不同水分与腐植酸处理对裸燕麦生理特性和产量形成的影响

赵宝平，韩文元，孙 雯，武俊英，刘景辉

(内蒙古农业大学农学院, 内蒙古 呼和浩特 010019)

干旱是影响作物正常生长发育继而造成产量降低的主要因素之一[1-2]。裸燕麦(AvenasativaL.)，俗称莜麦，是我国北方高寒冷凉地区重要的优势特色作物，由于其营养价值独特,受到了越来越多的关注和重视，其市场需求量也呈不断增长趋势[3]。裸燕麦主要种植在我国北方干旱半干旱地区，生育期间干旱缺水是导致其低产的主要原因[4]。因此，在水分胁迫下开展不同调控措施对裸燕麦籽粒产量形成的影响及其生理机制研究具有重要的理论和实践意义。

腐植酸主要由黄腐酸、棕腐酸和黑腐酸组成。大量研究表明，叶面喷施腐植酸水溶肥料(HA)具有促进作物生长，增加作物产量的作用[5-7]。腐植酸主要通过影响碳、氮代谢过程来促进大量和微量元素吸收和作物生长[8]。Abdelaal等[9]发现腐植酸肥料可显著提高水分胁迫下大麦光合能力、促进植株生长及提高产量。赵海燕等[10]在小麦抽穗期和齐穗期喷施HA，小麦产量和品质均提高。此外HA还具有提高作物抗逆性的作用；喷施HA可增加植株叶绿素含量、养分含量和抗氧化酶活性，从而增强玉米耐盐性[11]。水分胁迫下，HA通过增加油菜叶片气体交换速率和电子传递量而改善了光合能力[12]。重度水分胁迫下喷施HA可调控燕麦叶片糖组分和内源激素从而缓解胁迫伤害[13]。以上研究表明HA具有改善作物抗旱性和提高产量的作用，然而在不同生育时期水分胁迫处理和喷施HA如何影响燕麦产量形成以及处理间抗旱性差异尚不明确。本研究拟开展拔节、抽穗和灌浆等3个生育时期不同水分胁迫和喷施腐植酸水溶肥处理对燕麦抗旱增产生理机制研究，为腐植酸肥料在燕麦等作物上推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为内蒙古自治区农牧业科学院育成的裸燕麦品种‘内燕5号’ ，该品种适宜在水浇地或水分条件好的滩地种植，具有较高增产潜力，生育期90 d左右。

叶面喷施腐植酸为内蒙古永业农丰生物技术有限责任公司生产的腐植酸水溶性肥料，其中水溶性腐植酸含量≥50 g·L-1,氮磷钾总含量≥200 g·L-1,微量元素(硼、锰、钼、锌等)≥10 g·L-1。

1.2 试验设计

本试验于2015年4—8月在内蒙古呼和浩特市科技园艺示范中心的防雨棚内进行。试验采用盆栽种植，盆栽土壤为沙壤土，田间持水量为16%。试验选择规格为高30 cm，直径27 cm的塑料盆，每盆装取自大田耕作层的土壤11 kg(干土重)，分别施磷酸二铵(含N 18%，P2O546%)3 g，尿素2 g(含N 46%)作为底肥，此后不再追肥。每盆均放通气管，以便于生长后期根系生长呼吸。播种前统一浇水1.5 L，然后均匀播种，并覆土1 cm。每盆播种燕麦50株，在三叶期定株到25株。水分处理开始前和结束后维持充分供水直至成熟。

试验设3个因素，分别为3个处理时期，2个水分梯度处理和2个喷施处理，共12个处理，重复4次，共48盆，在防雨棚内随机区组放置。3个处理时期分别为拔节期(播种后42 d)、抽穗期(播种后54 d)和灌浆期(播种后66 d)。2个水分梯度分别为水分胁迫(45%田间持水量(FWC))和正常供水(75%FWC)，分别在各盆50%以上植株进入各物候期时开始实施7 d水分处理，处理结束之后恢复充分供水(≥75%FWC)；采用称重差值法将土壤水分分别控制在50%～40%和80%～70%田间持水量范围内，每次称的盆重与预计达到设置水分梯度需要灌水量之间的差值为需要补充的水量。2个喷施处理在水分处理开始当天实施，分别为稀释500倍的腐植酸水溶肥料(HA)和等量清水(WT)，以保证和处理喷水量一致，每次喷施量为50 ml，手持喷雾器均匀喷施于燕麦叶片及植株表面，具体试验设置及处理方法见表1。

