糜子对不同除草剂的生理响应机制研究

时间：2024-05-24

董扬

（黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院，161006，黑龙江齐齐哈尔）

糜子（Panicum miliaceumL.）起源于中国，在我国已经有7000多年的栽培历史，是北方旱作农业区的主要制米作物[1]。糜子生育期短、耐旱、耐瘠薄，在干旱半干旱粮食生产中占有重要地位，具有明显的生产和地区优势[2]。新中国成立以来，随着种植业结构的调整以及人们饮食习惯的改变，糜子的种植面积缩减，逐步成了小宗作物，导致糜子科研滞后于其他主要作物[3]。加大对糜子的科研及产业投入，充分挖掘糜子的潜在价值，对改善膳食结构有重要意义。

田间杂草争夺生存空间，阻碍糜子生长发育，影响其产量，而且我国大部分地区糜子田间管理粗放，除草也以人工除草为主，效率低下[4]，因此化学除草一直是糜子生产的研究热点。随着现代农业的发展，除草剂的应用越来越广泛[5]。除草剂的应用不但可以降低杂草的危害程度，也减轻了农民的劳动强度，降低生产成本[6]。近年来，随着科技的发展，新型高效的除草剂产品不断出现，但尚没有针对糜子田杂草防除的专用除草剂，因此，筛选适用于糜子安全高效除草剂意义重大。

除草剂对作物本身是一种胁迫因子，这种胁迫在控制杂草危害的同时，也导致作物体内生理生化发生变化，进而影响作物的产量和品质[7]。孙昊等[8]研究表明，除草剂处理下，中华水韭的叶片相对电导率、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性在处理后15d显著高于对照，随着除草剂处理后时间的延长，各处理的生理指标逐渐接近对照水平。王正贵等[9]发现，施用氯氟吡氧乙酸、苯磺隆、镖马、异丙隆和绿麦隆后，小麦植株体内SOD、过氧化物酶（POD）和CAT等的活性在药后5～15d升高，随后逐渐恢复至对照水平。农作物生产中，由于除草剂种类选择或使用技术不当而对当季或下茬作物造成药害的现象时有发生[10]。除草剂的负效应己经引起国内外学者的广泛重视，关于小麦[11]和水稻[12]等作物都开展了相关研究。

目前，有关除草剂在糜子田间的应用主要集中在除草剂筛选和杂草防除等方面[13-15]，而有关除草剂对糜子生长及生理特性影响的研究并不多见。黄贵斌[16]研究表明，喷施除草剂后均显著降低了糜子植株各器官干物质积累量。各除草剂处理均导致糜子的叶绿素相对含量（SPAD）和叶面积有不同程度的降低。针对黑龙江半干旱区杂草发生的情况，本试验选用经过前期试验筛选出的对糜子施用安全的4种苗后茎叶处理型除草剂，研究其对糜子生长和生理特性的影响，筛选出适宜本地区糜子田的高效除草剂类型及剂量，以提高糜子生产效率，推动糜子机械化和规模化生产进程。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试糜子品种为齐黍2号，由黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院育成，2016年通过黑龙江省农作物品种审定委员会审定命名。本试验中除草剂的种类及各处理剂量的确定已经通过前期试验[17]验证，除草效果均较为理想且对糜子苗相对安全，无明显药害。

1.2 试验地概况

试验于2019-2020年在黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院试验基地进行，土壤为碳酸盐黑钙土，肥力中等。年降水量415mm，年均温度3.2℃，活动积温2900℃，试验地有灌溉条件，土壤pH 7.82，前茬为玉米。

1.3 试验设计

采用随机区组设计，3次重复，6行区，行长4.0m，小区面积15.6m2。条播，覆土深度3～4cm，小区留苗450株。全生育期间人工除草3次，灌水2次。根据各个除草剂的推荐施药剂量分别设置3个用药剂量，对照（CK）为等量清水处理并人工除草（表1）。4种除草剂均为苗后茎叶处理，于糜子4～5叶期喷施叶面。

