水分脅迫下菇渣基質(zhì)粒徑對(duì)高羊茅耐旱生理特性的影響

時(shí)連輝，李蘇翼，李恕艷

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院／土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018）

基質(zhì)作為植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)和媒介，能為植物提供穩(wěn)定協(xié)調(diào)的以水、肥、氣、熱為基礎(chǔ)的生長(zhǎng)環(huán)境。研究表明，基質(zhì)的孔隙特性（孔隙度、孔徑分配）主要受到粒徑的影響，而孔隙特性直接影響基質(zhì)中水、氣的含量和分配，進(jìn)而對(duì)植物的根系環(huán)境和水分吸收產(chǎn)生影響［1］。

粒徑對(duì)基質(zhì)的水氣特性影響較大［2］，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此有了一些研究，如Verdonck［3］、李炎艷［4］等研究表明基質(zhì)粒徑的大小對(duì)基質(zhì)的易利用水和通氣孔隙影響很大；田吉林等［5］通過(guò)對(duì)珍珠巖不同粒徑配比研究，粒徑（孔徑）分配對(duì)基質(zhì)物理性質(zhì)、水分常數(shù)和對(duì)栽培黃瓜生長(zhǎng)有較大的影響。也有研究表明堆肥不同粒徑對(duì)植物抗逆性的影響存在差異，如錢勁華等［6］研究發(fā)現(xiàn)不同粒徑生活垃圾堆肥與土壤的組配基質(zhì)對(duì)改善植物的生理生態(tài)調(diào)節(jié)功能、緩解水分脅迫帶來(lái)傷害的效果不同，這為研究基質(zhì)不同粒徑對(duì)植物抗逆性的影響提供了可能。

目前對(duì)高羊茅抗旱性的研究較多，但多集中在添加外源物質(zhì)、施肥、浸種等［7、8］方面，對(duì)于不同粒徑基質(zhì)的保水性差異影響植物抗旱性方面的研究還鮮有報(bào)道。經(jīng)高溫堆制發(fā)酵后的菇渣堆肥結(jié)構(gòu)組成趨于穩(wěn)定，是各類農(nóng)作物栽培的良好基質(zhì)，對(duì)作物生長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用［9］。因此本試驗(yàn)選用堆肥化菇渣為種植基質(zhì)，研究3種不同粒徑菇渣基質(zhì)對(duì)干旱脅迫下高羊茅生理特性的影響，以期為高羊茅節(jié)水抗旱和拓寬其使用范圍提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試菇渣堆肥基質(zhì)：將菇渣去袋后用鏈條機(jī)打碎，調(diào)節(jié)水分至材料最大持水量的60%左右，進(jìn)行高溫堆肥，每周翻堆一次，待溫度自然降至50℃以下時(shí)晾曬，裝袋備用。菇渣堆肥基本理化性狀為pH值7.22、EC值3.99 mS／cm，有機(jī)質(zhì)含量637.7 g／kg、全氮17.7 g／kg、全磷8.4 g／kg、全鉀4.4 g／kg。

供試草種：高羊茅（Festuca arundinacea L.）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理：以基施未篩分菇渣堆肥為對(duì)照（CK），設(shè)置基施菇渣堆肥粒徑＜5 mm（L）、＜3 mm（M）、＜2 mm（S）3個(gè)處理。隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。小區(qū)面積為2 m×1 m＝2 m2。L、M、S處理為菇渣堆肥分別過(guò)5、3、2 mm土壤篩一次性篩分獲得。基質(zhì)鋪設(shè)厚度5 cm，相鄰小區(qū)間設(shè)20 cm寬的混凝土隔離帶。高羊茅播種量為30 g／m2。

試驗(yàn)于2019年5月1日—6月30日在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)資環(huán)試驗(yàn)基地進(jìn)行，設(shè)置開放式遮雨棚，共持續(xù)約60 d。6月20日7∶00前灌透最后一次水并自此停止一切水分供應(yīng)，至草坪草出現(xiàn)永久萎蔫為止，進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)。6月21日開始每隔兩天取樣一次，取相同生長(zhǎng)勢(shì)的高羊茅放入冰壺中迅速帶回實(shí)驗(yàn)室待測(cè)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

葉片相對(duì)含水量（RWC）的測(cè)定采用飽和稱重法［10］：RWC（%）＝（鮮質(zhì)量-干質(zhì)量）／（飽和鮮質(zhì)量-干質(zhì)量）×100；葉片相對(duì)電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀法［11］測(cè)定；MDA含量采用硫代巴比妥酸法［12］測(cè)定。SOD活性采用氮藍(lán)四唑（NBT）光還原法［12］測(cè)定；POD活性采用愈創(chuàng)木酚法［12］測(cè)定；CAT活性采用紫外分光光度法［12］測(cè)定。葉片可溶性糖采用苯酚法［11］測(cè)定；葉片可溶性蛋白采用考馬斯亮藍(lán)G-250法［11］測(cè)定；葉片脯氨酸含量采用磺基水楊酸提取茚三酮顯色法［12］測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下不同粒徑菇渣堆肥對(duì)高羊茅葉片相對(duì)含水量的影響

