覆盖方式对旱地小麦花后旗叶抗氧化生理及粒重形成的影响

张 姚,程宏波,2,杨佳佳,马建涛,柴守玺2,,纪文宁,张仕林

(1.甘肃农业大学生命科学技术学院,甘肃 兰州 730070; 2.甘肃省干旱生境作物学重点实验室,甘肃 兰州 730070;3.甘肃农业大学农学院,甘肃 兰州 730070)

我国西北地区的小麦播种面积占全国总播种面积的20%,但产量仅占9.9%[1]。长期以来,西北旱区小麦生长发育受降水时空分配不均、土壤贫瘠和花后高温天气等因素制约,在传统栽培措施下易发生早衰,籽粒灌浆时间缩短,导致产量低而不稳[2-3]。粒重是小麦产量形成的关键决定因素,尤其在高产条件下,小麦产量主要取决于粒重的高低,而花后光合产物对粒重有决定性作用[4]。研究表明,旗叶是花后光合产物的源,对小麦产量贡献率为20%～30%[5]。因此,旗叶功能期长短是小麦粒重形成的决定因子之一,而旗叶功能期长短受基因、气候和栽培措施等多种因素影响[6-8]。

干旱胁迫会引起叶片氧化损伤,但能诱导抗氧化酶相关基因表达,以增强抗氧化物酶活性,清除自由基,维持细胞内氧化还原反应平衡,提高植株逆境耐受力[9-10]。地膜覆盖和秸秆覆盖是干旱和半干旱农业区蓄水保墒、增产增效的重要技术[11-12]。地膜覆盖能促进小麦生育前期生长,较常规栽培措施显著增加小麦粒重,但会引起生育后期旗叶细胞膜脂氧化,破坏活性氧代谢平衡和叶片光合结构,不利于花后光合产物的积累和转运;且长期使用地膜覆盖,作物面临减产风险[3, 13-16]。秸秆带状覆盖在低温天气有增温效应,高温天气有降温效应,且能减少降水径流,有利于作物生长发育,从而降低花后叶绿素降解率,增加叶片相对含水量,减轻干旱胁迫后细胞膜受损程度,便于花后光合产物积累[17]。

在植株对逆境胁迫响应的机理研究方面,抗氧化能力已被广泛应用于评价植物抗旱能力大小,对于小麦而言,目前研究多集中于覆盖方式对开花期植株抗氧化能力的影响,而花后不同阶段覆盖方式对植株抗氧化能力的影响,及花后旗叶抗氧化能力和粒重形成之间的作用机制尚不明确。因此,本文通过研究地膜覆盖、秸秆带状覆盖和无覆盖对照3种栽培模式对小麦花后旗叶抗衰老能力的影响,分析旗叶生理活性与粒重形成的关系,旨在为覆盖增产的生理机制提供理论依据,为西北旱区筛选适宜的小麦覆盖栽培模式提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017—2018年和2018—2019年在甘肃省定西市通渭县甘肃农业大学旱作循环农业试验示范基地(35°11′N, 105°19′E)进行。试验区为温带大陆性气候,年均气温7.2℃,年均降水量390.7 mm,年蒸发量1 500 mm,无霜期120～170 d,60%的降水集中在7—9月,是典型的旱作雨养农业区。土壤质地为黄绵土,0～20 cm土层土壤基础理化性质为:容重1.2 g·cm-3,有机碳5.5 g·kg-1,全氮0.6 g·kg-1,有效磷10.6 mg·kg-1,速效钾107.1 mg·kg-1,pH值8.5。

试验区冬小麦生育期常年平均降水量为219.6 mm。由图1和表1可知,2017—2018年冬小麦生育期总降水量272.5 mm,为丰水年,降水主要集中在5月和6月中下旬,花后有效降水 (≥5 mm) 28.3 mm;2018—2019年冬小麦生育期总降水量239.5 mm,为平水年,降水主要集中在5月中上旬,花后有效降水(≥5 mm) 40.6 mm[18]。

