新造地施磷深度对水分胁迫下苦荞抗氧化特性和产量的影响

薛小娇，张永清，，张 萌，李婧妤，贠 煜，李平平，张文燕，王 丹，梁 萍

（1. 山西师范大学生命科学学院，山西 临汾 041004；2. 山西师范大学地理科学学院，山西 临汾 041004）

黄土高原沟壑区降水量少且分配不均、水土流失严重、土壤瘠薄、干旱频发、粮食产量低而不稳等问题相继出现，当地的粮食需求量与实际供应量之间的矛盾也日益加剧[1]。为了解决这一矛盾，黄土高原部分地区实施了治沟造地工程项目。

新造地解决了水土流失问题，但在造地过程中，黄土母质性生土出露、土壤结构遭到破坏等再次加剧了新造地土壤贫瘠，尤其是土壤氮、磷含量匮乏，再加上干旱的外部环境条件，仍阻碍了当地农业的发展[2]。因此，研究黄土高原地区不同水分条件下新造地的土壤培肥效果具有重要的理论与现实意义。苦荞具有丰富而独特的营养价值和药用价值，被称为“五谷之王”“药用之王”[3]。另外，苦荞具有抗旱、耐瘠薄、生育期较短、适应能力强等特点，在干旱半干旱地区具有明显的种植优势。因此，在黄土高原地区新造地种植苦荞具有重要的现实意义。水分与磷素在植物生长发育过程中均起着至关重要的作用，直接影响植物的生长和代谢，并且二者之间的关系十分密切。水分直接影响植物对磷的吸收利用；磷可以在一定程度上降低干旱胁迫对植物的伤害[4‐5]，改变磷肥的施用深度可以提高磷肥的利用效率并最终增加作物产量[6]。目前，关于苦荞的研究主要集中在药用与营养价值[7‐8]、种质资源[9]、栽培措施[10]、金属元素和盐类对其的影响[11‐12]等方面，对水分胁迫等逆境响应方面的研究较少[13]，关于水分胁迫和施磷深度的交互作用对苦荞产量等的影响研究鲜见报道。为此，采用根管土柱试验，探讨新造地施磷深度对水分胁迫下苦荞抗氧化特性及产量的影响，以期为苦荞旱地栽培提供技术支持和理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试苦荞品种为黑丰1 号，由山西省农业科学院大同高寒作物研究所提供。

为模拟造地过程导致的生土出露，供试土壤取自距离地表3 m 以下养分含量较低的生土，土壤田间持水量为22.1%，有机质含量为2.27 g/kg，全氮含量为0.04 g/kg，速效磷含量为2.31 mg/kg，速效钾含量为90.98 mg/kg。根管土柱试验所用根管为直径25 cm、高50 cm 的PVC 管，试验实施时将PVC 管底部用剪裁好的塑料布封底，埋入土坑中，使PVC 管上沿高出地面约5 cm，每土柱装风干土30 kg。氮、磷、钾肥分别采用尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O515%）、氯化钾（含K2O 52%）。

1.2 试验设计

试验设置水分胁迫（W）和施磷深度（P）2 个因素。水分胁迫设正常供水（W1）：控制土壤含水量为田间持水量的65%～75%；中度干旱（W2）：控制土壤含水量为田间持水量的45%～55%；重度干旱（W3）：控制土壤含水量为田间持水量的35%～45%。施磷深度设磷肥全部施在距离地表10 cm 处（P10），磷肥全部施在距离地表20 cm处（P20），磷肥全部施在距离地表30 cm 处（P30），10、20、30 cm 3层均匀施入磷肥（P-all）。试验共设12 个处理，每个处理重复8 次，共96 个土柱。试验实施时，把事先称好的等量的氮、磷、钾肥与过好筛的沙土搅拌均匀倒入各个土柱中，N、P2O5、K2O 用量分别为0.2、0.2、0.2 g/kg。播种前，选取大小均一、饱满健康的苦荞种子，用3% H2O2溶液消毒5 min，然后用蒸馏水冲洗3 次并浸泡24 h，于2019 年5 月10 日按常规方法播种，每土柱播种21 粒，所有土柱等量浇水以保证种子顺利出苗。待两叶一心时间苗，每土柱留苗6株，随机排列，三叶一心时开始分梯度控水。通过称质量法控制水分，每天按时称质量，对水分含量下降到水分指标下限的土柱进行定量浇水，使各土柱维持在对应的土壤含水量。控水期间，雨天使用塑料薄膜进行遮雨，以防自然降水影响试验结果。处理55 d（盛花期）后开始测定相关指标。

