甄曉宇 楊堅群 栗鑫鑫 劉兆新 高 芳 趙繼浩 李 穎 錢必長 李金融 楊東清 李向東

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 作物生物學(xué)國家重點實驗室,山東泰安 271018

花生是我國重要的油料作物,其產(chǎn)量對保障我國油料安全至關(guān)重要[1-2]。由于種植模式、土壤類型、田塊面積、作業(yè)機械性能等因素的影響,我國花生生產(chǎn)中播種深淺不一,易導(dǎo)致花生出苗差、出苗不齊和形成弱苗,最終影響產(chǎn)量[3-4]。因而確定適宜的播種深度對花生高產(chǎn)栽培有重要指導(dǎo)意義。前人研究表明,作物播種過深或過淺均可降低植株出苗率,影響產(chǎn)量。不同播種深度改變了種子萌發(fā)和幼苗出土的環(huán)境條件,影響植株的生理代謝過程與形態(tài)建成[5-6]。土壤表層水分蒸騰快,土壤含水量較低,淺播影響種子吸脹萌發(fā)[7],導(dǎo)致出苗率降低[8]。播種深度影響種子萌發(fā)的生理生化代謝過程,一方面,深播降低了種子和胚軸中MYB基因的表達,影響赤霉素(GA)信號的轉(zhuǎn)導(dǎo),不利于種子萌發(fā)和胚軸生長[9]；另一方面,隨著土壤深度增加,土壤緊實度及壓力增大[10],種子萌發(fā)過程中產(chǎn)生較多的乙烯,激活了下胚軸中的ERF1 信號通路,減緩了下胚軸細胞的生長速率[11]；再則,胚軸生長的土壤機械阻力增加,造成出苗時間推遲[12],出苗后易形成弱苗,影響作物生育中后期葉片的光合能力及抗氧化能力[13]。

花生播種過淺或過深均使出苗率降低,延長出苗時間,影響生長勢,造成單株結(jié)果數(shù)與結(jié)實率降低,影響產(chǎn)量[4,14]。前人研究表明,小麥播種過深,出苗晚,對后期生育期、株高及葉綠素影響較大[15-16]。曹慧英等[17]研究發(fā)現(xiàn)夏玉米播種過深會降低葉片 SPAD 值和根系吸收活力,導(dǎo)致凈光合速率和單株干物質(zhì)積累下降。Qin 等[18]研究發(fā)現(xiàn),與5 cm 的播深相比,播深8 cm 顯著降低玉米出苗率,株高和整齊度下降,葉面積和葉長減小,單位面積株數(shù)和千粒重降低,最終限制產(chǎn)量。

前人針對播種深度影響花生種子萌發(fā)和幼苗生長的相關(guān)研究多圍繞幼苗期植株的發(fā)育,關(guān)于播種深度對花生中后期生育進程和葉片衰老及產(chǎn)量形成影響的研究鮮見報道。本文研究播深對花生生育進程、葉片色素含量、光合性能、衰老酶活性、干物質(zhì)積累及產(chǎn)量構(gòu)成的影響,以期為確定花生適宜的播深、提高播種質(zhì)量、改善植株生長狀態(tài)、提高花生莢果產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

田間試驗于2017—2018年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗站進行。試驗地耕層(0～20 cm)土壤含有機質(zhì)14.56 g kg-1、全氮0.753 g kg-1、堿解氮72.31 mg kg-1、速效磷45.62 mg kg-1、速效鉀69.35 mg kg-1,土壤為沙壤土。該區(qū)具溫帶季風氣候,2017 和2018年度出苗期平均氣溫分別為23.6℃和21.9 ,℃ 相對濕度分別為53.3%和59.6%,降水量分別為13.0 mm 和11.5 mm(表1)；全生育期平均氣溫分別為25.0℃和25.2 ,℃ 降水量分別為483.1 mm 和595.3 mm(圖1)。

表1 2017年和2018年花生出苗期日平均氣溫、相對濕度和降水量 Table1 Daily average temperature,relative humidity and precipitation during the seedling stage of peanut in 2017 and 2018

圖1 2017年和2018年花生生育期降水量和平均氣溫 Fig.1 Precipitation and average temperature during the growth period of peanut in 2017 and 2018

