肥料与密度互作对蒙啤麦5号抗氧化酶活性的影响

刘志萍， 王 君， 巴 图， 马 宇，尚学燕， 姜晓平， 沈秋云， 徐寿军

(1.内蒙古农牧业科学研究院作物所，内蒙古 呼和浩特 010000；2.内蒙古乌海市农牧业机械化服务管理中心，内蒙古 乌海 016000;3.巴彦淖尔市磴口县农牧业技术推广中心，内蒙古 巴彦高勒 015200；4.内蒙古民族大学 农学院，内蒙古 通辽 028043)

超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)是作物体内的3种保护酶，较高的保护酶活性可以提高植物清除活性氧等超氧化物的能力, 使作物保持较高的生理活性，延缓衰老。在正常情况下，细胞内活性氧的产生与清除处于动态平衡状态，不会对作物产生伤害，但在生育后期，这种平衡就会遭到破坏而有利于活性氧的产生[1-2]，积累的活性氧会引发或加剧细胞膜脂过氧化或膜脂过氧化作用，造成膜系统的损伤，致使作物衰老加剧[3]。此时，SOD 作为植物体内抵御植物氧化胁迫的第1道防线，其合成表达能力会增强[4]，POD和CAT主要担负清除H2O2的功能。在作物生育后期，施肥与种植密度等栽培耕作措施对其抗氧化酶活性有较大影响。增加施氮水平可以显著提高小麦SOD、POD和CAT活性[5-6]，施磷可提高花生叶片SOD、POD和CAT活性[7]，适量施用钾肥能防止活性氧大量积累对植物细胞造成伤害, 在小麦灌浆期, 施钾处理较不施钾处理SOD、POD 活性均有所提高[8]。随着种植密度的增大, 夏玉米果穗叶SOD、POD、CAT活性下降趋势明显[9]。正交回归试验是将正交设计和回归分析的优势统一起来的一种精度高、统计性好的试验方法，在多因素组合试验中被广泛应用。目前，正交回归试验设计在作物栽培研究领域的应用主要集中在肥料及其与种植密度的互作对玉米[10]、水稻[11]、小麦[12]、花生[13]、谷子[14-15]等作物农艺性状、施肥方案、荧光参数的影响方面。迄今为止，运用正交回归试验设计研究肥料和密度互作对作物叶片抗氧化酶活性的影响研究，尚未见报道。该试验运用正交回归试验设计，研究了肥料和密度互作下蒙啤麦5号灌浆期叶片抗氧化酶活性的变化，为内蒙古东部灌区春大麦生产实践提供最优栽培技术方案。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在内蒙古通辽市科尔沁区农牧业高新科技示范园区(43°63′N，122°25′E)进行，试验地年平均气温为6.1 ℃，≥10 ℃活动积温为3 160 ℃，日照时数为3 112 h，年平均降水量350 mm。试验地土壤肥力均匀，土壤有机质为17.89 g/kg，碱解氮为48.23 mg/kg，速效磷29.50 mg/kg，速效钾130.01 mg/kg。

1.2 材料

供试的大麦品种蒙啤麦5号由内蒙古农牧业科学研究院提供。

1.3 试验设计

试验采用N、P、K及密度4因素4水平正交回归设计，水平及因子设定如下：纯氮(N)97.5 kg/hm2为0水平，变化区间为22.5 kg；纯磷(P2O5)112.5 kg/hm2为0水平，变化区间为22.5 kg；纯钾(K2O)60 kg/hm2为0水平，变化区间为22.5 kg；种植密度525万株/hm2为0水平，变化区间为45.0万株。

4月3日播种，共计26个小区，每小区16行，行长5.0 m，行距0.25 m，小区面积20.0 m2，区间距0.5 m，3次重复，田间管理同大田，试验水平编码及肥料用量见表1。

表1 试验水平编码及肥料用量

1.4 样品的采集、测定

各小区选择长势相近、同一天开花的蒙啤麦5号，标记。灌浆期取所标记植株20株，取植株第2片叶放于液氮中快速冷冻，然后转移置-80 ℃冰箱内保存，用于测定SOD、POD和CAT活性，其余测量叶面积。收获期考种，测定各小区产量和千粒重。

