菌肥與腐熟秸稈對鹽堿地燕麥滲透生理特性及產量的影響

盧培娜,白健慧,米俊珍,李立軍,趙寶平,劉景輝

(1.內蒙古農業大學農學院,內蒙古呼和浩特市 010019;2.干旱生境作物學國家重點實驗室,甘肅農業大學,甘肅蘭州 730000)

鹽堿地綜合開發利用是我國耕地面積基本穩定和糧食安全的重要保障[1]。鹽堿條件下,作物生長受限,嚴重制約農業的發展。燕麥(AvenanudaL.)作為干旱半干旱地區改良鹽堿地的先鋒作物,具有耐鹽堿特性,且不同燕麥品種的耐鹽堿性不同[2,3]。燕麥主要是通過調節體內各器官無機滲透離子(Na+、K+)及有機滲透物(可溶性糖、有機酸)等物質含量,維持植株體內的滲透平衡,以適應鹽堿脅迫[4-7]。燕麥耐鹽堿品種具有較強的Na+外排能力、K+保持能力以及合理分配各器官離子的能力[5]。有研究發現,隨著鹽脅迫濃度增加和脅迫時間延長,植株可溶性糖含量會升高[8];在鹽堿環境中,耐鹽堿植物積累有機酸,對植株體內酸堿平衡和滲透也具有明顯調節作用[9,10]。

有機物料添加和生物改良是一種鹽堿地改良的重要方式,利用前景較好。大田定位試驗證實,菌肥與腐熟秸稈可有效降低土壤鹽分、pH值,顯著提高土壤養分含量及養分循環能力,對燕麥生長發育具有促進作用[11-14]。研究表明,鹽脅迫條件下聯合施用菌肥和土壤調理劑可顯著降低番茄葉片Ca2+、Mg2+和Na+含量[14]。在鹽堿地中,有機物料添加對作物無機離子和有機滲透物質的影響如何?目前對此尚不清楚。本研究分析了鹽堿地施用菌肥和腐熟秸稈后燕麥兩個不同耐性品種根、莖、葉中Na+、K+、可溶性糖、有機酸含量及株高和產量的變化,以期從滲透調節角度了解菌肥和腐熟秸稈改良鹽堿地的效果,為鹽堿地開發利用和農業可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地及試驗材料概況

2016-2017年在內蒙古呼和浩特市土默爾特左旗內蒙古農業大學海流圖園區(111°22′30″ E,40°41′30″ N)開展定位試驗。該地區屬于硫酸鈉和氯化鈉為主的鹽堿地,其土壤pH值為9.14,電導率為1.55 ms·cm-1,有機質、總氮、總磷、總鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為13.32 g·kg-1、0.53 g·kg-1、1.66 g·kg-1、0.53 g·kg-1、63.11 mg·kg-1、15.71 mg·kg-1、171.33 mg·kg-1。

試驗采用的菌肥是由遼寧嘉華農業科技公司提供的復合微生物菌肥,其pH值為6.85,EC為125.93 μs·cm-1,有機質、總氮、總磷、總鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為372.60 g·kg-1、84.67 g·kg-1、0.16 g·kg-1、9.33 g·kg-1、532.42 mg·kg-1、166.52 mg·kg-1、222.79 mg·kg-1。

2016-2017年春季采用的腐熟秸稈均由上一年9月份開始將玉米新鮮秸稈切碎至大約5 cm長,然后進行約8個月的無氧發酵,其pH值為6.58,EC 為2.95 μs·cm-1,有機質、總氮、總磷、總鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為552.48 g·kg-1、14.06 g·kg-1、0.18 g·kg-1、7.99 g·kg-1、362.06 mg·kg-1、169.70 mg·kg-1、 345.39 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區設計,主區為兩個燕麥品種(草莜1號,鹽堿敏感型;白燕2號,耐鹽堿型)[15];副區為有機物料施用,設空白對照(CK)、單施菌肥(F)、單施腐熟秸稈(S)和腐熟秸稈配施菌肥(FS)四個水平,共8個處理。小區面積20 m2(15 m×4 m),3個重復。根據以前研究結果[12],菌肥施用量為1 500 kg·hm-2,腐熟秸稈施用量為11 250 kg·hm-2,底施磷酸二銨150 kg·hm-2(DAP: 18-46-0)。燕麥播種量150 kg·hm-2,播種時采用機播,行距25 cm。播種前15 d,將玉米腐熟秸稈按上述施入量均勻撒在地表,用旋耕機進行淺旋。播種時,利用播種機將菌肥和底肥一起施入土壤,再進行燕麥播種。由于燕麥生長前期較為干旱,每年燕麥苗期灌水1次,以減輕干旱的影響。小區田間管理完全一致。