供試材料為早熟大花生品種山花108,室內(nèi)試驗于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生物學(xué)國家重點試驗室進行。田間試驗設(shè)3、5、7、9、11、13 和15 cm(SD3、SD5、SD7、SD9、SD11、SD13 和SD15)7 個不同播種深度,采用春播起壟覆膜種植模式,利用自行設(shè)計的工具控制播深。小區(qū)面積為10.8 m2(2.7 m × 4.0 m),每個小區(qū)起3 壟,壟距0.9 m,壟長4 m,每個處理重復(fù)3 次。每穴3 粒,幼苗期間苗,每穴2 株,行距30 cm,穴距16 cm。播種1 d 后噴施除草劑,覆膜,膜上撒上一層薄土。

參考Boote 的方法[19],按照植株及莢果的發(fā)育形態(tài)學(xué)特征將花生生長時期分為VE(破土期)、R1(幼苗期)、R3(下針期)、R5(結(jié)莢期)、R7(飽果期)和R8(成熟期)等階段。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 生育進程 播種后記錄各處理進入VE、R1、R3、R5、R7 和R8 時的時間,計算生育天數(shù)。

1.2.2 干物質(zhì)積累量的測定 分別在R1、R3、R5、R7 和R8 時期,選每處理5 株代表性植株,裝袋后于80℃下烘干至恒重稱重,即為植株干物質(zhì)積累量。

1.2.3 主莖高和側(cè)枝長測定 分別在R1、R3、R5、R7 和R8 時期,選每處理5 株代表性植株,測量主莖高和側(cè)枝長。

1.2.4 葉面積指數(shù)測定 分別在R3、R5、R7 和R8 時期,選每處理5 株代表性植株,用鮮樣打孔稱重法測定單株葉面積。

1.2.5 葉綠素含量測定 分別在R3、R5、R7 和R8 時期,選每處理5 株代表性植株,取主莖倒三葉鮮樣,參照Arnon[20]的方法測定葉片葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chlb)、葉綠素a+b含量。

1.2.6 凈光合速率測定 分別在R3、R5、R7 和R8 時期,于無風晴天9：00-11：00,選每處理5 株代表性植株,采用Li-6400 便攜式光合儀(Li-Cor Inc,USA)測定花生主莖倒三葉凈光合速率。測定時使用開放式氣路系統(tǒng),選用紅藍二葉室,設(shè)定葉室溫度為25 ,℃ 光照強度為1400 μmol m-2s-1。

1.2.7 抗氧化酶活性測定 分別在R3、R5、R7和R8 時期,選每處理5 株代表性植株,取主莖倒三葉的鮮樣進行測定。采用氮藍四唑還原法測定[21]SOD 活性；采用愈創(chuàng)木酚法測定[22]POD 活性；采用硫代巴比妥酸法測定[23]MDA含量；采用考馬斯亮藍G250 法測定[24]可溶性蛋白質(zhì)含量。

1.2.8 產(chǎn)量測定 2017年和2018年收獲時均采用小區(qū)測產(chǎn),小區(qū)面積3.3 m2,重復(fù)3 次,取每處理10 株考察單株結(jié)果數(shù)。待花生莢果曬干后調(diào)查莢果產(chǎn)量、籽仁產(chǎn)量、千克果數(shù)、出仁率等。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007 計算試驗數(shù)據(jù),利用DPS10.0 統(tǒng)計軟件LSD 法進行顯著性及方差分析,用SigmaPlot 10.0 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 播種深度對花生生育進程的影響

由圖2可知,播種深度明顯影響花生植株進入各生育階段的時間。播種深度超過5 cm 后,隨著播種深度的增加,出苗期延長,之后進入相應(yīng)生育階段的時間均推遲。在VE 階段,各處理的破土時間差異明顯,其中SD5 處理破土時間最早,SD15 處理破土時間最晚。與SD5 處理相比,SD3、SD7、SD9、SD11、SD13 和SD15 處理的出苗時間分別推遲1.5、1.5、3、4、5 和5 d。SD5 與SD7 處理的花生植株進入R7 階段的時間無明顯差異,而與SD5 處理相比,SD13 和SD15 處理的植株均推遲了3 d。各處理的植株進入R8 階段的時間無明顯差異。

圖2 播種深度對花生生育進程的影響 Fig.2 Effects of sowing depth on the growth progress of peanut at different stages

2.2 播種深度對花生干物質(zhì)積累量的影響

由圖3可知,各處理的干物質(zhì)積累量變化均呈“S”型趨勢。播種深度超過5 cm 后,隨著播種深度的增加,干物質(zhì)積累顯著降低。其中在R1 和R3 時期,SD3、SD5 和SD7 處理出苗早,干物質(zhì)積累量顯著高于其他播深處理。R5 時期,與SD5 處理相比,SD3和SD15 處理干物質(zhì)積累量分別平均降低了7.4%和35.8%；到R8 時期,與SD5 處理相比,SD3、SD13和SD15 處理干物質(zhì)積累量分別平均降低了7.5%、25.1%和26.9%。

