油菜秸秆翻埋还田对水稻前期农艺性状及叶片几种酶活性的影响

陈 鑫，兰 康，罗 兴，陶诗顺，黄 晶

(西南科技大学生命科学与工程学院，四川 绵阳 621010)

【研究意义】“油菜-水稻”是四川盆地重要的种植模式之一。油菜秸秆中富含氮、磷、钾等元素，若将其合理还田，可提高土壤有机质含量和土壤肥力，进而促进后茬作物的生长发育及产量形成[1-3]。近年来，随着农业机械化的发展，油菜收获后，秸秆可随旋耕机翻埋到土壤中，省时省力，易被农户接受。然而，大量生产实践表明，油菜秸秆翻埋还田容易引起后茬水稻前期生长不良。前人已从水稻地上部分生长、根系发育等方面对秸秆翻埋还田造成的抑制作用进行研究[4-7]，但鲜有结合水稻叶片生理活动相关酶活性变化进行深入分析。因此，明确油菜秸秆翻埋还田后水稻前期叶片的生理变化及其与农艺性状变化的关系具有重要意义。【前人研究进展】植物受到逆境胁迫时，其植物形态会与正常形态产生差异，与之相关的是一系列生理生化的变化过程，例如酶活性的升高或降低[8]。过氧化物酶(POD)在植物体内的主要作用是清除H2O2，保护细胞免受毒害损伤[9]。有研究表明当水稻受到淹水、低温、盐等胁迫时，POD酶活性会升高[10-12]。氮素是限制植物生长和产量形成的首要因素，硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)在水稻植株氮素代谢中起着重要作用[13]。当水稻受到低氧、氮磷等胁迫时，NR和GS酶活性升高[13-15]。油菜秸秆翻埋还田抑制水稻植株生长也必然与一系列酶活性变化有关。【本研究切入点】在油菜秸秆翻埋还田条件下，上述与水稻植株抗氧化能力及氮代谢相关的几种酶活性究竟会发生何种变化，有待深入研究。【拟解决的关键问题】本研究拟通过田间试验，研究油菜秸秆翻埋还田条件下水稻前期农艺性状及叶片几种关键酶(POD、NR、GS)活性的变化，以期明确水稻生长受秸秆翻埋抑制的生理机制，进而为油菜秸秆科学还田及水稻高产高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地简介及供试材料

试验于2018年4-9月在四川省绵阳市青义镇西南科技大学农场(104.7°E，31.5°N；海拔582 m)进行，该地区气候属于亚热带季风性湿润气候，年平均气温约16.3 ℃，年平均降水量为963.2 mm，年日照时数约1298.1 h，年无霜期约272 d。试验前0～20 cm土壤容重为1.5 g/cm3，土壤pH为7.1，有机质含量为13.3 g/kg，有效氮含量为89.2 mg/kg，有效磷含量为8.0 mg/kg，有效钾含量为63.9 mg/kg。

前茬油菜品种为川油36，供试水稻品种为籼型三系杂交水稻宜香优2115。

1.2 试验设计

设置油菜秸秆不还田(CK1)、油菜秸秆覆盖还田(CK2)与油菜秸秆翻埋还田(RI)3个处理。采用完全随机试验设计，4次重复，小区面积3 m×4 m。前茬油菜收获后，将油菜秸秆全部移出田块，按照450 kg/667 m2油菜秸秆干基计算每个小区秸秆还田量，每个小区还田秸秆8 kg，试验所用油菜秸秆均经秸秆还田机械粉碎至3～5 cm，晾干备用。RI处理的油菜秸秆于水稻移栽前用微型旋耕机翻埋到土壤中，翻埋深度约为15～20 cm，CK2处理的油菜秸秆在水稻移栽后第3天均匀覆盖于水稻行间。

水稻于2018年4月11日进行旱地育秧。5月28日，选择分蘖数为2～3个且长势一致的水稻秧苗进行移栽，宽行50 cm，窄行25 cm，株距17 cm，每个小区栽种200株。小区道路两边设置保护行，小区间用自制防水隔板隔档以防渗水渗肥。水稻复合肥(N∶P2O5∶K2O=23∶5∶7)按150 kg/hm2纯氮进行折算，基肥与分蘖肥的比例=1∶1。基肥在水稻移栽前施用，分蘖肥在水稻移栽2周后施用。水稻移栽后保持田面2～3 cm水层，6月26日开始晒田，7月16日结束晒田。其他管理措施同当地高产田。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 农艺性状测定 从水稻移栽7 d后开始取样，每周1次，直至晒田期结束取样。取样时，每个小区选取2株具有代表性的植株，以稻株为中心，按26.7 cm×16.7 cm、深30 cm的土柱进行取根，取出后分别置于0.4 mm孔径尼龙网袋中用流水将根系泥土冲净。迅速带回实验室，分开水稻地上与地下部分，测量株高与分蘖，统计黑根、白根、黄根数并计算单株根系总数。将水稻根系与地上部分装进信封袋，置于烘箱105 ℃下杀青0.5 h，80 ℃烘干至恒重，计算单株干物质积累量。

