长期不同施肥处理对高粱花后叶片衰老、抗氧化酶活性及产量的影响

2023-01-16王劲松张艳慧申甜雨董二伟焦晓燕

作物学报 2023年3期

王劲松白歌张艳慧申甜雨董二伟焦晓燕,*

王劲松1白歌1张艳慧1申甜雨2董二伟1焦晓燕1,*

1山西农业大学资源环境学院/ 省部共建有机旱作农业国家重点实验室(筹), 山西太原 030031;2山西大学生物工程学院, 山西太原 030031

高粱花后叶片缓慢衰老及持绿能提高高粱应对干旱等逆境胁迫能力, 也与籽粒产量密切相关; 在育种上已将叶片抗早衰性作为育种的优异性状以提高谷物产量及稳定性, 栽培措施(包括施肥)也能够提高高粱花后叶片的抗早衰能力。为探明长期不同施肥处理对高粱花后叶片抗早衰性和叶片功能的影响, 2020和2021年在大田条件下研究了长期单施氮磷钾化学肥料(NPK)、化学肥料结合有机肥(NPKM)、化学肥料结合有机肥和秸秆还田(NPKMS)、有机肥和秸秆还田(MS)和不施肥(CK)各处理对高粱花后叶面积变化、叶片SPAD值、单位叶面积氮累积量(SLN)、叶片抗氧化酶活性及籽粒产量等影响。结果表明, 施肥提高了高粱花后持绿叶面积、SPAD值和SLN值; 与NPK比较, NPKM、NPKMS和MS能够有效控制持绿叶面积的衰减, 提高上中下3个部位叶片的SPAD值和SLN值, 其中MS与NPK处理氮投入相当。施肥也提高了不同部位叶片的SOD、POD和CAT抗氧化酶活性, 降低了MDA的含量; 与NPK比较, NPKM、NPKMS和MS显著提高了SOD、POD和CAT抗氧化酶活性和降低了MDA的含量。与CK和NPK比较, NPKM、NPKMS和MS显著提高了单穗粒数而提高了高粱籽粒产量。为此, 长期施用有机肥结合秸秆还田即能代替化肥, 又能防止高粱叶片早衰提高高粱产量。

高粱; 施肥; 花后; 叶片衰老; 抗氧化酶

灌浆期的光合效率对作物高产稳产十分重要[1], 延迟叶片衰老、维持足够绿色叶面积和叶片持绿是保证光合作用的根本[2]。叶片衰老缓慢和较长时间持绿是作物理想的生理性状[3], 与作物产量和应对逆境胁迫能力关系密切[4]。目前在小麦[5]、玉米[6]、水稻[7]、高粱[8-9]等作物上已经通过挖掘持绿基因提高叶片持绿性和抗早衰性, 通过栽培及施肥等途径延缓叶片衰老、提高叶片光合能力也引起广泛关注[1,10-11],施氮延缓叶片衰老和持绿[12-14], 喷施磷肥改善叶片生理特性和提高叶片的抗早衰能力[15], 有机无机肥配施维持小麦适宜冠层结构和较强的光合性能, 并能延缓小麦灌浆中后期的叶片衰老, 从而获得较高产量[16]; 尽管水稻从齐穗期到成熟期叶绿素含量呈下降趋势, 但与单施化学肥料比较有机无机配施能够提高水稻旗叶叶绿素含量和叶片抗早衰能力[17]。

花后植株绝对绿色叶面积和相对绿色叶面积的变化是评价作物抗早衰的重要指标[18]; 叶片在衰老过程中氮素流失, 抗早衰能力强的叶片氮含量和叶绿素含量较高[13]; 叶片早衰过程同时也是活性氧代谢失调的过程, 逆境胁迫提高叶片中氧化自由基含量, 导致叶片中抗氧化酶活性降低, 加快叶片早衰[19-20]。叶片中的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化物酶(peroxidase, POD)和过氧化氢酶(catalase, CAT)等抗氧化酶是植物体内最重要的活性氧清除系统[21], 逆境条件下抗氧化酶活性与籽粒产量显著相关[22]; 玉米上也表现出超高产品种花后各部位叶片抗氧化酶活性高, 叶片衰老缓慢[1]; 施钾有利于玉米叶片氮同化, 也提高了叶片SOD、POD及CAT活性和籽粒产量[23]。

