水分脅迫下水肥耦合對矮砧富士幼樹生長及保護酶活性的影響

石美娟,續(xù)海紅,郭 華,楊 凱,竇彥鑫

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)果樹研究所,山西 太原 030031)

截至2019年，中國的蘋果種植面積和產(chǎn)量均占世界50%以上[1]，其中蘋果產(chǎn)業(yè)布局主要為環(huán)渤海灣和西北黃土高原兩大優(yōu)勢區(qū)，分別占我國蘋果總面積的26.9%、57.2%，生產(chǎn)集中度占85%以上[2]。矮砧集約高效栽培技術(shù)模式是世界蘋果發(fā)展的方向，也是今后一段時間我國蘋果栽培的主推模式，目前我國矮砧栽培面積大約15萬hm2。黃土高原區(qū)域蘋果主栽區(qū)干旱半干旱丘陵山區(qū)居半數(shù)以上，干旱少雨、水資源嚴重不足，旱害脅迫成為該地區(qū)蘋果產(chǎn)業(yè)長足發(fā)展的主要制約因素。氮磷鉀作為植物生長的三大必需元素，對提高作物抵抗逆境能力有著重要作用，而水分是影響肥效發(fā)揮的關(guān)鍵因子。治理干旱區(qū)中低產(chǎn)田的關(guān)鍵要素就是要遵照“數(shù)量減半、少量多次、養(yǎng)分平衡”進行土肥水耦合[3]。近年來，在干旱脅迫條件下，以單一或兩種養(yǎng)分元素耦合對作物抗旱性研究較多，有關(guān)水肥耦合對抗旱性影響多集中在玉米[4]、小麥[5]、水稻[6]等農(nóng)作物，對矮砧富士果樹的研究主要集中在產(chǎn)量和果實品質(zhì)等方面，針對滴灌條件下水分脅迫時氮磷鉀配比耦合對其幼樹(掛果前)生理抗旱性的研究較少。本研究選取不同配比水肥耦合處理后富士幼樹的形態(tài)和生理指標分析研究，旨在闡明不同配比氮磷鉀營養(yǎng)元素與矮砧富士抗旱性的關(guān)系，科學(xué)制定在保證產(chǎn)量的前提下增強其抗旱性的最佳水肥制度，為促進矮砧集約抗旱栽培模式在黃土高原大力推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及參試材料

試驗于2019年4月—2020年10月連續(xù)2 a在山西省農(nóng)科院果樹研究所旱作節(jié)水團隊試驗園避雨棚(東經(jīng)112°29′、北緯37°23′)內(nèi)進行。試材為3～4 a海棠/SH6/‘晉富’，挑選長勢基本一致、無病蟲害的富士幼樹，在富士蘋果樹生長發(fā)育期，參照“3414”[7]不完全施肥方案，按照N∶P2O5∶K2O總施用比例為1∶0.7∶1進行盆栽控水試驗。取果園內(nèi)0～80 cm土層混勻土壤加1/3 N肥和全部P、K肥作基肥，剩下2/3 N肥滴灌追施。設(shè)計3個水分水平：以田間持水量的20%θf(重度水分脅迫，θf為田間持水量)、40%θf(輕度水分脅迫)、60%θf(正常水分)為灌水下限進行耦合試驗，各處理施肥水平詳見表1。每個處理3盆，重復(fù)3次，完全隨機排列。于每次施肥處理后一周左右，選取樹體中部各個方向10片功能葉片采樣，進行生理生化等指標測定[8-9]。試驗所用分析數(shù)據(jù)為2 a所測數(shù)據(jù)平均值。

表1 “3414”不完全肥料施肥方案Table 1 “3414”incomplete fertilizer application scheme

1.2 測定項目及方法

新梢增長量測定：采用直接測量法；葉面積測定：采用AM300型葉面積儀測量；葉片水勢差測定：采用力高泰葉片水勢儀測量水分充足時的葉片水勢減去干旱脅迫處理后的葉片水勢，為該處理下的葉片水勢差。等級范圍：輕微干旱(0.1～0.5 MPa)，中度干旱(0.5～1.0 MPa),重度干旱(1.0～1.5 MPa),嚴重干旱(1.5 MPa以上)[10]。