1.3 取樣及分析測定

在燕麥苗期、拔節期、抽穗期、灌漿期和收獲期分別取樣。在各小區隨機選取3個0.25 m×0.25 m樣區采集植株,植株樣品按照根、莖、葉分開和標記,并帶回實驗室內進行清洗留存。灌漿期田間隨機取樣測量株高,并取0.5 m2植株地上部分稱重和計算鮮草產量;成熟期選各小區收獲1 m2植株,曬干測定干草產量,脫粒計算千粒重和籽粒產量。

取0.300 g植株干樣,加入25.00 mL 1.00 mol·L-1HCl振蕩2 h后過濾提取,采用島津原子吸收光譜儀(AA-7000)測定K+和Na+含量。

取1.00 g植株鮮樣,加入5.00 mL 0.50 mol·L-1HCl和石英砂研磨,收集至離心管中搖勻,沸水浴15 min,冷卻后加入4.00 mL去離子水,靜置過夜,次日2 000 r·min-1離心,上清液定容至20.00 mL容量瓶,稀釋10倍,過0.45 μm微孔濾膜膜過濾器,采用銅還原碘量法[16]測定可溶性糖含量。

有機酸樣液通過膜過濾收集(水系統、孔隙大小0.30 μm),用高效液相色譜儀(HPLC,LC-20AT日本島津公司)測定有機酸含量。島津SPD-20A型紫外監測器,反相AtlantisTMdC18柱(4.6 mm×250.0 mm,5 μm);流動相:A為0.01 mol·L-1Na2HPO4(pH=2.70,1.0 mol·L-1磷酸調節),B為乙腈,C為超純水。流速1 mL·min-1。柱溫25 ℃。紫外檢測波長210 nm。進樣量20.00 μL。標準草酸和標準蘋果酸分別購自Sigma公司和天津市光復精細化工研究所。有機酸的標準樣品保留時間分別為草酸3.655 min、酒石酸4.262 min、甲酸4.644 min、蘋果酸5.477 min、抗壞血酸6.729 min、醋酸7.791 min、檸檬酸10.206 min、反丁烯二酸11.618 min、琥珀酸12.552 min。文中總有機酸含量為所測有機酸含量之和。

1.4 數據處理

原始數據采用Microsoft Excel 2019和R Studio進行數據制表和分析。

2 結果與分析

2.1 菌肥和腐熟秸稈對燕麥植株K+含量的影響

施用菌肥和腐熟秸稈后,燕麥根、莖、葉第一年的K+含量在苗期和拔節期高于第二年,且莖和葉K+含量均明顯高于根。與CK相比,F、S和FS處理均總體上提高了各時期白燕2號和草莜1號植株K+含量,以FS處理效果最明顯(表1)。其中,FS處理下白燕2號的根、莖、葉K+含量第一年較CK分別提高14.08%～216.40%、33.46%～133.16%和61.02%～ 130.77%,草莜1號分別提高37.14%～ 64.06%、11.32%～55.26%和30.51%～ 72.76%;第二年白燕2號分別提高22.76%～ 45.63%、-8.40%～19.30%和15.81%～26.56%,草莜1號分別提高5.80%～24.68%、-1.61%～25.74%和-0.74%～19.61%。

2.2 菌肥和腐熟秸稈對燕麥植株Na+含量的影響

施用菌肥和腐熟秸稈后,燕麥根、莖、葉第一年的Na+含量在苗期和拔節期高于第二年,且莖和葉Na+含量均明顯高于根Na+含量。與CK相比,F、S和FS處理均總體上降低了各時期燕麥植株Na+含量,以FS處理效果最明顯(表2)。其中,FS處理下白燕2號的根、莖、葉Na+含量第一年較CK分別降低13.67%～55.40%、 -43.75%～54.60%和17.69%～61.66%,草莜1號分別降低-10.88%～55.40%、-37.04%～36.56%、-5.39%～49.74%;第二年白燕2號分別降低-4.34%～83.18%、-75.79%～ 75.79%,草莜1號分別降低67.52%～76.81%和8.00%～55.42%、-5.41%～43.66%和-39.32～50.19%。

