干旱脅迫下腐植酸對燕麥葉片光合性能的調(diào)控效應(yīng)

李英浩，劉景輝 ，朱珊珊，田 露，張志芬，戴云仙

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心/全國農(nóng)業(yè)科研杰出人才及創(chuàng)新團(tuán)隊，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019)

干旱作為一種高發(fā)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，長期困擾著世界各國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]。中國是旱災(zāi)頻發(fā)國家之一。近50年來在全球變暖和北方干旱化的背景下，中國受旱面積和受旱成災(zāi)面積呈上升趨勢，全國有77.4%的省區(qū)旱災(zāi)風(fēng)險增加[2]，干旱脅迫在所有非生物脅迫危害中占首位[3]。燕麥糧飼兼用，喜冷涼、耐低溫，抗逆性強，在中國西北干旱地區(qū)被廣泛種植[4]，這些地區(qū)常常遭受到干旱的侵襲，是導(dǎo)致燕麥減產(chǎn)的主要原因之一。因此，燕麥被認(rèn)為是治理土地荒漠化的先鋒作物。

植物的光合作用是干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ),較高的光合碳同化能力是獲得高產(chǎn)的前提。在干旱條件下，作物產(chǎn)量的損失在很大程度上是光能利用效率降低所致；干旱脅迫后，植物葉片的葉綠體片層結(jié)構(gòu)會受到破壞，光合色素含量降低，葉片發(fā)黃；在一定范圍內(nèi)，色素含量的高低會直接影響葉片的光合作用，進(jìn)而影響植物抗旱性的強弱[5]。Pn、Tr、Gs和Ci是植物光合生理生態(tài)研究常用的參數(shù)。研究表明，在輕度干旱脅迫下，大麥光合作用下降主要由氣孔限制所致，而在重度干旱脅迫下由非氣孔因素變化所致[6]。燕麥光合作用在干旱脅迫下也會被抑制[7]，但對其復(fù)雜的生理生化調(diào)節(jié)過程尚不明確。腐植酸是動植物遺骸經(jīng)過微生物分解和轉(zhuǎn)化等一系列過程形成的一類有機物質(zhì)[8]。研究發(fā)現(xiàn)，腐植酸能刺激微型原甲藻的生長發(fā)育和增加產(chǎn)量[9]。在干旱條件下，黃腐酸能夠抑制作物氣孔開度，增加氣孔阻力，降低蒸騰作用，增強抗旱性[10]。腐植酸肥料能提高玉米、小麥、馬鈴薯、大豆、燕麥等作物的產(chǎn)量及抗旱性[19]。腐植酸水溶肥料能顯著改善小麥的光合特性，使葉綠素含量和光合速率顯著升高[19]。腐植酸可以提高水分脅迫下油菜葉綠素含量。腐植酸可以增加綠豆葉片的葉綠素含量，提高產(chǎn)量[11]。噴施腐植酸后水稻抽穗期旗葉的Pn、Ci、Gs、Tr和SPAD值提高[22]。前人的研究結(jié)果說明，腐植酸在干旱脅迫條件下可以有效改善作物的光合性能并提高產(chǎn)量。但目前關(guān)于干旱脅迫后，腐植酸對燕麥光合色素含量、光合特性及產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)鮮見報道。本研究以燕麥品種燕科二號為材料，分析了不同時期噴施腐植酸對干旱脅迫下燕麥葉片光合性能、干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響，以期為燕麥抗旱栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設(shè)計