葉綠素含量測定采用乙醇丙酮浸提法；相對電導(dǎo)率測定采用電導(dǎo)法;丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸(TAB)比色法[11]；超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑光還原法[12]；過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[13]；脯氨酸含量采用李合生黃基水楊酸法[12]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[14]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理和作圖，利用SAS13.0軟件在α=0.05水平下對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析和Duncan多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫下水肥耦合對矮砧富士幼樹生長和葉片水勢差的影響

由圖1和表2中可以發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)2 a的試驗中，各個指標變化規(guī)律有所不同。處理N1P2K2、N2P2K2、N3P2K2在相同N水平時，輕度(40%θf)和重度(20%θf)水分脅迫下，N3水平的新梢增長量降幅最小，且各水平間變幅差異不顯著(P>0.05)。隨著施N量的增加，2種水分脅迫下葉綠素含量呈先升后降趨勢，都是N2水平的降幅最小，且各水平間變幅差異不顯著。隨著施N量的增加，2種水分脅迫下葉面積呈下降趨勢；在輕度(40%θf)水分脅迫下N3水平的葉面積降幅最小；重度(20%θf)水分脅迫下N2水平降幅最小，且各水平間變幅差異顯著。葉片水勢差隨著施N量的增加，在輕度干旱(40%θf)、重度(20%θf)脅迫下均為N2水平增幅最小，輕度干旱(40%θf)時N3與各水平間差異顯著；在重度干旱(20%θf)脅迫下，N2與N1、N3差異顯著。

表2 水分脅迫下不同處理矮砧富士幼樹生理生長及水勢差變化幅度Table 2 Variation range of physiological growth and water potential difference of dwarf rootstock Fuji sapling under different water stress

圖1 水分脅迫下不同處理矮砧富士幼樹葉面積、新梢增長量、葉片水勢差、葉綠素含量的變化Fig.1 Variation of leaf area,shoot growth,leaf water potential difference and chlorophyll content of dwarf rootstock Fuji sapling under water stress

處理N2P1K2、N2P2K2、N2P3K2,同一P水平時，在2種水分脅迫下，新梢增長量輕度(40%θf)脅迫時呈先升后降，P2水平的新梢增長量降幅最小，重度(20%θf)水分脅迫下呈上升趨勢，P3水平降幅最小，且各水平間差異不顯著。相同P水平時葉綠素含量呈先升后降趨勢，在輕度(40%θf)水分脅迫下P1水平降幅最小，而重度(20%θf)脅迫時P2水平的降幅最小，且各水平間差異不顯著。隨著施P量的增加，2種水分脅迫下葉面積呈先降后緩升趨勢，而且都是P2水平下的葉面積降幅最小，各水平間差異顯著；輕度水分(40%θf)脅迫下葉片水勢差變化為P3水平增幅最大且與其他水平變幅差異顯著；重度水分(20%θf)脅迫下葉片水勢差變化為P1水平增幅最大且各增幅間差異極顯著。

處理N2P2K1、N2P2K2、N2P2K3,相同K水平時，在2種水分脅迫下，新梢增長量呈下降趨勢，在輕、重度脅迫時新梢增長量降幅最小的分別是K2、K1水平，且各水平間差異不顯著。輕度(40%θf)水分脅迫下葉綠素含量呈下降趨勢，重度(20%θf)水分脅迫下呈上升趨勢，輕、重度脅迫下都是K1水平的變化幅度最小，且各水平間差異不顯著。相同K水平時，輕度(40%θf)水分脅迫下葉面積呈緩升趨勢,K3水平升幅最大；而重度(20%θf)水分脅迫下葉面積呈先降后升趨勢，K2水平下的葉面積升幅最大，各水平間差異極顯著。葉片水勢差在輕度(40%θf)水分脅迫時，K2水平變幅最大，與其他水平變幅差異顯著；重度水分(20%θf)脅迫下K3水平變幅最大，且與其他水平間差異顯著。

