覆蓋方式對旱地小麥花后旗葉抗氧化生理及粒重形成的影響

張 姚,程宏波,2,楊佳佳,馬建濤,柴守璽2,,紀文寧,張仕林

(1.甘肅農業大學生命科學技術學院,甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室,甘肅 蘭州 730070;3.甘肅農業大學農學院,甘肅 蘭州 730070)

我國西北地區的小麥播種面積占全國總播種面積的20%,但產量僅占9.9%[1]。長期以來,西北旱區小麥生長發育受降水時空分配不均、土壤貧瘠和花后高溫天氣等因素制約,在傳統栽培措施下易發生早衰,籽粒灌漿時間縮短,導致產量低而不穩[2-3]。粒重是小麥產量形成的關鍵決定因素,尤其在高產條件下,小麥產量主要取決于粒重的高低,而花后光合產物對粒重有決定性作用[4]。研究表明,旗葉是花后光合產物的源,對小麥產量貢獻率為20%～30%[5]。因此,旗葉功能期長短是小麥粒重形成的決定因子之一,而旗葉功能期長短受基因、氣候和栽培措施等多種因素影響[6-8]。

干旱脅迫會引起葉片氧化損傷,但能誘導抗氧化酶相關基因表達,以增強抗氧化物酶活性,清除自由基,維持細胞內氧化還原反應平衡,提高植株逆境耐受力[9-10]。地膜覆蓋和秸稈覆蓋是干旱和半干旱農業區蓄水保墑、增產增效的重要技術[11-12]。地膜覆蓋能促進小麥生育前期生長,較常規栽培措施顯著增加小麥粒重,但會引起生育后期旗葉細胞膜脂氧化,破壞活性氧代謝平衡和葉片光合結構,不利于花后光合產物的積累和轉運;且長期使用地膜覆蓋,作物面臨減產風險[3, 13-16]。秸稈帶狀覆蓋在低溫天氣有增溫效應,高溫天氣有降溫效應,且能減少降水徑流,有利于作物生長發育,從而降低花后葉綠素降解率,增加葉片相對含水量,減輕干旱脅迫后細胞膜受損程度,便于花后光合產物積累[17]。

在植株對逆境脅迫響應的機理研究方面,抗氧化能力已被廣泛應用于評價植物抗旱能力大小,對于小麥而言,目前研究多集中于覆蓋方式對開花期植株抗氧化能力的影響,而花后不同階段覆蓋方式對植株抗氧化能力的影響,及花后旗葉抗氧化能力和粒重形成之間的作用機制尚不明確。因此,本文通過研究地膜覆蓋、秸稈帶狀覆蓋和無覆蓋對照3種栽培模式對小麥花后旗葉抗衰老能力的影響,分析旗葉生理活性與粒重形成的關系,旨在為覆蓋增產的生理機制提供理論依據,為西北旱區篩選適宜的小麥覆蓋栽培模式提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017—2018年和2018—2019年在甘肅省定西市通渭縣甘肅農業大學旱作循環農業試驗示范基地(35°11′N, 105°19′E)進行。試驗區為溫帶大陸性氣候,年均氣溫7.2℃,年均降水量390.7 mm,年蒸發量1 500 mm,無霜期120～170 d,60%的降水集中在7—9月,是典型的旱作雨養農業區。土壤質地為黃綿土,0～20 cm土層土壤基礎理化性質為:容重1.2 g·cm-3,有機碳5.5 g·kg-1,全氮0.6 g·kg-1,有效磷10.6 mg·kg-1,速效鉀107.1 mg·kg-1,pH值8.5。

試驗區冬小麥生育期常年平均降水量為219.6 mm。由圖1和表1可知,2017—2018年冬小麥生育期總降水量272.5 mm,為豐水年,降水主要集中在5月和6月中下旬,花后有效降水 (≥5 mm) 28.3 mm;2018—2019年冬小麥生育期總降水量239.5 mm,為平水年,降水主要集中在5月中上旬,花后有效降水(≥5 mm) 40.6 mm[18]。

