壟作模式下甜高粱對農(nóng)田漬害脅迫的響應(yīng)

同琳靜，馮 濤，孫政國，陳小東，楊文祥，李建龍

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210095； 2.南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210093;3.常州市武進(jìn)區(qū)禮嘉鎮(zhèn)農(nóng)技農(nóng)機(jī)站，江蘇 常州 213100； 4.興化市動物衛(wèi)生監(jiān)督所，江蘇 興化 215700)

Li Jian-long E-mail jlli2008@nju.edu.cn

漬災(zāi)是指土壤排水不暢或地下水位過高引起土壤根系缺氧、肥力失調(diào)，從而影響作物正常生長發(fā)育的現(xiàn)象[1]。我國每年發(fā)生漬害的面積達(dá)144.4萬hm2，主要分布在四川、重慶、湖北、湖南、安徽等地，糧食生產(chǎn)損失嚴(yán)重[2-3]。

甜高粱(Sorghumdochna)屬于一年生禾本科植物，抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、生物量大。不僅是優(yōu)質(zhì)的糧食作物，同時已成為許多國家優(yōu)質(zhì)飼草的重要來源，此外，甜高粱還可用作能源作物和糖料作物。國內(nèi)外學(xué)者對于甜高粱的選育、栽培和利用等研究較多[4]。逆境脅迫研究方面以鹽脅迫和干旱脅迫居多，對于漬害脅迫下植物的生理變化和易發(fā)漬害脅迫地區(qū)的栽培管理技術(shù)報道較少。

我國長江中下游地區(qū)，每年的6月下旬至7月上旬會進(jìn)入梅雨季節(jié)，長時間降水對甜高粱的產(chǎn)量性狀及抗氧化酶系統(tǒng)造成影響，從而降低了甜高粱的產(chǎn)量。研究表明，壟作耕作方式相比于平作能增加土壤透氣性、降低田間濕度，提高作物產(chǎn)量[5]。為此，針對江蘇里下河地區(qū)高濕多雨的氣候特點(diǎn)，設(shè)置了壟作和平作兩種處理，探究漬害脅迫下，壟作和平作兩種方式種植甜高粱的產(chǎn)量性狀和生理特性的變化規(guī)律，以期為易產(chǎn)生漬害脅迫地區(qū)甜高粱種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用材料為甜高粱(大力士)，由百綠(北京)國際草業(yè)有限公司提供。

1.2 方法

1.2.1試驗(yàn)區(qū)概況 試驗(yàn)于2016年在江蘇省興化市華夏畜牧有限公司進(jìn)行。該地位于長江中下游地區(qū)，屬于北亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.0 ℃，年平均降水量1 032.3 mm，年平均降水日(日降水量≥0.1 mm)109 d。興化市每年于6月20日左右入梅，7月10日左右出梅，梅雨期降水量平均為240 mm；土質(zhì)疏松，耕作層深厚，肥力中等，適合甜高粱的生長；前茬作物為小黑麥(×TriticaleWittmack)。試驗(yàn)地塊土壤有機(jī)質(zhì)含量為20.63 g·kg-1，堿解氮含量為131 mg·kg-1，有效磷含量為55.47 mg·kg-1，有效鉀含量為78.31 mg·kg-1。

1.2.2試驗(yàn)設(shè)計 采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積為3 m×3 m，設(shè)置了壟作和平作兩個處理，3個重復(fù)，小區(qū)設(shè)置大溝30 cm，小溝20 cm。壟作每小區(qū)起3壟，相鄰壟之間間距為30 cm，壟高15 cm，壟面寬50 cm，壟上種兩行，行距30 cm。平作設(shè)計為寬窄行，寬行為80 cm，窄行為30 cm。單株株距為10 cm，播種量為2.001×105株·hm-2。播種前施入基肥(復(fù)合肥225 kg·hm-2，N∶P∶K=20∶8∶18)。

2016年6月15日進(jìn)行播種，苗期施入尿素75 kg·hm-2。在三葉期進(jìn)行間苗、定苗，并對小區(qū)進(jìn)行漬水處理，水量保持在排水溝的3/4處，保證田間持水量為100%。并在漬水處理后的0、3、6、9 d(7月11日、7月14日、7月17日、7月20日)取樣測定葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性。測定甜高粱的農(nóng)藝性狀時共進(jìn)行4次取樣(每隔20 d左右)，時間分別為7月11日(苗期)、8月3日(拔節(jié)期)、8月24日(拔節(jié)期)、9月14日(孕穗期)，取樣后測定兩種耕作方式下甜高粱的干鮮重、株高、莖粗、單株葉面積、葉數(shù)等指標(biāo)。

