杨宏伟，柴 强，李朝周，张俊莲

(1.甘肃农业大学农学院/甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070；3.甘肃省作物遗传改良和种质创新重点实验室，甘肃 兰州 730070； 4.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070 )

因水资源短缺形成的旱灾已成为影响农业生产最主要的自然灾害之一，干旱造成的粮食作物减产位于各种自然灾害之首，现已成为当今世界各国农业生产中面临的共同问题[1-2]。旱地农业生产中，水和肥是限制农作物产量的2个主要因素。因此，在干旱及半干旱地区研究施肥方式及其与作物抗旱性的关系，对如何有效利用有限水分和肥料资源，提高干旱地区作物产品和质量，促进农业可持续发展具有现实和深远的意义。

马铃薯(SolanumtuberosumL.)原产于南美洲的秘鲁和玻利维亚的安第斯山脉，营养丰富，适应环境能力强，用途广泛[3]。马铃薯是典型的温带气候作物，对水分亏缺和高温非常敏感；主要在我国北方种植，尤其在西北地区种植面积较大[4]。甘肃地处西北黄土高原，70%土地以上为山地，干旱或季节性干旱成为限制马铃薯高产和优良品质的重要因素。因此通过合理施肥提高马铃薯抗旱能力成为西北地区马铃薯种植生产中的主要措施之一。

我国是世界上首次将稀土元素作为农用微肥应用于农业生产上的国家，稀土微肥作为一种新型微肥，对农业生产的增益效果显著[5]。研究表明，适量稀土元素在促进作物优质增产的同时，具有诱导植物抗性，提高植物耐酸雨、重金属污染等胁迫的能力[6]。唐加红等[7]研究发现，干旱胁迫下施用适量的稀土微肥能显著抑制小麦叶片丙二醛(MDA)的累积速率和干旱对细胞膜的损伤，增加叶片脯氨酸含量，增强叶片的保水能力，增加叶片叶绿素含量，促进同化物的合成。目前，关于稀土微肥在农作物生产中的应用研究主要集中于多种混合元素在正常耕作条件下对作物生长发育的影响，而鲜见将单一稀土元素(镨)和干旱胁迫相结合的研究。周荷益等[8]研究镧对盐胁迫下小麦幼苗活性氧代谢的影响发现硝酸镧溶液能够缓解盐胁迫诱导的氧化伤害，具有促进盐胁迫下小麦种植萌发和幼苗生长的作用。本试验以马铃薯品种“大西洋”为材料，采用不同干旱处理后浇灌不同浓度氯化镨水溶液，通过对苗期叶片叶绿素、可溶性糖、脯氨酸、MDA、抗氧化酶等生理生化指标及成熟期株高、茎粗等生长指标的测定，分析氯化镨对干旱胁迫下马铃薯生长发育的影响，探究稀土元素镨提高马铃薯抗旱性的生理机制，为提高干旱地区及半干旱地区马铃薯生产力提供科学依据和理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年在甘肃省景泰县条山集团马铃薯种植基地(37°11′N，104°03′E)进行。基地年均降水量为193.72 mm。0～30 cm土层土壤有机质含量9.1 g·kg-1，全氮含量0.54 g·kg-1，碱解氮17.6 mg·kg-1，速效磷32.6 mg·kg-1，速效钾272.0 mg·kg-1，pH 8.37。

1.2 试验材料

供试马铃薯(SolanumtuberosumL.)品种为“大西洋”，由甘肃省景泰县条山农场提供；所用稀土肥为氯化镨(纯含量99.9%)，上海源叶生物科技有限公司生产。

1.3 试验设计

2015年4月20日开始种植。进入幼苗期20 d后，通过控制灌溉量及0～30 cm土层土壤的称重[9]控制土壤含水量，设置Water-CK(土壤质量含水量保持在32%～35%左右)，Water-1(土壤质量含水量保持在23%～25%左右)，Water-2(土壤质量含水量保持在15%～18%左右)3个水分梯度，直到生长发育周期结束。3个水分梯度分别各设置5行，每行间隔50 cm，采取相同的灌溉量，试验取土和取材均取中间行。增施稀土微肥的量分为6个浓度梯度，在幼苗期第23天早晨通过浇灌增施不同量的氯化镨水溶液，每株浇灌氯化镨溶液100 mL，增施浓度分别为0，30，60，90，120，150 mg·L-1，每一处理设置3个重复。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 生长指标测定 株高：收获前5～7 d测定，以植株茎最高部位距地表面的高度为准，用直尺测量；茎粗：以植株与地表面的交界处地上茎直径为代表，用游标卡尺测量；地上茎分枝数：收获时统计；匍匐茎数量：收获后统计；根长：用直尺测量5根最长根长度，取平均值；地上部分重(以单株计算)，收获时完整挖出马铃薯植株，先用自来水冲洗2～3次，再用蒸馏水冲洗2次，用滤纸擦干表面水分后称鲜重，105℃杀青15 min，75℃烘干至恒重，再称干重；块茎产量：收获后用电子天平称量，取平均值[9]。

