施用氮肥對干旱脅迫下花生生理特性的影響

丁 紅 成 波 張冠初 徐 揚 秦斐斐 張智猛* 于遒功

(1.山東省花生研究所,山東 青島 266100；2.青島市農業科學院,山東 青島 266100)

花生是我國重要的經濟作物和油料作物,干旱是限制花生產量與品質提高的限制因素之一。逆境條件下,植物會產生一系列的生理生化反應以提高自身抗逆性。干旱脅迫或氮素缺乏會造成葉片抗氧化酶如SOD、POD 等的活性降低,積累活性氧,膜脂過氧化產物MDA 增加,降低光合能力,不利于籽粒充實,最終導致作物產量下降[1-2]。施肥在“以肥調水”中起著十分重要的作用,通過施肥等栽培措施來調節作物水分狀況是減輕干旱脅迫的有效途徑之一。干旱脅迫下氮肥施用種類、施用量及施用方法的不同,對作物生長發育及生理代謝產生的影響不同[3-5]。多數研究認為,干旱脅迫下施用氮肥可促進植株生長,提高葉片抗氧化酶活性,降低膜質過氧化程度,全面改善葉片光合功能和內在的生理特性,從而緩解干旱脅迫的不利影響[6-7]。但另有研究表明,干旱脅迫下施氮加速作物地上部生長,使其蒸騰消耗量加大,導致土壤水分短缺從而抑制作物生長,加劇作物受脅迫程度[8-9]。

目前關于水肥管理對花生地上部生理及光合特性影響的研究多集中于水、肥單因子效應方面,有關干旱脅迫下施用氮肥二者的交互作用研究較少。為探討干旱脅迫下氮素對花生生長的影響,于花生需水敏感的花針期進行干旱脅迫處理,研究花生葉片生理、光合特性及產量對水分和氮肥的生理生態反應,以闡明水氮互作對花生生長和抗旱性的影響,為花生高產高效水肥管理提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試品種為已通過抗旱性試驗驗證的抗旱型花生品種花育25號。

1.2 試驗設計

試驗于山東省花生研究所萊西試驗站防雨旱棚內進行,使用PVC圓筒制成可以拆卸的直徑40 cm、高100 cm 的圓柱桶進行模擬大田栽培種植的土柱試驗。0～20 cm 土壤容重1.13 g/cm3,pH 值7.6,有機質含量16.7 g/kg、全氮1.81 g/kg、全磷(P2O5)0.81 g/kg、全鉀(K2O)10.53 g/kg。

設置花針期干旱脅迫處理,水分處理為主處理,氮肥處理為副處理,水分脅迫程度所反映的土壤含水量占田間持水量的百分數按Hsiao和黎裕的標準劃分[10-11]。設置三個水分處理(W0:正常供水,W1:輕度水分脅迫,W2:中度水分脅迫)及四個氮肥處理(N0、N1、N2和N3,即分別施氮0、45、90和135 kg·hm-2),每處理干旱脅迫20 d后復水至收獲。正常供水為整個生育期控制土壤含水量為田間持水量的80%～85%,輕度干旱脅迫控制土壤含水量為田間持水量的60%～65%,中度干旱脅迫控制土壤含水量為田間持水量的45%～50%。播種及施肥等栽培管理按大田高產要求進行。氮肥以尿素控制,同時配合施用高產田要求的過磷酸鈣(450 kg·hm-2)和硫酸鉀(300 kg·hm-2),肥料均以基肥方式施入。

每個土柱內種2株花生,隨機排列,重復6次,3次重復進行葉片生理活性測定,3次重復進行產量測定。在土柱中間位置設置測定管,利用TDR TRIME測定不同土層土壤含水量,通過土壤含水量計算每次的灌水量。灌水量總和記為全生育期耗水量,5月11日播種,9月21日收獲。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 樣品采集

