蚓糞對(duì)鹽脅迫下小麥幼苗生長(zhǎng)及光合特性的影響

張 浩，付 偉，吳子龍，趙雨欣，石少婕，高 偉，戴川景，葉 嘉

(1.邯鄲學(xué)院生命科學(xué)與工程學(xué)院，河北邯鄲 056005；2.河北省高校冀南太行山區(qū)資源植物應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北邯鄲 056005)

中國(guó)有鹽漬土地約為3.6×106hm2，占全國(guó)可利用土地面積的4.88%，且由于土地利用不合理，土壤鹽堿化日益嚴(yán)重[1]。鹽逆境會(huì)造成植物滲透脅迫和營(yíng)養(yǎng)離子失衡，高鹽脅迫會(huì)導(dǎo)致作物體內(nèi)光合反應(yīng)關(guān)鍵酶結(jié)構(gòu)改變，破壞葉綠體膜系統(tǒng)，降低光合效率，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量[2]。因此，如何緩解鹽脅迫對(duì)作物造成的傷害，提高鹽堿地作物產(chǎn)量，是當(dāng)今科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

蚓糞是經(jīng)過(guò)蚯蚓降解有機(jī)物的產(chǎn)物，施用后不僅可改變土壤的物理性質(zhì)，而且可為植物生長(zhǎng)提供所必需的一些營(yíng)養(yǎng)元素及微量元素[3]。研究表明，添加蚓糞能夠降低土壤pH值，提高土壤陽(yáng)離子交換量，使土壤的堿化度、總堿度和鈉吸附比下降，能夠緩解鹽堿土壤對(duì)植物的危害[4]。施加蚓糞也能夠促進(jìn)玉米[5]、番茄[6]、茄子[7]等作物的生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量，改善品質(zhì)。但蚓糞的添加并非越多越好。給西紅柿施用蚓糞后各個(gè)時(shí)期植株生長(zhǎng)均受到促進(jìn)，但添加過(guò)量時(shí)，植株的生長(zhǎng)反而受到抑制[8]。光合作用是植物生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，但目前關(guān)于添加蚓糞對(duì)鹽、堿脅迫下植物生長(zhǎng)及光合特性的影響只有少量報(bào)道[9]，仍需要更加深入地探討蚓糞添加比例與鹽堿化的交互作用。

小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要糧食作物之一[10]。土壤鹽漬化會(huì)影響小麥的產(chǎn)量和擴(kuò)大再生產(chǎn)。本研究通過(guò)向鹽脅迫處理下基質(zhì)中添加不同比例的蚓糞，探討蚓糞對(duì)鹽脅迫下小麥生長(zhǎng)和光合特性的影響，以期為鹽堿地治理和小麥抗鹽栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小麥品種為濟(jì)麥22。蚓糞(pH值6.9、有機(jī)質(zhì)278 g·kg-1、全氮10.3 g·kg-1、全磷16.5 g·kg-1、堿解氮381.3 mg·kg-1、速效磷448.6 mg·kg-1、速效鉀521.5 mg·kg-1)取自鑫伊達(dá)蚯蚓養(yǎng)殖場(chǎng)。供試土壤為園土(pH值 5.4、有機(jī)質(zhì)7.45 g·kg-1、全氮0.88 g·kg-1、全磷1.65 g·kg-1、堿解氮78.5 mg·kg-1、速效磷23.5 mg·kg-1、速效鉀56.8 mg·kg-1)，采集于邯鄲學(xué)院校內(nèi)林地，采樣深度0～20 cm，暴曬后粉碎，過(guò)8目篩，按比例與蚓糞混合使用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年4月1日開(kāi)始在邯鄲學(xué)院生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行。挑選大小一致、籽粒飽滿(mǎn)的供試種子，以0.2%高錳酸鉀溶液浸泡消毒 20 min，用無(wú)菌水反復(fù)沖洗5次，播種于底部打孔的塑料花盆(長(zhǎng)49 cm，寬20 cm，高14 cm)中，盆裝有園土，土面距離盆口2 cm。共設(shè)3個(gè)蚓糞添加比例10%、20%、40%，每個(gè)處理加入150 mmol·L-1NaCl 溶液模擬鹽脅迫。同時(shí)設(shè)不添加蚓糞的單鹽脅迫處理和空白對(duì)照處理(CK)。每個(gè)處理3盆，每盆30株。小麥置于人工氣候箱(溫度設(shè)定白天21 ℃，晚上 16 ℃；光照強(qiáng)度 1 000 μmol·m-2·s-1，相對(duì)濕度60%～70%)進(jìn)行培養(yǎng)，每周澆水1次。于幼苗鹽脅迫處理后第60天(分蘗期)進(jìn)行生理生化指標(biāo)測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 氣體交換參數(shù)的測(cè)定