表1 供试除草剂及其用量Table 1 Herbicide treatments and dosages

1.4 测定项目与方法

1.4.1 生理指标施药后7d第1次取样，每周取样1次，共取样3次，样品保存于-80℃超低温冰箱中待用。采用氮蓝四唑法测定SOD活性；采用过氧化脂质硫代巴比妥酸分光光度法测定MDA含量；采用酸性茚三酮比色法测定游离脯氨酸（Pro）含量。

1.4.2 光合指标在施药后7、14和21d时田间取朝向和长势基本一致的主茎倒2叶进行测定。选取20片叶子，用SPAD-502型叶绿素仪测定SPAD值；于糜子不同生育期内，选择晴朗无风天气，于上午9:30-11:00在每个处理选取10株长势相近的主茎倒2叶，采用便携式光合作用测定仪（3051C，托普）测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）。

1.4.3 农艺性状及产量构成指标成熟期在每个处理随机选取20株，测定主茎高、茎粗、分蘖数、千粒重、主穗粒重和主穗重，并测产。

1.5 数据处理

采用Exce1 2010和DPS 7.05进行数据统计。

2 结果与分析

2.1 除草剂对糜子生理特性的影响

2.1.1 对SOD活性的影响由表2可知，不同除草剂对糜子叶片SOD活性的影响不同，15%噻吩磺隆对糜子影响最显著。随着时间的推移，各药剂同一剂量处理下的SOD活性均呈先升后降的趋势。施药后7和14d绝大多数处理与CK处理相比差异显著，其中T6处理的活性最大，分别为333.24和418.36U/g。施药后21d，部分处理SOD活性下降，说明糜子叶片合成SOD的能力有下降趋势，除草剂胁迫得到缓解。

2.1.2 对MDA含量的影响由表2可知，施用4种除草剂处理后，随着喷施剂量的增加，糜子叶片中MDA含量呈上升趋势；随着时间的推移，糜子叶片中MDA含量呈先上升后下降的变化趋势。施药后7和14d绝大多数处理MDA含量与CK处理相比差异显著，其中T6处理最大，分别为115.17和142.10nmol/g。施药后21d，部分处理MDA含量下降，说明糜子叶片合成MDA能力有下降趋势，除草剂胁迫得到缓解。

2.1.3 对Pro含量的影响由表2可见，不同除草剂对糜子叶片中Pro含量产生的影响不同，参试除草剂经各剂量处理后，糜子叶片中Pro含量随施用剂量的增大而增大。施药后7、14和21d，各处理Pro含量均显著高于CK处理，说明除草剂对糜子叶片产生胁迫作用。随着时间的推移，Pro含量呈先上升后下降的变化趋势，说明除草剂胁迫得到缓解。

表2 除草剂对糜子生理特性的影响Table 2 Effects of herbicides on physiological characteristics in broomcorn millet

2.2 除草剂对糜子光合特性的影响

2.2.1 对SPAD值的影响结果（表3）表明，经除草剂茎叶处理后，糜子苗期叶片的SPAD值均受到不同程度的抑制，其SPAD值随着喷施浓度的增大而减小；糜子叶片的SPAD值随着施药时间的推移均呈上升趋势。药后7d，各处理下的SPAD值与CK处理相比均呈下降趋势，其中T8和T9处理下的SPAD值最低，较CK处理分别下降了19.66%和24.31%。药后14d各处理的SPAD值仍较CK处理低，但各处理的SPAD值与CK处理的差距与药后7d相比有所减小。药后21d各处理的SPAD值与CK处理的差距与药后7和14d相比进一步减小，除草剂胁迫作用逐渐减弱。

表3 除草剂对糜子光合特性的影响Table 3 Effects of herbicides on photosynthetic characteristics in broomcorn millet