SOD活性采用氮蓝四唑法测定，POD活性采用愈创木酚氧化法测定，CAT活性采用紫外吸收法测定[16]。

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel2003做图；SPSS(19.0)分析数据。

2 结果与分析

2.1 不同处理农艺性状与产量性状

由表2可知，灌浆期叶面积、千粒重、产量等指标中，1号处理的值均为最大，7号处理的值均为最小。

表2 各处理部分农艺性状与产量性状

2.2 不同处理灌浆期叶片抗氧化酶活性变化

不同肥料及密度处理各小区灌浆期叶片SOD、POD和CAT活性见表3。

由表3可知，与农艺和产量性状表现一致，1号处理的SOD、POD和CAT值均为最大，7号处理的SOD、POD和CAT值均为最小。其它处理均在二者之间。

表3 各处理灌浆期叶片抗氧化酶活性

2.3 氧化还原酶活性与肥料和密度互作关系的多元回归分析

2.3.1 氧化还原酶活性与肥料和密度关系的回归方程建立

对SOD、POD和CAT活性(Y)与施氮量(X1)、施磷量(X2)、施钾量(X3)和种植密度(X4)关系进行多元回归分析，分别得到以下回归方程：

YSOD=315.232 39+7.884 1X1+24.971 9(〗X2+17.194 9X3+2.721 2X4-2.218 8X1X2-2.556 2X1X3-11.265 0X1X4-7.180 0X2X3+5.541 2X2X4+10.836 3X3X4-12.360 7X1X1-16.072 98X2X2-9.035 08X3X3-9.954 1X4X4YPOD=955.436 09+9.336 7X1+43.164 4X2+23.798 9X3+6.168 6X4+20.507 5X1X2+15.197 5X1X3+8.447 5X1X4+14.940 0X2X3+27.800 0X2X4+30.677 5X3X4-29.435 9X12-31.662 8X22-27.527 4X32-13.401 6X42

YCAT=44.394 90+0.116 7X1+0.637 6X2+0.297 5X3+0.077 11X4+0.381 4X1X2+0.190 0X1X3+0.105 6X1X4+0.311 8X2X3+0.472 5X2X4+0.383 5X3X4-0.266 5X12-0.294 3X22-0.242 6X32-0.066 04X42

2.3.2 单因子效应分析

SOD活性与X1、X2、X3、X4关系的回归模型中，X1、X2、X3、X4的偏回归系数分别为7.884 1，24.971 9，17.194 9和2.721 2。4因素与SOD活性之间的效应方程如下：

YSOD1=315.232 39+7.884 1X1-12.360 7X12

YSOD2=315.232 39+24.971 9X2-16.072 98X22

YSOD3=315.232 39+17.141 9X3-9.035 08X32

YSOD4=315.232 39+2.721 2X4-9.954 1X42

POD活性与X1、X2、X3、X4关系的回归模型中，X1、X2、X3、X4的偏回归系数分别为9.336 7、43.164 4、23.798 9和6.168 6。四因素与POD活性之间的效应方程如下：

YPOD1=955.436 09+9.336 7X1-29.435 9X12

YPOD2=955.436 09+43.164 4X2-31.66 28X22

YPOD3=955.436 09+23.798 9X3-27.527 4X32

YPO41=955.436 09+6.168 6X4-13.401 6X42

CAT活性与X1、X2、X3、X4关系的回归模型中，X1、X2、X3、X4的偏回归系数分别为0.116 7，0.637 6，0.297 5，0.077 11。4因素与CAT活性之间的效应方程如下：

YCAT1=44.394 90+0.116 7X1-0.266 5X12

YCAT2=44.394 90+0.637 6X2-0.294 3X22

YCAT3=44.394 90+0.297 5X3-0.242 6X32

YCAT4=44.394 90+0.077 11X4-0.066 04X42

根据上述效应方程,可得施氮量(X1)、施磷量(X2)、施钾量(X3)和种植密度(X4)各因素与SOD、POD和CAT活性之间的关系(图1～3)。

由图1～3可知，适量增加氮、磷、钾施用量和种植密度均可提高各氧化还原酶活性，且其对氧化还原酶活性的影响依次为施磷量(X2)>施钾量(X3)>施氮量(X1)>种植密度(X4)。在-1.482 6～0水平下，各氧化还原酶活性随着施氮量、施钾量和种植密度的增加呈明显的上升趋势；而在0～1.482 6水平则呈下降趋势。随着施磷量增加，各氧化还原酶活性则在-1.482 6～1水平下呈上升趋势，然后开始下降。说明适当的施用氮、钾肥料、加大种植密度能够有效的提高各氧化还原酶活性，但超过一定范围，则导致其下降；在135.00 kg/hm2(P2O5)水平以下，增加施磷量能够提高各氧化还原酶活性。

