不同水分與腐植酸處理對(duì)裸燕麥生理特性和產(chǎn)量形成的影響

趙寶平，韓文元，孫 雯，武俊英，劉景輝

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

干旱是影響作物正常生長發(fā)育繼而造成產(chǎn)量降低的主要因素之一[1-2]。裸燕麥(AvenasativaL.)，俗稱莜麥，是我國北方高寒冷涼地區(qū)重要的優(yōu)勢(shì)特色作物，由于其營養(yǎng)價(jià)值獨(dú)特,受到了越來越多的關(guān)注和重視，其市場(chǎng)需求量也呈不斷增長趨勢(shì)[3]。裸燕麥主要種植在我國北方干旱半干旱地區(qū)，生育期間干旱缺水是導(dǎo)致其低產(chǎn)的主要原因[4]。因此，在水分脅迫下開展不同調(diào)控措施對(duì)裸燕麥籽粒產(chǎn)量形成的影響及其生理機(jī)制研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。

腐植酸主要由黃腐酸、棕腐酸和黑腐酸組成。大量研究表明，葉面噴施腐植酸水溶肥料(HA)具有促進(jìn)作物生長，增加作物產(chǎn)量的作用[5-7]。腐植酸主要通過影響碳、氮代謝過程來促進(jìn)大量和微量元素吸收和作物生長[8]。Abdelaal等[9]發(fā)現(xiàn)腐植酸肥料可顯著提高水分脅迫下大麥光合能力、促進(jìn)植株生長及提高產(chǎn)量。趙海燕等[10]在小麥抽穗期和齊穗期噴施HA，小麥產(chǎn)量和品質(zhì)均提高。此外HA還具有提高作物抗逆性的作用；噴施HA可增加植株葉綠素含量、養(yǎng)分含量和抗氧化酶活性，從而增強(qiáng)玉米耐鹽性[11]。水分脅迫下，HA通過增加油菜葉片氣體交換速率和電子傳遞量而改善了光合能力[12]。重度水分脅迫下噴施HA可調(diào)控燕麥葉片糖組分和內(nèi)源激素從而緩解脅迫傷害[13]。以上研究表明HA具有改善作物抗旱性和提高產(chǎn)量的作用，然而在不同生育時(shí)期水分脅迫處理和噴施HA如何影響燕麥產(chǎn)量形成以及處理間抗旱性差異尚不明確。本研究擬開展拔節(jié)、抽穗和灌漿等3個(gè)生育時(shí)期不同水分脅迫和噴施腐植酸水溶肥處理對(duì)燕麥抗旱增產(chǎn)生理機(jī)制研究，為腐植酸肥料在燕麥等作物上推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種為內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院育成的裸燕麥品種‘內(nèi)燕5號(hào)’ ，該品種適宜在水澆地或水分條件好的灘地種植，具有較高增產(chǎn)潛力，生育期90 d左右。

葉面噴施腐植酸為內(nèi)蒙古永業(yè)農(nóng)豐生物技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的腐植酸水溶性肥料，其中水溶性腐植酸含量≥50 g·L-1,氮磷鉀總含量≥200 g·L-1,微量元素(硼、錳、鉬、鋅等)≥10 g·L-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2015年4—8月在內(nèi)蒙古呼和浩特市科技園藝示范中心的防雨棚內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)采用盆栽種植，盆栽土壤為沙壤土，田間持水量為16%。試驗(yàn)選擇規(guī)格為高30 cm，直徑27 cm的塑料盆，每盆裝取自大田耕作層的土壤11 kg(干土重)，分別施磷酸二銨(含N 18%，P2O546%)3 g，尿素2 g(含N 46%)作為底肥，此后不再追肥。每盆均放通氣管，以便于生長后期根系生長呼吸。播種前統(tǒng)一澆水1.5 L，然后均勻播種，并覆土1 cm。每盆播種燕麥50株，在三葉期定株到25株。水分處理開始前和結(jié)束后維持充分供水直至成熟。