1.2 試驗設計

供試冬小麥品種為‘康莊974’,采用單因素隨機區組設計,設秸稈帶狀覆蓋(SM)、地膜覆蓋(PM)和無覆蓋對照(CK)3個栽培處理,各處理均設3次重復,試驗小區面積為180 m2(30 m×6 m)。小麥播種密度為225 kg·hm-2,播種前將全部肥料(純N 150 kg·hm-2,P2O5120 kg·hm-2)作基肥一次性施入各小區,生育期不再追肥。開花期進行“一噴三防”作業,以防后期病蟲害,全生育期無灌溉。2017—2018年,播種時間為2017年9月17日,收獲時間為2018年7月1日;2018—2019年,播種時間為2018年9月24日,收獲時間為2019年7月6日。具體試驗設計見表2。

圖1 2017 —2018 年和2018 —2019 年冬小麥生育期日均氣溫和降水量

表1 冬小麥開花后降水量和平均氣溫

表2 試驗方案

1.3 樣品采集及試驗測定方法

1.3.2 土壤溫度測定 采用HY-1型地溫計,在小麥開花后7、14 d和21 d的早(7∶00)、中(13∶00)、晚(18∶00)分別讀取各小區0～25 cm土層土壤溫度,取3個時段平均值作為各處理當日土壤溫度(ST)。SM處理土壤溫度采用種植帶溫度與覆蓋帶溫度的加權平均值,其余指標亦同。

1.3.3 土壤含水量測定 采用土鉆法,分別在花后7、14 d和21 d 取各小區0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180 cm和180～200 cm土層土樣稱重,記為Mx,烘箱中105℃下烘干至恒重稱重,記為Md。所有土層土壤含水量的平均值即為0～200 cm土層土壤含水量(SW),計算公式如下:

SW(%)=(Mx-Md)/Md×100%

1.3.4 旗葉相對含水量測定 開花后7、14 d和21 d分別在各小區隨機采集10片旗葉,稱重,記為Ma;將稱重后的旗葉放入水中浸泡12 h,取出擦拭葉片表面水分后立即稱重,記為Ms;將旗葉放入105℃烘箱中殺青30 min,然后80℃烘干至恒重,稱重,記為Mc。旗葉相對含水量(RWC)計算公式如下:

RWC(%)=(Ma-Mc)/(Ms-Mc)×100%

1.3.5 旗葉滲透調節物質、膜脂氧化物和抗氧化物酶活性測定 開花后7、14 d和21 d分別在各小區隨機采集10片旗葉,低溫保存帶回實驗室,可溶性糖(SWC)含量采用蒽酮比色法測定,脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮比色法測定,丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定,過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚比色法測定,超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化還原法測定,過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外線吸收法測定,抗壞血酸酶(ASA)活性采用紫外吸收法測定[19]。

1.3.6 花前同化物轉運量、花后干物質積累量和成熟期籽粒干質量測定 在開花期和成熟期,各小區隨機取20株小麥,去除根部。將開花期的植株整株、成熟期的小麥植株分為籽粒和其余部分,放入烘箱中105℃殺青30 min,80℃烘至恒重后分別稱重,各部位干質量取20株平均值,成熟期籽粒干質量(GDW)為20株小麥籽粒干質量平均值。花前同化物轉運量(Pre-A)、花后干物質積累量(Post-A)及其對籽粒貢獻率計算公式如下[20]：

Pre-A(g·plant-1)=Mf-Mm

Post-A(g·plant-1)=GDW-Pre-A

花后干物質積累量貢獻率(%)=Post-A/GDW×100%

式中,Mf為開花期植株干質量(g);Mm為成熟期營養器官干質量(g)。

1.4 數據處理

采用Excel 2013和SPSS 19.0進行數據處理、分析,Duncan法在P<0.05顯著性水平上進行差異檢驗,Origin 2021作圖和相關分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理花后土壤溫度和土壤含水量的差異

