干旱胁迫下腐植酸对燕麦叶片光合性能的调控效应

李英浩，刘景辉 ，朱珊珊，田 露，张志芬，戴云仙

(内蒙古农业大学协同创新中心/全国农业科研杰出人才及创新团队，内蒙古呼和浩特 010019)

干旱作为一种高发的农业气象灾害，长期困扰着世界各国的农业生产[1]。中国是旱灾频发国家之一。近50年来在全球变暖和北方干旱化的背景下，中国受旱面积和受旱成灾面积呈上升趋势，全国有77.4%的省区旱灾风险增加[2]，干旱胁迫在所有非生物胁迫危害中占首位[3]。燕麦粮饲兼用，喜冷凉、耐低温，抗逆性强，在中国西北干旱地区被广泛种植[4]，这些地区常常遭受到干旱的侵袭，是导致燕麦减产的主要原因之一。因此，燕麦被认为是治理土地荒漠化的先锋作物。

植物的光合作用是干物质积累和产量形成的基础,较高的光合碳同化能力是获得高产的前提。在干旱条件下，作物产量的损失在很大程度上是光能利用效率降低所致；干旱胁迫后，植物叶片的叶绿体片层结构会受到破坏，光合色素含量降低，叶片发黄；在一定范围内，色素含量的高低会直接影响叶片的光合作用，进而影响植物抗旱性的强弱[5]。Pn、Tr、Gs和Ci是植物光合生理生态研究常用的参数。研究表明，在轻度干旱胁迫下，大麦光合作用下降主要由气孔限制所致，而在重度干旱胁迫下由非气孔因素变化所致[6]。燕麦光合作用在干旱胁迫下也会被抑制[7]，但对其复杂的生理生化调节过程尚不明确。腐植酸是动植物遗骸经过微生物分解和转化等一系列过程形成的一类有机物质[8]。研究发现，腐植酸能刺激微型原甲藻的生长发育和增加产量[9]。在干旱条件下，黄腐酸能够抑制作物气孔开度，增加气孔阻力，降低蒸腾作用，增强抗旱性[10]。腐植酸肥料能提高玉米、小麦、马铃薯、大豆、燕麦等作物的产量及抗旱性[19]。腐植酸水溶肥料能显著改善小麦的光合特性，使叶绿素含量和光合速率显著升高[19]。腐植酸可以提高水分胁迫下油菜叶绿素含量。腐植酸可以增加绿豆叶片的叶绿素含量，提高产量[11]。喷施腐植酸后水稻抽穗期旗叶的Pn、Ci、Gs、Tr和SPAD值提高[22]。前人的研究结果说明，腐植酸在干旱胁迫条件下可以有效改善作物的光合性能并提高产量。但目前关于干旱胁迫后，腐植酸对燕麦光合色素含量、光合特性及产量的调控效应鲜见报道。本研究以燕麦品种燕科二号为材料，分析了不同时期喷施腐植酸对干旱胁迫下燕麦叶片光合性能、干物质积累及产量的影响，以期为燕麦抗旱栽培提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设计

试验于2018年6月-9月在内蒙古呼和浩特市内蒙古农业大学燕麦产业研究中心温室进行。供试燕麦品种为燕科二号，由内蒙古农牧业科学研究院提供。腐植酸水溶肥料由内蒙古永业农丰生物技术有限责任公司提供，其水溶腐植酸含量≥50 g·L-1，N+P+K≥200 g·L-1，微量元素(锰、硼、钼、锌等)≥10 g·L-1。采用盆栽方法，土壤为蛭石与泥炭土按质量比1∶1的比例混合而成。泥炭土中N+P+K>10 g·kg-1，有机质含量>50 g·kg-1，pH 5.5～8.5，土壤含水量为10%。塑料盆高25 cm，直径20 cm，每盆装混合土2.5 kg，播种前底施磷酸二铵(含N18%，P2O546%)2 g，在拔节期与抽穗期各追施尿素(含N46%)2 g。10月15日播种，每盆播30粒，在三叶期定苗，每盆20株。试验采用随机区组排列，设置正常供水(75%田间持水量，W1)、中度干旱胁迫(60%田间持水量，W2)和重度干旱胁迫(40%田间持水量，W3)3个水分条件，不同水分条件下喷施500倍腐植酸水溶肥料(HA)和等量清水(CK)，共6个处理，每个处理重复3次，每个重复种植5盆，共90盆。水分胁迫在拔节期开始，每天下午5点利用称重法进行补水以保持各处理土壤含水量稳定，土壤田间持水量、永久萎蔫点及土壤质量含水量按Ryan等[12]的方法分析测定。分别在拔节期、抽穗期和灌浆期喷施腐植酸，喷施后7 d进行取样和测定光合指标。

1.2 取样方法

取植株旗叶，液氮速冻并保存，每个重复取样三次，共6片叶。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 光合指标测定

