播种深度对花生生育进程和叶片衰老的影响及其生理机制

甄晓宇 杨坚群 栗鑫鑫 刘兆新 高 芳 赵继浩 李 颖 钱必长 李金融 杨东清 李向东

山东农业大学农学院 / 作物生物学国家重点实验室,山东泰安 271018

花生是我国重要的油料作物,其产量对保障我国油料安全至关重要[1-2]。由于种植模式、土壤类型、田块面积、作业机械性能等因素的影响,我国花生生产中播种深浅不一,易导致花生出苗差、出苗不齐和形成弱苗,最终影响产量[3-4]。因而确定适宜的播种深度对花生高产栽培有重要指导意义。前人研究表明,作物播种过深或过浅均可降低植株出苗率,影响产量。不同播种深度改变了种子萌发和幼苗出土的环境条件,影响植株的生理代谢过程与形态建成[5-6]。土壤表层水分蒸腾快,土壤含水量较低,浅播影响种子吸胀萌发[7],导致出苗率降低[8]。播种深度影响种子萌发的生理生化代谢过程,一方面,深播降低了种子和胚轴中MYB基因的表达,影响赤霉素(GA)信号的转导,不利于种子萌发和胚轴生长[9]；另一方面,随着土壤深度增加,土壤紧实度及压力增大[10],种子萌发过程中产生较多的乙烯,激活了下胚轴中的ERF1 信号通路,减缓了下胚轴细胞的生长速率[11]；再则,胚轴生长的土壤机械阻力增加,造成出苗时间推迟[12],出苗后易形成弱苗,影响作物生育中后期叶片的光合能力及抗氧化能力[13]。

花生播种过浅或过深均使出苗率降低,延长出苗时间,影响生长势,造成单株结果数与结实率降低,影响产量[4,14]。前人研究表明,小麦播种过深,出苗晚,对后期生育期、株高及叶绿素影响较大[15-16]。曹慧英等[17]研究发现夏玉米播种过深会降低叶片 SPAD 值和根系吸收活力,导致净光合速率和单株干物质积累下降。Qin 等[18]研究发现,与5 cm 的播深相比,播深8 cm 显著降低玉米出苗率,株高和整齐度下降,叶面积和叶长减小,单位面积株数和千粒重降低,最终限制产量。

前人针对播种深度影响花生种子萌发和幼苗生长的相关研究多围绕幼苗期植株的发育,关于播种深度对花生中后期生育进程和叶片衰老及产量形成影响的研究鲜见报道。本文研究播深对花生生育进程、叶片色素含量、光合性能、衰老酶活性、干物质积累及产量构成的影响,以期为确定花生适宜的播深、提高播种质量、改善植株生长状态、提高花生荚果产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

田间试验于2017—2018年在山东农业大学农学试验站进行。试验地耕层(0～20 cm)土壤含有机质14.56 g kg-1、全氮0.753 g kg-1、碱解氮72.31 mg kg-1、速效磷45.62 mg kg-1、速效钾69.35 mg kg-1,土壤为沙壤土。该区具温带季风气候,2017 和2018年度出苗期平均气温分别为23.6℃和21.9 ,℃ 相对湿度分别为53.3%和59.6%,降水量分别为13.0 mm 和11.5 mm(表1)；全生育期平均气温分别为25.0℃和25.2 ,℃ 降水量分别为483.1 mm 和595.3 mm(图1)。

表1 2017年和2018年花生出苗期日平均气温、相对湿度和降水量 Table1 Daily average temperature,relative humidity and precipitation during the seedling stage of peanut in 2017 and 2018

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

供试材料为早熟大花生品种山花108,室内试验于山东农业大学作物生物学国家重点试验室进行。田间试验设3、5、7、9、11、13 和15 cm(SD3、SD5、SD7、SD9、SD11、SD13 和SD15)7 个不同播种深度,采用春播起垄覆膜种植模式,利用自行设计的工具控制播深。小区面积为10.8 m2(2.7 m × 4.0 m),每个小区起3 垄,垄距0.9 m,垄长4 m,每个处理重复3 次。每穴3 粒,幼苗期间苗,每穴2 株,行距30 cm,穴距16 cm。播种1 d 后喷施除草剂,覆膜,膜上撒上一层薄土。

