同琳靜，馮 濤，孫政國(guó)，陳小東，楊文祥，李建龍

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210095； 2.南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210093;3.常州市武進(jìn)區(qū)禮嘉鎮(zhèn)農(nóng)技農(nóng)機(jī)站，江蘇 常州 213100； 4.興化市動(dòng)物衛(wèi)生監(jiān)督所，江蘇 興化 215700)

Li Jian-long E-mail jlli2008@nju.edu.cn

漬災(zāi)是指土壤排水不暢或地下水位過高引起土壤根系缺氧、肥力失調(diào)，從而影響作物正常生長(zhǎng)發(fā)育的現(xiàn)象[1]。我國(guó)每年發(fā)生漬害的面積達(dá)144.4萬hm2，主要分布在四川、重慶、湖北、湖南、安徽等地，糧食生產(chǎn)損失嚴(yán)重[2-3]。

甜高粱(Sorghumdochna)屬于一年生禾本科植物，抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、生物量大。不僅是優(yōu)質(zhì)的糧食作物，同時(shí)已成為許多國(guó)家優(yōu)質(zhì)飼草的重要來源，此外，甜高粱還可用作能源作物和糖料作物。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于甜高粱的選育、栽培和利用等研究較多[4]。逆境脅迫研究方面以鹽脅迫和干旱脅迫居多，對(duì)于漬害脅迫下植物的生理變化和易發(fā)漬害脅迫地區(qū)的栽培管理技術(shù)報(bào)道較少。

我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)，每年的6月下旬至7月上旬會(huì)進(jìn)入梅雨季節(jié)，長(zhǎng)時(shí)間降水對(duì)甜高粱的產(chǎn)量性狀及抗氧化酶系統(tǒng)造成影響，從而降低了甜高粱的產(chǎn)量。研究表明，壟作耕作方式相比于平作能增加土壤透氣性、降低田間濕度，提高作物產(chǎn)量[5]。為此，針對(duì)江蘇里下河地區(qū)高濕多雨的氣候特點(diǎn)，設(shè)置了壟作和平作兩種處理，探究漬害脅迫下，壟作和平作兩種方式種植甜高粱的產(chǎn)量性狀和生理特性的變化規(guī)律，以期為易產(chǎn)生漬害脅迫地區(qū)甜高粱種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用材料為甜高粱(大力士)，由百綠(北京)國(guó)際草業(yè)有限公司提供。

1.2 方法

1.2.1試驗(yàn)區(qū)概況 試驗(yàn)于2016年在江蘇省興化市華夏畜牧有限公司進(jìn)行。該地位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)，屬于北亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.0 ℃，年平均降水量1 032.3 mm，年平均降水日(日降水量≥0.1 mm)109 d。興化市每年于6月20日左右入梅，7月10日左右出梅，梅雨期降水量平均為240 mm；土質(zhì)疏松，耕作層深厚，肥力中等，適合甜高粱的生長(zhǎng)；前茬作物為小黑麥(×TriticaleWittmack)。試驗(yàn)地塊土壤有機(jī)質(zhì)含量為20.63 g·kg-1，堿解氮含量為131 mg·kg-1，有效磷含量為55.47 mg·kg-1，有效鉀含量為78.31 mg·kg-1。

1.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為3 m×3 m，設(shè)置了壟作和平作兩個(gè)處理，3個(gè)重復(fù)，小區(qū)設(shè)置大溝30 cm，小溝20 cm。壟作每小區(qū)起3壟，相鄰壟之間間距為30 cm，壟高15 cm，壟面寬50 cm，壟上種兩行，行距30 cm。平作設(shè)計(jì)為寬窄行，寬行為80 cm，窄行為30 cm。單株株距為10 cm，播種量為2.001×105株·hm-2。播種前施入基肥(復(fù)合肥225 kg·hm-2，N∶P∶K=20∶8∶18)。

2016年6月15日進(jìn)行播種，苗期施入尿素75 kg·hm-2。在三葉期進(jìn)行間苗、定苗，并對(duì)小區(qū)進(jìn)行漬水處理，水量保持在排水溝的3/4處，保證田間持水量為100%。并在漬水處理后的0、3、6、9 d(7月11日、7月14日、7月17日、7月20日)取樣測(cè)定葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性。測(cè)定甜高粱的農(nóng)藝性狀時(shí)共進(jìn)行4次取樣(每隔20 d左右)，時(shí)間分別為7月11日(苗期)、8月3日(拔節(jié)期)、8月24日(拔節(jié)期)、9月14日(孕穗期)，取樣后測(cè)定兩種耕作方式下甜高粱的干鮮重、株高、莖粗、單株葉面積、葉數(shù)等指標(biāo)。

