氮素缓解春小麦花后高温早衰的抗氧化特性研究

坚天才, 康建宏, 吴宏亮, 刘根红, 高娣, 马雪莹, 李鑫

(宁夏大学农学院， 银川 750021)

随着全球变暖、极端气候的频发，农业生产面临新的挑战[1-2]。在作物生产中，特别是小麦等夏收作物，温度是影响其生理特性的重要环境因素。高温使春小麦生育期缩短，灌浆速率加快，导致产量显著降低[3]。灌浆期是决定小麦产量和品质的关键时期，小麦籽粒灌浆期的适宜温度为 20～22 ℃[4-5]，此时如温度高于30 ℃则会出现早衰现象，导致小麦高温逼熟，籽粒灌浆期缩短，减产幅度可达10%～30%[6-7]。近年来，宁夏灌区春小麦干热风发生的次数和持续时间呈增加趋势，并集中在6月中旬到7月下旬[8]，此阶段正值春小麦灌浆期，因此，研究高温导致小麦早衰的生理机制，制定合理的氮素运筹措施，对宁夏春小麦稳产优质高效生产具有重要意义。

氮素对植物光合作用中光反应和暗反应关键酶的活性影响较大[9-11]。李宪利等[12]研究认为，氮素过量会严重影响土壤理化性质并对其他元素产生拮抗作用，导致土壤各营养元素间平衡失调。李强等[13]研究发现，低氮条件下，叶片光合作用受到抑制,导致吸收的光能过剩，产生过量的活性氧和丙二醛等膜脂过氧化物，使植物体内活性氧代谢失调，破坏生物膜结构。逆境胁迫使植物出现明显的早衰，而植物体内保护酶活性的增强能够提高清除活性氧自由基的能力，从而降低胁迫对植物造成的伤害，减缓早衰现象[14-17]。冯鹏博等[18]和姚珊等[19]分别对马铃薯块茎形成期高温和小麦花后不同时段高温进行了研究，结果表明，高温对作物的光合特性、叶绿素含量和荧光特性均有不同程度的影响。在高温条件下，合理的氮肥运筹能提高光合特性和抗氧化酶活性，从而增加作物产量，减缓高温危害[20-21]。但关于氮肥和温度两个因子交互作用对小麦抗氧化特性和产量影响的研究相对较少。本研究以宁夏银川主栽春小麦品种‘宁春50号’为供试品种，采用裂区设计，设置常温和高温两个温度处理，同时设置5个施氮处理，检测小麦旗叶抗氧化酶活性、超氧阴离子、渗透调节物质、膜脂过氧化物、氮和类胡萝卜素含量等生理生化指标及产量的变化，探讨氮肥缓解春小麦花后高温早衰的抗氧化机制和对产量的影响，为春小麦抗逆保优栽培提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在宁夏回族自治区银川市宁夏农垦平吉堡农六队实验基地进行，试验地海拔约1 170 m，地处银川平原引黄灌区中部，属中温带大陆性气候，年平均气温8.5 ℃，日温差12～15 ℃，年降雨量242 mm，无霜期157 d。试验地0—25 cm耕层土壤基础养分为：pH 7.44、有机质16.46 g·kg-1、碱解氮57.95 mg·kg-1、有效磷29.23 mg·kg-1和速效钾126.24 mg·kg-1。

