沿海灘涂鹽堿地燕麥高產(chǎn)栽培技術(shù)及相關(guān)生理基礎(chǔ)研究

劉昱茜, 盧發(fā)光, 顧立峰, 任楨, 施雨, 盧海潼,徐振然, 周桂生*, 王小山, 張網(wǎng)定, 任志強(qiáng), 朱廣龍*

(1.揚(yáng)州大學(xué)教育部農(nóng)業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品安全國際合作聯(lián)合實驗室， 江蘇 揚(yáng)州 225009； 2.江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 揚(yáng)州 225009； 3.揚(yáng)州大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225009； 4.揚(yáng)州市氣象局, 江蘇 揚(yáng)州 225009； 5.臨縣畜牧技術(shù)推廣站, 山西 呂梁 033200)

鹽堿地在全世界分布廣泛，土壤鹽漬化是全球面臨的重要問題[1]。我國鹽堿地面積達(dá)到了9.90×107hm2，約占土地面積的10%，在23個省、市、自治區(qū)均有分布，亟待開發(fā)利用[2]。為緩解耕地壓力，對鹽堿地開發(fā)利用已成為國家戰(zhàn)略。而種植耐鹽作物是開發(fā)利用鹽堿地的有效措施。

燕麥(ArenasativaL.)為禾本科植物，既是重要的糧食作物，也是優(yōu)質(zhì)的飼草[3-4]。燕麥的適應(yīng)能力強(qiáng)，與小麥等作物相比，具有更強(qiáng)的抗逆能力,且燕麥對鹽堿地具有較好的適應(yīng)性[5]。研究表明，燕麥莖稈可以吸收土壤中的鹽分，收獲秸稈，可以達(dá)到降低土壤鹽分含量和pH。燕麥的根茬留在土壤中，還能有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤物理性質(zhì)，增加土壤透氣性[6]。因此，燕麥被認(rèn)為是改良鹽堿地的理想作物之一[7]。

種植密度和氮肥施用量是影響作物生長、發(fā)育和產(chǎn)量的重要因素。種植密度通過改變作物的群體結(jié)構(gòu)，影響作物的光合作用、養(yǎng)分吸收和分配等[8]。氮是植物體重要的營養(yǎng)元素，也是蛋白質(zhì)、核酸和多種酶的組成成分，直接影響作物的器官建成、生理生化反應(yīng)及產(chǎn)量和品質(zhì)等[9-10]。研究表明，燕麥的株高、節(jié)間長度、總分蘗數(shù)隨種植密度的增加呈逐漸增加的趨勢[11]，但單株分蘗數(shù)、莖粗、葉長、葉寬等性狀呈下降趨勢[12]；而燕麥的株高、分蘗數(shù)、葉綠素含量等隨施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢[13-14]。前人對燕麥栽培方面的研究多集中于甜土中進(jìn)行，而關(guān)于燕麥在鹽堿地中的生理生化響應(yīng)及高產(chǎn)栽培措施的研究尚未見報道。研究燕麥耐鹽高產(chǎn)栽培技術(shù)對鹽堿地的開發(fā)利用具有重要意義。因此，本試驗在江蘇沿海灘涂鹽堿地設(shè)置種植密度和氮肥梯度，研究其對燕麥生長、生理特性及產(chǎn)量的影響，旨在為鹽堿地燕麥高產(chǎn)栽培技術(shù)的構(gòu)建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019—2020年在江蘇省鹽城市大豐沿海林場(E 120°47′，N 33°20′)進(jìn)行。該地區(qū)年均氣溫14.5 ℃，無霜期299 d，年均降水量751.0 mm，日照2 325.4 h。試驗地土壤pH 8.4，有機(jī)質(zhì)19.75 g·kg-1，全氮0.72 g·kg-1，速效磷1.45 mg·kg-1，速效鉀279 mg·kg-1，鹽分平均含量為1.68 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

