草甘膦、草銨膦噴施對檳榔根系形態及生理的影響

楊國斌,陳才志,溫欣宇,陳 暉,甘 霆,楊福孫

(海南大學熱帶農林學院,?？?570228)

除草劑草甘膦和草銨膦具有廣譜、高效的優點,防除雜草效果較好,在全球范圍被廣泛使用[1-3]。草甘膦為廣譜內吸性傳導型滅生性除草劑,能抑制植物體內的5-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸(EPSP)合成酶的形成,主要通過植物表皮組織吸收并進入植物木質部或韌皮部,抑制植物生長[4-5]。草銨膦為廣譜觸殺型滅生性除草劑,能夠抑制谷氨酰胺合成酶(GS)的形成,引起植物體內氮代謝紊亂,導致銨過量積累,葉綠體解體,抑制光合作用,最終抑制植物生長[6]。研究發現,草甘膦可以通過根部吸收并轉移至葉片進而影響茶樹生長[7]。草甘膦處理會降低毛桃幼苗根尖細胞分裂指數,提高根尖細胞電解質滲透率,總體降低葉片凈光合速率[8]。草甘膦會使毛桃幼苗側根及須根數量減少,從而抑制毛桃根系發育[9];草甘膦也會顯著降低向日葵根和莖的干質量[10]。此外,使用除草劑往往會造成藥物漂移,影響非目標作物[11]。除草劑噴施后可被植物根部吸收并在植物體內傳播,導致植株生長受到抑制,被處理的組織明顯變黃,最終導致植株死亡[12]。草銨膦能抑制谷氨酰胺合成酶活力,阻斷谷氨酸與氨合成谷氨酰胺的生化反應,導致植物死亡[13]。草銨膦也可被植物莖葉吸收,并遷移到植物根部[14]。草銨膦處理能抑制油菜根尖分生區細胞的有絲分裂[15],并能造成細胞膜損傷和嚴重壞死[16]。草銨膦主要通過外質體或木質部系統進行轉運[17],導致植物葉片萎黃或壞死[18];同時,草銨膦也會抑制棉花根系生長,最終導致植株死亡[19]。

檳榔ArecacatechuL.是棕櫚科多年生常綠喬木,為中國“四大南藥”之首,具有重要的食用價值和藥用價值,是海南省第二大熱帶經濟作物[20-21]。檳榔根系為須根系,主根不明顯,多數為不定根,不定根上又分化出許多分支根,構成龐大的根系[22]。檳榔根系淺,易受除草劑毒性影響;幼齡檳榔園植株矮,除草劑噴施易漂移到葉面上;檳榔成齡后,基部產生氣生根,除草劑噴施易漂移到氣生根上。檳榔根系尤其氣生根能否吸收除草劑?吸收多少會影響檳榔生長發育?一直是學者及種植戶關注的問題。海南省屬熱帶海洋性季風氣候,水熱同期,有利于雜草繁殖[23]。海南省雨季正是檳榔葉片生長及發根旺盛期,尤其是氣生根。為防除檳榔園雜草,種植戶頻繁使用除草劑草甘膦及草銨膦,使用面積占檳榔園面積的90%以上,極大地危害檳榔生長。因此,我們以草甘膦及草銨膦為處理藥劑,研究其對幼齡檳榔與成齡檳榔根系發育的影響,為檳榔栽培管理提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 材料和處理

幼齡期檳榔,盆栽“熱研1號”,選擇3葉1心無病蟲害健康植株,試驗地在海南大學熱帶農林學院農學基地,北緯20°3′43.01″,東經110°19′45.53″。

成齡期檳榔,“熱研1號”11～14年生掛果盛期植株,試驗地在海南省定安縣南麗湖檳榔園基地,北緯19°32′41.67″,東經110°26′22.99″。

除草劑,草甘膦,草甘膦異丙胺鹽含量41%,草甘膦含量30%,山東運盛生物科技有限公司產;草銨膦,精草銨膦含量10%,精草銨膦銨鹽有效含量11%,四川龍田豐生化有限公司生產。施藥器械為3WBD-20型背負式電動噴霧器。

幼齡期盆栽檳榔試驗:2017年,挑選長勢一致的檳榔幼苗定植于種植盆中,盆外徑36 cm,內徑30 cm,高25 cm,每盆裝混合土11 kg,常規管理;設置盆栽幼苗人工拔除雜草、不施除草劑不處理雜草(對照)、噴施0.006 mol/L草甘膦250 mL/株、0.006 mol/L草銨膦100 mL/株等4個處理,試驗采用完全隨機區組設計,重復3次,每重復7株,共84株;施藥當天早上天氣晴朗,微風。