1.2 供试材料

以强筋春小麦品种‘宁春50号’为供试材料，氮肥肥源为尿素(CH4N2O)，纯氮含量为46.7%。

1.3 试验设计

采用大田试验，于2019年2月27日播种，7月12日收获。小区长7 m，宽3 m，小区间距50 cm。采用裂区设计，主区为施氮量，副区为温度。施氮量设5个梯度，分别为施纯氮0 (N0)、75 (N1)、150 (N2)、225 (N3)和300 (N4) kg·hm-2。温度设(25±2)℃ (CK)和(35±2)℃ (HT)两个处理。HT处理在花后20 d开始，连续处理3 d，处理时间为每天 9:00—17:00(每小时测一次温度和光照强度，同一时刻温度和光照强度变化的平均值如图1所示)，其余时间为自然温度。温度控制采用搭建人工气候室的方式，处理时将每个小区一半自然处理，另一半覆盖棚膜(当温度高于预设范围时，用遮阴网或揭棚膜的方式进行降温)，气候室长3.5 m、宽3 m、高1.5 m，每个处理4次重复。肥料按常规施肥方法，50%作基肥，50%作追肥，分别在分蘖期和孕穗期追施(各施25%)，磷肥和钾肥按常规施用量。各温度处理的空气相对湿度保持 50%，土壤水分保持在田间最大持水量的 65%～75%，处理结束后转入自然条件下生长至成熟。

1.4 测定指标与方法

1.4.2测产与考种 产量测定：在成熟期调查每小区1 m2实际穗数并收获，对其进行脱粒称重。

穗部性状测定：在每个小区随机挖取20株长势均匀的植株，带回自然风干后，依次测定株高、穗重、穗长、穗粒数、不结实小穗数、单株生物产量及千粒重等指标。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2003和SPSS 21.0软件进行数据整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对旗叶含量的影响

2.2 不同处理对旗叶MDA含量的影响

MDA是膜脂过氧化产物，其含量可以反映植物细胞膜受到的伤害程度。因此，植物体中MDA含量越高，细胞膜损伤程度越大。由表1可知，随着生育进程(花后15～30 d)，小麦叶片中MDA含量逐渐升高。与常温相比，高温处理后叶片MDA含量显著增加；其中，花后25 d，高温处理叶片MDA含量增加21.66%～35.65%；花后30 d,高温处理叶片MDA含量增加23.25%～30.26%。但随着氮素施用量的增加，叶片MDA含量呈先降后升的趋势，即同一温度处理下，N3处理叶片MDA含量最低；N0处理最高。其中，花后25 d，与N0相比，常温和高温处理下施用氮素(N1、N2、N3和N4)后，叶片MDA含量显著降低，降幅分别为17.51%～35.02%和11.34%～25.45%；花后30 d，降幅分别为1.05%～15.93%和6.29%～17.54%。由此说明，高温胁迫导致叶片MDA含量增加，加剧了膜脂过氧化程度;在一定范围内增施氮肥可降低叶片MDA含量，但施氮过量则会使MDA含量再度增加。因此,适宜的施氮量可有效缓解高温导致的膜脂过氧化，使叶片中MDA含量保持较低水平。

表1 不同处理旗叶的MDA含量Table 1 MDA contents in flag leaf of different treatments

2.3 不同处理对旗叶保护酶活性的影响

2.3.1不同处理对旗叶过氧化物酶活性的影响

POD是植物体中重要的保护酶，能够清除植物体内产生的H2O2，又与光合作用及叶绿素降解有关。由图3可知，花后25～30 d，叶片POD活性逐渐降低；与常温相比，经高温胁迫后POD活性显著降低，降幅分别为0.65%～23.69%(花后25 d)和21.45%～50.86%(花后30 d)。但随着氮素施用量的增加， POD活性呈先升高后降低的趋势。花后30 d，常温和高温均表现为：N3>N4>N2>N1>N0；与N0相比， N1、N2、N3、N4在常温处理时叶片POD活性提高18.35%、20.09%、39.11%和32.60%；高温处理时POD活性提高26.23%、43.86%、61.91%和56.65%。由此可见，长期高温胁迫会影响叶片POD活性，并对植物造成严重损伤，导致衰老速度加快；适宜的氮肥可以提高叶片中POD活性，有效缓解高温对质膜造成的损伤，降低膜脂过氧化程度。

