菌肥与腐熟秸秆对盐碱地燕麦渗透生理特性及产量的影响

卢培娜,白健慧,米俊珍,李立军,赵宝平,刘景辉

(1.内蒙古农业大学农学院,内蒙古呼和浩特市 010019;2.干旱生境作物学国家重点实验室,甘肃农业大学,甘肃兰州 730000)

盐碱地综合开发利用是我国耕地面积基本稳定和粮食安全的重要保障[1]。盐碱条件下,作物生长受限,严重制约农业的发展。燕麦(AvenanudaL.)作为干旱半干旱地区改良盐碱地的先锋作物,具有耐盐碱特性,且不同燕麦品种的耐盐碱性不同[2,3]。燕麦主要是通过调节体内各器官无机渗透离子(Na+、K+)及有机渗透物(可溶性糖、有机酸)等物质含量,维持植株体内的渗透平衡,以适应盐碱胁迫[4-7]。燕麦耐盐碱品种具有较强的Na+外排能力、K+保持能力以及合理分配各器官离子的能力[5]。有研究发现,随着盐胁迫浓度增加和胁迫时间延长,植株可溶性糖含量会升高[8];在盐碱环境中,耐盐碱植物积累有机酸,对植株体内酸碱平衡和渗透也具有明显调节作用[9,10]。

有机物料添加和生物改良是一种盐碱地改良的重要方式,利用前景较好。大田定位试验证实,菌肥与腐熟秸秆可有效降低土壤盐分、pH值,显著提高土壤养分含量及养分循环能力,对燕麦生长发育具有促进作用[11-14]。研究表明,盐胁迫条件下联合施用菌肥和土壤调理剂可显著降低番茄叶片Ca2+、Mg2+和Na+含量[14]。在盐碱地中,有机物料添加对作物无机离子和有机渗透物质的影响如何?目前对此尚不清楚。本研究分析了盐碱地施用菌肥和腐熟秸秆后燕麦两个不同耐性品种根、茎、叶中Na+、K+、可溶性糖、有机酸含量及株高和产量的变化,以期从渗透调节角度了解菌肥和腐熟秸秆改良盐碱地的效果,为盐碱地开发利用和农业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地及试验材料概况

2016-2017年在内蒙古呼和浩特市土默尔特左旗内蒙古农业大学海流图园区(111°22′30″ E,40°41′30″ N)开展定位试验。该地区属于硫酸钠和氯化钠为主的盐碱地,其土壤pH值为9.14,电导率为1.55 ms·cm-1,有机质、总氮、总磷、总钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为13.32 g·kg-1、0.53 g·kg-1、1.66 g·kg-1、0.53 g·kg-1、63.11 mg·kg-1、15.71 mg·kg-1、171.33 mg·kg-1。

试验采用的菌肥是由辽宁嘉华农业科技公司提供的复合微生物菌肥,其pH值为6.85,EC为125.93 μs·cm-1,有机质、总氮、总磷、总钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为372.60 g·kg-1、84.67 g·kg-1、0.16 g·kg-1、9.33 g·kg-1、532.42 mg·kg-1、166.52 mg·kg-1、222.79 mg·kg-1。

2016-2017年春季采用的腐熟秸秆均由上一年9月份开始将玉米新鲜秸秆切碎至大约5 cm长,然后进行约8个月的无氧发酵,其pH值为6.58,EC 为2.95 μs·cm-1,有机质、总氮、总磷、总钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为552.48 g·kg-1、14.06 g·kg-1、0.18 g·kg-1、7.99 g·kg-1、362.06 mg·kg-1、169.70 mg·kg-1、 345.39 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计,主区为两个燕麦品种(草莜1号,盐碱敏感型;白燕2号,耐盐碱型)[15];副区为有机物料施用,设空白对照(CK)、单施菌肥(F)、单施腐熟秸秆(S)和腐熟秸秆配施菌肥(FS)四个水平,共8个处理。小区面积20 m2(15 m×4 m),3个重复。根据以前研究结果[12],菌肥施用量为1 500 kg·hm-2,腐熟秸秆施用量为11 250 kg·hm-2,底施磷酸二铵150 kg·hm-2(DAP: 18-46-0)。燕麦播种量150 kg·hm-2,播种时采用机播,行距25 cm。播种前15 d,将玉米腐熟秸秆按上述施入量均匀撒在地表,用旋耕机进行浅旋。播种时,利用播种机将菌肥和底肥一起施入土壤,再进行燕麦播种。由于燕麦生长前期较为干旱,每年燕麦苗期灌水1次,以减轻干旱的影响。小区田间管理完全一致。