成齡期檳榔試驗:2022年,設置對植株樹盤根系周圍地面噴施清水(對照)、0.016 mol/L草甘膦、0.013 mol/L草銨膦3個處理,用量均90 L/667 m2,完全隨機區組設計,重復3次,每重復7株,共63株。另外設置噴施0.032、0.048、0.064 mol/L草甘膦,0.002、0.004、0.013 mol/L草銨膦,噴施清水(對照)處理,用量均90 L/667 m2,完全隨機區組設計,重復3次。

1.2 測定方法

根系形態指標測定:采用EPSON SCAN(型號EU-88)根系掃描儀掃描檳榔幼苗根系后,采用WinRHIZO Pro 2008分析根系照片,獲得根系構型參數,包括白根、黃根、黑根數量,表面積、體積和長度等,每15 d掃描根系測定1次;每次將植株地下部分根系清洗干凈,擦干水分用電子天平測量鮮質量;再取幼苗根系105 ℃殺青后70 ℃烘干,稱量根系干質量。

根系活力采用氯化三苯基四氮唑法(TTC法)測定[24],統計氣生根死亡數。

氣生根農藥殘留檢測方法:按照“植物源性食品中草銨膦殘留量的測定 液相色譜—質譜聯用法”(GB 23200.108—2018)進行樣品處理。稱取試樣10 g(精確至0.01g),補水2 g,加入甲醇10 mL,渦旋震蕩提取2 min后3 800 r/min離心5 min,取上清液1 mL,用5 mg多壁碳鈉米管渦旋凈化,1 000 r/min離心3 min,上清液過直徑0.22 μm有機濾膜;取該上清液0.5 mL,加入50.0 g/L硼酸納緩沖液(pH值9)0.5 mL混勻,加入衍生試劑(氯甲酸-9-芴基甲酯)0.5 mL,渦旋1 min,40 ℃水浴衍生1 h,1 000 r/min離心1 min,過直徑0.22 μm有機濾膜后上機檢測。標準曲線、質控樣品按以上方法同時進行衍生化。

氣生根的組織結構觀察:采用石蠟切片番紅固綠染色法,步驟為石蠟切片脫蠟與水化,番紅染色,脫色,固綠染色,透明封片,顯微鏡鏡檢,圖像采集分析。

根系分類方法:依據根系顏色將根分為白根、黃根、黑根3個類型。白根,為嫩根,乳白色,質地較軟,根尖部位,活性強;黃根,黃色根系,質地較硬,活性一般;黑根,為老根,灰色泛黑,空癟,活性低(見圖1)。

圖1 幼齡期檳榔根系

1.3 數據分析

使用Excel office、SPSS軟件進行數據統計分析,經Dancun’s方差分析差異顯著水平,用Graphpad Pism 9.5 作圖。

2 結果與分析

2.1 對幼齡期檳榔根系鮮質量的影響

從圖2可以看出,處理后60、75 d,草銨膦處理的根系鮮質量下降,與人工除草處理相比差異顯著。處理后15 d,草甘膦、草銨膦處理的白根鮮質量上升,草銨膦100 mL/株處理的白根鮮質量與人工除草、對照(不除草)差異顯著;處理后60、75 d,草甘膦、草銨膦處理的白根鮮質量降低,草銨膦處理的白根鮮質量與人工除草處理差異顯著。人工除草的黃根鮮質量比其他處理均較大,處理后不同時間各處理之間無顯著性差異。處理后90 d,草甘膦、草銨膦處理的黑根鮮質量上升,與人工除草、對照(不除草)處理差異顯著。

注:采用鄧肯氏方差分析,不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05),圖2至圖9同。

2.2 對幼齡期檳榔根系干物質的影響

從圖3可以看出,處理后75 d,草銨膦處理的根系干質量最低,與人工除草處理差異顯著。處理后15 d,草甘膦、草銨膦處理的白根干質量上升,與人工除草、對照(不除草)差異顯著;而處理后60、75 d,草銨膦處理的白根干質量下降,與人工除草差異顯著。人工除草的黃根干質量比其他處理均較大,各處理之間無顯著性差異。處理后30 d,草甘膦處理的黑根干質量上升,與人工除草處理差異顯著;處理后90 d,草甘膦處理的黑根干質量上升,且與人工除草、對照(不除草)處理差異顯著。