試驗于2018年6月-9月在內(nèi)蒙古呼和浩特市內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)燕麥產(chǎn)業(yè)研究中心溫室進(jìn)行。供試燕麥品種為燕科二號，由內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院提供。腐植酸水溶肥料由內(nèi)蒙古永業(yè)農(nóng)豐生物技術(shù)有限責(zé)任公司提供，其水溶腐植酸含量≥50 g·L-1，N+P+K≥200 g·L-1，微量元素(錳、硼、鉬、鋅等)≥10 g·L-1。采用盆栽方法，土壤為蛭石與泥炭土按質(zhì)量比1∶1的比例混合而成。泥炭土中N+P+K>10 g·kg-1，有機質(zhì)含量>50 g·kg-1，pH 5.5～8.5，土壤含水量為10%。塑料盆高25 cm，直徑20 cm，每盆裝混合土2.5 kg，播種前底施磷酸二銨(含N18%，P2O546%)2 g，在拔節(jié)期與抽穗期各追施尿素(含N46%)2 g。10月15日播種，每盆播30粒，在三葉期定苗，每盆20株。試驗采用隨機區(qū)組排列，設(shè)置正常供水(75%田間持水量，W1)、中度干旱脅迫(60%田間持水量，W2)和重度干旱脅迫(40%田間持水量，W3)3個水分條件，不同水分條件下噴施500倍腐植酸水溶肥料(HA)和等量清水(CK)，共6個處理，每個處理重復(fù)3次，每個重復(fù)種植5盆，共90盆。水分脅迫在拔節(jié)期開始，每天下午5點利用稱重法進(jìn)行補水以保持各處理土壤含水量穩(wěn)定，土壤田間持水量、永久萎蔫點及土壤質(zhì)量含水量按Ryan等[12]的方法分析測定。分別在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期噴施腐植酸，噴施后7 d進(jìn)行取樣和測定光合指標(biāo)。

1.2 取樣方法

取植株旗葉，液氮速凍并保存，每個重復(fù)取樣三次，共6片葉。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 光合指標(biāo)測定

采用CIRAS-3便攜式光合作用測定系統(tǒng)于晴朗無風(fēng)天氣 9:00-11:00 測定燕麥旗葉中部凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)，每個重復(fù)測定3片旗葉，取平均值。

1.3.2 光合色素含量測定

稱重0.2 g凍干的燕麥葉片，采用分光光度法[13]測定旗葉葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)和類胡蘿卜素(Cx+c)含量。

1.3.3 地上部干物質(zhì)量測定

分別于拔節(jié)、抽穗、灌漿期取樣，每個重復(fù)取10株，放入紙袋，在105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干到恒重。計算每株地上部平均干重。

1.3.4 產(chǎn)量及構(gòu)成因素測定

成熟期收獲沒取樣的盆內(nèi)植株用于室內(nèi)考種，每個重復(fù)取3株，測定單株穗長、穗粒數(shù)、小穗數(shù)、穗粒重、千粒重，并計算每盆產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel進(jìn)行整理，用SAS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 HA噴施對干旱脅迫下燕麥葉片光合色素含量的影響

從拔節(jié)期到灌漿期，燕麥葉片Chla、Chlb和Cx+c含量均逐漸提高(圖1)。干旱脅迫導(dǎo)致燕麥葉片三種光合色素含量均下降，且降幅隨著干旱脅迫程度的加劇而增加。在正常供水條件下，噴施HA后各時期燕麥三種光合色素含量與CK差異均不顯著；在中度干旱脅迫下，噴施HA后葉片三種光合色素含量比CK分別平均增加 4.50%、10.02%和9.18%，但只有部分時期差異達(dá)到顯著水平；而重度干旱脅迫下分別增加 6.46%、27.61%和23.87%，在不同時期差異均顯著。以上結(jié)果說明，干旱脅迫對燕麥葉片光合色素含量產(chǎn)生明顯的負(fù)效應(yīng)，噴施HA可不同程度地減少干旱脅迫的影響，尤其是在重度干旱脅迫下效果最顯著。

2.2 HA噴施對干旱脅迫下燕麥葉片光合指標(biāo)的影響

從拔節(jié)期到灌漿期，燕麥葉片的Pn逐漸提高，而Tr、Gs和Ci均先升后降(圖2)。干旱脅迫導(dǎo)致葉片Pn、Tr、Gs和Ci均降低，且降幅隨著干旱脅迫程度的加劇而增加。在正常供水條件下，噴施HA后各時期燕麥Pn、Tr、Gs和Ci與CK差異均不顯著；在中度干旱脅迫下，噴施HA后葉片Pn比CK平均增加23.45%，而Tr、Gs和Ci分別比CK平均減少5.39%、5.35%和0.6%，但只有部分時期差異達(dá)到顯著水平；而重度干旱脅迫下Pn平均增加32.04%,而Tr、Gs和Ci分別平均減少31.93%、34.91%和15.20%,在不同時期差異均顯著。以上結(jié)果說明，干旱脅迫對燕麥葉片Pn、Tr、Gs和Ci產(chǎn)生明顯的負(fù)效應(yīng)，噴施HA可不同程度地減輕干旱脅迫的影響，尤其是在重度干旱脅迫下效果最顯著。

圖柱上不同字母表示相同時期的不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖2同。

Different letters above the columns indicate significant differences among the treatments at same stages(P<0.05).The same in figure 2.