NPK交互作用的結(jié)果為：新梢增長量受到輕度(40%θf)水分脅迫時N2P1K1處理的降幅最小，為11.3%，重度水分(20%θf)脅迫時N3P2K2處理降幅最小，為14.7%，且都與N2P2K2、N2P3K2和N2P2K1處理差異顯著。葉面積受到輕度(40%θf)水分脅迫時N1P2K1處理的葉面積不降反增高了6.5%，N2P1K2與N3P2K2間降幅差異顯著；重度水分(20%θf)脅迫時N1P2K1處理下葉面積的降幅最小(7.8%)，且與N2P3K2間降幅差異顯著，其他處理間差異不顯著。葉綠素含量受到輕度(40%θf)水分脅迫時N1P1K2處理的相對葉綠素含量不降反升高了0.4%,其中N2P2K1、N2P1K1與N1P2K1差異顯著；重度(20%θf)水分脅迫時N1P2K1處理的降幅最小(19.8%)，N2P2K2、N2P2K3及N2P1K1處理間變幅差異不顯著，與其他各處理差異顯著。輕度(40%θf)水分脅迫時N2P1K1處理的水勢差表現(xiàn)為0.285 MPa,變幅不增反降了3.7%；重度水分(20%θf)脅迫時N2P1K1處理的葉片水勢差等級最低，僅0.798 MPa，其中N1P2K2、N2P1K2、N2P3K2、N3P2K2、N1P1K2處理的變幅與N2P2K2、N2P2K3、N3P2N2、N2P1K1處理的變幅差異性顯著。

2.2 水分脅迫下水肥耦合對矮砧富士幼樹滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由圖2和表3中可以發(fā)現(xiàn)，處理N1P2K2、N2P2K2、N3P2K2，相同N水平下，在輕度(40%θf)水分脅迫下脯氨酸含量呈先降后升趨勢，其中N3水平的升幅最大；在重度(20%θf)水分脅迫下脯氨酸含量呈先升后降趨勢，其中N2水平的升幅最大，且各水平間變幅差異極顯著。隨著施N量的增加，2種水分脅迫下可溶性糖含量呈先升后降趨勢，都是N2水平的增幅最大,且各水平間變幅差異極顯著。

表3 水分脅迫下不同處理矮砧富士幼樹滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量變化幅度Table 3 Variation range of osmotic regulatory substances content of dwarf rootstock Fuji sapling under different water stress

圖2 水分脅迫下不同處理矮砧富士幼樹脯氨酸含量、可溶性糖含量的變化Fig.2 Changes of proline content and soluble sugar content of dwarf rootstock Fuji sapling under water stress

處理N2P1K2、N2P2K2、N2P3K2,相同P水平下，在2種水分脅迫下，脯氨酸含量都呈先升后降趨勢，也都是P2水平的脯氨酸含量升幅最大，且各水平間差異極顯著。相同P水平時可溶性糖含量呈先升后降趨勢，也都是P2水平的脯氨酸含量升幅最大，且各水平間差異極顯著。

處理N2P2K1、N2P2K2、N2P2K3，相同K水平下，在2種水分脅迫下，脯氨酸含量呈先升后降趨勢，也都是K2水平的脯氨酸含量升幅最大，且各水平間差異極顯著。輕度(40%θf)水分脅迫下可溶性糖含量呈先升后降趨勢，K2水平的升幅最大；重度(20%θf)水分脅迫下呈下降趨勢，K3水平的升幅最大。2種水分脅迫下各水平間差異極顯著。

NPK交互作用的結(jié)果為：脯氨酸含量受到輕度(40%θf)、重度(20%θf)水分脅迫時，N2P2K2處理的增幅最大，分別為1.57倍和1.56倍，且各處理間變幅差異顯著；可溶性糖含量受到輕度(40%θf)水分脅迫時，N1P2K2處理增加了22.4%，N1P2K2處理下增幅最大，為83%，重度水分(20%θf)脅迫時N2P2K3處理的增幅最大，為1.04倍。2種水分脅迫下各個處理間變幅差異極顯著。

