生物菌肥对燕麦叶片生理特性及产量的影响

刘亚东，刘景辉，卿香玉，刘建伟，陈 健，邵天艺，何 敏

（内蒙古农业大学农学院,内蒙古呼和浩特 010019）

目前,土壤盐渍化已经成为制约农业生产的重要因素[1]。内蒙古土壤盐渍化面积达316.3万hm2,耕地盐渍化面积达46.7万hm2,且耕地次生盐渍化面积仍以1.0万～1.3万hm2/a的速度增加[2]。因此,治理和改良盐渍化土壤迫在眉睫。燕麦属禾本科燕麦属一年生草本植物,它是一种粮饲兼用作物[3],具有耐盐碱特性[4-5],能产生一定的经济效益和生态效益[6]。据相关研究表明,生物菌肥能够改良利用盐碱土[7-10]。顾金凤[11]的研究表明,生物菌肥对改良盐渍化土壤有积极作用。黄铖程等[12]研究证实生物菌肥不仅可提高作物的耐盐碱性,还可以提高土壤肥力。许永胜等[13]研究表明,用生物菌肥拌种和喷施对黑钙土燕麦的光合生理和全氮含量都有积极作用。卢培娜等[14]研究表明,施用生物菌肥可以增强盐碱地燕麦的光合作用,提高燕麦产量。

综合以上研究发现,生物菌肥不仅有利于改善盐碱地,而且对燕麦的生长发育有不可忽视的影响。但是,生物菌肥对不同土壤类型的作用效果研究较少,本试验对比研究了生物菌肥对壤土与盐碱土燕麦的生理特性,分析了壤土和盐碱土条件下燕麦的光合生理及产量差异,旨在为利用生物菌肥改良盐碱地提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地基本情况

试验于2018年在内蒙古农业大学燕麦产业中心温室进行。昼夜平均温度22/17℃,相对湿度70%。本试验采用盆栽试验,供试土壤分别采自内蒙古农业大学海流图试验基地（盐碱土,记作Y）、内蒙古农业大学教学农场（壤土,记作R）,土壤理化性状见表1。

表1 试验土壤理化性状

1.2 试验材料

供试燕麦品种为白燕2号；供试生物菌肥：复合微生物菌肥,总养分（N+P2O5+K2O）6%、有机质≥30%、粗蛋白≥8%、氨基酸≥4%、钙≥6%,有效活菌数≥2×108个/g,由辽宁嘉华农业科技有限公司提供；底肥磷酸二铵（N 18%、P2O546%）。

1.3 试验方法

本试验为室内盆栽试验,共设4个处理,分别为R（壤土）、RM（壤土添加生物菌肥）、Y（盐碱土）和YM（盐碱土添加生物菌肥）。试验重复3次,在燕麦生育时期取5次样,共60盆。采用盆口直径为11 cm,盆底直径为9 cm,盆高为12 cm的花盆种植燕麦,每盆装土4.5 kg,播种燕麦25株,2 g/盆磷酸二铵作为底肥施入,生物菌肥施用量为15 g/盆。播种前浇足水,均匀撒种25粒,播后覆土300 g,播种时间为2018年3月17日,于三叶期定植为20株/盆,3 d浇水1次,每次按350 mL/盆浇水量进行浇水。

1.4 样品采集

在燕麦分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期分别测定其燕麦叶片SPAD值、光合速率（A）、蒸腾速率（E）、气孔导度（Gs）、胞间 CO2浓度（Ci）和水分利用效率（WUE）,并取新鲜叶片在实验室测定其超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）含量、游离脯氨酸（Pro）含量。分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期、收获分别测定每盆燕麦地上部鲜重、干重。

1.5 测定指标与方法

叶片光合指标：燕麦旗叶SPAD值使用SPAD-502型叶绿素仪进行测定；叶片光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度和水分利用效率使用CIRAS-3型光合仪在9：00—11：00时进行测定。

叶片生理指标：超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定采用氮蓝四唑（NBT）法[15]；丙二醛（MDA）含量的测定采用硫代巴比妥酸法[16]；游离脯氨酸（Pro）含量的测定采用磺基水杨酸法[17]。