高粱((L.) Moench)是一种喜温喜光的C4作物, 抗旱能力强, 多种植在干旱和半干旱边际土壤上; 高粱作为全球第五大谷类作物, 也是中国重要的杂粮作物、工业和饲料原料[24], 对保证全球的粮食安全具有重要的意义。已有报道挖掘利用高粱持绿基因能够提高叶片持绿性以获得高粱高产[8,25], 施氮也能延缓高粱叶片衰老提高产量[13], 同时长期秸秆还田和有机无机肥料配施改善土壤物理特性和土壤微生态环境[26-27], 保障高粱高产稳产[27]; 在我国北方高粱产区, 花后干旱严重影响籽粒灌浆和籽粒产量, 但尚不清楚秸秆还田和有机无机肥配施能否通过调控灌浆期叶片持绿性及功能提高高粱籽粒产量。为此在10年长期定位施肥处理的基础上, 本研究探索单施化学肥料、化学肥料结合有机肥、秸秆还田结合有机肥等处理对高粱花后灌浆期叶面积变化、叶片抗早衰性、抗氧化关键酶活性及产量的影响, 为高粱高产稳产栽培的施肥技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及试验设计

试验于2020年和2021年在山西农业大学东阳试验基地(37°33′21″N, 112°40′2″E)进行, 该区域属北温带大陆性气候, 海拔802 m, 多年年均气温为9.7℃, 年均降雨量为440.7 mm, 其中70%的降雨量集中在6月至9月。供试土壤为褐土, 土壤质地为黏壤土。本试验在始于2011年的长期施肥定位试验的基础上进行, 定位试验开始时0～20 cm的土壤含有机质10.64 g kg–1、全N 0.69 g kg–1、有效P 9.48 mg kg–1、速效K 140 mg kg–1, 轮作模式为高粱-玉米。定位试验共设5个施肥处理, 分别为氮磷钾化学肥料(NPK)、氮磷钾化学肥料和有机肥(NPKM)、氮磷钾化学肥料同时施用有机肥和秸秆还田(NPKMS)、施用有机肥和秸秆还田(MS)和不施肥(CK), 冬前结合整地施用有机肥和秸秆还田, 小区面积为75 m2, 重复3次。

供试高粱品种为晋杂31, 2年均在4月29日播种, 5月23日定苗, 9月30日收获; 50 cm等行距, 留苗株距16.7 cm, 密度12.0万株 hm–2, 播后在5月1日和8月1日分别滴灌900 m3hm–2。为避免秋施有机肥和秸秆还田导致春季土壤养分测定的不准确, 分别在上茬作物收获后(2019年秋和2020年秋)测定0～20 cm土壤养分含量, 各处理养分含量见表1。在上年度秋季秸秆还田和施用有机肥, 春季播前施入化学肥料50%的总氮量及磷钾肥料, 其余50%的氮肥在拔节期追施, 各处理养分总投入见表2; 2020年和2021年生育期内降雨量分别为449.4 mm和332.4 mm (图1)。

表1 2020年和2021年各处理基础土壤养分状况

NPK: 氮磷钾肥; NPKM: 氮磷钾肥和有机肥; NPKMS: 氮磷钾肥、有机肥和秸秆还田; MS: 有机肥和秸秆还田; CK不施肥。

NPK: nitrogen, phosphorus and potassium; NPKM: NPK plus manure; NPKMS: NPK plus manure and straw returning; MS: manure plus straw returning; CK: no fertilizer application.

表2 2020年和2021年各处理的养分投入

处理同表1。Treatments are the same as those given in Table 1.

