施氮深度和水分胁迫对藜麦幼苗生理及产量的影响

李亚妮, 庞春花,2*, 张永清,3, 张 媛

( 1. 山西师范大学 生命科学学院, 山西 临汾 041000； 2. 山西师范大学 现代文理学院， 山西 临汾 041000； 3. 山西师范大学 地理科学学院， 山西 临汾 041000 )

藜麦是藜科藜属一年生草本植物，原产于南美洲安第斯山脉，因其具有较高的营养价值和良好的生态适应性，成为国内外多个研究领域的热点(庞春花等，2017)。在干旱和半干旱地区，水分亏缺是影响作物产量的主要因素，选育和栽培耐旱作物是应对干旱的一项重要措施，藜麦作为一种节水抗旱作物，明确其抗旱机理，提高其抗旱能力，将在我国土壤利用开发中发挥重要作用(刘文瑜等，2019)。水肥与产量的关系是重要的研究课题，生产上通过一定的水肥措施达到“以肥促根”“以根调水”的目的(李秧秧和邵明安，2000)，进而提高水肥利用率，实现作物增产。

控释尿素作为一种新型肥料，能够根据作物对养分的需求控制其养分释放模式，使养分释放与作物养分吸收基本同步，从而减少氮素损失，提高氮肥利用率(刘威等，2019)。有研究表明，普通尿素施入土壤后在短期内溶解，不能全部被植物吸收利用(武鹏等，2018)。因此，控释尿素合理的施用对藜麦在旱地农业的发展具有重要意义。

研究表明，合理的施肥深度是提高肥效的关键所在(苏志峰等，2016)，改变施肥深度，可以间接调节作物的根系分布，充分调动作物根系对土壤水分和养分的吸收利用(沈玉芳和李世清，2019)。与肥料表施或浅施相比，肥料深施可以提高肥料利用率，延长肥效，促进作物后期生长，进而提高作物产量(于晓芳等，2013；谷晓博等，2016)。据报道，肥料深施还可以有效避免因肥料与种子太过接近而造成毒害，避免烧苗(Zhang & Rengel ,2002)，但肥料的深施范围尚不明确(杨云马等，2016)。张永清等(2006)研究认为，小麦施肥深度10～30 cm有利于根系对较深层次土壤养分的吸收。赵堂甫等(2020)研究认为，在5～20 cm深度内，玉米的产量随着施肥深度的增加而显著提高。可见，不同作物适宜生长的施肥深度存在较大差异，目前，藜麦的最适施氮深度尚不明确。国内外学者对水肥耦合的研究比较多，把水分和施肥深度结合起来的研究则鲜有报道(康小华等，2017)。由于施肥深度显著影响作物水氮条件的供应，所以探明水分胁迫和施氮深度对藜麦幼苗生长、生理特性的影响，确定最佳水分条件和施氮深度，提高氮肥利用率，对实现藜麦增产具有重要意义。本研究结合幼苗生长、生理活性和产量分析，探索了藜麦在干旱及半干旱地区施肥深度和水分供应最佳组合，旨在为干旱及半干旱地区藜麦科学合理的水肥管理提供理论基础和实践依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料和试验设计

供试藜麦品种为“亿隆1号”，购自山西忻州亿隆藜麦科技推广有限公司。供试控释尿素(controlled-release urea，CRU)为“硫包衣尿素”(含N 37%)。供试磷肥和钾肥分别是过磷酸钙(含PO15%)、氯化钾(含KO 52%)。控释尿素、过磷酸钙、氯化钾用量分别为0.2、0.2、0.15 g·kg。所有肥料均用作基肥，一次性施入。试验所用盆的规格为31 cm(直径)×31 cm(盆深)，每盆装风干土15 kg。为了模拟黄土高原旱薄区的土壤养分情况，供试土壤采用距地表3 m 以下养分含量相对较低的生土，其基本理化性质为碱解氮含量2.3 mg·kg、速效磷含量3.4 mg·kg、速效钾含量93.5 mg·kg、有机质含量1.7 g·kg、土壤pH 7.9。装土前将土壤风干碾碎并过筛，分层装入。为了模拟田间自然条件下的水分情况，采用插管底部灌水法进行盆栽试验。

