沈丽娜,朱进忠,李 科,艾尔肯,杨文英

(新疆农业大学草业与环境科学学院,新疆草地资源与生态重点实验室,新疆乌鲁木齐 830052)

我国紫花苜蓿大多种植在贫瘠的盐碱化土地上,基本不施肥或很少施肥,其巨大潜能未能充分发挥出来。国内外研究人员近年来在紫花苜蓿施氮、磷、钾上做了许多研究。硼、钼是紫花苜蓿生长必需的元素[1],紫花苜蓿体内硼、钼含量过多或过少都会对其造成不利影响。硼、钼对紫花苜蓿施肥效果的研究较少,并且这些研究主要集中在施肥对紫花苜蓿产量和品质的影响上,有关生理生化特性方面的研究报道不多。试验在氮磷钾肥料作为底肥的基础上,研究不同的硼、钼配比对紫花苜蓿生长的一些生理生化指标的影响,旨在深入了解硼、钼影响紫花苜蓿的生理生化机制,为平衡施肥及紫花苜蓿优质高产提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验区自然概况

试验区位于新疆呼图壁种牛场的新疆农业大学草地生态试验站。地处天山北坡中段山前洪积-冲积扇与冲积平原的过渡带 ,E 86°7′,N 44°8′,海拔446 m 。年降水量161.3 mm,年蒸发量2 312.7 mm,生长季平均湿度54%。1月平均气温-16.9℃,7月平均气温25.6℃,年均温16.7℃,极端最高温43.1℃,无霜期173 d。土壤主要是盐化草甸土、盐土和盐化灰漠土,土壤盐份含量较高,大多数土壤表层(0～20 cm)总盐含量在1.5%,主要为硫酸盐-氯化物类型,有些地段有轻度的苏打化,pH值8.5。

1.2 供试材料

供试材料为新牧1号紫花苜蓿,由新疆农业大学草业与环境科学学院提供。2008年9月播种,前茬作物为小麦。人工条播,行距为 30 cm,播量为 15 kg/hm2。以生长第1年的第1茬紫花苜蓿作为试验材料。

1.3 试验设计

试验采用两因素四水平正交设计,共设硼、钼2个因素。硼设 4个水平,施用量为 B1(0)、B2(1.5 kg/hm2)、B3(2.5 kg/hm2)、B4(3.5 kg/hm2)。钼设 4个水平,施用量为 MO1(0)、MO2(0.075 kg/hm2)、MO3(0.225 kg/hm2)、MO4(0.375 kg/hm2)。共设16个处理分别为:处理1(对照B1MO1)、2(B1MO2)、3(B1MO3)、4(B1MO4)、5(B2MO1)、6(B2MO2)、7(B2MO3)、8(B2MO4)、9(B3MO1)、10(B3MO2)、11(B3MO3)、12(B3MO4)、13(B4MO1)、14(B4MO2)、15(B4MO3)、16(B4MO4)。重复3次,随机排列。试验共设48个小区,每小区15 m2(2.5 m×6.0 m),土垄隔离,埂宽0.6 m。

1.4 肥料种类及施肥方式

每小区播种前根施尿素(用量150 kg/hm2,含N 46%),紫花苜蓿苗期根施磷酸二氢钾(60 kg/hm2,含P2O552%、K2O 34%)。

硼肥为硼砂(含硼11.32%),钼肥为钼酸铵(含钼54.91%)。2009年紫花苜蓿返青时将硼、钼元素按各处理用量配成溶液(1 125 kg/hm2兑水)进行叶面喷施,每7 d喷施1次,共喷施3次。

1.5 测定内容及方法

测定:超氧化物歧化酶(SOD)活性、丙二醛(MDA)含量、叶绿素含量、可溶性糖含量及干草产量。分别于分枝期、现蕾期、初花期进行取样和测产。取样时选择生长健康、长势一致、无病斑、光照均一的同一叶位(从顶部向下第3片完全展开叶)的紫花苜蓿叶片作为测定对象,并以其三出复叶的中间小叶作为该节位的代表叶片进行生理生化指标测定。SOD活性测定采用氮蓝四唑(NBT),MDA含量测定采用文献[3]的双组分分光光度计测定,叶绿素含量测定采用文献[4,5]的方法测定,可溶性糖含量参照文献[6]蒽酮比色法测定。每小区除边行以外随机选取0.25 m2(0.5 m×0.5 m)紫花苜蓿齐地面刈割,重复3次。阴干并测定干草产量。