1.4.2 抗性生理指标测定 喷施后20 d取马铃薯幼苗叶片第3和第4复叶作为试验材料。将叶片用蒸馏水冲洗干净，擦干后测定各项生理指标。叶绿素含量采用乙醇提取法[9]测定；脯氨酸(Pro)含量采用水合茚三酮法[9]测定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法[9]测定；MDA采用硫代巴比妥酸法[9]测定；超氧阴离子采用王爱国等[10]的方法测定；相对电导率采用电解质外渗量法[9]测定；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用Giannopolitis和Ries[11]的方法测定；过氧化物酶(POD)活性采用Shi等[12]的方法测定；过氧化氢酶(CAT)活性采用Aebi[13]的方法测定。

1.5 数据处理

采用Office 2010软件对数据进行处理和绘图，采用SPSS 17.0统计分析软件对数据进行差异显著性检验，取P<0.05为显著相关，各项指标测定重复3次。

2 结果与分析

2.1 稀土微肥氯化镨对干旱胁迫下马铃薯幼苗叶片叶绿素含量的影响

由表1可知，同一水分梯度下，增施不同浓度PrCl3后，随着增施浓度的升高，幼苗叶片叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)、叶绿素总量及叶绿素a/b(Chl a/Chl b)呈先升高后降低的趋势，但均高于未增施处理。Water-CK处理下，当PrCl3浓度为90 mg·L-1时，叶片Chl a、Chl b、叶绿素总量达到最大值，分别较未增施处理升高了296.75%、298.10%和297.64%；Water-1处理下，当PrCl3浓度为90 mg·L-1时，叶片以上各指标达到最大值，分别较未增施处理升高了132.23%、131.06%和131.45%；Water-2处理下，当PrCl3浓度为90 mg·L-1时，叶片以上各指标达到最大值，分别较未增施处理升高了163.45%、161.80%和162.35%。

表1 稀土微肥氯化镨对干旱胁迫下马铃薯幼苗叶片叶绿素含量的影响

注：同列不同小写字母表示同一水分条件下不同施肥水平间差异显著,下同。

Note：Different lowercase letters in the same column indicate significant difference atP<0.05 level of the different fertilizer content in the same water treatment, the same below.

2.2 稀土微肥氯化镨对干旱胁迫下马铃薯幼苗叶片渗透调节物质含量的影响

由图1A可知，随干旱胁迫程度的加剧，马铃薯幼苗叶片可溶性糖含量逐渐升高，不同干旱胁迫处理下，增施不同量的PrCl3后，叶片内可溶性糖含量呈先升高后降低的趋势，各处理下差异显著(P<0.05)，当PrCl3的增施量为90 mg·L-1时，Water-CK、Water-1和Water-2可溶性糖含量达到最大值，分别为2.907、2.694 mg·g-1和3.121 mg·g-1，比未增施的升高了98.91%、59.36%和59.59%。

由图1B可知，增施不同浓度的PrCl3后，Water-CK下马铃薯幼苗叶片脯氨酸含量逐渐升高，其余2个处理下脯氨酸含量呈先升高后降低的变化趋势，各处理间差异显著(P<0.05)。Water-1和Water-2处理下，PrCl3增施量为90 mg·L-1时，脯氨酸含量达到最大值，分别为354.53 μg·g-1和547.58 μg·g-1，较未增施处理分别升高了199.95%和151.45%。

注：同一类折线上不同小写字母表示相同水分处理不同施肥水平间差异显著,下同。Note：Different lowercase letters in the same fold line indicate significant difference atP<0.05 level of the different fertilizer content in the same water treatment, the same below.图1 稀土微肥氯化镨对干旱胁迫下马铃薯幼苗叶片可溶性糖和脯氨酸含量的影响Fig.1 Effects of rare-earth micronutrient fertilizer praseodymium chloride on the soluble sugar and proline contents in potato seedlings under drought stress