参考Boote 的方法[19],按照植株及荚果的发育形态学特征将花生生长时期分为VE(破土期)、R1(幼苗期)、R3(下针期)、R5(结荚期)、R7(饱果期)和R8(成熟期)等阶段。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 生育进程 播种后记录各处理进入VE、R1、R3、R5、R7 和R8 时的时间,计算生育天数。

1.2.2 干物质积累量的测定 分别在R1、R3、R5、R7 和R8 时期,选每处理5 株代表性植株,装袋后于80℃下烘干至恒重称重,即为植株干物质积累量。

1.2.3 主茎高和侧枝长测定 分别在R1、R3、R5、R7 和R8 时期,选每处理5 株代表性植株,测量主茎高和侧枝长。

1.2.4 叶面积指数测定 分别在R3、R5、R7 和R8 时期,选每处理5 株代表性植株,用鲜样打孔称重法测定单株叶面积。

1.2.5 叶绿素含量测定 分别在R3、R5、R7 和R8 时期,选每处理5 株代表性植株,取主茎倒三叶鲜样,参照Arnon[20]的方法测定叶片叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chlb)、叶绿素a+b含量。

1.2.6 净光合速率测定 分别在R3、R5、R7 和R8 时期,于无风晴天9：00-11：00,选每处理5 株代表性植株,采用Li-6400 便携式光合仪(Li-Cor Inc,USA)测定花生主茎倒三叶净光合速率。测定时使用开放式气路系统,选用红蓝二叶室,设定叶室温度为25 ,℃ 光照强度为1400 μmol m-2s-1。

1.2.7 抗氧化酶活性测定 分别在R3、R5、R7和R8 时期,选每处理5 株代表性植株,取主茎倒三叶的鲜样进行测定。采用氮蓝四唑还原法测定[21]SOD 活性；采用愈创木酚法测定[22]POD 活性；采用硫代巴比妥酸法测定[23]MDA含量；采用考马斯亮蓝G250 法测定[24]可溶性蛋白质含量。

1.2.8 产量测定 2017年和2018年收获时均采用小区测产,小区面积3.3 m2,重复3 次,取每处理10 株考察单株结果数。待花生荚果晒干后调查荚果产量、籽仁产量、千克果数、出仁率等。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2007 计算试验数据,利用DPS10.0 统计软件LSD 法进行显著性及方差分析,用SigmaPlot 10.0 作图。

2 结果与分析

2.1 播种深度对花生生育进程的影响

由图2可知,播种深度明显影响花生植株进入各生育阶段的时间。播种深度超过5 cm 后,随着播种深度的增加,出苗期延长,之后进入相应生育阶段的时间均推迟。在VE 阶段,各处理的破土时间差异明显,其中SD5 处理破土时间最早,SD15 处理破土时间最晚。与SD5 处理相比,SD3、SD7、SD9、SD11、SD13 和SD15 处理的出苗时间分别推迟1.5、1.5、3、4、5 和5 d。SD5 与SD7 处理的花生植株进入R7 阶段的时间无明显差异,而与SD5 处理相比,SD13 和SD15 处理的植株均推迟了3 d。各处理的植株进入R8 阶段的时间无明显差异。

图2 播种深度对花生生育进程的影响 Fig.2 Effects of sowing depth on the growth progress of peanut at different stages

2.2 播种深度对花生干物质积累量的影响

由图3可知,各处理的干物质积累量变化均呈“S”型趋势。播种深度超过5 cm 后,随着播种深度的增加,干物质积累显著降低。其中在R1 和R3 时期,SD3、SD5 和SD7 处理出苗早,干物质积累量显著高于其他播深处理。R5 时期,与SD5 处理相比,SD3和SD15 处理干物质积累量分别平均降低了7.4%和35.8%；到R8 时期,与SD5 处理相比,SD3、SD13和SD15 处理干物质积累量分别平均降低了7.5%、25.1%和26.9%。