由表1看出，隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng)各處理高羊茅葉片相對(duì)含水量均呈逐漸降低趨勢(shì)。脅迫第1 d，不同粒徑處理的高羊茅葉片相對(duì)含水量表現(xiàn)為L(zhǎng)＞M＞CK＞S，且S處理與L、M處理差異顯著。這是因?yàn)樗殖渥銜r(shí)，粒徑細(xì)小的基質(zhì)會(huì)導(dǎo)致根際通氣狀況不佳，進(jìn)而影響根系活力和植物體對(duì)水分的吸收，表現(xiàn)出葉片相對(duì)含水量最低。隨著干旱脅迫的加劇，不同粒徑處理的高羊茅葉片相對(duì)含水量大小表現(xiàn)為M＞S＞L＞CK，且M處理與其它處理差異顯著。脅迫第9 d各處理葉片相對(duì)含水量較第1 d分別降低38.74%（M）、40.69%（S）和42.87%（L），CK降幅最大，為47.28%；其中M處理較CK高16.76%。表明本試驗(yàn)條件下，＜3 mm粒徑的菇渣基質(zhì)更有利于高羊茅體內(nèi)的水分代謝，從而減緩葉片含水量的下降。

表1 不同粒徑菇渣基質(zhì)對(duì)高羊茅葉片相對(duì)含水量的影響 （%）

2.2 干旱脅迫下不同粒徑菇渣堆肥對(duì)高羊茅葉片相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量的影響

由表2看出，隨干旱脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，各處理高羊茅葉片相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量變化趨勢(shì)一致，均逐漸上升。干旱脅迫初期（1 d）各處理高羊茅葉片相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量表現(xiàn)為CK＞S＞L＞M，脅迫中后期（7～9 d）表現(xiàn)為CK＞L＞S＞M。其中，M處理第9 d較第1 d分別提高3.77倍和4.16倍；M 處理分別比CK低20.03%和36.25%，差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）；L、S處理的相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量分別提高4.45倍和5.21倍、4.17倍和4.22倍，均小于CK增幅（4.60倍和5.56倍）。表明干旱脅迫條件下，＜3 mm粒徑菇渣處理的高羊茅葉片膜脂過(guò)氧化程度最低，細(xì)胞膜穩(wěn)定性較好，在干旱脅迫過(guò)程中表現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)。

表2 不同粒徑菇渣基質(zhì)對(duì)高羊茅葉片相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量的影響

2.3 干旱脅迫下不同粒徑菇渣堆肥對(duì)高羊茅葉片保護(hù)酶活性的影響

由表3可知，隨干旱脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，各處理高羊茅葉片的SOD活性總體呈先升高后降低的趨勢(shì)，脅迫第7 d，各處理SOD活性均達(dá)到峰值。在整個(gè)脅迫期，SOD活性始終表現(xiàn)為L(zhǎng)＞S＞M ＞CK，其中以L處理最高，且與其他處理差異顯著（P＜0.05），S處理次之，與L、CK處理差異顯著（P＜0.05），M處理在脅迫第1 d與CK差異不顯著，之后差異均顯著（P＜0.05）。L、M、S處理脅迫第7 d時(shí)的SOD活性較第1 d分別提高101.27%、98.57%、100.11%，均高于CK增幅（94.45%），而脅迫至9 d時(shí)較第7 d的降幅分別為15.49%（L）、19.35%（M）和18.22%（S），均低于CK降幅（24.67%）。

從表3還可看出，在干旱脅迫過(guò)程中，各處理葉片的POD、CAT活性與SOD活性變化趨勢(shì)一致，也呈先升高后降低的趨勢(shì)。脅迫第7 d，各處理POD、CAT活性達(dá)到最大值。脅迫3～9 d，M處理的POD、CAT活性始終保持最高，脅迫9 d時(shí)分別較CK高25.51%和28.33%，且與其它處理差異顯著（P＜0.05）。同時(shí)，M處理的POD、CAT活性在脅迫7 d時(shí)增幅最大（55.06%和158.91%），脅迫9 d時(shí)降幅最小（22.02%和12.52%）。表明本試驗(yàn)條件下，＜3 mm粒徑的菇渣基質(zhì)能使高羊茅葉片中的POD、CAT活性保持較高水平，以有效緩解干旱條件誘導(dǎo)產(chǎn)生的氧化脅迫。

表3 不同粒徑菇渣基質(zhì)對(duì)高羊茅葉片保護(hù)酶活性的影響

2.4 干旱脅迫下不同粒徑菇渣基質(zhì)對(duì)高羊茅葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由表4看出，隨著干旱程度的加重，高羊茅葉片脯氨酸含量和可溶性糖含量逐漸增加。在整個(gè)脅迫期間，脯氨酸含量始終表現(xiàn)為L(zhǎng)＞M ＞S＞CK，且各處理間差異顯著（P＜0.05）。脅迫9 d時(shí)脯氨酸含量增幅分別為6.44倍（L）、6.42倍（M）和7.26倍（S），均高于CK增幅（5.96倍）。在脅迫中后期（3～9 d），各處理高羊茅葉片可溶性糖含量表現(xiàn)為S＞M＞L＞CK。脅迫9 d時(shí)，S處理較CK高40.77%；較第1 d，S處理增幅最大（178.52%），L處理（165.88%）和M處理（178.09%）的增幅也高于CK（123.05%）。