于幼苗鹽脅迫處理后第60天，在上午 10：00，從植株頂端往下選取第2、第3葉，利用Li-6400光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定其凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、細(xì)胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)，取兩葉片平均值作為測(cè)定值。葉室內(nèi)設(shè)定光照強(qiáng)度為1 000 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為400 μmol·m-2·s-1，葉片溫度為25 ℃。計(jì)算小麥葉片水平的水分利用效率(WUE)及氣孔限制值(Ls)[11]。

1.3.2 生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定

于幼苗鹽脅迫處理后第60天，從植株頂端往下選取第2、第3葉，進(jìn)行生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定。首先利用直尺測(cè)量葉長(zhǎng)和葉寬，利用葉面積測(cè)定儀測(cè)定葉面積，取兩葉片平均值作為觀(guān)測(cè)值。然后將未取樣的幼苗沖洗干凈，分為地上部分和地下部分，分別于105 ℃下殺青30 min后，80 ℃烘干至恒重，并計(jì)算根冠比[12]。

1.3.3 光合色素含量的測(cè)定

于幼苗鹽脅迫處理后第60天，從植株頂端往下選取第2、第3葉，用分光光度計(jì)法測(cè)定葉片葉綠素a、b含量和類(lèi)胡蘿卜素含量并計(jì)算葉綠素總含量和葉綠素a/b值[13]，以?xún)扇~片各指標(biāo)的平均值作為最終測(cè)定值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用 Excel 軟件整理數(shù)據(jù)并作圖，采用SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析(α=0.05)。40%添加比例因出現(xiàn)燒苗現(xiàn)象，苗全部死亡，不做數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加蚓糞對(duì)鹽脅迫下小麥氣體交換參數(shù)的影響

添加蚓糞對(duì)鹽脅迫下小麥葉片的Pn、Ci、Tr、Gs、Ls和WUE均有顯著的影響(圖1)。鹽脅迫下，未添加蚓糞時(shí)葉片的Pn較CK顯著下降，降幅為71.8%；添加蚓糞10%和20%后Pn較未添加蚓糞處理顯著升高，增幅分別為65.6%和 122.1%，但二處理均仍顯著低于CK。鹽脅迫下，未添加蚓糞時(shí)Ci較CK顯著升高，增幅 19.6%；添加不同比例蚓糞后，Ci雖然依然高于CK，但較未添加蚓糞處理有所下降。鹽脅迫下，添加0%和10%和20%蚓糞后Tr與CK相比分別下降了17.5%、53.9%和43.4%，與CK差異均顯著。鹽脅迫下，未添加蚓糞時(shí)Gs與CK差異不顯著，但添加蚓糞后均顯著下降。在鹽脅迫下Ls較CK不同程度下降，但添加蚓糞后降幅較小。鹽脅迫下，未添加蚓糞時(shí)葉片WUE與CK相比顯著下降，降幅65.9%；添加蚓糞后與CK差異不顯著。這說(shuō)明添加蚓糞可以明顯減輕鹽脅迫對(duì)小麥葉片氣體交換的抑制作用，有利于光合作用。

