土壤含水量和pH的耦合作用对柳枝稷的影响1*

张红娟，马晓敏，顾沐宇，归 静，高 伟，王佺珍

(西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌 712100)



土壤含水量和pH的耦合作用对柳枝稷的影响1*

张红娟，马晓敏，顾沐宇，归 静，高 伟，王佺珍*

(西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌 712100)

为明确柳枝稷对水胁迫和酸碱胁迫的耐受力，论文以盆栽的柳枝稷(Panicumvirgatum)Alamo为试验材料，测定在5个土壤含水量水平(8%，16%，20%，24%和32%)和5个pH水平(4.9，6.3，7.0，7.7和9.1)柳枝稷的产量(干鲜重、分蘖和株高)、生理反应(可溶性糖、脯氨酸、丙二醛、叶绿素含量和相对电导率)和品质(纤维素、半纤维素、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维和酸性洗涤木质素)。结果表明：干旱胁迫和酸碱胁迫对柳枝稷的多项指标影响不显著，柳枝稷对干旱和pH胁迫有一定的耐受力；土壤含水量和pH对柳枝稷的鲜重和脯氨酸含量产生了显著的耦合作用，为柳枝稷在边际土地上的引种种植提供了理论依据；纤维素与干鲜重、酸性洗涤纤维、酸性洗涤木质素、中性洗涤纤维含量、株高显著正相关，与可溶性糖、脯氨酸、丙二醛含量和相对电导率显著负相关。

柳枝稷；水胁迫；pH胁迫；耦合作用

土壤干旱和酸化碱化已经成为世界性的问题。全球范围内，用于作物的水是有限的，只占了整个农业用水的20%[1]。世界上可耕土地的50%都是酸性土壤，有60%分布在农业是主要产业的热带和亚热带地区[2]。土壤碱化通常是由Na2CO3和NaHCO3引起的。世界上可耕土地中，有0.56×109hm2(37%)是苏打土。比如中国东北草原上的碱化草场已达70%以上[3]。全球的可耕土地是有限的，但是我国尚有相近于现耕地面积的，约1×108hm2不宜垦为农田，但可种植高抗逆性能源植物的边际性土地[4]。

柳枝稷(PanicumvirgatumL.)，是禾本科C4多年生根茎型高杆植物，有很强的环境适应能力，具有低投入高产出的特性[5-9]。柳枝稷可以生产出高于其他作物5.4倍的可再生能源[10]，降低温室气体的排放[11]，通过固定地下碳来改善土壤质量[12]；具有较高的能量转化效率和经济效益，在环保效益表现尤为突出[13]。出于上述所提及的特征，在许多国家，柳枝稷都受到了极大的关注，是可以用于生物乙醇生产种植在边际土地上以避免和粮食竞争的重要作物之一。在边际土地种植柳枝稷，既可在不与粮食竞争的基础上有效缓解生物质原材料供应不足问题，又可改善边际土地地区的生态环境[14]。

之前有许多关于酸胁迫[15-17]、碱胁迫[3,18-20]和水分胁迫[21-28]对植物的影响，其中也有碱胁迫和干旱胁迫对柳枝稷的影响，如刘源等[20]研究了盐碱胁迫对柳枝稷的影响，结果表明在高pH处理下，柳枝稷的幼苗生长显著受抑制；朱毅等[28]分析了水分胁迫对柳枝稷的影响，结果表明随着水分胁迫程度的增加，柳枝稷植株高度、分蘖数、生物质积累量、纤维素和半纤维素含量都降低，而木质素含量升高。但是目前没有关于pH和水分胁迫对柳枝稷耦合作用影响的报道。本文研究了不同土壤含水量和pH条件下柳枝稷的生长情况，来分析pH和水对柳枝稷的耦合作用，为柳枝稷在边际土地上种植提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概述