選用白燕3號為試驗材料，設(shè)置種植密度(D)和施氮量(N)2個試驗因子。其中，種植密度共設(shè)置3個水平，播種量分別為120(D1)、180(D2)和240 kg·hm-2(D3)。施氮量設(shè)置為180(D1)、270(D2)和360 kg·hm-2(D3)共3個水平。采用二因素完全隨機(jī)區(qū)組試驗設(shè)計，每個處理3次重復(fù)，共27個小區(qū)，每小區(qū)面積15.0 m2。播種方式均為撒播。氮肥為尿素(46% N)，各處理按施用量分別于播種前(基肥)和拔節(jié)期按5∶5等量施用；磷肥為過磷酸鈣，施用量折合P2O5為108 kg·hm-2，于播種前作為基肥一次施用。其他田間管理參照高產(chǎn)要求進(jìn)行。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1生長指標(biāo) 分別于拔節(jié)期(elongation stage，ES)、抽穗期(heading stage，HS)、灌漿期(filling stage，F(xiàn)S)和成熟期(maturation stage，MS)隨機(jī)選取有代表性的燕麥植株10株，測定株高(plant height，PH)后連根拔出，105 ℃殺青30 min后，于80 ℃烘至恒重，稱重統(tǒng)計生物量(biomass)，并計算相對生長速率(relative growth rate，RGR)。

相對生長速率(g·d-1)=(W2-W1)/(t2-t1)

其中，W1和W2為前后兩次測定的生物量；t1和t2為前后兩次測定的時間。

1.3.2生理指標(biāo) 分別于拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期選取有代表性的燕麥植株10株，取頂端完全展開的葉片，去掉葉脈后用液氮冷凍，于超低溫冰箱-80 ℃保存，用于葉片生理生化指標(biāo)的測定。其中葉綠素含量采用乙醇-丙酮混合提取法[15]測定，過氧化氫酶(catalase，CAT)活性采用紫外吸收法測定[16]，過氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[17]。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性采用氮藍(lán)四唑還原法測定[18]。

1.3.3產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成 成熟后每個小區(qū)選擇有代表性的1 m2燕麥，收割后進(jìn)行產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的測定，包括穗長、小穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重，并計算每公頃籽粒產(chǎn)量[18]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019和SigmaPlot 10.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，用Statistix 9對數(shù)據(jù)按照二因素隨機(jī)處理試驗設(shè)計進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 密度和施氮量對燕麥生長特性的影響

2.1.1對株高的影響 種植密度和施氮量對株高具有顯著影響(圖1)。株高隨施氮量的增加均呈先升高后降低的趨勢。相同種植密度下，N2處理的植株最高。在拔節(jié)期和灌漿期，相同氮肥用量時，株高隨種植密度的增加而增加；其中，D3N2處理的株高最高，較D1N1處理株高分別增加了35.1%(拔節(jié)期)和16.5%(灌漿期)。在抽穗期，相同氮肥用量時，株高隨種植密度的增加先升高后降低，以D2N2處理的株高最高。在成熟期， 低氮條件(N1)下，種植密度對株高無顯著影響；在中、高氮條件(N2和N3)下，株高隨種植密度的增加呈降低趨勢，且不同處理間具有顯著差異。

2.1.2對生物量的影響 施氮量和種植密度對生物量具有顯著影響；除拔節(jié)期外，施氮量和種植密度的交互作用對生物量也具有顯著影響(表1)。拔節(jié)期，相同種植密度下，生物量隨施氮量的增加而增加；各種植密度下均為N3處理的生物量最高。在抽穗期、灌漿期和成熟期，相同種植密度下，生物量隨施氮量的增加呈先增高后降低的趨勢。抽穗期，在低、中氮條件 (N1和N2)下，生物量隨種植密度的增加而增加，即D3>D2>D1；高氮條件(N3)下，中密度(D2)處理下的生物量最高，達(dá)到8 528.0 kg·hm-2。在灌漿期和成熟期，D3N2處理的生物量最高，較D1N2處理分別增加了55.9%和58.2%。

表1 不同氮肥和密度處理下燕麥的生物量Table 1 Biomass of oat under different planting density and nitrogen fertilizer treatments (kg·hm-2)

由表2可知，施氮量和種植密度及兩者的互作效應(yīng)對拔節(jié)期—抽穗期、抽穗期—灌漿期兩個階段的相對生長速率有極顯著影響，而對灌漿期—成熟期的生長速率無顯著影響。隨著生育期的推進(jìn)，相對生長速率呈先增大后減小的趨勢，即在抽穗期—灌漿期，燕麥的生長速率較快，最高可達(dá)516.4和620.4 kg·hm-2·d-1；在灌漿期—成熟期燕麥的生長速率較低。

