干旱和鹽脅迫對(duì)花生干物質(zhì)積累及光合特性的影響

張冠初 史曉龍 慈敦偉 丁 紅 楊吉順 田家明 張智猛,* 戴良香,*

(1 山東省花生研究所，山東 青島 266100；2 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866；3 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830052)

花生(ArachishypogaeaLinn.)是我國(guó)重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物[1]，隨著人民生活水平的提高，對(duì)其需求量也日益增多。我國(guó)鹽堿地面積大，多處于尚未開(kāi)發(fā)狀態(tài)，潛力巨大[2]。花生作為中度耐鹽作物，是適宜鹽堿地種植的作物[3]。同時(shí)，鹽堿地種植花生還可有效緩解因在原有耕地增加花生種植面積而導(dǎo)致的糧油爭(zhēng)地矛盾加劇問(wèn)題。近年來(lái)，通過(guò)耐鹽品種篩選[4]、大水壓鹽[5-6]、選擇最佳播期、適宜密度[7]、合理施肥[8]等一系列措施使花生種植效益逐年提高，但受降雨量分布不均、早春多風(fēng)干旱、蒸發(fā)強(qiáng)烈等自然環(huán)境因素的影響[9]，使鹽分聚集在土壤表層[10]，導(dǎo)致旱鹽雙重脅迫，從而制約了花生產(chǎn)量的提高。

目前，對(duì)花生非生物脅迫方面的研究主要集中在單一脅迫。孟德云等[8]和史曉龍等[11]研究表明，鹽脅迫降低了花生葉片葉綠素含量、凈光合速率(net photosynthetric rate, Pn)和葉面積指數(shù)；厲廣輝等[12]研究發(fā)現(xiàn)干旱也會(huì)降低花生凈光合速率。而關(guān)于旱鹽互作對(duì)花生生長(zhǎng)發(fā)育及光合作用影響的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究針對(duì)鹽堿地花生開(kāi)花期易遭遇干旱和鹽雙重脅迫現(xiàn)象，采用外源NaCl盆栽試驗(yàn)，模擬大田干旱和鹽脅迫環(huán)境，探究花生開(kāi)花期旱鹽脅迫對(duì)花生生長(zhǎng)發(fā)育及光合特性的影響，以期為鹽堿地花生合理灌溉、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取花生品種花育25號(hào)(HY25)為供試材料，由山東省花生研究所提供。

土壤基本理化性質(zhì)為土壤pH值7.7、土壤有機(jī)質(zhì)含量13.23 g·kg-1、全磷(P2O5)0.84 g·kg-1、全鉀(K2O)10.53 g·kg-1、全氮1.70 g·kg-1、水解氮(N)92.1 mg·kg-1、速效磷(P2O5)11.7 mg·kg-1、速效鉀(K2O)103.2 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年在山東省花生研究所防雨棚中進(jìn)行。播種于內(nèi)徑40 cm、高26 cm塑料盆中，每盆播種6粒，定苗3株。土壤取自山東省花生研究所試驗(yàn)站耕地表層土(0～20 cm)，土壤裝盆前過(guò)篩(篩孔直徑≤1 cm)，每盆裝土量為18 kg，土壤含水量為9.72%。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理(表1)，即正常供水(CK)、中度干旱脅迫(記作D)、鹽脅迫(記作S)、旱鹽脅迫(記作DS)。其中水分脅迫程度參照 Hsiao[13]和黎裕[14]的方法進(jìn)行劃分，土壤含水量為占土壤最大持水量的百分?jǐn)?shù)；鹽脅迫為于開(kāi)花期(50%植株開(kāi)花時(shí))以NaCl水溶液形式施入土壤，施入量按照土壤含鹽量0.3%計(jì)算。每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)20盆，共計(jì)240盆。施入鹽分晾曬3 d后進(jìn)行干旱處理，水分控制采用稱(chēng)重法，持續(xù)10 d后復(fù)水，正常生長(zhǎng)至收獲。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 樣品采集 分別于苗期、開(kāi)花期、結(jié)莢期、飽果期、收獲期采集植物樣本，測(cè)量植株主莖高、側(cè)枝長(zhǎng)及地上部分干物質(zhì)量。每次取樣各處理每個(gè)重復(fù)均采集2盆，3次重復(fù)，即每個(gè)處理采集18株。

1.3.2 葉片相對(duì)含水量的測(cè)定 于上午植株露水或雨水蒸發(fā)后進(jìn)行取樣，取主莖上倒3葉稱(chēng)取鮮重(M1)，浸入無(wú)離子水中12 h至恒重稱(chēng)重(M2)，然后置于烘箱中105℃殺青1 h，85℃烘干至恒重(M0)，按照公式計(jì)算葉片相對(duì)含水量：