表2 不同處理下燕麥植株Na+ 含量的差異Table 2 Difference of Na+ content in oat plant among different treatments mg·g-1

2.3 菌肥和腐熟秸稈對燕麥植株K+/Na+ 的影響

整體上來看,施用菌肥和腐熟秸稈后,燕麥K+和Na+含量第二年較第一年均有所降低,但燕麥植株根、莖、葉部K+/Na+值均不同程度提高,尤其以施用腐熟秸稈處理較明顯(表3),說明施用菌肥和腐熟秸稈對鹽堿地燕麥植株的K+、Na+平衡有一定的調節作用。

表3 不同處理下燕麥植株K+/Na+ 值的差異Table 3 Differences of K+/Na+ ratioin oat plant among different treatments

2.4 菌肥和腐熟秸稈對燕麥植株可溶性糖含量的影響

F、S和FS處理顯著影響白燕2號和草莜1號各時期植株可溶性糖含量,但年際間、處理間表現均存在差異(表4)。第一年,F處理較CK顯著提高抽穗期白燕2號和草莜1號根部可溶性糖含量;S和FS處理均可顯著提高苗期白燕2號根部可溶性糖含量,而降低拔節期、抽穗期、灌漿期草莜1號根部可溶性糖含量。第二年,除苗期草莜1號莖葉部、拔節期白燕2號根部、灌漿期白燕2號莖葉部和草莜1號根部可溶性糖含量升高外,腐熟秸稈配施菌肥顯著降低各時期白燕2號和草莜1號根、莖、葉部可溶性糖含量。

表4 不同處理下燕麥植株可溶性糖含量的差異Table 4 Differences of soluble sugar content in oat plant among different treatments mg·g-1

表5 不同處理下燕麥植株總有機酸含量的差異Table 5 Differences of total organic acid content in oat plant among different treatments mg·g-1

表6 不同處理下燕麥的產量Table 6 Yield of the two oat cultivars under different treatments

2.5 菌肥和腐熟秸稈對燕麥植株總有機酸含量的影響

第一年,F處理較CK顯著提高燕麥抽穗期和灌漿期的根、莖、葉部總有機酸含量,其中白燕2號和草莜1號抽穗期的根、莖、葉部總有機酸含量分別增加45.44%、143.40%、86.26%和 22.15%、388.25%、585.79%,灌漿期分別增加68.47%、321.94%、535.67%和125.95%、 401.80%、10 357.55%。此外,白燕2號S、FS處理抽穗期莖葉總有機酸含量分別增加75.32%、41.74%,葉總有機酸含量分別增加87.81%、123.82%。第二年,F處理較CK顯著提高苗期、抽穗期及灌漿期草莜1號根、莖、葉部總有機酸含量,其中抽穗期增幅分別為24.53%、105.13%、66.33%;F、S、FS處理較CK顯著降低抽穗期白燕2號根部總有機酸含量88.81%、33.95%、89.73%,但施用腐熟秸稈顯著降低白燕2號根、莖、葉部的總有機酸含量。

2.6 菌肥和腐熟秸稈對燕麥植株有機酸比例的影響

第一年,白燕2號苗期植株主要含有機酸為草酸、酒石酸、蘋果酸、乙酸、富馬酸、琥珀酸等,草莜1號苗期植株主要含有機酸主要為草酸、酒石酸、蘋果酸、乙酸、檸檬酸、琥珀酸等;兩個品種拔節期、抽穗期、灌漿期植株有機酸以酒石酸為主,其次為檸檬酸(圖1)。S和FS處理下兩品種苗期根、莖、葉部草酸占比較CK明顯提高;F、S與FS處理下兩品種拔節期根、莖、葉部酒石酸和檸檬酸比例均有所提高,但乙酸比例降低(白燕2號根部除外)。

第二年,各處理燕麥根、莖、葉部有機酸含量在各時期分布比較均勻且豐富,主要含有草酸、酒石酸、蘋果酸、乙酸、檸檬酸、富馬酸、琥珀酸等(圖2)。與第一年相比,各時期琥珀酸比例明顯增加,而草酸比例下降。S和FS處理較CK均能不同程度降低兩個品種苗期根、莖、葉部草酸比例,而提升琥珀酸的比例;F和FS處理可不同程度提高兩個品種拔節期和抽穗期根、莖、葉部草酸、乙酸與檸檬酸的占比,而降低琥珀酸的占比。

