秸秆覆盖量对旱地小麦结实期抗氧化性的影响

王贺正，黄明，张均，马超，吴金芝，李友军，陈明灿，付国占

(河南科枝大学农学院，河南 洛阳471023)

活性氧是植物细胞代谢过程中的副产物，在正常生长条件下，活性氧的产生和清除处于动态平衡，在植物处于逆境或衰老时，这种平衡被打破，造成活性氧的积累[1-4]。已有研究表明，植物在干旱胁迫下，抗氧化保护酶系统和非酶类系统遭到破坏，引发活性氧大量积累，从而加剧细胞膜脂过氧化作用，造成膜系统损伤，导致植物体细胞代谢紊乱，最终影响产量和品质[5-8]。因此，研究活性氧的代谢机理和寻找降低活性氧对植物伤害途径一直为人们所关注。作物秸秆是农业生产中主要的产物之一，是丰富的生物质资源。我国农业每年产生各类农作物秸秆约为7×108t，而焚烧和废弃等未利用的达到 2.15×108～3.14×108t，不仅造成资源的巨大浪费，还导致了严重的环境问题。秸秆覆盖在生产上的应用为秸秆资源的利用提供了有效途径，对秸秆资源利用和环境保护具有重要意义[9-10]。秸秆覆盖是旱作区保护性耕作关键技术之一，大量研究证实秸秆覆盖可增加土壤含水量，培肥地力，改善土壤结构，调节土温，从而有利于作物的生长发育和产量形成[11-16]。小麦(Triticumaestivum)是豫西主要粮食作物之一，但由于该区属丘陵旱区，有机质含量低，土地瘠薄，年降水量少，旱灾频繁，严重制约着小麦产量的提高。有少数研究表明，秸秆覆盖能增加小麦叶片可溶性蛋白质和可溶性糖含量，提高超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化物酶(peroxidase, POD)和过氧化氢酶(catalase, CAT)活性，降低丙二醛(malonaldehyde, MDA)的含量[17-18]，延缓叶片衰老，增加小麦产量[12,19]。前人较多地研究了秸秆覆盖对小麦生长发育和产量的影响，虽对抗氧化酶类也做了一定工作，但秸秆覆盖下小麦活性氧的产生和抗氧化酶及非酶类物质清除机制鲜见报道，尤其是对不同秸秆覆盖量下小麦活性氧的代谢规律未见报道。本研究通过设置不同秸秆覆盖量研究了小麦结实期不同阶段的活性氧产生和清除机制，为阐明小麦生育后期旗叶活性氧代谢对不同秸秆覆盖量的响应机制提供理论基础；并筛选出适宜于本地区小麦高产栽培的秸秆覆盖量，为秸秆覆盖在本地区小麦高产栽培中的推广应用提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为抗逆性强、适应性广的半冬性多穗型中熟小麦品种豫麦49-198。

1.2 试验方法

试验分别于2013年10月-2014年6月和2014年10月-2015年6月在河南科技大学试验农场进行，土壤质地为壤土，试验前耕作层土壤含有机质153 g·kg-1，水解氮97.4 mg·kg-1，速效磷15.8 mg·kg-1，速效钾125 mg·kg-1。秸秆覆盖量试验设不覆盖(对照，Ⅰ)、2000(Ⅱ)、4000(Ⅲ)、6000(Ⅳ)和8000 kg·hm-2(Ⅴ)5个处理。每处理重复3次，小区面积15 m2(3 m×5 m)，随机排列，其他按田间常规管理。小麦均于当年10月15日播种，播量为112.5 kg·hm-2，出苗后在行间土壤表面覆盖粉碎的玉米(Zeamays)秸秆(长5～10 cm)。氮、磷、钾肥均做基肥一次施入，施肥量纯N为240 kg·hm-2，P2O5为75 kg·hm-2，K2O为150 kg·hm-2。肥料来源：N-尿素，P-过磷酸钙，K-氯化钾。

