(qiáng)植株對重金屬、鹽、干旱等脅迫的耐受性[12-14]。有研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，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(zhì)。祝孟洋等[16]直接應(yīng)用生物炭提高了低溫下水稻秧苗素質(zhì)。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(yàn)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(chǎn)量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

盆栽試驗(yàn)于2021 年在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)基地進(jìn)行。供試水稻品種為泰優(yōu)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(nóng)業(yè)大學(xué)耘園基地水稻田，土壤有機(jī)質(zhì)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(fēng)干土8.0 kg。生物炭為購自河南立澤環(huán)?？萍脊旧a(chǎn)的玉米秸稈生物炭，理化性質(zhì)：有機(jī)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(yàn)設(shè)計(jì)

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(yàn)設(shè)3 個(gè)施肥處理（NPK，常規(guī)施肥；NPK+BC，常規(guī)施肥+增施土壤質(zhì)量5%的生物炭，即400 g 生物炭；NPK+，常規(guī)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(gè)灌漿期溫度處理（常溫和低溫，低溫處理日均溫度為17 ℃），每個(gè)處理3 次重復(fù)，共36 盆水稻。

NPK、NPK+和NPK+BC 處理的常規(guī)施肥部分為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)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(huán)境溫度，即將水稻放置在通風(fēng)的大棚內(nèi)。根據(jù)湖南省地方標(biāo)準(zhǔn)《氣象災(zāi)害術(shù)語和分級》中的重度寒露風(fēng)等級設(shè)定低溫，具體操作為人工氣候室設(shè)置日均溫17 ℃（每日6∶00—18∶00，19 ℃；其余時(shí)間，15 ℃；濕度70%，光照強(qiáng)度40 000 lx）。在灌漿期對水稻進(jìn)行7 d 的低溫處理。低溫處理后的水稻放回大棚內(nèi)原位置。于灌漿期低溫處理結(jié)束后和成熟期進(jìn)行破壞性取樣。病蟲害防治和水分管理參照大田常規(guī)方法。晚稻生長期內(nèi)沒有出現(xiàn)自然極端低溫天氣。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 抗氧化酶活性和丙二醛含量

在低溫處理結(jié)束后，對常溫處理和低溫處理的水稻劍葉和根系取樣，每個(gè)處理3 盆。取下的樣品用液氮保存轉(zhuǎn)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室之后，存于-80 ℃冰箱。POD 活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[17]；SOD 活性采用氮藍(lán)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(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素

在水稻成熟后，每個(gè)處理取3 盆測定產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子（有效穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2020 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。用SPSS 20進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，多重比較采用LSD 法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對晚稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

2.1.1 對產(chǎn)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(chǎn)量，品種、溫度與施肥的交互作用顯著影響產(chǎn)量；泰優(yōu)390 和湘晚秈1 號的產(chǎn)量在低溫下的減產(chǎn)幅度均表現(xiàn)為NPK+BC＜NPK＜NPK+，且3個(gè)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(yōu)390 和湘晚秈1 號的產(chǎn)量分別下降了35.85%和27.70%。在灌漿期低溫下泰優(yōu)390 不同施肥處理的產(chǎn)量表現(xiàn)為NPK+BC＞NPK+＞NPK，NPK+BC 處理的產(chǎn)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(chǎn)量亦表現(xiàn)為NPK+BC＞NPK+＞NPK，且3 個(gè)施肥處理間存在顯著差異，NPK+BC 的產(chǎn)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(chǎn)量的影響

2.1.2 對產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

由表2 可知，品種和施肥對有效穗數(shù)和每穗總粒數(shù)有極顯著影響，且二者的交互作用顯著影響有效穗數(shù)和每穗總粒數(shù)。泰優(yōu)390 在灌漿期常溫和低溫下的有效穗數(shù)均表現(xiàn)為NPK+BC＞NPK+＞NPK，且3 個(gè)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(shù)表現(xiàn)為NPK+BC＞NPK+＞NPK，NPK+BC 和NPK+處理顯著高于NPK 處理。3 個(gè)施肥處理對灌漿期常溫下泰優(yōu)390 的每穗總粒數(shù)無顯著影響，在灌漿期低溫下NPK+BC 處理的每穗總粒數(shù)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(shù)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(chǎn)量構(gòu)成的影響

品種、溫度和施肥對結(jié)實(shí)率有極顯著影響，溫度和施肥的交互作用亦極顯著影響結(jié)實(shí)率。與灌漿期常溫相比，灌漿期低溫下泰優(yōu)390 和湘晚秈1 號的結(jié)實(shí)率分別下降33.65%和26.07%。泰優(yōu)390 的3 個(gè)施肥處理在常溫下結(jié)實(shí)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(jié)實(shí)率均表現(xiàn)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(yōu)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(yōu)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(chǎn)量、產(chǎn)量下降幅度與產(chǎn)量構(gòu)成因素相關(guān)性分析