1.2 试验设计

供试冬小麦品种为‘康庄974’,采用单因素随机区组设计,设秸秆带状覆盖(SM)、地膜覆盖(PM)和无覆盖对照(CK)3个栽培处理,各处理均设3次重复,试验小区面积为180 m2(30 m×6 m)。小麦播种密度为225 kg·hm-2,播种前将全部肥料(纯N 150 kg·hm-2,P2O5120 kg·hm-2)作基肥一次性施入各小区,生育期不再追肥。开花期进行“一喷三防”作业,以防后期病虫害,全生育期无灌溉。2017—2018年,播种时间为2017年9月17日,收获时间为2018年7月1日;2018—2019年,播种时间为2018年9月24日,收获时间为2019年7月6日。具体试验设计见表2。

图1 2017 —2018 年和2018 —2019 年冬小麦生育期日均气温和降水量

表1 冬小麦开花后降水量和平均气温

表2 试验方案

1.3 样品采集及试验测定方法

1.3.2 土壤温度测定 采用HY-1型地温计,在小麦开花后7、14 d和21 d的早(7∶00)、中(13∶00)、晚(18∶00)分别读取各小区0～25 cm土层土壤温度,取3个时段平均值作为各处理当日土壤温度(ST)。SM处理土壤温度采用种植带温度与覆盖带温度的加权平均值,其余指标亦同。

1.3.3 土壤含水量测定 采用土钻法,分别在花后7、14 d和21 d 取各小区0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180 cm和180～200 cm土层土样称重,记为Mx,烘箱中105℃下烘干至恒重称重,记为Md。所有土层土壤含水量的平均值即为0～200 cm土层土壤含水量(SW),计算公式如下:

SW(%)=(Mx-Md)/Md×100%

1.3.4 旗叶相对含水量测定 开花后7、14 d和21 d分别在各小区随机采集10片旗叶,称重,记为Ma;将称重后的旗叶放入水中浸泡12 h,取出擦拭叶片表面水分后立即称重,记为Ms;将旗叶放入105℃烘箱中杀青30 min,然后80℃烘干至恒重,称重,记为Mc。旗叶相对含水量(RWC)计算公式如下:

RWC(%)=(Ma-Mc)/(Ms-Mc)×100%

1.3.5 旗叶渗透调节物质、膜脂氧化物和抗氧化物酶活性测定 开花后7、14 d和21 d分别在各小区随机采集10片旗叶,低温保存带回实验室,可溶性糖(SWC)含量采用蒽酮比色法测定,脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮比色法测定,丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定,过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚比色法测定,超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化还原法测定,过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外线吸收法测定,抗坏血酸酶(ASA)活性采用紫外吸收法测定[19]。

1.3.6 花前同化物转运量、花后干物质积累量和成熟期籽粒干质量测定 在开花期和成熟期,各小区随机取20株小麦,去除根部。将开花期的植株整株、成熟期的小麦植株分为籽粒和其余部分,放入烘箱中105℃杀青30 min,80℃烘至恒重后分别称重,各部位干质量取20株平均值,成熟期籽粒干质量(GDW)为20株小麦籽粒干质量平均值。花前同化物转运量(Pre-A)、花后干物质积累量(Post-A)及其对籽粒贡献率计算公式如下[20]：

Pre-A(g·plant-1)=Mf-Mm

Post-A(g·plant-1)=GDW-Pre-A

花后干物质积累量贡献率(%)=Post-A/GDW×100%

式中,Mf为开花期植株干质量(g);Mm为成熟期营养器官干质量(g)。

1.4 数据处理

采用Excel 2013和SPSS 19.0进行数据处理、分析,Duncan法在P<0.05显著性水平上进行差异检验,Origin 2021作图和相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理花后土壤温度和土壤含水量的差异