试验设计为双因素完全随机设计，因素D为施氮深度，综合前人研究(于晓芳等，2013；谷晓博等，2016；杨云马等，2016；刘威等，2019；赵堂甫等，2020)共设3个水平：D1(控释尿素施在0～8 cm深度)、D2(控释尿素施在8～16 cm深度)和D3(控释尿素施在16～24 cm深度)；因素W为供水量，综合前人研究(倪瑞军等，2015；庞春花等，2017)同样设3个水平：正常供水(W1，土壤相对含水量为65%～75%)、中度干旱胁迫(W2，土壤相对含水量为45%～55%)和重度干旱胁迫(W3，土壤相对含水量为25%～35%)，每天pm 18:00采用称重法控制土壤含水量在设定范围内。试验共3×3=9个处理组合，每个处理重复3次，共27盆。试验选取饱满、大小一致的藜麦种子，用10% HO对种子进行消毒10 min，用蒸馏水反复冲洗多次，于2019年5月11日播种，每盆播35粒。待出苗后第5天(三叶期)，每盆均留苗7株，每个处理 3 盆，花盆随机摆放。在出苗后第15天(幼苗期)取3次重复进行指标的测定，将地上部和地下部分开收获，将地下部冲洗干净保存在4 ℃冰箱进行形态指标和各项生理指标的测定。于2019年9月11日(成熟期)收获，取3次重复进行产量指标的测定。

1.2 测定项目和方法

生长指标：采用烘干称重法测定地上部和地下部干重；采用直尺直接测量株高；采用精度0.02 mm的游标卡尺测量茎粗；用L-3000A叶面积仪测量叶面积；用根系扫描仪Win-RHIZO测量总根长、根系平均直径、根系表面积、根系体积。

生理指标：采用NBT法测超氧化物歧化酶(SOD)活性，愈创木酚法测过氧化物酶(POD)活性，氮蓝四唑法测定过氧化氢酶(CAT)活性，蒽酮比色法测定可溶性糖含量，考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量，丙酮-乙醇直接浸提法测定叶绿素总量(张志良等，2009)。

产量指标：顶穗粒数、顶穗小穗数、分枝数、穗数用直接计数法测定，产量和千粒重采用称重法测定。

1.3 数据处理

用Microsoft Excel 2007软件对实验数据进行整理，用SPSS 17.0软件对数据进行统计分析，采用Duncan’s法进行多重比较，SigamPlot 12.5软件作图，数据结果用平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 施氮深度和水分胁迫对藜麦地上部生长的影响

表1结果表明，施肥深度、水分处理及二者的交互作用均对藜麦的株高、茎粗、地上部生物量有显著影响，施肥深度和水分处理对藜麦的叶面积有显著影响。

藜麦幼苗株高、茎粗、叶面积、地上部生物量在各处理均随控释尿素的施用深度增加先升高后降低，均在D2处理最大。株高在D2处理分别比D1和D3处理显著提高了4.74%、13.97%、3.00%和7.02%、3.41%、7.15%；茎粗在D2处理分别比D1和D3处理显著提高了36.10%、38.07%、16.12%和23.84%、19.49%、20.76%；叶面积在D2处理分别比D1和D3处理显著提高了5.38%、9.13%、11.21%和11.86%、7.75%、8.66%；地上部生物量在D2处理分别比D1和D3处理显著提高了10.71%、21.83%、6.37%和10.29%、7.02%、16.96%。随着水分胁迫增强，各施肥深度处理藜麦株高、茎粗、叶面积、地上部生物量均表现为W1>W2>W3。株高在W2和W3处理比W1处理显著减小了15.67%、31.50%、17.18%和32.45%、10.51%、27.11%；茎粗和叶面积在部分处理差异显著；地上部生物量在W2和W3处理比W1处理显著减小了15.11%、29.33%、19.05%和32.14%、7.11%、27.92%。

