水鉀耦合對苜蓿根頸抗氧化特性及越冬率的影響

孫明雪， 張玉霞*， 叢百明， 夏全超， 田永雷， 張慶昕， 張冬梅

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院/內(nèi)蒙古自治區(qū)飼用作物工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古 通遼 028041； 2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市畜牧獸醫(yī)科學(xué)研究所， 內(nèi)蒙古 通遼 028000； 3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

隨著國民生活水平的提高，我國畜牧業(yè)得到快速發(fā)展，對飼草品質(zhì)和數(shù)量的要求越來越高。苜蓿(Medicagosativa)是全世界廣泛種植的豆科飼用作物，是富含礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)、維生素等的優(yōu)質(zhì)牧草[1]，其栽培管理技術(shù)十分重要?？茽柷叩貐^(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降雨主要集中在夏季，而我國北方地區(qū)的水資源嚴(yán)重短缺，農(nóng)業(yè)灌溉水的利用率僅達到39%～50%[2-3]。水分在植物整個生命過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，主要包括參與植物體內(nèi)各種酶的生理生化反應(yīng)、有機物的代謝等[4]。當(dāng)植物受到干旱脅迫時，細胞的正常生命活動受阻導(dǎo)致活性氧大量積累，進而會引起抗氧化酶活性的變化，當(dāng)超過植物的耐受范圍后，會造成植物死亡[5-6]。鉀是植物生命活動中不可缺少的大量元素之一，不僅高速透過生物膜，還與酶促反應(yīng)密切相關(guān)，其中抗氧化清除系統(tǒng)中酶活性的啟動就需要鉀元素的參與[7-8]；也有研究表明鉀肥有利于降低丙二醛含量[9]，促進含氮化合物向蛋白質(zhì)合成場所運輸[10]。水肥耦合是指將施肥和灌水融為一體以達到作物高品質(zhì)高產(chǎn)的農(nóng)業(yè)技術(shù)[11]，水分和鉀肥都對植物生長有重要作用，兩者之間即有相互協(xié)同[12]，又有相互拮抗的作用，一方面水分可以加速肥料的溶解，但水分過多時又會降低養(yǎng)分的濃度；而適度的鉀肥可以減少水分蒸騰。目前，關(guān)于水肥耦合對其他作物生理特性方面的研究有很多，但關(guān)于水鉀耦合對苜?？购硖匦杂绊懛矫娴难芯可跎?，如何調(diào)節(jié)科爾沁沙地苜蓿越冬栽培管理中的水分和鉀素，提高苜?？购匦?，因此，本研究分析了不同水鉀耦合處理下苜蓿根頸的超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)，過氧化氫酶(Catalase，CAT)，過氧化物酶(Peroxidase，POD)，丙二醛(Malondialdehyde，MDA)，可溶性蛋白(Soluble protein，SP)及越冬率(Winter survival rate，WSR)，以期為科爾沁沙地苜蓿生產(chǎn)中施鉀和水分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內(nèi)蒙古赤峰市阿魯科爾沁旗巖峰農(nóng)業(yè)公司(北緯43°21′，東經(jīng)119°2′)，屬于溫帶大陸性氣候，四季分明，降水集中。年平均氣溫3℃，10℃以上積溫3 000℃，無霜期150 d，年平均降水量400 mm，蒸發(fā)量是降水量的4～5倍左右，年平均風(fēng)速3.7 m·s-1。土壤有機質(zhì)含量為63.4 mg·kg-1，堿解氮含量34.89 mg·kg-1，全氮含量36.02 mg·kg-1，速效磷含量3.71 mg·kg-1，速效鉀含量77.98 mg·kg-1。

1.2 試驗方法

供試材料為苜蓿的‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’2個品種，由北京正道有限公司提供，于2017年7月1日進行播種。播種前一次性施入過磷酸鈣200 kg·hm-2為基肥。試驗設(shè)置土壤水分和施鉀量2個試驗因子，采用兩因素裂區(qū)隨機區(qū)組設(shè)計，水分處理為主區(qū)：灌水時間間隔分別為4 d(W1)，8 d(W2)和12 d(W3)，每次灌溉到距離土壤表面30 cm處，灌水量為15 mm；鉀肥施用量水平為副區(qū)：50 kg·hm-2K2O(K1)，100 kg·hm-2K2O(K2)和150 kg·hm-2K2O(K3)，并設(shè)置不施鉀肥為對照(CK)，兩個因素共組合成12個處理，每個處理3次重復(fù)。共36個小區(qū)。三個主區(qū)間隔15 m，副區(qū)各小區(qū)試驗面積4 m×5 m=20 m2，各小區(qū)間隔為2 m。播種量為22.5 kg·hm-2，供試肥料為氯化鉀(K2O≥60%)，灌水方式為指針式噴灌，期間進行正常的田間管理。于11月15日前后(越冬前期)挖取苜蓿越冬器官，帶回室內(nèi)洗凈，切取根頸部分測定相關(guān)生理指標(biāo)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