2.3 播种深度对花生主茎高和侧枝长的影响

由图4可知,在V2 时期,主茎高与侧枝长随播种深度的增加而增大,与SD5 处理相比,SD15 处理的主茎高与侧枝长分别增加62.3%和49.7%；而R3至R8 阶段,播种深度超过7 cm 后,随着播种深度的增加,主茎高与侧枝长显著降低。其中在R5 时期,与SD5 处理相比,SD3、SD9、SD11、SD13 和SD15处理的主茎高与侧枝长分别平均降低6.3%、6.2%、11.0%、14.1%、15.0%和6.4%、7.6%、10.3%、13.6%、16.7%；在R8 时期,与SD5 处理相比,SD3、SD13和SD15处理的主茎高与侧枝长分别平均降低5.4%、15.8%、16.8%和5.2%、13.1%、16.1%。

2.4 播种深度对花生叶片叶绿素含量的影响

由表2可知,随着生育期推进,各处理功能叶片Chla、Chlb和Chla+b含量均呈先增加后降低的变化趋势,在R5 时期达最大值。播种深度超过5 cm后,随着播种深度的增加,Chla、Chlb和Chla+b含量逐渐降低。其中在R3 时期,SD3 和SD7 处理Chla和Chlb含量无明显差异；在R5 时期,与SD5处理相比,SD3、SD13 和SD15 处理Chla+b含量分别平均降低了4.2%、15.8%和16.4%；到R8 时期,与SD5 处理相比,SD3、SD13 和SD15 处理Chla+b含量分别平均降低了12.8%、36.2%和38.0%。

图3 播种深度对花生干物质积累量的影响 Fig.3 Effects of sowing depth on dry matter accumulation of peanut

图4 播种深度对花生主茎高和侧枝长的影响 Fig.4 Effects of sowing depth on main stem height and branch length of peanut

表2 播种深度对花生叶片叶绿素含量的影响 Table2 Effects of sowing depth on chlorophyll content in peanut leaves(mg g-1)

(续表2)

2.5 播种深度对花生叶面积指数的影响

由图5可知,随着花生生育进程的推进,叶面积指数(LAI)呈单峰曲线变化。播种深度超过5 cm后,随着播种深度的增加,LAI 显著降低。其中在R5时期,与SD5 处理相比,SD3、SD7、SD13 和SD15处理的LAI 分别平均降低了3.7%、0.6%、15.6%和18.0%；在R8 时期,SD5 与SD7 处理间差异不显著,与SD5 处理相比,SD3、SD13 和SD15 处理的LAI分别平均降低了4.8%、16.9%和17.2%。

图5 播种深度对花生叶面积指数的影响 Fig.5 Effects of sowing depth on leaf area index of peanut

2.6 播种深度对花生净光合速率的影响

由图6可知,各处理叶片的净光合速率(Pn)随生育进程呈单峰曲线变化。播种深度超过5 cm 后,随播种深度的增加,叶片Pn显著降低。其中在R5 时期,与SD5 处理相比,SD3、SD7、SD9、SD11、SD13和SD15 处理分别平均降低了4.1%、3.2%、8.0%、13.8%、18.5%和20.0%；在R8 时期,与SD5 处理相比,SD3、SD7、SD9、SD11、SD13 和SD15 处理分别平均降低了4.4%、13.0%、11.7%、14.2%、21.7%和23.1%。

2.7 播种深度对花生叶片衰老的影响

2.7.1 播种深度对花生叶片SOD 活性的影响

由图7可知,随生育进程推进,各处理花生叶片的SOD 活性呈先增加后降低的趋势,在R5 时期出现活性高峰。播种深度超过7 cm 后,随着播种深度的增加,叶片SOD 活性显著降低。其中在R5 时期,与SD5 处理相比,SD3、SD13 和SD15 处理SOD活性分别平均降低4.3%、11.8%和12.5%；在R8 时期,与SD5 处理相比,SD3、SD13 和SD15 处理SOD活性分别平均降低了5.4%、33.5%和36.6%。