從表4還可看出，在干旱脅迫進(jìn)程中，各處理高羊茅葉片的可溶性蛋白含量總體呈先升高后降低的趨勢(shì)，脅迫第7 d時(shí)達(dá)到峰值，M、S、L處理較第1 d分別提高84.31%、77.24%、77.16%，均高于CK增幅（66.73%）。整個(gè)脅迫期，可溶性蛋白含量始終表現(xiàn)為M＞S＞L＞CK，且M處理與其他各處理差異顯著（P＜0.05）。脅迫9 d時(shí)M處理較對(duì)照高63.62%；與第7 d相比，M、S、L處理可溶性蛋白含量降幅分別為37.10%、38.75%和44.34%，均低于CK降幅（51.61%）。綜合脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量分析可知，干旱脅迫條件下，＜3 mm粒徑菇渣處理的高羊茅葉片滲透調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)，能更好地減輕干旱脅迫對(duì)高羊茅的不良影響。

表4 不同粒徑菇渣基質(zhì)對(duì)高羊茅葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

3 討論

植物的耐旱性主要是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的增加、膜脂成分的變化、自由基的清除作用等綜合因素作用的結(jié)果［13，14］。在干旱脅迫下，不同處理的植物失水速度有差異，進(jìn)而引起植物細(xì)胞膜受傷害程度、體內(nèi)膜脂過(guò)氧化物含量及活性氧保護(hù)酶活性差異，這是不同粒徑基質(zhì)的高羊茅抗旱性機(jī)制差異的一個(gè)重要原因［15］。金忠民等［16］研究發(fā)現(xiàn)，在3種濃度PEG-6000脅迫下，6個(gè)品種高羊茅的SOD、POD活性都呈先升高后降低趨勢(shì)。本研究中，干旱脅迫導(dǎo)致高羊茅葉片相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量上升。這主要是因?yàn)樗置{迫使細(xì)胞膜受損，膜透性增加，大量離子外滲，從而使植物細(xì)胞浸取液的電導(dǎo)率升高，而超氧陰離子自由基的增加會(huì)引起細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用，使植株體內(nèi)產(chǎn)生大量MDA［17-19］。隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，各處理高羊茅葉片的SOD、POD、CAT活性呈現(xiàn)出一致的反應(yīng)，在干旱脅迫初中期（1～7 d），高羊茅通過(guò)升高抗氧化酶活性來(lái)抵御超氧陰離子自由基等造成的氧脅迫傷害，脅迫7 d后，抗氧化酶活性都急劇下降，說(shuō)明此時(shí)細(xì)胞內(nèi)活性氧的形成和清除系統(tǒng)之間的平衡被打破，這與前人研究結(jié)果一致。在整個(gè)脅迫過(guò)程中，＜5 mm粒徑的菇渣處理高羊茅葉片SOD活性最高，而＜3 mm粒徑的菇渣基質(zhì)則使高羊茅葉片中的POD和CAT活性保持較高水平。

植物受到干旱脅迫時(shí)通過(guò)提高細(xì)胞液濃度，例如主動(dòng)積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（無(wú)機(jī)離子、有機(jī)酸、可溶性糖、可溶性蛋白以及脯氨酸等），造成滲透勢(shì)降低，以保持其體內(nèi)的水分，維持細(xì)胞膨壓，這是植物適應(yīng)干旱脅迫的重要生理機(jī)制之一［20，21］。本研究表明，各處理葉片內(nèi)游離脯氨酸和可溶性糖含量都隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，可溶性蛋白含量則先升高后降低。在應(yīng)對(duì)干旱脅迫時(shí)，不同粒徑菇渣處理的高羊茅積累的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量出現(xiàn)顯著差異，＜5 mm粒徑的菇渣處理主要依靠積累脯氨酸的方式進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，＜3 mm粒徑的菇渣處理主要依靠積累可溶性蛋白，而小粒徑（＜2 mm）菇渣處理則主要通過(guò)積累可溶性糖的方式進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)。但綜合脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量考慮，干旱條件下＜3 mm粒徑菇渣基質(zhì)栽植的高羊茅葉片滲透調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)。

4 結(jié)論

不同基質(zhì)粒徑對(duì)高羊茅避旱性和耐旱性的影響差異顯著，且并不是粒徑越小越有利于高羊茅抗旱，在干旱脅迫末期，＜3 mm粒徑處理的葉片相對(duì)含水量、POD活性、CAT活性、可溶性蛋白含量最高，分別較對(duì)照提高16.76%、25.51%、28.33%、63.62%，而相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量最低，分別比對(duì)照降低20.03%和36.25%。說(shuō)明＜3 mm粒徑與其他粒徑等級(jí)相比在持續(xù)干旱脅迫下提高高羊茅抗旱能力效果最佳。