盆栽试验于2013年4月到9月在陕西省杨凌区西北农林科技大学农一试验站全自动草业科学温室 (34°28′ N, 108°07′ E) 内进行。试验期间，平均温度是25～38 ℃，相对湿度是35%～55%。

1.2 试验方法

试验用花盆为圆柱形塑料花盆，直径25 cm，盆高15 cm，所用盆土采自西北农林科技大学农一试验站大田，为黏性土。每盆装风干土3 kg，所用土壤均过2 mm筛。为了能更好的透气，花盆底部平均分布有三个小孔(小孔直径为1 cm)。试验材料为根茎繁殖的营养期柳枝稷。将柳枝稷芽栽在花盆中，置于温室外，平均昼夜温度为28/20 ℃。两周后，选择生长一致的柳枝稷移植到新的花盆中，每个花盆移植7株。经过一段时间的完全灌溉，植株恢复生长力后，于2013年6月1日进行水和pH胁迫的处理。试验期间，要严格防治植物病虫害。所有处理都接受相同的农业措施的管理。

试验采用2因子5水平的旋转正交试验设计，一共22个处理，每个处理3个重复。以土壤含水量和pH作为试验因素，五个土壤含水量水平32%，24%，20%，16%和8%, 和五个pH水平4.9，6.3，7.0，7.7和 9.1。以NaOH和H2SO4混合通过pH计来确定pH，将确定好pH的溶液分别浇到各自的花盆中。用电子天平称重法来监测和调控土壤含水量，每天17∶00测定，并补水至试验设置的土壤含水量，试验因素和相对应的pH和土壤含水量的各个水平见表1。

表1 试验因素和相对应的pH和土壤含水量的水平

1.3 测定指标

处理2 d后，测定植株的绝对株高和分蘖，绝对株高的测定方法是用钢尺测定从盆土表面至分蘖顶端叶片的长度，重复3次；分蘖是测定每株的分蘖总数。每7 d测一次，试验期间一共测定8次。

两个月的处理后，将柳枝稷植株的地上部分刈割，移除杂物后测定鲜重(FW)。其后在105 ℃烘箱中杀青30 min，75 ℃烘干至恒重，称量得干重(DW)。将烘干后的柳枝稷材料粉碎并过40目筛，每个处理重复三次。

随机称量一定质量的样本，按照Van Soest法[29]测定以下生物质指标：酸性洗涤纤维，中性洗涤纤维，酸性洗涤木质素，纤维素，半纤维素和木质素含量。

刈割之前，选取一些相似的叶片，用去离子水洗干净，并用吸水纸擦干叶片表面的水。称量鲜重材料100 mg采用Bates的方法来测定脯氨酸含量[30]；同样的称取100 mg鲜重材料用蒽酮测定可溶性糖含量[31]，采用Madhava和Sresty描述的方法称取100 mg 鲜重材料利用MDA与TBA的反应来测定MDA含量[32]。

1.4 数据分析

利用Excel 2007和SPSS 18.0软件对数据进行统计分析，差异显著者用LSD法进行多重比较，各组试验数据均以“平均数±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量与pH单因素对柳枝稷产量的影响

表2显示，在不同土壤含水量下，柳枝稷产量随着土壤含水量的降低而不断降低，水分胁迫程度越高，下降程度越大；不同pH对柳枝稷产量的影响不显著，但是随着pH的增加，柳枝稷产量也呈现先增后减的变化趋势，且在pH为7.0时达最大值(鲜重在pH为6.3时达到最大值除外)。

2.2 土壤含水量和pH单因素对柳枝稷生理反应的影响

从表3知，随着土壤含水量的增加，可溶性糖、脯氨酸、丙二醛含量和相对电导率均下降，但当土壤含水量大于16%时，含量增加均不显著；不同pH对柳枝稷生理反应影响较小，各个pH水平下这几个指标均变化不显著，但是也有先降后增的趋势。