2.7.2 播种深度对花生叶片POD 活性的影响

由图8可知,随生育进程推进,各处理花生叶片的POD 活性呈先增加后降低的趋势,在R5 时期出现活性高峰。播种深度超过7 cm 后,随着播种深度的增加,叶片POD 活性显著降低。其中在R5 时期,与SD5 处理相比,SD3、SD11、SD13 和SD15处理的POD 活性分别平均降低3.2%、15.0%、21.6%和21.8%；在R8 时期,与SD5处理相比,SD3、SD11、SD13 和SD15 处理分别平均降低12.9%、28.0%、36.0%和40.4%。

图6 播种深度对花生叶片净光合速率的影响 Fig.6 Effects of sowing depth on leaf net photosynthetic rate(Pn)in peanut

图7 播种深度对花生叶片SOD 活性的影响 Fig.7 Effects of sowing depth on activity of SOD in peanut leaves

图8 播种深度对花生叶片POD 活性的影响 Fig.8 Effects of sowing depth on activity of POD in peanut leaves

2.7.3 播种深度对花生叶片MDA 含量的影响

由图9可知,随生育进程推进,各处理花生叶片的MDA 含量呈增加趋势。其中在R3 与R5 时期SD3 与SD5 处理的MDA 含量无显著差异,但随播种深度的增加,叶片MDA 含量显著增加。其中在R5 时期,与SD5 处理相比,SD9、SD11、SD13、SD15处理的MDA 含量分别平均增加了28.1%、36.1%、53.2%和56.7%；在R8 时期SD5 与SD7 处理的MDA含量无显著差异,与SD5 处理相比,SD9、SD11、SD13 和SD15 处理分别平均增加了12.8%、24.9%、38.3%和31.3%。

2.7.4 播种深度对花生叶片可溶性蛋白含量的影响

由图10 可知,随生育进程推进,各处理花生叶片的可溶性蛋白含量呈先增加后降低的趋势,在R5 时期达到最大值。播种深度超过5 cm 后随着播种深度的增加,叶片可溶性蛋白含量显著降低。其中在R5 时期,与SD5 处理相比,SD3、SD13 和SD15 处理分别平均降低5.5%、23.3%和27.1%；在R8 时期,与SD5 处理相比,SD3、SD13 和SD15 处理分别平均降低13.7%、42.7%和53.4%。

2.8 播种深度对花生产量及产量构成的影响

由表3可知,播种深度对花生产量有显著影响。播种深度为5 cm 可显著提高花生荚果产量与籽仁产量。与SD5 处理相比,SD3、SD9、SD11、SD13 和SD15 处理其荚果产量均值分别降低5.3%、6.0%、7.6%、10.7%和13.7%,籽仁产量均值分别降低7.4%、7.9%、9.9%、14.4%和18.3%,产量提升主要原因是单株结果数、出仁率及果重(千克果数降低)的增加。

图9 播种深度对花生叶片MDA 含量的影响 Fig.9 Effects of sowing depth on MDA content in peanut leaves

图10 播种深度对花生叶片可溶性蛋白含量的影响 Fig.10 Effects of sowing depth on soluble protein content in peanut leaves

表3 播种深度对花生荚果产量及产量构成因子的影响 Table3 Effects of sowing depth on yield and its components of peanut

3 讨论

3.1 播种深度对花生生育进程的影响

播种深度是影响种子萌发、幼苗形态建成及后期生长发育的关键因素[25]。前人研究发现播种过浅或过深,导致出苗不齐,整齐度降低,群体小气候如光照、温度、CO2浓度等条件出现差异,进而影响后期植株形态及生育进程[17,26]。向达兵等[27]研究发现,苦荞播种深度可显著影响株高、单株叶面积、 地中茎和子叶节长度等,只在适宜的播深条件下利于培育壮苗。叶面积指数是描述作物长势的重要参数[28],张晓艳等[29]研究发现在产量形成期春花生叶面积指数与产量呈显著正相关。本研究结果表明,播种深度影响花生植株进入各生育阶段的时间。与播深5 cm 相比,播深3 cm 时破土期延迟1.5 d,这是由于播种过浅,土壤易失墒干旱,影响种子萌发[30]；播深15 cm 时,破土期延迟5 d,由于下胚轴伸长长度及时间增加,进而出苗时间延长[31]。同时,深播处理使结荚饱果时间缩短,不利于荚果发育。播深过浅或过深,花针期以后主茎高和侧枝长降低,叶面积指数显著降低。