图1 2020年和2021年高粱生育期降雨量

1.2 样品采集与测定方法

1.2.1 植株干物质累积量长期不同施肥处理导致各处理的物候期有所差别, 为此以NPK处理的物候期为准采样; 由于降雨缘故, 2年的采样时间稍有差异。2020年和2021年分别在花后5 d、40 d、60 d和10 d、40 d、50 d采样, 每小区采集具有代表性的3株植株, 带回实验室清洗后, 在105℃杀青30 min, 60℃烘干至恒重, 称量测定地上部干物质累积量。

1.2.2 SPAD值测定 2020年在花后5 d、10 d、40 d和60 d调查; 2021年花后5 d、10 d、20 d、30 d、40 d和50 d调查。每小区选取具有代表性3株进行调查, 将植株上部的9个叶片(包括旗叶)分为上3片(上部)、中3片(中部)和下3片(下部) 3个层次, 测定每个叶片中部的SPAD值, 取各部位3个叶片的平均值。

1.2.3 叶面积每小区选择具有代表性的3株调查, 根据绿色叶片长与宽计算单株叶面积; 2020年在花后5 d、40 d和60 d调查, 2021年在花后10 d、20 d、30 d、40 d和50 d进行调查; 用2次调查叶面积降幅描述该时段叶片衰减动态。

1.2.4 单位面积叶片氮吸收量(SLN) 每小区选择具有代表性的3株进行采样。2020年和2021年采样时间和采样部位同1.2.1。采集上部、中部和下部叶片, 洗净后每层叶片混合, 在105℃杀青30 min, 60℃烘干至恒重, 称量、粉碎用于氮含量测定, 浓H2SO4消煮凯氏定氮法测定叶片氮含量[28]。

1.2.5 抗氧化酶活性和丙二醛 2021年花后40 d采样测定叶片SOD、POD、CAT酶活性和丙二醛(MDA)含量。每小区选取具有代表性植株3株, 采集旗叶、倒四叶和倒七叶(代表上、中、下3个部位叶片); 用酒精擦拭后在叶片最宽处(去除叶脉)采样, 称量鲜重0.5 g, 用锡箔纸包好放入液氮保存带回实验室, 在–80℃冰箱保存, 用于叶片抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性和丙二醛(MDA)含量的测定。氮蓝四唑(NBT)法测定SOD活性[29], 愈创木酚法测定POD活性[30], 紫外吸收法测定CAT活性[31], 硫代巴比妥酸法测定MDA含量[32]。

1.2.6 测产收获时去除边行2行消除边际效应, 每小区单打单收计产; 选取具有代表性10穗调查产量构成因素。

1.3 数据处理及统计分析

叶面积=叶片最大长度(cm)×最大宽度(cm)×0.75;单株有效叶面积为所有绿色叶片的叶面积之和;

单株叶面积降幅[1](%)=某时段起始和结束时单株叶面积差值/该时段起始单株叶面积×100;

单位叶面积氮吸收量SLN[33](g cm–2)=叶片氮含量(%)×叶干重(g)/叶面积(cm2)

采用Microsoft Excel 2010软件分析数据和制作图表; 利用SPSS 25.0软件进行ANOVA分析, 采用检验比较不同处理间的差异显著性(<0.05)。

2 结果与分析

2.1 施肥处理对高粱产量及产量构成的影响

各施肥处理显著影响高粱产量及其构成因素(<0.05)。与CK比较, 施肥通过提高穗粒数进而提高穗粒重和产量(表3)。在所有施肥处理中, NPKMS处理籽粒产量最高, 2020年和2021年分别为10,080.85 kg hm–2和10,323.50 kg hm–2, NPKMS和MS两处理产量没有显著差异(>0.05), 均显著高于NPKM处理, 依次为NPK和CK; 与NPK处理比较, 2020年和2021年NPKM、NPKMS、MS 3个处理分别增产9.35%、18.74%、17.09%和11.70%、14.47%、14.24%。虽然CK处理提高了千粒重, 但NPKM、NPKMS、MS和NPK明显提高了穗粒数, 这是其具有较高产量的主要原因; 同理与NPK比较, NPKM、NPKMS和MS提高了穗粒数, 也提高了产量和收获指数, 说明不同施肥处理主要通过影响穗粒数而影响产量。