圖柱上不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同。

2.2 加蚓糞對(duì)鹽脅迫下小麥幼苗生長(zhǎng)的影響

添加蚓糞對(duì)鹽脅迫下小麥幼苗的葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、地下部分干重、地上部分干重、總干重及根冠比均產(chǎn)生了顯著影響(表1)。鹽脅迫下各生長(zhǎng)指標(biāo)與CK相比均有下降趨勢(shì)，但差異并不顯著。添加蚓糞后，葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、地上部分干重、總干重較未添加蚓糞處理均呈明顯的上升趨勢(shì)，其中蚓糞比例為20%時(shí)，增幅均最大，分別為58.6%、48.9%、193%、96.8%和71.2%；而根冠比在添加10%和20%蚓糞后均下降，降幅分別為51.3%和23.1%。添加10%蚓糞后，地下部分干重小幅下降，變化不明顯；添加20%蚓糞時(shí)地下部干重顯著提高。這說(shuō)明添加蚓糞對(duì)小麥幼苗地上部分的影響比地下部分要明顯。

表1 添加蚓糞對(duì)鹽脅迫下小麥植株生長(zhǎng)的影響

2.3 添加蚓糞對(duì)鹽脅迫下小麥葉片葉綠素含量的影響

鹽脅迫下，小麥葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量均低于CK，但差異不顯著，可能由于添加鹽濃度較低的原因(圖2)。添加蚓糞后葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量較未添加蚓糞處理均顯著升高，但添加蚓糞對(duì)葉綠素a/b值影響不顯著。添加10%蚓糞時(shí)，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量均最高，與未添加蚓糞處理相比，增幅分別為91.3%、105.1%和94.1%。

圖2 添加蚓糞對(duì)鹽脅迫下小麥葉片葉綠素含量的影響

2.4 添加蚓糞對(duì)小麥葉片類(lèi)胡蘿卜素含量的影響

添加蚓糞對(duì)鹽脅迫下小麥葉片類(lèi)胡蘿卜素含量影響顯著(圖3)。雖然鹽脅迫下小麥幼苗葉片類(lèi)胡蘿卜素含量與CK差異不明顯，但添加蚓糞后類(lèi)胡蘿卜素含量顯著升高。當(dāng)添加蚓糞比例為10%時(shí)，類(lèi)胡蘿卜素含量最高，分別是CK和未添加蚓糞處理的1.55和1.58倍。當(dāng)添加蚓糞比例為20%時(shí)，葉片中類(lèi)胡蘿卜素含量有所降低，但與添加10%時(shí)含量差異不大，仍顯著高于CK和未添加蚓糞處理。