圖1 不同處理下燕麥葉片Chla、Chlb和Cx+c含量的變化

Fig.1 Changes of Chla,Chlb and Cx+c content in oats under different treatments

2.3 HA噴施對干旱脅迫下燕麥干物質(zhì)積累的影響

燕麥地上部干物質(zhì)量隨生育期的推進(jìn)而逐漸提高，干旱脅迫導(dǎo)致燕麥地上部干物質(zhì)量下降，且降幅隨著干旱脅迫程度的加劇而增加(表1)。正常供水條件下，噴施HA對干物質(zhì)量影響不顯著；中度干旱脅迫條件下噴施HA后干物質(zhì)量與CK相比雖有提升，但只在拔節(jié)期差異達(dá)到顯著水平；在重度干旱脅迫條件下，噴施HA后各時期干物質(zhì)量均較CK顯著增加。這說明噴施HA可緩解干旱脅迫對燕麥地上部干物質(zhì)積累造成的抑制作用，且在重度干旱脅迫下效果最顯著。

圖2 不同處理下燕麥葉片Pn、Tr、Gs和Ci的變化

表1 不同處理對燕麥地上部干物質(zhì)量的影響

Table 1 Effect of different treatments on the shoot dry matter amount of oats g·plant-1

處理 Treatment生育時期 Growth stage拔節(jié)期Elongation stage抽穗期Heading stage灌漿期Filling stageW1HA0.43±0.010a2.1±0.015a4.15±0.010aW1CK0.42±0.010a2.08±0.012a4.14±0.006aW2HA0.38±0.010b1.82±0.006b3.99±0.012bW2CK0.33±0.020c1.85±0.021b3.97±0.010bW3HA0.27±0.015d1.81±0.064bc3.91±0.010cW3CK0.19±0.005e1.74±0.119c3.80±0.010d

同列數(shù)值后不同字母表示相同時期的不同處理間差異顯著(P<0.05)。表2同。

Different letters following the values in the same columns indicate significant differences among the treatments at same stages (P< 0.05).The same in table 2.

2.4 HA噴施對干旱脅迫下燕麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

燕麥產(chǎn)量隨干旱脅迫程度的加劇而逐漸降低(表2)。在正常供水條件下，噴施HA后燕麥產(chǎn)量與CK差異不顯著；在中度和重度干旱脅迫下，噴施HA后產(chǎn)量比CK均顯著增加，增幅分別為3.52%和8.43%。穗長、穗數(shù)、單穗小穗數(shù)、穗粒重、穗粒數(shù)和千粒重均表現(xiàn)為正常供水>中度干旱>重度干旱；噴施HA處理高于CK，其中正常供水和中度干旱脅迫下，噴施HA處理與CK差異均不顯著，而在重度干旱脅迫下，噴施HA后穗長、穗粒重及千粒重顯著增加，增幅分別為 29.51%、10.96%和12.70%。這說明，干旱脅迫對燕麥的產(chǎn)量及穗部發(fā)育產(chǎn)生明顯的負(fù)效應(yīng)，噴施HA可不同程度地緩解干旱脅迫的影響，尤其是在重度干旱脅迫下效果最顯著。