葉片相對(duì)含水量=(M1-M0)/(M2-M0)×100%(1)。

1.3.3 凈光合速率和SPAD值的測(cè)定 分別于干旱處理前(day after drought treatment, DAT0)、干旱處理后3 d (DAT3)、6 d (DAT6)、9 d (DAT9)、復(fù)水后第10天(DAR10)，選擇晴朗天氣，于9:00-11:00利用CIRAS-3便攜式光合作用系統(tǒng) (PPSYSTEMS公司，美國(guó))測(cè)定葉片的凈光合速率。葉片選擇每株花生的功能葉(倒3葉，從上往下第三片面向陽(yáng)光的葉片)，葉片被測(cè)部位在葉片的中上部，且避開(kāi)葉脈。采用SPAD-502葉綠素儀(柯尼卡美能達(dá)公司，日本)測(cè)定SPAD值。各處理每個(gè)重復(fù)測(cè)定5片葉子。

1.3.4 光響應(yīng)參數(shù)的測(cè)定 旱鹽脅迫至第10天和復(fù)水后第10天，于晴朗天氣上午9:00-11:30，利用CIRAS-3便攜式光合作用系統(tǒng)測(cè)定花生葉片凈光合速率光響應(yīng)過(guò)程[15]。每個(gè)重復(fù)測(cè)定2片葉子，重復(fù)3次，即每個(gè)處理共測(cè)定6片功能葉。選取花生功能葉，利用人工光源將光合有效輻射(photosynthetic active radiation，PAR，μmol·m-2·s-1)控制在100～2 000 μmol·m-2·s-1的10個(gè)梯度內(nèi)，PAR由高到低進(jìn)行Pn測(cè)定。通過(guò)繪制不同脅迫下花生葉片Pn的光響應(yīng)曲線，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)走勢(shì)估計(jì)暗呼吸速率(dark respiration rate，Rd，μmol·m-2·s-1)、光補(bǔ)償點(diǎn)(light compensation point，LCP，μmol·m-2·s-1)和最大凈光合速率 (Pnmax，μmol·m-2·s-1)作為光響應(yīng)參數(shù)的實(shí)測(cè)值。

1.3.5 莢果產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的測(cè)定 于收獲期各處理每個(gè)重復(fù)選取2盆，考察農(nóng)藝性狀(主莖高、側(cè)枝長(zhǎng)和植株干重)、單株結(jié)果數(shù)、單株莢果干鮮重和雙仁果數(shù)。剩余植株統(tǒng)一收獲，莢果風(fēng)干，隨機(jī)選取有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的莢果計(jì)算雙仁果率和出米率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0進(jìn)行Logistic曲線模擬和方差分析；Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 旱鹽脅迫對(duì)花生農(nóng)藝性狀及干物質(zhì)積累的影響

由表2可知，花生主莖高、側(cè)枝長(zhǎng)、植株干重的相關(guān)系數(shù)(R2)均達(dá)顯著或極顯著水平，表明CK、D、S和DS處理均可用 Logistic生長(zhǎng)曲線良好擬合，且與CK相比，各處理下花生的主莖高、側(cè)枝長(zhǎng)和植株干重的最大生長(zhǎng)速率(maximum growth rate，Vmax)均降低。其中，D 和S處理的主莖高和植株干重Ⅴmax降幅分別為6.69%、8.28%和34.45%、50.00%；DS處理的主莖高、側(cè)枝長(zhǎng)和植株干重Ⅴmax降幅分別為56.69%、70.76%、69.33%。結(jié)果表明，干旱脅迫、鹽脅迫均使花生的植株生長(zhǎng)和光合產(chǎn)物積累受到抑制，旱鹽脅迫會(huì)嚴(yán)重阻礙花生生長(zhǎng)和光合產(chǎn)物積累。主莖高、側(cè)枝長(zhǎng)和植株干重Ⅴmax出現(xiàn)時(shí)間(time of Vmaxappearance，Tm)因脅迫處理方式和持續(xù)時(shí)間不同而表現(xiàn)出提前或滯后，其中D處理主莖高、側(cè)枝長(zhǎng)和植株干重的Tm分別較CK滯后1.24、1.13、2.34 d，而S和DS處理則均較CK提前，且均以側(cè)枝長(zhǎng)Tm提前較多，分別為1.8和12.1 d，植株干重Tm提前不明顯，均不足1 d。

表2 旱鹽脅迫下花生農(nóng)藝性狀Logistic擬合方程Table 2 Logistic fitting equations of agronomic trait under stress of drought and saline

注：*和**分別表示擬合方程在0.05和0.01水平上顯著和極顯著。

Note：*and**indicate fitting equations are significant and extremely significant at 0.05 and 0.01 level, respectively.