燕麦产量：于燕麦抽穗期进行其地上部分鲜、干重测定；植株群体进入成熟期后,对不同处理进行统一测产,对每盆燕麦植株晒干后进行考种,测定指标分别包括小穗数、穗粒数、千粒重。考种后将材料称重计入每盆产量结果,称量器具为1/100电子台秤。

1.6 数据处理

使用Microsoft Excel 2010处理数据和作图,用SAS 9.0进行数据的统计分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 生物菌肥对燕麦叶片光合生理特性的影响

2.1.1 生物菌肥对SPAD值的影响 由表2可知,两种土壤类型条件下各生育时期燕麦叶片SPAD值均差异显著（P＜0.05）,在分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期,Y处理SPAD值较R处理降低了14.13%,29.13%,30.55%,26.47%。施用生物菌肥后,壤土和盐碱土条件下的燕麦叶片SPAD值均有所增加。其中,在分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期,RM处理分别较R处理增加1.36%,17.69%,5.51%,0.87%,在拔节期与抽穗期,RM处理处理显著（P＜0.05）高于R处理；YM处理分别较Y处理提高14.24%,8.62%,4.48%,0.43%,分蘖期YM处理显著（P＜0.05）高于Y处理。

表2 不同处理对叶片SPAD值的影响

2.1.2 生物菌肥对光合特性的影响 由表3可知,两种土壤类型条件下在拔节期和抽穗期燕麦叶片净光合速率和蒸腾速率的差异显著（P＜0.05）,均表现为R处理的燕麦叶片光合作用显著高于Y处理。在抽穗期,壤土条件下的胞间CO2浓度和气孔导度显著（P＜0.05）高于盐碱土。在拔节期,Y处理的Ci、A、Gs、E、WUE分别较 R处理降低了-2.00%,64.68%,46.98%,46.05%,10.42%；在抽穗期,Y处理的 Ci、A、Gs、E、WUE分别较 R处理降低了17.13%,64.54%,75.09%,58.33%,15.72%。在拔节期,RM处理较R处理的Ci、A、Gs、E、WUE分别提高-16.27%,5.30%,15.91%,10.53%,31.67%,差异均不显著（P＞0.05）,YM 处理较Y处理的Ci、A、Gs、E、WUE 分别提高-5.51%,20.93%,11.70%,28.46%,-8.53%,差异均不显著（P＞0.05）。在抽穗期,RM 处理较 R处理的 Ci、A、Gs、E、WUE分别提高-3.09%,10.26%,10.72%,4.70%,9.09%,差异不显著（P＞0.05）,YM处理较Y处理的Ci、A、Gs、E、WUE分别提高-3.93%,23.84%,12.75%,6.67%,18.65%,差异不显著（P＞0.05）。

表3 不同处理对燕麦光合作用相关参数的影响

2.2 生物菌肥对叶片丙二醛（MDA）的影响

由图1可知,在盐碱土条件下由于植物体受到盐胁迫,两种土壤类型条件下在拔节期、抽穗期和灌浆期燕麦叶片丙二醛含量的差异显著（P＜0.05）,表现为盐碱土高于壤土,在分蘖期则无显著差异（P＞0.05）。Y处理较R处理的MDA含量在分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期分别提高了17.75%,63.24%,50.19%,15.55%。施用生物菌肥后,除拔节期外,壤土和盐碱土条件下燕麦叶片的丙二醛含量均有所降低。在分蘖期、抽穗期、灌浆期,RM处理燕麦叶片的丙二醛含量分别较R处理降低6.00%,16.77%,36.02%,其中,在抽穗期与灌浆期,RM处理处理显著（P＜0.05）低于R处理；在分蘖期、抽穗期、灌浆期,YM处理分别较Y处理降低9.17%,12.67%,29.55%,其中,抽穗期与灌浆期YM处理显著（P＜0.05）低于Y处理。在分蘖期和拔节期,RM处理与R处理、YM处理与Y处理均差异不显著（P＞0.05）。在分蘖期,R处理、Y处理、YM处理之间无显著差异（P＞0.05）,R处理、RM处理、YM处理之间无显著差异（P＞0.05）。在整个生育时期,各处理的丙二醛含量随时间呈“V”形曲线,即先降低后升高,在拔节期处于最低点,至灌浆期达到最高点。相较于未施用生物菌肥的处理,施用生物菌肥植株叶片丙二醛的含量在整个生育时期内变化更加稳定。