表2 不同處理對燕麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

3 討 論

光合色素在植物光合作用能量轉(zhuǎn)化過程中擔(dān)負(fù)著光能吸收和傳遞的重任，光合色素含量的高低與植物生長動態(tài)有一定聯(lián)系，含量越高，光合作用越強[14]。隨著干旱脅迫程度的加劇，植物葉片葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素含量均顯著下降[15-17]，這與本研究結(jié)果基本一致。本試驗中，隨著干旱脅迫程度的增加，燕麥葉片光合色素含量逐漸下降，說明干旱脅迫能夠抑制燕麥葉片光合色素的合成,不利于作物的光合作用。研究表明，施用適量的腐植酸會增加小麥葉片葉綠素a、葉綠素b含量[18]。腐植酸浸種可提高小麥葉綠素 a/葉綠素 b的比值[19]。彭正萍等[20]研究發(fā)現(xiàn)，腐植酸能提高燕麥葉片葉綠素含量。本研究也結(jié)果顯示，3種脅迫條件下，噴施腐植酸后燕麥葉片葉綠素a、葉綠素b的含量均有所提高。劉 偉等[21]研究認(rèn)為，中度脅迫后噴施腐殖酸使小麥葉綠素含量增幅最大，與本研究結(jié)果不同。本研究結(jié)果顯示，與正常供水相比較，重度脅迫條件下噴施HA后燕麥葉片葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素含量與CK相比提高幅度最大，中度脅迫條件下其含量雖有提高，但幅度較小，說明重度脅迫條件下腐植酸對于燕麥色素合成的促進(jìn)效果最佳，可能因為水分的過度缺失，腐植酸會在一定程度上更能加快燕麥葉片光合色素的合成，但具體原因還需進(jìn)一步探討。

光合作用是燕麥產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，產(chǎn)量的高低直接由光合作用決定。前人研究認(rèn)為，水分脅迫引起植物光合作用減弱是導(dǎo)致作物減產(chǎn)的一個關(guān)鍵因素[22]。有研究表明，干旱脅迫下玉米葉片Pn和Tr顯著下降，Ci則先下降后上升，而Gs先上升后下降[23]，在本試驗中，隨著干旱脅迫程度的加劇，燕麥葉片的Pn、Gs和Ci均逐漸降低，與上述研究結(jié)果不同，說明不同干旱脅迫條件下，燕麥葉片的Pn、Gs、Ci變化受氣孔因素的影響較大。噴施腐植酸可增加水稻抽穗期旗葉的Pn、Ci、Gs和Tr[24]；在辣椒生長初期，用腐殖質(zhì)處理后，Pn和Gs分別提高了48%和63%[25]；黃腐酸能夠降低紫花苜蓿葉片Tr，使植株和土壤保持較多的水分，提高作物抗旱能力[26]。李茂松等[27]研究表明，F(xiàn)A抗蒸騰劑可提高小麥光合速率，減小氣孔開度、降低蒸騰強度，起到促進(jìn)冬小麥生長和減少水分散失的作用。HA可顯著提高小麥Pn，延緩光合速率下降，顯著降低小麥Gs和Tr，增強光合速率和光合產(chǎn)物積累，延緩植株衰老，小麥抗旱性增強[28]。施用HA抑制了干旱脅迫下烤煙幼苗葉綠素的降解，減緩了Pn和Tr[29]。本研究表明，在干旱脅迫程度下，噴施腐植酸后，燕麥葉片的Pn提高，而Gs、Tr和Ci均降低。以上結(jié)果說明干旱脅迫下噴施腐植酸對光合特性的影響因作物種類的不同而異。前人研究表明，經(jīng)過適當(dāng)?shù)母珊得{迫能促進(jìn)小麥花前莖、葉、葉鞘和穗穎等貯存物質(zhì)在花后向籽粒的轉(zhuǎn)運，促進(jìn)籽粒灌漿和增加產(chǎn)量，對籽粒干物質(zhì)積累的貢獻(xiàn)率達(dá)10%～70%；隨著干旱脅迫程度的增加,噴施腐植酸后的燕麥單產(chǎn)增幅呈上升趨勢[30]。本試驗結(jié)果顯示，干旱脅迫會減少燕麥的千粒重，從而造成籽粒產(chǎn)量降低，而干旱脅迫時噴施腐植酸可以一定程度上提高千粒重，穩(wěn)定產(chǎn)量，且在重度干旱脅迫下腐植酸的增產(chǎn)效果最明顯，與前人研究結(jié)果一致。