施肥對鹽堿地紫花苜蓿生理特性的影響

胡凡 張峰舉 顧旭東 許興

摘要：為研究大田試驗(yàn)中氮磷鉀不同用量在鹽堿地上對紫花苜蓿生理特性的影響，設(shè)置氮磷鉀梯度試驗(yàn)，對氮磷鉀3種處理分別設(shè)置6個(gè)梯度，配施量相同，分別測定其葉片過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）的活性及丙二醛（MDA）、脯氨酸（PRO）、葉綠素a、葉綠素b的含量。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)适┯昧繛?0 kg/hm2時(shí)，葉綠素總量達(dá)到最高，為1.24 mg/g，同時(shí)過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶3種酶均保持較高活性;磷肥對于逆境脅迫下的植物調(diào)控系統(tǒng)主要以調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)為主;鉀能夠顯著降低丙二醛含量（P<0.05），K2、K3、K4處理分別比K1降低了39.9%、31.4%、45.8%。主成分分析結(jié)果表明，過氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性以及葉綠素總量的貢獻(xiàn)率最大。該結(jié)果能夠更好地為氮磷鉀肥對紫花苜蓿耐鹽堿機(jī)制的調(diào)控提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：紫花苜蓿;鹽堿地;施肥;生理特性

中圖分類號： S541+.106? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）18-0150-06

收稿日期：2021-01-14

項(xiàng)目基金：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號：2016YFC0501307）;寧夏重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號：2019BBF02001）。

作者簡介：胡 凡（1996—），女，內(nèi)蒙古興安盟人，碩士研究生，研究方向?yàn)槟敛萆怼-mail：1558276732@qq.com。

通信作者：許 興，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹参锷怼-mail：xuxingscience@126.com。

土壤鹽堿化不僅對作物產(chǎn)生危害，還導(dǎo)致土壤肥力退化。隨著全球氣候的改變，土壤鹽堿化的面積逐漸擴(kuò)大，已成為全世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上不可忽視的問題。據(jù)聯(lián)合國教科文組織和聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織不完全統(tǒng)計(jì)，世界上鹽堿土面積約為9.543 8×108 hm2[1]。我國鹽堿土面積約占耕地總面積的25%[2]，主要分布在華北、東北以及西北地區(qū)，其中河套地區(qū)鹽堿地面積約為4.3×105 hm2[3]。土壤鹽堿化問題日益嚴(yán)重，不僅是對農(nóng)業(yè)土地資源的浪費(fèi)，也對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成了威脅。土壤鹽堿化造成植物生理性干旱，影響氣孔開合、植物吸收營養(yǎng)，傷害植物組織[4]。在鹽堿土上種植耐鹽堿植物，不僅具有經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，而且能夠高效利用和改良鹽堿地。

紫花苜蓿（Medicago sativa）是產(chǎn)量和營養(yǎng)價(jià)值雙高且適應(yīng)性廣的優(yōu)質(zhì)多年生豆科牧草，被譽(yù)為“牧草之王”[5]。紫花苜蓿根系深厚，分蘗多，地面覆蓋面大，能夠顯著減少地面蒸騰，減少地表水分蒸發(fā)，從而有效降低耕層的鹽堿含量[6]。許多研究表明，合理施肥可以提高紫花苜蓿的產(chǎn)量和品質(zhì)[7]，也可以提高作物的酶活性和降低丙二醛含量[8-11]，并提高作物的耐鹽性。本試驗(yàn)在寧夏鹽堿地中種植紫花苜蓿，研究田間不同施肥處理下紫花苜蓿生理特性的變化，探討紫花苜蓿耐鹽堿機(jī)制，以期為紫花苜蓿合理施肥和鹽堿地改良提出理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)于寧夏平羅縣高莊鄉(xiāng)（105°57′E、38°36′N），溫帶大陸性氣候，日照時(shí)間長，晝夜溫差大，蒸發(fā)強(qiáng)烈，平均降水量173.2 mm，年平均氣溫 2.8～16.0 ℃，平均日照時(shí)數(shù)為3 008.6 h，平均霜凍期為194.6 d，無霜期為171 d。該試驗(yàn)田初始土壤狀況：pH值為8.54，全鹽含量為1.17 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量為12.28 g/kg，全氮含量為0.94 g/kg，全磷含量為0.99 g/kg，堿解氮含量為79.33 mg/kg，速效磷含量為11.43 mg/kg，速效鉀含量為135.95 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試材料為建植3年的紫花苜蓿品種耐鹽之星。供試肥料為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)材料于2018年3月底播種，播種量為 22.5 kg/hm2，播深 2 cm，行距為 15 cm。2018、2019年采取田間高產(chǎn)田管理措施，于2019年開始采取單因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)于2020年3月開展，磷、鉀肥做基肥于2020年3月底施入，人工條施，氮肥分2次施入，每次施入50%，第1次做基肥施入，第2次于第2次刈割后，7月4日施入。施肥量采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，18個(gè)處理（表1），每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共54個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)30 m2。

