油菜秸稈翻埋還田對水稻前期農藝性狀及葉片幾種酶活性的影響

陳 鑫，蘭 康，羅 興，陶詩順，黃 晶

(西南科技大學生命科學與工程學院，四川 綿陽 621010)

【研究意義】“油菜-水稻”是四川盆地重要的種植模式之一。油菜秸稈中富含氮、磷、鉀等元素，若將其合理還田，可提高土壤有機質含量和土壤肥力，進而促進后茬作物的生長發育及產量形成[1-3]。近年來，隨著農業機械化的發展，油菜收獲后，秸稈可隨旋耕機翻埋到土壤中，省時省力，易被農戶接受。然而，大量生產實踐表明，油菜秸稈翻埋還田容易引起后茬水稻前期生長不良。前人已從水稻地上部分生長、根系發育等方面對秸稈翻埋還田造成的抑制作用進行研究[4-7]，但鮮有結合水稻葉片生理活動相關酶活性變化進行深入分析。因此，明確油菜秸稈翻埋還田后水稻前期葉片的生理變化及其與農藝性狀變化的關系具有重要意義。【前人研究進展】植物受到逆境脅迫時，其植物形態會與正常形態產生差異，與之相關的是一系列生理生化的變化過程，例如酶活性的升高或降低[8]。過氧化物酶(POD)在植物體內的主要作用是清除H2O2，保護細胞免受毒害損傷[9]。有研究表明當水稻受到淹水、低溫、鹽等脅迫時，POD酶活性會升高[10-12]。氮素是限制植物生長和產量形成的首要因素，硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)在水稻植株氮素代謝中起著重要作用[13]。當水稻受到低氧、氮磷等脅迫時，NR和GS酶活性升高[13-15]。油菜秸稈翻埋還田抑制水稻植株生長也必然與一系列酶活性變化有關。【本研究切入點】在油菜秸稈翻埋還田條件下，上述與水稻植株抗氧化能力及氮代謝相關的幾種酶活性究竟會發生何種變化，有待深入研究。【擬解決的關鍵問題】本研究擬通過田間試驗，研究油菜秸稈翻埋還田條件下水稻前期農藝性狀及葉片幾種關鍵酶(POD、NR、GS)活性的變化，以期明確水稻生長受秸稈翻埋抑制的生理機制，進而為油菜秸稈科學還田及水稻高產高效栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地簡介及供試材料

試驗于2018年4-9月在四川省綿陽市青義鎮西南科技大學農場(104.7°E，31.5°N；海拔582 m)進行，該地區氣候屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫約16.3 ℃，年平均降水量為963.2 mm，年日照時數約1298.1 h，年無霜期約272 d。試驗前0～20 cm土壤容重為1.5 g/cm3，土壤pH為7.1，有機質含量為13.3 g/kg，有效氮含量為89.2 mg/kg，有效磷含量為8.0 mg/kg，有效鉀含量為63.9 mg/kg。

前茬油菜品種為川油36，供試水稻品種為秈型三系雜交水稻宜香優2115。

1.2 試驗設計

設置油菜秸稈不還田(CK1)、油菜秸稈覆蓋還田(CK2)與油菜秸稈翻埋還田(RI)3個處理。采用完全隨機試驗設計，4次重復，小區面積3 m×4 m。前茬油菜收獲后，將油菜秸稈全部移出田塊，按照450 kg/667 m2油菜秸稈干基計算每個小區秸稈還田量，每個小區還田秸稈8 kg，試驗所用油菜秸稈均經秸稈還田機械粉碎至3～5 cm，晾干備用。RI處理的油菜秸稈于水稻移栽前用微型旋耕機翻埋到土壤中，翻埋深度約為15～20 cm，CK2處理的油菜秸稈在水稻移栽后第3天均勻覆蓋于水稻行間。

水稻于2018年4月11日進行旱地育秧。5月28日，選擇分蘗數為2～3個且長勢一致的水稻秧苗進行移栽，寬行50 cm，窄行25 cm，株距17 cm，每個小區栽種200株。小區道路兩邊設置保護行，小區間用自制防水隔板隔檔以防滲水滲肥。水稻復合肥(N∶P2O5∶K2O=23∶5∶7)按150 kg/hm2純氮進行折算，基肥與分蘗肥的比例=1∶1。基肥在水稻移栽前施用，分蘗肥在水稻移栽2周后施用。水稻移栽后保持田面2～3 cm水層，6月26日開始曬田，7月16日結束曬田。其他管理措施同當地高產田。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 農藝性狀測定 從水稻移栽7 d后開始取樣，每周1次，直至曬田期結束取樣。取樣時，每個小區選取2株具有代表性的植株，以稻株為中心，按26.7 cm×16.7 cm、深30 cm的土柱進行取根，取出后分別置于0.4 mm孔徑尼龍網袋中用流水將根系泥土沖凈。迅速帶回實驗室，分開水稻地上與地下部分，測量株高與分蘗，統計黑根、白根、黃根數并計算單株根系總數。將水稻根系與地上部分裝進信封袋，置于烘箱105 ℃下殺青0.5 h，80 ℃烘干至恒重，計算單株干物質積累量。