2.3 水分脅迫下水肥耦合對矮砧富士幼樹MDA含量及相對電導(dǎo)率的影響

由圖3和表4可以看出，處理N1P2K2、N2P2K2、N3P2K3相同N水平時，在輕度(40%θf)和重度(20%θf)水分脅迫下，MDA含量變化趨勢為先降后升，都是N2水平的增幅最大，且各水平間變幅差異極顯著。隨著施N量的增加，輕度(40%θf)水分脅迫下相對電導(dǎo)率呈先降后升趨勢，N2水平的增幅最大；重度(20%θf)水分脅迫下，N3水平的增幅最大，且各水平間變幅差異極顯著。

表4 水分脅迫下不同處理矮砧富士幼樹丙二醛含量及相對電導(dǎo)率變化幅度Table 4 Variation range of MDA and relative conductivity of dwarf rootstock Fuji sapling under different water stress

圖3 水分脅迫下不同處理矮砧富士幼樹相對電導(dǎo)率及MDA含量的變化Fig.3 Variation of relative conductivity and MDA content of dwarf rootstock Fuji sapling under water stress

處理N2P1K2、N2P2K2、N2P3K2，相同P水平時，MDA含量在輕度(40%θf)脅迫時呈下降趨勢，重度(20%θf)水分脅迫下呈先降后升趨勢，2種水分脅迫下，都是P2水平降幅最大，且各水平間變幅差異極顯著。相同P水平時，相對電導(dǎo)率受水分脅迫時呈先降后升趨勢，各水平間差異顯著，在輕度(40%θf)水分脅迫下P3水平變幅最大，而重度(20%θf)脅迫時是P2水平的變幅最大。

處理N2P2K1、N2P2K2、N2P2K3，相同K水平時，輕度(40%θf)水分脅迫下MDA含量呈下降趨勢，重度(20%θf)水分脅迫下呈先降后升趨勢，K1水平降幅最大，且各個水平間變幅差異極顯著。輕度(40%θf)水分脅迫下相對電導(dǎo)率呈漸升趨勢，K1水平的升幅最大；重度(20%θf)水分脅迫下呈先降后升趨勢，K2水平的升幅最大；各個水平間變幅差異極顯著。

NPK交互作用的結(jié)果為：MDA含量受到輕度(40%θf)水分脅迫時N2P2K3處理的降幅最大,為61.4%，重度水分(20%θf)脅迫時N2P2K1處理降幅最大，為75.07%，且各處理間變幅差異極顯著；受到輕度(40%θf)水分脅迫時N2P2K1處理的相對電導(dǎo)率降幅最大，重度(20%θf)水分脅迫時N2P2K2處理的降幅最大，2種水分脅迫時各處理間變幅差異極顯著。

2.4 水分脅迫下水肥耦合對矮砧富士幼樹保護酶活性的影響

由圖4和表5可以看出，處理N1P2K2、N2P2K2、N3P2K2，相同N水平時，在輕度(40%θf)和重度(20%θf)水分脅迫下，POD酶活性呈先升后降趨勢，在輕度(40%θf)水分脅迫下N3水平的升幅最大，重度(20%θf)水分脅迫下N3水平升幅最大，2種水分脅迫下各水平間變幅度差異極顯著。隨著施N量的增加，2種水分脅迫下SOD酶活性呈先升后降趨勢，都是N1水平的升幅最大，且各水平間變幅度差異極顯著。

表5 水分脅迫下不同處理富士幼樹保護酶活性變化幅度Table 5 Variation range of protective enzyme activity of young Fuji under different water stress

圖4 水分脅迫下不同處理矮砧富士幼樹POD、SOD酶活性的變化Fig.4 Changes of POD and SOD activities of dwarf rootstock Fuji sapling under water stress