2.7 菌肥和腐熟秸稈對燕麥燕麥株高及產量的影響

兩年中菌肥和腐熟秸稈對兩個品種的株高、千粒重、籽粒產量、灌漿期鮮草和干草產量均有顯著影響。其中,F處理的株高較CK顯著增加,而FS處理的籽粒、鮮草和干草產量均顯著高于CK。FS處理下白燕2號的千粒重最高,第一年和第二年分別較CK提高11.00%和36.19%。F、S、FS處理下白燕2號的籽粒產量分別較CK處理第一年分別提高47.56%、94.12%、 121.49%,第二年分別提高70.38%、19.49%、146.05%;鮮草產量第一年分別提高15.01%、 -4.16%、65.97%,第二年分別提高104.60%、56.13%、102.13%,干草產量第一年分別提高11.73%、10.83%、48.22%,第二年分別提高 77.33%、36.77%、77.23%。F、S、FS處理下草莜1號籽粒產量第一年分別提高53.38%、 34.47%、34.87%,第二年分別提高57.97%、 56.98%、140.69%;鮮草產量第一年分別提高 20.37%、2.05%、66.43%,第二年分別提高 17.76%、61.07%、88.04%;干草產量第一年分別提高-5.12%、16.00%、58.16%,第二年分別提高28.99%、60.83%、120.42%。這說明菌肥和腐熟秸稈配施對燕麥籽粒和生物產量的促進作用最佳。

3 討 論

3.1 菌肥與腐熟秸稈施用對燕麥植株無機離子含量的影響

植物的抗逆性主要由植物滲透調節能力強弱決定。鹽堿環境中燕麥主要通過調節各器官的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、可溶性糖和有機酸等滲透物質濃度以平衡維持細胞的滲透勢,避免細胞失水,從而緩減滲透脅迫造成的傷害[4-9]。結合前人研究結果,本研究認為,菌肥與腐熟秸稈可顯著改善鹽堿地土壤質量,且對燕麥產量有顯著提升作用[10]。本研究表明,在鹽堿條件下,菌肥與腐熟秸稈施用后第二年的燕麥K+、Na+含量普遍低于第一年,而燕麥不同時期各器官K+/Na+有所提高,有利于燕麥植株維持細胞滲透平衡,提高對鹽堿脅迫的適應性[6]。不僅如此,燕麥苗期和拔節期各器官K+、Na+含量較高,且莖和葉K+、Na+含量均明顯高于根部,這與前人研究結果相一致[7]。同時,腐熟秸稈單施和配施菌肥均可以提高各時期白燕2號和草莜1號根、莖、葉K+含量,顯著降低各器官Na+含量,說明添加腐熟秸稈處理在改良鹽堿土壤的同時,有助于燕麥各器官合理分配和調節無機離子,提高K+以提高K+/Na+值,增強其滲透調節能力,緩減鹽堿脅迫,從而有助于燕麥增產[7, 10, 17]。除此之外,施用菌肥可顯著降低拔節期和灌漿期白燕2號根部的Na+含量。有學者也研究發現,菌肥+土壤調理劑可以顯著降低鹽脅迫條件下番茄葉片Na+含量[11],從而提高K+/Na+值。這說明施用菌肥有助于耐鹽堿型燕麥減少根部Na+積累,保持低Na+高K+,避免植物各器官細胞膜系統破壞。