MDA含量采用硫代巴比妥酸法[13]，POD活性采用愈創(chuàng)木酚法[13]，SOD活性采用氮藍四唑法[13]，CAT活性采用紫外吸收法[13]，SP含量采用考馬斯亮藍比色法測定[13]。

越冬率：于播種當(dāng)年2017年10月 26 日，每小區(qū)隨機設(shè)1平方米樣方3個，統(tǒng)計越冬前苜蓿植株數(shù)。2018年3月26日苜蓿出苗至2018年4月1日苜蓿返青全部出苗后(5 d內(nèi)無新增出苗)，挖出后統(tǒng)計樣方內(nèi)返青植株數(shù)，計算越冬率。越冬率=返青植株數(shù)/越冬前苜蓿植株數(shù)×100%[14]。

1.4 統(tǒng)計分析方法

試驗數(shù)據(jù)用Excel軟件處理、制作表格，用DPS7.0軟件進行方差顯著性分析及相關(guān)性分析，采用Duncan檢驗方法新復(fù)極差法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水鉀耦合對苜蓿根頸MDA含量的影響

如表1所示，水分和鉀肥耦合對苜蓿根頸MDA含量具有顯著的影響，在不同灌水時間間隔處理下，‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿根頸MDA含量均隨著鉀肥施用量的增加而下降，且在K2和K3施用量處理下的苜蓿根頸MDA含量顯著小于CK(W2處理除外，P<0.05)，并在K3鉀肥施用量處理下達到最小值，其中‘騎士T’品種苜蓿根頸的MDA含量較CK處理降低了45.74%和24.49%，而‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸的MDA含量較CK處理降低了32.26%和33.96%，說明施用鉀肥有利于降低苜蓿根頸的MDA含量。在不同鉀肥用量處理下，‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿根頸MDA含量均在W2灌水時間間隔處理下達到最小值，在W3灌水時間間隔處理下達到最大值，且W3灌水時間間隔處理下的MDA含量顯著高于W2處理(P<0.05)，其中‘騎士T’品種苜蓿的MDA含量較W2處理增長了617.31%，566.67%和564.44%，‘公農(nóng)1號’品種苜蓿的MDA含量較W2處理增長了332.56%，300.00%和268.42%，說明W2灌水時間間隔處理的水分最有利于減緩苜蓿根頸細胞膜質(zhì)氧化過程，降低細胞膜受損程度。

表1 水鉀耦合對不同品種苜蓿根頸MDA含量的影響

2.2 水鉀耦合對苜蓿根頸CAT活性的影響

如表2所示，水分和鉀肥耦合對苜蓿根頸的CAT酶活性具有顯著的影響，在不同灌水時間間隔處理下，‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿根頸CAT活性均隨著鉀肥施用量的增加而提高，在K2和K3鉀肥施用量處理下的CAT活性均顯著高于CK(W3處理的K2鉀肥施用量處理除外，P<0.05)，說明施用鉀肥有利于提高苜蓿根頸中的CAT活性，其中以施用量為100 kg·hm-2K2O和150 kg·hm-2K2O時，效果更好。在不同鉀肥用量處理下，‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿根頸CAT活性均隨著灌水時間間隔的延長而增加(‘公農(nóng)1號’的K3處理除外)，且在W3灌水時間間隔處理下達到最大值，說明W3灌水時間間隔處理的水分最有利于CAT活性的增強，清除H2O2，保護細胞膜結(jié)構(gòu)。

表2 水鉀耦合對不同品種苜蓿根頸CAT活性的影響

2.3 水鉀耦合對苜蓿根頸POD活性的影響

如表3所示，在不同灌水時間間隔處理下，‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿根頸POD活性均隨著鉀肥施用量的增加而提高，其中K2和K3鉀肥施用量處理下的POD活性均顯著高于CK(P<0.05)，說明施用鉀肥有利于提高苜蓿根頸中的POD活性,且以100 kg·hm-2K2O和150 kg·hm-2K2O為宜。在不同鉀肥用量處理下，‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿根頸POD活性均隨著灌水時間間隔的延長而增加，在W3灌水時間間隔處理下達到最大值，且與W1灌水時間間隔處理的POD活性差異最顯著(P<0.05)，其中‘騎士T’品種苜蓿的POD活性較W1處理提高了55.03%，41.67%和40.14%，‘公農(nóng)1號’品種的POD活性較W1處理提高了65.89%，73.03%和30.58%，說明W3灌水時間間隔處理的水分最有利于提高POD活性，清除活性氧，降低細胞膜受損程度。