2.2 施氮深度和水分胁迫对藜麦根系生长的影响

植株的主根长、根系平均直径、根系表面积和根系体积是分析根系生长发育情况、研究作物抗旱性的重要指标，可反映根系生长与环境的适应性。表2结果表明，施肥深度、水分处理及两者的交互作用对藜麦的根系表面积有显著影响，施肥深度和水分处理对藜麦的主根长、根系平均直径和根系体积也有显著影响。

藜麦幼苗主根长、根系体积、根系表面积和根系平均直径在各处理均随氮肥施用深度的增加先升高后降低，均在D2处理最大。主根长在D2处理分别比D1和D3处理显著提高了5.96%、13.80%、10.48%和16.58%、10.11%、15.45%；根系体积在D2处理分别比D1和D3处理显著提高了13.22%、21.85%、13.24%和20.95%、22.64%、36.47%；根系表面积在D2处理分别比D3处理显著提高了22.62%、10.06%、17.33%，D1和D2处理差异不显著；根系体积在各施肥深度处理部分差异显著。藜麦主根长、根系体积、根系表面积和根系平均直径均随水分胁迫逐渐减小。主根长在W2和W3处理比W1处理显著减小了23.54%、48.89%、19.69%和46.54%、22.28%、47.56%；根系体积在W2和W3处理比W1处理显著减小了31.47%、73.30%、31.45%和70.04%、30.67%、75.65%；根系表面积在W2和W3处理比W1处理显著减小了46.03%、70.22%、42.81%和71.70%、43.96%、70.37%；根系平均直径在部分处理差异显著。

表 2 水分和控释尿素耦合对藜麦根系生长的影响Table 2 Effects of water and controlled-release urea coupling on root growth of quinoa

2.3 施氮深度和水分胁迫对藜麦生理指标的影响

表3结果表明，施肥深度、水分处理均对藜麦的SOD、POD、CAT活性和可溶性糖、可溶性蛋白含量及叶绿素总量有显著影响，施肥深度和水分处理的交互作用对藜麦的POD、CAT活性有显著影响。

表 3 水分和控释尿素耦合对藜麦生理特性的影响Table 3 Effects of water and controlled-release urea coupling on physiological characteristics of quinoa

从图1可以看出，藜麦幼苗根系 SOD、POD和CAT活性均随控释尿素的施用深度增加先升高后降低，均在D2处理最大。SOD活性在D2处理(W1、W2和W3处理分别为150.56、239.51、172.14 U·gFW)分别比D1和D3处理显著提高了29.10%、20.87%、21.43%和28.05%、17.18%、16.84%；POD活性仅在W1和W2处理差异显著；CAT活性在D2处理(W1、W2和W3处理分别为31.65、34.99、32.35 U·gFW)分别比D1和D3处理显著提高了25.71%、30.44%、9.80%和22.47%、17.96%、22.89%。藜麦幼苗的3 种酶活性均随干旱胁迫增强先升高后降低，SOD活性在W2处理(D1、D2和D3处理幼苗分别为188.19、239.51、172.33 U·gFW)分别比W1处理显著提高了43.28%、37.14%和30.87%；POD活性在W2处理(D1、D2和D3处理幼苗分别为472.45、505.44、428.33 U·gFW)分别比W1处理显著提高了39.83%、37.56%和30.96%；CAT活性在W2处理(D1、D2和D3处理幼苗分别为31.56、34.99、27.13 U·gFW)分别比W1处理显著提高了25.52%、9.56%和18.85%，不同干旱处理间差异显著。