2.2.2 对Pn的影响由表3可知，喷施药剂后，糜子叶片的Pn随着除草剂剂量的增大而减小，随着时间的推移而增大。T9处理的Pn最低，在施药后7、14和21d显著低于CK处理，降幅在16.17%～42.89%，说明噻吩磺隆对糜子光合作用抑制最强。2,4-D异辛酯和灭草松中、低剂量处理下的Pn与CK相比，降幅较小，说明2,4-D异辛酯和灭草松的中、低剂量处理对糜子叶片光合作用抑制较弱。噻吩磺隆对Pn的抑制作用最强，莠去津对Pn的抑制作用次之，2,4-D异辛酯和灭草松的抑制作用最小。

2.2.3 对Gs的影响由表3可知，不同除草剂种类及施药剂量均对Gs产生了显著的抑制作用，并且随着施药剂量的增加，Gs减小；随着药后时间的推移，Gs逐渐升高，这与Pn的变化趋势一致。T9处理的Gs值最低，在施药后7、14和21d显著低于CK处理，说明噻吩磺隆对糜子Gs抑制最强。T1处理下，在施药后7、14和21d的Gs与CK处理均差异不显著，这说明2,4-D异辛酯在低剂量下对糜子叶片的Gs没有影响。总体来看，各除草剂对Gs的抑制作用表现为噻吩磺隆＞莠去津＞灭草松＞2,4-D异辛酯。药后21d各处理的Gs与CK处理的差距与药后7和14d相比进一步减小，除草剂胁迫作用逐渐减弱。

2.2.4 对Tr的影响与CK处理相比，除草剂处理后的糜子Tr均有不同程度的降低（表3）。随着除草剂剂量的升高，Tr显著下降。随着药后时间的推移，除草剂的抑制作用逐渐减小。T1处理下的Tr与CK处理相比，降幅较低，说明2,4-D异辛酯的低剂量处理对糜子叶片光合作用抑制较弱。T9处理的Tr最低，在施药后7、14和21d显著低于CK处理，说明噻吩磺隆对糜子Tr抑制作用最强。施药后7和14d，2,4-D异辛酯和灭草松中、低剂量处理下的Tr与CK处理相比均显著降低，但是施药后21d的Tr与CK处理差异不显著，说明中、低剂量下的2,4-D异辛酯和灭草松喷施处理，糜子叶片Tr恢复得更快。

2.3 不同除草剂对糜子农艺性状的影响

由表4可知，与CK处理相比，大部分除草剂处理对糜子主茎粗影响不显著，只有T2和T4处理的主茎粗显著小于CK处理。不同剂量除草剂处理后的糜子主茎高均低于CK处理，各除草剂处理主茎高均随着除草剂剂量的增加受到抑制。莠去津中、低浓度处理（T10和T11）对主茎高影响不显著，高剂量（T12）时与CK处理差异显著。各除草剂对糜子主茎高的抑制作用表现为噻吩磺隆＞灭草松＞2,4-D异辛酯＞莠去津。总体来看，除草剂在一定程度上能促进糜子分蘖的形成，表现为所有除草剂处理的分蘖数均高于CK处理，噻吩磺隆、灭草松和莠去津随着喷施剂量的增大，分蘖数表现为先增多后减少的变化趋势。

表4 除草剂对糜子农艺性状的影响Table 4 Effects of herbicide on agronomic characteristics of broomcorn millet

2.4 不同除草剂对糜子产量及其构成因素的影响

由表5可知，各除草剂处理下的糜子产量及其构成因素（除T1和T4处理的千粒重外）均显著低于CK处理。同一种除草剂各浓度梯度之间的各产量构成因素均呈显著差异，这说明糜子对除草剂施用剂量较为敏感。T1和T4处理的主穗重、主穗粒重和产量显著高于其他除草剂喷施处理。整体来看，2,4-D异辛酯和灭草松喷施处理对产量构成因素的影响最小。

表5 除草剂对糜子产量及其构成因素的影响Table 5 Effects of herbicide on yield and its components of broomcorn millet