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)因素，分別為3個(gè)處理時(shí)期，2個(gè)水分梯度處理和2個(gè)噴施處理，共12個(gè)處理，重復(fù)4次，共48盆，在防雨棚內(nèi)隨機(jī)區(qū)組放置。3個(gè)處理時(shí)期分別為拔節(jié)期(播種后42 d)、抽穗期(播種后54 d)和灌漿期(播種后66 d)。2個(gè)水分梯度分別為水分脅迫(45%田間持水量(FWC))和正常供水(75%FWC)，分別在各盆50%以上植株進(jìn)入各物候期時(shí)開始實(shí)施7 d水分處理，處理結(jié)束之后恢復(fù)充分供水(≥75%FWC)；采用稱重差值法將土壤水分分別控制在50%～40%和80%～70%田間持水量范圍內(nèi)，每次稱的盆重與預(yù)計(jì)達(dá)到設(shè)置水分梯度需要灌水量之間的差值為需要補(bǔ)充的水量。2個(gè)噴施處理在水分處理開始當(dāng)天實(shí)施，分別為稀釋500倍的腐植酸水溶肥料(HA)和等量清水(WT)，以保證和處理噴水量一致，每次噴施量為50 ml，手持噴霧器均勻噴施于燕麥葉片及植株表面，具體試驗(yàn)設(shè)置及處理方法見表1。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)置方案

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 形態(tài)指標(biāo) 在各時(shí)期處理結(jié)束后第2天，每盆取樣5株，測(cè)定株高和單株葉面積。葉面積采用長寬系數(shù)法測(cè)定，即葉面積=葉片長度×寬度×葉面積系數(shù)(0.63)。

1.3.2 生理指標(biāo) 在各次處理結(jié)束后第2天，每盆隨機(jī)選10株燕麥，選擇植株最上部展開葉或旗葉，采用手持式葉綠素儀(SPAD-502)測(cè)定葉片葉綠素含量相對(duì)值(SPAD)。

在各生育時(shí)期水分和噴施處理結(jié)束后第2天，取各處理完整植株5株，裝入冰袋保溫箱帶回內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)燕麥產(chǎn)業(yè)研究中心實(shí)驗(yàn)室，將葉片分離后于冰箱中保存，參照高俊鳳[14]的方法測(cè)定各生理指標(biāo)。超氧化物歧化酶活性(SOD)采用氮藍(lán)四唑熒光比色法，過氧化物酶含量(POD)采用紫外分光光度計(jì)測(cè)定；丙二醛含量(MDA)采用硫代巴比妥酸比色法測(cè)定，游離脯氨酸含量(Pro)采用磺基水楊酸法測(cè)定。

1.3.3 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素 燕麥成熟后，將每盆中剩余燕麥植株全部收獲，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行考種?？挤N指標(biāo)包括穗長、單株小穗數(shù)、單穗粒數(shù)、千粒重和單株籽粒重等。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2007 軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和作圖，采用SAS 8.2軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析和相關(guān)性分析，差異顯著性分析采用最小差異顯著性(LSD)在0.05水平檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉綠素相對(duì)含量

注：圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。Note:Different letters in each column indicate significant difference (P<0.05). The same below.圖1 不同水分脅迫和腐植酸處理對(duì)燕麥葉片葉綠素相對(duì)含量(SPAD值)的影響Fig.1 Effect of water stress and humic acid foliar fertilizeron the SPAD readings of oat leaves

葉片葉綠素相對(duì)含量(SPAD值)在一定程度上能反映植株生長旺盛程度和發(fā)育狀況。抽穗期各處理的SPAD值均達(dá)到最大值。不同水分處理對(duì)SPAD值的影響在各生育時(shí)期表現(xiàn)不一致，在拔節(jié)期和灌漿期，噴施HA表現(xiàn)為45%FWC>75%FWC，噴施WT處理表現(xiàn)為75%FWC>45%FWC(圖1，P<0.05)；在抽穗期，噴施HA處理下2個(gè)水分處理間差異不顯著。水分脅迫處理下(45%FWC)，在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期噴施HA分別較WT處理高出16.7%、7.0%和15.1%(P<0.05)；在正常供水下(75%FWC)，在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期噴施HA分別較WT高出4.0%、6.1%和4.1%。不同水分、噴施HA處理在各處理時(shí)期對(duì)葉片SPAD值影響顯著(表2)。

表2 不同處理燕麥生理指標(biāo)的差異顯著性和變異系數(shù)