3.2 菌肥與腐熟秸稈施用對燕麥植株可溶性糖和有機酸含量的影響

本研究中,隨著生育進程的變化,可溶性糖含量逐漸增加,生長發育前期燕麥可溶性糖含量以根部積累較多,后期以莖部和葉部積累較多,有助于燕麥籽粒灌漿[18]。在鹽堿條件下,菌肥、腐熟秸稈單施及配施在第一年均可提高抽穗期白燕2號根部可溶性糖含量,而腐熟秸稈單施和配施菌肥顯著降低拔節期至灌漿期草莜1號根部可溶性糖含量,說明不同耐鹽堿特性燕麥品種根部可溶性糖含量對各措施響應有所不同,證實不同耐鹽堿燕麥品種生理特性之間的確存在顯著差異;第二年,腐熟秸稈配施菌肥顯著降低各時期白燕2號和草莜1號植株(根、莖、葉)可溶性糖含量。王廣印等[8]認為,植物可溶性糖含量隨著鹽濃度和脅迫時間延長會逐漸升高。由此推測隨著鹽堿土壤質量條件的改善,可能由于作物適應環境生長,反而無需繼續合成大量的糖類物質導致有所降低,或者是由于根際土壤微生物活性增強,對碳源和養分的競爭加劇會導致可溶性糖含量降低[19],因為植物產生的可溶性糖是供給根際土壤微生物的主要能量來源,這對植物生產有積極的影響[20]。總之,菌肥、腐熟秸稈及配施能積極改善燕麥植株可溶性糖的動態平衡,為鹽堿地燕麥適應性生長提供保障。

有研究發現,鹽堿脅迫條件下,有機酸對植株根與葉片滲透調節的貢獻僅次于Na+、K+[21]。施用菌肥顯著提高抽穗期和灌漿期白燕2號和草莜1號根、莖、葉部總有機酸含量,這也解釋了菌肥可以提高鹽堿地燕麥根際和非根際土壤有機酸含量[22],說明菌肥提高根際與非根際土壤有機酸含量,其主要由植株從體內大量合成,通過根系分泌到土壤中,以改善根系的生存環境[23]。本研究結果進一步顯示,盡管兩年植株體內有機酸種類和含量差異較大,但菌肥的確可以顯著增加燕麥生長后期各器官草酸、乙酸、檸檬酸比例。除此之外,腐熟秸稈單施和配施菌肥后在燕麥抽穗期植株總有機酸含量在第一年顯著提高,而在第二年顯著降低;第一年腐熟秸稈單施和配施菌肥均不同程度地提高白燕2號和草莜1號苗期根、莖、葉草酸比例,拔節期莖、葉部酒石酸和檸檬酸比例,而乙酸比例明顯降低;同時,第二年腐熟秸稈單施和配施菌肥均可以不同程度地降低白燕2號和草莜1號苗期根、莖、葉部草酸比例,增加了琥珀酸的比例,而提高拔節期和抽穗期根、莖、葉部草酸、乙酸及檸檬酸的占比,降低了琥珀酸的占比,造成這些差異的主要原因可能是改良年際間氣溫、水分、燕麥取樣時期、生長情況等。該研究證實了前期的研究結果[24],菌肥和腐熟秸稈對鹽堿地燕麥的作用機制不同,菌肥是通過自身的有益微生物分泌有機酸等物質或促進燕麥根系生長分泌較多的有機物,為微生物提供營養物質,改善微生態環境,而腐熟秸稈是通過改善土壤理化性質,緩減燕麥在鹽堿環境的脅迫程度,減少對根際和非根際土壤有機酸的輸送,以維持燕麥體內的滲透平衡[25-26]。總之,燕麥植株有機酸積累與無機離子的分配和濃度有關,有助于植株各器官細胞內電荷平衡和pH穩定[21],可作為鹽堿脅迫重要評價指標。

3.3 不同改良措施對燕麥株高及產量的影響

本研究表明,菌肥、腐熟秸稈和配施均可以顯著提高白燕2號和草莜1號燕麥株高、收獲期籽粒產量、灌漿期鮮草和干草產量。這證實各改良措施均可顯著優化土壤環境[10],緩減燕麥的滲透生理脅迫[21],從而提高燕麥產量。菌肥單施主要通過提高燕麥耐鹽堿特性,促進燕麥根系生長,進而有助于植株形態建成,故其株高及鮮/干草產量明顯提高[23];腐熟秸稈單施主要通過改善土壤結構、提高土壤質量,但其造成土壤有害微生物群落豐度增加,影響作物生長[23];本研究在腐熟秸稈配施菌肥條件下,白燕2號籽粒產量最佳,草莜1號鮮草和干草產量表現最佳。由此可見,腐熟秸稈配施菌肥在提升鹽堿地土壤質量和緩減作物鹽堿脅迫方面優勢較強,更有利于燕麥調節滲透生理以適應性生長,并提高產量,可作為改良利用鹽堿地且高效增產的最佳措施。