D1. 控释尿素施在0～8 cm深度; D2. 控释尿素施在8～16 cm深度; D3. 控释尿素施在16～24 cm深度; W1. 正常供水; W2. 中度干旱; W3. 重度干旱。不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。D1. Placement of CRU at 0-8 cm depth; D2. Placement of CRU at 8-16 cm depth; D3. Placement of CRU at 16-24 cm depth; W1. Normal moisture; W2. Moderate drought; W3. Severe drought. Different letters indicate significant differences among different treatments (P<0.05).图 1 水分和控释尿素耦合对藜麦生理特性的影响Fig. 1 Effects of water and controlled-release urea (CRU) coupling on physiological characteristics of quinoa

藜麦幼苗可溶性糖、可溶性蛋白含量和叶绿素总量均随氮肥的施用深度增加先升高后降低，均在D2处理最大。可溶性蛋白含量和叶绿素总量仅在部分水分处理差异显著；可溶性糖含量在D2处理(W1、W2和W3处理分别为5.10、5.97、5.87 mg·g)分别比D1和D3处理显著提高了22.27%、33.78%、15.52%和37.91%、16.78%、39.96%。藜麦可溶性糖、可溶性蛋白含量和叶绿素总量均随水分胁迫增强先增大后减小。可溶性糖含量在W2胁迫处理最大，D1和D2处理差异显著，D3处理差异不显著；可溶性蛋白含量在W2处理最大(D1、D2和D3处理分别为1.83、1.96、1.66 mg·g)分别比W1处理显著提高了20.17%、15.38%和16.43%；叶绿素总量在W2处理最大(D1、D2和D3处理分别为3.50、4.56、3.32 mg·g)分别比W1处理显著提高了32.46%、35.19%和54.18%，不同干旱处理间可溶性糖、可溶性蛋白含量和叶绿素总量差异不显著。

2.4 施氮深度和水分胁迫对藜麦产量的影响

表4结果表明，施肥深度、水分处理及二者的交互作用均对藜麦的顶穗小穗数、产量和千粒重均有显著影响，控释尿素和水分处理还对藜麦的分枝数和穗数有显著影响，施氮深度和水分交互对藜麦的顶穗粒数有显著影响。藜麦顶穗粒数、顶穗小穗数、分枝数、穗数、产量和千粒重在各处理均随氮肥深度增加先升高后降低，均在D2处理最大。顶穗粒数在D2处理条件下分别比D1和D3处理显著提高了14.56%、10.89%、36.93%和9.78%、17.02%、11.00%；顶穗小穗数、分枝数、穗数、产量和千粒重在部分处理差异显著。随着干旱胁迫增强，藜麦顶穗粒数、顶穗小穗数、分枝数、穗数、产量和千粒重在各施肥深度处理均随干旱胁迫逐渐降低，顶穗粒数在W2和W3处理比W1处理显著减小了39.70%、53.00%、18.45%和51.60%、17.43%、51.67%；顶穗小穗数在W2和W3处理比W1处理显著减小了41.00%、57.00%、13.27%和50.44%、8.08%、53.54%；分枝数和穗数在部分处理差异显著；产量在W2和W3处理比W1处理显著减小了26.79%、64.24%、13.74%和55.56%、11.07%、56.79%；千粒重在部分处理差异显著。

表 4 水分和控释尿素耦合对藜麦产量及其构成因素的影响Table 4 Effects of water and controlled-release urea coupling on yield and its components of quinoa