表1 试验处理设置方案

1.3 测定指标与方法

1.3.1 形态指标 在各时期处理结束后第2天，每盆取样5株，测定株高和单株叶面积。叶面积采用长宽系数法测定，即叶面积=叶片长度×宽度×叶面积系数(0.63)。

1.3.2 生理指标 在各次处理结束后第2天，每盆随机选10株燕麦，选择植株最上部展开叶或旗叶，采用手持式叶绿素仪(SPAD-502)测定叶片叶绿素含量相对值(SPAD)。

在各生育时期水分和喷施处理结束后第2天，取各处理完整植株5株，装入冰袋保温箱带回内蒙古农业大学燕麦产业研究中心实验室，将叶片分离后于冰箱中保存，参照高俊凤[14]的方法测定各生理指标。超氧化物歧化酶活性(SOD)采用氮蓝四唑荧光比色法，过氧化物酶含量(POD)采用紫外分光光度计测定；丙二醛含量(MDA)采用硫代巴比妥酸比色法测定，游离脯氨酸含量(Pro)采用磺基水杨酸法测定。

1.3.3 产量和产量构成因素 燕麦成熟后，将每盆中剩余燕麦植株全部收获，在实验室进行考种。考种指标包括穗长、单株小穗数、单穗粒数、千粒重和单株籽粒重等。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007 软件进行试验数据的统计和作图，采用SAS 8.2软件进行试验数据方差分析和相关性分析，差异显著性分析采用最小差异显著性(LSD)在0.05水平检验。

2 结果与分析

2.1 叶绿素相对含量

注：图中不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。Note:Different letters in each column indicate significant difference (P<0.05). The same below.图1 不同水分胁迫和腐植酸处理对燕麦叶片叶绿素相对含量(SPAD值)的影响Fig.1 Effect of water stress and humic acid foliar fertilizeron the SPAD readings of oat leaves

叶片叶绿素相对含量(SPAD值)在一定程度上能反映植株生长旺盛程度和发育状况。抽穗期各处理的SPAD值均达到最大值。不同水分处理对SPAD值的影响在各生育时期表现不一致，在拔节期和灌浆期，喷施HA表现为45%FWC>75%FWC，喷施WT处理表现为75%FWC>45%FWC(图1，P<0.05)；在抽穗期，喷施HA处理下2个水分处理间差异不显著。水分胁迫处理下(45%FWC)，在拔节期、抽穗期和灌浆期喷施HA分别较WT处理高出16.7%、7.0%和15.1%(P<0.05)；在正常供水下(75%FWC)，在拔节期、抽穗期和灌浆期喷施HA分别较WT高出4.0%、6.1%和4.1%。不同水分、喷施HA处理在各处理时期对叶片SPAD值影响显著(表2)。

表2 不同处理燕麦生理指标的差异显著性和变异系数

2.2 抗氧化酶活性

植物抗氧化酶活性的大小与植物对逆境适应能力有关。不同生育时期超氧化物歧化酶(SOD)活性整体表现为，水分胁迫下(45%FWC)在抽穗期达到最大，正常供水下随着生育进程呈不断增加趋势(图2A)。不同水分处理下，在拔节期和抽穗期，燕麦叶片SOD活性均表现为45%FWC>75%FWC(P<0.05)，在灌浆期两个水分处理间差异不显著(图2A)；在拔节期正常供水条件下，喷施HA处理SOD值较WT高18.5%(P<0.05)，其它各生育时期在同一水分处理下喷施HA后叶片SOD值均升高，但与喷施WT处理差异不显著。

各处理的叶片过氧化物酶(POD)活性均随着生育进程推进呈不断增长趋势(图2B)。在拔节期和抽穗期不同水分处理下，燕麦叶片POD活性在各生育时期均表现为45%FWC>75%FWC(P<0.05)，在抽穗期，水分胁迫比正常供水处理的POD活性高25.4%～49.2%；水分胁迫下，喷施HA处理的POD活性在各生育时期分别较WT处理高14.1%、16.7%和6.3%(P<0.05)。水分胁迫、喷施HA及不同时期处理对燕麦叶片抗氧化酶活性影响显著(表2)。

图2 不同水分胁迫和腐植酸处理对燕麦叶片抗氧化酶活性的影响Fig.2 Effect of water stress and humic acid foliar fertilizeron antioxidant enzyme activity of oat leaves