處理N2P1K2、N2P2K2、N2P3K2，相同P水平時，POD酶活性在輕度(40%θf)脅迫時呈上升趨勢，P2水平的升幅最大；重度(20%θf)水分脅迫下呈先升后降趨勢，P3水平增幅最大，在2種水分脅迫下，各水平間變幅差異極顯著。相同P水平時SOD酶活性呈先升后降趨勢，在輕度(40%θf)水分脅迫下P3水平變幅最大，而重度(20%θf)脅迫時P2水平的變幅最大，且各水平間變幅差異極顯著。

處理N2P2K1、N2P2K2、N2P2K3，相同K水平時，輕度(40%θf)水分脅迫下POD酶活性呈漸升趨勢，變幅最大是K3水平；重度(20%θf)水分脅迫下POD酶活性呈先升后降趨勢，K2水平變幅最大；在2種水分脅迫下各水平間變幅差異極顯著。輕度(40%θf)水分脅迫下SOD酶活性呈上升趨勢，變幅最大是K2水平；重度(20%θf)水分脅迫下呈先升后降趨勢，其中K3水平的升幅最大；在2種水分脅迫下各水平間變幅差異極顯著。

NPK交互作用的結(jié)果為：POD酶活性受到輕度(40%θf)水分脅迫時N3P2K2處理的增幅最大，重度水分(20%θf)脅迫時N2P1K1處理增幅最大，2種水分脅迫下各處理變幅差異顯著。SOD酶活性受到輕度(40%θf)水分脅迫時N2P1K1處理的增幅最大，重度水分(20%θf)脅迫時N1P2K2處理的增幅最大，2種水分脅迫下各處理變幅差異顯著。

3 討論與結(jié)論

3.1 水分脅迫下水肥耦合對矮砧富士幼樹生理生長及水勢差的影響

新梢增長量、葉面積及葉綠素含量都是直接反映果樹生長的形態(tài)指標。在不同水分供應(yīng)條件下，各指標的升降幅度能直觀反映果樹受到脅迫時生長抑制程度。葉片水勢是土壤—植物—大氣之間水分平衡狀態(tài)的綜合反映，可以通過葉片水勢差判斷果樹與充足水分供應(yīng)相比受干旱脅迫的影響程度。葉綠素是作物吸收太陽能進行光合作用的重要物質(zhì)。在本試驗中，矮砧富士的新梢生長量、葉面積、相對葉綠素含量在輕、重度水分供應(yīng)時隨著N、P、K施用水平的增大都有不同程度地增高，其中當施P 70 mg·kg-1、K 125 mg·kg-1時，N 150 mg·kg-1水平下2種水分脅迫下降幅最小，有利于矮砧富士幼樹生長。這一結(jié)果與里程輝等[15]研究得出的在水分脅迫時植株對干旱的補償反應(yīng)就是通過增加葉片的葉綠素含量從而保持較高產(chǎn)量的結(jié)果基本一致。葉片水勢則在2種水分脅迫時N 100 mg·kg-1、P 70 mg·kg-1、K 250 mg·kg-1時抗旱指數(shù)最高，這一結(jié)果與周罕覓等[16]的高水勢處理利于植株旺盛生長的研究結(jié)果基本一致 ；N、P、K、交互作用時，輕度(40%θf)水分脅迫下N3P2K2、N2P1K1利于矮砧富士幼樹形態(tài)指標及葉片水勢差保持正常水平，重度(20%θf)水分脅迫下N3P2K2、N2P2K2、N1P2K1處理形態(tài)指標和葉片水勢差維持較好。說明在矮砧富士以生理生長為主的幼樹期，N素作為限制植物生長和產(chǎn)量形成的重要因素[17]，對其有不可或缺的影響，與羅雙龍等[18]研究結(jié)果一致。