如表3所示,覆盖对0～25 cm土层土壤有显著的降温效应,降温幅度表现为SM>PM。其中SM处理两年度分别较CK降低1.5℃和2.5℃,以花后7 d降温幅度最大,两年度分别降低2.0℃和2.6℃;PM两年度分别降温1.0℃和1.2℃,2017—2018年降温幅度以花后21 d最大(1.1℃),2018—2019年降温幅度以花后7 d最大(1.8℃)。

其次是具体实施行为与活动。如对物品的清点、搬运（移）、保管，对危险、违禁物品的处置，对设施、设备的拆除、转移，对违法建筑的拆除，代履行以及周边环境的恢复、治理等事实行为和活动，原则上不具有独立性，不能单独提起行政复议或行政诉讼，而应当纳入整体组织实施行为范畴。

SM处理两年度均显著增加花后0～200 cm土层土壤含水量,分别较CK增加1.6、0.9个百分点,分别以花后7 d (1.8个百分点)和21 d (1.3个百分点)增幅最大(表3)。PM处理2017—2018年土壤含水量较CK增加0.5个百分点,2018—2019年降低0.6个百分点;从花后各阶段来看,PM处理2017—2018年花后均表现为增墒,以花后7 d增幅最大(0.7个百分点),2018—2019年花后均表现为降墒,以花后14 d降幅最大(1.3个百分点)。

2.2 不同处理花后旗叶相对含水量(RWC)的差异

各处理RWC随开花时间推进呈递减趋势(图2)。与CK相比,SM两年度RWC分别提高 9.9、2.8个百分点,花后21 d增幅最大,分别为20.6、3.9个百分点;PM两年度RWC分别降低 4.8、7.6个百分点,降幅分别以花后14 d (11.4个百分点)和21 d (8.7个百分点)最大。2017—2018年,PM花后21 dRWC极低(45.1%),而SM两年度RWC均保持在70.0%以上,可能和SM花后0～200 cm土层土壤含水量均显著高于PM有关(表3)。

图2 不同覆盖方式对小麦花后7 、14 d和 21 d旗叶相对含水量的影响

2.3 不同处理花后旗叶膜脂氧化物及渗透调节物质的差异

2.3.1 花后丙二醛(MDA)含量的差异 两年度各处理旗叶MDA含量均随花后天数增加呈递增趋势(图3A、3D),SM平均较CK显著降低12.9%,降幅分别以花后21 d(21.2%)和14 d(17.2%)最大;PM两年度花后7 d的MDA含量和CK相近,但花后14～21 d的MDA含量增加,增幅分别以花后14 d(9.5%)、21 d (11.7%)最大。综上,SM清除细胞膜脂氧化物的能力随开花时间增加递增,PM则表现出增加细胞负荷、缩短旗叶功能期的情况。

2.3.2 花后渗透调节物(Pro和SWC)含量的差异 旗叶Pro含量随花后天数增加变化趋势为“先升后降”(图3B、3E)。2017—2018年,SM和PM的Pro含量花后7 d分别较CK降低12.3%和24.7%,花后21 d较CK分别增加29.3%和7.9%;花后14 d,SM较CK增加10.5%,PM较CK降低5.8%。2018—2019年,覆盖显著增加Pro含量,SM增幅(22.7%)大于PM (10.2%)。花后7～14 d,Pro主要表现为渗透调节能力,其含量越高,叶片细胞失水量越小[21]。花后14～21 d (灌浆中后期),Pro开始向干物质形式转换[22];此阶段,叶片Pro含量降低,年均降幅为PM(52.4%)>CK(48.4%)>SM(45.3%),即与CK相比,PM加快了Pro转化,而SM延长转化时间,增加了花后干物质补偿量。

