拔节期淹水胁迫对水稻叶片酶活性及产量的影响

徐 涛，才 硕，时 红,2，时元智，谢亨旺 ，刘方平 ，梁 举

(1.江西省灌溉试验中心站 江西省高效节水与面源污染防治重点实验室，南昌 330201；2.东华理工大学，南昌 330013；3. 南京水利科学研究院，南京 210029)

0 引 言

洪涝灾害是我国南方长江中下游地区主要的农业灾害之一，洪涝灾害是一种自然灾害，对水稻生产危害很大，尤其是对处在幼穗分化至破口抽穗期的水稻受淹损失更大[1]。洪涝灾害中水稻产量损失与水稻淹水深度淹水时间密切相关[1-3]，有关淹水胁迫对水稻产生的影响在国内外均进行了相关研究，淹水胁迫下，敏感植株受到两种激素赤霉素(GA)和乙烯(Eth)的调节而迅速伸长[4]，宁金花，彭克勤，李阳生等[5-9]人研究发现，淹水胁迫会引起水稻发生一系列形态和生理生化特征变化，如叶片绿叶数减少、叶鞘伸长、细胞膜脂过氧化作用加剧、丙二醛含量升高、体内保护酶受损、光合速率降低、蒸腾作用减弱、籽粒结实率降低、充实度变差、产量下降等。Raskin 等[10-12]分析了深水稻耐淹涝胁迫的生理基础及适应机制，Fukao 等[13]研究了水稻的耐淹基因，Setter和Laureles[14]和Ito等[15]都证明了水稻在淹水胁迫期间的伸长程度与退水后的苗成活率呈极显著的负相关，周大川等[16]在观察中发现，水稻长时间没顶，叶鞘、叶片在水中仍可生长伸出水面维持呼吸作用，淹水胁迫后，植物体新叶形成和发展受阻，叶片变黄，出现萎蔫、翻卷、下垂、染病等症状[17]。周永进等[18]于孕穗期进行淹水处理发现，淹水后植株受到伤害，从而使叶片迅速枯萎，致使单茎绿叶数及绿叶面积明显减少虽然植株还可生长但后期叶片容易早衰。叶面积的降低可减少蒸腾蒸发量，但是另一方面，植物的光合面积也随之降低了[19],不同温度、不同时期淹水对不同品种水稻影响不一样。水稻产量随着淹水时间的延长而明显下降。相关研究表明，抽穗开花期对淹水最为敏感，其次是孕穗期和幼穗分化期[20,21]，所以水稻处于受淹条件下不利于水稻的生存。这些研究主要集中于早稻上，且都是以水稻株高1/2、1/3和全淹等方式进行处理，对中稻进行不同固定淹水深度的处理未见报道。本试验从水稻形态、抗逆性指标和产量因子入手，研究了拔节期水稻受到淹水胁迫后分蘖、株高、叶片酶活性和产量构成因素的变化情况，在此基础上构建了水稻产量与淹水深度和淹水时间之间的回归模型，并得出相应的排水指标，旨在提出鄱阳湖流域水稻淹水胁迫后生理特性变化规律和植株叶片对淹水胁迫的响应机理，以及不同淹水胁迫条件下水稻减产规律，为定量揭示淹水胁迫对水稻的影响、洪涝灾害致灾能力鉴定提供数据支撑，同时为洪涝期稻田排涝标准提供参考依据。

1 研究方法

1.1 试验区概况

本试验在江西省灌溉试验中心站试验研究基地进行，试验基地处于赣抚平原灌区南昌县向塘镇，地理位置为东经116°00′，北纬28°26′，海拔为22 m。赣抚平原灌区为典型的亚热带湿润季风性气候区，适合多种农作物生长。灌区年平均气温可达17.5 ℃，年平均日照为1 720.8 h，年平均蒸发量1 139 mm，年平均降雨量1 747 mm。但降雨量全年分布不均，4至6月的降雨较多，占全年降雨量的48%，7至9月降雨较少，仅占全年降雨量的20%。

供试品种为黄华占，该品种属感温型常规稻品种。全生育期129～131 d，比粤香占迟熟4 d。株型较好，植株较高，叶片长、直，转色顺调，结实率较高。

1.2 试验设计

本试验于2017年进行，以中稻为研究对象，试验采用盆栽试验，盆尺长×宽×高=40 cm×30 cm×20 cm，栽培方式采用直播方式，每盆均匀播种6穴，每穴选定发芽均匀的3粒种子播种，从水稻拔节期开始处理，试验设定正常对照处理(CK)、和3个耐淹程度处理H1(20 cm)、H2(30 cm)、H3(40 cm)，4个淹水时间D1(1 d)、D3(3 d)、D5(5 d)、D7(7 d)处理，加正常对照共13个处理，每个处理3次重复。