2.2 施肥对花后干物质累积量的影响

不同施肥处理对高粱花后地上部干物质累积量有显著影响(<0.05)。与CK比较, 施肥显著提高了干物质累积量, NPKM、NPKMS、MS的干物质累积量也显著高于NPK处理。2020年和2021年花后不同时间地上部干物质累积量均表现为NPKMS最高, 其次为MS、NPKM和NPK (图2); 2020年花后60 d时NPKM、NPKMS、MS处理比NPK和CK处理干物质累积量分别增加4.72%、14.40%、9.76%和53.51%、67.69%、60.90%; 2021年花后50 d分别增加12.24%、14.65%、9.74%和70.81%、74.48%、67.01%,说明与NPK比较, NPKM、NPKMS、MS处理明显促进了高粱生长。

2.3 施肥对花后有效叶面积、SPAD和SLN值的影响

随着花后生育期的延长, 由于下部叶片逐渐衰老, 有效叶面积逐渐减小(图3)。2年的试验结果均表明CK的有效叶面积最低, 有效叶面积衰减较快(表4); 花后早期NPK的有效叶面积最大, 2020年和2021年每株分别为652.10 cm2和606.32 cm2, 但随时间推进, NPK处理的有效叶面积衰减较快, 2020年从花后5 d至60 d衰减率为56.63%, 2021年从花后10 d至50 d衰减率为52.02% (表4), 2020年同时期NPKM、NPKMS及MS处理有效叶面积衰减率为30.62%～37.06%, 2021年相应处理的衰减率为45.72%～ 49.72%, 故至生理成熟期各处理有效叶面积差异显著, 2020年从高到低依次为MS>NPKM>NPKMS> NPK>CK, 2021年则为NPKMS>NPKM>MS>NPK> CK, 说明NPKM、NPKMS及MS处理能够保持高粱花后较高的有效叶面积(图3), 延缓了叶片衰老。

表3 不同施肥处理对高粱产量及产量构成的影响

处理同表1。同列不同小写字母表示同一年份施肥处理在0.05水平上差异显著。

Treatments are the same as those given in Table 1. Different lowercase letters in the same column for each year indicate significant difference among the treatments at the 0.05 probability level.

图2 不同施肥处理对高粱花后干物质累积的影响

处理同表1。同一时期不同小写字母表示不同施肥处理在0.05水平上差异显著。

Treatments are the same as those given in Table 1. Different lowercase letters indicate that different fertilizations are significant differences among the treatments at the 0.05 probability level at the same time.

叶片SPAD值在一定的程度上反映叶片的光合能力。图4表明花后不同时期施肥对上部、中部和下部叶片SPAD值的影响; CK下部叶片衰老较快, 2020年花后60 d 时SPAD值仅为24.04; 2021年花后50 d 时所有处理的下部叶片脱落, 故没有测量值。CK各部位叶片SPAD值明显低于其他施肥处理(<0.05), 2020年花后40 d前, 4个施肥处理对上部叶片的SPAD值没有显著影响(>0.05); 在60 d时, 与NPK和NPKM比较, NPKMS和MS显著提高了上部和中部叶片的SPAD值(<0.05)。2021年花后40 d和50 d, 与NPK比较, NPKM、NPKMS和MS提高了上部、中部和下部叶片的SPAD值(图4)。说明NPKM、NPKMS、MS能有效地提高叶片的持绿性, 维持和延缓叶片SPAD值降低。

图3 不同施肥处理对花后单株绿色叶面积的影响

处理同表1。同一时期不同小写字母表示不同施肥处理在0.05水平上差异显著。

图4 不同施肥处理对不同层次叶片SPAD值的影响

处理同表1。Treatments are the same as those given in Table 1.