于2020年7月3日采集第2茬初花期紫花苜蓿，每個(gè)小區(qū)采集生長狀況良好、長勢相同的苜蓿葉片100 g，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，-20 ℃冰凍保存，待測。

1.4 測定指標(biāo)及方法

葉綠素含量的測定采用乙醇浸泡法[12]測定;丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法[13]測定;超氧化物歧化酶（S0D）活性采用氮藍(lán)四唑（NBT）光還原法[13]測定;過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法[13]測定;過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法[13]測定;脯氨酸（Pro）含量采用茚三酮比色法[14]測定。所有指標(biāo)均取3次重復(fù)，最后計(jì)算平均值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel對測定指標(biāo)數(shù)據(jù)預(yù)處理，再使用SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)分析軟件中廣義線性模型（GLM）進(jìn)行單因子方差分析和Duncans多重比較，P<0.05為顯著差異。采用Origin 8進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同肥料處理對紫花苜蓿葉綠素含量的影響

光合作用不僅與環(huán)境因素有關(guān)，還與礦質(zhì)元素息息相關(guān)。如圖1所示，N2、N3、N4、N5、N6處理的葉綠素a含量與N1處理（對照）相比存在顯著差異（P<0.05），隨著施用量的增加，總體呈先上升再下降趨勢，其中N4處理與對照差異最大，相比對照提高了19.8%;磷肥用量試驗(yàn)中各處理之間不存在顯著差異;鉀肥用量試驗(yàn)中，與K1處理（對照）相比，K2處理的葉綠素a含量增加了8.5%。如圖2所示，隨著肥料施用量的增加，葉綠素b含量總體呈先上升后下降的趨勢，N3處理與對照（N1）相比增加了44.7%;磷肥各處理間不存在顯著差異;K2、K3、K4、K5、K6處理的葉綠素b含量均高于對照，K4處理與對照（K1）相比顯著增加了22%。如圖3所示，從葉綠素總量來看，氮肥各處理間達(dá)到了顯著水平（P<0.05），N3、N4處理相比對照（N1）提高了19.6%、20.6%;磷肥各處理間無顯著差異;施用鉀肥后，處理組間葉綠素總量均高于對照K1，但5個(gè)處理組間差異不明顯。

2.2 不同肥料處理對紫花苜蓿抗氧化酶活性的影響

當(dāng)植物受到逆境脅迫后，植物體內(nèi)由于氧代謝失調(diào)，會形成氧化脅迫。在不利于植物生長發(fā)育的條件下，植物組織會通過各種途徑產(chǎn)生超氧陰離子自由基、羥基自由基、過氧化氫等具有強(qiáng)氧化能力的活性氧。而植物可以通過SOD、POD、CAT等抗氧化酶系統(tǒng)對植物組織進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要目的是清除有害的活性氧自由基，減輕或避免活性氧自由基對膜脂的攻擊，避免膜損傷。