1.3 测定项目与方法

1.3.1O2-·和H2O2含量 抽穗后0、10和20 d取旗叶，按王爱国等[20]介绍的O2-·对羟胺氧化的方法测定O2-·含量，将氧化产物 NO2-·在对氨基苯磺酸和α-萘胺中显色后的偶氮染料转移至等体积的乙醚中，测定水相液 530 nm 处的吸光度，其含量用 A530·g-1FW 表示；参照Wang等[7]的方法测定H2O2含量，0.5 g叶片加入6 mL冷丙酮研磨匀浆，加入0.15 g活性炭处理后过滤，取滤液1 mL，加入0.1 mL 20% TiCl4的浓盐酸，0.2 mL的浓氨水，反应后3000 r·min-1离心 10 min，弃去上清液，沉淀用3 mL 1 mol·L-1的H2SO4溶解后测定410 nm波长下的吸光值。

1.3.2可溶性糖、氨基酸、丙二醛(MDA)、谷胱甘肽(glutathione, GSH)和抗坏血酸(ascorbic acid, AsA)含量 抽穗后0、10和20 d取旗叶，采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量[21]；采用茚三酮比色法测定氨基酸含量[21]；采用硫代巴比妥酸比色法[21]测定MDA含量；采用卢少云等[22]的方法进行提取和测定GSH含量；采用二甲苯萃取比色法[21]测定AsA含量。

1.3.3抗氧化酶活性的测定 抽穗后0、10和20 d取旗叶，参照任红旭等[23]的方法提取酶液，酶活性按李合生[21]的方法测定SOD、POD和CAT活性。

1.3.4产量及穗部性状考查 成熟期每小区选代表性植株3行，每行取5株，分别考查每穗粒数、每穗实粒数、千粒重等性状。每小区按实收株数测产。

1.4 数据处理

采用Excel和SPSS软件对所测数据进行分析和处理。

2 结果与分析

2.1 秸秆覆盖量对产量及穗部性状的影响

秸秆覆盖量在2000～6000 kg·hm-2，覆盖处理的小麦产量均高于对照处理，且与对照差异显著，两年结果一致(表1)。两年分别与对照相比，处理Ⅳ产量增加最多，分别增加了37.2%和33.2%，处理Ⅲ增加最少，分别为23.0%和19.8%，而处理Ⅴ却分别下降了9.1%和1.5%。表明，适宜秸秆覆盖量对增加小麦产量有显著的促进作用，但秸秆覆盖量过大促进效应并不明显，甚至有抑制作用。从产量构成因素看，单位面积穗数和穗粒数表现基本一致，除处理Ⅴ与对照差异不显著外，其他秸秆覆盖处理均与对照差异显著，以处理Ⅳ最高；千粒重以处理Ⅳ最高，且与其他处理差异显著，而其他处理间差异不显著。

表1 秸秆覆盖量对小麦产量及其构成因素的影响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水平差异显著。

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

图1 秸秆覆盖量对小麦旗叶可溶性糖(A)和氨基酸(B)含量的影响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处理差异显著(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 秸秆覆盖量对可溶性糖和氨基酸含量的影响

图2 秸秆覆盖量对小麦旗叶O2-· (A)、 H2O2 (B)和MDA(C)含量的影响 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变化趋势，抽穗后0～10 d上升，第10天达到最大，随后持续下降(图1A)。在同一测定时期，覆盖处理均高于对照，且差异显著(P<0.05)。各测定时期，可溶性糖含量均以处理Ⅳ最高。抽穗后10 d，与对照相比，处理Ⅳ可溶性糖含量两年分别增加了23.8%和33.7%。结果表明，适宜的秸秆覆盖量能促进可溶性糖积累。

抽穗后，随生育期延长，各处理氨基酸含量呈先升后降趋势，抽穗后10 d达到峰值，两年表现一致(图1B)。不同处理间比较，各测定时期，氨基酸含量总体表现为Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅰ，以处理Ⅳ最高，除抽穗期外均显著高于其他处理。抽穗后10 d，氨基酸含量与抽穗期相比增幅最大的为处理Ⅳ，两年分别增加了1.56和1.61倍，其次为处理Ⅲ，分别增加了1.41和1.30倍，增幅最小的为处理Ⅰ，分别增加了0.80和1.06倍。

