不同时期喷施NaHS对盐碱地裸燕麦农艺和产量性状的影响

刘建新，刘瑞瑞，刘秀丽，贾海燕，卜 婷，李 娜

(甘肃省陇东生物资源保护利用与生态修复重点实验室/陇东学院生命科学与技术学院，甘肃 庆阳 745000)

土壤盐碱化是限制植物生长发育和农业产量提升的世界性环境因素之一。据统计，全球盐碱地面积约9.5×108hm2，我国盐渍化土地约9.9×107hm2[1]。土壤盐化与碱化分别是以盐度和pH升高为主要特征的两种不同性质的非生物胁迫，我国内陆干旱和半干旱地区的盐碱地多为盐化和碱化伴生构成的复合类型，且成分复杂、程度各异[2]。盐碱胁迫导致土壤渗透势降低，引起植物水分亏缺[3]；诱导植物矿质营养失衡，造成离子毒害[4]，进而引发氧化胁迫，扰乱细胞代谢、抑制生长发育和降低产量[5]。因此，探讨消减植物盐碱伤害的技术途径对合理和有效利用盐碱地资源具有重要意义。

硫化氢(H2S)是近年来人们在植物体内发现的第3种气体信号，它参与植物生长发育过程和对环境胁迫响应的调节[6]。如H2S促进植物不定根形成[7]，并增强植物抵御低温[8]、高温[9]、干旱[10]和重金属[11]等逆境的能力。盐胁迫下，H2S通过上调质膜Na+/H+转运系统及非选择性阳离子通道 (NSCC)和盐超敏感(SOS)信号途径维持杨树(Ipomoeaaquatic)和小麦(Triticumaestivum)K+、Na+稳态[12-13]；通过NO介导提高盐胁迫大麦(Hordeumvulgare)质膜和液泡膜H+-ATP酶转录及液泡Na+/H+逆向转运体表达来提高胞质K+/Na+[14]；H2S还可提高盐胁迫小麦的抗氧化能力[15]；降低垂丝海棠(Malusahalliana)在盐碱胁迫下的氧化损伤[16]；缓解NaCl对平邑甜茶(Malushupehensis)[17]和盐碱胁迫对裸燕麦(Avenanuda)[18-19]生长的抑制。上述研究表明，H2S能够通过调控抗盐碱机制增强植物耐受盐碱胁迫的能力。然而，这些研究几乎都是以盆栽植物幼苗为材料，且多以单一NaCl胁迫为对象，缺乏对盐碱地作物在不同生育期施用H2S对农艺和产量性状影响的研究。裸燕麦是我国北方广泛种植的禾本科燕麦属一年生粮饲兼用型作物，其籽粒富含蛋白质、不饱和脂肪酸、β-葡聚糖和黄酮等营养保健成分[20]。因裸燕麦具有较强耐盐抗旱特性，诸如盐渍化等边际化土地常首选种植裸燕麦，故盐碱胁迫成为裸燕麦生长发育和产量提升的重要限制因子[21]。为明确H2S缓解裸燕麦盐碱胁迫的最佳施用时期和最适宜施用浓度，本试验采用大田试验，以硫氢化钠(NaHS)为H2S供体，探讨喷施时期和NaHS浓度对盐碱胁迫下裸燕麦产量和农艺性状的影响，以期为利用H2S缓解裸燕麦盐碱胁迫伤害提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在甘肃省定西市通渭县什川镇阳坡村(104°56′E，35°7′N)进行。海拔1 889 m，日照时数1 900～2 100 h；年均气温7.4～9.8℃，>10℃有效积温2540℃；无霜期140～170 d，降水量350～500 mm，是典型干旱雨养农业区。土地类型为坡地梯田，土壤类型为黄绵土。土壤pH约8.33，土壤水溶性盐含量为2.88～2.91 g·kg-1，属轻盐碱土。