2.3 土壤含水量和pH单因素对柳枝稷品质的影响

不同土壤含水量和pH胁迫下，柳枝稷品质的变化较小(表4)。随着土壤含水量的增加，柳枝稷纤维素含量呈现先增后减的变化趋势，且在土壤含水量为20%时达最大值，但与土壤含水量为24%和32%处理下差异不显著；在不同pH值下，柳枝稷纤维素含量也是呈现先增后减的趋势，且在pH为7.0时达到最大值，但与pH为6.3、7.7和9.1时差异不显著。

表2 土壤含水量和pH对柳枝稷产量的影响

注：表中数值以均值±标准差表示，同列数据后标不同字母代表差异显著(P<0.05)，标相同字母表示差异不显著(P>0.05)。下同。

Notes: The data in the table is expressed as mean ± standard deviation. Different lowercase letters in same column mean significant difference (P<0.05), while data with same lowercase letters mean insignificant difference (P>0.05). The same as below.

表3 土壤含水量和pH对柳枝稷生理反应的影响

表4 土壤含水量和pH对柳枝稷品质的影响

2.4 土壤含水量和pH耦合作用对柳枝稷的影响

对土壤含水量和pH以及两者的耦合作用对柳枝稷生理反应和品质指标的影响进行分析后得出：相伴概率均小于0.05，说明土壤含水量、pH及两者的交互作用对柳枝稷鲜重和脯氨酸含量产生显著的影响，而对其他指标没有显著的影响(其他指标未在文中标出),见表5。

2.5 柳枝稷各指标之间的相关关系

干鲜重之间存在极显著相关，并且其均与酸性洗涤纤维、纤维素、酸性洗涤木质素含量、株高、分蘖显著正相关，与可溶性糖、脯氨酸、丙二醛含量和相对电导率显著负相关，鲜重还与中性洗涤纤维显著正相关；纤维素与干鲜重、酸性洗涤纤维、酸性洗涤木质素、中性洗涤纤维含量、株高显著正相关，与可溶性糖、脯氨酸、丙二醛含量和相对电导率显著负相关；生理指标可溶性糖、脯氨酸、丙二醛含量和相对电导率之间显著正相关(表6)。

表5 土壤含水量与pH耦合对柳枝稷鲜重和脯氨酸含量影响的方差分析

表6 柳枝稷幼苗鲜重、干重、酸性洗涤纤维、纤维素、酸性洗涤木质素、中性洗涤纤维、半纤维素、株高、分蘖、可溶性糖、脯氨酸、丙二醛含量和相对电导率之间的Pearson相关分析(N=22)

注：表中*代表P<0.05，**代表P<0.01。

Notes: F-values are presented for significant differences: *P<0.05, **P<0.01.

3 讨 论

土壤含水量和pH的耦合作用机制要比pH或土壤含水量单个因素的作用机制复杂的多。干旱胁迫引起的植物体内水分亏缺，会使植物正常的生长受到损害，加速组织、器官和个体的衰老、脱落或死亡[33]。本研究结果显示，水分胁迫对所测指标均有显著影响，半纤维素和叶绿素除外。由碱胁迫引起的渗透胁迫、离子毒害和pH的升高给植物生长带来了负面影响[18]。碱胁迫对纤维素、中性洗涤纤维、半纤维素、可溶性糖、脯氨酸和MDA含量都产生了显著影响。并且，土壤含水量和pH对柳枝稷的鲜重和脯氨酸含量产生了显著的耦合作用。自然界中，土壤干旱和盐碱化经常同时发生，鲜重和脯氨酸含量的改变也许是柳枝稷在逆境胁迫下的主要适应机制。