2.3 秸秆覆盖量对O2-·、H2O2和MDA含量的影响

小麦抽穗后随生育期延长，各处理叶片O2-·含量均明显增加，抽穗后0～10 d增幅较小，抽穗10 d后，增幅较大(图2A)。各测定时期，秸秆覆盖的O2-·含量均低于对照，且差异显著(P<0.05)。覆盖处理间比较，O2-·含量以处理Ⅳ含量最低，处理Ⅱ最高。抽穗后20 d，覆盖处理与对照相比O2-·含量降低幅度最大的为处理Ⅳ，两年分别降低了35.9%和50.0%，其次为处理Ⅲ，分别降低了30.8%和34.5%，降幅最小的为处理Ⅱ，分别降低了15.4%和20.7%。

抽穗后随生育推进，各处理H2O2的含量持续增加。各测定时期，不同处理H2O2的含量不同，表现为Ⅰ>Ⅴ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ，秸秆覆盖处理均低于对照，除抽穗期外均与对照差异显著(P<0.05)(图2B)。覆盖处理间比较，以处理Ⅳ最低，处理Ⅴ最高。抽穗后20 d，与对照相比H2O2含量降幅最大的为处理Ⅳ，两年分别降低了30.3%和35.4%，降幅最小的为处理Ⅴ，分别为10.5%和10.6%。

抽穗后各处理MDA含量随生育进程均呈增加趋势，0～10 d增加缓慢，而后增加迅速(图2C)。处理间比较，各测定时期MDA含量以处理Ⅰ最高，处理Ⅳ最低。抽穗后20 d，与对照相比，MDA含量降幅最大的为处理Ⅳ，两年分别降低了25.0%和35.9%，降幅最小的为处理Ⅱ，分别降低了4.3%和13.9%。

2.4 秸秆覆盖量对GSH和AsA含量的影响

抽穗后，随生育期延长，各处理GSH含量均呈下降趋势，抽穗后0～10 d下降幅度较小，10 d后下降幅度较大(图3A)。不同处理间比较，各测定时期，GSH含量表现为Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅰ，处理Ⅳ最高，除抽穗期外与其他处理差异显著(P<0.05)。秸秆覆盖增加了抽穗后小麦GSH含量，抽穗后20 d，与对照相比增幅最大的为处理Ⅳ，两年分别增加了96.9%和124.1%，增幅最小的为处理Ⅴ，分别为9.3%和10.5%。

抽穗后，各处理AsA含量表现与GSH含量基本相同，均呈下降趋势，抽穗后0～10 d下降慢，幅度小，10 d后下降快，幅度大(图3B)。处理间比较，各测定时期，AsA含量表现为Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅰ。与对照相比处理Ⅳ增幅最大，抽穗后20 d，两年分别增加了13.6%和9.7%，增幅最小的为处理Ⅴ，分别为3.5%和1.5%。

图3 秸秆覆盖量对小麦旗叶GSH(A)和AsA(B)含量的影响Fig.3 Effect of straw mulching quantity on GSH content (A) and AsA content (B) in flag leaves

2.5 秸秆覆盖量对保护性酶活性的影响

抽穗后随生育推进，各处理保护性酶活性均呈先升后降趋势，抽穗期0～10 d酶活性迅速增加，第10天达到最大(图4)。同一测定时期，秸秆覆盖处理酶活性均高于对照。秸秆覆盖处理间比较，各测定时期酶活性均以处理Ⅳ最高，且显著高于其他各处理(P<0.05)，处理Ⅱ最低。与对照相比，抽穗后10 d，处理Ⅳ SOD活性两年分别提高了45.2%和44.3%，CAT活性分别提高了45.5%和49.8%，POD酶活性分别提高了35.3%和79.6%。表明，秸秆覆盖处理能不同程度提高了小麦旗叶酶活性。