2.3 播種深度對花生主莖高和側(cè)枝長的影響

由圖4可知,在V2 時期,主莖高與側(cè)枝長隨播種深度的增加而增大,與SD5 處理相比,SD15 處理的主莖高與側(cè)枝長分別增加62.3%和49.7%；而R3至R8 階段,播種深度超過7 cm 后,隨著播種深度的增加,主莖高與側(cè)枝長顯著降低。其中在R5 時期,與SD5 處理相比,SD3、SD9、SD11、SD13 和SD15處理的主莖高與側(cè)枝長分別平均降低6.3%、6.2%、11.0%、14.1%、15.0%和6.4%、7.6%、10.3%、13.6%、16.7%；在R8 時期,與SD5 處理相比,SD3、SD13和SD15處理的主莖高與側(cè)枝長分別平均降低5.4%、15.8%、16.8%和5.2%、13.1%、16.1%。

2.4 播種深度對花生葉片葉綠素含量的影響

由表2可知,隨著生育期推進,各處理功能葉片Chla、Chlb和Chla+b含量均呈先增加后降低的變化趨勢,在R5 時期達最大值。播種深度超過5 cm后,隨著播種深度的增加,Chla、Chlb和Chla+b含量逐漸降低。其中在R3 時期,SD3 和SD7 處理Chla和Chlb含量無明顯差異；在R5 時期,與SD5處理相比,SD3、SD13 和SD15 處理Chla+b含量分別平均降低了4.2%、15.8%和16.4%；到R8 時期,與SD5 處理相比,SD3、SD13 和SD15 處理Chla+b含量分別平均降低了12.8%、36.2%和38.0%。

圖3 播種深度對花生干物質(zhì)積累量的影響 Fig.3 Effects of sowing depth on dry matter accumulation of peanut

圖4 播種深度對花生主莖高和側(cè)枝長的影響 Fig.4 Effects of sowing depth on main stem height and branch length of peanut

表2 播種深度對花生葉片葉綠素含量的影響 Table2 Effects of sowing depth on chlorophyll content in peanut leaves(mg g-1)

(續(xù)表2)

2.5 播種深度對花生葉面積指數(shù)的影響

由圖5可知,隨著花生生育進程的推進,葉面積指數(shù)(LAI)呈單峰曲線變化。播種深度超過5 cm后,隨著播種深度的增加,LAI 顯著降低。其中在R5時期,與SD5 處理相比,SD3、SD7、SD13 和SD15處理的LAI 分別平均降低了3.7%、0.6%、15.6%和18.0%；在R8 時期,SD5 與SD7 處理間差異不顯著,與SD5 處理相比,SD3、SD13 和SD15 處理的LAI分別平均降低了4.8%、16.9%和17.2%。

圖5 播種深度對花生葉面積指數(shù)的影響 Fig.5 Effects of sowing depth on leaf area index of peanut

2.6 播種深度對花生凈光合速率的影響

由圖6可知,各處理葉片的凈光合速率(Pn)隨生育進程呈單峰曲線變化。播種深度超過5 cm 后,隨播種深度的增加,葉片Pn顯著降低。其中在R5 時期,與SD5 處理相比,SD3、SD7、SD9、SD11、SD13和SD15 處理分別平均降低了4.1%、3.2%、8.0%、13.8%、18.5%和20.0%；在R8 時期,與SD5 處理相比,SD3、SD7、SD9、SD11、SD13 和SD15 處理分別平均降低了4.4%、13.0%、11.7%、14.2%、21.7%和23.1%。

2.7 播種深度對花生葉片衰老的影響

2.7.1 播種深度對花生葉片SOD 活性的影響

由圖7可知,隨生育進程推進,各處理花生葉片的SOD 活性呈先增加后降低的趨勢,在R5 時期出現(xiàn)活性高峰。播種深度超過7 cm 后,隨著播種深度的增加,葉片SOD 活性顯著降低。其中在R5 時期,與SD5 處理相比,SD3、SD13 和SD15 處理SOD活性分別平均降低4.3%、11.8%和12.5%；在R8 時期,與SD5 處理相比,SD3、SD13 和SD15 處理SOD活性分別平均降低了5.4%、33.5%和36.6%。