1.3 根系样品采集

盛花期，将土柱挖出，取3 次重复，用切割机打开PVC 管，随后分别截取0～10、10～20、20～30、30～45 cm 土层，将截取下来的土层依次放在孔径为0.355 mm 的尼龙布中，用水反复冲洗，直至将泥土全部冲洗掉，只留下根系，用流水将根系冲洗干净，然后迅速带回实验室，放在冰箱保存备用。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 抗氧化特性指标 超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性用氮蓝四唑法测定[14]，过氧化物酶（Peroxidase，POD）活性采用愈创木酚比色法测定[14]，丙二醛（Molondialdehyde，MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定[14]。

1.4.2 产量及其构成因素 成熟期，在每个处理中挑选苦荞长势均匀的3根土柱，将地上部截取下来，在每根土柱中挑选长势均匀的1株植株测定主茎分枝数、单株粒数，然后采用称质量法计算产量和千粒质量。

1.5 数据处理

采用Excel 2010 和SPSS 19.0 软件对数据进行统计分析，使用LSD法对数据进行差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 新造地施磷深度对水分胁迫下苦荞根系抗氧化特性的影响

2.1.1 SOD 活性 方差分析结果（表1）表明，水分胁迫、施磷深度及二者的交互作用对苦荞盛花期不同深度（0～10、10～20、20～30、30～45 cm）土层根系SOD 活性的影响均达到显著或极显著水平。Pall 处理苦荞根系SOD 活性随着土层深度增加呈先升高后降低的趋势，在20～30 cm 处达到最高值；P10处理根系SOD活性随着土层深度增加总体上呈升—降—升的趋势，在10～20 cm 处达到最高值；P20处理根系SOD活性随着土层深度增加呈先升高后降低的趋势，在20～30 cm 处达到最高值；P30 处理根系SOD 活性随着土层深度增加呈升高的趋势，在30～45 cm 处达到最高值。随着水分胁迫程度的加剧，不同土层深度苦荞根系SOD 活性总体呈先升高后降低的趋势，说明一定水分胁迫可诱导苦荞根系SOD 活性增强，有效清除活性氧，阻止膜脂过氧化。根系SOD活性的峰值出现在W2处理，与W1处理相比，W2 处理0～10、10～20、20～30、30～45 cm土层根系SOD 活性分别平均提高33.71%、42.62%、46.77%、41.32%。各处理苦荞根系SOD 活性均在施磷层达到最高，且深层施磷会提高下层根系SOD 活性。无论在哪种水分条件下，在0～10 cm 处，P-all处理苦荞根系SOD 活性均显著高于其他3 个处理，其他3 个处理间差异不显著；在10～20 cm 处，4 个施磷处理间差异显著，P10处理根系SOD活性最高；在20～30 cm 处，P-all 处理根系SOD 活性与P30 处理差异不显著，其余各处理间差异显著，P20处理根系SOD 活性最高；在30～45 cm 处，4 个施磷处理根系SOD活性差异显著，P30处理最高。

表1 新造地施磷深度对水分胁迫下苦荞根系SOD活性的影响Tab.1 Effect of phosphorus application depth in newly planted field on SOD activity of roots of Tartary buckwheat under water stressU/g