2.3 稀土微肥氯化镨对干旱胁迫下马铃薯幼苗叶片活性氧相关物质代谢的影响

相同PrCl3浓度下，随着干旱胁迫程度的加剧，马铃薯幼苗叶片相对电导率逐渐升高(图2B)，Water-1和Water-2处理高于Water-CK。不同干旱胁迫下，增施不同浓度PrCl3后，马铃薯幼苗叶片相对电导率呈先降低后升高的趋势，相同水分状况不同浓度处理间差异显著(P<0.05)。当PrCl3增施浓度为90 mg·L-1时，各干旱处理下叶片内相对电导率最小，分别为13.78%、23.02%和25.30%，较未增施处理降低了40.55%、16.86%和25.29%。

由图2C可知，随着干旱胁迫程度的加剧，马铃薯幼苗叶片MDA含量逐渐升高的变化趋势，Water-2处理显著高于Water-CK和Water-1处理。相同干旱胁迫下，增施不同浓度的PrCl3，马铃薯幼苗叶片MDA含量呈先降低后升高的趋势，各处理间差异显著(P<0.05)。当PrCl3浓度为90 mg·L-1时，马铃薯幼苗叶片MDA含量最低，较对应未增施处理降低了55.79%、38.48%和54.52%。

2.4 稀土微肥氯化镨对干旱胁迫下马铃薯幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

如图3所示，不同程度干旱处理及增施PrCl3后对马铃薯幼苗叶片SOD、POD和CAT活性均有影响。随着干旱胁迫程度的加剧，Water-1和Water-2处理马铃薯幼苗叶片SOD活性显著高于Water-CK处理。相同干旱处理下，增施PrCl3后，随着PrCl3浓度的升高，叶片SOD活性呈先升高后降低的趋势。在Water-1和Water-2处理下，当PrCl3浓度为90 mg·L-1时，马铃薯幼苗叶片SOD活性达到峰值，分别为717.71 U·g-1和662.35 U·g-1，比相同干旱处理下未增施PrCl3处理分别升高了52.99%和38.35%。

不同干旱处理下增施不同浓度PrCl3，随着增施浓度的升高，马铃薯幼苗叶片POD活性呈先升高后下降的趋势，且各处理间差异显著(P<0.05)。Water-CK处理下，马铃薯幼苗叶片POD活性变化缓慢，而其他2组干旱处理下叶片POD活性变化剧烈，当PrCl3增施浓度达到90 mg·L-1时，叶片POD活性最高，分别较相同处理下未增施PrCl3升高了36.34%和28.08%。

随干旱胁迫程度的加剧，马铃薯幼苗叶片CAT活性逐渐升高。相同干旱胁迫处理下，增施不同浓度PrCl3后，叶片CAT活性呈先升高后降低的趋势，且各处理间差异显著(P<0.05)。当PrCl3增施浓度达到90 mg·L-1时，各干旱胁迫处理下叶片CAT活性最高，较未增施PrCl3分别显著升高了90.00%、114.00%和66.00%。

图2 稀土微肥氯化镨对干旱胁迫下马铃薯幼苗叶片产生速率、相对电导率及MDA含量的影响Fig.2 Effects of rare-earth micronutrient fertilizer praseodymium chloride on production rate,relative conductivity,and MDA contents in potato seedlings under drought stress

图3 稀土微肥氯化镨对干旱胁迫下马铃薯幼苗叶片SOD、POD及CAT活性的影响Fig.3 Effects of rare-earth micronutrient fertilizer praseodymium chloride on the activities of SOD,POD and CAT in potato seedlings under drought stress

2.5 稀土微肥氯化镨对干旱胁迫下马铃薯生长发育的影响

由表2可知，随着干旱胁迫程度的加剧，相同PrCl3处理下马铃薯株高、茎粗、地上部分干重、地下部分干重、地上分枝数及单株薯重呈逐渐下降的趋势。同一干旱胁迫处理下，增施不同浓度PrCl3缓解了干旱胁迫对马铃薯生长发育造成的影响，马铃薯以上各指标均高于未增施处理，且随着增施浓度的升高，各指标值呈先升高后下降的趋势。Water-CK处理下，当PrCl3增施浓度达到90 mg·L-1时，马铃薯株高、茎粗、地上部分干重、地下部分干重、地上分枝数及单株薯重均达到峰值，分别较未增施处理升高了81.46%、87.16%、100.99%、30.31%、28.57%和46.91%；Water-1处理下，当PrCl3增施浓度达到90 mg·L-1时，马铃薯以上各指标分别较未增施处理升高了74.47%、63.99%、101.20%、39.15%、136.36%和59.52%；Water-2处理下，当PrCl3增施浓度达到90 mg·L-1时，马铃薯以上各指标分别较未增施处理升高了67.87%、21.68%、32.81%、49.05%、187.50%和63.91%。