如表3所示,覆蓋對0～25 cm土層土壤有顯著的降溫效應,降溫幅度表現為SM>PM。其中SM處理兩年度分別較CK降低1.5℃和2.5℃,以花后7 d降溫幅度最大,兩年度分別降低2.0℃和2.6℃;PM兩年度分別降溫1.0℃和1.2℃,2017—2018年降溫幅度以花后21 d最大(1.1℃),2018—2019年降溫幅度以花后7 d最大(1.8℃)。

其次是具體實施行為與活動。如對物品的清點、搬運（移）、保管，對危險、違禁物品的處置，對設施、設備的拆除、轉移，對違法建筑的拆除，代履行以及周邊環境的恢復、治理等事實行為和活動，原則上不具有獨立性，不能單獨提起行政復議或行政訴訟，而應當納入整體組織實施行為范疇。

SM處理兩年度均顯著增加花后0～200 cm土層土壤含水量,分別較CK增加1.6、0.9個百分點,分別以花后7 d (1.8個百分點)和21 d (1.3個百分點)增幅最大(表3)。PM處理2017—2018年土壤含水量較CK增加0.5個百分點,2018—2019年降低0.6個百分點;從花后各階段來看,PM處理2017—2018年花后均表現為增墑,以花后7 d增幅最大(0.7個百分點),2018—2019年花后均表現為降墑,以花后14 d降幅最大(1.3個百分點)。

2.2 不同處理花后旗葉相對含水量(RWC)的差異

各處理RWC隨開花時間推進呈遞減趨勢(圖2)。與CK相比,SM兩年度RWC分別提高 9.9、2.8個百分點,花后21 d增幅最大,分別為20.6、3.9個百分點;PM兩年度RWC分別降低 4.8、7.6個百分點,降幅分別以花后14 d (11.4個百分點)和21 d (8.7個百分點)最大。2017—2018年,PM花后21 dRWC極低(45.1%),而SM兩年度RWC均保持在70.0%以上,可能和SM花后0～200 cm土層土壤含水量均顯著高于PM有關(表3)。

圖2 不同覆蓋方式對小麥花后7 、14 d和 21 d旗葉相對含水量的影響

2.3 不同處理花后旗葉膜脂氧化物及滲透調節物質的差異

2.3.1 花后丙二醛(MDA)含量的差異 兩年度各處理旗葉MDA含量均隨花后天數增加呈遞增趨勢(圖3A、3D),SM平均較CK顯著降低12.9%,降幅分別以花后21 d(21.2%)和14 d(17.2%)最大;PM兩年度花后7 d的MDA含量和CK相近,但花后14～21 d的MDA含量增加,增幅分別以花后14 d(9.5%)、21 d (11.7%)最大。綜上,SM清除細胞膜脂氧化物的能力隨開花時間增加遞增,PM則表現出增加細胞負荷、縮短旗葉功能期的情況。

2.3.2 花后滲透調節物(Pro和SWC)含量的差異 旗葉Pro含量隨花后天數增加變化趨勢為“先升后降”(圖3B、3E)。2017—2018年,SM和PM的Pro含量花后7 d分別較CK降低12.3%和24.7%,花后21 d較CK分別增加29.3%和7.9%;花后14 d,SM較CK增加10.5%,PM較CK降低5.8%。2018—2019年,覆蓋顯著增加Pro含量,SM增幅(22.7%)大于PM (10.2%)。花后7～14 d,Pro主要表現為滲透調節能力,其含量越高,葉片細胞失水量越小[21]。花后14～21 d (灌漿中后期),Pro開始向干物質形式轉換[22];此階段,葉片Pro含量降低,年均降幅為PM(52.4%)>CK(48.4%)>SM(45.3%),即與CK相比,PM加快了Pro轉化,而SM延長轉化時間,增加了花后干物質補償量。

