鹽堿脅迫下小麥幼苗對施氮水平的生長、生理響應

王亞妮，孫 韜

(1.山西運城農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院，山西運城 044000；2.山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，山西太谷 030801)

土壤鹽漬化會通過抑制植物的光合作用、影響作物特定酶的活性及代謝過程降低作物產(chǎn)量[1-3]。隨著氣候變化，全球土壤鹽漬化加劇[4]。當前，我國鹽漬化土地面積約為3.6×107hm2，占全國可利用土地面積的4.88%[5]，合理開發(fā)利用這些鹽堿地、科學提高鹽堿地糧食產(chǎn)量對維護我國糧食安全具有重要意義。

小麥不僅是我國主要糧食作物之一，也是應用于鹽堿地開發(fā)的重要作物[7]。在一系列制約小麥生長的非生物脅迫中，鹽堿脅迫是對小麥生長及其產(chǎn)量影響巨大[8-9]。鹽堿土壤中高濃度的可溶性Na+和Cl-對植物根部產(chǎn)生滲透脅迫，引發(fā)植物生理性缺水并阻礙根系吸收養(yǎng)分，從而導致植物養(yǎng)分虧損，進而在植物體內(nèi)產(chǎn)生氧化脅迫，最終導致植物生物量下降、發(fā)育受阻甚至死亡[10-11]。合理施用氮肥不僅可以緩解小麥所受鹽堿脅迫，還可以促進植株養(yǎng)分吸收和增強抗逆性[12]。在濱海鹽漬土中施用氮肥可有效降低改良土壤鹽漬化，提高小麥養(yǎng)分利用率和產(chǎn)量[13]。輕度鹽堿地中施用氮肥對小麥產(chǎn)量的作用呈現(xiàn)“低促高抑”，中度鹽堿地中施用氮肥嚴重影響小麥生長[14]。然而，不同施氮水平下小麥品種的氮素利用規(guī)律及氮肥對小麥鹽堿脅迫的緩解效應仍不清晰。

黃河三角洲地區(qū)，地勢低平且極易受海水侵蝕，是我國鹽堿地重要分布區(qū)之一[15]。本研究選取我國重要農(nóng)業(yè)科技工程——渤海糧倉示范區(qū)內(nèi)天然濱海鹽堿土，分析了鹽堿脅迫下施氮水平對小麥生長及生理的影響，以期為鹽堿地合理開發(fā)利用和提高小麥產(chǎn)量水平提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為山東省東營市利津縣渤海糧倉實驗示范區(qū)采集的濱海鹽堿土，土壤有機質(zhì)含量為20.1 g·kg-1，堿解氮含量39.77 mg·kg-1，有效磷含量為15.31 mg·kg-1，有效鉀含量為211 mg·kg-1，pH值為8.85，含鹽量2.62 g·kg-1。供試小麥品種為濟麥22和山農(nóng)28號，種子由山東省東營渤海農(nóng)場提供。

1.2 試驗設計

試驗于2019年4月在山西運城農(nóng)業(yè)職業(yè)學院溫室進行。采用盆栽試驗，每盆裝風干土1.5 kg，充分澆灌后，將小麥種子用蒸餾水進行浸種后，每盆播種20粒，出苗后每盆定苗10株。試驗設0、0.1、0.2和0.3 g·kg-1土4個施氮水平，分別用N0、N1、N2和N3表示，兩個品種共計8個處理，每個處理3次重復。氮肥為尿素(N46%)。每周澆水1次，定苗30 d后采集樣品進行檢測。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集

定苗30 d后測定所有幼苗株高，然后全部采樣洗凈擦干稱量鮮重，并剪取部分新鮮葉片進行酶活性測定，其余部分105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重獲取小麥干重，干樣研磨過篩待測。每盆盆栽土壤獲取100 g樣品，風干研磨過篩后進行理化性質(zhì)測定。

