氮素緩解春小麥花后高溫早衰的抗氧化特性研究

堅天才, 康建宏, 吳宏亮, 劉根紅, 高娣, 馬雪瑩, 李鑫

(寧夏大學農學院， 銀川 750021)

隨著全球變暖、極端氣候的頻發，農業生產面臨新的挑戰[1-2]。在作物生產中，特別是小麥等夏收作物，溫度是影響其生理特性的重要環境因素。高溫使春小麥生育期縮短，灌漿速率加快，導致產量顯著降低[3]。灌漿期是決定小麥產量和品質的關鍵時期，小麥籽粒灌漿期的適宜溫度為 20～22 ℃[4-5]，此時如溫度高于30 ℃則會出現早衰現象，導致小麥高溫逼熟，籽粒灌漿期縮短，減產幅度可達10%～30%[6-7]。近年來，寧夏灌區春小麥干熱風發生的次數和持續時間呈增加趨勢，并集中在6月中旬到7月下旬[8]，此階段正值春小麥灌漿期，因此，研究高溫導致小麥早衰的生理機制，制定合理的氮素運籌措施，對寧夏春小麥穩產優質高效生產具有重要意義。

氮素對植物光合作用中光反應和暗反應關鍵酶的活性影響較大[9-11]。李憲利等[12]研究認為，氮素過量會嚴重影響土壤理化性質并對其他元素產生拮抗作用，導致土壤各營養元素間平衡失調。李強等[13]研究發現，低氮條件下，葉片光合作用受到抑制,導致吸收的光能過剩，產生過量的活性氧和丙二醛等膜脂過氧化物，使植物體內活性氧代謝失調，破壞生物膜結構。逆境脅迫使植物出現明顯的早衰，而植物體內保護酶活性的增強能夠提高清除活性氧自由基的能力，從而降低脅迫對植物造成的傷害，減緩早衰現象[14-17]。馮鵬博等[18]和姚珊等[19]分別對馬鈴薯塊莖形成期高溫和小麥花后不同時段高溫進行了研究，結果表明，高溫對作物的光合特性、葉綠素含量和熒光特性均有不同程度的影響。在高溫條件下，合理的氮肥運籌能提高光合特性和抗氧化酶活性，從而增加作物產量，減緩高溫危害[20-21]。但關于氮肥和溫度兩個因子交互作用對小麥抗氧化特性和產量影響的研究相對較少。本研究以寧夏銀川主栽春小麥品種‘寧春50號’為供試品種，采用裂區設計，設置常溫和高溫兩個溫度處理，同時設置5個施氮處理，檢測小麥旗葉抗氧化酶活性、超氧陰離子、滲透調節物質、膜脂過氧化物、氮和類胡蘿卜素含量等生理生化指標及產量的變化，探討氮肥緩解春小麥花后高溫早衰的抗氧化機制和對產量的影響，為春小麥抗逆保優栽培提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在寧夏回族自治區銀川市寧夏農墾平吉堡農六隊實驗基地進行，試驗地海拔約1 170 m，地處銀川平原引黃灌區中部，屬中溫帶大陸性氣候，年平均氣溫8.5 ℃，日溫差12～15 ℃，年降雨量242 mm，無霜期157 d。試驗地0—25 cm耕層土壤基礎養分為：pH 7.44、有機質16.46 g·kg-1、堿解氮57.95 mg·kg-1、有效磷29.23 mg·kg-1和速效鉀126.24 mg·kg-1。