1.2.3指標(biāo)測(cè)定

株高：每個(gè)小區(qū)選取3株長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株，測(cè)量拉伸株體長(zhǎng)度。莖粗：每個(gè)小區(qū)選3株長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株，用游標(biāo)卡尺測(cè)定根部向上第2節(jié)中間莖的直徑，記作莖粗。單株葉面積：每個(gè)小區(qū)選3株長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株，莖葉分離，用葉面積儀測(cè)得單株葉面積，通過相關(guān)換算得到甜高粱的葉面積指數(shù)。單株鮮重和干重：每個(gè)小區(qū)選取3株長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株，留茬5 cm刈割，莖葉分離后分別測(cè)量莖、葉鮮重。然后放入105 ℃烘箱中殺青15 min，在65 ℃下烘干至恒重，稱重后得到莖、葉干重，通過計(jì)算可得到莖葉比。

抗氧化酶系統(tǒng)的活性測(cè)定：在7月11日、7月14日、7月17日、7月20日進(jìn)行取樣，每個(gè)小區(qū)取樣3份。選取甜高粱最上部?jī)善耆归_葉，經(jīng)蒸餾水沖洗吸干，稱取約0.3 g鮮樣加8 mL PBS(0.05 mol·L-1，pH 7.8)于冰浴中碾磨，4 ℃下3 000 r·min-1離心20 min，取上清液用于抗氧化酶活性的測(cè)定，重復(fù)測(cè)定3次[6]。采用氮藍(lán)四唑法測(cè)定SOD活性[7]，愈創(chuàng)木酚顯色法測(cè)定POD活性[8]，紫外吸收法測(cè)定CAT活性[8]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用SPSS 20.0軟件對(duì)兩個(gè)處理間產(chǎn)量性狀和抗氧化酶活性進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，采用Microsoft Excel 2007作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 漬害脅迫下不同耕作方式對(duì)甜高粱產(chǎn)量性狀的影響

苗期受到漬害脅迫，不同處理下甜高粱的株高、莖粗、單株干重、葉面積指數(shù)、葉數(shù)、莖葉比都表現(xiàn)為不斷增加，但變化的幅度有所差別(表1)。

2.1.1株高 7月11日和8月3日，壟作處理的株高分別比平作高9.76和18.37 cm，存在顯著差異(P<0.05)。8月24日和9月14日，兩種處理間株高無顯著差異(P>0.05)(表1)。

2.1.2莖粗 壟作處理的莖粗在初期(7月11日和8月3日之間)增加速率大于平作，之后增加幅度不大。7月11日，甜高粱的莖粗在兩處理間無顯著差異(P>0.05)。在8月3日、8月24日和9月14日，壟作處理的甜高粱的莖粗分別比平作高3.27、4.79、5.04 mm，差異顯著(P<0.05)(表1)。

2.1.3單株干重 壟作處理的單株干重和單株干重的增加速率始終大于平作。7月11日，壟作處理的甜高粱的單株干重與平作間無顯著差異(P>0.05)。在8月3日、8月24日和9月14日，壟作處理的單株干重顯著大于平作(P<0.05)。9月14日，壟作處理的單株干重為70.78 g，比平作高29.77 g(表1)。

2.1.4葉面積指數(shù) 壟作處理的甜高粱的葉面積指數(shù)增加速率始終大于平作。7月11日，壟作處理的葉面積指數(shù)大于平作，但無顯著差異(P>0.05)。8月3日、8月24日和9月14日，壟作處理的葉面積指數(shù)分別比平作高0.10、0.79、1.08，差異均顯著(P<0.05)(表1)。

2.1.5葉數(shù) 在7月11日、8月3日和8月24日，壟作處理的葉數(shù)不僅大于平作，而且增加速率也大于平作。8月24日至9月14日之間，平作處理的葉數(shù)增加速率大于壟作，但葉數(shù)少于壟作。7月11日，壟作處理下的葉數(shù)與平作間無顯著差異(P>0.05)。在8月3日、8月24日和9月14日，壟作處理的葉數(shù)顯著大于平作(P<0.05)，分別比平作多1.02個(gè)、3.22個(gè)、2.27個(gè)(表1)。

表1 漬害脅迫下不同耕作方式對(duì)甜高粱不同時(shí)期產(chǎn)量性狀的影響Table 1 Effect of different culture patterns on yield traits of sweet sorghum under waterlogging stress

不同小寫字母表示同一時(shí)期不同耕作方式之間存在顯著差異(P<0.05)。

Different lowercase letters indicate significant differences between ridge culture and flat culture at the 0.05 level.