1.2 试验材料与设计

供试裸燕麦品种为‘定莜9号’，由甘肃省定西市农业科学研究院选育，具有丰产和抗旱特性，是甘肃省主栽品种。NaHS购自山东西亚化学股份有限公司。

试验于2020—2021年进行，2020年试验确定NaHS的最佳施用时期和适宜浓度；2021年试验进一步验证最佳时期施用不同浓度NaHS的效应。

2020年试验：2019年10月用立盈牌多功能微耕机(日照市立盈机械制造有限公司，山东)翻耕前茬小麦地。2020年播种前结合整地，施入农家肥11 250 kg·hm-2、尿素75 kg·hm-2、过磷酸钙375 kg·hm-2和磷酸二铵94 kg·hm-2。4月15日采取人工撒播机耕翻种，播种量75 kg·hm-2，种子播前用50%多菌灵可湿性粉剂拌种12 h以预防黑穗病，拌药量为种子质量的0.2%。人工起垅分区，小区面积15 m2(3 m×5 m)，区距30 cm，周围设保护行。试验采用双因素试验设计：喷施时期设幼苗期(V1)、拔节期(V2)、抽穗期(V3)、开花期(V4)和灌浆期(V5)5个水平；NaHS浓度设0、25、50、100、200、400 μmol·L-16个水平，共30个处理。随机区组排列，重复3次。用背负式电动喷雾器(喜丰牌SWBD-20L型，台州市优佳电动喷雾器厂)分别在裸燕麦5个不同生育时期喷施不同浓度NaHS(含0.01%Tween-80)，早晚各喷施1次，连续喷3 d，每个小区喷施量约830 mL。2020年8月31日人工镰刀收割。每个小区收1 m2进行室内考种：统计收获穗数；随机选10株测量株高；测定30株的穗粒数、产量和千粒重。以小区为单位收获，晒干后脱粒，将脱粒后的籽粒自然风干除杂、称取产量。

2021年试验：2020年10月机耕整翻前茬马铃薯地；2021年4月20日整地时施入牲畜粪18 000 kg·hm-2、尿素36 kg·hm-2、过磷酸钙72 kg·hm-2和磷酸二铵72 kg·hm-2。4月22日采取人工撒种机耕翻播，播种量66 kg·hm-2；播前用种子质量0.2%的50%多菌灵可湿性粉剂拌种。播种后人工起垅分区，小区面积25 m2(10.0 m×2.5 m)，区距30 cm，周围设保护行。苗期人工除草，常规管理。在裸燕麦抽穗期(7月11日)时，叶面喷施0、25、50、100、200、400 μmol·L-1NaHS(添加0.01%Tween-80)；早晚各喷1次，连喷3 d；每小区每次喷施量3.75 L。重复4次，随机区组排列。2021年8月18日开始人工镰刀收割，每小区收获1 m2用于室内考种，测量株高，统计收获穗数、穗铃数、穗粒数和千粒重。以小区为单位收获、脱粒，统计产量。

1.3 数据统计与分析

运用灰色关联分析计算产量与农艺性状间的关联度。以农艺性状作为比较数列(Xi)，将产量设为参考数列(X0)，进行灰色关联分析[22]。采用Excel 2010整理数据，对计数数据进行平方根转换后差异显著性分析，所有数据差异显著性由SPSS 20.0软件方差分析后Duncan法测验(显著水平P=0.05)，结果用平均值±标准误表示。

2 结果与分析

2.1 不同时期喷施NaHS对盐碱地裸燕麦株高的影响

在裸燕麦不同时期喷施NaHS的结果表明，V2-V5期喷施NaHS比V1期喷施能一定程度增加裸燕麦株高(表1)，但只有在喷施0 μmol·L-1NaHS时V2和V3期、喷施25 μmol·L-1NaHS时V2、V3和V4期及喷施400 μmol·L-1NaHS时V2期的株高达到显著水平；喷施不同浓度NaHS之间的株高无显著差异。

2.2 不同时期喷施NaHS对盐碱地裸燕麦产量性状的影响

从表2可见，NaHS浓度为0 μmol·L-1时，V5期喷施NaHS的单株粒数显著高于V1期；100 μmol·L-1NaHS时V3期喷施的单株粒数显著高于其他各期；200 μmol·L-1和400 μmol·L-1NaHS时V3期喷施的单株粒数显著高于V2和V4期。与喷施0 μmol·L-1NaHS相比，V1～V5期喷施25～400 μmol·L-1NaHS后单株粒数都有所增加，V1和V3期喷施50～400 μmol·L-1、V2和V5期喷施50 μmol·L-1及V4期喷施25和50 μmol·L-1NaHS的差异显著，其中V3期喷施100 μmol·L-1NaHS的单株粒数最大。