2年的结果表明不同部位叶片的SLN值随生育期推进呈降低的趋势(表5), 且CK处理的SLN值明显低于其他施肥处理(<0.05)。2020年各时期和各部位NPKM、NPKMS、MS的SLN值高于NPK, NPKM、NPKMS和MS 3个处理具有相似的SLN值, 在花后40 d上部、中部和下部的SLN分别为4.70～6.06、5.37～6.37和3.87～4.91 g m–2, 相应的NPK则分别为3.84、5.07和4.98 g m–2; 2021年NPKM、NPKMS、MS 3个处理上部叶片的SLN值差异不显著(0.05), 与NPK处理比较并不一定总有显著差异, 但NPKM、NPKMS和MS处理的SLN值均高于NPK处理; 与NPK比较, NPKM、NPKMS、MS处理明显提高了中部和下部叶片的SLN值(<0.05), 说明花后至成熟期NPKM、NPKMS及MS处理能够保持叶片具有较高的氮含量。

表4 不同施肥处理花后单株叶面积衰减动态

处理同表1。Treatments are the same as those given in Table 1.

2.4 施肥对叶片抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性和丙二醛(MDA)含量的影响

2021年在花后40 d分析各施肥处理对不同部位叶片抗氧化关键酶活性的影响。由表6可知, 上部叶片的SOD酶活性高于中部和下部叶片, MS和NPKMS处理叶片的SOD酶活性最高, 达562.38和553.93 U g–1FW, 其次为NPKM、NPK和CK; 尽管施肥对中部和下部叶片SOD酶活性没有显著影响(>0.05), 但依次表现为NPKMS>NPKM>MS>NPK>CK。对POD而言, NPKM处理上部叶片酶活性最高, 其次为NPKMS、MS、NPK和CK, 中部叶片和下部叶片则表现为NPKM>MS>NPKMS>NPK>CK。与CK比较, 施肥也提高了上部叶片的CAT酶活性(0.05); 与单施化学肥料比较, NPKMS、NPKM和MS处理提高了上部叶片的CAT活性, 其中NPKMS处理酶活性最高, 其次为MS、NPKM、NPK及CK, NPKMS、MS和NPKM也提高了中部叶片和下部叶片CAT酶活性, NPK处理次之, CK最低(表6)。

表5 不同施肥处理对高粱花后不同部位叶片SLN值的影响

处理同表1。同一位置同一时间不同小写字母表示施肥处理在0.05水平上差异显著。

Treatments are the same as those given in Table 1. Different lowercase letters at the same time indicate significant difference among the treatments at the 0.05 probability level for each position leaves.

表6 不同施肥处理对不同部位叶片抗氧化酶活性和丙二醛含量的影响

处理同表1。同列不同字母表示施肥处理在0.05水平上差异显著。SOD: 超氧化物歧化酶; POD: 过氧化物酶; CAT: 过氧化氢酶; MDA: 丙二醛。

Treatments are the same as those given in Table 1. Different letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 probability level. SOD: superoxide dismutase; POD: peroxidase; CAT: catalase; MDA: malonic dialdehyde.

上部叶片的MDA含量高于中部叶片, 中部叶片高于下部叶片; 在花后40 d (灌浆期) CK处理上部叶片的MAD含量最高, 达121.61 nmol g–1FW, 显著高于NPK、NPKM、NPKMS、MS处理(0.05), 尽管后者4个施肥处理差异不显著(>0.05), 但NPKMS含量最低, 为58.43 nmol g–1FW; 中部叶片则表现为CK、NPK显著高于其他处理(0.05), 分别为79.03 nmol g–1FW和69.32 nmol g–1FW, NPKS、NPKMS和MS之间差异不显著; 下部叶片CK和NPK处理的MDA含量最高, 分别为34.00 nmol g–1FW和36.49 nmol g–1FW, 其次为NPKM, 在所有处理中NPKMS和MS处理叶片中MDA含量显著低于其他处理(0.05), 说明长期施用有机肥结合秸秆还田能降低叶片中的MDA含量。