3.2 播种深度对花生叶片衰老特性的影响

叶片衰老过程中,活性氧含量增加,SOD 将其歧化为H2O2,POD 清除H2O2及其他过氧化物,两者相互协作共同维持机体活性氧的平衡,削弱膜脂过氧化[32-33]。前人研究表明,随着土壤深度的增加,紧实度增加,生姜叶片SOD、POD 的活性降低,引起膜系统内活性氧代谢失调,MDA 含量及电解质渗漏率增加[10,34],进而加重叶片膜脂受损程度。代海芳等[35]研究表明,小麦播深影响叶片SOD 和POD活性,播深为6 cm 时SOD 和POD 的活性最高,增强了植株抵御低温胁迫的能力。本研究结果表明,播种深度过浅或过深使花生叶片的MDA 含量增加,SOD 和POD 的活性下降,从而提高超氧阴离子(O2-)和H2O2的产生速率,使叶片中的膜脂过氧化产物增加,花生生长受到抑制,叶片衰老加快。叶片可溶性蛋白含量降低,主要由于叶片蛋白质的降解,蛋白酶活性升高[36]。本研究结果表明,播种过深时可溶性蛋白含量显著降低,进而不利于植株氮代谢,加速植株衰老。

3.3 播种深度对花生叶片光合性能和产量形成的影响

适宜的播种深度对作物的产量形成尤为重要。Zuo 等[8]研究表明油菜在适宜的播深和土壤压实条件下,单株角果数、每果粒数、千粒重提高,进而产量增加。Rebetzke 等[37]研究表明,小麦播种过深,导致籽粒产量下降,籽粒数也随之减少。本研究结果表明,播种深度5 cm 时,能显著提高花生的荚果产量和籽仁产量,原因为单株结果数、出仁率及果重显著提高。播深过浅,土壤环境尤其土壤含水量显著影响种子吸胀作用和萌发中代谢酶活性,不利于种子的养分转化,进而影响种子萌发或失去发芽能力[4,38],导致出苗率降低,单位面积株数降低,影响产量形成[7-8]。但播种深度超过7 cm 后,一方面影响花生出苗,另一方面也影响花生生育中后期叶片的光合特性。叶绿素在光能吸收、传递和转换中起着重要作用[39],其含量高低与净光合速率直接相关[40]。本研究结果表明,播深大于7 cm 后,随着播种深度增加,叶片叶绿素含量和光合速率降低。与播深5 cm相比,播深15 cm 的叶片叶绿素含量和光合速率在产量形成期分别降低24.8%和21.7%。与播深5 cm相比,播深15 cm 的植株干物质积累量在产量形成期降低了31.8%。产量的增加主要来源于生物量的增加,较高的干物质积累量是获得高产的物质基础[41]。前人研究发现播种深度直接影响了谷子苗期及生育后期的干物质积累[42]。本研究结果表明,播种深度超过7 cm 后,干物质积累降低,荚果产量及籽仁产量也显著降低,这与Yagmur 等[43]的试验结果一致。因此,在花生栽培中,播种深度应控制在5 cm,过浅或过深,一方面影响花生生育进程,结荚饱果期缩短,叶片功能期缩短；另一方面影响植株叶片光合性能,且叶片SOD、POD 活性降低,抗氧化能力弱,叶片易早衰,不利于干物质积累,单株荚果少,且果重低,导致产量降低。

4 结论

播深小于5 cm 或大于7 cm 时,植株出苗时间延长,结荚饱果时间缩短,不利于荚果发育,导致荚果产量降低。播种深度为5 cm 时,花生结荚饱果期叶片能维持较高的LAI 和叶绿素含量,提高净光合速率,改善叶片光合性能,利于植株干物质的积累；同时提高功能叶片SOD 和POD 活性,降低MDA 积累量,延缓叶片衰老,最终提高荚果产量,因而,春花生适宜的播种深度应控制在5 cm。