1.3.2 測定指標與方法

植株樣品全氮含量采用H2SO4·H2O2消煮、凱氏定氮法測定；全磷含量采用鉬銻抗吸光光度法測定；全鉀含量火焰光度計測定；土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮均用2 mol·L-1KCl浸提，銨態(tài)氮含量采用靛酚藍比色法(625 nm)測定，硝態(tài)氮含量采用紫外分光光度雙波長(225 nm 和 275 nm)法測定；pH值用去CO2水浸提(水土比2.5∶1)、pH計法測定；土壤可溶性鹽含量用去CO2水浸提(水土比5∶1)、烘干殘渣重量法測定；谷氨酰胺合成酶(GS)活性和可溶性蛋白(SP)含量參照《現(xiàn)代植物生理學試驗指南》測定[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)均用Excel 2010進行整理，用SPSS 22.0進行方差分析，用Duncan法進行處理間差異性多重比較，圖形使用Excel 2010 繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對鹽堿脅迫下小麥幼苗生長的影響

施氮可明顯緩解鹽堿脅迫對兩個小麥品種生長的抑制作用。與N0處理相比，濟麥22和山農(nóng)28號的株高在N1、N2、N3處理下均顯著提高，增幅分別為15%、26%、37%和11%、12%、25%(圖1)。兩個品種施氮處理(N1、N2、N3)的鮮重和干重均增加，其中濟麥22的鮮重和干重增幅分別為39%～86%和40%～86%，與N0處理差異均顯著；而山農(nóng)28號的鮮重和干重在N1與N0處理間均無顯著差異，N2、N3處理的鮮重和干重均顯著增加，增幅分別為49%、116%和43%、118%(圖2)。此外，中、低氮處理(N1、N2)下濟麥22鮮重和干重的增幅均大于山農(nóng)28號，但高氮處理(N3)下山農(nóng)28號鮮重和干重增幅均顯著大于濟麥22，表明在鹽堿脅迫下不同小麥品種生長對氮素供應水平的反應有所差異。

圖柱上的字母不同表示處理間差異顯著(P<0.05)。J：濟麥22；S：山農(nóng)28號。下圖同。Different letters on the columns indicate significant difference among the treatments(P<0.05).J:Jimai 22;S:Shannong 28.The same in the following figures.圖1 不同施氮處理下小麥株高Fig.1 Plant height of wheat seedlings under different nitrogen treatments

圖2 不同施氮處理下小麥苗期生物量(鮮重、干重)Fig.2 Biomass (fresh and dry weight) of wheat seedlings under different nitrogen treatments

2.2 施氮對鹽堿脅迫下小麥苗期養(yǎng)分吸收的影響

與N0處理相比，低氮處理(N1)下兩個品種葉片氮含量均無顯著變化，而中、高氮處理(N2、N3)均顯著提高了兩個品種葉片氮含量，濟麥22增幅分別為13%、36%，山農(nóng)28號增幅分別為27%、89%(表1)。濟麥22的N2處理磷含量較N0處理顯著下降，降幅30%，而N3處理與N0處理無顯著差異；三個施氮處理(N1、N2、N3)均顯著增加了山農(nóng)28號的葉片磷含量，增幅為17%～22%。施氮對兩個品種葉片鉀含量均無顯著影響。

濟麥22的氮、磷和鉀積累量均隨施氮量的增加呈上升趨勢(表1)，其中施氮處理的氮積累量與N0處理差異均顯著，增幅為41%～115%；N1、N2處理的磷積累量與N0處理均差異不顯著，但N3處理差異顯著，增幅為83%；N1處理的鉀積累量與N0處理間差異不顯著，而N2和N3處理的鉀積累量差異均顯著，增幅分別為62%和100%。而山農(nóng)28號的N1處理氮、鉀積累量與N0處理間無顯著差異，而N2、N3處理的氮、鉀積累量均顯著大于N0處理，增幅分別為171%、176%(氮)和51%、111%(鉀)；N1、N2處理的磷素積累與N0處理處理差異均不顯著，而N3處理顯著高于N0處理，增幅為74%。

表1 不同施氮處理下小麥葉片氮、磷、鉀含量及單株積累量Table 1 N, P, and K content in leaves and accumulation of wheat under different nitrogen treatments