由表3 可知，在灌漿期低溫脅迫下，水稻產(chǎn)量與有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)呈極顯著或顯著正相關(guān)，與結(jié)實(shí)率和千粒重相關(guān)性不顯著。產(chǎn)量下降幅度與結(jié)實(shí)率極顯著負(fù)相關(guān)，而與有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)相關(guān)性不顯著。

表3 灌漿期低溫脅迫下產(chǎn)量、產(chǎn)量下降幅度與產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)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(yōu)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(gè)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(yōu)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(yōu)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(gè)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(yōu)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(yōu)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(jié)論

水稻產(chǎn)量形成不僅存在品種間差異，還受到環(huán)境因素和農(nóng)藝措施的影響[19-21]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，灌漿期低溫顯著降低了2 個(gè)晚稻品種的產(chǎn)量。相關(guān)分析表明，在灌漿期低溫脅迫下，產(chǎn)量與有效穗數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與每穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，但低溫對2 個(gè)水稻品種有效穗數(shù)和每穗總粒數(shù)影響較小。本研究發(fā)現(xiàn)，低溫顯著降低了泰優(yōu)390 和湘晚秈1 號的結(jié)實(shí)率，并且產(chǎn)量下降幅度與結(jié)實(shí)率極顯著負(fù)相關(guān)。這表明灌漿期低溫脅迫主要是降低結(jié)實(shí)率，造成水稻減產(chǎn)，可能是灌漿期低溫脅迫會(huì)抑制水稻光合作用、籽粒灌漿和碳氮代謝相關(guān)酶活性所導(dǎo)致[22]。張誠信[23]指出，灌漿期低溫脅迫降低了水稻結(jié)實(shí)率和粒質(zhì)量，從而造成水稻減產(chǎn)。但本研究結(jié)果表明，低溫只降低了泰優(yōu)390 的千粒重，而對湘晚秈1 號的千粒重?zé)o明顯影響。雖然低溫下泰優(yōu)390 的產(chǎn)量要高于湘晚秈1 號，但與常溫下的產(chǎn)量相比，其產(chǎn)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(guān)[24]。

植物在經(jīng)歷脅迫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生活性氧氧化膜脂，生成MDA。同時(shí)，植物會(huì)通過提高抗氧化酶活性來清除活性氧，減少細(xì)胞損傷[25-26]。本研究中，與灌漿期常溫相比，泰優(yōu)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(fā)現(xiàn)，水稻在低溫脅迫下會(huì)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(shù)和結(jié)實(shí)率等，從而提高水稻產(chǎn)量[9-11,28]。本研究發(fā)現(xiàn)，灌漿期常溫下，增施生物炭后與常規(guī)施肥處理相比水稻產(chǎn)量提高，與FAHAD 等[29]的研究結(jié)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(yǎng)分釋放緩慢有關(guān)[30]。在灌漿期低溫下，NPK+BC 處理的產(chǎn)量高于NPK+處理，并且NPK+BC 處理的產(chǎn)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(yǎng)分導(dǎo)致的。本研究還發(fā)現(xiàn)，灌漿期低溫下增施生物炭水稻產(chǎn)量下降幅度與結(jié)實(shí)率極顯著負(fù)相關(guān)，表明增施生物炭減少低溫造成產(chǎn)量損失的主要原因可能與提高灌漿期低溫下晚稻結(jié)實(shí)率有關(guān)，與CHEN 等[31]結(jié)果類似。

施用生物炭能夠增強(qiáng)抗氧化酶活性，幫助植物提高脅迫耐受性[12]。本研究發(fā)現(xiàn)，在灌漿期低溫脅迫下，NPK+BC 處理的2 個(gè)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(qiáng)水稻對低溫脅迫的抗性。BAMAGOOS 等[32]發(fā)現(xiàn)，生物炭可以提高水稻葉片和木質(zhì)部的抗氧化酶活性和降低MDA 含量，增強(qiáng)水稻對低溫脅迫的耐受性，這與本研究結(jié)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(jī)小分子物質(zhì)可以調(diào)控水稻脫落酸合成途徑[33]，而脫落酸能夠調(diào)節(jié)作物抗氧化酶活性，增強(qiáng)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(chǎn)，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(jié)實(shí)率，從而減少產(chǎn)量損失。因此，施基肥時(shí)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(jī)理機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。