表2 不同氮肥和密度處理下燕麥的相對生長速率Table 2 Relative growth rate of oat under different planting density and nitrogen fertilizer treatments (kg·hm-2·d-1)

2.2 密度和施氮量對燕麥生理生化特性的影響

2.2.1對葉綠素的影響 施氮量和種植密度對葉綠素a含量有極顯著影響；而兩者的互作效應(yīng)僅在抽穗期和灌漿期對葉綠素a含量有極顯著影響(表3)。葉綠素a含量隨生育進(jìn)程總體上呈先增加后降低的趨勢，表現(xiàn)為：抽穗期>拔節(jié)期>灌漿期。隨種植密度的增加葉綠素a含量呈降低趨勢。相同密度條件下，拔節(jié)期和抽穗期的葉綠素a含量隨施氮量的增加先升高后降低；灌漿期葉綠素a 含量隨施氮量的增加而增加。其中，D1N3處理的葉綠素a含量最高，較D3N1處理增加了74.7%。

施氮量、種植密度及兩者互作對葉綠素b含量均有極顯著影響(表3)。葉綠素b含量隨生育進(jìn)程總體上呈降低趨勢，表現(xiàn)為：拔節(jié)期>抽穗期>灌漿期。在拔節(jié)期，葉綠素b含量的變化趨勢與葉綠素a相似，即D1N2處理的葉綠素b含量最高，較D3N1處理增加了39.1%。在抽穗期和灌漿期，葉綠素b 含量隨施氮量的增加而增加。同一施氮量條件下，隨著種植密度的增加葉綠素b含量逐漸降低。即D1N3處理的葉綠素b含量最高，較D3N3處理分別增加了25.3%(抽穗期)和58.5%(灌漿期)。

表3 不同氮肥和密度處理下燕麥的葉綠素含量Table 3 Chlorophyll content of oat under different treatments of density and nitrogen fertilizer (mg·g-1)

2.2.2對過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶的影響 隨著燕麥的生育進(jìn)程，CAT活性呈先增加后降低的趨勢；施氮量和種植密度對CAT活性影響極顯著；除拔節(jié)期外，氮密互作對CAT活性影響極顯著(表4)。相同施氮量下，CAT活性在各生育時期均隨著種植密度的增加而降低，且不同種植密度處理間差異顯著。拔節(jié)期，相同種植密度下，CAT活性隨施氮量的增加呈上升趨勢。抽穗期和灌漿期，相同種植密度下，CAT活性隨施氮量的增加先升高后降低，D1N2處理的CAT活性最強(qiáng)，較D3N1處理分別增加了184.7%和276.6%。

POD活性在各生育期的變化趨勢為：灌漿期>拔節(jié)期>抽穗期，即總體呈先降低后升高的趨勢。種植密度、施氮量及兩者的交互作用對POD活性有極顯著影響(表4)。在拔節(jié)期和抽穗期，POD活性變化趨勢與CAT相同。在灌漿期，相同種植密度下，POD活性在中氮條件(N2)下最高，且不同施氮量處理間差異顯著。在低、中氮條件(N1和N2)下，POD活性對密度的響應(yīng)為：D1>D3>D2；高氮條件(N3)下，POD活性在D2密度下最高。

SOD活性隨燕麥生育進(jìn)程呈先升高后降低的趨勢；種植密度、施氮量及兩者的交互作用對SOD活性影響極顯著(表4)。相同施氮量下，SOD活性隨種植密度的增加而降低，即D1>D2>D3。相同種植密度下，SOD活性在生育前期(拔節(jié)期)隨施氮量的增加而增加；在生育中、后期(抽穗期和灌漿期)，SOD活性隨施氮量的增加先升高后降低。

表4 不同處理下葉片過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性Table 4 Activities of CAT, POD and SOD in leaf under different treatments (U·g-1 FW)

2.3 對產(chǎn)量及構(gòu)成的影響

施氮量、種植密度及兩者的交互作用對穗長、穗數(shù)、穗粒數(shù)及產(chǎn)量均有極顯著影響，但對千粒重?zé)o顯著影響(表5)。在低密度條件(D1)下，穗長隨施氮量的增加而增加；在中、高密度條件(D2和D3)下，穗長隨施氮量的增加先升高后降低。在低、中氮條件(N1和N2)下，穗長隨種植密度的增加先增加后降低；在高氮條件(N3)下，不同密度處理的穗長無顯著差異。在低、中密度條件(D1和D2)下，穗數(shù)隨施氮量的增加先增加后降低；高密度條件(D3)下，穗數(shù)隨施氮量的增加而增加。在相同施氮量條件下，穗數(shù)隨種植密度的增加而增加。穗粒數(shù)隨施氮量和種植密度的增加均呈逐漸增加的趨勢，即D3N3處理的穗粒數(shù)最高，較D1N1處理增加了81.8%。