圖3 不同除草劑等處理對幼齡期檳榔根系干質量的影響

2.3 對幼齡期檳榔黑根質量占比的影響

從圖4可以看出,處理后30 d,草甘膦處理的黑根鮮質量占根系鮮質量的比例上升,與人工除草處理差異顯著;處理后75 d,草銨膦處理的黑根鮮質量占比上升,與人工除草處理差異顯著;處理后90 d,草銨膦處理的黑根鮮質量占比下降,與人工除草處理差異顯著。處理后30 d,0.006 mol/L草甘膦250 mL/株處理的黑根干質量占總根的百分比上升,與人工除草處理差異達顯著;處理后75 d,0.006 mol/L草銨膦100 mL/株處理的黑根干質量占總根的百分比上升,與人工除草處理差異顯著;處理后90 d,0.006 mol/L草銨膦100 mL/株處理的黑根干質量占總根的百分比下降,與人工除草處理差異達顯著。

圖4 不同除草劑等處理對幼齡期檳榔黑根質量占根系質量比例的影響

2.4 對幼齡期檳榔不同等級根系分布的影響

從表1可以看出,處理后0～90 d,各處理幼齡期檳榔不同直徑根系參數占總根的百分比,均以直徑0～1.5 mm為主,數量占比88%以上,表面積占比63%以上。對照(不除草)相比人工除草,直徑0～1.5 mm的根系表面積、數量、根長、體積占比均減少。相比人工除草,草甘膦、草銨膦處理的直徑0～1.5 mm根系表面積、根長、體積占比均增加;草甘膦處理的直徑0～1.5 mm根系數量占比下降,草銨膦處理的數量占比上升。

表1 不同除草劑等處理對幼齡期檳榔不同直徑根系參數占比的影響

2.5 對幼齡期檳榔根系活力的影響

從圖5可以看出,處理后45 d,對照(不除草)、草甘膦和草銨膦處理的根系活力下降,與人工除草相比差異顯著,且草甘膦處理的根系活力達到最低;處理后60 d,人工除草和對照(不除草)處理的根系活力上升,草甘膦和草銨膦處理的根系活力仍較低,前兩者與后兩者差異顯著;處理后75 d,人工除草和對照(不除草)處理的根系活力下降,草銨膦處理的根系活力達到最低,兩個藥劑處理與人工除草、對照(不除草)差異顯著;處理后90 d,4個處理的根系活力均上升,兩個藥劑處理的根系活力與人工除草,對照(不除草)仍存在顯著性差異。

圖5 不同除草劑等處理對幼齡期檳榔根系活力的影響

2.6 對成齡期檳榔氣生根農藥殘留的影響

從圖6可以看出,處理后4 h,與對照(清水)處理相比,0.048、0.064 mol/L草甘膦處理的氣生根農殘量增多且差異顯著;處理后4 d,不同濃度草甘膦處理的氣生根農殘量下降,0.064 mol/L草甘膦處理的農殘量與對照(清水)差異顯著。

圖6 不同濃度草甘膦和草銨膦分別處理對成齡期檳榔氣生根農藥殘留量的影響

處理后4 h,0.013 mol/L草銨膦處理的氣生根農殘量增多,與0.002 mol/L草銨膦處理、對照(清水)差異顯著;處理后4 d,不同濃度草銨膦處理的氣生根農藥殘留均降低,0.013 mol/L草銨膦處理的氣生根農殘量雖減少,與對照(清水)仍存在顯著性差異。

2.7 對成齡期檳榔氣生根解剖結構的影響

從圖7可以看出,與0.016 mol/L草甘膦、對照(清水)處理相比,0.013 mol/L草銨膦處理的氣生根橫切片中,表皮被番紅染成紅色,皮層隨著維管束增加而增加,表皮組織厚度增加,形成木栓化,維管形成層表現較旺盛,加快木質部及韌皮部組織的分化,新根的內皮層不明顯,排列稀疏,同時根的表皮細胞大量死亡,導致脫落。與0.016 mol/L草甘膦處理、對照(清水)相比,0.013 mol/L草銨膦處理的氣生根縱切片中,在根冠部位,薄壁細胞數量減少,根冠薄壁細胞里的淀粉體下降,影響檳榔氣生根伸長及向地性。

