秸稈覆蓋量對(duì)旱地小麥結(jié)實(shí)期抗氧化性的影響

王賀正，黃明，張均，馬超，吳金芝，李友軍，陳明燦，付國(guó)占

(河南科枝大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471023)

活性氧是植物細(xì)胞代謝過(guò)程中的副產(chǎn)物，在正常生長(zhǎng)條件下，活性氧的產(chǎn)生和清除處于動(dòng)態(tài)平衡，在植物處于逆境或衰老時(shí)，這種平衡被打破，造成活性氧的積累[1-4]。已有研究表明，植物在干旱脅迫下，抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)和非酶類系統(tǒng)遭到破壞，引發(fā)活性氧大量積累，從而加劇細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用，造成膜系統(tǒng)損傷，導(dǎo)致植物體細(xì)胞代謝紊亂，最終影響產(chǎn)量和品質(zhì)[5-8]。因此，研究活性氧的代謝機(jī)理和尋找降低活性氧對(duì)植物傷害途徑一直為人們所關(guān)注。作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要的產(chǎn)物之一，是豐富的生物質(zhì)資源。我國(guó)農(nóng)業(yè)每年產(chǎn)生各類農(nóng)作物秸稈約為7×108t，而焚燒和廢棄等未利用的達(dá)到 2.15×108～3.14×108t，不僅造成資源的巨大浪費(fèi)，還導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。秸稈覆蓋在生產(chǎn)上的應(yīng)用為秸稈資源的利用提供了有效途徑，對(duì)秸稈資源利用和環(huán)境保護(hù)具有重要意義[9-10]。秸稈覆蓋是旱作區(qū)保護(hù)性耕作關(guān)鍵技術(shù)之一，大量研究證實(shí)秸稈覆蓋可增加土壤含水量，培肥地力，改善土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土溫，從而有利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成[11-16]。小麥(Triticumaestivum)是豫西主要糧食作物之一，但由于該區(qū)屬丘陵旱區(qū)，有機(jī)質(zhì)含量低，土地瘠薄，年降水量少，旱災(zāi)頻繁，嚴(yán)重制約著小麥產(chǎn)量的提高。有少數(shù)研究表明，秸稈覆蓋能增加小麥葉片可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖含量，提高超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、過(guò)氧化物酶(peroxidase, POD)和過(guò)氧化氫酶(catalase, CAT)活性，降低丙二醛(malonaldehyde, MDA)的含量[17-18]，延緩葉片衰老，增加小麥產(chǎn)量[12,19]。前人較多地研究了秸稈覆蓋對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響，雖對(duì)抗氧化酶類也做了一定工作，但秸稈覆蓋下小麥活性氧的產(chǎn)生和抗氧化酶及非酶類物質(zhì)清除機(jī)制鮮見(jiàn)報(bào)道，尤其是對(duì)不同秸稈覆蓋量下小麥活性氧的代謝規(guī)律未見(jiàn)報(bào)道。本研究通過(guò)設(shè)置不同秸稈覆蓋量研究了小麥結(jié)實(shí)期不同階段的活性氧產(chǎn)生和清除機(jī)制，為闡明小麥生育后期旗葉活性氧代謝對(duì)不同秸稈覆蓋量的響應(yīng)機(jī)制提供理論基礎(chǔ)；并篩選出適宜于本地區(qū)小麥高產(chǎn)栽培的秸稈覆蓋量，為秸稈覆蓋在本地區(qū)小麥高產(chǎn)栽培中的推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣的半冬性多穗型中熟小麥品種豫麥49-198。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分別于2013年10月-2014年6月和2014年10月-2015年6月在河南科技大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，土壤質(zhì)地為壤土，試驗(yàn)前耕作層土壤含有機(jī)質(zhì)153 g·kg-1，水解氮97.4 mg·kg-1，速效磷15.8 mg·kg-1，速效鉀125 mg·kg-1。秸稈覆蓋量試驗(yàn)設(shè)不覆蓋(對(duì)照，Ⅰ)、2000(Ⅱ)、4000(Ⅲ)、6000(Ⅳ)和8000 kg·hm-2(Ⅴ)5個(gè)處理。每處理重復(fù)3次，小區(qū)面積15 m2(3 m×5 m)，隨機(jī)排列，其他按田間常規(guī)管理。小麥均于當(dāng)年10月15日播種，播量為112.5 kg·hm-2，出苗后在行間土壤表面覆蓋粉碎的玉米(Zeamays)秸稈(長(zhǎng)5～10 cm)。氮、磷、鉀肥均做基肥一次施入，施肥量純N為240 kg·hm-2，P2O5為75 kg·hm-2，K2O為150 kg·hm-2。肥料來(lái)源：N-尿素，P-過(guò)磷酸鈣，K-氯化鉀。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1O2-·和H2O2含量 抽穗后0、10和20 d取旗葉，按王愛(ài)國(guó)等[20]介紹的O2-·對(duì)羥胺氧化的方法測(cè)定O2-·含量，將氧化產(chǎn)物 NO2-·在對(duì)氨基苯磺酸和α-萘胺中顯色后的偶氮染料轉(zhuǎn)移至等體積的乙醚中，測(cè)定水相液 530 nm 處的吸光度，其含量用 A530·g-1FW 表示；參照Wang等[7]的方法測(cè)定H2O2含量，0.5 g葉片加入6 mL冷丙酮研磨勻漿，加入0.15 g活性炭處理后過(guò)濾，取濾液1 mL，加入0.1 mL 20% TiCl4的濃鹽酸，0.2 mL的濃氨水，反應(yīng)后3000 r·min-1離心 10 min，棄去上清液，沉淀用3 mL 1 mol·L-1的H2SO4溶解后測(cè)定410 nm波長(zhǎng)下的吸光值。