表5 不同處理下燕麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 5 Yield and its components under different treatments

低密度條件(D1)下，燕麥產(chǎn)量在N2水平達(dá)到最大值。在中、高密度條件(D2和D3)下，燕麥產(chǎn)量隨施氮量的增加呈逐漸上升的趨勢。在相同施氮量下，燕麥產(chǎn)量隨種植密度的增加而增加。因此，燕麥產(chǎn)量在D3N3處理時最高，為4.90×103kg·hm-2。

2.4 不同性狀與產(chǎn)量的相關(guān)分析

對燕麥生長和生理生化性狀與產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果表明，產(chǎn)量與拔節(jié)期生物量呈極顯著正相關(guān)(圖2)，與抽穗期和灌漿期的生物量呈顯著正相關(guān)(圖3和4)；與拔節(jié)期的株高、葉綠素b含量呈顯著正相關(guān)(圖2)；而與各時期CAT、POD和SOD活性相關(guān)不顯著(圖2、3和4)。

注：*和**分別表示在P<0.05和P<0.01水平相關(guān)顯著；ns表示相關(guān)不顯著。Note: * and ** indicate significant correlations at P<0.05 and P<0.01 levels, respectively; ns indicates no significant correlation.圖2 拔節(jié)期各性狀與產(chǎn)量的相關(guān)分析Fig.2 Correlation analysis between different traits and yield at elongation stage

3 討論

3.1 種植密度和施氮量對燕麥生長特性的影響

密度是自然界的重要選擇壓力之一，作物的多數(shù)農(nóng)藝性狀都受密度的影響[19]。本研究結(jié)果表明，燕麥株高隨種植密度的增加而顯著增高，與單雪華等[20]研究結(jié)果相一致，可能是由于作物密度增加，使得植株個體間對光能的爭奪加劇，植株通過改變株高來獲得更多的光照。夏穎等[8]研究發(fā)現(xiàn)，玉米干物質(zhì)積累量隨種植密度的增加而增加，本研究也得到了類似的結(jié)果，在燕麥不同生育期，相同施氮量條件下，增加種植密度顯著提高了燕麥的生物量，可能是由于高密度產(chǎn)生更多的群體數(shù)量，從而提高了單位面積的生物量。生物量越多，越有利于營養(yǎng)物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移，進(jìn)而促進(jìn)籽粒灌漿，提高籽粒產(chǎn)量。氮肥是影響燕麥生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素之一[21]。本研究結(jié)果表明，株高隨施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢，即適宜的施氮量能顯著促進(jìn)株高的增加。前人研究指出，燕麥的株高隨施氮量增加(在一定的范圍內(nèi))呈現(xiàn)二次曲線關(guān)系[22-23]，與本研究結(jié)果基本一致。高麗敏等[24]發(fā)現(xiàn)，甜高粱干物質(zhì)量隨施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢，本研究也發(fā)現(xiàn)燕麥生物量隨施氮量的增加呈拋物線變化。氮是植株需求量較大的營養(yǎng)元素，增施氮肥可以提高植株葉片的光合能力和光合效率，從而促進(jìn)作物的生長速率，增加生物量和產(chǎn)量。

注：ns表示相關(guān)不顯著。Note: ns indicates no significant correlation.圖3 抽穗期各性狀與產(chǎn)量的相關(guān)分析Fig.3 Correlation analysis of different traits and yield at heading stage