注:Ep為表皮,Co為皮層薄壁組織,En為內皮層,Me為后生木質部,Pr為原生木質部,Ph為韌皮部,Qc為不活動中心,Rc為根冠。

2.8 對成齡期檳榔根系活力的影響

從圖8可以看出,處理后7 d,0.016 mol/L草甘膦、0.013 mol/L草銨膦處理的根系活力下降,與對照(清水)差異顯著;處理后14 d,0.013 mol/L草銨膦處理的根系活力繼續下降,而0.016 mol/L草甘膦處理的根系活力上升,且與對照(清水)差異顯著;處理后21、28 d,0.016 mol/L草甘膦、0.013 mol/L草銨膦處理的根系活力均上升,0.013 mol/L草銨膦處理與0.016 mol/L草甘膦處理、對照(清水)差異顯著。0.016 mol/L草甘膦處理的根系活力在處理后7 d降至最低;而0.013 mol/L草銨膦處理的根系活力在處理后14 d降至最低,之后又逐漸上升。

圖8 草甘膦和草銨膦分別處理對成齡期檳榔氣生根根系活力和死亡數的影響

2.9 對成齡期檳榔氣生根死亡數的影響

從圖8可以看出,處理后7 d,0.013 mol/L草銨膦處理的氣生根死亡數增加,與0.016 mol/L草甘膦處理差異達顯著;處理后14 d,0.016 mol/L草甘膦處理的氣生根死亡數達最大,與其他兩個處理差異顯著;處理后28 d,0.013 mol/L草銨膦處理的氣生根死亡數上升至最大,與對照(清水)差異顯著。

3 討論與結論

根系是植物生長的基礎,也是植物營養吸收的主要器官。除草劑防除雜草的同時也會給非靶標作物造成傷害,抑制植物根系生長發育,進而影響植物生長[25]。大量研究表明,除草劑濃度超過植物的耐受范圍會導致葉片變黃,根部干鮮質量下降,且除草劑濃度越高抑制越明顯[26]。本試驗中,噴施除草劑對幼齡期檳榔的根系干鮮質量、白根數量和表面積等生長指標都有一定的抑制作用。馮淇[27]研究指出,噴施除草劑對崧藍幼苗根長和根系干鮮質量等生長指標具有一定程度的抑制作用,且隨著除草劑處理濃度增加則抑制越明顯。李志華等[28]研究表明,噴施不同濃度除草劑對高粱芽苗的根長及根系干質量具有抑制作用。馮艷[29]研究表明,噴施除草劑對棉花根系生長有顯著的抑制,且隨著除草劑處理濃度的增加,抑制越明顯。周晶等[30]研究也表明,噴施除草劑對水稻直播秧苗的白根數具有抑制作用。這些研究結果表明,噴施除草劑能夠抑制植物根系生長,與本試驗研究結果一致。

根系活力是衡量植物根系功能的主要指標之一。本試驗中,噴施草甘膦和草銨膦會使檳榔根系活力降低,抑制檳榔根系生長。張小龍等[31]研究表明,除草劑脅迫降低苧麻根系活力,且除草劑濃度越高抑制越明顯。王學貴等[32]研究表明,施用草甘膦及百草枯除草劑降低了三葉草的根系活力,抑制根系生長,起到防除雜草的作用。本試驗中,草甘膦、草銨膦導致檳榔氣生根農藥殘留,抑制氣生根的伸長及增粗,進而導致氣生根死亡。王麗麗[33]研究表明,噴施除草劑會增加藥用植物根系的農藥殘留量。張永志[34]研究也表明,施用除草劑會造成茶樹體內農藥殘留。這些研究結果表明,施用除草劑能夠造成植株體農藥殘留,破壞植株內部組織結構,使植株根系活力下降,導致氣生根死亡數上升,進而影響植株生長。隨著除草劑濃度增加,供試檳榔氣生根農藥殘留量升高,破壞了氣生根組織結構,使表皮組織變硬,內皮層排列稀疏,抑制氣生根伸長與增粗;同時增加氣生根死亡數量,進而影響根系生長。

本研究中,幼齡期檳榔根系以直徑0～1.5 mm根系為主,數量占總根的88%以上,表面積占總根的63%以上。噴施草甘膦和草銨膦顯著降低檳榔幼苗根系鮮干質量、白色吸收根比例、吸收根活力。對于成齡期檳榔氣生根,噴施草甘膦和草銨膦均引起氣生根藥劑殘留,且農殘量隨施用濃度增加而增加。噴施草甘膦和草銨膦阻礙了成齡期檳榔氣生根發育,草甘膦處理后14 d氣生根死亡數達到最高,草銨膦處理后28 d達到最高。草銨膦損害了氣生根組織結構,使新根內皮層排列稀疏,表皮組織厚度增加,木栓化程度加深,導致根表皮細胞大量死亡,抑制了氣生根伸長與增粗。研究結果表明,草甘膦和草銨膦導致檳榔根系木栓化,加速根系死亡,從而抑制其根系生長與發育,檳榔生產中應慎用這兩種除草劑。