NaHS浓度为50 μmol·L-1时V3和V4期喷施的裸燕麦单株产量显著高于其他时期喷施；100 μmol·L-1和200 μmol·L-1NaHS时V3期喷施的单株产量最高；NaHS浓度为0、25 μmol·L-1和400 μmol·L-1时不同时期喷施的单株产量无显著差异。与喷施0 μmol·L-1NaHS相比，V1期喷施100 μmol·L-1、V2期喷施200 μmol·L-1、V3期喷施50～200 μmol·L-1及V4期喷施50和100 μmol·L-1NaHS显著提高单株产量，其中V3期喷施50 μmol·L-1NaHS的单株产量最高(表2)。

NaHS浓度为0 μmol·L-1时不同时期喷施的裸燕麦收获穗数无显著差异；25 μmol·L-1NaHS时V2、V3和V4期喷施的收获穗数显著高于V1和V5期；50 μmol·L-1NaHS时V3期喷施的收获穗数显著高于V1期；100 μmol·L-1NaHS时V2、V4和V5期喷施的收获穗数显著高于V1期；200 μmol·L-1NaHS时V2、V3和V4期喷施的收获穗数显著高于V1期；400 μmol·L-1NaHS时V3期喷施的收获穗数最高。V1期喷施200 μmol·L-1NaHS的收获穗数最高；V2期喷施100 μmol·L-1和200 μmol·L-1、V3期喷施200 μmol·L-1和400 μmol·L-1NaHS的收获穗数显著高于其他浓度NaHS；V5期喷施50～400 μmol·L-1NaHS的收获穗数高于0 μmol·L-1和25 μmol·L-1NaHS(表2)，其中V3期喷施200 μmol·L-1NaHS的收获穗最优。

NaHS浓度为25、50、200 μmol·L-1和400 μmol·L-1时不同时期喷施的千粒重无显著差异；0 μmol·L-1NaHS时V2期喷施和100 μmol·L-1NaHS时V4、V5期喷施的千粒重最大。V1和V3期喷施不同浓度NaHS的千粒重无显著差异；V2期喷施100 μmol·L-1NaHS的千粒重低于喷施0 μmol·L-1NaHS；V4和V5期喷施25～400μmol·L-1NaHS的千粒重不同程度高于喷施0 μmol·L-1NaHS。其中，V3期喷施50 μmol·L-1NaHS的千粒重最大(表2)。

表1 不同时期喷施NaHS对盐碱地裸燕麦株高的影响/cmTable 1 Effects of spraying NaHS in different periods on plant height of naked oats in saline-alkali land

表2 不同时期喷施NaHS对盐碱地裸燕麦产量性状的影响Table 2 Effects of spraying NaHS in different periods on yield traits of naked oats in saline-alkali land

2.3 不同时期喷施NaHS对盐碱地裸燕麦产量的影响

由表3可知，在V2～V5期喷施不同浓度NaHS都比V1期喷施能够不同程度提高裸燕麦产量，总体看V3和V4期喷施NaHS的产量最优。V1期喷施100 μmol·L-1NaHS的产量显著高于0、25、50 μmol·L-1和400 μmol·L-1；V2期喷施200 μmol·L-1NaHS的产量显著高于其他浓度NaHS；V3期喷施200 μmol·L-1NaHS的产量显著高于0、25 μmol·L-1和100 μmol·L-1；V4期喷施100 μmol·L-1NaHS的产量显著高于0、25 μmol·L-1和400 μmol·L-1；V5期喷施100 μmol·L-1和200 μmol·L-1NaHS的产量显著高于0、25 μmol·L-1和50 μmol·L-1NaHS。由此可见，V3期喷施200 μmol·L-1NaHS提高裸燕麦产量的效果最佳。