干旱脅迫20 d后采集主莖和分枝上倒數第2～3片展開復葉,用蒸餾水洗凈并用濾紙吸干后液氮速凍,于-70℃低溫冰箱內保存,供測定相關生理生化指標。

1.3.2 葉面積測定

摘取葉片后稱取葉片鮮質量,用直徑1.5 cm的打孔器打取10片一致葉片的小圓葉片,稱取小圓葉片的鮮質量,根據小圓葉的面積和質量計算花生葉片的面積[12]。

1.3.3 保護酶活性和丙二醛含量測定

參考李合生[13]的方法。SOD 酶活性用羥胺法測定,CAT 酶活性用高錳酸鉀滴定法測定,POD 活性用愈創木酚法測定。

1.4 數據處理

用Excel 2010軟件進行數據整理和作圖,用SAS 8.0數據分析軟件進行統計分析,采用LSD法進行差異顯著性檢驗(α＝0.05)。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下氮肥水平對花生葉面積的影響

與正常供水條件相比,不同干旱脅迫條件下葉面積均降低,且隨干旱脅迫程度的加劇其降低幅度增大(圖1)。正常供水下葉面積隨施氮量的增加而降低,N3水平降幅最大,為16.9%；輕度干旱脅迫下葉面積隨施氮量增加呈先增加后降低的趨勢,N1水平最大,N3水平最低；中度干旱脅迫下施氮量對葉面積無顯著影響。

圖1 干旱脅迫下氮肥水平對花生葉片葉面積的影響Fig.1 Effect of nitrogen level on leaf area of peanut under drought stress

2.2 干旱脅迫下氮肥水平對花生葉片氣體交換的影響

由圖2可知,干旱脅迫降低了葉片凈光合速率(Pn),且降低幅度隨干旱脅迫程度的增加而增加。與不施氮肥條件(N0)相比,氮肥施用增加了不同水分處理下的葉片凈光合速率,但中度干旱脅迫下的增加幅度較小。

圖2 干旱脅迫下氮肥水平對花生葉片氣體交換的影響Fig.2 Effect of nitrogen level on leaf gas exchange of peanut under drought stress

不同水分和氮肥處理下葉片氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)的變化規律基本一致。干旱脅迫下葉片氣孔導度和蒸騰速率顯著低于相應的正常供水條件。正常供水條件下N2和N3處理的氣孔導度和蒸騰速率較高。干旱脅迫條件下,氣孔導度N1條件下最大,N0處理最低；蒸騰速率N2條件下最大,N0處理最低。

輕度干旱脅迫N1和N2條件下胞間CO2濃度(Ci)低于相應正常供水條件,而中度干旱脅迫不同氮肥處理均低于相應的正常供水條件。氮肥供應水平對正常供水條件下葉片胞間CO2濃度無顯著影響。與N0相比,N1條件顯著增加葉片胞間CO2濃度,增加幅度為20.4%。

2.3 干旱脅迫下氮肥水平對花生葉片保護酶活性的影響

表1表明,正常供水和輕度干旱脅迫下施用氮肥使葉片SOD酶活性均呈先增高后降低的趨勢。與不施氮肥相比,正常供水和輕度干旱脅迫條件下N2水平顯著增加葉片SOD酶活性,兩個水分條件下增加幅度分別為46.8%和31.7%,而N3水平降低其葉片SOD酶活性；中度干旱脅迫條件下,施用氮肥均增加葉片SOD酶活性,N3水平增加幅度最大,為28.4%。由此表明,干旱脅迫處理下適量增施氮肥可促進葉片SOD酶活性的增高。

表1 干旱脅迫下氮肥水平對花生葉片保護酶活性的影響Table 1 Effect of nitrogen level on leaf antioxidant enzyme activity of peanut under drought stress