如圖4所示，氮肥不同施用量對SOD活性存在顯著差異（P<0.05），處理N2、N3、N4、N5、N6分別比對照（N1）增加了20.2%、36.3%、14.7%、38.8%、20.3%，其中以N3與N5最顯著，說明氮肥能夠提高SOD活性。隨著不同磷肥用量的增加，SOD活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，與對照（P1）相比，P2、P3、P4、P5分別增加了1.7%、3.5%、1.3%、6.4%，P6下降了12.2%，表明適當(dāng)?shù)牧卓梢蕴岣逽OD活性，過量反而會降低SOD活性。鉀肥試驗(yàn)中，隨著鉀肥施用量的增加，SOD活性總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，除K6處理比 K1（對照）下降6.9%之外，其余4個(gè)處理組比K1（對照）提高了2.4%～26.6%，其中K3、K4與對照存在顯著差異（P<0.05），分別提高了26.6%、21.6%，也表明鉀在提高SOD活性中的重要性。

如圖5所示，不同施氮處理在POD活性上不存在顯著差異。POD活性在磷肥各處理中呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，P2處理比 P1處理（對照）提高了7.1%，表示低磷可以提高POD的活性;在鉀肥處理中呈現(xiàn)出倒“V”趨勢，即兩邊低、中間高，與鉀處理組的SOD活性趨勢一致，K3處理相比 K1處理（對照）提高了14.9%。如圖6所示，CAT活性在氮肥試驗(yàn)中呈現(xiàn)出先升高后降低趨勢，氮肥各處理均高于對照，N2、N3處理比N1處理（對照）顯著提高了31.5%、28.4%。磷肥處理的CAT活性與POD活性趨勢一致，先上升后降低，P2處理比P1處理提高了3.8%。鉀肥的CAT活性與POD活性趨勢相似，K3處理與K1處理（對照）存在顯著差異（P<0.05），相比提升了18.8%。

2.3 不同肥料處理對紫花苜蓿MDA含量的影響

MDA是植物處于逆境時(shí)，活性氧破壞細(xì)胞功能，導(dǎo)致膜脂質(zhì)發(fā)生過氧化反應(yīng)產(chǎn)生的。MDA含量可以反映出植株受傷害的程度。如圖7所示，氮肥各處理的MDA含量均低于N1處理（對照），N4、N5、N6處理與N1處理（對照）差異顯著（P<0.05），分別低于對照22.2%、22.2%、20.8%;磷肥中P2、P3、P4、P5、P6處理的MDA含量均低于P1處理（對照），但未達(dá)到顯著水平;鉀肥各處理組與對照差異明顯，在施用鉀肥之后，MDA含量顯著下降，但在不同鉀肥用量的處理間無顯著差異，與對照（K1）相比，其他各處理分別降低了39.9%、31.4%、45.8%、24.6%、37.0%。

2.4 不同肥料處理對紫花苜蓿脯氨酸含量的影響

當(dāng)植物處于鹽堿脅迫下時(shí)，由于土壤中可溶性鹽分過多，會造成土壤水勢降低，導(dǎo)致土壤吸水困難。水分的虧缺會導(dǎo)致植物產(chǎn)生滲透脅迫，而植物為了維持正常的生長生理活動，開始積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，脯氨酸是多種植物體內(nèi)最有效的一種在細(xì)胞內(nèi)合成的有機(jī)溶質(zhì)，是具有親和性的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。脯氨酸的主要作用是維持原生質(zhì)和環(huán)境的滲透平衡，防止植物因失水過多而抑制生長發(fā)育。如圖8所示，施用氮肥后脯氨酸含量均有所提升，N6處理與N1相比顯著提高28.9%（P<0.05）;磷肥各處理組脯氨酸含量無顯著差異;K4處理與對照K1差異顯著（P<0.05），與對照相比，提高29.8%。

2.5 主成分分析

主成分分析是一種降維的常用統(tǒng)計(jì)方法，將原來變量重新組合成一組新的相互無關(guān)的幾個(gè)綜合變量，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需求從幾個(gè)綜合變量中取出幾個(gè)較少的總和變量，盡可能多地反映原來變量的信息。對氮磷鉀3種肥料處理的9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，KMO值為0.447，巴特利特球形度檢驗(yàn)顯著性小于0.001。主成分1～3特征值大于1，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到81.57%，3個(gè)主成分貢獻(xiàn)率分別為39.76%、26.93%、14.88%。由表2可知，對主成分1特征向量影響較大的指標(biāo)是葉綠素a含量和葉綠素總量;對主成分2特征向量影響較大的指標(biāo)是過氧化物酶（POD）活性和脯氨酸（Pro）含量;對主成分3特征向量影響較大的指標(biāo)是超氧化物歧化酶（SOD）活性和葉綠素b含量。