2.4 喷施时期和NaHS浓度对盐碱地裸燕麦农艺和产量性状的双因素方差分析和多重比较

双因素方差分析(表4)表明，喷施时期对裸燕麦株高、单株粒数、单株产量、收获穗、千粒重和小区产量均有显著影响；NaHS浓度对株高和千粒重无显著影响，对单株粒数、单株产量、收获穗和小区产量有显著影响；二者的交互作用对株高影响不显著，对单株粒数、单株产量、收获穗、千粒重和小区产量影响显著。多重比较结果(表5)显示：株高、单株粒数、单株产量、收获穗、千粒重和小区产量均以抽穗期喷施最高。NaHS浓度为50 μmol·L-1的株高、单株粒数和千粒重最大；100 μmol·L-1的单株产量和200 μmol·L-1的收获穗和小区产量最优。

2.5 不同时期喷施NaHS对盐碱地裸燕麦农艺和产量性状的相关分析和灰色关联分析

相关分析(表6)显示：裸燕麦的株高与千粒重显著正相关；单株粒数与单株产量、小区产量极显著正相关；单株产量与单株粒数、小区产量极显著正相关；收获穗与千粒重、小区产量极显著正相关；千粒重与株高显著正相关、与收获穗和小区产量极显著正相关；小区产量与单株粒数、单株产量、收获穗和千粒重极显著正相关。

通过灰色关联分析(表7)可以看出，裸燕麦产量与各性状关联度最高的是单株产量，关联度为0.841；其次是收获穗，关联度为0.777；第3位为单株粒数，关联度为0.755；第4位为千粒重，关联度为0.738；第5位为株高，关联度仅为0.695。因此，在甘肃省中部盐碱地裸燕麦不同时期喷施H2S影响产量的主要是单株产量、收获穗和单株粒重，千粒重和株高的影响较小。

表3 不同时期喷施NaHS对盐碱地裸燕麦产量的影响Table 3 Effects of spraying NaHS in different periods on yield of naked oats in saline-alkali land

表4 喷施时期和NaHS浓度对盐碱地裸燕麦农艺和产量性状的双因素方差分析Table 4 Two-way analysis of variance of spraying period and NaHS concentrationon agronomic and yield traits of naked oatsin saline-alkali land

表5 喷施时期和NaHS浓度对盐碱地裸燕麦农艺和产量性状的多重比较Table 5 Multiple comparisions of spraying period and NaHS concentration on agronomic and yield traits of naked oats in saline-alkali land

表6 不同时期喷施NaHS对盐碱地裸燕麦农艺和产量性状影响的相关分析Table 6 Correlation analysis of the effects of spraying NaHS in different periods on agronomic and yield traits of naked oats in saline-alkali land

表7 不同时期喷施NaHS条件下盐碱地裸燕麦农艺性状与产量的灰色关联度及排序Table 7 Grey correlation degree and ranking of agronomic traits and yield of naked oats in saline-alkali land under the condition of spraying NaHS at different periods

2.6 不同时期喷施NaHS对盐碱地裸燕麦农艺和产量性状影响的综合评价

裸燕麦农艺和产量性状间存在显著相关关系，说明存在信息重叠，适合进行主成分分析。根据碎石图变化提取4个主成分，这4个主成分的方差贡献率分别为41.25%、20.12%、17.03%和11.96%，累计贡献率达90.36%。以这4个主成分得分值进行隶属函数分析[23]，并以方差贡献率计算权重，得到隶属函数综合评价值(D)。从图1可见，喷施时期的D均值表现为抽穗期(0.282)>开花期(0.227)>灌浆期(0.190)>拔节期(0.176)>幼苗期(0.121)。方差分析表明，抽穗期D值显著高于开花期，开花期D值显著高于灌浆期和拔节期，灌浆期和拔节期D值显著高于幼苗期，而灌浆期和拔节期D值差异不显著。NaHS浓度间D均值呈现：200 μmol·L-1(0.279)>100 μmol·L-1(0.264)>50 μmol·L-1(0.245)>400 μmol·L-1(0.172)>25 μmol·L-1(0.147)>0 μmol·L-1(0.089)。200 μmol·L-1和100 μmol·L-1NaHS间D值无显著差异，而显著高于400、50、25 μmol·L-1和0 μmol·L-1，其中50 μmol·L-1和100 μmol·L-1之间及400 μmol·L-1和25 μmol·L-1之间D值差异不显著，但均显著高于0 μmol·L-1。喷施时期和NaHS浓度交互作用对D值影响显著(F值3.467*)，以抽穗期喷施50～200 μmol·L-1NaHS的D值最大(图1)。