1.2 供試材料

以強筋春小麥品種‘寧春50號’為供試材料，氮肥肥源為尿素(CH4N2O)，純氮含量為46.7%。

1.3 試驗設計

采用大田試驗，于2019年2月27日播種，7月12日收獲。小區長7 m，寬3 m，小區間距50 cm。采用裂區設計，主區為施氮量，副區為溫度。施氮量設5個梯度，分別為施純氮0 (N0)、75 (N1)、150 (N2)、225 (N3)和300 (N4) kg·hm-2。溫度設(25±2)℃ (CK)和(35±2)℃ (HT)兩個處理。HT處理在花后20 d開始，連續處理3 d，處理時間為每天 9:00—17:00(每小時測一次溫度和光照強度，同一時刻溫度和光照強度變化的平均值如圖1所示)，其余時間為自然溫度。溫度控制采用搭建人工氣候室的方式，處理時將每個小區一半自然處理，另一半覆蓋棚膜(當溫度高于預設范圍時，用遮陰網或揭棚膜的方式進行降溫)，氣候室長3.5 m、寬3 m、高1.5 m，每個處理4次重復。肥料按常規施肥方法，50%作基肥，50%作追肥，分別在分蘗期和孕穗期追施(各施25%)，磷肥和鉀肥按常規施用量。各溫度處理的空氣相對濕度保持 50%，土壤水分保持在田間最大持水量的 65%～75%，處理結束后轉入自然條件下生長至成熟。

1.4 測定指標與方法

1.4.2測產與考種 產量測定：在成熟期調查每小區1 m2實際穗數并收獲，對其進行脫粒稱重。

穗部性狀測定：在每個小區隨機挖取20株長勢均勻的植株，帶回自然風干后，依次測定株高、穗重、穗長、穗粒數、不結實小穗數、單株生物產量及千粒重等指標。

1.5 數據處理與分析

采用Excel 2003和SPSS 21.0軟件進行數據整理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對旗葉含量的影響

2.2 不同處理對旗葉MDA含量的影響

MDA是膜脂過氧化產物，其含量可以反映植物細胞膜受到的傷害程度。因此，植物體中MDA含量越高，細胞膜損傷程度越大。由表1可知，隨著生育進程(花后15～30 d)，小麥葉片中MDA含量逐漸升高。與常溫相比，高溫處理后葉片MDA含量顯著增加；其中，花后25 d，高溫處理葉片MDA含量增加21.66%～35.65%；花后30 d,高溫處理葉片MDA含量增加23.25%～30.26%。但隨著氮素施用量的增加，葉片MDA含量呈先降后升的趨勢，即同一溫度處理下，N3處理葉片MDA含量最低；N0處理最高。其中，花后25 d，與N0相比，常溫和高溫處理下施用氮素(N1、N2、N3和N4)后，葉片MDA含量顯著降低，降幅分別為17.51%～35.02%和11.34%～25.45%；花后30 d，降幅分別為1.05%～15.93%和6.29%～17.54%。由此說明，高溫脅迫導致葉片MDA含量增加，加劇了膜脂過氧化程度;在一定范圍內增施氮肥可降低葉片MDA含量，但施氮過量則會使MDA含量再度增加。因此,適宜的施氮量可有效緩解高溫導致的膜脂過氧化，使葉片中MDA含量保持較低水平。

表1 不同處理旗葉的MDA含量Table 1 MDA contents in flag leaf of different treatments

2.3 不同處理對旗葉保護酶活性的影響

2.3.1不同處理對旗葉過氧化物酶活性的影響

POD是植物體中重要的保護酶，能夠清除植物體內產生的H2O2，又與光合作用及葉綠素降解有關。由圖3可知，花后25～30 d，葉片POD活性逐漸降低；與常溫相比，經高溫脅迫后POD活性顯著降低，降幅分別為0.65%～23.69%(花后25 d)和21.45%～50.86%(花后30 d)。但隨著氮素施用量的增加， POD活性呈先升高后降低的趨勢。花后30 d，常溫和高溫均表現為：N3>N4>N2>N1>N0；與N0相比， N1、N2、N3、N4在常溫處理時葉片POD活性提高18.35%、20.09%、39.11%和32.60%；高溫處理時POD活性提高26.23%、43.86%、61.91%和56.65%。由此可見，長期高溫脅迫會影響葉片POD活性，并對植物造成嚴重損傷，導致衰老速度加快；適宜的氮肥可以提高葉片中POD活性，有效緩解高溫對質膜造成的損傷，降低膜脂過氧化程度。