图1 4因素与SOD活性之间的关系

图2 4因素与POD活性之间的关系

图3 4因素与CAT活性之间的关系

3 讨论

不同施肥水平可以促进作物相应生长中心器官对养分的吸收，不同种植密度可以调控作物群体冠层结构性状，最终形成较高的群体产量。作物抗氧化酶活性变化是肥料和密度调控效应的生理基础之一，肥料配施对作物叶片抗氧化酶活性有较大影响，郭秀娟等研究了氮、磷、钾配施对冬油菜SOD活性的影响得出，磷、钾配施的冬油菜叶片的 SOD活性最高[17]。朱建芬等研究了氮钾营养对棉花主茎功能叶SOD活性的影响得出，氮钾的施用量对棉花中后期主茎功能叶片SOD 活性的影响明显，充足的氮钾供应能够在一定程度上延缓叶片的衰老[18]。也有研究表明，单施氮、磷肥或氮磷混施能明显提高春小麦幼苗叶片 POD、CAT 的活性[19]。施用氮、钾肥可促进水稻剑叶SOD活性提高[20]。该试验结果显示，在氮肥64.5～97.5 kg/hm2，磷肥79.05～135.00 kg/hm2，钾肥26.55～60.00 kg/hm2，种植密度458.00～528.00万株/hm2范围内，增加氮、磷、钾施用量和种植密度均可提高灌浆期蒙啤麦5号叶片SOD、POD、CAT活性，超过范围，则其活性下降。与该研究结果不同，胡文河等研究表明，密植水稻POD的活性明显低于稀植水稻[21]，这可能与作物品种差异以及稀植水稻植株内蛋白质降解较少, 自由基损伤较轻有关。

不同肥料及配合对作物叶片抗氧化酶活性影响的作用不同。彭文勇等研究了氮磷锌配施对水稻幼苗生长及抗氧化酶活性的影响，表明氮营养对水稻SOD、POD活性起主要效应, 其次是磷，再次是锌。氮对水稻叶片 CAT 活性起主要作用，其次是锌，再次是磷。平衡施用氮、磷、锌肥可以有效降低水稻苗期养分等环境胁迫，有利于幼苗生长[22]。周录英等研究表明,氮、磷、钾肥配合施用对提高花生叶片 SOD、POD和 CAT酶活性、增加可溶性蛋白质含量和降低 MDA积累量均有明显作用,氮磷钾、磷钾处理的作用大于氮磷、氮钾处理[23]。刘晓伟等研究表明，氮是多花黑麦草POD活力的主要影响因子, 施氮肥有利于提高其POD活力，磷、钾肥需在施氮条件下才会发挥作用[24]。该研究结果表明，在氮、磷、钾、种植密度对抗氧化酶活性效应中，对SOD、POD、CAT活性的影响大小依次为磷肥>钾肥>氮肥>种植密度，说明增施磷肥能够增加灌浆期蒙啤麦5号大麦的抗氧化酶活性，延迟叶片衰老，提高产量。

4 结论

该研究统计分析计算结果表明，在该试验条件下，蒙啤麦5号灌浆期SOD活性最高理论值为241.65 U/g，与之相匹配的栽培措施为氮肥(N)114.30 kg/hm2、磷肥(P2O5)95.27 kg/hm2、钾肥(K2O)19.52 kg/hm2、密度447.50万株/hm2；POD活性最高理论值为1 077.92 U/g·min，其相应的栽培措施是氮肥(N)113.82 kg/hm2、磷肥(P2O5)129.98 kg/hm2、钾肥(K2O)86.53 kg/hm2、密度621.93万株/hm2；CAT活性最高理论值为44.83 U/g·min，相应的栽培措施是氮肥(N)102.10 kg/hm2、磷肥(P2O5)114.925 5 kg/hm2、钾肥(K2O)68.53 kg/hm2、密度573.00万株/hm2。“蒙啤麦5号”达到叶片抗氧化酶活性理论最高值的最佳施肥和密度为氮肥(N)102.10～114.30 kg/hm2，磷肥(P2O5)95.27～129.98 kg/hm2，钾肥(K2O)19.52～86.53 kg/hm2，密度447.50～621.93万株/hm2。提示在蒙啤麦5号生产实践中，应该采取最优的施肥方案和适宜的种植密度，使SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性达到最大，才能保证叶片在灌浆期保持旺盛的光合能力，进而提高产量和品质，实现优质高产。因试验条件和时间所限，该研究尚未对提出的最优栽培方案进行验证，这也是本研究下一步继续要做的工作。