2.2 旱鹽脅迫對(duì)葉片相對(duì)含水量的影響

由圖1可知，在DAT0～DAT6脅迫時(shí)間內(nèi)，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，D、S和DS處理的葉片相對(duì)含水量均呈下降的趨勢(shì)。各脅迫處理的葉片相對(duì)含水量在DAT3、DAT6、DAT9時(shí)與CK間差異均達(dá)到顯著水平。DAT6后S和DS處理的葉片相對(duì)含水量變化趨于平穩(wěn)，DAT9時(shí)較CK分別降低4.01%和8.52%。DAR10時(shí)，D處理葉片相對(duì)含水量恢復(fù)到CK水平，二者間差異不顯著，而DS處理葉片相對(duì)含水量未恢復(fù)到CK水平，較CK降低6.18%，且與CK、D和S處理均差異顯著。方差分析表明，DAT6、DAT9時(shí)干旱和鹽脅迫無(wú)顯著交互效應(yīng)(P=0.092、P=0.067)。

注:不同小寫(xiě)字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters mean significant difference at 0.05 level among treatments. The same as following．圖1 旱鹽脅迫下花生葉片相對(duì)含水量的變化Fig.1 Changes in relative water content of peanut leaves under stress of drought and saline

2.3 旱鹽脅迫對(duì)SPAD值的影響

由圖2可知，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，各脅迫處理下SPAD值變化趨勢(shì)不同。D和DS處理的SPAD值均呈先升高后降低的趨勢(shì)，且分別在DAT6和DAT3時(shí)達(dá)到峰值，其中D處理較CK升高8.22%，DS處理較CK降低11.85%；S處理的SPAD值隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，呈先下降后略上升再下降的趨勢(shì)，DAT6時(shí)其SPAD值最低，較CK降低18.74%。DAT3、DAT6、DAT9時(shí)各脅迫處理間差異達(dá)到顯著水平；DAR10時(shí)，D處理SPAD值降低，但仍顯著高于S和DS處理。方差分析表明，DAT6、DAT9時(shí)干旱脅迫和鹽脅迫無(wú)顯著交互效應(yīng)(P=0.104、P=0.061)。

圖2 旱鹽脅迫下花生葉片的SPAD值的變化Fig.2 Changes in SPAD value of peanut leaves under stress of drought and saline

2.4 旱鹽脅迫對(duì)凈光合速率的影響

由圖3可知，復(fù)水前(DAT0～DAT9)，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，D、S和DS處理的Pn均呈逐漸下降的趨勢(shì)。DAT3時(shí)，各處理間差異顯著，其中D和DS處理的Pn下降幅度較大，分別較CK降低31.27%和49.79%；DAT9時(shí)，D和DS處理的Pn分別為CK的47.47%和54.09%。S處理Pn隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈緩慢下降趨勢(shì)，DAT9時(shí)較CK顯著下降36.96%。DAT3、DAT6、DAT9時(shí)，各處理間差異均達(dá)顯著水平。各脅迫處理下，均以DS處理的Pn最小，且在DAT3、DAT6、DAT9、DAT10時(shí)與其他處理均差異顯著。方差分析表明，DAT9時(shí)干旱和鹽脅迫對(duì)Pn無(wú)顯著交互作用(P=0.102)。DAR10時(shí)，D處理的Pn升高，但與CK差異不顯著；S處理持續(xù)下降，較CK降低43.75%；DS處理未恢復(fù)到S處理水平，且與S處理差異顯著。

圖3 旱鹽脅迫下花生葉片凈光合速率的變化Fig.3 Changes in Pn of peanut leaves under stress of drought and saline

2.5 旱鹽脅迫對(duì)植株光合特性的影響

由圖4可知，脅迫第10天，光合作用Pn對(duì)光響應(yīng)的非直線雙曲線模型模擬的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到極顯著水平(R2>0.99)，說(shuō)明模型適宜。CK、D、S和DS處理的Pnmax分別為26.07、19.38、14.63和9.72 μmol·CO2·m-2·s-1，其中D、S和DS處理分別降低了25.66%、43.88%、62.72%。各處理的Rd分別為0.45、0.74、0.63和0.91 μmol·m-2·s-1，其中DS處理增幅最大。各脅迫處理的LCP較CK分別升高157.11%、119.96%、332.43%。

圖4 旱鹽脅迫第10天花生葉片凈光合速率光響應(yīng)Fig.4 Response in Pn of peanuts leaves under stress of drought and saline 10 days after treatment

由圖5可知，復(fù)水10 d的非直線雙曲線模型模擬良好。CK、D、S和DS處理的Pnmax分別為27.73、29.98、14.02、10.21 μmol·CO2·m-2·s-1，復(fù)水解除了非鹽脅迫下短期干旱對(duì)光合速率的抑制作用，D處理的Pnmax最高，但對(duì)旱鹽脅迫抑制花生Pn的緩解作用較弱，DS處理較CK顯著降低63.18%，較S處理降低16.67%。CK、D、S和DS處理的LCP分別為19.84、19.27、51.12、91.03 μmol·m-2·s-1，Rd分別為0.52、0.60、0.83、1.21 μmol·m-2·s-1，與復(fù)水前相比，復(fù)水10 d降低了D處理的LCP和Rd，但未降低DS處理的LCP和Rd。S處理的LCP和Rd均持續(xù)升高，分別較CK升高157.66%、59.62%。