2 结果与分析

2.1 硼、钼对紫花苜蓿SOD活性的影响

在保护酶系统中,SOD是最有效的抗氧化酶之一,可以清除有潜在危险的超氧阴离子和过氧化氢,从而减轻超氧自由基和过氧化氢对植物细胞的危害[7],与植物的抗逆性密切相关[8]。

紫花苜蓿的SOD活性随分枝期-现蕾期-初花期表现为先增大后减小的趋势(图1)。施钼肥处理1(对照)、处理2、处理 3和处理4中,紫花苜蓿的SOD活性分枝期为处理4＞3＞2＞对照,现蕾期和初花期为处理2＞1＞3＞4。分枝期时处理 3、处理 4的SOD活性大于对照,现蕾期和初花期小于对照。说明MO3(MO3=0.225 kg/hm2)水平、MO4(MO4=0.375 kg/hm2)水平在紫花苜蓿分枝期已满足其提高抗超氧化酶活性的需要,现蕾期和初花期继续喷施会造成钼浓度过高,不利于紫花苜蓿生长。

图1 硼、钼对紫花苜蓿叶片超氧化物歧化酶活性的影响Fig.1 Effect of boron and molybdenum on S OD activity

施硼肥处理 1、处理5、处理9和处理13中,从分枝期到初花期处理9的SOD活性在这4个处理中皆最大,说明单施硼肥时B3水平能较大地提高紫花苜蓿的SOD活性,控制膜质氧化。现蕾期处理13的SOD活性小于对照,表明硼超过一定界限反而会促进膜质氧化,SOD活性减弱。

单施硼比单施钼SOD活性上升的幅度大,说明单独考虑一种元素,硼提高紫花苜蓿SOD活性的效果大于钼。

16个处理中,SOD活性分枝期以处理8最高,其次,为处理9,现蕾期和初花期以处理9最高。从分枝期到初花期处理11的SOD活性皆低于对照。

2.2 硼、钼对紫花苜蓿MDA含量的影响

丙二醛是膜质过氧化分解的重要产物,能与蛋白质的氨基或核酸反应生成shiff碱,丙二醛的积累可对膜和细胞造成进一步的伤害,进而引起一系列生理生化变化[9]。在一定程度上其含量的高低可以表示细胞的膜质过氧化水平和生物膜损伤程度[10]。

分枝期所有处理的丙二醛含量大于现蕾期,初花期所有处理的丙二醛含量大于现蕾期(图2)。

仅施钼肥的处理 1、处理2、处理3和处理4中,从分枝期到初花期处理3的丙二醛含量在所有处理中皆最小,说明其抑制膜脂过氧化的程度最强。

仅施硼肥的处理1、5、9和13中,分枝期、初花期的丙二醛含量为处理1＞5＞9＞13,现蕾期为处理13＞1＞5＞9。处理1、5、9的丙二醛含量随施硼量的增加而降低。说明单施硼肥,施硼量从B1(0 kg/hm2)增加到B3(2.5 kg/hm2)时,丙二醛含量随施硼量的增加而降低。紫花苜蓿硼钼同施的处理中,从分枝期到初花期处理6和处理16的丙二醛含量均低于对照,说明适宜的硼钼配比可使紫花苜蓿丙二醛含量下降。在分枝期和现蕾期,单独施钼的处理3(B1MO3)丙二醛含量在所有处理中最低,说明与硼钼同施相比,单施MO3(MO3=0.225 kg/hm2)水平的钼肥可使丙二醛含量降低的幅度最大。

2.3 硼、钼对紫花紫花苜蓿叶绿素含量的影响

叶绿素是光合作用的主要色素。以有研究报道和试验证明,叶绿素含量与光合速率之间显著正相关[11]。具有光化学活性的叶绿素a可将光能转化为电能,叶绿素b和大部分的叶绿素a可收集和传递光能[12]。叶绿素含量与可反应植物保绿能力的强弱[13],紫花紫花苜蓿的叶绿素含量与其保水能力有极大关系[14]。紫花苜蓿从分枝期到初花期,叶绿素a、总叶绿素含量呈不断上升趋势(表1)。

图2 硼、钼对紫花苜蓿丙二醛含量的影响Fig.2 Effect of boron and molybdenum on MDA content

从分枝期到初花期,处理5、7、12和14的叶绿素 a含量皆高于对照,处理4、6和12的叶绿素b含量皆高于对照,处理11的叶绿素b含量皆低于对照,处理2、3、5、7、10、12、14和15的总叶绿素含量皆高于对照 。