1.2.3指標(biāo)測定

株高：每個小區(qū)選取3株長勢均勻的植株，測量拉伸株體長度。莖粗：每個小區(qū)選3株長勢均勻的植株，用游標(biāo)卡尺測定根部向上第2節(jié)中間莖的直徑，記作莖粗。單株葉面積：每個小區(qū)選3株長勢均勻的植株，莖葉分離，用葉面積儀測得單株葉面積，通過相關(guān)換算得到甜高粱的葉面積指數(shù)。單株鮮重和干重：每個小區(qū)選取3株長勢均勻的植株，留茬5 cm刈割，莖葉分離后分別測量莖、葉鮮重。然后放入105 ℃烘箱中殺青15 min，在65 ℃下烘干至恒重，稱重后得到莖、葉干重，通過計算可得到莖葉比。

抗氧化酶系統(tǒng)的活性測定：在7月11日、7月14日、7月17日、7月20日進(jìn)行取樣，每個小區(qū)取樣3份。選取甜高粱最上部兩片完全展開葉，經(jīng)蒸餾水沖洗吸干，稱取約0.3 g鮮樣加8 mL PBS(0.05 mol·L-1，pH 7.8)于冰浴中碾磨，4 ℃下3 000 r·min-1離心20 min，取上清液用于抗氧化酶活性的測定，重復(fù)測定3次[6]。采用氮藍(lán)四唑法測定SOD活性[7]，愈創(chuàng)木酚顯色法測定POD活性[8]，紫外吸收法測定CAT活性[8]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用SPSS 20.0軟件對兩個處理間產(chǎn)量性狀和抗氧化酶活性進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，采用Microsoft Excel 2007作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 漬害脅迫下不同耕作方式對甜高粱產(chǎn)量性狀的影響

苗期受到漬害脅迫，不同處理下甜高粱的株高、莖粗、單株干重、葉面積指數(shù)、葉數(shù)、莖葉比都表現(xiàn)為不斷增加，但變化的幅度有所差別(表1)。

2.1.1株高 7月11日和8月3日，壟作處理的株高分別比平作高9.76和18.37 cm，存在顯著差異(P<0.05)。8月24日和9月14日，兩種處理間株高無顯著差異(P>0.05)(表1)。

2.1.2莖粗 壟作處理的莖粗在初期(7月11日和8月3日之間)增加速率大于平作，之后增加幅度不大。7月11日，甜高粱的莖粗在兩處理間無顯著差異(P>0.05)。在8月3日、8月24日和9月14日，壟作處理的甜高粱的莖粗分別比平作高3.27、4.79、5.04 mm，差異顯著(P<0.05)(表1)。

2.1.3單株干重 壟作處理的單株干重和單株干重的增加速率始終大于平作。7月11日，壟作處理的甜高粱的單株干重與平作間無顯著差異(P>0.05)。在8月3日、8月24日和9月14日，壟作處理的單株干重顯著大于平作(P<0.05)。9月14日，壟作處理的單株干重為70.78 g，比平作高29.77 g(表1)。

2.1.4葉面積指數(shù) 壟作處理的甜高粱的葉面積指數(shù)增加速率始終大于平作。7月11日，壟作處理的葉面積指數(shù)大于平作，但無顯著差異(P>0.05)。8月3日、8月24日和9月14日，壟作處理的葉面積指數(shù)分別比平作高0.10、0.79、1.08，差異均顯著(P<0.05)(表1)。

2.1.5葉數(shù) 在7月11日、8月3日和8月24日，壟作處理的葉數(shù)不僅大于平作，而且增加速率也大于平作。8月24日至9月14日之間，平作處理的葉數(shù)增加速率大于壟作，但葉數(shù)少于壟作。7月11日，壟作處理下的葉數(shù)與平作間無顯著差異(P>0.05)。在8月3日、8月24日和9月14日，壟作處理的葉數(shù)顯著大于平作(P<0.05)，分別比平作多1.02個、3.22個、2.27個(表1)。

表1 漬害脅迫下不同耕作方式對甜高粱不同時期產(chǎn)量性狀的影響Table 1 Effect of different culture patterns on yield traits of sweet sorghum under waterlogging stress

不同小寫字母表示同一時期不同耕作方式之間存在顯著差異(P<0.05)。

Different lowercase letters indicate significant differences between ridge culture and flat culture at the 0.05 level.