3 討論

3.1 不同肥料處理對紫花苜蓿葉綠素含量的影響

植物對氮磷鉀的需求量很大，在農(nóng)田中需要施肥來補(bǔ)充土壤所損耗的養(yǎng)分。氮磷鉀不僅可以提高作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，也影響著作物的生理作用。本試驗(yàn)以氮磷鉀施用量的不同梯度對紫花苜蓿進(jìn)行耐鹽性研究，以期為鹽堿地紫花苜蓿的耐鹽調(diào)控機(jī)理提供理論依據(jù)。

葉綠素是在光合作用過程中吸收光能的光合色素，其在光合作用中起著重要的作用。研究表明，氮、磷、鉀對植物葉綠素含量影響顯著[15]。葉綠素含量對葉片光合作用的影響很大[16]。在氮肥試驗(yàn)中，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，隨著氮肥施用量的提高，葉綠素含量不斷下降，當(dāng)施用量從N3改變到N4處理時(shí)，葉綠素含量達(dá)到最高，這與張文等在草坪草[17]和秦立金等在辣椒[11]上的研究結(jié)果一致。適當(dāng)?shù)龠M(jìn)葉綠素合成，但高氮會抑制葉綠素形成，這可能是因?yàn)楦叩獣绊懜鼍鷮Ω那秩?，降低固氮酶活性，從而降低根瘤菌結(jié)瘤數(shù)量，導(dǎo)致固氮效率的降低[18]。磷肥在這3個(gè)指標(biāo)中并未表現(xiàn)出顯著差異，與宋秀麗等在大豆上的研究結(jié)果[19]一致。有研究表明土壤中pH值與有效磷利用效率呈直線負(fù)相關(guān)關(guān)系[20]，由此說明鹽堿地高pH值抑制了溶磷微生物的活性，導(dǎo)致溶磷效率降低，抑制了磷的吸收。鉀肥試驗(yàn)中3個(gè)指標(biāo)也未顯現(xiàn)出明顯差異，這與杜明等的研究結(jié)果[21]類似，其研究表明，開花期的大豆葉綠素含量并未由于品種差別顯現(xiàn)出明顯差異[21]。