2.3.2不同处理对旗叶超氧化物歧化酶活性的影响 SOD是植物体内重要的抗氧化金属酶，可以有效清除植物体内产生的超氧阴离子自由基，因此SOD活性可以间接反映植物的抗氧化能力。由图4可知，随着发育进程，叶片SOD活性逐渐降低。与常温处理相比，高温胁迫后叶片SOD活性显著下降，降幅为9.61%～39.27%(花后25 d)和9.50%～58.81%(花后30 d)。但随着氮素施用量的增加，同一温度处理下，小麦旗叶SOD活性随施氮量的增加呈先升后降的趋势，均在N3处理叶片SOD活性最高。花后25 d，常温条件下施氮处理(N1、N2、N3和N4)的叶片SOD活性较N0提高27.96%～40.07%；高温条件下施氮处理(N1、N2和N3)的叶片SOD活性较N0提高3.72%～31.78%。花后30 d， 施氮处理(N1、N2、N3和N4)的叶片SOD活性相较于N0增幅分别为5.63%～33.66%(常温)和39.74%～69.80%(高温)。以上结果表明，高温胁迫使小麦SOD活性降低，施氮肥能提高小麦旗叶中SOD活性，但氮肥过量却不利于SOD活性。因此，合理的施氮量提高小麦叶片SOD活性，从而减缓高温造成的危害。

2.3.3不同氮温处理对春小麦旗叶过氧化氢酶活性的影响 CAT是植物体内的主要抗氧化酶之一，它广泛存在于植物细胞中，可以专一地清除过多的过氧化氢。由图5可知，随着生育进程，叶片CAT活性逐渐降低，花后30 d，叶片CAT活性比花后25 d平均降低13.13%(CK)和31.70%(HT)。与常温处理相比，高温胁迫后叶片CAT活性呈下降趋势，降幅为4.96%～18.70%。但随着氮素施用量的增加，同一温度处理下，小麦旗叶CAT活性随施氮量的增加呈先升后降的趋势，均在N3处理活性最高；施氮处理(N1、N2、N3和N4)较N0处理叶片CAT活性增加4.05%～32.68% (花后25 d)和32.98%～55.89% (花后30 d)。由此可知，施加氮肥可以增加CAT活性，然而氮肥不足或过量均会影响CAT活性，因此，合理的施氮量可以更好的抵御高温胁迫，使小麦叶片中保持较高的CAT活性,从而延缓叶片衰老。

2.4 不同处理对旗叶含氮量的影响

氮是植物体核酸、蛋白质及叶绿素等物质的重要组分，在植物生命活动中发挥着至关重要的作用。由图6可知，随着生育进程，叶片含氮量逐渐减少，花后30 d叶片含氮量比花后25 d平均降低5.13%～30.06%(CK)和2.24%～38.93%(HT)。与常温处理相比，高温胁迫后叶片含氮量显著减少，降幅为25.99%～57.38%(花后25 d)和16.35%～38.22%(花后30 d)。但随着氮素施用量的增加，同一温度处理下，小麦旗叶含氮量随施氮量的增加呈先升后降的趋势，均在N3处理最高。其中，花后25 d，施氮处理(N1、N2、N3和N4)较N0增加28.44%～53.57%(CK)和14.49%～58.49%(HT)。由此可知，施氮肥可以增加叶片含氮量，适宜的施氮量使叶片含氮量增加效果更为明显，叶片含氮量高有利于抵御高温对叶片的损伤。