表3 冬小麥花后(7 、14 、21 d) 0～25 cm土層土壤溫度和0～200 cm土層土壤含水量

圖3 不同覆蓋方式對小麥花后7 、14 d和21 d旗葉丙二醛、脯氨酸和可溶性糖含量的影響

旗葉SWC含量隨花后天數增加變化趨勢為“先升后降”(圖3C、3F)。2017—2018年,與CK相比,SM降低花后7 d的SWC含量(3.1個百分點),提高花后14 d (1.2個百分點)和21 d (2.1個百分點) SWC含量;2018—2019年,SM提高花后7～21 d的SWC含量,花后21 d增幅(3.9個百分點)最大。與CK相比,PM處理兩年度均提高了花后7 d和14 d、降低了花后21 d的 SWC含量,其中2017—2018年花后14 d增幅(3.8個百分點)最大,而2018—2019年花后7 d和14 d增幅相近。SWC和Pro含量在花后各階段功能相同,花后14～21 d SWC開始以干物質形式轉運。SWC含量年均降幅表現為PM(9.0個百分點)>CK(4.0個百分點)>SM(2.0個百分點),證明SM和PM對花后SWC和Pro含量的影響趨勢一致。

2.4 不同處理花后旗葉抗氧化酶活性的差異

2.4.1 超氧化物歧化酶(SOD)活性的差異 兩年度各處理SOD活性均隨花后時間推移呈“先增后降”趨勢(圖4A、4B)。2017—2018年,SM和PM花后7～21 d的SOD活性分別較CK平均提高13.7%和7.2%,均以花后21 d增幅最大,分別為22.1%(SM)和12.2%(PM)。2018—2019年,與CK相比,SM花后14～21 d和PM花后7～14 d表現為提高SOD活性,花后14 d增幅最大,分別為12.3%(SM)和9.7%(PM);花后其余階段,覆蓋處理較CK降低了SOD活性,SM降幅為7.4%,PM降幅為3.0%。2018—2019年花后7 d降雨量較多,葉片細胞受脅迫程度較輕,因此該時段SM處理SOD活性較低;花后21 d降雨量驟減,PM處理RWC顯著低于CK(圖2),且植株MDA含量積累顯著高于CK(圖3D),雙重脅迫下,植株抗氧化能力明顯下降,因此PM處理SOD活性降低。

注:圖中不同小寫字母表示相同開花天數下不同處理間差異顯著(P<0.05)。

2.4.2 過氧化氫酶(CAT)活性和過氧化物酶(POD)活性的差異 2017—2018年,SM較CK花后CAT活性平均提高12.8%,花后21 d增幅(28.1%)最大;2018—2019年,SM較CK花后7～14 d的CAT活性降低,花后14 d降幅(5.4%)最大,而花后21 d CAT活性提高,增幅為3.9% (圖4C、4D)。與CK相比,PM兩年度均表現為提高花后7 d、降低花后14 d和21 d的CAT活性。PM較CK提高了花后14 d和21 d丙二醛含量(圖3A、3D),細胞膜脂損傷程度增大,從而導致CAT活性降低;而SM花后7 d和14 d的SOD活性較高,表明其清除超氧離子能力較強,對于抗氧化系統的第二道防線CAT的需求較小[23],因此該階段CAT活性增幅較小。

兩年度各處理POD活性均隨花后時間推移呈遞增趨勢(圖4E、4F)。與CK相比,兩年度SM處理的POD活性明顯提高,增幅為2.8%～15.1%,均以花后14 d增幅最大,分別為15.1%和10.7%。PM花后7～14 d的POD活性較CK顯著提高5.4%～10.5%。

2.4.3 抗壞血酸酶(ASA)活性的差異 兩年度各處理ASA活性隨花后時間推移變化趨勢均為“先減后增”(圖4G、4H)。與CK相比,除2017—2018年花后7 d的 ASA活性有所降低外,SM處理在其他時間均能提高ASA活性,年均提高14.8%,花后21 d增幅最大,兩年增幅分別為10.8%和37.7%。2017—2018年,PM較CK處理ASA活性降低8.7%,花后21 d降幅(19.2%)最大;2018—2019年,PM較CK提高花后7 d 的ASA活性22.2%,降低花后14 d (8.9%)和21 d (9.9%) ASA活性。