3 讨论

3.1 施肥深度和水分胁迫对藜麦形态性状的影响

在黄土高原上引种藜麦经常会面临干旱缺水的问题(倪瑞军等，2015)。水分条件和施氮深度的合理利用能提高水肥利用率，促进作物的生长(刘新永和田长彦，2007；邵丽芳等，2012；赵堂甫等，2020)。崔红红和李援农(2014)研究证明，在一定施氮条件下，灌水量的增加能显著促进小麦各项形态指标的增加，灌水定额以80 mm为宜。段娜等(2019)的研究结果表明，60%～80%水分供应为欧李生长的最适生态位。本研究结果表明，在施氮深度相同条件下，藜麦株高、茎粗、叶面积、地上部生物量均随土壤含水量的增加而增加，但增加的幅度不同，均在供水量为65%～75%时达到最大值，与上述研究结果相似。说明水分胁迫显著抑制肥效的发挥，充足的水分对藜麦幼苗具有明显的促进作用。藜麦叶面积和株高形态变化显著，说明苗期株高和叶面积对水分条件相对敏感，茎粗的增加幅度较小可能是因为幼苗期植株的生长期较短，影响物质分配。干旱条件下，氮肥施用过深和过浅均使藜麦的株高、茎粗、叶面积和地上部生物量不同程度地降低，这可能是因为氮素供应不足直接导致藜麦生长受到抑制，表现为植株矮小、生长缓慢，而适宜深施氮肥可以促进植株对养分的吸收，降低对藜麦幼苗地上部生长的抑制效应，从而缓解水分不足造成的不利影响。

根系作为吸收水分和养分的器官，受水分胁迫的影响最为明显，且在不同土层影响不同(张玉等，2014；丁红等，2015)，通过改变施肥深度可以调节作物根系在不同土层深度中的分布，适当加深施肥深度有利于保持作物根系活力，促进根系的生长和水分利用率的提高(张永清和苗果园，2006；孙权等，2007)。本研究中，干旱胁迫显著抑制藜麦主根长、根系平均直径、根系表面积和根系体积，且干旱胁迫程度越大，对藜麦根系发育的抑制作用越强，不同的施氮深度，藜麦根系对水分胁迫的敏感程度不同，与D1和D3处理相比，D2处理施用效果最好，说明适宜深施控释尿素处理改善了藜麦深层根系生长状况，为根系深层扩展提供良好条件，表现为根系发达，减缓深层根系衰老(Li et al., 2009；Guo et al., 2016)，提高了藜麦根系的耐旱性。本研究中，施肥深度对正常供水条件下藜麦根系平均直径、根系表面积和根系体积无显著差异，说明施氮深度对正常供水条件下藜麦根系发育的影响效应低于干旱胁迫处理，说明水分条件对幼苗的影响大于施肥深度对幼苗的影响，施氮深度对水分有一定的补偿效应，这与Hu等(2013)、Fageria和Carvalho(2014)的研究结果相似。

3.2 施肥深度和水分胁迫对藜麦生理指标的影响

研究表明，抗氧化酶活性越高，作物对逆境的抗性越强。可溶性糖和可溶性蛋白作为渗透调节物质，能够保持原生质和环境的渗透平衡，维持植物的正常代谢，其含量的多少可以反映植物的抗逆性(李鑫等，2015)。不同施肥深度，对作物根系生理活性影响显著，深层施肥小麦根系SOD、CAT活性保持较高水平，可溶性蛋白含量降低，有效缓解根系衰老(石岩等，2011)。本研究结果表明，干旱胁迫条件下，D2处理藜麦SOD、POD和CAT活性增强，可溶性糖和可溶性蛋白的含量升高，说明不同的抗氧化酶和渗透调节物质均有相同的调节机制抵抗干旱，这与乌日娜等(2020)的研究结果相似。藜麦在中度干旱条件下能够保持较高的抗氧化酶活性和渗透调节物质含量，且D2处理最高，说明D1和D3处理均不利于藜麦抵御逆境胁迫，适宜深施氮肥能够改善藜麦内在生理活性，增强藜麦抗旱性，促进对水分的吸收和维持水分平衡的能力，保护细胞免受干旱胁迫的危害，提高藜麦对水分胁迫的耐受性，控释尿素施用过浅和过深，藜麦抗氧化酶活性和渗透调节物质均降低，加速根系衰老。重度干旱条件下，藜麦抗氧化酶活性降低，自由基代谢失衡，说明藜麦在响应不同的水分胁迫时表现出一定的差异性，幼苗能忍受中度干旱胁迫，在重度干旱胁迫时幼苗受迫害严重，可能是因为重度干旱对藜麦细胞已造成了损伤，清除活性氧的能力降低，这与岳凯等(2019)的研究结果一致。叶绿素含量对光合作用有重要影响(张仁和等，2012)，本研究中，藜麦在D2W2条件下叶绿素含量保持较高水平，说明中度干旱胁迫和适宜施氮深度促进叶绿素的合成，提高了应对干旱胁迫的能力，维持正常的光合作用，与藜麦幼苗抗氧化酶活性和渗透调节物质含量表现出了一致性。