3 讨论

作物生长与叶面积密切相关, 叶面积大小影响光合产物的积累, 作物生长又通过叶面积的变化得到体现, 叶面积是生态系统物质循环、能量流动和植物生产力的一个重要参数[34]。90%～95%以上的干物质源于绿色器官的光合作用[24,35], 具有光合功能的叶片数和叶面积对谷物灌浆和籽粒产量至关重要[36]。不同施肥对叶面积动态有显著的影响[37-38], 从花期开始长期不施肥叶面积一直较低, 在灌浆期衰减率高达50%～60% (表4); 2年结果均表现为在花期单施化肥处理的单株叶面积与NPKMS、NPKM和MS处理相当, 但单施化学肥料灌浆期叶面积衰减率高, 绿色叶面积降低明显(图3和表4), 尤其是2020年更为突出; 与2021年比较, 2020年NPKMS、NPKM和MS处理叶片衰减率低的原因可能与生育期降雨量高有关(图1)。花后叶片衰老缓慢有助于作物适应干旱胁迫, 并与产量呈显著正相关[39-41]。本研究也证明了单株叶面积较高的NPKMS、NPKM和MS处理伴随着较高穗粒数和穗粒重(表3和图3), 这也可能是其获得较高籽粒产量的基础。

尽管有文献报道高粱花后较小的叶面积和冠层有助于叶片抗早衰[42], 但表征叶面积指数的田间作物归一化差异植被指数(NDVI)仍能够用于评价作物高产和持绿特性[41]; 而且叶片氮含量影响植物光合能力, 为此SPAD和SLN值均与植物光合能力密切相关, 是表征叶片功能的重要参数[43]; 缺氮诱导叶片老化和丧失光合功能[44], 灌浆期叶片持绿与其氮含量降低较慢、叶绿素含量较高有关, 持绿叶片也具有较高的硝酸还原酶活性和羧化酶活性[45]。本研究中NPKMS、MS和NPKM明显提高了高粱叶片的SPAD和SLN值, 尤其对上部和中部叶片影响明显, 这表明施用有机肥和秸秆还田能够保持高粱叶片的持绿性, 延缓叶片的衰老; 赵隽等[16]研究结果表明, 有机无机配施提高了花后叶绿素含量, 延缓灌浆后期叶片衰老, 提高了光合性能, 获得较高产量。氮素供应对保持高粱的持绿性至关重要[13-14], 尽管本研究中MS处理氮投入量低于NPK处理(表2), 但2020年MS处理叶片中SLN值与NPK相当, 2021年高于NPK处理(表5), 这可能表明不仅仅是氮素的供给, 可能有机肥结合秸秆还田改善土壤环境、增强根系活力、提高叶片的SLN值而保持高粱持绿性。

叶片衰老是一个高度协调的程序化过程[46]。叶片持绿实质是叶片从光合捕获碳到氮流失的过程相对变缓[13], 该过程受到库容量的影响, 降低库容量叶片持绿明显[47], 外源供给脱落酸(ABA)和细胞分裂素(CTK)也参与光合过程和调控叶片持绿性[48]; 逆境和衰老因子可诱导叶片产生大量的氧化自由基, MDA含量是植物细胞膜脂过氧化反应的产物之一, 能引起细胞膜代谢紊乱, 其含量高低反映了植物受损伤的程度; 抗氧化系统SOD、POD、CAT等酶能够清除叶片中活性氧化自由基的积累, 保证叶片叶绿素的功能和叶片持绿性[1]。与长期不施肥和单施化学肥料比较, 施用有机肥结合秸秆还田、施用化学肥料基础之上增施有机肥或秸秆还田能够提高高粱上部、中部及下部叶片中的SOD、POD、CAT酶活性, 降低MDA含量, 延缓叶片失去功能, 这与黄瑞冬等[49]发现干旱胁迫下持绿型高粱SOD和POD活性均高于非持绿性高粱、MDA含量降低的结果相一致。灌浆期高产玉米品种叶片衰老较慢, 在衰老过程中叶片SOD、POD、CAT酶也具有较高的活性[1], 控制叶片早衰的措施也能显著提高作物叶片SOD、POD和CAT活性, 降低了MDA含量, 延缓植株衰老, 提高产量[15]。说明秸秆还田或施用有机肥不仅提供作物养分, 并能提高作物的抗早衰能力, 这也不排除是由于秸秆还田和施用有机肥改善土壤环境的贡献, 有待进一步研究。