试验在水稻受涝试验区进行，试验区纵剖面如图1所示。共14个可升降平台，均可以在0～80 cm范围内自由移动、且可固定高度，每个可升降平台上放置3盆水稻样品进行试验。

图1 水稻受淹区纵剖面图(单位：mm)Fig.1 Longitudinal profile of flooded rice area

1.3 观测项目

(1)分蘖、株高调查：分别于水稻受淹开始和受淹结束(受淹开始后第8 d)时，调查测定各个受淹处理的水稻分蘖和株高，CK中的水稻进行平行测定。

(2)叶片酶活性测定：于受淹试验结束时(受淹开始后第8 d)测定各处理水稻剑叶中丙二醛(MDA)的质量摩尔浓度及抗氧化酶(POD、SOD)的活性。测定方法：分别采用硫代巴比妥酸(TBA)比色测定丙二醛(MDA)质量摩尔浓度；氮蓝四唑(NBT)法测定酶超氧化物歧化酶(SOD)活性，以抑制NBT光化还原50%为1 个酶活性单位(U)表示；愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性，POD活性以470 nm处吸光度每分钟变化0.01为1 个酶活性单位(U)表示，每个处理重复测3次取平均值[22]。

(3)产量和构成因素调查：水稻成熟后，以盆为单位，每个处理记录一盆水稻的穗长、穗数、穗粒数、空粒数、千粒重以及产量，剩余2盆，记录产量情况。

1.4 数据分析

通过盆栽试验，根据拔节期中稻对不同淹水处理的响应，得到淹水时间、淹水深度与水稻相对产量的关系，为确定排涝标准提供依据。

采用Microsoft Excel 2007软件进行数据分析并作图，采用SPSS22.0软件进行方差分析和回归分析，采用Duncan新复极差法进行处理间多重比较，以不同小写字母表示达到P<0.05显著差异水平。

2 结果与分析

2.1 不同淹水处理对分蘖的影响

图2给出的是不同淹水处理后水稻分蘖变化情况，淹水胁迫会抑制水稻分蘖数的增长，且随着淹水深度和淹水时间的增加水稻分蘖增长受到抑制更严重，Duncan新复极差检验结果表明，当淹水深度为40 cm时，淹水时间每增加2 d，分蘖数减少21.51%、9.59%和12.12%，淹水1 d较对照处理分蘖数减少7.92%。

图2 淹水胁迫对水稻分蘖的影响Fig.2 Effects of flooding stress on rice tillers 注：不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同。

除淹水深度20 cm淹水1 d处理外，其余处理与对照处理间差异均达到显著水平(P<0.05)，同一淹水深度随着淹水时间的增加差异越显著。

2.2 不同淹水处理对株高的影响

图3是不同淹水处理后各处理的株高增长情况，由图3可知，水稻受到淹水胁迫后，株高会迅速增长，当淹水深度为40 cm时，淹水时间每增加2 d，株高分别增长了4.5%、2.9%和8.5%，在同一淹水时间条件下，淹水深度每增加10 cm，株高分别增加4.7%和5.9%，表明，在同一受淹深度条件下，水稻株高的增长速度与受淹时间成正比，在同一受淹时间条件下，水稻株高的增长速度与淹水深度成正比。Duncan新复极差检验结果表明受淹深度20 cm时，淹水时间在7 d时株高显著高于对照处理(P<0.05)，但是淹水时间为1、3、5 d时与对照处理间差异不显著(P>0.05)，在淹水深度为30 cm时，淹水时间3 d时株高就显著高于对照处理(P<0.05)，在淹水深度为40 cm时，淹水时间1 d时株高就显著高于对照处理(P<0.05)，且淹水时间3、5、7 d和对照处理间均达到显著差异(P<0.05)。