3.2 水分脅迫下水肥耦合對矮砧富士幼樹滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

滲透調(diào)節(jié)是抗旱性的一種重要機制[19]。王元基等[20]的研究結(jié)果顯示：可溶性糖和游離脯氨酸含量與抗旱性密切相關(guān)。在本試驗中，輕、重度水分脅迫下N2、P3、K2、K3水平下和N2P3K2、N2P2K3交互作用下可溶性糖含量顯著增加；在輕度和重度水分脅迫下的脯氨酸含量在N2、N3、P2、K2水平和N2P2K2交互作用下增加明顯。此結(jié)論與劉忠霞等[21]得出干旱脅迫時高鉀有利于蘋果滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量增加的研究結(jié)果基本一致。

3.3 水分脅迫下水肥耦合對矮砧富士幼樹丙二醛(MDA)含量及相對電導(dǎo)率的影響

質(zhì)膜的透性、丙二醛的含量變化可以反映膜脂過氧化受破壞的程度。干旱脅迫下通過測定植株外滲電介質(zhì)的電導(dǎo)率可推算質(zhì)膜透性的變化[22]來對比抗旱性強弱，劉忠霞[23]等研究表明抗旱性強的品種其相對電導(dǎo)率或丙二醛的含量較低。在本試驗中，輕、重度水分脅迫下N2、P2、K1水平下和N2P2K1交互作用下MDA含量顯著增加；在輕度水分脅迫下相對電導(dǎo)率值在N2、P3和K1和N2P2K1交互作用時下降明顯，在重度水分脅迫下相對電導(dǎo)率值在N3、P2、K2水平和N2P2K2交互作用下下降顯著。這一結(jié)果與康曉育等[24]追施氮肥可增強其抗逆性的研究結(jié)果一致。

3.4 水分脅迫下水肥耦合對矮砧富士幼樹保護酶活性的影響

當植物受到干旱脅迫時，SOD 作為植物抗氧化系統(tǒng)的第一道防線，其主要功能是清除細胞中多余的超氧陰離子，防止對細胞膜系統(tǒng)造成傷害[25]。過氧化物酶(POD)作為抗氧化劑作用的酶可以清除自由基，使得細胞膜所受傷害降低[26]，減輕了膜脂氧化的程度。在外界脅迫下保護酶能保持較高水平說明其抗旱性較高，反之則較低。在本試驗中，輕、重度水分脅迫下N1、N3、K2、K3、P3和P2水平及N2P3K2、N2P1K1交互作用下POD 酶活性顯著增加；在2種水分脅迫下脯氨酸含量在N2、N3、P2、K2水平和N2P2K2交互作用下增加明顯。此結(jié)果與形態(tài)指標所示結(jié)果一致。SOD酶活性在受到2種水分脅迫下N1、K2、K3、P3和P2水平及N2P2K2交互作用下顯著增加，此結(jié)果與張海亭等[27]得出的N 150 mg·kg-1、P 130.98 mg·kg-1時，干旱脅迫下低K(249 mg·kg-1)、較高K(498 mg·kg-1)提高SOD酶活性的幅度大的結(jié)論基本一致。由此可見，在干旱脅迫下適量增施N、P、K營養(yǎng)素有利于提高保護酶活性。

本試驗研究發(fā)現(xiàn)：在當前條件下，輕度(40%θf)水分脅迫時施用N(100、150 mg·kg-1)、P(70、105 mg·kg-1)、K(250、375 mg·kg-1),重度(20%θf)水分脅迫時施用 N(100、150 mg·kg-1)、P(70 mg·kg-1)、K(125、250 mg·kg-1)有利于矮砧富士果樹生長，且在輕、重度干旱脅迫時NPK交互作用抗旱效果要優(yōu)于單獨施用N、P、K的抗旱效果。但超出N、P、K適宜用量范圍則會造成果樹生理干旱，不利于果樹生長。干旱是影響蘋果生長的重要限制因子，也是一種最為常見的非生物脅迫[28]。果樹因其生長環(huán)境復(fù)雜，又因干旱的快慢程度、持續(xù)時間不盡相同，樹體內(nèi)相關(guān)激素或抗旱基因的防御、保護作用大小和先后順序都由一整套分子機制來控制，因此未來的研究重點將是挖掘果樹相關(guān)抗旱基因，探明其生理指標的閾值及抗旱分子機制。