2.1.2 POD活性 由表2可知，水分胁迫、施磷深度及二者的交互作用对苦荞盛花期不同深度（0～10、10～20、20～30、30～45 cm）土层根系POD 活性的影响均达到显著或极显著水平。P-all 处理苦荞根系POD 活性随着土层深度增加总体上呈降—升—降的趋势，在0～10 cm处达到最高值；P10处理根系POD 活性随着土层深度增加呈升—降—升的趋势，在10～20 cm 处达到最高值；P20 处理根系POD 活性随着土层深度增加呈先升高后降低的趋势，在20～30 cm处达到最高值；P30处理根系POD活性随着土层深度增加呈升高的趋势，在30～45 cm 处达到最高值。随着水分胁迫程度的增加，苦荞根系POD 活性呈先升高后降低的趋势，W2 处理根系POD 活性最高，0～10、10～20、20～30、30～45 cm土层比W1 处理分别平均提高43.73%、41.55%、39.42%、42.03%。磷肥的施用有利于施磷层根系POD 活性的提高，无论在哪种水分条件下，苦荞根系POD 活性均在施磷层达到最高，深施磷肥有利于提高深层根系POD 活性。综上，无论水分条件如何，磷肥的施用都有利于施磷层苦荞根系POD 活性的提高，降低根细胞膜脂过氧化程度，从而保持膜的稳定性。无论在哪种水分条件下，在0～10、20～30 cm 土层各施磷处理间差异均达到显著水平；在10～20 cm，除P20 处理与P30 处理间差异不显著外，其余各处理间差异均达到显著水平；在30～45 cm 处，除P-all处理与P10处理间差异不显著外，其余各处理间差异均达到显著水平。

表2 新造地施磷深度对水分胁迫下苦荞根系POD活性的影响Tab.2 Effect of phosphorus application depth in newly planted field on POD activity of roots of Tartary buckwheat under water stressU/（g·min）

续表2 新造地施磷深度对水分胁迫下苦荞根系POD活性的影响Tab.2（Continued） Effect of phosphorus application depth in newly planted field on POD activity of roots of Tartary buckwheat under water stressU/（g·min）

2.1.3 MDA 含量 由表3 可知，水分胁迫、施磷深度及二者的交互作用对苦荞盛花期不同深度（0～10、10～20、20～30、30～45 cm）土层根系MDA 含量的影响均达到显著或极显著水平。随着水分胁迫程度的增加，苦荞根系MDA含量均呈显著增加的趋势。与W1 处理相比，W2 处理0～10、10～20、20～30、30～45 cm 土层根系MDA 含量分别平均提高31.38%、12.08%、4.27%、0.88%，W3处理分别平均提高39.70%、24.66%、12.32%、14.59%。无论在哪种水分条件下，MDA 含量总体上均在磷肥施用层达到最低值，且P20 处理20～30 cm 土层根系MDA 含量达到最低，说明施用磷肥可有效减缓逆境胁迫带来的伤害。施磷深度的改变对苦荞根系MDA 含量也产生极大影响。表层施磷处理苦荞根系MDA 含量显著高于中下层施磷处理，说明适当深施磷肥可以有效地延缓苦荞根系的衰老进程。无论在哪种水分条件下，在0～10、10～20、20～30、30～45 cm 土层，P-all、P10、P20、P30 处理根系MDA 含量总体上均差异显著。

表3 新造地施磷深度对水分胁迫下苦荞根系MDA含量的影响Tab.3 Effect of phosphorus application depth in newly planted field on MDA content of roots of Tartary buckwheat under water stressnmol/g