2.1.6莖葉比 壟作處理莖葉比的增加速率總體大于平作。7月11日，壟作處理的莖葉比與平作間無顯著差異(P>0.05)。8月3日，壟作處理的莖葉比比平作高0.15，差異顯著(P<0.05)。8月24日和9月14日，壟作處理的莖葉比與平作間無顯著差異(P>0.05)(表1)。

2.2 漬害脅迫下不同耕作方式對(duì)甜高粱抗氧化酶活性影響

2.2.1SOD活性 甜高粱苗期遭受漬害脅迫，平作處理的SOD活性先升高后降低，處理6 d時(shí)達(dá)到峰值，為318.4 U·(g·min)-1，而壟作耕作方式下的SOD活性不斷升高。取樣0～3 d，平作處理的SOD活性和SOD活性升高速率都大于壟作。取樣3～6 d，雖然平作處理的SOD活性仍大于壟作，但升高速率開始減慢，此時(shí)壟作處理的SOD活性升高速率大于平作。在取樣6～9 d，平作處理的SOD活性已經(jīng)開始下降，而壟作處理的SOD活性還在不斷升高。在漬水處理9 d后，壟作和平作處理的SOD活性分別為304.2和217.2 U·(g·min)-1(圖1)。

圖1 漬害脅迫下不同耕作方式甜高粱葉片抗氧化酶活性的變化Fig. 1 Variation trend in the antioxidant enzyme activities of sweet sorghum leaves in two culture patterns under waterlogging stress

2.2.2POD活性 苗期漬害脅迫下，兩種處理的甜高粱的POD活性都表現(xiàn)為先升高后降低，脅迫處理6 d時(shí)，壟作和平作處理的POD峰值分別為108和125.5 U·(g·min)-1。取樣0～3 d和3～6 d，平作處理的POD活性和POD活性升高速率都大于壟作。在取樣6～9 d，兩種處理的POD活性都表現(xiàn)為不斷降低，平作處理的降低幅度大于壟作。漬害9 d后，壟作處理的POD活性比平作高12.8 U·(g·min)-1(圖1)。

2.2.3CAT活性 平作處理的CAT活性先升后降，在脅迫處理6 d時(shí)達(dá)到峰值，為275.8 U·(g·min)-1。而壟作處理的CAT活性不斷升高，取樣間隔內(nèi)的CAT升高速率變化不大。脅迫9 d內(nèi)，平作處理的甜高粱的CAT活性始終高于壟作，但并不能表明平作方式能夠更好地表達(dá)CAT酶來抵御漬害脅迫。漬害脅迫6～9 d，雖然平作處理的CAT活性高于壟作，但其CAT活性表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，而壟作處理的CAT活性在不斷升高，其活性有超過平作的趨勢(shì)(圖1)。