表3 冬小麦花后(7 、14 、21 d) 0～25 cm土层土壤温度和0～200 cm土层土壤含水量

图3 不同覆盖方式对小麦花后7 、14 d和21 d旗叶丙二醛、脯氨酸和可溶性糖含量的影响

旗叶SWC含量随花后天数增加变化趋势为“先升后降”(图3C、3F)。2017—2018年,与CK相比,SM降低花后7 d的SWC含量(3.1个百分点),提高花后14 d (1.2个百分点)和21 d (2.1个百分点) SWC含量;2018—2019年,SM提高花后7～21 d的SWC含量,花后21 d增幅(3.9个百分点)最大。与CK相比,PM处理两年度均提高了花后7 d和14 d、降低了花后21 d的 SWC含量,其中2017—2018年花后14 d增幅(3.8个百分点)最大,而2018—2019年花后7 d和14 d增幅相近。SWC和Pro含量在花后各阶段功能相同,花后14～21 d SWC开始以干物质形式转运。SWC含量年均降幅表现为PM(9.0个百分点)>CK(4.0个百分点)>SM(2.0个百分点),证明SM和PM对花后SWC和Pro含量的影响趋势一致。

2.4 不同处理花后旗叶抗氧化酶活性的差异

2.4.1 超氧化物歧化酶(SOD)活性的差异 两年度各处理SOD活性均随花后时间推移呈“先增后降”趋势(图4A、4B)。2017—2018年,SM和PM花后7～21 d的SOD活性分别较CK平均提高13.7%和7.2%,均以花后21 d增幅最大,分别为22.1%(SM)和12.2%(PM)。2018—2019年,与CK相比,SM花后14～21 d和PM花后7～14 d表现为提高SOD活性,花后14 d增幅最大,分别为12.3%(SM)和9.7%(PM);花后其余阶段,覆盖处理较CK降低了SOD活性,SM降幅为7.4%,PM降幅为3.0%。2018—2019年花后7 d降雨量较多,叶片细胞受胁迫程度较轻,因此该时段SM处理SOD活性较低;花后21 d降雨量骤减,PM处理RWC显著低于CK(图2),且植株MDA含量积累显著高于CK(图3D),双重胁迫下,植株抗氧化能力明显下降,因此PM处理SOD活性降低。

注:图中不同小写字母表示相同开花天数下不同处理间差异显著(P<0.05)。

2.4.2 过氧化氢酶(CAT)活性和过氧化物酶(POD)活性的差异 2017—2018年,SM较CK花后CAT活性平均提高12.8%,花后21 d增幅(28.1%)最大;2018—2019年,SM较CK花后7～14 d的CAT活性降低,花后14 d降幅(5.4%)最大,而花后21 d CAT活性提高,增幅为3.9% (图4C、4D)。与CK相比,PM两年度均表现为提高花后7 d、降低花后14 d和21 d的CAT活性。PM较CK提高了花后14 d和21 d丙二醛含量(图3A、3D),细胞膜脂损伤程度增大,从而导致CAT活性降低;而SM花后7 d和14 d的SOD活性较高,表明其清除超氧离子能力较强,对于抗氧化系统的第二道防线CAT的需求较小[23],因此该阶段CAT活性增幅较小。

两年度各处理POD活性均随花后时间推移呈递增趋势(图4E、4F)。与CK相比,两年度SM处理的POD活性明显提高,增幅为2.8%～15.1%,均以花后14 d增幅最大,分别为15.1%和10.7%。PM花后7～14 d的POD活性较CK显著提高5.4%～10.5%。

2.4.3 抗坏血酸酶(ASA)活性的差异 两年度各处理ASA活性随花后时间推移变化趋势均为“先减后增”(图4G、4H)。与CK相比,除2017—2018年花后7 d的 ASA活性有所降低外,SM处理在其他时间均能提高ASA活性,年均提高14.8%,花后21 d增幅最大,两年增幅分别为10.8%和37.7%。2017—2018年,PM较CK处理ASA活性降低8.7%,花后21 d降幅(19.2%)最大;2018—2019年,PM较CK提高花后7 d 的ASA活性22.2%,降低花后14 d (8.9%)和21 d (9.9%) ASA活性。