2.7 抽穗期喷施NaHS对盐碱地裸燕麦农艺和产量性状的影响

2020年试验结果表明，抽穗期喷施NaHS提高裸燕麦农艺和产量性状的效果最佳。为进一步验证抽穗期喷施不同浓度NaHS对盐碱地裸燕麦农艺和产量性状的调节效应，2021年试验结果(表8)显示：与喷施0 μmol·L-1NaHS相比，喷施25～400 μmol·L-1NaHS虽不同程度提高了裸燕麦的株高和收获穗，但差异都没有统计学意义；不同浓度NaHS处理的千粒重也无显著差异；喷施25、50、100 μmol·L-1和400 μmol·L-1NaHS的穗铃数差异仍不显著，但喷施200 μmol·L-1NaHS的穗铃数显著提高了21.95%；喷施25 μmol·L-1和400 μmol·L-1NaHS的穗粒数无显著差异，喷施50、100 μmol·L-1和200 μmol·L-1NaHS的穗粒数分别提高了15.59%、16.30%和23.56%，差异显著；喷施25、50和400 μmol·L-1NaHS的小区产量差异不显著，喷施100 μmol·L-1和200 μmol·L-1NaHS的小区产量分别显著提高了13.86%和20.05%。

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at P<0.05.图1 不同时期喷施NaHS对盐碱地裸燕麦隶属函数综合评价值(D)的影响Fig.1 Effect of spraying NaHS in different periods on comprehensive evaluation value (D) of membership function of naked oats in saline-alkali land

表8 抽穗期喷施不同浓度NaHS对盐碱地裸燕麦农艺和产量性状的影响Table 8 Effects of spraying different concentrations of NaHS at heading stage on agronomic and yield traits of naked oats in saline alkali land

3 讨 论

外源H2S对植物具有多方面的生物学效应，例如促进不定根形成[7]、根系生长[24]、气孔运动[25]和光合作用[26]以及提高植物对非生物胁迫的抗性[9-15]等。研究证明，低浓度H2S能够促进植物生长，高浓度H2S则对生长产生抑制作用[27]。在作物不同生育期施用H2S对生长发育乃至产量构成的影响还未可知。本研究在2020年进行的裸燕麦不同生育期喷施不同浓度NaHS的试验结果表明：喷施不同浓度NaHS对裸燕麦株高无显著影响，仅在喷施0～25 μmol·L-1NaHS浓度下拔节-开花期喷施的株高优于幼苗期喷施(表1)，这可能是拔节-开花期是裸燕麦株高增长的关键时期，此时正值高温干旱季节，大气干旱是甘肃省中部气候干旱的主要特征，这时进行叶面喷液可能比处于相对低温高湿的幼苗期喷施更能促进伸长生长的缘故。喷施时期和NaHS浓度及二者的交互作用对裸燕麦单株粒数、单株产量、收获穗数、千粒重和产量(NaHS浓度对千粒重影响不显著除外)均达到显著水平(表4)。喷施时期中以抽穗期喷施的单株粒数、单株产量、收获穗数、千粒重和产量最佳；单株粒数和单株产量分别以喷施50 μmol·L-1和100 μmol·L-1NaHS最高，收获穗和产量以喷施200 μmol·L-1NaHS最大(表5)。喷施时期和NaHS浓度交互作用分析结果显示：分别以抽穗期喷施100 μmol·L-1和50 μmol·L-1NaHS的单株粒数和单株产量最高；抽穗期分别喷施200 μmol·L-1和50 μmol·L-1NaHS的收获穗数和千粒重最大(表2)；产量以抽穗期喷施200 μmol·L-1NaHS最高(表3)。产量与单株粒数、单株产量、收获穗和千粒重呈极显著正相关关系，而与株高间无显著相关关系(表6)。对产量影响的灰色关联排序依次为单株产量>收获穗>单株粒数>千粒重>株高(表7)。隶属函数综合分析(图1)表明，抽穗期喷施50～200 μmol·L-1NaHS的综合评价值(D)较大，其中喷施200 μmol·L-1NaHS的D值最优。由此可见，在最佳时期喷施适宜浓度H2S能够促进裸燕麦产量构成因素和产量提高。本试验条件下，初步确定以裸燕麦抽穗期喷施200 μmol·L-1NaHS提高农艺产量性状的效果最佳。