2.2 新造地施磷深度对水分胁迫下苦荞产量及其构成因素的影响

从表4可以看出，水分胁迫、施磷深度以及两者的交互作用均极显著影响苦荞主茎分枝数、单株粒数、千粒质量和产量。随着水分胁迫程度的增加，苦荞的主茎分枝数、单株粒数、千粒质量和产量均呈显著降低的趋势，且均以P20处理最高，说明适当深施磷肥能够有效提高苦荞产量。与W1 处理相比，W2 处理苦荞主茎分枝数、单株粒数、千粒质量、产量分别平均降低11.28%、20.95%、5.64%、8.05%，W3 处理分别平均降低23.77%、35.30%、9.66%、14.13%。无论在哪种水分条件下，与P10 处理相比，P20 处理均显著增加苦荞主茎分枝数、单株粒数、千粒质量和产量，而P30处理则显著降低苦荞主茎分枝数、单株粒数、千粒质量和产量，这可能是因为在成熟期，苦荞的大部分根系都能深扎到20 cm处，根系能吸收到足够的磷肥，供应苦荞的正常生长，而只有部分根系能扎到30 cm 深处，根系没有吸收到足够的磷肥，从而影响了苦荞的正常生长。施磷处理苦荞主茎分枝数、单株粒数、千粒质量、产量均表现为P20>P-all>P10>P30；水分胁迫处理苦荞主茎分枝数、单株粒数、千粒质量、产量均表现为W1>W2>W3；所有处理中，W1P20 处理苦荞主茎分枝数、单株粒数、千粒质量、产量最高。

表4 新造地施磷深度对水分胁迫下苦荞产量及其构成因素的影响Tab.4 Effect of phosphorus application depth in newly planted field on yield and its components of Tartary buckwheat under water stress

3 结论与讨论

本研究结果表明，水分胁迫、施磷深度及二者交互作用对苦荞盛花期根系抗氧化特性、产量及其构成因素均有显著或极显著影响。水分胁迫影响苦荞生长，但适当深施磷肥能够有效地提高施磷层以及下层根系抗氧化特性，这与前人[15]的研究结果一致。本研究发现，在苦荞盛花时期，无论在哪种水分条件下，P20处理20～30 cm土层根系抗氧化酶活性达到最高，P20、P30 处理有助于下层根系抗氧化特性的提高。在成熟期，P20 处理苦荞产量及其构成因素均达到最高，这可能是因为在苦荞生育后期，随着根系的生长，会出现“根觅肥”的现象，深施磷层附近的根系会增多，从而会提高水肥的利用效率，最终实现增产的目的，这与康利允等[16]、薛小娇等[17]的研究结果相一致。

水是作物生长不可缺少的因素之一，当作物受到水分胁迫时，其正常的生命活动将受到影响甚至死亡[18]。作物处于逆境时，自身会产生一系列的生理生化反应来适应各种逆境胁迫[19]。水分胁迫会直接影响作物根系抗氧化酶活性、MDA 含量，同时也会影响产量。SOD、POD 作为活性氧防御系统的重要酶，担负着清除活性氧自由基的重要功能，避免细胞膜受到伤害[20]。研究发现，水分胁迫下SOD 和POD 活性的增强对保持活性氧代谢平衡、保护膜结构功能具有重要作用[21‐22]。在水分胁迫条件下，酶的活性越高，植物抗逆性越强[23‐24]。MDA 含量是衡量细胞膜脂过氧化程度的重要指标[25]。在相同施磷深度下，随着水分胁迫程度的增加，苦荞盛花期根系SOD、POD 活性总体上均呈先升高后降低的趋势，这与张翠梅等[26]的研究结果一致。本研究发现，随着水分胁迫程度的增加，各处理不同土层根系MDA 含量均逐渐增加，这与牛素贞等[27]的研究结果一致，说明苦荞细胞遭受到的膜脂过氧化作用越来越强，并开始遭受一定程度的毒害。产量可以直接体现作物受到逆境胁迫伤害的程度。本研究结果表明，在水分胁迫条件下，苦荞主茎分枝数、单株粒数、千粒质量和产量均随着水分胁迫程度的增加显著降低，说明水分供应不足会影响肥料的吸收与利用，对作物生长不利，这与前人[28]研究结果一致。

从不同施磷深度看，无论水分条件如何，适当深施磷肥均会提高苦荞盛花期根系SOD、POD 活性,降低MDA 含量，且均在施磷层达到最佳，表明无论灌溉与否，均可通过改变磷肥的施用深度来提高抗氧化酶活性，从而减轻作物细胞膜受伤害的程度，这与张永清等[29]的研究结果一致。在本试验条件下，将磷肥施在20 cm 处，最有利于苦荞产量的提高。