1.3.2 酶活性測定 將每次取樣的植株迅速帶回實驗室用液氮處理，選取水稻植株最后一片完全葉進行POD、NR、GS酶活性的測定。POD活性測定采用愈創木酚法，以每克組織在每毫升反應體系中每分鐘使470 nm下吸光值變化0.01為一個酶活力單位；NR活性采用活體法，以每小時每克鮮重樣品中催化產生1 μmol NO2ˉ的量為一個酶活力單位；GS活性測定采用鐵絡合比色法，以每克組織在每毫升反應體系中每分鐘使540 nm下吸光值變化0.005為一個酶活力單位。具體測定方法參照文獻[16]。

1.4 數據處理與統計分析

采用Excel 2013進行數據整理，SPSS 22.0進行統計分析，SigmaPlot 10.0作圖。

2 結果與分析

2.1 油菜秸稈翻埋還田對水稻植株生長的影響

與油菜秸稈不還田(CK1)、油菜秸稈覆蓋還田(CK2)相比，油菜秸稈翻埋還田處理(RI)在水稻移栽后7～35 d，水稻植株的分蘗數及株高均受到抑制。從分蘗情況來看(圖1 A)，RI處理各個取樣時期的分蘗數均低于CK1與CK2；從21 d開始，RI分蘗數顯著低于CK1，28 d時二者差異達到最大；RI分蘗數從28 d開始顯著低于CK2；曬田期間(35 d)，RI分蘗數仍低于CK1與CK2，其中RI顯著低于CK2。植株株高變化趨勢與分蘗變化情況較為一致(圖1 B)，RI處理各個取樣時期植株株高均低于CK1與CK2；從14、28 d開始，RI處理株高分別顯著低于CK1與CK2。CK1與CK2處理水稻分蘗與株高變化各個取樣時期均無顯著差異。

與CK1和CK2相比，RI處理在水稻移栽后14～35 d，抑制水稻地上、地下部干物質積累。從水稻地上部干物質積累量來看(圖1 C)，RI地上部干物質積累量在水稻移栽后7～35 d均低于CK1與CK2，其中，水稻移栽后14～35 d，RI顯著低于CK1與CK2，降低量分別達到0.14～6.97 g和0.22～5.15 g，在28 d時分別達到最大差異。從水稻地下部干物質積累量來看(圖1 D)，RI地下部干物質積累量在水稻移栽后14～35 d低于CK1與CK2，其中，RI在21～28 d顯著低于CK1，分別低0.30、0.73 g；RI在14～28 d顯著低于CK2，分別低0.08、0.24、0.92 g。CK1與CK2的地上、地下部干物質積累量差異不顯著。

2.2 油菜秸稈翻埋還田對水稻根系數量的影響

水稻根系生長發育狀況直接影響水稻植株的生長發育。RI處理的水稻總根數和白根數均低于CK1和CK2(圖2)。水稻移栽后14～35 d，RI處理的水稻總根數顯著低于CK1與CK2處理。白根作為水稻的新生根系，它的數量直接反映了根系整體活力和代謝效率。從白根數來看(圖2 B)，RI在水稻移栽后7～35 d低于CK1(28 d時除外)，在35 d時顯著低于CK1；RI在水稻移栽后7～35 d均低于CK2，其中，在移栽后28和35 d時顯著低于CK2。從白根數的變化曲線上看，隨著水稻生育進程推移，白根數在快速增加，21 d后，RI處理的白根數有所下降，而CK2處理的白根數仍然在增加。

2.3 油菜秸稈翻埋還田對水稻葉片POD、NR、GS酶活性的影響

油菜秸稈不同還田方式下水稻葉片的POD活性呈現先降低后升高的趨勢(圖3 A)。整體來看，RI在整個觀測階段POD活性最高；水稻移栽后7～21 d，RI與CK1之間差異較小，21 d后，RI的POD活性顯著高于CK1，分別高214.7、100.9個活性單位(U/g 鮮重)；RI的POD活性在水稻移栽后7～35 d均顯著高于CK2，高出61.7～219.8個活性單位(U/g 鮮重)；CK2與CK1之間差異不顯著。