采用CIRAS-3便携式光合作用测定系统于晴朗无风天气 9:00-11:00 测定燕麦旗叶中部净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)，每个重复测定3片旗叶，取平均值。

1.3.2 光合色素含量测定

称重0.2 g冻干的燕麦叶片，采用分光光度法[13]测定旗叶叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)和类胡萝卜素(Cx+c)含量。

1.3.3 地上部干物质量测定

分别于拔节、抽穗、灌浆期取样，每个重复取10株，放入纸袋，在105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干到恒重。计算每株地上部平均干重。

1.3.4 产量及构成因素测定

成熟期收获没取样的盆内植株用于室内考种，每个重复取3株，测定单株穗长、穗粒数、小穗数、穗粒重、千粒重，并计算每盆产量。

1.4 数据分析

试验数据用Excel进行整理，用SAS 19.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 HA喷施对干旱胁迫下燕麦叶片光合色素含量的影响

从拔节期到灌浆期，燕麦叶片Chla、Chlb和Cx+c含量均逐渐提高(图1)。干旱胁迫导致燕麦叶片三种光合色素含量均下降，且降幅随着干旱胁迫程度的加剧而增加。在正常供水条件下，喷施HA后各时期燕麦三种光合色素含量与CK差异均不显著；在中度干旱胁迫下，喷施HA后叶片三种光合色素含量比CK分别平均增加 4.50%、10.02%和9.18%，但只有部分时期差异达到显著水平；而重度干旱胁迫下分别增加 6.46%、27.61%和23.87%，在不同时期差异均显著。以上结果说明，干旱胁迫对燕麦叶片光合色素含量产生明显的负效应，喷施HA可不同程度地减少干旱胁迫的影响，尤其是在重度干旱胁迫下效果最显著。

2.2 HA喷施对干旱胁迫下燕麦叶片光合指标的影响

从拔节期到灌浆期，燕麦叶片的Pn逐渐提高，而Tr、Gs和Ci均先升后降(图2)。干旱胁迫导致叶片Pn、Tr、Gs和Ci均降低，且降幅随着干旱胁迫程度的加剧而增加。在正常供水条件下，喷施HA后各时期燕麦Pn、Tr、Gs和Ci与CK差异均不显著；在中度干旱胁迫下，喷施HA后叶片Pn比CK平均增加23.45%，而Tr、Gs和Ci分别比CK平均减少5.39%、5.35%和0.6%，但只有部分时期差异达到显著水平；而重度干旱胁迫下Pn平均增加32.04%,而Tr、Gs和Ci分别平均减少31.93%、34.91%和15.20%,在不同时期差异均显著。以上结果说明，干旱胁迫对燕麦叶片Pn、Tr、Gs和Ci产生明显的负效应，喷施HA可不同程度地减轻干旱胁迫的影响，尤其是在重度干旱胁迫下效果最显著。

图柱上不同字母表示相同时期的不同处理间差异显著(P<0.05)。图2同。

Different letters above the columns indicate significant differences among the treatments at same stages(P<0.05).The same in figure 2.

图1 不同处理下燕麦叶片Chla、Chlb和Cx+c含量的变化

Fig.1 Changes of Chla,Chlb and Cx+c content in oats under different treatments

2.3 HA喷施对干旱胁迫下燕麦干物质积累的影响

燕麦地上部干物质量随生育期的推进而逐渐提高，干旱胁迫导致燕麦地上部干物质量下降，且降幅随着干旱胁迫程度的加剧而增加(表1)。正常供水条件下，喷施HA对干物质量影响不显著；中度干旱胁迫条件下喷施HA后干物质量与CK相比虽有提升，但只在拔节期差异达到显著水平；在重度干旱胁迫条件下，喷施HA后各时期干物质量均较CK显著增加。这说明喷施HA可缓解干旱胁迫对燕麦地上部干物质积累造成的抑制作用，且在重度干旱胁迫下效果最显著。

图2 不同处理下燕麦叶片Pn、Tr、Gs和Ci的变化

表1 不同处理对燕麦地上部干物质量的影响

Table 1 Effect of different treatments on the shoot dry matter amount of oats g·plant-1

处理 Treatment生育时期 Growth stage拔节期Elongation stage抽穗期Heading stage灌浆期Filling stageW1HA0.43±0.010a2.1±0.015a4.15±0.010aW1CK0.42±0.010a2.08±0.012a4.14±0.006aW2HA0.38±0.010b1.82±0.006b3.99±0.012bW2CK0.33±0.020c1.85±0.021b3.97±0.010bW3HA0.27±0.015d1.81±0.064bc3.91±0.010cW3CK0.19±0.005e1.74±0.119c3.80±0.010d

同列数值后不同字母表示相同时期的不同处理间差异显著(P<0.05)。表2同。

Different letters following the values in the same columns indicate significant differences among the treatments at same stages (P< 0.05).The same in table 2.