2.2 抗氧化酶活性

植物抗氧化酶活性的大小與植物對(duì)逆境適應(yīng)能力有關(guān)。不同生育時(shí)期超氧化物歧化酶(SOD)活性整體表現(xiàn)為，水分脅迫下(45%FWC)在抽穗期達(dá)到最大，正常供水下隨著生育進(jìn)程呈不斷增加趨勢(shì)(圖2A)。不同水分處理下，在拔節(jié)期和抽穗期，燕麥葉片SOD活性均表現(xiàn)為45%FWC>75%FWC(P<0.05)，在灌漿期兩個(gè)水分處理間差異不顯著(圖2A)；在拔節(jié)期正常供水條件下，噴施HA處理SOD值較WT高18.5%(P<0.05)，其它各生育時(shí)期在同一水分處理下噴施HA后葉片SOD值均升高，但與噴施WT處理差異不顯著。

各處理的葉片過氧化物酶(POD)活性均隨著生育進(jìn)程推進(jìn)呈不斷增長趨勢(shì)(圖2B)。在拔節(jié)期和抽穗期不同水分處理下，燕麥葉片POD活性在各生育時(shí)期均表現(xiàn)為45%FWC>75%FWC(P<0.05)，在抽穗期，水分脅迫比正常供水處理的POD活性高25.4%～49.2%；水分脅迫下，噴施HA處理的POD活性在各生育時(shí)期分別較WT處理高14.1%、16.7%和6.3%(P<0.05)。水分脅迫、噴施HA及不同時(shí)期處理對(duì)燕麥葉片抗氧化酶活性影響顯著(表2)。

圖2 不同水分脅迫和腐植酸處理對(duì)燕麥葉片抗氧化酶活性的影響Fig.2 Effect of water stress and humic acid foliar fertilizeron antioxidant enzyme activity of oat leaves

2.3 葉片丙二醛含量

植物丙二醛(MDA)的積累與其葉片質(zhì)膜體系受損程度有關(guān)。本試驗(yàn)中水分、噴施HA及不同時(shí)期處理對(duì)燕麥葉片MDA含量影響顯著(表2)。各水分處理的MDA含量均隨著生育進(jìn)程推進(jìn)不斷增長，在灌漿期達(dá)到最大，且各生育時(shí)期之間差異顯著(P<0.05，圖3)。不同水分處理下，各生育時(shí)期燕麥葉片的MDA含量均為45%FWC> 75%FWC(P<0.05)，在拔節(jié)期45%FWC比75%FWC處理高22.4%～25.7%。噴施HA可顯著降低MDA含量，在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期水分脅迫下噴施HA，MDA含量分別較WT降低20.3%、11.2%和7.8%；而正常供水下，噴施HA的MDA含量較WT處理分別降低18.2%、1.1%和4.7%。

圖3 不同水分脅迫和腐植酸處理對(duì)燕麥葉片丙二醛含量的影響Fig.3 Effects of water stress and humic acid foliar fertilizeron the content of MDA in oat leaves

2.4 葉片游離脯氨酸含量

植物體內(nèi)游離脯氨酸含量(Pro)能反映植物的滲透調(diào)節(jié)能力。本試驗(yàn)中水分、噴施處理及不同時(shí)期處理對(duì)燕麥葉片Pro含量影響顯著(表2)。葉片游離脯氨酸含量隨著生育時(shí)期推進(jìn)先升高后降低，在抽穗期達(dá)到最大，且各生育時(shí)期之間差異顯著(P<0.05，圖4)。水分脅迫下Pro含量在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期分別較正常供水處理提高48.7%～52.4%、11.6%～19.2%和2.2%～7.1%(P<0.05)。噴施HA對(duì)葉片Pro含量的影響顯著，水分脅迫處理下噴施HA，在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期Pro含量分別較WT提高8.0%、2.7%和3.7%；正常供水處理下噴施HA處理，Pro含量分別較WT提高10.7%、9.7%和11.0%(P<0.05)。

2.5 單株葉面積

水分、噴施處理和不同處理時(shí)期對(duì)燕麥單株葉面積影響顯著(表2)。45%FWC處理單株葉面積在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期的分別較75%FWC下降19.4%～31.4%、8.1%～17.3%和7.1%～14.2%(圖5)。噴施HA對(duì)單株葉面積的影響顯著，45%FWC處理下噴施HA，在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期，燕麥單株葉面積分別較噴施WT處理提高21.6%、15.4%和12.7%；75%FWC處理下噴施HA,燕麥單株葉面積分別較噴施WT提高3.5%、3.8%和4.1%。