3.3 施肥深度和水分胁迫对藜麦产量的影响

有研究表明，适度的水氮供应能够提升作物的产量、改善作物品质(胡钧铭等，2018)，深施肥有利于提高玉米的产量(李振等，2014)，但深施肥不利于木薯产量的增加(郑玉等，2011)。玉米苗期和成熟期干物质量以施肥深度在种下6 cm和12 cm最高，10 cm深度施肥氮肥利用率较高，施在24 cm会显著降低氮肥利用率，影响玉米产量和氮吸收量(李振等，2014；杨云马等，2016)。鲁飘飘等(2014)研究表明氮肥深施有利于油菜地上部与根系和籽粒的协调，且施用深度为16 cm时油菜产量最高。本研究结果表明，相同水分条件下，D2处理藜麦顶穗粒数、顶穗小穗数、分枝数、穗数和千粒重指标数均最高，促进藜麦产量的形成，表现为产量最高，D3处理产量次之，D1处理产量最低，综合藜麦产量和产量构成情况，初步得出适宜藜麦生长的施肥深度为8～16 cm，表明深施控释尿素显著提高了藜麦的产量，D1和D3处理对藜麦产量呈负效应，这可能是因为肥料浅施处理促进了藜麦生育前期的生长，随着植株的生长，根系的趋肥性导致根系范围小，生育后期水分和养分吸收不足，抑制了藜麦产量的形成；肥料施用过深使藜麦发育前期养分供应不足，生理活性最低，但促进藜麦生育后期根系下扎，水分和养分充足，生长恢复，弥补了生育前期养分不足造成的影响，藜麦的产量次高；而肥料适宜深施满足了藜麦各生育期对水分和养分的需求，产量最高。以上研究表明，在一定水分条件下，适当调节施氮深度可以促进作物产量的形成。Kaushal等(2006)认为在20 cm处施缓释肥可提高大豆产量，与本研究结果不一致，这可能与研究材料和肥料种类及环境因素等差异所致。本研究中，在干旱胁迫下藜麦产量构成存在显著差异，干旱胁迫降低了藜麦顶穗粒数、顶穗小穗数、分枝数、穗数和千粒重，从而抑制藜麦产量的形成，藜麦形成产量的最佳水分条件为W1，虽然藜麦自身具有一定的抗旱性，但是不同的水肥条件下，藜麦的抗旱能力不尽相同，导致藜麦的产量不同，说明在施肥深度一定时，可以适当增加土壤含水量来提高藜麦的产量(Guo et al., 2016；崔红艳和方子森，2016)。

4 结论

本试验条件下，调整水分和施氮深度能够诱导根系寻找深层土壤水分和养分，进而调节藜麦的根系分布，促进藜麦生长，增强藜麦生理特性，显著提高藜麦的产量，且藜麦种植最佳方案为D2W1，可以作为提高藜麦产量的一种参考途径。然而，水分和施肥深度对藜麦生长发育的影响还受作物内在因素、外界生长环境(崔婉莹等，2019)和肥料施用类型等诸多因素的影响。因此，其他生态条件下，藜麦种植的最优栽培方案可在本研究基础上作进一步的研究与探讨。