2.5 不同覆蓋處理對冬小麥籽粒形成的影響

兩個生長季,覆蓋對成熟期籽粒干質量(GDW)、花前同化物轉運量(Pre-A)、花后干物質積累量(Post-A)以及花后干物質積累量對籽粒貢獻率的影響存在差異(表4)。兩年度GDW均以PM最高,SM次之,CK最低,PM和SM分別較CK顯著增加17.4%～20.7%、12.5%～16.0%(P<0.05)。與CK相比,PM處理兩年度Pre-A顯著提高 17.8%～36.3%,SM處理2017—2018年Pre-A顯著降低16.8%,2018—2019年與CK差異不顯著。兩年度Post-A均以SM最高、PM次之,兩個處理分別較CK增加27.3%～38.9%、6.8%～17.1%(P<0.05)。不同覆蓋處理的花后貢獻率表現出差異,但均以SM最高,較CK年均增加8.8個百分點,而PM較CK降低3.1個百分點。

2.6 土壤水分、土壤溫度和葉片抗氧化酶活性的關系

由圖5可知,SW和RWC呈極顯著正相關關系(r=0.84**)。RWC和SOD、POD、CAT正相關,與ASA極顯著正相關(r=0.92**),表明RWC是抗氧化酶系統的最后一道防線ASA的決定因子。除了受RWC影響外,ASA活性與SOD、POD和CAT均呈正相關關系。解析抗氧化酶系與細胞滲透調節物的關系發現,提高抗氧化酶活性有利于增加Pro和SWC含量。其中Pro含量和SOD(r=0.75**)、POD(r=0.82**)、ASA(r=0.94**)均呈極顯著正相關關系,SWC含量和SOD(r=0.90**)、POD (r=0.83**)、CAT(r=0.81**)呈極顯著正相關關系。抗氧化酶活性、滲透調節物質含量和MDA均呈負相關關系,其中ASA(r=0.91**)、Pro(r=0.93**)和MDA顯著負相關,即提高抗氧化能力有助于減緩細胞膜脂損傷。

2.7 葉片抗氧化酶活性和粒重形成的關系

如圖5B所示,Post-A和抗氧化酶活性以及滲透調節物質(Pro、SWC)含量呈顯著正相關關系,Post-A和GDW呈正相關關系,可見提高旗葉生理活性有利于花后干物質積累,從而提高GDW。

3 討 論

小麥粒重形成是環境與基因型互作的結果,環境對小麥粒重的影響和花后光合作用源器官的功能期有關[24]。

表4 覆蓋方式對冬小麥花前同化物轉運量、花后干物質積累量、成熟期籽粒干質量及花后貢獻率的影響

注:SW：土壤含水量;ST：土壤溫度;RWC：旗葉相對含水量;Pro:脯氨酸含量;SWC:可溶性糖含量;MDA:丙二醛含量;SOD:超氧化物歧化酶活性;POD:過氧化物酶活性;CAT:過氧化氫酶活性;ASA:抗壞血酸酶活性;Pre-A：花前同化物轉運量;Post-A：花后干物質積累量;GDW：成熟期籽粒干質量。*表示P≤0.05,**表示P≤0.01。

研究表明,覆蓋措施可以調節土壤溫度,對土壤水分進行時空再分配[25-26],為作物提供適宜的生長發育環境。本研究兩種覆蓋方式均改善了冬小麥花后土壤水分和土壤溫度狀況,但秸稈帶狀覆蓋改善能力優于地膜覆蓋。可能是因為地膜覆蓋是通過增加日照凈輻射提高膜內溫度,影響水、熱運動;而秸稈帶狀覆蓋不僅能減少水分徑流,還能根據氣溫的變化調節土壤溫度,從而避免土壤溫度的劇烈變化,因此其對土壤水分和溫度的改善能力強于地膜覆蓋[7, 27-28]。