在不施氮處理下兩個小麥品種間葉片鈉含量和積累量均無顯著差異。在施氮處理下，兩個品種葉片鈉含量較N0處理均顯著下降，降幅分別為15%～39%(濟麥22)和31%～38%(山農(nóng)28號)(圖3)。在低氮處理(N1)下兩個品種鈉積累量均與N0處理無顯著差異；中氮處理(N2)下，濟麥22的鈉積累量顯著高于N0處理，增幅39%，而山農(nóng)28號的鈉積累量與N0處理間麥無顯著差異；在高氮處理(N3)下，山農(nóng)28號的鈉積累量顯著高于N0處理，增幅46%，而濟麥22的鈉積累量與N0處理間無顯著差異。因此，施氮可在一定程度上減弱小麥植株對土壤鈉離子的吸收，緩解鹽堿脅迫。

圖3 不同施氮處理下小麥鈉素含量和累積量Fig.3 Na content and accumulation of wheat under different nitrogen treatments

2.3 不同施氮水平下小麥苗期對鹽堿脅迫的生理響應

施氮可緩解鹽堿脅迫對小麥葉片谷氨酰胺合成酶(GS)活性和可溶性蛋白(SP)含量的抑制作用(圖4)。其中，山農(nóng)28號的N1處理GS活性顯著高于N0處理，增幅為60%，但N1處理的SP含量與N0處理無顯著差異；而濟麥22的N1處理GS活性和SP含量均與N0處理無顯著差異。與N0處理相比，N2、N3處理均提高了兩個品種的GS活性，其中濟麥22增幅分別為28%和33%，山農(nóng)28號增幅分別為84%和33%；兩個品種的N2、N3處理SP含量較N0處理也均增加，其中濟麥22的增幅分別為63%和32%，山農(nóng)28號的增幅分別為10%和17%。

圖4 不同施氮處理下小麥葉片谷氨酰胺合成酶活性和可溶性蛋白含量Fig.4 Glutamine synthetase activity and soluble protein content in wheat leaves under different nitrogen treatments

3 討 論

鹽堿脅迫是制約小麥生長的重要非生物脅迫，主要通過高濃度Na+和Cl-產(chǎn)生的滲透脅迫影響植物根系對水分及各種營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，從而抑制小麥生長[17]。小麥幼苗的株高、生物量等指標常用于評價其對鹽堿脅迫的抗性[18-19]。施用氮肥可促進小麥生長，提高生物量和株高[20-21]。本研究也表明，施氮顯著緩解了鹽堿脅迫對兩個小麥品種生長(株高、干重)的抑制效應，且隨施氮量的增加，緩解效果不斷增強。

鹽堿脅迫通過滲透作用抑制植物氮素吸收，進而導致植物體內(nèi)碳氮元素代謝失衡[25-26]。可溶性蛋白是小麥體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[27]。而GS是影響氮素同化的關鍵酶，能夠促進衰老葉片中氮素的轉(zhuǎn)移再利用[28-29]，還能夠調(diào)節(jié)光呼吸釋放出的氨重新同化[30]，高GS活性有利于小麥體內(nèi)氮素再利用，從而增強調(diào)節(jié)抗鹽堿性。高GS活性可通過促進碳、氮代謝達到抵抗鹽堿脅迫的作用[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，氮肥的施用顯著提高了鹽堿脅迫下兩種小麥品種的GS活性，且山農(nóng)28號在低、中氮處理(N1、N2)下GS活性及其增幅顯著高于濟麥22。此外，兩個品種可溶性蛋白含量在中、高氮處理(N2、N3)下顯著升高，表明施用氮肥還通過提高小麥體內(nèi)的可溶性蛋白含量來調(diào)控滲透壓力，以緩解鹽堿脅迫。

綜上所述，鹽堿脅迫下施用氮肥可提高小麥幼苗的氮素含量，增強其養(yǎng)分吸收能力，進而促進植株生長，并通過生物量的增加激發(fā)稀釋效應，降低植株Na含量，減輕鹽堿脅迫；同時，施氮可提高小麥葉片GS活性、SP含量，增強其滲透調(diào)節(jié)和N轉(zhuǎn)化利用能力，從而增強幼苗對鹽堿脅迫的抗性，減輕鹽堿脅迫危害。