2.5 不同覆盖处理对冬小麦籽粒形成的影响

两个生长季,覆盖对成熟期籽粒干质量(GDW)、花前同化物转运量(Pre-A)、花后干物质积累量(Post-A)以及花后干物质积累量对籽粒贡献率的影响存在差异(表4)。两年度GDW均以PM最高,SM次之,CK最低,PM和SM分别较CK显著增加17.4%～20.7%、12.5%～16.0%(P<0.05)。与CK相比,PM处理两年度Pre-A显著提高 17.8%～36.3%,SM处理2017—2018年Pre-A显著降低16.8%,2018—2019年与CK差异不显著。两年度Post-A均以SM最高、PM次之,两个处理分别较CK增加27.3%～38.9%、6.8%～17.1%(P<0.05)。不同覆盖处理的花后贡献率表现出差异,但均以SM最高,较CK年均增加8.8个百分点,而PM较CK降低3.1个百分点。

2.6 土壤水分、土壤温度和叶片抗氧化酶活性的关系

由图5可知,SW和RWC呈极显著正相关关系(r=0.84**)。RWC和SOD、POD、CAT正相关,与ASA极显著正相关(r=0.92**),表明RWC是抗氧化酶系统的最后一道防线ASA的决定因子。除了受RWC影响外,ASA活性与SOD、POD和CAT均呈正相关关系。解析抗氧化酶系与细胞渗透调节物的关系发现,提高抗氧化酶活性有利于增加Pro和SWC含量。其中Pro含量和SOD(r=0.75**)、POD(r=0.82**)、ASA(r=0.94**)均呈极显著正相关关系,SWC含量和SOD(r=0.90**)、POD (r=0.83**)、CAT(r=0.81**)呈极显著正相关关系。抗氧化酶活性、渗透调节物质含量和MDA均呈负相关关系,其中ASA(r=0.91**)、Pro(r=0.93**)和MDA显著负相关,即提高抗氧化能力有助于减缓细胞膜脂损伤。

2.7 叶片抗氧化酶活性和粒重形成的关系

如图5B所示,Post-A和抗氧化酶活性以及渗透调节物质(Pro、SWC)含量呈显著正相关关系,Post-A和GDW呈正相关关系,可见提高旗叶生理活性有利于花后干物质积累,从而提高GDW。

3 讨 论

小麦粒重形成是环境与基因型互作的结果,环境对小麦粒重的影响和花后光合作用源器官的功能期有关[24]。

表4 覆盖方式对冬小麦花前同化物转运量、花后干物质积累量、成熟期籽粒干质量及花后贡献率的影响

注:SW：土壤含水量;ST：土壤温度;RWC：旗叶相对含水量;Pro:脯氨酸含量;SWC:可溶性糖含量;MDA:丙二醛含量;SOD:超氧化物歧化酶活性;POD:过氧化物酶活性;CAT:过氧化氢酶活性;ASA:抗坏血酸酶活性;Pre-A：花前同化物转运量;Post-A：花后干物质积累量;GDW：成熟期籽粒干质量。*表示P≤0.05,**表示P≤0.01。

研究表明,覆盖措施可以调节土壤温度,对土壤水分进行时空再分配[25-26],为作物提供适宜的生长发育环境。本研究两种覆盖方式均改善了冬小麦花后土壤水分和土壤温度状况,但秸秆带状覆盖改善能力优于地膜覆盖。可能是因为地膜覆盖是通过增加日照净辐射提高膜内温度,影响水、热运动;而秸秆带状覆盖不仅能减少水分径流,还能根据气温的变化调节土壤温度,从而避免土壤温度的剧烈变化,因此其对土壤水分和温度的改善能力强于地膜覆盖[7, 27-28]。