1.3 取样及分析测定

在燕麦苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和收获期分别取样。在各小区随机选取3个0.25 m×0.25 m样区采集植株,植株样品按照根、茎、叶分开和标记,并带回实验室内进行清洗留存。灌浆期田间随机取样测量株高,并取0.5 m2植株地上部分称重和计算鲜草产量;成熟期选各小区收获1 m2植株,晒干测定干草产量,脱粒计算千粒重和籽粒产量。

取0.300 g植株干样,加入25.00 mL 1.00 mol·L-1HCl振荡2 h后过滤提取,采用岛津原子吸收光谱仪(AA-7000)测定K+和Na+含量。

取1.00 g植株鲜样,加入5.00 mL 0.50 mol·L-1HCl和石英砂研磨,收集至离心管中摇匀,沸水浴15 min,冷却后加入4.00 mL去离子水,静置过夜,次日2 000 r·min-1离心,上清液定容至20.00 mL容量瓶,稀释10倍,过0.45 μm微孔滤膜膜过滤器,采用铜还原碘量法[16]测定可溶性糖含量。

有机酸样液通过膜过滤收集(水系统、孔隙大小0.30 μm),用高效液相色谱仪(HPLC,LC-20AT日本岛津公司)测定有机酸含量。岛津SPD-20A型紫外监测器,反相AtlantisTMdC18柱(4.6 mm×250.0 mm,5 μm);流动相:A为0.01 mol·L-1Na2HPO4(pH=2.70,1.0 mol·L-1磷酸调节),B为乙腈,C为超纯水。流速1 mL·min-1。柱温25 ℃。紫外检测波长210 nm。进样量20.00 μL。标准草酸和标准苹果酸分别购自Sigma公司和天津市光复精细化工研究所。有机酸的标准样品保留时间分别为草酸3.655 min、酒石酸4.262 min、甲酸4.644 min、苹果酸5.477 min、抗坏血酸6.729 min、醋酸7.791 min、柠檬酸10.206 min、反丁烯二酸11.618 min、琥珀酸12.552 min。文中总有机酸含量为所测有机酸含量之和。

1.4 数据处理

原始数据采用Microsoft Excel 2019和R Studio进行数据制表和分析。

2 结果与分析

2.1 菌肥和腐熟秸秆对燕麦植株K+含量的影响

施用菌肥和腐熟秸秆后,燕麦根、茎、叶第一年的K+含量在苗期和拔节期高于第二年,且茎和叶K+含量均明显高于根。与CK相比,F、S和FS处理均总体上提高了各时期白燕2号和草莜1号植株K+含量,以FS处理效果最明显(表1)。其中,FS处理下白燕2号的根、茎、叶K+含量第一年较CK分别提高14.08%～216.40%、33.46%～133.16%和61.02%～ 130.77%,草莜1号分别提高37.14%～ 64.06%、11.32%～55.26%和30.51%～ 72.76%;第二年白燕2号分别提高22.76%～ 45.63%、-8.40%～19.30%和15.81%～26.56%,草莜1号分别提高5.80%～24.68%、-1.61%～25.74%和-0.74%～19.61%。

2.2 菌肥和腐熟秸秆对燕麦植株Na+含量的影响

施用菌肥和腐熟秸秆后,燕麦根、茎、叶第一年的Na+含量在苗期和拔节期高于第二年,且茎和叶Na+含量均明显高于根Na+含量。与CK相比,F、S和FS处理均总体上降低了各时期燕麦植株Na+含量,以FS处理效果最明显(表2)。其中,FS处理下白燕2号的根、茎、叶Na+含量第一年较CK分别降低13.67%～55.40%、 -43.75%～54.60%和17.69%～61.66%,草莜1号分别降低-10.88%～55.40%、-37.04%～36.56%、-5.39%～49.74%;第二年白燕2号分别降低-4.34%～83.18%、-75.79%～ 75.79%,草莜1号分别降低67.52%～76.81%和8.00%～55.42%、-5.41%～43.66%和-39.32～50.19%。