为验证抽穗期喷施不同浓度NaHS提高裸燕麦农艺产量性状的效应，进一步确定最佳的NaHS喷施浓度。2021年试验结果显示对裸燕麦农艺和产量性状的影响与2020年试验结果存在一些差异，表现为喷施不同浓度NaHS对裸燕麦收获穗和千粒重无显著影响(表8)。这可能与2021年和2020年同期降雨量(2020年4—8月降水量218.3 mm；2021年同期降水量58.9 mm)相差较大等气象因素有关。2021年试验结果证明，喷施200 μmol·L-1NaHS显著提高了裸燕麦穗铃数，喷施50～200 μmol·L-1NaHS显著提高了穗粒数，喷施100 μmol·L-1和200 μmol·L-1NaHS显著提高了产量，其中喷施200 μmol·L-1NaHS的作用最大。这与2020年的喷施200 μmol·L-1NaHS提高裸燕麦农艺产量性状的效果最佳的结果一致。说明在盐碱地裸燕麦抽穗期喷施200 μmol·L-1NaHS能够有效提高产量和产量构成因素。

在H2S促进盐碱胁迫下植物生长机理的研究中，王泽鹏等[17]指出，用0.1 mmol·L-1NaHS预处理可通过提高抗氧化酶活性缓解盐胁迫对平邑甜茶根系生长的抑制；碱胁迫下H2S介导活性氧产生进而调控水稻生长[28]；用25 μmol·L-1NaHS喷施裸燕麦幼苗可提高叶片K+/Na+及可溶性蛋白质、可溶性糖和甜菜碱含量，缓解盐碱胁迫诱导的氧化伤害[18]；幼苗期喷施25～100 μmol·L-1NaHS可通过调节活性氧代谢和渗透溶质积累缓解盐碱胁迫对裸燕麦幼苗生长的抑制[19]。本试验结果表明，H2S可通过调控盐碱地裸燕麦产量构成提高裸燕麦产量。H2S能够提高裸燕麦产量可能与其作为硫源参与并促进植物生长[29]或作为信号分子调控植物营养和氧化还原平衡[12-15]有关。有研究报道，H2S能促进低氮和缺磷条件下作物对硝态氮和磷的吸收转运[30-31]。甘肃省中部裸燕麦主产区黄绵土类型土壤既缺氮又缺磷，H2S是否通过增强氮磷的吸收和同化促进裸燕麦产量提高有待研究。植物生长发育和产量提升与矿质营养[12]、激素分配[32]和光合作用[8]等多种因素密切相关。在未来研究中，有必要继续关注叶面喷施H2S对盐碱地裸燕麦离子吸收转运、激素分布运输和碳氮代谢机理的影响，进一步明确H2S促进裸燕麦增产的机理。本研究仅为两年单点试验的结果，还需进行多年多点试验，了解不同生态条件下喷施H2S对裸燕麦生长发育和产量的影响，以期探讨H2S作为一种潜在新型植物生长调节剂的可能性。

4 结 论

2020年分别在裸燕麦幼苗期、拔节期、抽穗期、开花期和灌浆期喷施不同浓度NaHS (0、25、50、100、200、400 μmol·L-1)的田间试验结果表明：喷施时期和NaHS浓度的交互作用除对裸燕麦株高无显著影响外，对单株粒数、单株产量、收获穗、千粒重和产量均产生显著影响，但对各农艺和产量性状影响的最佳喷施时期和NaHS浓度各不相同。隶属函数综合分析显示，抽穗期喷施200 μmol·L-1NaHS促进裸燕麦农艺产量性状提升的效果最佳。2021年在抽穗期喷施不同浓度NaHS (0、25、50、100、200、400 μmol·L-1)的田间试验结果表明：喷施不同浓度NaHS对裸燕麦株高、收获穗和千粒重无显著影响；与喷施0 μmol·L-1NaHS相比喷施25～400 μmol·L-1NaHS不同程度提高了裸燕麦穗铃数、穗粒数和小区产量，其中以喷施200 μmol·L-1NaHS的效应最优。综上所述，抽穗期喷施200 μmol·L-1NaHS可有效促进裸燕麦产量构成因素和产量提升。