表2 稀土微肥氯化镨对干旱胁迫下马铃薯植株生长发育的影响

3 讨 论

叶片是植物对环境变化感应较为敏感的器官，叶片中的叶绿素是植物进行光合作用的物质基础，也是植物生长过程中的重要生理参数[14]，因此叶绿素含量的高低在一定程度上反映了光合能力的强弱。光合作用是植物最重要的合成代谢过程之一，直接关系着植物的生长状况[15]，其强弱对植物抗逆性有重要影响。本研究中，低浓度(0～90 mg·L-1)的氯化镨处理显著提高了干旱胁迫下马铃薯幼苗叶片叶绿素含量，高浓度(120～150 mg·L-1)的氯化镨处理后叶绿素含量降低，这与唐加红等[7]研究发现适量的稀土微肥可促进干旱胁迫下小麦叶片叶绿素含量的升高相似，其可能的作用机理是Pr能显著提高叶片叶绿素含量，促进马铃薯叶片光合作用。

植物通过积累渗透调节物质以抵抗干旱胁迫的伤害。可溶性糖和脯氨酸是2种重要的渗透调节剂，是细胞质中重要的渗压剂和防脱水剂，在逆境胁迫条件下，能保护细胞膜和原生质的稳定性，降低细胞的渗透势[16]，提高植物组织的保水力[17]。因此保持植物体细胞内相对较低的渗透势是提高作物抗旱性的重要保障。马楠等[18]研究显示干旱胁迫使4种花卉植物细胞内可溶性糖和脯氨酸含量升高。任艳芳等[19]研究表明稀土镨可增加镉胁迫下水稻根系脯氨酸含量。本试验结果表明马铃薯幼苗叶片可溶性糖和脯氨酸含量随干旱胁迫程度的加剧而升高，当浇灌PrCl3后，叶片可溶性糖和脯氨酸含量显著高于未增施处理。由此推测，外源Pr的增施有助于促进马铃薯植株叶片细胞内渗透调剂物质的积累，从而提高马铃薯抗旱性。

干旱胁迫在一定程度上影响植物的生长与发育，且对其有整体性反应。植物生物量的积累是反映植物受到干旱胁迫最明显的生理表征[28]。赵春桥等[29]研究表明柳枝稷在干旱胁迫处理下生长特性受到显著抑制，株高、地上和地下部生物量显著降低。杨祁峰[30]研究发现施用稀土肥料可显著增加马铃薯单株薯重。本试验结果表明干旱胁迫处理下马铃薯生长发育受到抑制，表现为植株矮小，茎细，地上、地下部分干重和地上分枝数减少，单株产量低。喷施PrCl3提高了马铃薯的株高、茎粗、地上及地下部分干重和单株薯重。其可能的作用机理是Pr促进马铃薯幼苗叶片光合作用，从而增加光合产物。

4 结 论

本文通过研究叶面增施不同浓度的PrCl3溶液对干旱胁迫下马铃薯幼苗的影响发现，增施90 mg·L-1PrCl3溶液对提高重度干旱下马铃薯株高、茎粗、地上部分干重、地下部分干重、地上分枝数及单株薯重的效果显著，上述各指标分别较未增施处理升高了67.87%、21.68%、32.81%、49.05%、187.50%和63.91%。另外，马铃薯幼苗叶片中MDA和活性氧自由基产生速率随土壤含水量的减少而逐渐升高，渗透调节物质含量增加；但由于干旱程度的加剧，马铃薯自身的抗逆体系已经不能完全抵御逆境对其的伤害，通过不同浓度的氯化镨处理后，马铃薯幼苗叶片中SOD，POD以及CAT活性显著升高，说明植株清除活性氧自由基的能力得到增强，这有利于维持膜的稳定性和减少膜质过氧化作用，从而提高马铃薯的抗旱性。