表2 不同处理下燕麦植株Na+ 含量的差异Table 2 Difference of Na+ content in oat plant among different treatments mg·g-1

2.3 菌肥和腐熟秸秆对燕麦植株K+/Na+ 的影响

整体上来看,施用菌肥和腐熟秸秆后,燕麦K+和Na+含量第二年较第一年均有所降低,但燕麦植株根、茎、叶部K+/Na+值均不同程度提高,尤其以施用腐熟秸秆处理较明显(表3),说明施用菌肥和腐熟秸秆对盐碱地燕麦植株的K+、Na+平衡有一定的调节作用。

表3 不同处理下燕麦植株K+/Na+ 值的差异Table 3 Differences of K+/Na+ ratioin oat plant among different treatments

2.4 菌肥和腐熟秸秆对燕麦植株可溶性糖含量的影响

F、S和FS处理显著影响白燕2号和草莜1号各时期植株可溶性糖含量,但年际间、处理间表现均存在差异(表4)。第一年,F处理较CK显著提高抽穗期白燕2号和草莜1号根部可溶性糖含量;S和FS处理均可显著提高苗期白燕2号根部可溶性糖含量,而降低拔节期、抽穗期、灌浆期草莜1号根部可溶性糖含量。第二年,除苗期草莜1号茎叶部、拔节期白燕2号根部、灌浆期白燕2号茎叶部和草莜1号根部可溶性糖含量升高外,腐熟秸秆配施菌肥显著降低各时期白燕2号和草莜1号根、茎、叶部可溶性糖含量。

表4 不同处理下燕麦植株可溶性糖含量的差异Table 4 Differences of soluble sugar content in oat plant among different treatments mg·g-1

表5 不同处理下燕麦植株总有机酸含量的差异Table 5 Differences of total organic acid content in oat plant among different treatments mg·g-1

表6 不同处理下燕麦的产量Table 6 Yield of the two oat cultivars under different treatments

2.5 菌肥和腐熟秸秆对燕麦植株总有机酸含量的影响

第一年,F处理较CK显著提高燕麦抽穗期和灌浆期的根、茎、叶部总有机酸含量,其中白燕2号和草莜1号抽穗期的根、茎、叶部总有机酸含量分别增加45.44%、143.40%、86.26%和 22.15%、388.25%、585.79%,灌浆期分别增加68.47%、321.94%、535.67%和125.95%、 401.80%、10 357.55%。此外,白燕2号S、FS处理抽穗期茎叶总有机酸含量分别增加75.32%、41.74%,叶总有机酸含量分别增加87.81%、123.82%。第二年,F处理较CK显著提高苗期、抽穗期及灌浆期草莜1号根、茎、叶部总有机酸含量,其中抽穗期增幅分别为24.53%、105.13%、66.33%;F、S、FS处理较CK显著降低抽穗期白燕2号根部总有机酸含量88.81%、33.95%、89.73%,但施用腐熟秸秆显著降低白燕2号根、茎、叶部的总有机酸含量。

2.6 菌肥和腐熟秸秆对燕麦植株有机酸比例的影响

第一年,白燕2号苗期植株主要含有机酸为草酸、酒石酸、苹果酸、乙酸、富马酸、琥珀酸等,草莜1号苗期植株主要含有机酸主要为草酸、酒石酸、苹果酸、乙酸、柠檬酸、琥珀酸等;两个品种拔节期、抽穗期、灌浆期植株有机酸以酒石酸为主,其次为柠檬酸(图1)。S和FS处理下两品种苗期根、茎、叶部草酸占比较CK明显提高;F、S与FS处理下两品种拔节期根、茎、叶部酒石酸和柠檬酸比例均有所提高,但乙酸比例降低(白燕2号根部除外)。

第二年,各处理燕麦根、茎、叶部有机酸含量在各时期分布比较均匀且丰富,主要含有草酸、酒石酸、苹果酸、乙酸、柠檬酸、富马酸、琥珀酸等(图2)。与第一年相比,各时期琥珀酸比例明显增加,而草酸比例下降。S和FS处理较CK均能不同程度降低两个品种苗期根、茎、叶部草酸比例,而提升琥珀酸的比例;F和FS处理可不同程度提高两个品种拔节期和抽穗期根、茎、叶部草酸、乙酸与柠檬酸的占比,而降低琥珀酸的占比。