水稻葉片NR、GS酶活性在3種處理下總體表現為RI和CK2處理高于CK1(圖3 B, C)。與CK1相比，水稻移栽后7～35 d，RI處理的NR、GS酶活性顯著高于CK1(水稻移栽后14 d時NR酶活性除外)；與CK2相比，水稻移栽21 d前，CK2的NR、GS酶活性高于RI，水稻移栽后21 d，RI高于CK2，且RI處理的NR酶活性在移栽7和28 d時顯著高于CK2，分別高0.20和0.15個活性單位(μmol/h/g鮮重)，但RI處理的GS酶活性與CK2之間差異不顯著。

圖1 油菜秸稈翻埋還田對水稻分蘗數(A)、株高(B)、地上部(C)及地下部(D)干物質積累的影響Fig.1 Effects of rape residue incorporation on tiller number (A), plant height (B), dry weight of shoot (C) and roots (D) of rice

圖2 油菜秸稈翻埋還田對水稻總根數(A)及白根數(B)的影響Fig.2 Effects of rape residue incorporation on total root numbers (A) and white root numbers (B) of rice

圖3 油菜秸稈翻埋還田對水稻葉片POD(A)、NR(B)、GS(C)酶活性的影響Fig.3 Effects of rape residue incorporation on POD (A), NR (B), GS (C) activity in rice leaves

3 討 論

前人研究表明，秸稈還田會降低水稻前期分蘗數、株高、干物質積累及根系活力[4-7]。本研究中，油菜秸稈翻埋還田導致水稻移栽后分蘗減少，植株矮小，生物量積累緩慢，根系數量減少。研究結果與前人的研究結果基本一致。秸稈還田后抑制水稻前期生長，其原因可能一是參與秸稈腐解的微生物從土壤中吸收氮素滿足自身繁殖需要，從而造成與水稻植株爭氮的現象[17]；二是夏季溫度較高，微生物數量增加[18]，秸稈腐解釋放大量有機酸等不利于水稻生長的物質[19-20]；三是在淹水條件下，秸稈還田使土壤中還原物質增多、pH下降，影響水稻根系活力，進而影響水稻前期生長發育[7]。本研究中，覆蓋還田的處理與對照差異不明顯，可能是因為覆蓋處理的秸稈由于其覆蓋在田間表面上，短時間內腐解不夠徹底，釋放的毒性物質對根系影響較小[21]。

逆境脅迫下，植物抗氧化酶的變化較為復雜。蘭旭等[22]研究指出，水稻花期高溫脅迫導致其穎花POD活性先升后降，處理5 d時達到最大。本研究中，從移栽后7～21 d，水稻POD活性不斷下降，可能是本試驗第一次取樣時間為移栽7 d后，錯過了POD活性短暫上升的階段[23]。直到開始曬田，POD活性上升，可能是由于曬田改善了土壤通氣狀況、緩解了低氧等脅迫狀況，水稻體內保護酶類進行了適應性調整[8]。前人研究認為淹水[10]、低溫[11]、鹽[12]等脅迫下水稻POD活性增加。本研究中，RI處理下POD活性高于CK1與CK2，可能是由于秸稈翻埋還田導致土壤環境改變，如還原性物質增多，水稻植株受到脅迫而產生了較多活性氧，為清除體內的活性氧，需要相對較高的POD活性。

水稻在逆境脅迫下，其體內NR、GS酶活性受到誘導升高[13-15]。前人研究發現根際溶氧量對水稻生長的影響可能與氮代謝密切相關[14]，且水稻對氮素的吸收利用需要消耗呼吸作用釋放的ATP[13]。本研究中，油菜秸稈還田條件下水稻葉片NR和GS酶活性高于秸稈不還田，可能是由于秸稈還田導致根際土壤溶氧量更低[24]，根系有氧呼吸受阻，為維持能量供應，氮代謝途徑發生改變，植株通過提高NR和GS酶活性，促進呼吸作用進而提供氮代謝所需能量[13]。另一方面，自然狀態下的農作物秸稈，C/N比較高，還田初期，有機質分解較慢，土壤中微生物為維持自身生命需要與水稻植株競爭氮素[25]，可能導致土壤中氮素缺乏，水稻葉片通過提高NR和GS活性促進自身對氮素的吸收利用[13-14]。水稻的生長發育不僅與氮素代謝有關，還與光合作用、呼吸作用等生理生化過程密切相關[15]。要明確油菜秸稈翻埋還田后水稻前期生長發育受阻的生理機制，還需進一步研究其他相關生理酶活性的變化。

4 結 論

水稻移栽14 d后到曬田期間，油菜秸稈翻埋還田下的水稻生長受到明顯抑制，水稻分蘗數、株高、地上和地下部干物質積累量及根系數量均顯著低于CK1和CK2。在油菜秸稈翻埋還田處理下，水稻葉片具有較高的POD、NR和GS活性。