施用氮肥對(duì)干旱脅迫下花生生理特性的影響

丁 紅 成 波 張冠初 徐 揚(yáng) 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(nóng)業(yè)科學(xué)院,山東 青島 266100)

花生是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物和油料作物,干旱是限制花生產(chǎn)量與品質(zhì)提高的限制因素之一。逆境條件下,植物會(huì)產(chǎn)生一系列的生理生化反應(yīng)以提高自身抗逆性。干旱脅迫或氮素缺乏會(huì)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(guò)氧化產(chǎn)物MDA 增加,降低光合能力,不利于籽粒充實(shí),最終導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降[1-2]。施肥在“以肥調(diào)水”中起著十分重要的作用,通過(guò)施肥等栽培措施來(lái)調(diào)節(jié)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(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育及生理代謝產(chǎn)生的影響不同[3-5]。多數(shù)研究認(rèn)為,干旱脅迫下施用氮肥可促進(jìn)植株生長(zhǎng),提高葉片抗氧化酶活性,降低膜質(zhì)過(guò)氧化程度,全面改善葉片光合功能和內(nèi)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(zhǎng),使其蒸騰消耗量加大,導(dǎo)致土壤水分短缺從而抑制作物生長(zhǎng),加劇作物受脅迫程度[8-9]。

目前關(guān)于水肥管理對(duì)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(yīng)方面,有關(guān)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(duì)花生生長(zhǎng)的影響,于花生需水敏感的花針期進(jìn)行干旱脅迫處理,研究花生葉片生理、光合特性及產(chǎn)量對(duì)水分和氮肥的生理生態(tài)反應(yīng),以闡明水氮互作對(duì)花生生長(zhǎng)和抗旱性的影響,為花生高產(chǎn)高效水肥管理提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種為已通過(guò)抗旱性試驗(yàn)驗(yàn)證的抗旱型花生品種花育25號(hào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于山東省花生研究所萊西試驗(yàn)站防雨旱棚內(nèi)進(jìn)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(jìn)行模擬大田栽培種植的土柱試驗(yàn)。0～20 cm 土壤容重1.13 g/cm3,pH 值7.6,有機(jī)質(zhì)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(shè)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?jǐn)?shù)按Hsiao和黎裕的標(biāo)準(zhǔn)劃分[10-11]。設(shè)置三個(gè)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(gè)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(fù)水至收獲。正常供水為整個(gè)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(chǎn)要求進(jìn)行。氮肥以尿素控制,同時(shí)配合施用高產(chǎn)田要求的過(guò)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(gè)土柱內(nèi)種2株花生,隨機(jī)排列,重復(fù)6次,3次重復(fù)進(jìn)行葉片生理活性測(cè)定,3次重復(fù)進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)定。在土柱中間位置設(shè)置測(cè)定管,利用TDR TRIME測(cè)定不同土層土壤含水量,通過(guò)土壤含水量計(jì)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(cè)定項(xiàng)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(shù)第2～3片展開復(fù)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(nèi)保存,供測(cè)定相關(guān)生理生化指標(biāo)。

1.3.2 葉面積測(cè)定

摘取葉片后稱取葉片鮮質(zhì)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(zhì)量,根據(jù)小圓葉的面積和質(zhì)量計(jì)算花生葉片的面積[12]。

1.3.3 保護(hù)酶活性和丙二醛含量測(cè)定

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

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖,用SAS 8.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(α＝0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下氮肥水平對(duì)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(shì),N1水平最大,N3水平最低；中度干旱脅迫下施氮量對(duì)葉面積無(wú)顯著影響。

圖1 干旱脅迫下氮肥水平對(duì)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(duì)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(duì)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(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)的變化規(guī)律基本一致。干旱脅迫下葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率顯著低于相應(yīng)的正常供水條件。正常供水條件下N2和N3處理的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率較高。干旱脅迫條件下,氣孔導(dǎo)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(yīng)正常供水條件,而中度干旱脅迫不同氮肥處理均低于相應(yīng)的正常供水條件。氮肥供應(yīng)水平對(duì)正常供水條件下葉片胞間CO2濃度無(wú)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(duì)花生葉片保護(hù)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(shì)。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(gè)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(jìn)葉片SOD酶活性的增高。

表1 干旱脅迫下氮肥水平對(duì)花生葉片保護(hù)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(shì),在N2水平到達(dá)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(dá)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(shì)。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(duì)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(guò)高施用氮肥對(duì)膜系統(tǒng)具有損傷；輕度干旱脅迫氮肥水平對(duì)葉片MDA 含量無(wú)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(duì)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(jié)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(yīng)不足均會(huì)對(duì)作物氣孔開放和光合作用產(chǎn)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?zé)晒馓匦訹14]。施用氮肥能改善玉米葉片氣體交換參數(shù),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(dǎo)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(duì)光合系統(tǒng)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(dǎo)度和蒸騰速率,但適量施用氮肥促進(jìn)了干旱脅迫下光合系統(tǒng)特性的恢復(fù),與前人研究結(jié)果相一致。

干旱脅迫對(duì)旱地作物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要影響,其會(huì)導(dǎo)致作物體內(nèi)活性氧自由基增加,細(xì)胞遭受氧化危害,且細(xì)胞膜發(fā)生過(guò)氧化作用而受到損傷。作物形成了相應(yīng)的抗氧化防御系統(tǒng)保護(hù)自身免受傷害,其中SOD、CAT 和POD 等保護(hù)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(shì)[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(jié)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(jìn)旱地作物生長(zhǎng)發(fā)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(hù)酶活性,降低作物體內(nèi)MDA 的含量,但過(guò)量施肥使保護(hù)酶活性降低,MDA 含量上升,從而阻礙植物的生長(zhǎng)和發(fā)育[16-17,22]。本研究結(jié)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(tǒng)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(guò)量施氮會(huì)增加葉片MDA 含量,抑制干旱脅迫下花生生長(zhǎng),與棉花和玉米的研究相一致。

由此表明,干旱脅迫對(duì)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(dǎo)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。