图3 淹水胁迫对水稻株高的影响Fig.3 Effects of flooding stress on rice plant height

2.3 淹水处理对剑叶膜脂过氧化作用的影响

丙二醛(MDA)作为脂质过氧化程度的指标，是脂质过氧化的一种典型产物，MDA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[10]。图4是不同淹水处理条件下水稻剑叶MDA质量摩尔浓度的变化情况，可知，在同一淹水时间条件下，水稻剑叶的MDA质量摩尔浓度均随着淹水深度的增加而增加(淹水时间1 d、淹水深度为20 cm时低于CK)，当淹水时间为1、3、5 d时，淹水深度达到30 cm时，水稻剑叶的MDA质量摩尔浓度开始显著高于对照处理(P<0.05)，当淹水时间为7 d时，各个淹水深度处理水稻剑叶的MDA质量摩尔浓度均显著高于对照处理(P<0.05)。

图4 淹水胁迫对水稻剑叶中MDA质量摩尔浓度的影响Fig.4 Effects of flooding stress on MDA concentration in the leaf blade of rice

2.4 淹水处理对水稻剑叶抗氧化酶活性的影响

植物体受到淹水胁迫后体内活性氧代谢系统平衡会发生变化，一方面超氧化物阴离子自由基、羟基自由基、单线态氧和过氧化物等大量产生，抑制保护性酶的活性；另一方面POD、SOD等酶组成的防御身无活性氧毒害的酶保护系统，在植物体内行驶清除活性氧的功能[23]，图5、图6分别给出了水稻淹水后剑叶中POD和SOD活性的变化情况，由图可知，不同淹水时间条件下，剑叶中POD活性均随着受淹深度增加先减小后增加；当淹水时间为1、3、5 d时，SOD活性在剑叶中活性呈现持续升高趋势，当淹水时间达到7 d时，SOD活性随淹水深度增加呈现降低趋势，这可能是由于淹水时间过长水稻剑叶内活性氧大量持续产生，破坏了酶系统平衡，从而影响了保护酶的产生，最终使得水稻生长受到不可逆的破坏，Duncan新复极差检验结果表明，当淹水时间为1、5和7 d时，淹水深度达到30 cm后，水稻剑叶中POD活性较对照处理差异均达到显著水平(P<0.05)，而当淹水时间为3 d时，淹水深度为20 cm和40 cm水稻剑叶中POD活性较对照处理差异达到显著水平(P<0.05)；当淹水时间为1 d时，只有淹水深度为20 cm时水稻剑叶中SOD活性较对照处理差异达到显著水平(P<0.05)，当淹水时间为3、5和7 d时，3个淹水深度处理中水稻剑叶中POD活性较对照处理差异均达到显著水平(P<0.05)。

图5 淹水胁迫对水稻剑叶中POD活性的影响Fig.5 Effects of flooding stress on POD concentration in the leaf blade of rice

图6 淹水胁迫对水稻剑叶中SOD活性的影响Fig.6 Effects of flooding stress on SOD concentration in the leaf blade of rice

2.5 淹水胁迫对水稻产量的影响

由表1可知，淹水深度为20 cm时，受淹1、3、5和7 d的产量分别较对照减少0.03%、4.07%、12.18%和17.60%，其中淹水时间为3、5和7 d相对对照均达到显著水平(P<0.05)，淹水深度为30 cm时，淹水时间为1、3、5和7 d的产量分别较对照减少7.45%、10.23%、16.63%和22.47%，其中淹水时间为1、3、5和7 d相对对照分别均达到显著水平(P<0.05)，淹水深度为40 cm时，淹水时间为1、3、5和7 d的产量分别较对照减少12.64%、15.37%、23.42%和28.75%，其中淹水时间为1、3、5和7 d相对对照亦均达到显著水平(P<0.05)。所有受淹处理中，以淹水深度40 cm、7 d历时减产最大，达到28.75%，减产最小的处理为20 cm淹水深度、1 d淹水历时，仅为0.03%，基本不影响产量，说明水稻适当受淹并不影响最终产量形成，但是随着淹水时间增加会对产量影响达到极显著水平，所以在洪涝期要提前做好防涝减灾工作。

2.6 淹水胁迫后排水指标研究

以水稻受淹状况作为除涝控制指标，建立其与水稻产量的关系，采用以下两种模式进行模型建立[24]。

(1)以淹水深度(H)和淹水历时(D)作为衡量水稻受涝程度控制指标，建立水稻产量与受涝程度的关系模型：

Ry=f(H,D)

(1)

(2)以水稻受涝时期(不同受淹天数)内累积淹水深度(SFW)作为衡量受涝灾害的控制指标，建立水稻产量与受涝程度的关系模型：

表1 淹水胁迫对水稻产量及其构成的影响Tab.1 Effects of flooding stress on rice yield and its composition

(2)