2.1.6莖葉比 壟作處理莖葉比的增加速率總體大于平作。7月11日，壟作處理的莖葉比與平作間無顯著差異(P>0.05)。8月3日，壟作處理的莖葉比比平作高0.15，差異顯著(P<0.05)。8月24日和9月14日，壟作處理的莖葉比與平作間無顯著差異(P>0.05)(表1)。

2.2 漬害脅迫下不同耕作方式對甜高粱抗氧化酶活性影響

2.2.1SOD活性 甜高粱苗期遭受漬害脅迫，平作處理的SOD活性先升高后降低，處理6 d時達(dá)到峰值，為318.4 U·(g·min)-1，而壟作耕作方式下的SOD活性不斷升高。取樣0～3 d，平作處理的SOD活性和SOD活性升高速率都大于壟作。取樣3～6 d，雖然平作處理的SOD活性仍大于壟作，但升高速率開始減慢，此時壟作處理的SOD活性升高速率大于平作。在取樣6～9 d，平作處理的SOD活性已經(jīng)開始下降，而壟作處理的SOD活性還在不斷升高。在漬水處理9 d后，壟作和平作處理的SOD活性分別為304.2和217.2 U·(g·min)-1(圖1)。

圖1 漬害脅迫下不同耕作方式甜高粱葉片抗氧化酶活性的變化Fig. 1 Variation trend in the antioxidant enzyme activities of sweet sorghum leaves in two culture patterns under waterlogging stress

2.2.2POD活性 苗期漬害脅迫下，兩種處理的甜高粱的POD活性都表現(xiàn)為先升高后降低，脅迫處理6 d時，壟作和平作處理的POD峰值分別為108和125.5 U·(g·min)-1。取樣0～3 d和3～6 d，平作處理的POD活性和POD活性升高速率都大于壟作。在取樣6～9 d，兩種處理的POD活性都表現(xiàn)為不斷降低，平作處理的降低幅度大于壟作。漬害9 d后，壟作處理的POD活性比平作高12.8 U·(g·min)-1(圖1)。

2.2.3CAT活性 平作處理的CAT活性先升后降，在脅迫處理6 d時達(dá)到峰值，為275.8 U·(g·min)-1。而壟作處理的CAT活性不斷升高，取樣間隔內(nèi)的CAT升高速率變化不大。脅迫9 d內(nèi)，平作處理的甜高粱的CAT活性始終高于壟作，但并不能表明平作方式能夠更好地表達(dá)CAT酶來抵御漬害脅迫。漬害脅迫6～9 d，雖然平作處理的CAT活性高于壟作，但其CAT活性表現(xiàn)為降低趨勢，而壟作處理的CAT活性在不斷升高，其活性有超過平作的趨勢(圖1)。