2.4 HA喷施对干旱胁迫下燕麦产量及其构成的影响

燕麦产量随干旱胁迫程度的加剧而逐渐降低(表2)。在正常供水条件下，喷施HA后燕麦产量与CK差异不显著；在中度和重度干旱胁迫下，喷施HA后产量比CK均显著增加，增幅分别为3.52%和8.43%。穗长、穗数、单穗小穗数、穗粒重、穗粒数和千粒重均表现为正常供水>中度干旱>重度干旱；喷施HA处理高于CK，其中正常供水和中度干旱胁迫下，喷施HA处理与CK差异均不显著，而在重度干旱胁迫下，喷施HA后穗长、穗粒重及千粒重显著增加，增幅分别为 29.51%、10.96%和12.70%。这说明，干旱胁迫对燕麦的产量及穗部发育产生明显的负效应，喷施HA可不同程度地缓解干旱胁迫的影响，尤其是在重度干旱胁迫下效果最显著。

表2 不同处理对燕麦产量及其构成因素的影响

3 讨 论

光合色素在植物光合作用能量转化过程中担负着光能吸收和传递的重任，光合色素含量的高低与植物生长动态有一定联系，含量越高，光合作用越强[14]。随着干旱胁迫程度的加剧，植物叶片叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量均显著下降[15-17]，这与本研究结果基本一致。本试验中，随着干旱胁迫程度的增加，燕麦叶片光合色素含量逐渐下降，说明干旱胁迫能够抑制燕麦叶片光合色素的合成,不利于作物的光合作用。研究表明，施用适量的腐植酸会增加小麦叶片叶绿素a、叶绿素b含量[18]。腐植酸浸种可提高小麦叶绿素 a/叶绿素 b的比值[19]。彭正萍等[20]研究发现，腐植酸能提高燕麦叶片叶绿素含量。本研究也结果显示，3种胁迫条件下，喷施腐植酸后燕麦叶片叶绿素a、叶绿素b的含量均有所提高。刘 伟等[21]研究认为，中度胁迫后喷施腐殖酸使小麦叶绿素含量增幅最大，与本研究结果不同。本研究结果显示，与正常供水相比较，重度胁迫条件下喷施HA后燕麦叶片叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量与CK相比提高幅度最大，中度胁迫条件下其含量虽有提高，但幅度较小，说明重度胁迫条件下腐植酸对于燕麦色素合成的促进效果最佳，可能因为水分的过度缺失，腐植酸会在一定程度上更能加快燕麦叶片光合色素的合成，但具体原因还需进一步探讨。

光合作用是燕麦产量形成的基础，产量的高低直接由光合作用决定。前人研究认为，水分胁迫引起植物光合作用减弱是导致作物减产的一个关键因素[22]。有研究表明，干旱胁迫下玉米叶片Pn和Tr显著下降，Ci则先下降后上升，而Gs先上升后下降[23]，在本试验中，随着干旱胁迫程度的加剧，燕麦叶片的Pn、Gs和Ci均逐渐降低，与上述研究结果不同，说明不同干旱胁迫条件下，燕麦叶片的Pn、Gs、Ci变化受气孔因素的影响较大。喷施腐植酸可增加水稻抽穗期旗叶的Pn、Ci、Gs和Tr[24]；在辣椒生长初期，用腐殖质处理后，Pn和Gs分别提高了48%和63%[25]；黄腐酸能够降低紫花苜蓿叶片Tr，使植株和土壤保持较多的水分，提高作物抗旱能力[26]。李茂松等[27]研究表明，FA抗蒸腾剂可提高小麦光合速率，减小气孔开度、降低蒸腾强度，起到促进冬小麦生长和减少水分散失的作用。HA可显著提高小麦Pn，延缓光合速率下降，显著降低小麦Gs和Tr，增强光合速率和光合产物积累，延缓植株衰老，小麦抗旱性增强[28]。施用HA抑制了干旱胁迫下烤烟幼苗叶绿素的降解，减缓了Pn和Tr[29]。本研究表明，在干旱胁迫程度下，喷施腐植酸后，燕麦叶片的Pn提高，而Gs、Tr和Ci均降低。以上结果说明干旱胁迫下喷施腐植酸对光合特性的影响因作物种类的不同而异。前人研究表明，经过适当的干旱胁迫能促进小麦花前茎、叶、叶鞘和穗颖等贮存物质在花后向籽粒的转运，促进籽粒灌浆和增加产量，对籽粒干物质积累的贡献率达10%～70%；随着干旱胁迫程度的增加,喷施腐植酸后的燕麦单产增幅呈上升趋势[30]。本试验结果显示，干旱胁迫会减少燕麦的千粒重，从而造成籽粒产量降低，而干旱胁迫时喷施腐植酸可以一定程度上提高千粒重，稳定产量，且在重度干旱胁迫下腐植酸的增产效果最明显，与前人研究结果一致。