从分枝期到初花期处理,12的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量皆高于对照。除处理12外,分枝期处理5和处理7的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量皆高于对照;现蕾期处理 3、7、10和 14的叶绿素 a、叶绿素b和总叶绿素含量皆高于对照;初花期处理5和处理6的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量皆高于对照。仅施钼肥的处理 1、2、3和 4中,从分枝期到初花期总叶绿素含量为处理3＞2＞1。说明单施钼肥时,施钼量从MO1(0 kg/hm2)增加到MO3(0.225 kg/hm2)时,总叶绿素含量随施钼量的增加而增大。

2.4 硼、钼对紫花苜蓿可溶性糖含量的影响

可溶性糖是高等植物的主要光合产物,而且是碳水化合物代谢和暂时贮藏的主要形式,在植物代谢中占有重要位置。许多研究结果表明,可溶性糖含量变化与光合作用和产量密切相关[15]。它还是细胞内重要调节物质,能够增加细胞内溶质浓度,使植物组织点下降;缓冲细胞过渡脱水,使保水能力增加,因此可溶性糖含量增加可提高植物的抗寒性及抗旱性[16]。

现蕾期所有处理的可溶性糖含量大于分枝期(图3)。除处理11(B3MO3)在分枝期的可溶性糖含量低于对照外,其余处理可溶性糖含量皆高于对照。表明硼、钼元素对可溶性糖含量有一定的促进效应,能使紫花苜蓿合成更多的碳水化合物。分枝期处理3(B1MO3)、8(B2MO4)、12(B3MO4)、13(B4MO1)、14(B4MO2)和 16(B4MO4)的可溶性糖含量较高,其中处理13最高,为4.47%;现蕾期处理 3(B1MO3)、5(B2MO1)、6(B2MO2)和12(B3MO4)的可溶性糖含量较高,其中处理6最高,为 5.75%,初花期处理 4(B1MO4)、6(B2MO2)、10(B3 MO2)、13(B4MO1)、15(B4MO3)和 16(B4MO4)的可溶性糖含量较高,其中处理15最高,为5.64%。

2.5 硼、钼对紫花苜蓿干草产量的影响

分枝期除处理11(B3MO3)和处理16(B4MO4)外,其他处理的干草产量皆高于对照,比对照增产0.18%～44.10%。现蕾期和初花期除处理11外,其他处理的干草产量均比对照增产23.22%～56.47%;初花期比对照增产2.17%～32.33%。与分枝期和初花期相比,现蕾期紫花苜蓿增产的幅度最大,说明适宜的硼钼配比可以提高紫花苜蓿的干草产量。

图3 硼、钼对紫花苜蓿叶片可溶性糖含量的影响Fig.3 Effect of boron and molybdenum on soluble sugar content

表1 硼、钼对紫花苜蓿叶片叶绿素含量的影响Table 1 Effect of boron and molybdenum on chlorophyll content mg/dm2

表2 硼、钼对紫花苜蓿干草产量的影响Table 2 Effect of boron and molybdenum on DM yields

当地紫花苜蓿的刈割期一般在初花期,初花期的产草量具有重要的生产价值。在试验中,初花期处理12(B3MO4)、6(B2MO2)、9(B3MO1)的增产效果居于前3位,其中处理12的增产效果最为明显,干草产量达到2 956.85 kg/hm2,高于对照 32.33%。分枝期、现蕾期、初花期处理11(B3MO3)的产量均低于对照,说明处理11(B3=2.5 kg/hm2,MO3=0.225 kg/hm2)的硼钼比例不当,从而使紫花苜蓿减产。

2.6 紫花苜蓿产量与生理生化指标的多元回归分析

本试验研究的生理生化因素有:可溶性糖(X1)、叶绿素(X2)、质膜透性(X3)、SOD(X4)和丙二醛(X5)。紫花苜蓿产量(Y)及各变量的相关系数见表3。

根据表3中各生理生化指标与产量的相关系数分析表明,紫花苜蓿喷施硼、钼后干草产量(Y)与可溶性糖(X1)、叶绿素(X2)显著正相关,相关系数分别为:R1=0.711**、R2=0.698**。进行回归分析时,可溶性糖和叶绿素被引入,其余变量均被剔除。可溶性糖和叶绿素两变量的t测验和偏回归系数见表4。根据模型2,新牧1号紫花苜蓿干草产量的多元回归方程为:Y=352.453+286.031X1+13.841X2。以上数据经过t测验表明,可溶性糖和叶绿素的P值均为0.000,在5%水平上有显著性意义。说明喷施硼、钼使紫花苜蓿叶绿素含量增大,可溶性糖积累增多,从而促进了产量形成。

表3 紫花苜蓿生理生化指标和产量的相关性Table 3 Correlations of yield and physiological and biochemical characteristic