3 討論與結(jié)論

3.1 苗期漬害脅迫下甜高粱的耕作方式與產(chǎn)量性狀的關(guān)系

逆境脅迫對于植物生長發(fā)育的影響最終體現(xiàn)在農(nóng)藝性狀上。漬害對玉米(Zeamays)[9]、芝麻(Sesamumindicum)[10]、小麥(Triticumaestivum)[11]、大豆(Glycinemax)[12]和棉花(Gossypiumhirsutum)[13]等的生長都產(chǎn)生影響，產(chǎn)量出現(xiàn)降低。玉米在苗期遭受漬害脅迫后，根的形態(tài)發(fā)生了變化，根的條數(shù)、長度、干重、吸收營養(yǎng)的能力都顯著降低[14]。分別在芝麻的蕾期、盛花期和終花期對其進(jìn)行相同時間的漬害脅迫，結(jié)果均表現(xiàn)為根系早衰甚至爛根、蒴果數(shù)減少、種子產(chǎn)量降低[15]。當(dāng)甜高粱受到逆境脅迫時，同樣會出現(xiàn)有氧呼吸減弱，無氧呼吸作用增強(qiáng)，所以糖類消耗，酒精大量積累，根系活動受阻，代謝緩慢[16]。漬澇環(huán)境會使得土壤中的空氣含量降低，溶解氧減少，無氧呼吸增強(qiáng)，從而抑制根的正常生理代謝，影響其對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。同時，也會使根的形態(tài)發(fā)生變化，改變光合產(chǎn)物在地上部和地下部的分配，增加植物的冠根比[14,17]。植物的地上部分和地下部分是相互作用的，根系活動受阻會導(dǎo)致地上部分的葉綠素合成受阻、蒸騰作用和呼吸作用的速率降低、蛋白質(zhì)合成減少、氧化磷酸化過程受到抑制，激素分泌過程也出現(xiàn)紊亂。地上部分生長受到減緩，同時也會抑制其根的代謝，從而使植物進(jìn)入一個死循環(huán)，嚴(yán)重時會導(dǎo)致死亡[18-19]。所以，緩解漬害對植物生長的影響要從緩解植物根系的脅迫入手。相關(guān)研究[2]表明，壟作耕作方式能夠使作物增加保苗數(shù)、葉片的葉綠素含量、干物質(zhì)積累和葉面積指數(shù)，提高光能利用率、增加土壤透氣性、降低田間濕度，獲得了更好的產(chǎn)量性狀。趙貴元等[20]發(fā)現(xiàn)，在盛花期對芝麻(Sesamumindicum)進(jìn)行漬害處理，壟作方式下的單株產(chǎn)量、株高、有效穗長與平作間存在極顯著差異，能有效緩解漬害脅迫對植物產(chǎn)量性狀的影響。本研究結(jié)果與在芝麻上的研究結(jié)果相似，壟作處理下甜高粱的莖粗、葉數(shù)、葉面積指數(shù)都顯著大于平作(P<0.05)，株高和莖葉比等表現(xiàn)出壟作高于平作的趨勢。說明壟作耕作方式可緩解漬害脅迫對于甜高粱生理過程的抑制作用，從而表現(xiàn)出更好的產(chǎn)量性狀。

3.2 苗期漬害脅迫下甜高粱的耕作方式與抗氧化酶活性的關(guān)系

甜高粱苗期受到漬害脅迫下表現(xiàn)出來的抗氧化能力，是機(jī)體發(fā)生多種生化反應(yīng)，產(chǎn)生多種酶協(xié)同作用的結(jié)果。SOD、POD、CAT是植物體內(nèi)重要的3種抗氧化酶，其功能為清除植物機(jī)體內(nèi)的自由基，使機(jī)體免受傷害[21]。SOD是活性氧清除反應(yīng)中第一個發(fā)揮作用的抗氧化酶，可以有效防御活性氧對于植物的毒害[22]。一般認(rèn)為，植物在遭受各種逆境脅迫(干旱、鹽害、重金屬等)時，會增加SOD活性以抵御逆境傷害。但遭受長時間的逆境脅迫時，自由基和活性氧的增加會超過植物體的調(diào)控范圍，從而顯著降低SOD活性[23]。甜高粱在苗期遭受鹽脅迫時，SOD隨脅迫時間的變化表現(xiàn)為先增后降[24]，本研究平作處理與該變化趨勢相同，而壟作表現(xiàn)為不同，呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。在遭受漬害脅迫的初期，平作和壟作處理都提高SOD活性來抵御脅迫，其發(fā)生機(jī)理為缺氧條件造成自由基合成增加會啟動緩解損傷細(xì)胞的保護(hù)機(jī)制，促進(jìn)植物機(jī)體SOD的表達(dá)[6]。其中，平作處理初期SOD活性升高較快，說明平作處理對于漬害脅迫更加敏感。隨著脅迫時間的延長，因其機(jī)體內(nèi)的自由基和活性氧會出現(xiàn)積累，不同處理下SOD的調(diào)控能力表現(xiàn)不同。在脅迫9 d后，平作處理的SOD活性出現(xiàn)下降，壟作處理的SOD活性大于平作，并且還表現(xiàn)為不斷升高，說明壟作SOD能夠持續(xù)有效的清除自由基和活性氧，更好地抵御漬害脅迫。