图1 生物菌肥对叶片丙二醛（MDA）的影响

2.3 生物菌肥对叶片超氧化物歧化酶（SOD）的影响

由图2可知,在盐碱土条件下由于植物体受到盐胁迫,两种土壤类型条件下燕麦叶片SOD活性存在显著差异（P＜0.05）,在分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期,Y处理的SOD活性分别较R处理降低了15.79%,-18.44%,16.89%,38.16%；RM处理燕麦叶片的SOD活性分别较R处理降低6.02%,-1.97%,17.50%,18.86%,其中,在分蘖期、抽穗期和灌浆期,RM处理处理均显著（P＜0.05）低于R处理,拔节期Y处理与YM处理无显著差异（P＞0.05）；YM处理分别较Y处理降低2.60%,3.20%,19.69%,-4.26%,其中,抽穗期YM处理处理显著（P＜0.05）低于Y处理,在分蘖期、拔节期、灌浆期则无显著差异（P＞0.05）。总体来看,R处理和RM处理的SOD活性在整个生育时期内呈现出先降低后升高的趋势,而Y处理和YM处理则呈现出先升高后降低的趋势。

2.4 生物菌肥对叶片游离脯氨酸（Pro）的影响

图2 生物菌肥对叶片超氧化物歧化酶（SOD）的影响

由图3可知,两种土壤类型条件下在分蘖期和抽穗期燕麦叶片游离脯氨酸含量的差异达显著水平（P＜0.05）,表现为Y处理高于R处理,在拔节期和灌浆期则无明显差异,4个时期Y处理的游离脯氨酸含量分别较R处理增加了364.38%,10.07%,83.90%,2.69%。在整个生育期,R处理和RM处理表现出先升高后降低的趋势；Y处理、YM处理总体呈现下降趋势,且至灌浆期回落到与R处理、RM处理无显著差异（P＜0.05）的水平。在分蘖期、拔节期、抽穗期,RM处理分别较R处理降低27.28%,20.45%,52.44%,其中,抽穗期RM处理显著（P＜0.05）低于R处理；YM处理分别较Y处理降低22.78%,18.07%,37.66%,其中,分蘖期和抽穗期YM处理显著（P＜0.05）低于Y处理。灌浆期4个处理的游离脯氨酸含量差异不显著（P＞0.05）。

图3 生物菌肥对叶片游离脯氨酸（Pro）的影响

2.5 生物菌肥对生物产量的影响

由表4可知,Y处理在抽穗时期的鲜重、干重均显著（P＜0.05）小于R处理,分别降低了67.80%,61.78%,说明土壤中含盐量高会显著抑制燕麦的生长。施用生物菌肥后,RM处理在抽穗时期的鲜重、干重和籽粒产量相对于R处理降低了19.28%,19.44%,8.84%,均无显著差异（P＞0.05）。施用生物菌肥后,YM处理在抽穗时期的鲜重、干重相对于Y处理增加了47.04%,43.97%,但均无显著差异（P＞0.05）,Y处理、YM处理未产生有效籽粒产量。