2.3 叶片丙二醛含量

植物丙二醛(MDA)的积累与其叶片质膜体系受损程度有关。本试验中水分、喷施HA及不同时期处理对燕麦叶片MDA含量影响显著(表2)。各水分处理的MDA含量均随着生育进程推进不断增长，在灌浆期达到最大，且各生育时期之间差异显著(P<0.05，图3)。不同水分处理下，各生育时期燕麦叶片的MDA含量均为45%FWC> 75%FWC(P<0.05)，在拔节期45%FWC比75%FWC处理高22.4%～25.7%。喷施HA可显著降低MDA含量，在拔节期、抽穗期和灌浆期水分胁迫下喷施HA，MDA含量分别较WT降低20.3%、11.2%和7.8%；而正常供水下，喷施HA的MDA含量较WT处理分别降低18.2%、1.1%和4.7%。

图3 不同水分胁迫和腐植酸处理对燕麦叶片丙二醛含量的影响Fig.3 Effects of water stress and humic acid foliar fertilizeron the content of MDA in oat leaves

2.4 叶片游离脯氨酸含量

植物体内游离脯氨酸含量(Pro)能反映植物的渗透调节能力。本试验中水分、喷施处理及不同时期处理对燕麦叶片Pro含量影响显著(表2)。叶片游离脯氨酸含量随着生育时期推进先升高后降低，在抽穗期达到最大，且各生育时期之间差异显著(P<0.05，图4)。水分胁迫下Pro含量在拔节期、抽穗期和灌浆期分别较正常供水处理提高48.7%～52.4%、11.6%～19.2%和2.2%～7.1%(P<0.05)。喷施HA对叶片Pro含量的影响显著，水分胁迫处理下喷施HA，在拔节期、抽穗期和灌浆期Pro含量分别较WT提高8.0%、2.7%和3.7%；正常供水处理下喷施HA处理，Pro含量分别较WT提高10.7%、9.7%和11.0%(P<0.05)。

2.5 单株叶面积

水分、喷施处理和不同处理时期对燕麦单株叶面积影响显著(表2)。45%FWC处理单株叶面积在拔节期、抽穗期和灌浆期的分别较75%FWC下降19.4%～31.4%、8.1%～17.3%和7.1%～14.2%(图5)。喷施HA对单株叶面积的影响显著，45%FWC处理下喷施HA，在拔节期、抽穗期和灌浆期，燕麦单株叶面积分别较喷施WT处理提高21.6%、15.4%和12.7%；75%FWC处理下喷施HA,燕麦单株叶面积分别较喷施WT提高3.5%、3.8%和4.1%。

图4 不同水分胁迫和腐植酸处理对燕麦叶片游离脯氨酸含量的影响Fig.4 Effects of water stress and humic acid foliar fertilizeron free proline content in oat leaves

图5 不同水分胁迫和腐植酸处理对燕麦单株叶面积的影响Fig.5 Effects of water stress and humic acid foliarfertilizer on leaf area in oat leaves

2.6 产量及产量构成因素

各生育时期水分胁迫可影响植株生长，而喷施HA对株高影响不显著(表3)。在拔节期、抽穗期和灌浆期45%FWC处理下燕麦株高分别较正常供水处理平均降低8.6%、15.1%和3.4%。水分胁迫下燕麦穗长均显著下降，45%FWC处理下，抽穗期喷施HA能促进穗长伸长，较喷施WT提高8.5%；在75%FWC处理下，拔节期喷施HA穗长较WT处理提高7.6%(P<0.05)。

水分胁迫下燕麦单株小穗数与正常供水处理相比显著下降，抽穗期45%FWC处理小穗数下降25.2%，降幅最大(P<0.05)；喷施HA可不同程度增加单株小穗数，45%FWC和75%FWC处理下，喷施HA分别较WT增加13.3%～37.0%和2.9%～5.5%，其中在拔节期增幅最大(P<0.05)。45%FWC处理下燕麦单穗粒数显著下降，较75%FWC处理平均降幅为31.5%(P<0.05)。喷施HA可增加单株穗粒数，45%FWC和75%FWC处理下较WT处理增幅分别为9.9%～16.1%和12.8%～26.6%(P<0.05)，均在抽穗期增幅最大(表3)。

水分胁迫下燕麦籽粒千粒重显著下降，较75%FWC处理平均降幅为13.1%(P<0.05)。喷施HA对燕麦籽粒千粒重影响显著，45%FWC处理下，在拔节期、抽穗期和灌浆期喷施HA,燕麦千粒重分别较喷施WT提高21.2%、18.3%和8.4%，而在75%FWC处理下，喷施HA较喷施WT分别提高16.0%、8.2%和21.0%。