许多作物耐非生物胁迫有一个临界值，超过临界值之后作物的生长和产量都会随着胁迫的增强而受到抑制[34]。这个临界值在不同植物之间、相同植物不同品种之间是不同的[35]。植物产量、纤维素、脯氨酸、MDA、可溶性糖等经常被用来评估不同植物在非生物胁迫下的忍受程度。在水或酸碱胁迫下，脯氨酸会比植物中其他氨基酸更快的成比例增加，因此脯氨酸已经被认为是评估灌溉工程和选择耐旱作物品种的重要参数之一。本研究表明随着干旱胁迫程度的增加，脯氨酸含量逐渐增加，但是只有在土壤含水量为8%时才有显著增加，说明柳枝稷对水分胁迫有一定的耐受能力。MDA含量与柳枝稷干鲜重显著正相关，与可溶性糖含量显著负相关，这与Bai等[36]对燕麦的研究结果完全一致。

柳枝稷可以参与多种生物能源转化过程。在这些过程中，经水解发酵后可以生成乙醇的有效成分是纤维素。在纤维素乙醇的生产过程中，纤维素含量与木质素和半纤维素含量显著负相关，与乙醇产量显著正相关[13]。本研究中，纤维素含量与酸性洗涤木质素显著负相关，但是与半纤维素没有显著的相关关系。半纤维素经过一定的处理后也可通过酸水解或酶水解转化成乙醇[9]，所以本结果为柳枝稷生产生物乙醇提供了更有力的证据。纤维素含量受干旱和pH胁迫影响比较显著，特别是当土壤含水量为8%和pH为4.9时纤维素含量显著降低(表6，7)，为柳枝稷在边际土地上的引种研究提供了理论依据。

4 结 论

柳枝稷对干旱和酸碱胁迫有一定的耐受力。土壤含水量和pH的耦合作用对柳枝稷的鲜重和脯氨酸含量产生了显著影响。纤维素与干鲜重、酸性洗涤纤维、酸性洗涤木质素、中性洗涤纤维含量、株高显著正相关，与可溶性糖、脯氨酸、丙二醛含量和相对电导率显著负相关。

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Coupling Effect of Soil Water Content and pH on Switchgrass

ZHANG Hong-juan，MA Xiao-min，GU Mu-yu，GUI Jing，GAO Wei， WANG Quan-Zhen*

(CollegeofAnimalScienceandTechnology，NorthwestA&FUniversity，Yangling，Shaanxi712100，China)

To study the tolerance of switchgrass to water stress and pH stress, the potted switchgrass (Panicumvirgatum) Alamo were chosen as experimental material to test the yield (fresh and dry weight, number of tillers and shoot length), physiological response (soluble sugar content, proline, MDA, chlorophyll content and relative conductivity) and quality (cellulose, hemi-cellulose, acid detergent cellulose, neutral detergent cellulose and acid detergent ligin) of switchgrass with five different soil water contents (8%, 16%, 20%, 24%, and 32%) and five different pH levels (4.9, 6.3, 7.0, 7.7, and 9.1). The results showed that the water deficiency and pH stress did not affect most of indexes of switchgrass significantly, ie.switchgrass can tolerant the drought and pH stress to some extent. Soil water content and pH displayed a coupling effect on fresh weight and proline content, providing a theoretical basis for inducing and planting switchgrass on marginal lands. There displayed a significant and positive correlation between cellulose content and fresh weight, dry weight, acid detergent cellulose, acid detergent ligin, neutral detergent cellulose and shoot length, and also a significant and negative correlation between cellulose content and soluble sugar, proline, MDA content and relative conductivity.

switchgrass; water stress; pH stress; the coupling effect

2014-09-03，

2014-11-20

国家自然科学基金(31472138)

张红娟(1989-) ，女，河南新乡人，在读硕士，研究方向为牧草的生物能开发利用等。E-mail: 804574909@qq.com

*[通讯作者] 王佺珍(1963-)，男，内蒙古卓资人，教授，博士生导师，主要从事牧草繁殖栽培、种质资源评定及天然产物提取研究。E-mail: wangquanzhen191@163.com

S811.6

A

1005-5228(2015)08-0055-07