圖5 復(fù)水后10 d花生葉片凈光合速率光響應(yīng)Fig.5 Pn of leaves under stress of drought and saline 10 days after rehydration

2.6 旱鹽脅迫對(duì)花生莢果產(chǎn)量的影響

由表3可知，DS處理顯著降低了花生的單株莢果數(shù)、雙果仁率、單株產(chǎn)量和出米率。DS處理的單株莢果數(shù)較S處理降低11.11%，但二者差異不顯著，出米率較S處理顯著降低16.54%。D處理的單株莢果產(chǎn)量較CK降低2.74%，出米率降低2.31%，但差異不顯著。表明鹽脅迫下花生遭遇開(kāi)花期短期干旱較非鹽脅迫下遭遇短期干旱對(duì)花生產(chǎn)量、出米率的危害更加嚴(yán)重。方差分析表明，旱鹽脅迫對(duì)單株莢果產(chǎn)量和出米率均存在顯著的交互效應(yīng)(P=0.031、P=0.045)，干旱加劇了鹽脅迫對(duì)花生生長(zhǎng)的危害，導(dǎo)致其單株產(chǎn)量和出米率顯著降低。

表3 旱鹽脅迫對(duì)花生產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 3 Effect on peanut yield and yield component under stress of drought and saline

3 討論

葉綠素是光合作用的基礎(chǔ)，光合作用是花生干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[16-18]。鹽脅迫下，土壤中的鹽分進(jìn)入植物細(xì)胞中，阻止了葉綠素的合成[19]，同時(shí)加速了葉綠素分解，最終導(dǎo)致葉片中葉綠素含量和凈光合速率下降[20-25]。本研究中，花生通過(guò)降低SPAD值和Pn，增加Rd和LCP，從而使花生主莖、第一側(cè)枝和植株干重的最大生長(zhǎng)速率Vmax降低，同時(shí)Tm提早，易造成花生早衰[7]，導(dǎo)致花生產(chǎn)量和出米率降低。D處理提高葉片SPAD值，S處理降低SPAD值，但二者均降低了花生葉片的Pn，提高了Rd和LCP。這與厲廣輝等[12]、秦斐斐等[26]和嚴(yán)美玲等[27]的研究結(jié)論類(lèi)似。Rd和LCP升高，呼吸消耗增強(qiáng)，S處理產(chǎn)量和出米率均顯著低于CK。復(fù)水10 d后，D處理的SPAD值、Pn和葉片相對(duì)含水量恢復(fù)到CK水平，收獲期植株產(chǎn)量、出米率與CK差異不顯著，未造成減產(chǎn)。鹽脅迫和干旱均可通過(guò)降低氣孔導(dǎo)度來(lái)降低凈光合速率，少量的鹽脅迫可以提高冬小麥和堿蓬的抗旱能力[28-29]，但過(guò)量鹽分會(huì)產(chǎn)生鹽害，加劇干旱對(duì)燕麥生長(zhǎng)的抑制作用[30]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，DS處理降低了花生主莖高、側(cè)枝長(zhǎng)、植株干重的Vmax；復(fù)水10 d后，DS處理的Pn、LCP和Rd未恢復(fù)到S處理水平，呼吸消耗加強(qiáng)，光合同化積累速率下降，旱鹽交互加劇了鹽脅迫對(duì)單株莢果重和出米率的抑制，DS處理的單株產(chǎn)量和出米率較S處理分別降低24.42%和19.81%，且差異顯著，而D處理較CK分別降低2.82%和2.31%，但差異不顯著，旱鹽互作加劇了鹽脅迫對(duì)花生生長(zhǎng)的抑制作用。因此，鹽脅迫下遭遇開(kāi)花期短期干旱對(duì)花生單株莢果產(chǎn)量和出米率的危害較非鹽脅迫下遭遇開(kāi)花期短期干旱更為嚴(yán)重。

4 結(jié)論

開(kāi)花期短期干旱與鹽脅迫對(duì)單株莢果產(chǎn)量和出米率均存在顯著的交互作用，旱鹽互作加劇了鹽脅迫對(duì)花生生長(zhǎng)的危害，導(dǎo)致產(chǎn)量和出米率下降。復(fù)水后，DS較S處理的單株莢果重和出米率下降顯著，而D處理較CK差異不顯著，因此鹽脅迫下花生遭遇開(kāi)花期干旱應(yīng)及時(shí)補(bǔ)水。