圖4 不同水分脅迫和腐植酸處理對(duì)燕麥葉片游離脯氨酸含量的影響Fig.4 Effects of water stress and humic acid foliar fertilizeron free proline content in oat leaves

圖5 不同水分脅迫和腐植酸處理對(duì)燕麥單株葉面積的影響Fig.5 Effects of water stress and humic acid foliarfertilizer on leaf area in oat leaves

2.6 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

各生育時(shí)期水分脅迫可影響植株生長，而噴施HA對(duì)株高影響不顯著(表3)。在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期45%FWC處理下燕麥株高分別較正常供水處理平均降低8.6%、15.1%和3.4%。水分脅迫下燕麥穗長均顯著下降，45%FWC處理下，抽穗期噴施HA能促進(jìn)穗長伸長，較噴施WT提高8.5%；在75%FWC處理下，拔節(jié)期噴施HA穗長較WT處理提高7.6%(P<0.05)。

水分脅迫下燕麥單株小穗數(shù)與正常供水處理相比顯著下降，抽穗期45%FWC處理小穗數(shù)下降25.2%，降幅最大(P<0.05)；噴施HA可不同程度增加單株小穗數(shù)，45%FWC和75%FWC處理下，噴施HA分別較WT增加13.3%～37.0%和2.9%～5.5%，其中在拔節(jié)期增幅最大(P<0.05)。45%FWC處理下燕麥單穗粒數(shù)顯著下降，較75%FWC處理平均降幅為31.5%(P<0.05)。噴施HA可增加單株穗粒數(shù)，45%FWC和75%FWC處理下較WT處理增幅分別為9.9%～16.1%和12.8%～26.6%(P<0.05)，均在抽穗期增幅最大(表3)。

水分脅迫下燕麥籽粒千粒重顯著下降，較75%FWC處理平均降幅為13.1%(P<0.05)。噴施HA對(duì)燕麥籽粒千粒重影響顯著，45%FWC處理下，在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期噴施HA,燕麥千粒重分別較噴施WT提高21.2%、18.3%和8.4%，而在75%FWC處理下，噴施HA較噴施WT分別提高16.0%、8.2%和21.0%。

表3 不同水分脅迫和腐植酸處理對(duì)燕麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

在拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期45%FWC處理下，燕麥單株籽粒重分別較75%FWC下降20.8%，23.1%和24.9%(表3，P<0.05)。噴施HA可一定程度提高燕麥的單株籽粒重，75%FWC條件下，在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期噴施HA分別較噴施WT提高6.4%、8.3%和5.2%；而45%FWC處理下，噴施HA分別較噴施WT提高10.5%、12.7%和4.6%，在拔節(jié)期和抽穗期噴施HA，其產(chǎn)量提高幅度更大。

3 討 論

腐植酸肥料作為一種新型肥料，已在各種作物上廣泛應(yīng)用，并證實(shí)了其具有促進(jìn)作物生長、緩解逆境脅迫的功能[15]。然而不同生育時(shí)期的水分脅迫對(duì)作物生長及產(chǎn)量形成的影響是不同的[16]。本試驗(yàn)噴施HA處理可顯著提高燕麥葉片葉綠素相對(duì)含量，該結(jié)果同趙海燕等[10]、張春明等[17]在小麥上所得結(jié)果一致，此外，Bulgari等[18]也認(rèn)為HA具有促進(jìn)葉綠素合成和植株生長作用。本研究在3個(gè)生育時(shí)期噴施HA后，葉片 SPAD值在水分脅迫下的提高幅度均大于正常供水條件。同時(shí)噴施HA還提高了水分脅迫下燕麥的葉面積，且與產(chǎn)量構(gòu)成因素相關(guān)性顯著(表4)，從光合能力和光合面積兩個(gè)方面促進(jìn)燕麥生長，為進(jìn)一步燕麥籽粒產(chǎn)量形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