表4 生物菌肥对生物产量的影响g/盆

3 结论与讨论

SPAD值可以表征活体叶片中的相对叶绿素含量,大量研究表明,SPAD值与叶片叶绿素含量有很好的相关性[18-21]。本试验中,在盐碱土中生长的燕麦SPAD值在各个时期均显著低于在壤土中生长的燕麦。白健慧[22]的研究表明中低浓度盐处理有利于叶绿素的形成,而重度盐处理会使燕麦受到重度盐胁迫并破坏叶绿素结构、限制叶绿素合成,该结果与本试验结果一致。施用生物菌肥可以显著提高壤土栽培条件下燕麦拔节期、抽穗期以及盐碱土栽培条件下分蘖期的SPAD值,即提高了其叶片的叶绿素含量,对于光合作用有着重要意义。同时本试验还发现,施用生物菌肥对在不同类型土壤中生长的燕麦发挥作用的时间也不同,其中的机理还需要进一步研究。光合作用是植物生长发育必需的生理反应,也是形成产量的关键环节。在盐碱土中生长的燕麦净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、水分利用效率较壤土均有所降低,其中在抽穗期气孔导度降低幅度最大。白健慧[22]的研究表明,在中、重度盐胁迫下,气孔是燕麦光合作用降低的主要原因,本试验中Y处理较R处理的光合作用降低也应是气孔因素导致的。施用生物菌肥后,两种类型土壤中燕麦叶片的A、Gs、E均有所提高,同时燕麦叶片的Ci有所降低,但差异均不显著（P＞0.05）。而卢培娜等[14]的研究表明,在盐碱地中施用生物菌肥可以显著提高燕麦的光合特性,这可能与环境条件、生物菌肥的施用条件和试验方法有一定的关系。

MDA是膜脂过氧化作用的主要产物之一,其含量可表示膜脂过氧化作用的程度；SOD是保护酶系统中的一种酶,能够与植株体内产生的氧化物发生歧化反应,从而达到清除氧化物、保护自身不受自由基和氧化物的伤害,是保护酶系统中最先起保护作用的抗氧化酶[23-25]。本试验表明,Y处理因受到盐胁迫,其体内的MDA含量在生育中后期显著高于R处理。施用生物菌肥后,无论对于壤土还是盐碱土,其燕麦中的MDA含量均有所降低。施用生物菌肥后,对于燕麦生长前期的MDA含量影响不大,在中后期能够抑制MDA含量的增加,使其在燕麦的整个生育时期内不会急剧上升并保持相对稳定的水平,这可能是由于生物菌肥需要一定时间作用于土壤,以创造一个相对适宜作物生长的环境。一般情况下,植物体内氧化物的产生与清除应处于一个动态平衡状态。而在燕麦的生长中后期,盐碱土壤条件下的SOD活性未随MDA的增加而升高,很有可能是保护酶系统被破坏而失效引起的,这与郭洪雪等[26]和刘建新等[27]的研究结果相似。除此之外,植物在受到各种胁迫时其体内的游离脯氨酸含量都会迅速积累[28],起到调节细胞质渗透压、清除氧化物的作用,有研究表明脯氨酸可以提高烟草的抗氧化能力[29]。在本试验中,除灌浆期外,Y的游离脯氨酸含量较R有大幅度提高,其中在分蘖期其增加的幅度最大。据此可以推测,游离脯氨酸在燕麦受盐胁迫的生长前期应该起着重要作用。两种土壤条件下,施用生物菌肥均可以降低燕麦叶片的游离脯氨酸含量,且在抽穗期降低的幅度最大,其原因可能是生物菌肥通过改善土壤环境,降低了盐胁迫对燕麦的伤害,减少了MDA等氧化物的产生,游离脯氨酸含量也随之降低。

虽然燕麦是一种耐盐碱的作物,但在盐碱土中燕麦生长较壤土条件会受到限制,导致其产量明显降低,但在盐碱土条件下,生物菌肥的施入可以提高燕麦植株的鲜重、干重。卢培娜等[14]的研究表明在盐碱地中施用生物菌肥后,燕麦的籽粒产量、鲜草产量和干草产量均有显著提高。本试验中,在壤土中施用生物菌肥后,可以提高燕麦的生理特性,但产量却有所降低。梅雪等[30]研究表明,施用生物菌肥并减用化肥后燕麦产草量降低、籽粒产量增加。

相比壤土条件下,在盐碱土中生长的燕麦受到较严重的盐胁迫,其光合特性、生理特性变差,产量降低。在两种类型土壤中施用生物菌肥,对燕麦各生理特性都有积极影响,但对于不同类型土壤条件,生物菌肥对燕麦发挥作用的时期不同。壤土条件下施用生物菌肥,燕麦地上部生物量降低,而盐碱土施用生物菌肥可增加燕麦地上部生物量,因此,因地制宜、因时制宜施用生物菌肥是非常有必要的。