2.7.2 播種深度對花生葉片POD 活性的影響

由圖8可知,隨生育進程推進,各處理花生葉片的POD 活性呈先增加后降低的趨勢,在R5 時期出現(xiàn)活性高峰。播種深度超過7 cm 后,隨著播種深度的增加,葉片POD 活性顯著降低。其中在R5 時期,與SD5 處理相比,SD3、SD11、SD13 和SD15處理的POD 活性分別平均降低3.2%、15.0%、21.6%和21.8%；在R8 時期,與SD5處理相比,SD3、SD11、SD13 和SD15 處理分別平均降低12.9%、28.0%、36.0%和40.4%。

圖6 播種深度對花生葉片凈光合速率的影響 Fig.6 Effects of sowing depth on leaf net photosynthetic rate(Pn)in peanut

圖7 播種深度對花生葉片SOD 活性的影響 Fig.7 Effects of sowing depth on activity of SOD in peanut leaves

圖8 播種深度對花生葉片POD 活性的影響 Fig.8 Effects of sowing depth on activity of POD in peanut leaves

2.7.3 播種深度對花生葉片MDA 含量的影響

由圖9可知,隨生育進程推進,各處理花生葉片的MDA 含量呈增加趨勢。其中在R3 與R5 時期SD3 與SD5 處理的MDA 含量無顯著差異,但隨播種深度的增加,葉片MDA 含量顯著增加。其中在R5 時期,與SD5 處理相比,SD9、SD11、SD13、SD15處理的MDA 含量分別平均增加了28.1%、36.1%、53.2%和56.7%；在R8 時期SD5 與SD7 處理的MDA含量無顯著差異,與SD5 處理相比,SD9、SD11、SD13 和SD15 處理分別平均增加了12.8%、24.9%、38.3%和31.3%。

2.7.4 播種深度對花生葉片可溶性蛋白含量的影響

由圖10 可知,隨生育進程推進,各處理花生葉片的可溶性蛋白含量呈先增加后降低的趨勢,在R5 時期達到最大值。播種深度超過5 cm 后隨著播種深度的增加,葉片可溶性蛋白含量顯著降低。其中在R5 時期,與SD5 處理相比,SD3、SD13 和SD15 處理分別平均降低5.5%、23.3%和27.1%；在R8 時期,與SD5 處理相比,SD3、SD13 和SD15 處理分別平均降低13.7%、42.7%和53.4%。

2.8 播種深度對花生產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表3可知,播種深度對花生產(chǎn)量有顯著影響。播種深度為5 cm 可顯著提高花生莢果產(chǎn)量與籽仁產(chǎn)量。與SD5 處理相比,SD3、SD9、SD11、SD13 和SD15 處理其莢果產(chǎn)量均值分別降低5.3%、6.0%、7.6%、10.7%和13.7%,籽仁產(chǎn)量均值分別降低7.4%、7.9%、9.9%、14.4%和18.3%,產(chǎn)量提升主要原因是單株結(jié)果數(shù)、出仁率及果重(千克果數(shù)降低)的增加。

圖9 播種深度對花生葉片MDA 含量的影響 Fig.9 Effects of sowing depth on MDA content in peanut leaves

圖10 播種深度對花生葉片可溶性蛋白含量的影響 Fig.10 Effects of sowing depth on soluble protein content in peanut leaves

表3 播種深度對花生莢果產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響 Table3 Effects of sowing depth on yield and its components of peanut

3 討論

3.1 播種深度對花生生育進程的影響

播種深度是影響種子萌發(fā)、幼苗形態(tài)建成及后期生長發(fā)育的關(guān)鍵因素[25]。前人研究發(fā)現(xiàn)播種過淺或過深,導(dǎo)致出苗不齊,整齊度降低,群體小氣候如光照、溫度、CO2濃度等條件出現(xiàn)差異,進而影響后期植株形態(tài)及生育進程[17,26]。向達兵等[27]研究發(fā)現(xiàn),苦蕎播種深度可顯著影響株高、單株葉面積、 地中莖和子葉節(jié)長度等,只在適宜的播深條件下利于培育壯苗。葉面積指數(shù)是描述作物長勢的重要參數(shù)[28],張曉艷等[29]研究發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)量形成期春花生葉面積指數(shù)與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。本研究結(jié)果表明,播種深度影響花生植株進入各生育階段的時間。與播深5 cm 相比,播深3 cm 時破土期延遲1.5 d,這是由于播種過淺,土壤易失墑干旱,影響種子萌發(fā)[30]；播深15 cm 時,破土期延遲5 d,由于下胚軸伸長長度及時間增加,進而出苗時間延長[31]。同時,深播處理使結(jié)莢飽果時間縮短,不利于莢果發(fā)育。播深過淺或過深,花針期以后主莖高和側(cè)枝長降低,葉面積指數(shù)顯著降低。