1.3.2 酶活性测定 将每次取样的植株迅速带回实验室用液氮处理，选取水稻植株最后一片完全叶进行POD、NR、GS酶活性的测定。POD活性测定采用愈创木酚法，以每克组织在每毫升反应体系中每分钟使470 nm下吸光值变化0.01为一个酶活力单位；NR活性采用活体法，以每小时每克鲜重样品中催化产生1 μmol NO2ˉ的量为一个酶活力单位；GS活性测定采用铁络合比色法，以每克组织在每毫升反应体系中每分钟使540 nm下吸光值变化0.005为一个酶活力单位。具体测定方法参照文献[16]。

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2013进行数据整理，SPSS 22.0进行统计分析，SigmaPlot 10.0作图。

2 结果与分析

2.1 油菜秸秆翻埋还田对水稻植株生长的影响

与油菜秸秆不还田(CK1)、油菜秸秆覆盖还田(CK2)相比，油菜秸秆翻埋还田处理(RI)在水稻移栽后7～35 d，水稻植株的分蘖数及株高均受到抑制。从分蘖情况来看(图1 A)，RI处理各个取样时期的分蘖数均低于CK1与CK2；从21 d开始，RI分蘖数显著低于CK1，28 d时二者差异达到最大；RI分蘖数从28 d开始显著低于CK2；晒田期间(35 d)，RI分蘖数仍低于CK1与CK2，其中RI显著低于CK2。植株株高变化趋势与分蘖变化情况较为一致(图1 B)，RI处理各个取样时期植株株高均低于CK1与CK2；从14、28 d开始，RI处理株高分别显著低于CK1与CK2。CK1与CK2处理水稻分蘖与株高变化各个取样时期均无显著差异。

与CK1和CK2相比，RI处理在水稻移栽后14～35 d，抑制水稻地上、地下部干物质积累。从水稻地上部干物质积累量来看(图1 C)，RI地上部干物质积累量在水稻移栽后7～35 d均低于CK1与CK2，其中，水稻移栽后14～35 d，RI显著低于CK1与CK2，降低量分别达到0.14～6.97 g和0.22～5.15 g，在28 d时分别达到最大差异。从水稻地下部干物质积累量来看(图1 D)，RI地下部干物质积累量在水稻移栽后14～35 d低于CK1与CK2，其中，RI在21～28 d显著低于CK1，分别低0.30、0.73 g；RI在14～28 d显著低于CK2，分别低0.08、0.24、0.92 g。CK1与CK2的地上、地下部干物质积累量差异不显著。

2.2 油菜秸秆翻埋还田对水稻根系数量的影响

水稻根系生长发育状况直接影响水稻植株的生长发育。RI处理的水稻总根数和白根数均低于CK1和CK2(图2)。水稻移栽后14～35 d，RI处理的水稻总根数显著低于CK1与CK2处理。白根作为水稻的新生根系，它的数量直接反映了根系整体活力和代谢效率。从白根数来看(图2 B)，RI在水稻移栽后7～35 d低于CK1(28 d时除外)，在35 d时显著低于CK1；RI在水稻移栽后7～35 d均低于CK2，其中，在移栽后28和35 d时显著低于CK2。从白根数的变化曲线上看，随着水稻生育进程推移，白根数在快速增加，21 d后，RI处理的白根数有所下降，而CK2处理的白根数仍然在增加。

2.3 油菜秸秆翻埋还田对水稻叶片POD、NR、GS酶活性的影响

油菜秸秆不同还田方式下水稻叶片的POD活性呈现先降低后升高的趋势(图3 A)。整体来看，RI在整个观测阶段POD活性最高；水稻移栽后7～21 d，RI与CK1之间差异较小，21 d后，RI的POD活性显著高于CK1，分别高214.7、100.9个活性单位(U/g 鲜重)；RI的POD活性在水稻移栽后7～35 d均显著高于CK2，高出61.7～219.8个活性单位(U/g 鲜重)；CK2与CK1之间差异不显著。