表3 水鉀耦合對不同品種苜蓿根頸POD活性的影響

2.4 水鉀耦合對苜蓿根頸SOD活性的影響

如表4所示，在不同灌水時間間隔處理下，不同鉀肥用量處理的‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿根頸SOD活性均高于CK，且均在K2鉀肥施用量處理下達到最大值并顯著高于CK(P<0.05)，其中‘騎士T’品種的苜蓿根頸SOD較CK增加了18.51%，18.65%和19.77%，‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿根頸SOD活性較CK增長了36.76%，21.19%，11.64%，說明施用適量的鉀肥有利于提高苜蓿根頸中的SOD活性。在不同鉀肥用量處理下，‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿根頸SOD活性在W3灌水時間間隔處理下達到最大值，且與W1灌水時間間隔處理的SOD活性差異最顯著(P<0.05)，其中‘騎士T’品種的苜蓿根頸SOD活性較W1處理提高了10.67%，12.70%和9.41%，‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿根頸SOD活性較W1處理增長了13.21%，9.12%和5.33%，說明W3灌水時間間隔處理的水分最有利于提高SOD活性，清除更多活性氧和自由基。

表4 水鉀耦合對不同品種苜蓿根頸SOD活性的影響

2.5 水鉀耦合對苜蓿根頸SP含量的影響

如表5所示，在不同灌水時間間隔處理下，不同鉀肥用量處理的‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿根頸SP含量均高于CK，且在K2鉀肥施用量處理下達到最大值，且均顯著高于CK(P<0.05)，其中‘騎士T’品種的苜蓿根頸SP含量較CK處理增加了13.42%，11.05%和11.36%，‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿根頸SP含量較CK處理增長了17.49%，14.83%和11.46%，說明施用適量的鉀肥有利于提高苜蓿根頸中的SP含量。在不同鉀肥用量處理下，‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿根頸SP含量在W3灌水時間間隔處理下達到最大值(‘公農(nóng)1號’的K1處理除外)，且與W1灌水時間間隔處理的SP含量差異最顯著(P<0.05)，其中‘騎士T’品種的苜蓿根頸SP含量較W1處理提高了17.74%，17.76%和14.59%，‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿根頸SP含量較W1處理提高了32.25%，18.67%和33.61%，說明適當(dāng)?shù)臏p少灌水量有利于苜蓿根頸的SP含量的積累，維持細胞內(nèi)的滲透壓。

2.6 水鉀耦合對苜蓿WSR的影響

如表6所示，不同灌水時間間隔處理下，不同鉀肥用量處理的‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿的WSR均高于CK，且在K2鉀肥施用量處理下達到最大值，且均顯著高于CK(P<0.05)，其中‘騎士T’品種的苜蓿的WSR比CK增加了52.95%，45.42%和31.39%，‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿的WSR比CK增加了37.23%，47.74%和36.96%，說明適量的鉀肥有利于促進苜蓿越冬。在不同鉀肥用量處理下，‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種的苜蓿WSR在W3灌水時間間隔處理下達到最大值，說明適當(dāng)?shù)难娱L灌水時間間隔有利于促進苜蓿越冬。

表6 水鉀耦合對不同品種苜蓿WSR的影響

2.7 根頸中MDA與抗氧化酶活性、SP含量及WSR的相關(guān)性分析

如表7所示，W1灌水時間間隔處理下，‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸CAT活性與POD活性均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸MDA含量與SOD活性呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸WSR與SOD活性及SP含量均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；‘騎士T’品種苜蓿MDA含量與POD活性呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；‘騎士T’品種苜蓿SOD酶活性與CAT活性呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與SP含量及WSR呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；‘騎士T’品種苜蓿的WSR與CAT，POD活性均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，說明抗氧化酶活性的增強有利于提高苜蓿WSR，促進抗寒性增強。W2灌水時間間隔處理下，‘騎士T’品種苜蓿MDA含量與SOD，CAT活性呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；‘騎士T’品種苜蓿CAT活性與SOD活性呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與SP含量和WSR呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；‘騎士T’品種苜蓿根頸WSR與SOD活性呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與SP含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸MDA含量與CAT活性呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與POD活性呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸CAT活性與POD活性呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸SOD活性與SP含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與WSR呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。W3灌水時間間隔處理下，‘騎士T’品種苜蓿MDA含量與CAT活性呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；‘騎士T’品種苜蓿根頸SOD活性與POD活性、SP含量均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；‘騎士T’品種苜蓿根頸SP含量與WSR呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸MDA含量與CAT、POD活性呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸CAT活性與POD活性呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸SOD活性與WSR呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。以上說明苜蓿根頸中抗氧化酶、SP含量越高，MDA含量就越低，植物受傷害程度越輕，苜蓿越冬能力更強。