POD在植物體內(nèi)分布廣泛，與光合作用、生物氧化等多種代謝過程有關(guān)，可用于消除自由基，其活性與植物的抗逆性有關(guān)。一般在植物體內(nèi)，SOD和POD協(xié)同作用將H2O2轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O，防止膜系統(tǒng)遭到破壞[25]。隨著植物的生長發(fā)育階段和外界環(huán)境的不同，POD活性也表現(xiàn)為不同[22]。本研究結(jié)果表明，不同處理下，POD活性的變化趨勢與SOD活性在脅迫初期表現(xiàn)的趨勢類似，平作處理的POD活性和POD活性升高速率都大于壟作。但是隨著脅迫時間推移，兩種處理的POD活性都開始出現(xiàn)下降，原因與SOD活性變化原因相同，兩種處理下甜高粱POD活性變化趨勢與苗期遭受鹽脅迫時相同[24]，與小麥灌漿期遭受漬害，旗葉POD活性先降后增的趨勢不同[26]。在脅迫結(jié)束時，壟作處理的POD活性已經(jīng)大于平作。說明壟作處理下POD的表達(dá)能更好地抵御漬害脅迫。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境脅迫的加重，植物的CAT活性會出現(xiàn)持續(xù)下降[27]。但也有研究報道，CAT活性在脅迫早期活性會表現(xiàn)出升高，后期出現(xiàn)不斷下降[28]。同時，也可能出現(xiàn)CAT隨脅迫進(jìn)行，活性升高的現(xiàn)象[29]。本研究結(jié)果表明，平作和壟作處理下的甜高粱都積極表達(dá)CAT以應(yīng)對漬害脅迫，初期活性都表現(xiàn)為不斷升高，但后期變化趨勢不同，平作處理的CAT的變化趨勢為先升后降，而壟作處理下則不斷增加。脅迫進(jìn)行9 d后，壟作處理的CAT活性還在不斷增加，說明壟作處理的CAT能夠持續(xù)表達(dá)，抵御漬害脅迫對植物內(nèi)在生理的影響。

3.3 苗期漬害脅迫下甜高粱的抗氧化酶活性與產(chǎn)量性狀的關(guān)系

農(nóng)作物的產(chǎn)量基本取決于光合系統(tǒng)的大小和效率，而葉數(shù)和葉面積指數(shù)是影響光合作用效率的直接因素[30]。株高、莖粗、莖葉比和葉數(shù)是反映植物生長狀況的重要農(nóng)藝性狀[31]。漬害脅迫下，植株體內(nèi)SOD、POD、CAT、硝酸還原酶(NR)、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)等保護(hù)酶類，活性都會出現(xiàn)下降[1]。其中SOD、POD、CAT可有效防止膜氧化；NR 參與N代謝過程，是最重要的限速酶，其活性強(qiáng)弱影響 N 代謝水平；Rubisco是決定光合作用效率的關(guān)鍵酶[1]。本研究結(jié)果顯示，甜高粱苗期SOD和POD活性都與產(chǎn)量性狀具有正相關(guān)關(guān)系，這與前人研究中得到的抗氧化酶活性與產(chǎn)量性狀正相關(guān)的結(jié)論相同[19]。CAT活性與產(chǎn)量性狀間相關(guān)關(guān)系都不顯著，可能與本研究中抗氧化酶指標(biāo)測定僅持續(xù)到脅迫后9 d，有關(guān)9 d之后兩種不同處理下的CAT酶活性與產(chǎn)量的關(guān)系還需要進(jìn)一步探索。結(jié)果說明，壟作處理下，漬害脅迫對于細(xì)胞酶活性和代謝速率影響較小，并相比于平作光合效率較高、農(nóng)藝性狀較好、干物質(zhì)積累較多。

綜上所述，壟作的耕作方式能夠通過緩解漬害脅迫對于甜高粱根系生理活動和代謝速率的影響，更好地表達(dá)SOD、POD、CAT等酶活性來適應(yīng)脅迫環(huán)境，從而相對于平作表現(xiàn)出更好的株高、莖粗、單株干重、葉面積指數(shù)、葉數(shù)、莖葉比等產(chǎn)量性狀。因此，針對長江中下游地區(qū)的氣候特點(diǎn)，壟作的耕作方式更有利于甜高粱的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)。