1.3.2可溶性糖、氨基酸、丙二醛(MDA)、谷胱甘肽(glutathione, GSH)和抗壞血酸(ascorbic acid, AsA)含量 抽穗后0、10和20 d取旗葉，采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量[21]；采用茚三酮比色法測(cè)定氨基酸含量[21]；采用硫代巴比妥酸比色法[21]測(cè)定MDA含量；采用盧少云等[22]的方法進(jìn)行提取和測(cè)定GSH含量；采用二甲苯萃取比色法[21]測(cè)定AsA含量。

1.3.3抗氧化酶活性的測(cè)定 抽穗后0、10和20 d取旗葉，參照任紅旭等[23]的方法提取酶液，酶活性按李合生[21]的方法測(cè)定SOD、POD和CAT活性。

1.3.4產(chǎn)量及穗部性狀考查 成熟期每小區(qū)選代表性植株3行，每行取5株，分別考查每穗粒數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、千粒重等性狀。每小區(qū)按實(shí)收株數(shù)測(cè)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和SPSS軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈覆蓋量對(duì)產(chǎn)量及穗部性狀的影響

秸稈覆蓋量在2000～6000 kg·hm-2，覆蓋處理的小麥產(chǎn)量均高于對(duì)照處理，且與對(duì)照差異顯著，兩年結(jié)果一致(表1)。兩年分別與對(duì)照相比，處理Ⅳ產(chǎn)量增加最多，分別增加了37.2%和33.2%，處理Ⅲ增加最少，分別為23.0%和19.8%，而處理Ⅴ卻分別下降了9.1%和1.5%。表明，適宜秸稈覆蓋量對(duì)增加小麥產(chǎn)量有顯著的促進(jìn)作用，但秸稈覆蓋量過(guò)大促進(jìn)效應(yīng)并不明顯，甚至有抑制作用。從產(chǎn)量構(gòu)成因素看，單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)表現(xiàn)基本一致，除處理Ⅴ與對(duì)照差異不顯著外，其他秸稈覆蓋處理均與對(duì)照差異顯著，以處理Ⅳ最高；千粒重以處理Ⅳ最高，且與其他處理差異顯著，而其他處理間差異不顯著。

表1 秸稈覆蓋量對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 1 Effect of straw mulching quantities on yield and its components of wheat

注：同列不同字母表示在P<0.05水平差異顯著。

Note: Different letters in the same column indicate significant difference atP<0.05 level.