圖3 添加蚓糞對(duì)鹽脅迫下小麥葉片類(lèi)胡蘿卜素含量的影響

3 討 論

光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要基礎(chǔ)，對(duì)外界環(huán)境極為敏感。研究表明，鹽脅迫會(huì)導(dǎo)致植物氣孔開(kāi)度變小，使CO2分子進(jìn)入葉片內(nèi)部的通道受阻，降低葉片凈光合速率[14-15]。另外，鹽脅迫也會(huì)改變光合同化過(guò)程關(guān)鍵酶類(lèi)結(jié)構(gòu)，抑制葉綠素合成或加速葉綠素解體，影響光合反應(yīng)進(jìn)程[11,16]。通常認(rèn)為，鹽脅迫下植物光合速率的下降是由氣孔因素和非氣孔因素共同作用的結(jié)果。在低濃度鹽脅迫下，光合速率的下降主要是由氣孔因素造成的，而在高濃度鹽脅迫下，光合速率的下降則主要受非氣孔因素限制[17-18]。但也有研究認(rèn)為，鹽脅迫下光合速率的下降主要是氣孔因素在起作用[19]。本研究中，鹽脅迫下Pn下降明顯，而Gs和Ls呈下降的趨勢(shì)，Ci反而呈增加的趨勢(shì)，說(shuō)明小麥葉片Pn的下降主要是受非氣孔因素的限制，這與江行玉等[20]的研究結(jié)果相一致。本研究結(jié)果還顯示，鹽脅迫下葉綠素含量并沒(méi)有顯著降低，而是顯著提高，說(shuō)明導(dǎo)致光合速率下降的主要原因可能是鹽逆境抑制了光合反應(yīng)過(guò)程中相關(guān)酶的活性，進(jìn)而導(dǎo)致Pn降低。添加蚓糞后小麥幼苗葉片的Pn顯著上升，而氣孔導(dǎo)度并沒(méi)有上升，說(shuō)明促進(jìn)Pn上升的主要因素不是氣孔因素，可能是由于蚓糞的添加，增加了土壤中氮的含量[21-22]，促進(jìn)了葉綠素合成，進(jìn)而提高光合效率。此外，有研究表明，類(lèi)胡蘿卜素不僅是光合色素的一部分，參與光合反應(yīng)過(guò)程，而且還能夠消除植株體內(nèi)自由基，防止膜脂過(guò)氧化，減少過(guò)剩自由基對(duì)葉綠體膜結(jié)構(gòu)的傷害，提高光合效率[23]。本研究表明，添加蚓糞后小麥葉片類(lèi)胡蘿卜素含量顯著升高，葉綠體的增長(zhǎng)趨勢(shì)與之相一致，并最終提高Pn。值得注意的是，葉綠素含量的變化與凈光合速率的變化趨勢(shì)并不是完成一致。添加10%蚓糞時(shí)，葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量達(dá)到最大，但再增加蚓糞比例后反而有所下降，而凈光合速率卻是在添加20%蚓糞時(shí)達(dá)到最高，可能是隨著添加蚓糞的比例增加，植物體內(nèi)過(guò)氧化氫酶等活性增強(qiáng)[24]，消除植物體內(nèi)自由基，同時(shí)對(duì)光合反應(yīng)的關(guān)鍵酶類(lèi)起到了保護(hù)作用，進(jìn)而增加了光合速率。Afkari[25]也認(rèn)為，植物中抗氧化系統(tǒng)的活化可提高植物對(duì)鹽分的耐受性，而添加蚓糞能顯著提高超氧化物歧化酶、抗壞血酸過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化氫酶活性，進(jìn)而改善植物體內(nèi)微環(huán)境。

生物量的分配是植物對(duì)外界環(huán)境變化的一種適應(yīng)。通常情況下，鹽脅迫導(dǎo)致植物光合速率下降、葉面積及干物質(zhì)累積量也會(huì)相應(yīng)地減少[26-27]。而蚓糞富含有機(jī)質(zhì)，內(nèi)部微生物種類(lèi)復(fù)雜，可顯著促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，提高生物量[28]。另外，蚓糞富含IAA和GA3等植物激素，可以明顯促進(jìn)植物生長(zhǎng)，改善品質(zhì)[29]。有研究表明，添加蚓糞可明顯促進(jìn)黃瓜[30]和玉米[31]的生長(zhǎng)，提高地上部分干物質(zhì)積累量。但關(guān)于添加蚓糞對(duì)鹽逆境生長(zhǎng)植物影響的報(bào)道不多。本研究結(jié)果表明，添加蚓糞可顯著提高鹽脅迫下小麥幼苗的葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積及地下部分干重、地上部分干重和總干重。這可能與基質(zhì)中氮含量的增加有關(guān)，因?yàn)轵炯S含有大量全氮、堿解氮，添加后有助于改善土壤養(yǎng)分，促進(jìn)光合，進(jìn)而提高植株干物質(zhì)的質(zhì)量[21]。但過(guò)量施加蚓糞會(huì)阻礙作物生長(zhǎng)。本研究中，添加40%蚓糞的小麥幼苗待測(cè)時(shí)全部死亡，就充分說(shuō)明蚓糞添加量不能過(guò)多。Atiyeh等[8]和尹 恩等[32]也認(rèn)為，適量的蚓糞比例最有利于植物 生長(zhǎng)。