3 討論與結(jié)論

3.1 苗期漬害脅迫下甜高粱的耕作方式與產(chǎn)量性狀的關(guān)系

逆境脅迫對(duì)于植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響最終體現(xiàn)在農(nóng)藝性狀上。漬害對(duì)玉米(Zeamays)[9]、芝麻(Sesamumindicum)[10]、小麥(Triticumaestivum)[11]、大豆(Glycinemax)[12]和棉花(Gossypiumhirsutum)[13]等的生長(zhǎng)都產(chǎn)生影響，產(chǎn)量出現(xiàn)降低。玉米在苗期遭受漬害脅迫后，根的形態(tài)發(fā)生了變化，根的條數(shù)、長(zhǎng)度、干重、吸收營(yíng)養(yǎng)的能力都顯著降低[14]。分別在芝麻的蕾期、盛花期和終花期對(duì)其進(jìn)行相同時(shí)間的漬害脅迫，結(jié)果均表現(xiàn)為根系早衰甚至爛根、蒴果數(shù)減少、種子產(chǎn)量降低[15]。當(dāng)甜高粱受到逆境脅迫時(shí)，同樣會(huì)出現(xiàn)有氧呼吸減弱，無氧呼吸作用增強(qiáng)，所以糖類消耗，酒精大量積累，根系活動(dòng)受阻，代謝緩慢[16]。漬澇環(huán)境會(huì)使得土壤中的空氣含量降低，溶解氧減少，無氧呼吸增強(qiáng)，從而抑制根的正常生理代謝，影響其對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。同時(shí)，也會(huì)使根的形態(tài)發(fā)生變化，改變光合產(chǎn)物在地上部和地下部的分配，增加植物的冠根比[14,17]。植物的地上部分和地下部分是相互作用的，根系活動(dòng)受阻會(huì)導(dǎo)致地上部分的葉綠素合成受阻、蒸騰作用和呼吸作用的速率降低、蛋白質(zhì)合成減少、氧化磷酸化過程受到抑制，激素分泌過程也出現(xiàn)紊亂。地上部分生長(zhǎng)受到減緩，同時(shí)也會(huì)抑制其根的代謝，從而使植物進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致死亡[18-19]。所以，緩解漬害對(duì)植物生長(zhǎng)的影響要從緩解植物根系的脅迫入手。相關(guān)研究[2]表明，壟作耕作方式能夠使作物增加保苗數(shù)、葉片的葉綠素含量、干物質(zhì)積累和葉面積指數(shù)，提高光能利用率、增加土壤透氣性、降低田間濕度，獲得了更好的產(chǎn)量性狀。趙貴元等[20]發(fā)現(xiàn)，在盛花期對(duì)芝麻(Sesamumindicum)進(jìn)行漬害處理，壟作方式下的單株產(chǎn)量、株高、有效穗長(zhǎng)與平作間存在極顯著差異，能有效緩解漬害脅迫對(duì)植物產(chǎn)量性狀的影響。本研究結(jié)果與在芝麻上的研究結(jié)果相似，壟作處理下甜高粱的莖粗、葉數(shù)、葉面積指數(shù)都顯著大于平作(P<0.05)，株高和莖葉比等表現(xiàn)出壟作高于平作的趨勢(shì)。說明壟作耕作方式可緩解漬害脅迫對(duì)于甜高粱生理過程的抑制作用，從而表現(xiàn)出更好的產(chǎn)量性狀。

3.2 苗期漬害脅迫下甜高粱的耕作方式與抗氧化酶活性的關(guān)系

甜高粱苗期受到漬害脅迫下表現(xiàn)出來的抗氧化能力，是機(jī)體發(fā)生多種生化反應(yīng)，產(chǎn)生多種酶協(xié)同作用的結(jié)果。SOD、POD、CAT是植物體內(nèi)重要的3種抗氧化酶，其功能為清除植物機(jī)體內(nèi)的自由基，使機(jī)體免受傷害[21]。SOD是活性氧清除反應(yīng)中第一個(gè)發(fā)揮作用的抗氧化酶，可以有效防御活性氧對(duì)于植物的毒害[22]。一般認(rèn)為，植物在遭受各種逆境脅迫(干旱、鹽害、重金屬等)時(shí)，會(huì)增加SOD活性以抵御逆境傷害。但遭受長(zhǎng)時(shí)間的逆境脅迫時(shí)，自由基和活性氧的增加會(huì)超過植物體的調(diào)控范圍，從而顯著降低SOD活性[23]。甜高粱在苗期遭受鹽脅迫時(shí)，SOD隨脅迫時(shí)間的變化表現(xiàn)為先增后降[24]，本研究平作處理與該變化趨勢(shì)相同，而壟作表現(xiàn)為不同，呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)。在遭受漬害脅迫的初期，平作和壟作處理都提高SOD活性來抵御脅迫，其發(fā)生機(jī)理為缺氧條件造成自由基合成增加會(huì)啟動(dòng)緩解損傷細(xì)胞的保護(hù)機(jī)制，促進(jìn)植物機(jī)體SOD的表達(dá)[6]。其中，平作處理初期SOD活性升高較快，說明平作處理對(duì)于漬害脅迫更加敏感。隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，因其機(jī)體內(nèi)的自由基和活性氧會(huì)出現(xiàn)積累，不同處理下SOD的調(diào)控能力表現(xiàn)不同。在脅迫9 d后，平作處理的SOD活性出現(xiàn)下降，壟作處理的SOD活性大于平作，并且還表現(xiàn)為不斷升高，說明壟作SOD能夠持續(xù)有效的清除自由基和活性氧，更好地抵御漬害脅迫。