2.3.2不同處理對旗葉超氧化物歧化酶活性的影響 SOD是植物體內重要的抗氧化金屬酶，可以有效清除植物體內產生的超氧陰離子自由基，因此SOD活性可以間接反映植物的抗氧化能力。由圖4可知，隨著發育進程，葉片SOD活性逐漸降低。與常溫處理相比，高溫脅迫后葉片SOD活性顯著下降，降幅為9.61%～39.27%(花后25 d)和9.50%～58.81%(花后30 d)。但隨著氮素施用量的增加，同一溫度處理下，小麥旗葉SOD活性隨施氮量的增加呈先升后降的趨勢，均在N3處理葉片SOD活性最高。花后25 d，常溫條件下施氮處理(N1、N2、N3和N4)的葉片SOD活性較N0提高27.96%～40.07%；高溫條件下施氮處理(N1、N2和N3)的葉片SOD活性較N0提高3.72%～31.78%。花后30 d， 施氮處理(N1、N2、N3和N4)的葉片SOD活性相較于N0增幅分別為5.63%～33.66%(常溫)和39.74%～69.80%(高溫)。以上結果表明，高溫脅迫使小麥SOD活性降低，施氮肥能提高小麥旗葉中SOD活性，但氮肥過量卻不利于SOD活性。因此，合理的施氮量提高小麥葉片SOD活性，從而減緩高溫造成的危害。

2.3.3不同氮溫處理對春小麥旗葉過氧化氫酶活性的影響 CAT是植物體內的主要抗氧化酶之一，它廣泛存在于植物細胞中，可以專一地清除過多的過氧化氫。由圖5可知，隨著生育進程，葉片CAT活性逐漸降低，花后30 d，葉片CAT活性比花后25 d平均降低13.13%(CK)和31.70%(HT)。與常溫處理相比，高溫脅迫后葉片CAT活性呈下降趨勢，降幅為4.96%～18.70%。但隨著氮素施用量的增加，同一溫度處理下，小麥旗葉CAT活性隨施氮量的增加呈先升后降的趨勢，均在N3處理活性最高；施氮處理(N1、N2、N3和N4)較N0處理葉片CAT活性增加4.05%～32.68% (花后25 d)和32.98%～55.89% (花后30 d)。由此可知，施加氮肥可以增加CAT活性，然而氮肥不足或過量均會影響CAT活性，因此，合理的施氮量可以更好的抵御高溫脅迫，使小麥葉片中保持較高的CAT活性,從而延緩葉片衰老。

2.4 不同處理對旗葉含氮量的影響

氮是植物體核酸、蛋白質及葉綠素等物質的重要組分，在植物生命活動中發揮著至關重要的作用。由圖6可知，隨著生育進程，葉片含氮量逐漸減少，花后30 d葉片含氮量比花后25 d平均降低5.13%～30.06%(CK)和2.24%～38.93%(HT)。與常溫處理相比，高溫脅迫后葉片含氮量顯著減少，降幅為25.99%～57.38%(花后25 d)和16.35%～38.22%(花后30 d)。但隨著氮素施用量的增加，同一溫度處理下，小麥旗葉含氮量隨施氮量的增加呈先升后降的趨勢，均在N3處理最高。其中，花后25 d，施氮處理(N1、N2、N3和N4)較N0增加28.44%～53.57%(CK)和14.49%～58.49%(HT)。由此可知，施氮肥可以增加葉片含氮量，適宜的施氮量使葉片含氮量增加效果更為明顯，葉片含氮量高有利于抵御高溫對葉片的損傷。