相对含水量可以表征作物功能叶的生理优势,耐旱植物能保持较高的叶片相对含水量,以保证自身正常的生理活性,适应干旱胁迫[29]。干旱胁迫会破坏叶片细胞活性氧代谢平衡,引起细胞膜脂氧化,损害细胞结构[30]。MDA是细胞膜脂氧化过程的最终产物,一定程度上反映了细胞膜脂氧化状态。在干旱胁迫情况下,MDA会大量积累,与植株生理活性呈负相关关系[31]。本研究中地膜覆盖会增加冬小麦花后旗叶MDA含量,而秸秆带状覆盖相反,与前人研究结果一致[27]。还有研究表明,作物体内的抗氧化酶(SOD、CAT、POD和ASA等)具有清除过氧化物离子的功效[32]。本研究中,干旱胁迫激发相关抗氧化酶表达,秸秆带状覆盖抗氧化系统的作用时间和活性强于地膜覆盖,且地膜覆盖会降低花后旗叶抗氧化酶活性,甚至随着生育期的推进造成叶片生理功能丧失,加快叶片衰老进程。王贺正等[33]研究也发现,秸秆覆盖能显著增加小麦叶片可溶性糖含量和脯氨酸含量,以维持细胞微环境稳定和正常的代谢活动。侯贤清等[34]研究表明,秸秆覆盖会降低植株苗期叶片CAT、POD活性,与本研究结果不一致。这可能是因为作物生长前期需水量较小,其尚未受到干旱胁迫或胁迫程度较轻,细胞膜系统完整,而小麦花后需水量大,加之高温天气频发,植株蒸腾、蒸散量大,叶片细胞需要提高抗氧化酶活性来消除超氧化物离子,维持叶片生理活性;此外,水分亏缺时,叶片脯氨酸和可溶性糖含量会增加,以通过提高渗透调节势来减少细胞失水[35-36]。

于爱忠等[37]指出,地膜覆盖可通过增加叶面积指数和双穗数提高玉米穗粒数和粒重。屈会娟等[38]发现,秸秆覆盖连续全量还田提高了小麦粒重,进而提高籽粒产量。可见,粒重的变化可以反映覆盖方式对产量的影响。本研究发现,与不覆盖处理相比,秸秆带状覆盖与地膜覆盖均能显著提高冬小麦成熟期籽粒干质量,增幅为12.5%～20.7%。提高旗叶相对含水量有利于增加旗叶抗氧化酶活性和渗透调节物质积累量、降低细胞膜过氧化物含量,积极影响花后光合产物积累,增加粒重。本研究还发现,地膜覆盖处理花后干物质积累量及其对粒重的贡献率显著低于秸秆带状覆盖处理。可能是因为地膜覆盖显著促进小麦生育前期营养生长,提前完成光合产物的储存,同时也消耗了大量的土壤水分,导致后期深层水分供应不足;且小麦花后气温较高,而地膜覆盖处理土壤通透性不及秸秆覆盖处理,易造成水热交换受阻,根系呼吸作用减弱,引起植株早衰,从而缩短花后旗叶功能期,因此不利于花后光合产物的积累[14, 39]。本研究设定的秸秆覆盖量主要适用于旱作雨养农业区,其他农业区应根据当地情况适当调整。

4 结 论

覆盖通过优化土壤水、温,为作物构建适宜的生长发育环境,调控抗氧化酶活性,进而提高粒重,与不覆盖处理相比,秸秆带状覆盖和地膜覆盖处理成熟期籽粒干质量显著增加12.5%～20.7%。在秸秆带状覆盖条件下,小麦粒重形成以花后光合产物积累为主,其对粒重贡献率为58.5%～65.1%,粒重增加的生理机制是通过提高花后旗叶相对含水量,增强旗叶抗氧化酶活性,增加渗透调节物积累量,降低MDA含量,从而延长旗叶功能期,增加花后干物质积累量。地膜覆盖条件下,花前同化物转运量和花后干物质积累量对粒重形成同样重要,但地膜覆盖易导致花后旗叶早衰,不利于花后干物质积累。综上,秸秆带状覆盖是适宜我国西北半干旱雨养农业区推广和应用的小麦绿色高产栽培技术。