表7 苜蓿根頸MDA與抗氧化酶活性、SP含量及WSR的相關(guān)性分析

3 討論

當(dāng)土壤中水分和肥力狀況不利于植物生長時，會對植物產(chǎn)生脅迫作用，使植物體內(nèi)氧代謝失去動態(tài)平衡，活性氧大量積累，進而導(dǎo)致膜脂過氧化，積累很多過氧化產(chǎn)物如MDA等，因此，MDA含量可用作反應(yīng)植物受傷害程度的指標(biāo)[16]。本研究表明，‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸的MDA含量在灌水時間間隔為W1的處理時較高，在W2灌水時間間隔處理達到最小值，在W3灌水時間間隔處理時達到最大值，說明灌水時間間隔為8 d時最有利于減輕細胞氧化過程的傷害；張淋淋[17]的研究表明，土壤水分含量過少和過多均會對質(zhì)膜造成損傷，并且脅迫強度越大損傷程度越嚴(yán)重，與本研究結(jié)果一致；劉岱松[18]的研究表明二倍鉀濃度處理、以及添加氨基酸和鉀處理降低煙苗(NicotianatabacumL.)葉片MDA含量，而本研究結(jié)果表明隨著鉀肥施用量的增加，苜蓿根頸中MDA含量表現(xiàn)為下降的變化趨勢，并在K3鉀肥施用量下達到最小值，說明鉀肥施用量水平為150 kg·hm-2K2O最有利于降低活性氧在植物體內(nèi)積累。

SP是植物體內(nèi)非常重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，具有降低滲透勢增加細胞質(zhì)濃度，保持膨壓，緩解脫水脅迫傷害的生理作用，以保持細胞正常的生理過程[26]。本研究結(jié)果表明，‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸SP含量隨著灌水時間間隔的延長而增多，在W3處理灌水時間間隔處理達到最大值；隨著鉀肥施用量的增加，‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸SP含量表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢，并在100 kg·hm-2K2O施用量處理達到最大值；蘇志豪[27]的研究表明隨著土壤干旱程度的加劇，沙生檉柳(Tamarixtaklamakanensis)種群葉片內(nèi)SP呈上升趨勢；董慶[28]的研究結(jié)果表明隨著鉀肥水平的升高，蕨麻(PotentillaanserinaL.)葉片中SP含量成先升后降的趨勢，在78 kg·hm-2K2O到達最大值，與本研究結(jié)果一致?？赡苁怯捎阝浽貐⑴c者植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的代謝過程，適量的鉀肥促進了游離氨基酸等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為SP，并且鉀還能活化與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的酶，即有利于提高苜蓿根頸中SP含量[29-30]，SP含量增多，有利于調(diào)節(jié)滲透勢，維持細胞滲透壓和膨壓，保護生物膜的穩(wěn)定性，維持細胞正常代謝。本研究結(jié)果表明，苜蓿WSR在W3處理灌水時間間隔處理下達到最大值，且隨著鉀肥施用量的增加表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，且在K2施用量處理下達到最大值；說明適量的鉀肥及水分脅迫有利于促進苜蓿越冬；孫洪仁[31]的研究結(jié)果表明鉀作為抗逆元素，苜蓿根部富含鉀素可有效提高作物抗寒性，利于苜蓿安全越冬，與本研究結(jié)果一致。并且本研究結(jié)果表明，苜蓿WSR與抗氧化酶活性呈顯著正相關(guān)，可能的原因是，抗氧化酶活性的增強能通過清除細胞內(nèi)的活性氧和自由基，減少細胞內(nèi)有毒害作用的物質(zhì)對細胞膜的損傷，保護細胞膜結(jié)構(gòu)，進而增強苜蓿的抗寒能力，促進苜蓿安全越冬[1]，其機理還有待進一步研究。

4 結(jié)論

綜上所述，‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸丙二醛含量K2和K3鉀肥施用量處理下顯著小于CK(W2處理除外，P<0.05)；騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸過氧化氫酶、過氧化物酶活性在W3灌水時間間隔處理下最強，且在K2和K3鉀肥施用量處理下與CK差異最顯著(P<0.05)；‘騎士T’和‘公農(nóng)1號’品種苜蓿根頸在W3灌水時間間隔處理和K2鉀肥施用量處理下超氧化物歧化酶活性最強，可溶性蛋白含量和越冬率均最高。因此建議在科爾沁沙地進行苜蓿栽培，灌水時間間隔為12 d，鉀肥施用量為100 kg·hm-2K2O。