水稻叶片NR、GS酶活性在3种处理下总体表现为RI和CK2处理高于CK1(图3 B, C)。与CK1相比，水稻移栽后7～35 d，RI处理的NR、GS酶活性显著高于CK1(水稻移栽后14 d时NR酶活性除外)；与CK2相比，水稻移栽21 d前，CK2的NR、GS酶活性高于RI，水稻移栽后21 d，RI高于CK2，且RI处理的NR酶活性在移栽7和28 d时显著高于CK2，分别高0.20和0.15个活性单位(μmol/h/g鲜重)，但RI处理的GS酶活性与CK2之间差异不显著。

图1 油菜秸秆翻埋还田对水稻分蘖数(A)、株高(B)、地上部(C)及地下部(D)干物质积累的影响Fig.1 Effects of rape residue incorporation on tiller number (A), plant height (B), dry weight of shoot (C) and roots (D) of rice

图2 油菜秸秆翻埋还田对水稻总根数(A)及白根数(B)的影响Fig.2 Effects of rape residue incorporation on total root numbers (A) and white root numbers (B) of rice

图3 油菜秸秆翻埋还田对水稻叶片POD(A)、NR(B)、GS(C)酶活性的影响Fig.3 Effects of rape residue incorporation on POD (A), NR (B), GS (C) activity in rice leaves

3 讨 论

前人研究表明，秸秆还田会降低水稻前期分蘖数、株高、干物质积累及根系活力[4-7]。本研究中，油菜秸秆翻埋还田导致水稻移栽后分蘖减少，植株矮小，生物量积累缓慢，根系数量减少。研究结果与前人的研究结果基本一致。秸秆还田后抑制水稻前期生长，其原因可能一是参与秸秆腐解的微生物从土壤中吸收氮素满足自身繁殖需要，从而造成与水稻植株争氮的现象[17]；二是夏季温度较高，微生物数量增加[18]，秸秆腐解释放大量有机酸等不利于水稻生长的物质[19-20]；三是在淹水条件下，秸秆还田使土壤中还原物质增多、pH下降，影响水稻根系活力，进而影响水稻前期生长发育[7]。本研究中，覆盖还田的处理与对照差异不明显，可能是因为覆盖处理的秸秆由于其覆盖在田间表面上，短时间内腐解不够彻底，释放的毒性物质对根系影响较小[21]。

逆境胁迫下，植物抗氧化酶的变化较为复杂。兰旭等[22]研究指出，水稻花期高温胁迫导致其颖花POD活性先升后降，处理5 d时达到最大。本研究中，从移栽后7～21 d，水稻POD活性不断下降，可能是本试验第一次取样时间为移栽7 d后，错过了POD活性短暂上升的阶段[23]。直到开始晒田，POD活性上升，可能是由于晒田改善了土壤通气状况、缓解了低氧等胁迫状况，水稻体内保护酶类进行了适应性调整[8]。前人研究认为淹水[10]、低温[11]、盐[12]等胁迫下水稻POD活性增加。本研究中，RI处理下POD活性高于CK1与CK2，可能是由于秸秆翻埋还田导致土壤环境改变，如还原性物质增多，水稻植株受到胁迫而产生了较多活性氧，为清除体内的活性氧，需要相对较高的POD活性。

水稻在逆境胁迫下，其体内NR、GS酶活性受到诱导升高[13-15]。前人研究发现根际溶氧量对水稻生长的影响可能与氮代谢密切相关[14]，且水稻对氮素的吸收利用需要消耗呼吸作用释放的ATP[13]。本研究中，油菜秸秆还田条件下水稻叶片NR和GS酶活性高于秸秆不还田，可能是由于秸秆还田导致根际土壤溶氧量更低[24]，根系有氧呼吸受阻，为维持能量供应，氮代谢途径发生改变，植株通过提高NR和GS酶活性，促进呼吸作用进而提供氮代谢所需能量[13]。另一方面，自然状态下的农作物秸秆，C/N比较高，还田初期，有机质分解较慢，土壤中微生物为维持自身生命需要与水稻植株竞争氮素[25]，可能导致土壤中氮素缺乏，水稻叶片通过提高NR和GS活性促进自身对氮素的吸收利用[13-14]。水稻的生长发育不仅与氮素代谢有关，还与光合作用、呼吸作用等生理生化过程密切相关[15]。要明确油菜秸秆翻埋还田后水稻前期生长发育受阻的生理机制，还需进一步研究其他相关生理酶活性的变化。

4 结 论

水稻移栽14 d后到晒田期间，油菜秸秆翻埋还田下的水稻生长受到明显抑制，水稻分蘖数、株高、地上和地下部干物质积累量及根系数量均显著低于CK1和CK2。在油菜秸秆翻埋还田处理下，水稻叶片具有较高的POD、NR和GS活性。