2.5 不同处理对旗叶类胡萝卜素含量的影响

类胡萝卜素是光合系统的辅助色素，在光合作用中发挥重要作用。在光照条件下，类胡萝卜素可以保护叶绿素分子不被光氧化，也可以清除光合作用中产生的氧自由基，从而保护膜脂和膜蛋白免受破坏。由图7可知，随着花后时间推移，旗叶中类胡萝卜素含量呈递减趋势；且高温处理后，旗叶类胡萝卜素含量较常温对照显著降低，降幅分别为7.08%～43.06%(花后25 d)和7.12%～66.63%(花后30 d)。但随着施氮量的增加，在相同温度处理下,叶片类胡萝卜素含量呈先升后降的趋势，均以N3处理最高。其中,花后25 d，施氮处理(N1、N2、N3和N4)的类胡萝卜素含量较N0提高2.16%～43.65%(CK)和26.10～92.24%(HT);花后30 d，施氮处理(N1、N2、N3和N4)的类胡萝卜素含量较N0平均提高43.88%(CK)和76.91%(HT)。以上结果表明，高温胁迫会导致叶片中类胡萝卜素含量降低，使光合作用产生的氧自由基清除受阻，从而导致膜蛋白和膜脂受损，叶片衰老速率加快，适宜的氮肥处理可以缓解高温对小麦叶片造成的损伤，使类胡萝卜素含量保持较高水平。

2.6 不同处理对旗叶脯氨酸含量的影响

Pro含量可以间接反映植物的抗逆性，此外Pro亲水性极强，能稳定原生质胶体及组织内的代谢过程，起到防止细胞脱水的作用。由图8可知，高温胁迫后叶片Pro含量降低，其中，花后25 d降低2.89%～48.48%。但随着施氮量的增加，叶片Pro含量呈先升后降的趋势，均为N3处理的Pro含量最高。其中,施氮处理(N1、N2、N3和N4)的Pro含量较N0分别增加26.63%～51.79%(CK)和29.36%～61.69%(HT)。由此表明,适宜的氮肥用量可以增加叶片中脯氨酸含量，从而提高代谢过程和原生质胶体的稳定性，提高小麦抗逆能力。

2.7 不同处理对产量构成的影响

花后高温和不同施氮量对产量构成的影响如表2所示。与常温相比，高温胁迫后N0、N1、N2、N3和N4处理出现不同程度的减产，减产率分别为33.71%、21.94%、16.36%、7.81%和13.64%，即随着施氮量的增加，减产率降低。同时，随着施氮量的增加，无论是常温还是高温处理，小麦的产量、单株生物产量和千粒重均呈现先增后减的趋势，表现为N3>N4>N2>N1>N0；穗长、穗粒数呈上升趋势；不结实小穗数呈下降趋势。由此表明，适宜的施氮量可以有效增加穗粒数和千粒重，降低不结实小穗数，从而提高产量。比较施氮量与增产效率表明，以N0为基础，常温处理下，施氮量每增加75 kg·hm-2，产量平均增加2.09 t·hm-2，平均增产率为24.98%；高温处理下，施氮量每增加75 kg·hm-2，产量平均增加2.98 t·hm-2，平均增产率为41.98%。以上结果表明，施氮肥能显著增加小麦产量，适宜的施氮量可以有效降低高温胁迫造成的产量损失，从而到达保产增收的效果。

表2 不同处理的产量构成Table 2 Yield compositions of different treatments

2.8 各指标与产量之间的相关性分析

表3 各指标与产量之间的相关性分析Table 3 Correlation analysis between indicators and yield

表4 不同处理下各指标之间的方差分析Table 4 Anova between indicators under different treatment

3 讨论

于宁宁等[33]研究发现,施氮可提高玉米籽粒的最大灌浆速率，延长灌浆渐增期、速增期和缓增期的持续时间，促进籽粒干物质的积累。李虎等[34]研究指出，在适宜的施氮水平下，协调好各产量构成因子，有利于水稻高产，过高的施氮量不利于产量和品质提高。陈爱忠等[35]研究发现，过度施肥会导致水稻出现贪青晚熟，不利于有机物向籽粒转移，导致肥料利用效率低、甚至出现青枯型早衰。本研究与前人研究相一致，在常温和高温处理下，小麦千粒重和产量均表现为随着施氮量的增加呈先升后降的趋势，高温胁迫后千粒重和产量均出现不同程度下降。由此可知，适宜的氮肥水平可以使小麦的千粒重和产量显著提高，而氮肥过高或者过低都不利于高产。