3.2 不同肥料處理對紫花苜蓿抗氧化酶活性及MDA含量的影響

在逆境脅迫下，植物細(xì)胞產(chǎn)生并積累活性氧，當(dāng)活性氧的產(chǎn)生與消除無法達(dá)到均衡時(shí)，就超出了植物清除活性氧的能力，會產(chǎn)生氧化脅迫，對細(xì)胞及植物體造成氧化損傷[22]。MDA是膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，其在植物體內(nèi)的含量可以反映膜的穩(wěn)定性與植物受傷害的程度[23]。SOD、POD、CAT是抗氧化系統(tǒng)的主要酶類。SOD是活性氧系統(tǒng)中第1個(gè)發(fā)揮作用的抗氧化酶[24]。CAT是一種名為接收細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的H2O2的接收器，是植物體、細(xì)胞器內(nèi)氧化防御的重要物質(zhì)[25]，其主要作用是清除活性氧自由基。本試驗(yàn)結(jié)果表明，SOD活性、POD活性、CAT活性在氮肥試驗(yàn)中表現(xiàn)出不同的趨勢，試驗(yàn)各處理間 SOD 在 N3、N5 處理上活性最高，CAT 在 N2、N3 處理上活性最高，且均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，表明紫花苜蓿在氮肥施用量在 90 kg/hm2 時(shí)，2種抗氧化酶活性均會保持一個(gè)比較高的狀態(tài)，而氮素水平過高會抑制酶活性，這與王文娟等在寬葉雀稗[26]和趙浩波等在羊草[27]上的研究結(jié)果相似。MDA含量在各處理間存在顯著差異，其趨勢與酶活性相反，隨著酶活性的增強(qiáng)，MDA含量不斷減少，表明適宜的施氮量能夠提高紫花苜蓿的耐鹽堿能力。磷肥試驗(yàn)中3種酶活性趨勢一致，在P2和P3處理中3種酶活性最高，隨著磷肥施用量的增加，酶活性不斷降低。在施肥量為 45～90 kg/hm2 時(shí)，酶活性達(dá)到最高，施肥量超過90 kg/hm2 后酶活性降低，這可能因?yàn)槭┓蕝^(qū)土壤中可利用磷過高，對植物產(chǎn)生了脅迫，超出了抗氧化酶系統(tǒng)清除活性氧的能力， 也有可能是因?yàn)檐俎α椎奈沾嬖陂撝?，?dāng)超過這個(gè)閾值之后，根細(xì)胞磷濃度提高，細(xì)胞膜磷脂含量增加，使得細(xì)胞膜通透性降低，根系分泌的碳水化合物減少，叢枝菌根真菌侵染率降低，降低作物根際土壤養(yǎng)分的有效性。而MDA含量在磷肥各處理間并未達(dá)到顯著水平，這與舒鈺在草坪草上的試驗(yàn)結(jié)果[9]類似，對同一時(shí)期施用量不同的草坪草的MDA含量不存在顯著影響[9]。鉀肥試驗(yàn)中各處理間MDA含量差異顯著，說明鉀肥可以緩解鹽堿脅迫對植物造成的傷害，其中K3處理的3種酶活性均達(dá)到最高，K4、K5、K6處理的酶活性逐漸減弱，這與丁雪梅等在大麗花上的研究結(jié)果[28]相似，MDA含量在各鉀肥處理間存在顯著差異，其趨勢與3種酶活性相反，表明鉀肥的施用超過了最適量，反而會導(dǎo)致鉀元素積累太多，從而破壞活性氧代謝系統(tǒng)，加速膜脂過氧化作用。

3.3 不同肥料處理對紫花苜蓿脯氨酸含量的影響

當(dāng)植物受到脅迫時(shí)，植物體內(nèi)會積累脯氨酸。作為一種滲透調(diào)劑物質(zhì)，脯氨酸可以調(diào)節(jié)滲透勢，維持細(xì)胞膨壓[29]。氮肥試驗(yàn)結(jié)果表明：氮肥施用后對脯氨酸積累有促進(jìn)作用，說明氮肥可以通過調(diào)節(jié)滲透勢來改善植物由于受到逆境脅迫所帶來的傷害;磷肥梯度試驗(yàn)結(jié)果表明，各處理組之前不存在差異顯著，說明磷肥對逆境脅迫下植物的調(diào)控機(jī)制以調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)為主。鉀肥試驗(yàn)結(jié)果表明，鉀肥各處理間的脯氨酸含量存在顯著差異，隨著鉀肥施用量的提高，脯氨酸含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，主要是因?yàn)樵邴}堿脅迫下，植物不可避免地吸收土壤中的鈉離子，鉀肥的施入為葉片中的鉀離子提供了充分的來源，維持鉀鈉離子平衡，降低了細(xì)胞內(nèi)的滲透勢，使植物的抗逆能力得到了提高[30]。與對照相比，K4處理脯氨酸含量顯著增加，K5處理下降，到K6處理脯氨酸含量又回升，這與丁雪梅等的研究結(jié)果[28]一致，說明過量施鉀反而對植物造成了逆境脅迫，導(dǎo)致脯氨酸含量增加來調(diào)節(jié)滲透勢。

4 結(jié)論

在鹽堿脅迫下，當(dāng)?shù)适┯昧繛?90 kg/hm2 時(shí)，葉綠素總量達(dá)到最高，為 1.24 mg/g，同時(shí)過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶3種酶均保持較高的活性。本試驗(yàn)結(jié)果表明，磷肥對于逆境脅迫下的植物調(diào)控系統(tǒng)主要以調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)為主。鉀肥試驗(yàn)各處理的數(shù)據(jù)表明，鉀能夠顯著降低丙二醛含量和增加脯氨酸含量。主成分分析結(jié)果表明，過氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性以及葉綠素總量的貢獻(xiàn)率較大，為氮磷鉀肥對紫花苜蓿耐鹽機(jī)制的調(diào)控提供理論依據(jù)。

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