圖1 秸稈覆蓋量對(duì)小麥旗葉可溶性糖(A)和氨基酸(B)含量的影響Fig.1 Effect of straw mulching quantities on soluble sugar content (A) and amino acid content (B) in flag leaves 不同字母表示同一日期不同處理差異顯著(P<0.05)，下同。Different letters indicate significant differences (P<0.05)among different treatments on the same day，the same below.

2.2 秸稈覆蓋量對(duì)可溶性糖和氨基酸含量的影響

圖2 秸稈覆蓋量對(duì)小麥旗葉O2-· (A)、 H2O2 (B)和MDA(C)含量的影響 Fig.2 Effect of straw mulching quantities on O2-·content (A), H2O2 content (B) and MDA content (C) in flag leaves

抽穗后，可溶性糖含量均呈先升后降的變化趨勢(shì)，抽穗后0～10 d上升，第10天達(dá)到最大，隨后持續(xù)下降(圖1A)。在同一測(cè)定時(shí)期，覆蓋處理均高于對(duì)照，且差異顯著(P<0.05)。各測(cè)定時(shí)期，可溶性糖含量均以處理Ⅳ最高。抽穗后10 d，與對(duì)照相比，處理Ⅳ可溶性糖含量?jī)赡攴謩e增加了23.8%和33.7%。結(jié)果表明，適宜的秸稈覆蓋量能促進(jìn)可溶性糖積累。

抽穗后，隨生育期延長(zhǎng)，各處理氨基酸含量呈先升后降趨勢(shì)，抽穗后10 d達(dá)到峰值，兩年表現(xiàn)一致(圖1B)。不同處理間比較，各測(cè)定時(shí)期，氨基酸含量總體表現(xiàn)為Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅰ，以處理Ⅳ最高，除抽穗期外均顯著高于其他處理。抽穗后10 d，氨基酸含量與抽穗期相比增幅最大的為處理Ⅳ，兩年分別增加了1.56和1.61倍，其次為處理Ⅲ，分別增加了1.41和1.30倍，增幅最小的為處理Ⅰ，分別增加了0.80和1.06倍。

2.3 秸稈覆蓋量對(duì)O2-·、H2O2和MDA含量的影響

小麥抽穗后隨生育期延長(zhǎng)，各處理葉片O2-·含量均明顯增加，抽穗后0～10 d增幅較小，抽穗10 d后，增幅較大(圖2A)。各測(cè)定時(shí)期，秸稈覆蓋的O2-·含量均低于對(duì)照，且差異顯著(P<0.05)。覆蓋處理間比較，O2-·含量以處理Ⅳ含量最低，處理Ⅱ最高。抽穗后20 d，覆蓋處理與對(duì)照相比O2-·含量降低幅度最大的為處理Ⅳ，兩年分別降低了35.9%和50.0%，其次為處理Ⅲ，分別降低了30.8%和34.5%，降幅最小的為處理Ⅱ，分別降低了15.4%和20.7%。

抽穗后隨生育推進(jìn)，各處理H2O2的含量持續(xù)增加。各測(cè)定時(shí)期，不同處理H2O2的含量不同，表現(xiàn)為Ⅰ>Ⅴ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ，秸稈覆蓋處理均低于對(duì)照，除抽穗期外均與對(duì)照差異顯著(P<0.05)(圖2B)。覆蓋處理間比較，以處理Ⅳ最低，處理Ⅴ最高。抽穗后20 d，與對(duì)照相比H2O2含量降幅最大的為處理Ⅳ，兩年分別降低了30.3%和35.4%，降幅最小的為處理Ⅴ，分別為10.5%和10.6%。

抽穗后各處理MDA含量隨生育進(jìn)程均呈增加趨勢(shì)，0～10 d增加緩慢，而后增加迅速(圖2C)。處理間比較，各測(cè)定時(shí)期MDA含量以處理Ⅰ最高，處理Ⅳ最低。抽穗后20 d，與對(duì)照相比，MDA含量降幅最大的為處理Ⅳ，兩年分別降低了25.0%和35.9%，降幅最小的為處理Ⅱ，分別降低了4.3%和13.9%。