表4 引入变量的t测验和偏回归系数Table 4 Ttest and partial correlation of entered variable

3 小结

单独考虑一种元素,硼提高紫花苜蓿超氧化物歧化酶活性的作用大于钼。硼、钼的施用量超过一定界限会促进膜质氧化,SOD活性减弱。单施2.5 kg/hm2的硼肥能较大地提高紫花苜蓿的SOD活性,控制膜质氧化。从分枝期到初花期处理11(B3=2.5 kg/hm2,MO3=0.225 kg/hm2)的SOD活性皆低于对照;单施钼肥时,施钼量从0增加到0.225 kg/hm2时,总叶绿素含量随施钼量的增加而增大;单施硼肥时,施硼量从0增加到2.5 kg/hm2时,丙二醛含量随施硼量的增加而降低。在分枝期和现蕾期,与硼钼同施相比,单施0.225 kg/hm2的钼肥可使丙二醛含量最大幅度地降低,从而抑制膜脂过氧化的程度最强;所有处理中,除处理11在分枝期的可溶性糖含量低于对照外,其余处理可溶性糖含量皆高于对照。

适宜的施硼钼配比可以提高紫花苜蓿的干草产量。施用硼、钼后,与分枝期和初花期相比,现蕾期紫花苜蓿增产的幅度最大。初花期处理12(B3=2.5 kg/hm2,MO4=0.375 kg/hm2)的增产效果最为明显,处理11的硼钼比例不当,使紫花苜蓿减产。

紫花苜蓿喷施硼、钼后干草产量与可溶性糖、叶绿素显著正相关。刘克礼等[17-19]研究表明,在一定范围内叶绿素含量的高低直接影响叶片的光合作用能力,从而影响作物产量。本试验关于叶绿素与产量关系的研究结果与其一致。

[1]马先雨,黄英,周省善.苜蓿的微量元素营养[J].草原与草坪,1988(2):42-45.

[2]邹琦.植物生理学实验指导[M].北京:中国农业出版社,2000:159-160,163-165.

[3]赵世杰.植物组织中丙二醛测定方法的改进[J].植物生理学通讯,1994,30:207-210.

[4]郝再彬.植物生理学实验[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004:106-108.

[5]李合生.植物生理生化实验原理与技术[M].北京:中国农业出版社,2001:134-136.

[6]喻方圆,徐锡增.植物逆境生理研究进展[J].世界林业研究,2003,16(5):6-11.

[7]Noctor G,Foyer C H.ascorbate and glutat hione:Keeping active oxygen under control[J].Annu rev plant physiol plant Mol Biol,1998,49:249-279.

[8]刘欢,赵桂琴.燕麦抗逆性研究进展[J].草原与草坪,2009(6):63-68.

[9]Chaoui A,Mazhoudi S,Gho rbal M H.Cadmium and Zinc Induction of lipid Peroxidation and effects on antio xidant enzyme activities in Bean[J].Plant Sci,1997,127:139-147.

[10]陈立松,刘星辉.果树逆境生理[M].北京:中国农业出版社,2004:57-65.

[11]李社荣,马惠平,谷宏志,等.返回式卫星搭载后玉米叶绿体色素变化的研究[J].核农学报,2001,15(2):75-80.

[12]潘瑞炽.植物生理学[M].北京:高等教育出版社,2004:61.

[13]丁久玲,俞禄生,沈益新,等.沿阶草的绿化应用及研究进展[J].草原与草坪,2006(2):15-18.

[14]Kupper H,Kupper F,Spiller M.Environmental relevance of heavy metal substituded chlorophylls using the example of water plants[J].J Exp Bot,1996,47:259-266.

[15]Sarat ha K,Hume D J,Godf rey C.Genetic improvement in short season soybeans:Ⅰ.Dry matter accumulation,partitioning,and leaf area duration[J].Crop Science,2001,41:391-398.

[16]胡远富,王泽奇,施君信,等.氯化钙对大豆生长发育及抗逆性的促进效应研究[J].黑龙江八一农垦大学学报,2007,19(3):39-42.

[17]刘克礼.春玉米叶片叶绿素含量与光合速率的研究[J].内蒙古农牧学院学报,1998,19(2):48-51.

[18]赵天宏.水分胁迫及复水对玉米叶片叶绿素含量和光合作用的影响[J].杂粮作物,2003,23(1):33-35.

[19]房江育.无机营养和水分胁迫对春小麦叶绿素丙二醛含量等的影响及其相关性[J].甘肃农业大学学报,2001,36(1):89-94.