2.7 菌肥和腐熟秸秆对燕麦燕麦株高及产量的影响

两年中菌肥和腐熟秸秆对两个品种的株高、千粒重、籽粒产量、灌浆期鲜草和干草产量均有显著影响。其中,F处理的株高较CK显著增加,而FS处理的籽粒、鲜草和干草产量均显著高于CK。FS处理下白燕2号的千粒重最高,第一年和第二年分别较CK提高11.00%和36.19%。F、S、FS处理下白燕2号的籽粒产量分别较CK处理第一年分别提高47.56%、94.12%、 121.49%,第二年分别提高70.38%、19.49%、146.05%;鲜草产量第一年分别提高15.01%、 -4.16%、65.97%,第二年分别提高104.60%、56.13%、102.13%,干草产量第一年分别提高11.73%、10.83%、48.22%,第二年分别提高 77.33%、36.77%、77.23%。F、S、FS处理下草莜1号籽粒产量第一年分别提高53.38%、 34.47%、34.87%,第二年分别提高57.97%、 56.98%、140.69%;鲜草产量第一年分别提高 20.37%、2.05%、66.43%,第二年分别提高 17.76%、61.07%、88.04%;干草产量第一年分别提高-5.12%、16.00%、58.16%,第二年分别提高28.99%、60.83%、120.42%。这说明菌肥和腐熟秸秆配施对燕麦籽粒和生物产量的促进作用最佳。

3 讨 论

3.1 菌肥与腐熟秸秆施用对燕麦植株无机离子含量的影响

植物的抗逆性主要由植物渗透调节能力强弱决定。盐碱环境中燕麦主要通过调节各器官的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、可溶性糖和有机酸等渗透物质浓度以平衡维持细胞的渗透势,避免细胞失水,从而缓减渗透胁迫造成的伤害[4-9]。结合前人研究结果,本研究认为,菌肥与腐熟秸秆可显著改善盐碱地土壤质量,且对燕麦产量有显著提升作用[10]。本研究表明,在盐碱条件下,菌肥与腐熟秸秆施用后第二年的燕麦K+、Na+含量普遍低于第一年,而燕麦不同时期各器官K+/Na+有所提高,有利于燕麦植株维持细胞渗透平衡,提高对盐碱胁迫的适应性[6]。不仅如此,燕麦苗期和拔节期各器官K+、Na+含量较高,且茎和叶K+、Na+含量均明显高于根部,这与前人研究结果相一致[7]。同时,腐熟秸秆单施和配施菌肥均可以提高各时期白燕2号和草莜1号根、茎、叶K+含量,显著降低各器官Na+含量,说明添加腐熟秸秆处理在改良盐碱土壤的同时,有助于燕麦各器官合理分配和调节无机离子,提高K+以提高K+/Na+值,增强其渗透调节能力,缓减盐碱胁迫,从而有助于燕麦增产[7, 10, 17]。除此之外,施用菌肥可显著降低拔节期和灌浆期白燕2号根部的Na+含量。有学者也研究发现,菌肥+土壤调理剂可以显著降低盐胁迫条件下番茄叶片Na+含量[11],从而提高K+/Na+值。这说明施用菌肥有助于耐盐碱型燕麦减少根部Na+积累,保持低Na+高K+,避免植物各器官细胞膜系统破坏。