2.5 不同處理對旗葉類胡蘿卜素含量的影響

類胡蘿卜素是光合系統的輔助色素，在光合作用中發揮重要作用。在光照條件下，類胡蘿卜素可以保護葉綠素分子不被光氧化，也可以清除光合作用中產生的氧自由基，從而保護膜脂和膜蛋白免受破壞。由圖7可知，隨著花后時間推移，旗葉中類胡蘿卜素含量呈遞減趨勢；且高溫處理后，旗葉類胡蘿卜素含量較常溫對照顯著降低，降幅分別為7.08%～43.06%(花后25 d)和7.12%～66.63%(花后30 d)。但隨著施氮量的增加，在相同溫度處理下,葉片類胡蘿卜素含量呈先升后降的趨勢，均以N3處理最高。其中,花后25 d，施氮處理(N1、N2、N3和N4)的類胡蘿卜素含量較N0提高2.16%～43.65%(CK)和26.10～92.24%(HT);花后30 d，施氮處理(N1、N2、N3和N4)的類胡蘿卜素含量較N0平均提高43.88%(CK)和76.91%(HT)。以上結果表明，高溫脅迫會導致葉片中類胡蘿卜素含量降低，使光合作用產生的氧自由基清除受阻，從而導致膜蛋白和膜脂受損，葉片衰老速率加快，適宜的氮肥處理可以緩解高溫對小麥葉片造成的損傷，使類胡蘿卜素含量保持較高水平。

2.6 不同處理對旗葉脯氨酸含量的影響

Pro含量可以間接反映植物的抗逆性，此外Pro親水性極強，能穩定原生質膠體及組織內的代謝過程，起到防止細胞脫水的作用。由圖8可知，高溫脅迫后葉片Pro含量降低，其中，花后25 d降低2.89%～48.48%。但隨著施氮量的增加，葉片Pro含量呈先升后降的趨勢，均為N3處理的Pro含量最高。其中,施氮處理(N1、N2、N3和N4)的Pro含量較N0分別增加26.63%～51.79%(CK)和29.36%～61.69%(HT)。由此表明,適宜的氮肥用量可以增加葉片中脯氨酸含量，從而提高代謝過程和原生質膠體的穩定性，提高小麥抗逆能力。

2.7 不同處理對產量構成的影響

花后高溫和不同施氮量對產量構成的影響如表2所示。與常溫相比，高溫脅迫后N0、N1、N2、N3和N4處理出現不同程度的減產，減產率分別為33.71%、21.94%、16.36%、7.81%和13.64%，即隨著施氮量的增加，減產率降低。同時，隨著施氮量的增加，無論是常溫還是高溫處理，小麥的產量、單株生物產量和千粒重均呈現先增后減的趨勢，表現為N3>N4>N2>N1>N0；穗長、穗粒數呈上升趨勢；不結實小穗數呈下降趨勢。由此表明，適宜的施氮量可以有效增加穗粒數和千粒重，降低不結實小穗數，從而提高產量。比較施氮量與增產效率表明，以N0為基礎，常溫處理下，施氮量每增加75 kg·hm-2，產量平均增加2.09 t·hm-2，平均增產率為24.98%；高溫處理下，施氮量每增加75 kg·hm-2，產量平均增加2.98 t·hm-2，平均增產率為41.98%。以上結果表明，施氮肥能顯著增加小麥產量，適宜的施氮量可以有效降低高溫脅迫造成的產量損失，從而到達保產增收的效果。

表2 不同處理的產量構成Table 2 Yield compositions of different treatments

2.8 各指標與產量之間的相關性分析

表3 各指標與產量之間的相關性分析Table 3 Correlation analysis between indicators and yield

表4 不同處理下各指標之間的方差分析Table 4 Anova between indicators under different treatment

3 討論

于寧寧等[33]研究發現,施氮可提高玉米籽粒的最大灌漿速率，延長灌漿漸增期、速增期和緩增期的持續時間，促進籽粒干物質的積累。李虎等[34]研究指出，在適宜的施氮水平下，協調好各產量構成因子，有利于水稻高產，過高的施氮量不利于產量和品質提高。陳愛忠等[35]研究發現，過度施肥會導致水稻出現貪青晚熟，不利于有機物向籽粒轉移，導致肥料利用效率低、甚至出現青枯型早衰。本研究與前人研究相一致，在常溫和高溫處理下，小麥千粒重和產量均表現為隨著施氮量的增加呈先升后降的趨勢，高溫脅迫后千粒重和產量均出現不同程度下降。由此可知，適宜的氮肥水平可以使小麥的千粒重和產量顯著提高，而氮肥過高或者過低都不利于高產。