3.2 播種深度對花生葉片衰老特性的影響

葉片衰老過程中,活性氧含量增加,SOD 將其歧化為H2O2,POD 清除H2O2及其他過氧化物,兩者相互協(xié)作共同維持機體活性氧的平衡,削弱膜脂過氧化[32-33]。前人研究表明,隨著土壤深度的增加,緊實度增加,生姜葉片SOD、POD 的活性降低,引起膜系統(tǒng)內(nèi)活性氧代謝失調(diào),MDA 含量及電解質(zhì)滲漏率增加[10,34],進而加重葉片膜脂受損程度。代海芳等[35]研究表明,小麥播深影響葉片SOD 和POD活性,播深為6 cm 時SOD 和POD 的活性最高,增強了植株抵御低溫脅迫的能力。本研究結(jié)果表明,播種深度過淺或過深使花生葉片的MDA 含量增加,SOD 和POD 的活性下降,從而提高超氧陰離子(O2-)和H2O2的產(chǎn)生速率,使葉片中的膜脂過氧化產(chǎn)物增加,花生生長受到抑制,葉片衰老加快。葉片可溶性蛋白含量降低,主要由于葉片蛋白質(zhì)的降解,蛋白酶活性升高[36]。本研究結(jié)果表明,播種過深時可溶性蛋白含量顯著降低,進而不利于植株氮代謝,加速植株衰老。

3.3 播種深度對花生葉片光合性能和產(chǎn)量形成的影響

適宜的播種深度對作物的產(chǎn)量形成尤為重要。Zuo 等[8]研究表明油菜在適宜的播深和土壤壓實條件下,單株角果數(shù)、每果粒數(shù)、千粒重提高,進而產(chǎn)量增加。Rebetzke 等[37]研究表明,小麥播種過深,導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量下降,籽粒數(shù)也隨之減少。本研究結(jié)果表明,播種深度5 cm 時,能顯著提高花生的莢果產(chǎn)量和籽仁產(chǎn)量,原因為單株結(jié)果數(shù)、出仁率及果重顯著提高。播深過淺,土壤環(huán)境尤其土壤含水量顯著影響種子吸脹作用和萌發(fā)中代謝酶活性,不利于種子的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化,進而影響種子萌發(fā)或失去發(fā)芽能力[4,38],導(dǎo)致出苗率降低,單位面積株數(shù)降低,影響產(chǎn)量形成[7-8]。但播種深度超過7 cm 后,一方面影響花生出苗,另一方面也影響花生生育中后期葉片的光合特性。葉綠素在光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換中起著重要作用[39],其含量高低與凈光合速率直接相關(guān)[40]。本研究結(jié)果表明,播深大于7 cm 后,隨著播種深度增加,葉片葉綠素含量和光合速率降低。與播深5 cm相比,播深15 cm 的葉片葉綠素含量和光合速率在產(chǎn)量形成期分別降低24.8%和21.7%。與播深5 cm相比,播深15 cm 的植株干物質(zhì)積累量在產(chǎn)量形成期降低了31.8%。產(chǎn)量的增加主要來源于生物量的增加,較高的干物質(zhì)積累量是獲得高產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)[41]。前人研究發(fā)現(xiàn)播種深度直接影響了谷子苗期及生育后期的干物質(zhì)積累[42]。本研究結(jié)果表明,播種深度超過7 cm 后,干物質(zhì)積累降低,莢果產(chǎn)量及籽仁產(chǎn)量也顯著降低,這與Yagmur 等[43]的試驗結(jié)果一致。因此,在花生栽培中,播種深度應(yīng)控制在5 cm,過淺或過深,一方面影響花生生育進程,結(jié)莢飽果期縮短,葉片功能期縮短；另一方面影響植株葉片光合性能,且葉片SOD、POD 活性降低,抗氧化能力弱,葉片易早衰,不利于干物質(zhì)積累,單株莢果少,且果重低,導(dǎo)致產(chǎn)量降低。

4 結(jié)論

播深小于5 cm 或大于7 cm 時,植株出苗時間延長,結(jié)莢飽果時間縮短,不利于莢果發(fā)育,導(dǎo)致莢果產(chǎn)量降低。播種深度為5 cm 時,花生結(jié)莢飽果期葉片能維持較高的LAI 和葉綠素含量,提高凈光合速率,改善葉片光合性能,利于植株干物質(zhì)的積累；同時提高功能葉片SOD 和POD 活性,降低MDA 積累量,延緩葉片衰老,最終提高莢果產(chǎn)量,因而,春花生適宜的播種深度應(yīng)控制在5 cm。