3.2 種植密度和施氮量對燕麥生理特性的影響

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，是反映植物光合作用能力的重要指標(biāo)[25]。葉綠素含量的增加能顯著提高植株的光合速率，提高光合性能，增加碳水化合物的積累，進(jìn)而提高產(chǎn)量。Hoshida等[26]研究表明，植物在鹽分脅迫下細(xì)胞色素系統(tǒng)會遭到破壞，葉綠素含量顯著降低。氮素是影響植物生長發(fā)育的重要元素。氮被植物吸收后用于氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素等生物合成[27]。本研究表明，施氮顯著增加了葉綠素a、b的含量，為保證光合作用順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。趙益強(qiáng)[28]研究發(fā)現(xiàn)，增施氮肥能顯著提高鮮食糯玉米葉片的葉綠素含量，對水稻和小麥的研究[29-30]也得出了相似的結(jié)果。因為氮素是葉綠素的主要組成部分，葉綠素含量的高低與植物對N的吸收和利用有直接關(guān)系，植物吸收利用的N素越多，葉綠素含量越高。密度通過改變單位面積內(nèi)植物的個體數(shù)量，加劇了植株個體間對有限資源的競爭。本研究也表明，葉綠素含量隨密度的增大而減小。李欣欣等[31]對稻茬晚播小麥的研究也發(fā)現(xiàn)，葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、葉綠素含量等光合特性指標(biāo)均隨種植密度的增加而降低。

注：*表示在P<0.05水平相關(guān)顯著；ns表示相關(guān)不顯著。Note: * indicates significant correlation at P<0.05 level; ns indicates no significant correlation.圖4 灌漿期各性狀與產(chǎn)量的相關(guān)分析Fig.4 Correlation analysis between different traits and yield at filling stage

鹽脅迫條件下，植物體內(nèi)會產(chǎn)生大量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，從而引起包括脂質(zhì)在內(nèi)的細(xì)胞成分被氧化受損[32]。抗氧化酶(如SOD、CAT和POD等)可以清除過多的ROS，維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和功能[33-34]，增強(qiáng)作物的抗逆能力，增加作物的干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量。舒時富等[35]研究發(fā)現(xiàn)，適宜的施氮量(187 kg N·hm-2)可有效提高葉片抗氧化酶活性，延緩葉片衰老。駱蘭平等[36]研究也表明，合理增施氮肥能顯著提高小麥葉片抗氧化酶活性。本研究也發(fā)現(xiàn)，增施氮肥能顯著提高CAT、POD和SOD活性，從而緩解鹽脅迫對細(xì)胞造成的損傷，提高燕麥的抗逆性，與前人研究結(jié)果相一致。

3.3 種植密度和施氮量對燕麥籽粒產(chǎn)量和飼草產(chǎn)量的影響

穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重是燕麥產(chǎn)量的重要構(gòu)成因子。合理的種植密度和施氮量是促進(jìn)穗數(shù)和穗粒數(shù)、提高千粒重的重要手段。朱志龍[37]研究表明，燕麥的穗粒數(shù)隨施氮量的增加總體上無顯著變化，但隨著種植密度的增加穗粒數(shù)逐漸減少。侯倩倩[38]研究表明，燕麥的千粒重隨種植密度的增加呈先降低后升高的趨勢。本研究表明，隨著播種密度和施氮量的增加，燕麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；但種植密度和施氮量對千粒重?zé)o顯著影響。可能是由于不同研究中使用的燕麥品種、試驗環(huán)境、種植密度及施氮量等差異導(dǎo)致。

燕麥?zhǔn)侵匾募Z食和飼草兼用型作物，因此，飼草產(chǎn)量也是評價燕麥的重要指標(biāo)[39]。渠暉等[40]研究表明，甜高粱干物質(zhì)隨施氮量的增加呈拋物線變化。本試驗發(fā)現(xiàn)，種植密度和施氮量對燕麥生物量有極顯著影響；生物量隨施氮量的增加呈先增加后減少的趨勢，與前人研究結(jié)果相一致。林志玲等[41]研究表明，科爾沁沙地飼草燕麥的生物量隨種植密度的增加而減少。本研究表明，在低、中氮條件 (N1和N2)下，燕麥生物量隨種植密度的增加而增加；高氮條件(N3)下，中密度時生物量最高。與前人研究結(jié)果存在一定差異，可能是由于試驗地土壤、氣候等因素不同造成。

綜上所述，在江蘇沿海灘涂鹽堿地種植燕麥，一方面可適當(dāng)提高種植密度，從而提高群體數(shù)量，增加燕麥生物產(chǎn)量；另一方面可適當(dāng)增施氮肥，既有利于提高葉綠素含量，增強(qiáng)葉片的光合效率，還可提高保護(hù)酶活性，緩解鹽分脅迫對植株造成的損傷，最終提高燕麥產(chǎn)量。