4 结论

与单施化学肥料比较, 有机肥结合秸秆还田、在化学肥料基础上增施有机肥及增施有机肥和秸秆还田能提高高粱灌浆期不同部位叶片的SPAD和SLN值, 提升了灌浆期不同部位叶片的抗氧化酶活性, 降低了MDA含量, 延缓了叶片衰老, 增强了叶片的持绿性, 通过增加高粱穗粒数, 提高了穗粒重, 最终提高了籽粒产量。与单施化学肥料比较, 长期施用有机肥结合秸秆还田能够提高作物的持绿性, 有助于作物高产稳产。

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Impacts of long-term fertilization on post-anthesis leaf senescence, antioxidant enzyme activities and yield in sorghum

WANG Jin-Song1, BAI Ge1, ZHANG Yan-Hui1, SHEN Tian-Yu2, DONG Er-Wei1, and JIAO Xiao-Yan1,*

1College of Resources & Environment, Shanxi Agricultural University / State Key Laboratory of Sustainable Dryland Agriculture (in Preparation), Taiyuan 030031, Shanxi, China;2School of Life Science, Shanxi University, Taiyuan 030031, Shanxi, China

Post-anthesis delayed leaf senescence and stay-green leaf phenotype are typically associated with the increasing yield, which offers the potential to increase crop resilience to drought stress. Retarded leaf senescence is beneficial to maintain cereal yield adaptability and stability. Many different management approaches, including fertilization, can modulate leaf senescence as well. The impacts of different long-term fertilization treatments on sorghum post-anthesis leaf senescence, antioxidant enzyme activities, and the yield were explored in 2020 and 2021 in this study. There were five treatments, which included chemical fertilizers of NPK (NPK), NPK plus manure (NPKM), NPK plus manure and straw returning (NPKMS), manure plus straw returning (MS), and fertilizer withdrawn (CK). Fertilizer application enhanced green leaf area per plant, SPAD reading and specific leaf nitrogen (SLN) compared with the control. Compared with NPK, the treatments of NPKM, NPKMS along with MS delayed post-anthesis attenuation of leaf area per plant and enhanced the values of SPAD and SLN in spite of the similar N application for NPK and MS. The treatments of NPK, NPKM, NPKMS, and MS increased antioxidant activities of SOD, POD, and CAT conjugate with a decreasing MDA content compared with the control. Among those, higher antioxidant enzymes activities and lower MDA content were induced by NPKM, NPKMS, and MS than NPK. In conclusion, NPKM, NPKMS, and MS promoted sorghum grain yield due to the increased grain number per panicle. Therefore, long-term application of manure combined with straw returning can not only replace chemical fertilizer but also delay leaf senescence, which leading to high grain yield in sorghum.

sorghum; fertilization; post-anthesis; leaf senescence; antioxidant enzyme activities

10.3724/SP.J.1006.2023.24092

本研究由财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-06-14.5-A20)和山西农业大学省部共建有机旱作农业国家重点实验室(筹)自主研发项目(202001-8)资助。

This study was supported by the China Agriculture Research System of MOF and MARA (CARS-06-14.5-A20) and the State Key Laboratory of Sustainable Dryland Agriculture (in preparation), Shanxi Agricultural University (202001-8).

通信作者(Corresponding author):焦晓燕, E-mail: xiaoyan_jiao@126.com

E-mail: jinsong_wang@126.com

2022-04-13;

2022-07-21;

2022-08-19.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220818.1625.006.html

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