3.2 菌肥与腐熟秸秆施用对燕麦植株可溶性糖和有机酸含量的影响

本研究中,随着生育进程的变化,可溶性糖含量逐渐增加,生长发育前期燕麦可溶性糖含量以根部积累较多,后期以茎部和叶部积累较多,有助于燕麦籽粒灌浆[18]。在盐碱条件下,菌肥、腐熟秸秆单施及配施在第一年均可提高抽穗期白燕2号根部可溶性糖含量,而腐熟秸秆单施和配施菌肥显著降低拔节期至灌浆期草莜1号根部可溶性糖含量,说明不同耐盐碱特性燕麦品种根部可溶性糖含量对各措施响应有所不同,证实不同耐盐碱燕麦品种生理特性之间的确存在显著差异;第二年,腐熟秸秆配施菌肥显著降低各时期白燕2号和草莜1号植株(根、茎、叶)可溶性糖含量。王广印等[8]认为,植物可溶性糖含量随着盐浓度和胁迫时间延长会逐渐升高。由此推测随着盐碱土壤质量条件的改善,可能由于作物适应环境生长,反而无需继续合成大量的糖类物质导致有所降低,或者是由于根际土壤微生物活性增强,对碳源和养分的竞争加剧会导致可溶性糖含量降低[19],因为植物产生的可溶性糖是供给根际土壤微生物的主要能量来源,这对植物生产有积极的影响[20]。总之,菌肥、腐熟秸秆及配施能积极改善燕麦植株可溶性糖的动态平衡,为盐碱地燕麦适应性生长提供保障。

有研究发现,盐碱胁迫条件下,有机酸对植株根与叶片渗透调节的贡献仅次于Na+、K+[21]。施用菌肥显著提高抽穗期和灌浆期白燕2号和草莜1号根、茎、叶部总有机酸含量,这也解释了菌肥可以提高盐碱地燕麦根际和非根际土壤有机酸含量[22],说明菌肥提高根际与非根际土壤有机酸含量,其主要由植株从体内大量合成,通过根系分泌到土壤中,以改善根系的生存环境[23]。本研究结果进一步显示,尽管两年植株体内有机酸种类和含量差异较大,但菌肥的确可以显著增加燕麦生长后期各器官草酸、乙酸、柠檬酸比例。除此之外,腐熟秸秆单施和配施菌肥后在燕麦抽穗期植株总有机酸含量在第一年显著提高,而在第二年显著降低;第一年腐熟秸秆单施和配施菌肥均不同程度地提高白燕2号和草莜1号苗期根、茎、叶草酸比例,拔节期茎、叶部酒石酸和柠檬酸比例,而乙酸比例明显降低;同时,第二年腐熟秸秆单施和配施菌肥均可以不同程度地降低白燕2号和草莜1号苗期根、茎、叶部草酸比例,增加了琥珀酸的比例,而提高拔节期和抽穗期根、茎、叶部草酸、乙酸及柠檬酸的占比,降低了琥珀酸的占比,造成这些差异的主要原因可能是改良年际间气温、水分、燕麦取样时期、生长情况等。该研究证实了前期的研究结果[24],菌肥和腐熟秸秆对盐碱地燕麦的作用机制不同,菌肥是通过自身的有益微生物分泌有机酸等物质或促进燕麦根系生长分泌较多的有机物,为微生物提供营养物质,改善微生态环境,而腐熟秸秆是通过改善土壤理化性质,缓减燕麦在盐碱环境的胁迫程度,减少对根际和非根际土壤有机酸的输送,以维持燕麦体内的渗透平衡[25-26]。总之,燕麦植株有机酸积累与无机离子的分配和浓度有关,有助于植株各器官细胞内电荷平衡和pH稳定[21],可作为盐碱胁迫重要评价指标。

3.3 不同改良措施对燕麦株高及产量的影响

本研究表明,菌肥、腐熟秸秆和配施均可以显著提高白燕2号和草莜1号燕麦株高、收获期籽粒产量、灌浆期鲜草和干草产量。这证实各改良措施均可显著优化土壤环境[10],缓减燕麦的渗透生理胁迫[21],从而提高燕麦产量。菌肥单施主要通过提高燕麦耐盐碱特性,促进燕麦根系生长,进而有助于植株形态建成,故其株高及鲜/干草产量明显提高[23];腐熟秸秆单施主要通过改善土壤结构、提高土壤质量,但其造成土壤有害微生物群落丰度增加,影响作物生长[23];本研究在腐熟秸秆配施菌肥条件下,白燕2号籽粒产量最佳,草莜1号鲜草和干草产量表现最佳。由此可见,腐熟秸秆配施菌肥在提升盐碱地土壤质量和缓减作物盐碱胁迫方面优势较强,更有利于燕麦调节渗透生理以适应性生长,并提高产量,可作为改良利用盐碱地且高效增产的最佳措施。