表3 不同水分胁迫和腐植酸处理对燕麦产量及产量构成因素的影响

在拔节期、抽穗期和灌浆期45%FWC处理下，燕麦单株籽粒重分别较75%FWC下降20.8%，23.1%和24.9%(表3，P<0.05)。喷施HA可一定程度提高燕麦的单株籽粒重，75%FWC条件下，在拔节期、抽穗期、灌浆期喷施HA分别较喷施WT提高6.4%、8.3%和5.2%；而45%FWC处理下，喷施HA分别较喷施WT提高10.5%、12.7%和4.6%，在拔节期和抽穗期喷施HA，其产量提高幅度更大。

3 讨 论

腐植酸肥料作为一种新型肥料，已在各种作物上广泛应用，并证实了其具有促进作物生长、缓解逆境胁迫的功能[15]。然而不同生育时期的水分胁迫对作物生长及产量形成的影响是不同的[16]。本试验喷施HA处理可显著提高燕麦叶片叶绿素相对含量，该结果同赵海燕等[10]、张春明等[17]在小麦上所得结果一致，此外，Bulgari等[18]也认为HA具有促进叶绿素合成和植株生长作用。本研究在3个生育时期喷施HA后，叶片 SPAD值在水分胁迫下的提高幅度均大于正常供水条件。同时喷施HA还提高了水分胁迫下燕麦的叶面积，且与产量构成因素相关性显著(表4)，从光合能力和光合面积两个方面促进燕麦生长，为进一步燕麦籽粒产量形成提供物质基础。

表4 不同水分胁迫与腐植酸处理下各产量构成因素间相关性分析

脯氨酸(Pro)是细胞质中重要的渗透调节物质，在逆境胁迫下能保护细胞膜和原生质的稳定性，降低细胞渗透势，提高保水力[23]。很多研究发现，植物在水分胁迫下Pro含量会升高[23-25]，本研究中3个生育时期水分胁迫下Pro含量升高，且升高幅度随生育期推进呈下降趋势。刘伟等[26]研究发现，在中度和重度水分胁迫下喷施HA燕麦叶片Pro含量升高；本研究中3个生育时期喷施HA，正常供水和水分胁迫下燕麦叶片的Pro含量均上升，且水分胁迫下Pro含量显著高于正常供水处理，在抽穗期达到最大，说明抽穗期喷施HA促进了燕麦Pro积累从而增强其抗旱性。然而，Khorasaninejad等[24]等在黄雏菊叶片、庞春花等[27]在藜麦根系中发现，水分胁迫下喷施HA后植株的Pro含量出现下降。结果出现差别主要原因可能有以下两方面，一是由于设置胁迫时间或程度不同导致的，胁迫时间越长、程度越重，HA促进Pro含量升高的程度可能越高。二是栽培条件不同，Khorasaninejad等、庞春花等研究是在大田栽培条件进行的，而刘伟等与本研究均是盆栽试验，有限的土壤水分促使根系ABA信号快速传导至地上部，而ABA作为Pro积累的重要信号物质[28]，使地上部叶片的Pro含量上升。

不同生育时期水分胁迫会不同程度影响作物产量器官生长发育，最终影响产量[2]。Moghadam等[29]研究发现，喷施HA对水分胁迫下增加玉米产量效果显著，可缓解由于干旱带来的伤害。然而也有报道发现HA对作物的养分吸收和产量并没有促进作用[30-31]。本研究发现水分胁迫下拔节期喷施HA,燕麦小穗数显著增加，而抽穗期喷施HA后穗粒数和千粒重均大幅度提高，并且这两个生育时期喷施HA处理燕麦单株粒重提高幅度均超过10%(表3)；而在正常供水处理下，喷施HA后单穗粒数显著增加，小穗数和千粒重增加幅度较小，且在抽穗期单株粒重增幅达到最大，而该时期正是燕麦穗粒数形成的关键时期[32]，说明抽穗期喷施HA能促进穗部籽粒发育，进而提高籽粒产量。相关性分析结果表明(表4)，单株粒重与穗粒数的相关性最大(r=0.76，P<0.001)，其次为千粒重和小穗数(r=0.69和0.57，P<0.001)。本研究在灌浆期喷施HA对燕麦籽粒产量形成的影响均明显弱于其他两个生育时期，可能是由于此时燕麦已经过了生长旺盛阶段，HA发挥作用时间较短，使得其增产效果不明显。

综上所述，拔节和抽穗期水分胁迫下喷施HA可显著改善叶片光合能力、提高抗氧化酶活性和渗透调节能力，进而促进籽粒生长发育并提高产量。在实际生产中，水分胁迫条件下喷施HA的最佳时期是拔节期和抽穗期，正常水分条件下喷施HA的最佳时期是抽穗期。