3 讨论

3.1 秸秆覆盖对小麦产量及其构成因素的影响

适量的玉米秸秆覆盖可提高小麦叶片光合速率[24-25]，促进有效穗数、穗粒数和千粒重提高，从而达到增产效果[26-27]。本研究结果表明，在一定的覆盖量范围内，秸秆覆盖能显著提高小麦产量，但覆盖量过大，产量反而低于对照，其原因可能是过高的秸秆覆盖量与温度效应相矛盾，导致土壤温度过低，影响干物质积累和运输，具体原因还需深入研究，因此，只有适宜的覆盖量才能保证增产或稳产的目的。有研究表明，小麦产量构成因素与产量呈极显著正相关，以穗数相关性最大，其次为穗粒数，再次为千粒重，即穗数对产量的贡献最大[28]。本试验表明，一定的覆盖量范围内，秸秆覆盖能显著提高小麦的穗数和穗粒数，从而表现出产量显著高于对照。而处理Ⅳ的产量显著高于其他覆盖处理，其贡献就是来源于穗数比其他处理的显著增加，从而表明，增加单位面积穗数是秸秆覆盖增产的原因，这可能与秸秆覆盖改善了土壤墒情，增加了有效分蘖，优化了群体结构，有利于旱地小麦生产，与前人研究结果一致[29]。本研究发现，秸秆覆盖量偏高和偏低皆不利于小麦穗数、穗粒数和千粒重的持续提高，从而最终影响产量增加。从本试验结果看，在豫西旱地生态条件下，秸秆覆盖量6000 kg·hm-2较为适宜。

图4 秸秆覆盖量对小麦旗叶SOD (A), CAT (B)和POD (C)活性的影响Fig.4 Effect of straw mulching quantities on activities of SOD (A), CAT (B), POD (C) in flag leaves

3.2 秸秆覆盖对小麦渗透调节物质的影响

可溶性糖、游离氨基酸是植物细胞内重要的渗透调节物质，能缓解水分胁迫等逆境对细胞膜系统的伤害，延缓植物叶片衰老[19,30]。本试验结果表明，秸秆覆盖能显著提高小麦叶片可溶性糖、氨基酸含量，且维持较高水平，对维持细胞的微环境、渗透平衡以及正常代谢起着重要作用。在一定秸秆覆盖量范围内，随覆盖量增加叶片中可溶性糖、游离氨基酸含量增加，但随覆盖量继续增加二者含量比其他覆盖处理有所下降，这表明适宜的秸秆覆盖量提高了小麦叶片可溶性糖、氨基酸含量，覆盖量过大则其增幅不明显。叶片中可溶性糖、氨基酸含量的增加，对延缓叶片衰老速度，提高细胞的渗透调节能力以及稳定生物大分子结构都具有重要作用，从而更利于产量与品质的提高。

3.3 秸秆覆盖对小麦活性氧和抗氧化物质的影响

O2-·、H2O2等活性氧是植物细胞代谢的产物，活性氧大量积累引发膜脂过氧化作用被启动，造成膜的损伤和破坏，对细胞组分、结构及新陈代谢造成氧化伤害，加速植株衰老[31-33]，SOD、CAT、POD等抗氧化保护酶及AsA、GSH等抗氧化非酶类物质是植物体内重要的活性氧清除物质[34-36]。高温、干旱等逆境条件以及秸秆覆盖均能提高小麦叶片的保护酶活性，有效减轻膜脂过氧化程度[19,37-38]。本研究发现，秸秆覆盖能增加AsA、GSH含量以及SOD、CAT和POD酶活性，降低O2-·和H2O2含量，减少MDA积累。表明，秸秆覆盖能提高细胞内抗氧化物质含量和抗氧化酶活性，增强对活性氧的清除能力，降低细胞膜脂过氧化程度，延迟叶片衰老速度，有利于小麦籽粒灌浆和产量形成。在一定秸秆覆盖范围内，随覆盖量的增加AsA、GSH含量以及SOD、CAT和POD酶活性增加，O2-·、H2O2和MDA含量减少，但覆盖量过大对活性氧和MDA含量的降低及抗氧化物质含量和酶活性的持续升高反而有抑制作用。从O2-·、H2O2、MDA含量和保护性物质变化趋势来看，在秸秆覆盖量为6000 kg·hm-2水平下，对增强小麦的抗旱和抗衰老能力，保证较高有效穗数、穗粒数和千粒重，提高产量最为有利。

4 结论

适宜的秸秆覆盖量能提高小麦旗叶可溶性糖、氨基酸、GSH、和AsA含量，增强SOD、CAT和POD活性，降低O2-·、H2O2和MDA含量，增加小麦产量。但覆盖量超过一定水平后，各指标增幅(降幅)不明显。处理Ⅳ的各指标均优于其他覆盖处理并与对照有显著差异。综合分析，在豫西旱地生态条件下，6000 kg·hm-2为最佳秸秆覆盖量。