2.4 秸稈覆蓋量對(duì)GSH和AsA含量的影響

抽穗后，隨生育期延長(zhǎng)，各處理GSH含量均呈下降趨勢(shì)，抽穗后0～10 d下降幅度較小，10 d后下降幅度較大(圖3A)。不同處理間比較，各測(cè)定時(shí)期，GSH含量表現(xiàn)為Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅰ，處理Ⅳ最高，除抽穗期外與其他處理差異顯著(P<0.05)。秸稈覆蓋增加了抽穗后小麥GSH含量，抽穗后20 d，與對(duì)照相比增幅最大的為處理Ⅳ，兩年分別增加了96.9%和124.1%，增幅最小的為處理Ⅴ，分別為9.3%和10.5%。

抽穗后，各處理AsA含量表現(xiàn)與GSH含量基本相同，均呈下降趨勢(shì)，抽穗后0～10 d下降慢，幅度小，10 d后下降快，幅度大(圖3B)。處理間比較，各測(cè)定時(shí)期，AsA含量表現(xiàn)為Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅰ。與對(duì)照相比處理Ⅳ增幅最大，抽穗后20 d，兩年分別增加了13.6%和9.7%，增幅最小的為處理Ⅴ，分別為3.5%和1.5%。

圖3 秸稈覆蓋量對(duì)小麥旗葉GSH(A)和AsA(B)含量的影響Fig.3 Effect of straw mulching quantity on GSH content (A) and AsA content (B) in flag leaves

2.5 秸稈覆蓋量對(duì)保護(hù)性酶活性的影響

抽穗后隨生育推進(jìn)，各處理保護(hù)性酶活性均呈先升后降趨勢(shì)，抽穗期0～10 d酶活性迅速增加，第10天達(dá)到最大(圖4)。同一測(cè)定時(shí)期，秸稈覆蓋處理酶活性均高于對(duì)照。秸稈覆蓋處理間比較，各測(cè)定時(shí)期酶活性均以處理Ⅳ最高，且顯著高于其他各處理(P<0.05)，處理Ⅱ最低。與對(duì)照相比，抽穗后10 d，處理Ⅳ SOD活性兩年分別提高了45.2%和44.3%，CAT活性分別提高了45.5%和49.8%，POD酶活性分別提高了35.3%和79.6%。表明，秸稈覆蓋處理能不同程度提高了小麥旗葉酶活性。

3 討論

3.1 秸稈覆蓋對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

適量的玉米秸稈覆蓋可提高小麥葉片光合速率[24-25]，促進(jìn)有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重提高，從而達(dá)到增產(chǎn)效果[26-27]。本研究結(jié)果表明，在一定的覆蓋量范圍內(nèi)，秸稈覆蓋能顯著提高小麥產(chǎn)量，但覆蓋量過(guò)大，產(chǎn)量反而低于對(duì)照，其原因可能是過(guò)高的秸稈覆蓋量與溫度效應(yīng)相矛盾，導(dǎo)致土壤溫度過(guò)低，影響干物質(zhì)積累和運(yùn)輸，具體原因還需深入研究，因此，只有適宜的覆蓋量才能保證增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)的目的。有研究表明，小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，以穗數(shù)相關(guān)性最大，其次為穗粒數(shù)，再次為千粒重，即穗數(shù)對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)最大[28]。本試驗(yàn)表明，一定的覆蓋量范圍內(nèi)，秸稈覆蓋能顯著提高小麥的穗數(shù)和穗粒數(shù)，從而表現(xiàn)出產(chǎn)量顯著高于對(duì)照。而處理Ⅳ的產(chǎn)量顯著高于其他覆蓋處理，其貢獻(xiàn)就是來(lái)源于穗數(shù)比其他處理的顯著增加，從而表明，增加單位面積穗數(shù)是秸稈覆蓋增產(chǎn)的原因，這可能與秸稈覆蓋改善了土壤墑情，增加了有效分蘗，優(yōu)化了群體結(jié)構(gòu)，有利于旱地小麥生產(chǎn)，與前人研究結(jié)果一致[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋量偏高和偏低皆不利于小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重的持續(xù)提高，從而最終影響產(chǎn)量增加。從本試驗(yàn)結(jié)果看，在豫西旱地生態(tài)條件下，秸稈覆蓋量6000 kg·hm-2較為適宜。