表4 不同水分脅迫與腐植酸處理下各產(chǎn)量構(gòu)成因素間相關(guān)性分析

脯氨酸(Pro)是細(xì)胞質(zhì)中重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在逆境脅迫下能保護(hù)細(xì)胞膜和原生質(zhì)的穩(wěn)定性，降低細(xì)胞滲透勢(shì)，提高保水力[23]。很多研究發(fā)現(xiàn)，植物在水分脅迫下Pro含量會(huì)升高[23-25]，本研究中3個(gè)生育時(shí)期水分脅迫下Pro含量升高，且升高幅度隨生育期推進(jìn)呈下降趨勢(shì)。劉偉等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在中度和重度水分脅迫下噴施HA燕麥葉片Pro含量升高；本研究中3個(gè)生育時(shí)期噴施HA，正常供水和水分脅迫下燕麥葉片的Pro含量均上升，且水分脅迫下Pro含量顯著高于正常供水處理，在抽穗期達(dá)到最大，說明抽穗期噴施HA促進(jìn)了燕麥Pro積累從而增強(qiáng)其抗旱性。然而，Khorasaninejad等[24]等在黃雛菊葉片、龐春花等[27]在藜麥根系中發(fā)現(xiàn)，水分脅迫下噴施HA后植株的Pro含量出現(xiàn)下降。結(jié)果出現(xiàn)差別主要原因可能有以下兩方面，一是由于設(shè)置脅迫時(shí)間或程度不同導(dǎo)致的，脅迫時(shí)間越長、程度越重，HA促進(jìn)Pro含量升高的程度可能越高。二是栽培條件不同，Khorasaninejad等、龐春花等研究是在大田栽培條件進(jìn)行的，而劉偉等與本研究均是盆栽試驗(yàn)，有限的土壤水分促使根系A(chǔ)BA信號(hào)快速傳導(dǎo)至地上部，而ABA作為Pro積累的重要信號(hào)物質(zhì)[28]，使地上部葉片的Pro含量上升。

不同生育時(shí)期水分脅迫會(huì)不同程度影響作物產(chǎn)量器官生長發(fā)育，最終影響產(chǎn)量[2]。Moghadam等[29]研究發(fā)現(xiàn)，噴施HA對(duì)水分脅迫下增加玉米產(chǎn)量效果顯著，可緩解由于干旱帶來的傷害。然而也有報(bào)道發(fā)現(xiàn)HA對(duì)作物的養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量并沒有促進(jìn)作用[30-31]。本研究發(fā)現(xiàn)水分脅迫下拔節(jié)期噴施HA,燕麥小穗數(shù)顯著增加，而抽穗期噴施HA后穗粒數(shù)和千粒重均大幅度提高，并且這兩個(gè)生育時(shí)期噴施HA處理燕麥單株粒重提高幅度均超過10%(表3)；而在正常供水處理下，噴施HA后單穗粒數(shù)顯著增加，小穗數(shù)和千粒重增加幅度較小，且在抽穗期單株粒重增幅達(dá)到最大，而該時(shí)期正是燕麥穗粒數(shù)形成的關(guān)鍵時(shí)期[32]，說明抽穗期噴施HA能促進(jìn)穗部籽粒發(fā)育，進(jìn)而提高籽粒產(chǎn)量。相關(guān)性分析結(jié)果表明(表4)，單株粒重與穗粒數(shù)的相關(guān)性最大(r=0.76，P<0.001)，其次為千粒重和小穗數(shù)(r=0.69和0.57，P<0.001)。本研究在灌漿期噴施HA對(duì)燕麥籽粒產(chǎn)量形成的影響均明顯弱于其他兩個(gè)生育時(shí)期，可能是由于此時(shí)燕麥已經(jīng)過了生長旺盛階段，HA發(fā)揮作用時(shí)間較短，使得其增產(chǎn)效果不明顯。

綜上所述，拔節(jié)和抽穗期水分脅迫下噴施HA可顯著改善葉片光合能力、提高抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)能力，進(jìn)而促進(jìn)籽粒生長發(fā)育并提高產(chǎn)量。在實(shí)際生產(chǎn)中，水分脅迫條件下噴施HA的最佳時(shí)期是拔節(jié)期和抽穗期，正常水分條件下噴施HA的最佳時(shí)期是抽穗期。