相對含水量可以表征作物功能葉的生理優勢,耐旱植物能保持較高的葉片相對含水量,以保證自身正常的生理活性,適應干旱脅迫[29]。干旱脅迫會破壞葉片細胞活性氧代謝平衡,引起細胞膜脂氧化,損害細胞結構[30]。MDA是細胞膜脂氧化過程的最終產物,一定程度上反映了細胞膜脂氧化狀態。在干旱脅迫情況下,MDA會大量積累,與植株生理活性呈負相關關系[31]。本研究中地膜覆蓋會增加冬小麥花后旗葉MDA含量,而秸稈帶狀覆蓋相反,與前人研究結果一致[27]。還有研究表明,作物體內的抗氧化酶(SOD、CAT、POD和ASA等)具有清除過氧化物離子的功效[32]。本研究中,干旱脅迫激發相關抗氧化酶表達,秸稈帶狀覆蓋抗氧化系統的作用時間和活性強于地膜覆蓋,且地膜覆蓋會降低花后旗葉抗氧化酶活性,甚至隨著生育期的推進造成葉片生理功能喪失,加快葉片衰老進程。王賀正等[33]研究也發現,秸稈覆蓋能顯著增加小麥葉片可溶性糖含量和脯氨酸含量,以維持細胞微環境穩定和正常的代謝活動。侯賢清等[34]研究表明,秸稈覆蓋會降低植株苗期葉片CAT、POD活性,與本研究結果不一致。這可能是因為作物生長前期需水量較小,其尚未受到干旱脅迫或脅迫程度較輕,細胞膜系統完整,而小麥花后需水量大,加之高溫天氣頻發,植株蒸騰、蒸散量大,葉片細胞需要提高抗氧化酶活性來消除超氧化物離子,維持葉片生理活性;此外,水分虧缺時,葉片脯氨酸和可溶性糖含量會增加,以通過提高滲透調節勢來減少細胞失水[35-36]。

于愛忠等[37]指出,地膜覆蓋可通過增加葉面積指數和雙穗數提高玉米穗粒數和粒重。屈會娟等[38]發現,秸稈覆蓋連續全量還田提高了小麥粒重,進而提高籽粒產量。可見,粒重的變化可以反映覆蓋方式對產量的影響。本研究發現,與不覆蓋處理相比,秸稈帶狀覆蓋與地膜覆蓋均能顯著提高冬小麥成熟期籽粒干質量,增幅為12.5%～20.7%。提高旗葉相對含水量有利于增加旗葉抗氧化酶活性和滲透調節物質積累量、降低細胞膜過氧化物含量,積極影響花后光合產物積累,增加粒重。本研究還發現,地膜覆蓋處理花后干物質積累量及其對粒重的貢獻率顯著低于秸稈帶狀覆蓋處理。可能是因為地膜覆蓋顯著促進小麥生育前期營養生長,提前完成光合產物的儲存,同時也消耗了大量的土壤水分,導致后期深層水分供應不足;且小麥花后氣溫較高,而地膜覆蓋處理土壤通透性不及秸稈覆蓋處理,易造成水熱交換受阻,根系呼吸作用減弱,引起植株早衰,從而縮短花后旗葉功能期,因此不利于花后光合產物的積累[14, 39]。本研究設定的秸稈覆蓋量主要適用于旱作雨養農業區,其他農業區應根據當地情況適當調整。

4 結 論

覆蓋通過優化土壤水、溫,為作物構建適宜的生長發育環境,調控抗氧化酶活性,進而提高粒重,與不覆蓋處理相比,秸稈帶狀覆蓋和地膜覆蓋處理成熟期籽粒干質量顯著增加12.5%～20.7%。在秸稈帶狀覆蓋條件下,小麥粒重形成以花后光合產物積累為主,其對粒重貢獻率為58.5%～65.1%,粒重增加的生理機制是通過提高花后旗葉相對含水量,增強旗葉抗氧化酶活性,增加滲透調節物積累量,降低MDA含量,從而延長旗葉功能期,增加花后干物質積累量。地膜覆蓋條件下,花前同化物轉運量和花后干物質積累量對粒重形成同樣重要,但地膜覆蓋易導致花后旗葉早衰,不利于花后干物質積累。綜上,秸稈帶狀覆蓋是適宜我國西北半干旱雨養農業區推廣和應用的小麥綠色高產栽培技術。