式中：n为水稻受淹天数；hi为第i天的淹水深度。

表2给出的是淹水时间和淹水深度与实际产量及构成因素之间的相关系数，以实际产量为参数建立的回归方程能极显著地展示实际产量与淹水时间(D)、淹水深度(H)以及水稻受涝时期内累积淹水深度(SFW)之间的关系(表3)，综合考虑各影响因子与水稻产量及产量构成之间的相关性，可选取实际产量与受淹时间D和受淹深度H之间的回归模型作为中稻拔节期的排涝关系方程。若以水稻减产20%为排水指标，当中稻拔节期淹水深度为20、30和40 cm时，应在8.5、 6.5和3.5 d 内将田面涝水排到其田面正常蓄水深度(10 cm左右)。

表2 淹水时间和淹水深度与实际产量及构成因素之间的相关性Tab.2 Correlation between water logging duration and flooding depth and actual yield

表3 淹水胁迫条件下中稻产量与影响因子之间模型建立Tab.3 Regression relationship between yield and influencing factors under flooding stress

3 结论与讨论

3.1 淹水胁迫对中稻分蘖和株高的影响

水稻在长期受淹条件下，水稻分蘖生长会受到抑制，株高会明显增长使得叶片露出水面，以保证水稻正常光合作用和确保获得有机碳[15]，史济林等[25]对10个水稻材料的淹水试验结果表明，10个材料在孕穗期72 h的淹水期间平均株高比正常高4.7 cm。本试验研究表明，淹水胁迫会抑制水稻分蘖数的增长，且随着淹水深度和淹水时间的增加水稻分蘖增长受到抑制更严重，在同一受淹深度条件下，水稻株高的增长速度与受淹时间成正比，在同一受淹时间条件下，水稻株高的增长速度与受淹深度成正比，淹水胁迫使水稻株高变化的生理原因比较复杂，赤霉素(GA)是与淹水胁迫下水稻的伸长生长反应直接相关的激素，能促进水稻节间的伸长生长。

3.2 中稻叶片酶对淹水胁迫响应机理

水稻受到淹水胁迫后，生理特性会发生一系列的变化，这种反应是植物体对逆境的反应和适应，本试验研究表明，中稻拔节期淹水胁迫后，水稻剑叶中的MDA质量摩尔浓度随着淹水时间和淹水深度的增加会逐步升高；剑叶中POD酶活性随着淹水时间的增加会逐步增加，随着淹水深度先降低后显著升高，当淹水深度达到30 cm时，剑叶中POD酶活性显著高于对照处理；剑叶中SOD酶活性表现为：当淹水天时为1、3、5 d时，随着淹水深度的增加而升高，当淹水时间达到7 d时，随淹水深度增加反而降低，这可能由于水稻淹水七天后水稻剑叶已经达到无法自我修复的损伤[23]。

3.3 淹水胁迫对中稻产量性状的影响

水稻受到淹水胁迫后产量和构成因素会发生变化，不同生育时期水稻受到淹水胁迫后各产量构成要素的变化不一致。宁金花等[6]研究认为早稻不同淹水胁迫后对产量的影响均表现为空秕粒率低、千粒质量低和结实粒数低，受淹深度2/3 淹9 d 对产量的影响最明显，朱崇基研究证实水稻孕穗期对淹水胁迫最敏感，其次是开花期、乳熟期[26]，陈永华等[27]等研究认为有效穗数、结实率和千粒重降低是淹水胁迫造成水稻减产的主要原因，本研究表明，水稻适当受淹并不影响最终产量形成，但是随着受淹时间和深度增加对产量影响会越来越大，当淹水时间达到3 d时，淹水深度为达到20 cm后产量与对照处理差异就达到极显著水平，淹水深度达到为40 cm时，受淹3 d产量与对照处理差异即达到极显著水平。这主要原因可能是由于水稻拔节期间幼穗在逐渐形成，当遇到淹水胁迫后，水稻幼穗分化受阻，从而导致产量急剧下降。

3.4 淹水胁迫条件下中稻排水指标研究

该试验构建了水稻产量与淹水时间和淹水深度之间模型，若以水稻减产20%为排水指标，当中稻拔节期淹水深度为20、30和40 cm时，应在8.5、6.5和3.5 d 内将田面涝水排到其田面正常蓄水深度(10 cm左右)。但是本试验是在盆栽中进行，其试验条件是可控的，影响因子也只单纯考虑了淹水时间和淹水深度，试验只进行一年，因此在大田试验条件下的效果还有待于进一步确定和验证。