干旱脅迫降低了花生葉片CAT 酶活性。與不施氮肥相比,不同水分施用氮肥處理下葉片CAT酶活性均呈先增高后降低的趨勢,在N2水平到達頂峰后降低。與不施氮肥相比,正常供水和輕度干旱脅迫條件下,N1和N2水平增加葉片CAT 酶活性,正常供水條件下增加幅度分別為33.5%和56.6%,而N3水平降低其葉片CAT 酶活性；中度干旱脅迫條件下,施用氮肥降低了葉片CAT酶活性,但未達顯著差異水平。隨干旱脅迫程度的增加,花生葉片POD 酶活性呈先降低后增加。與不施氮肥相比,不同水分條件施用氮肥下葉片POD 酶活性均呈先增高后降低的趨勢。正常供水條件下,N1和N2水平增加葉片POD 酶活性,而N3水平降低其葉片POD 酶活性；輕度干旱脅迫條件下,N1 水平顯著增加葉片POD 酶活性,增加幅度為32.4%；中度干旱脅迫處理下,施用氮肥均增加葉片POD 酶活性,N2水平的增加幅度最大,為31.7%。

2.4 干旱脅迫下氮肥水平對花生葉片MDA 含量的影響

圖3表明,花生葉片MDA 含量隨干旱脅迫程度的增加而增加,以不施氮處理的增加幅度最大。與不施氮肥處理相比,正常供水條件下N1水平降低葉片MDA 含量,N3水平增加葉片MDA 含量,表明過高施用氮肥對膜系統具有損傷；輕度干旱脅迫氮肥水平對葉片MDA 含量無顯著影響；中度干旱脅迫條件下,施用氮肥增加葉片MDA 含量,N2增加幅度最大,為25.9%。

圖3 干旱脅迫下氮肥水平對花生葉片MDA 含量的影響Fig.3 Effect of nitrogen level on peanut leaf MDA content under drought stress

3 討論與結論

水分和氮素是影響作物光合作用的重要因素。干旱脅迫和氮素供應不足均會對作物氣孔開放和光合作用產生抑制作用。研究表明,干旱脅迫降低了花生葉片光合性能和葉綠素熒光特性[14]。施用氮肥能改善玉米葉片氣體交換參數,顯著提高葉片凈光合速率[15]。干旱脅迫下適量施用氮肥可有效緩解棉花、玉米等作物葉片凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率的下降,維持較高的光合作用,減輕干旱脅迫對光合系統的光破壞[16-17]。

本研究表明,干旱脅迫降低了花生葉片凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率,但適量施用氮肥促進了干旱脅迫下光合系統特性的恢復,與前人研究結果相一致。

干旱脅迫對旱地作物生長發育具有重要影響,其會導致作物體內活性氧自由基增加,細胞遭受氧化危害,且細胞膜發生過氧化作用而受到損傷。作物形成了相應的抗氧化防御系統保護自身免受傷害,其中SOD、CAT 和POD 等保護酶活性的高低決定了傷害的程度[18]。研究表明,作物抗氧化酶活性一般隨脅迫程度的加重而增加,或者呈先增加后降低的趨勢[19]。花生植株受干旱脅迫后,葉片抗氧化酶活性降低,MDA 含量明顯增高[20],而小麥中研究結果表明干旱脅迫后旗葉POD、CAT 和SOD 活性升高[21]。合理施用氮肥能夠促進旱地作物生長發育。研究表明,適量施用氮肥有利于提高干旱脅迫下紫蘇、棉花、玉米等作物的保護酶活性,降低作物體內MDA 的含量,但過量施肥使保護酶活性降低,MDA 含量上升,從而阻礙植物的生長和發育[16-17,22]。本研究結果表明,干旱脅迫處理降低葉片SOD、POD 和CAT活性,但中度干旱脅迫下酶活性高于輕度干旱脅迫,與前人研究相一致。干旱脅迫增加葉片MDA 含量,加劇膜系統的傷害。不同水分條件下,適量施用氮肥(N1和N2水平)能提高葉片抗氧化酶活性,而重度干旱脅迫下過量施氮會增加葉片MDA 含量,抑制干旱脅迫下花生生長,與棉花和玉米的研究相一致。

由此表明,干旱脅迫對花生光合特性和抗氧化酶活性具有抑制作用。干旱脅迫處理下適量施氮(N1和N2水平)可提高葉片凈光合速率和氣孔導度,增加SOD、CAT 和POD 酶活性,全面改善葉片光合性能和生理特性。