圖4 秸稈覆蓋量對(duì)小麥旗葉SOD (A), CAT (B)和POD (C)活性的影響Fig.4 Effect of straw mulching quantities on activities of SOD (A), CAT (B), POD (C) in flag leaves

3.2 秸稈覆蓋對(duì)小麥滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

可溶性糖、游離氨基酸是植物細(xì)胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，能緩解水分脅迫等逆境對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害，延緩植物葉片衰老[19,30]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈覆蓋能顯著提高小麥葉片可溶性糖、氨基酸含量，且維持較高水平，對(duì)維持細(xì)胞的微環(huán)境、滲透平衡以及正常代謝起著重要作用。在一定秸稈覆蓋量范圍內(nèi)，隨覆蓋量增加葉片中可溶性糖、游離氨基酸含量增加，但隨覆蓋量繼續(xù)增加二者含量比其他覆蓋處理有所下降，這表明適宜的秸稈覆蓋量提高了小麥葉片可溶性糖、氨基酸含量，覆蓋量過(guò)大則其增幅不明顯。葉片中可溶性糖、氨基酸含量的增加，對(duì)延緩葉片衰老速度，提高細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力以及穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu)都具有重要作用，從而更利于產(chǎn)量與品質(zhì)的提高。

3.3 秸稈覆蓋對(duì)小麥活性氧和抗氧化物質(zhì)的影響

O2-·、H2O2等活性氧是植物細(xì)胞代謝的產(chǎn)物，活性氧大量積累引發(fā)膜脂過(guò)氧化作用被啟動(dòng)，造成膜的損傷和破壞，對(duì)細(xì)胞組分、結(jié)構(gòu)及新陳代謝造成氧化傷害，加速植株衰老[31-33]，SOD、CAT、POD等抗氧化保護(hù)酶及AsA、GSH等抗氧化非酶類物質(zhì)是植物體內(nèi)重要的活性氧清除物質(zhì)[34-36]。高溫、干旱等逆境條件以及秸稈覆蓋均能提高小麥葉片的保護(hù)酶活性，有效減輕膜脂過(guò)氧化程度[19,37-38]。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋能增加AsA、GSH含量以及SOD、CAT和POD酶活性，降低O2-·和H2O2含量，減少M(fèi)DA積累。表明，秸稈覆蓋能提高細(xì)胞內(nèi)抗氧化物質(zhì)含量和抗氧化酶活性，增強(qiáng)對(duì)活性氧的清除能力，降低細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度，延遲葉片衰老速度，有利于小麥籽粒灌漿和產(chǎn)量形成。在一定秸稈覆蓋范圍內(nèi)，隨覆蓋量的增加AsA、GSH含量以及SOD、CAT和POD酶活性增加，O2-·、H2O2和MDA含量減少，但覆蓋量過(guò)大對(duì)活性氧和MDA含量的降低及抗氧化物質(zhì)含量和酶活性的持續(xù)升高反而有抑制作用。從O2-·、H2O2、MDA含量和保護(hù)性物質(zhì)變化趨勢(shì)來(lái)看，在秸稈覆蓋量為6000 kg·hm-2水平下，對(duì)增強(qiáng)小麥的抗旱和抗衰老能力，保證較高有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，提高產(chǎn)量最為有利。

4 結(jié)論

適宜的秸稈覆蓋量能提高小麥旗葉可溶性糖、氨基酸、GSH、和AsA含量，增強(qiáng)SOD、CAT和POD活性，降低O2-·、H2O2和MDA含量，增加小麥產(chǎn)量。但覆蓋量超過(guò)一定水平后，各指標(biāo)增幅(降幅)不明顯。處理Ⅳ的各指標(biāo)均優(yōu)于其他覆蓋處理并與對(duì)照有顯著差異。綜合分析，在豫西旱地生態(tài)條件下，6000 kg·hm-2為最佳秸稈覆蓋量。