POD在植物體內(nèi)分布廣泛，與光合作用、生物氧化等多種代謝過程有關(guān)，可用于消除自由基，其活性與植物的抗逆性有關(guān)。一般在植物體內(nèi)，SOD和POD協(xié)同作用將H2O2轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O，防止膜系統(tǒng)遭到破壞[25]。隨著植物的生長(zhǎng)發(fā)育階段和外界環(huán)境的不同，POD活性也表現(xiàn)為不同[22]。本研究結(jié)果表明，不同處理下，POD活性的變化趨勢(shì)與SOD活性在脅迫初期表現(xiàn)的趨勢(shì)類似，平作處理的POD活性和POD活性升高速率都大于壟作。但是隨著脅迫時(shí)間推移，兩種處理的POD活性都開始出現(xiàn)下降，原因與SOD活性變化原因相同，兩種處理下甜高粱POD活性變化趨勢(shì)與苗期遭受鹽脅迫時(shí)相同[24]，與小麥灌漿期遭受漬害，旗葉POD活性先降后增的趨勢(shì)不同[26]。在脅迫結(jié)束時(shí)，壟作處理的POD活性已經(jīng)大于平作。說明壟作處理下POD的表達(dá)能更好地抵御漬害脅迫。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境脅迫的加重，植物的CAT活性會(huì)出現(xiàn)持續(xù)下降[27]。但也有研究報(bào)道，CAT活性在脅迫早期活性會(huì)表現(xiàn)出升高，后期出現(xiàn)不斷下降[28]。同時(shí)，也可能出現(xiàn)CAT隨脅迫進(jìn)行，活性升高的現(xiàn)象[29]。本研究結(jié)果表明，平作和壟作處理下的甜高粱都積極表達(dá)CAT以應(yīng)對(duì)漬害脅迫，初期活性都表現(xiàn)為不斷升高，但后期變化趨勢(shì)不同，平作處理的CAT的變化趨勢(shì)為先升后降，而壟作處理下則不斷增加。脅迫進(jìn)行9 d后，壟作處理的CAT活性還在不斷增加，說明壟作處理的CAT能夠持續(xù)表達(dá)，抵御漬害脅迫對(duì)植物內(nèi)在生理的影響。

3.3 苗期漬害脅迫下甜高粱的抗氧化酶活性與產(chǎn)量性狀的關(guān)系

農(nóng)作物的產(chǎn)量基本取決于光合系統(tǒng)的大小和效率，而葉數(shù)和葉面積指數(shù)是影響光合作用效率的直接因素[30]。株高、莖粗、莖葉比和葉數(shù)是反映植物生長(zhǎng)狀況的重要農(nóng)藝性狀[31]。漬害脅迫下，植株體內(nèi)SOD、POD、CAT、硝酸還原酶(NR)、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)等保護(hù)酶類，活性都會(huì)出現(xiàn)下降[1]。其中SOD、POD、CAT可有效防止膜氧化；NR 參與N代謝過程，是最重要的限速酶，其活性強(qiáng)弱影響 N 代謝水平；Rubisco是決定光合作用效率的關(guān)鍵酶[1]。本研究結(jié)果顯示，甜高粱苗期SOD和POD活性都與產(chǎn)量性狀具有正相關(guān)關(guān)系，這與前人研究中得到的抗氧化酶活性與產(chǎn)量性狀正相關(guān)的結(jié)論相同[19]。CAT活性與產(chǎn)量性狀間相關(guān)關(guān)系都不顯著，可能與本研究中抗氧化酶指標(biāo)測(cè)定僅持續(xù)到脅迫后9 d，有關(guān)9 d之后兩種不同處理下的CAT酶活性與產(chǎn)量的關(guān)系還需要進(jìn)一步探索。結(jié)果說明，壟作處理下，漬害脅迫對(duì)于細(xì)胞酶活性和代謝速率影響較小，并相比于平作光合效率較高、農(nóng)藝性狀較好、干物質(zhì)積累較多。

綜上所述，壟作的耕作方式能夠通過緩解漬害脅迫對(duì)于甜高粱根系生理活動(dòng)和代謝速率的影響，更好地表達(dá)SOD、POD、CAT等酶活性來適應(yīng)脅迫環(huán)境，從而相對(duì)于平作表現(xiàn)出更好的株高、莖粗、單株干重、葉面積指數(shù)、葉數(shù)、莖葉比等產(chǎn)量性狀。因此，針對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的氣候特點(diǎn)，壟作的耕作方式更有利于甜高粱的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)。