3 讨论

植物在逆境胁迫下，体内SOD活性、MDA和可溶性蛋白含量会发生一定程度的变化，这些指标目前已被广泛应用于评价逆境伤害程度和植物适应性。研究[18-19]表明，除草剂在适当剂量下一般不会造成作物药害，但作为一种逆境胁迫，可对植物生理和生化指标产生一定的影响。本研究结果表明，施用除草剂后，各处理生理指标均高于CK处理，这说明糜子自身的抗氧化系统受到除草剂胁迫后产生了应激性反应。随着时间推移，糜子叶片各生理指标呈先上升后下降的趋势，并且趋于正常水平，这说明在一定剂量除草剂胁迫下，糜子可以通过调节自身的生理代谢来增强抗逆能力，并逐步恢复正常生长，这与刘阳[20]和郭美俊等[21]研究结果一致。

光合作用是植物的直接能量来源和赖以生存的基础，植物在受到逆境胁迫后光合作用直接或间接受到影响[22]，因此检测植物在逆境条件下的光合作用是检测植物生长安全性的一种重要手段[23]。前人[24-26]研究认为，除草剂按推荐剂量施用一般不会对作物造成药害，但对作物来说是一种胁迫，可对其生长和生理产生影响。在本研究中，叶面喷施4种除草剂后，齐黍2号叶片的SPAD值比CK处理显著降低，这些结果与袁树忠等[27]研究结论一致，且随着时间的延续降低幅度有所缓解，说明除草剂在糜子体内的作用逐渐减弱。SPAD值与光合速率下降趋势基本一致，这是由于叶绿体膜在除草剂胁迫下，膜的氧化胁迫对叶绿素的形成产生抑制作用，进而导致叶绿素的含量降低，最终导致光合速率降低。

Gs是通过影响二氧化碳进入叶片的多少来间接影响光合速率。Gs对外界环境条件变化较为敏感，一般来说，Gs越大，Tr越快，反之亦然[28]。本试验中，在4种除草剂胁迫下糜子叶片Gs呈下降趋势，与光合速率下降趋势相似，这与刘小文等[29]和原向阳[22]的研究结果一致，说明喷施除草剂对糜子气孔的开放有所抑制。

Tr是衡量植物叶片气孔开放程度和蒸腾强度的重要指标。研究[30]表明，植物蒸腾作用受光、温和水等环境因子的影响，光合作用和Gs也是影响作物蒸腾作用的生理性原因。本研究中糜子受到除草剂胁迫后，Tr与光合速率和Gs变化规律相似，呈下降趋势，这表明三者之间存在着紧密关系，与范苏鲁等[31]研究蒸腾与光合速率的结果一致。施药21d后，2,4-D异辛酯和灭草松中、低处理下的Tr与CK处理差异不显著，说明这2种除草剂对糜子的胁迫作用解除较快。

关于除草剂对作物产量及其构成因素的影响，前人[32-33]已做了大量的研究，除草剂对作物产量的影响，因除草剂种类和施药剂量以及作物品种和自身抗性的不同而不同。本研究结果表明，喷施除草剂会对糜子产量构成因素产生抑制作用，其中主穗重、主穗粒重和千粒重均不同程度地低于CK处理，只有低剂量2,4-D异辛酯和灭草松处理下的千粒重与CK处理差异不显著。高贞攀[34]研究表明，谷子喷施推荐剂量的苯磺隆（225g/hm2）和单嘧磺隆（450g/hm2），与清水对照相比有一定增产效果。而本研究表明，所有除草剂处理的产量均不同程度低于CK处理。这说明除草剂对杂草抑制所带来的增产效果在弥补其对作物本身影响所带来产量损失的同时，最终会使作物产量增加。

除草剂的安全使用受到作物自身对除草剂的敏感性以及种植地区的气候和土壤条件等因素的影响，因此除草剂的施用不能一味地借鉴其他地区的试验结果，需根据当地的环境条件进行除草剂的筛选[4]。本试验参试材料选取了齐黍2号1个品种进行单点试验，因此，试验结果还需在后续试验加以验证完善。