秸秆带状覆盖对旱地马铃薯叶片抗氧化特性的影响

黄金文，杨成存，韩凡香，包正育，柴守玺，程宏波，马建涛，黄彩霞，逄 蕾，常 磊

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州城市学院地理与环境工程学院，甘肃 兰州 730070；3.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070；4.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

马铃薯是西北黄土高原半干旱区的主栽作物之一，甘肃省马铃薯种植面积6.87×105hm2以上，居全国第三，鲜薯产量1 550万t，居全国第二，已发展成为国内重要产区和最佳种薯繁育基地[1-2]。该区域马铃薯90%集中在旱地，旱地地膜覆盖马铃薯面积占60%以上，虽然地膜覆盖能够蓄水保墒，实现旱作区降水的高效利用，显著提高作物产量和水利用效率[3]，但地膜覆盖马铃薯也存在季节性干旱胁迫和高温胁迫[4]，容易造成后期马铃薯“早衰”现象，易造成马铃薯减产或不耐贮藏。

秸秆覆盖改变农田下垫面性质和能量平衡，调节土壤温度及改善土壤结构，有效防止土壤板结，降低土壤容重，提高土壤团聚体水稳性，提高入渗能力和持水能力，有效抑制蒸发，改善土壤微环境[5]，提高土壤有机质和营养元素含量、提高水分利用效率和产量[6]。秸秆覆盖能够提高红薯植株脯氨酸的含量[7]，调节叶片水热状况，且在生育中后期抗氧化酶活性显著高于传统栽培，能延缓植株叶片衰老[8]，在大部分作物上均能实现大幅增产[9]。付国占等[10]研究发现，秸秆覆盖栽培可不同幅度地提高夏玉米整个生育时期穗叶的超氧化物歧化酶活性，降低丙二醛含量 30.0%，膜脂化程度降低。徐福利等[11]研究发现，大拖拉机播种玉米及秸秆覆盖，可减缓玉米开花后穗位叶片的超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性降低及叶绿素的降解，叶片丙二醛含量低，可延缓叶片衰老。

秸秆带状覆盖技术是一种局部覆盖种植的新型旱地覆盖栽培技术，能够降低土壤温度、提高土壤水分供应能力[12]，显著提高马铃薯产量[13]，增加小麦叶片SPAD含量，提高小麦的抗氧化能力[14]。目前对秸秆带状覆盖技术的水分效应有了明确认识[12-13]，而对连续多年秸秆带状覆盖下马铃薯抗氧化酶、渗透调节物质、膜脂过氧化物变化的角度认识其增产机理的研究较少。本文旨在进一步揭示旱地秸秆带状覆盖马铃薯增产机理，明确秸秆带状覆盖对马铃薯叶片抗性生理机制和产量形成的影响，为丰富和完善秸秆带状马铃薯种植技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验于2018—2020年在甘肃农业大学通渭旱作循环农业试验基地(地处西北黄土高原丘陵沟壑区，35°11′N, 105°19′E)进行。该区域海拔高度为1 750 m，平均大气温度为7.2℃，年日照时数为2 096 h，无霜期为150 d，属典型的中温带半干旱雨养农业区，农作物一年一熟。年均降水量为390.6 mm，且主要集中于7～9月。土壤属黄绵土，土壤平均容重1.25 g·cm-3(0～30 cm土层)，土壤有机质含量为5.52 g·kg-1，速效氮含量为0.65 g·kg-1，速效磷含量为10.63 mg·kg-1，速效钾含量为107.1 mg·kg-1，pH为8.5。

根据试验基地气象资料统计，2018、2019年和2020年马铃薯生育期内有效降水量(≥5 mm)分别为364.8、372.2、352.6 mm，分别较多年同期降水(305.0 mm)增加19.6%、22.0%和15.6%(图1)。

图1 2018—2020试验年度马铃薯全生育期降水与气温分布

1.2 试验设计

供试马铃薯品种为‘陇薯7号’，黑色地膜为当地普通农用聚乙烯地膜，宽120 cm，厚0.01 cm。

试验设秸秆带状覆盖(SM)、黑膜大垄覆盖(PM)、无覆盖栽培(CK)3个处理，小区随机区组排列，3次重复，小区面积126 m2(21 m×6 m)。

SM：播种前分秸秆覆盖带和种植带相间排列，将玉米整秆铺于覆盖带上，播种带和覆盖带各60 cm，秸秆覆盖量约52 500株·hm-2(折合风干秸秆重约9 000 kg·hm-2)。马铃薯收获后，经腐化的秸秆旋耕打碎后还田。

PM：大垄宽100 cm，垄高10 cm，在大垄两侧穴播两行。

CK：传统不覆盖平作，等行距穴播。各处理播种时株距32 cm，行距60 cm，每穴种50 g左右整薯1粒，播种深度15 cm，所有小区密度均为52 500株·hm-2。

播种前旋耕整地，将全部肥料(纯N180 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2)一次性作基肥施入，全生育期内不追肥。田间管理同大田，不中耕，人工除草，生育期内化学防晚疫病2～3次。2018年4月19日播种、10月1日收获，2019年4月19日播种、10月2日收获，2020年4月19日播种、9月30日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植株叶片膜脂过氧化物测定 分别于马铃薯块茎形成期、块茎增大期、淀粉积累期、成熟期选长势均匀、植株主茎顶叶下完全展开的第4片复叶约20 g，进行膜脂过氧化物丙二醛(MDA)含量的测定，测定方法为硫代巴比妥酸(TBA)法[15]，多次测定求平均值。样品均为鲜重。

1.3.2 植株叶片渗透调节物质测定 取待用样品，采用酸性茚三酮法[16]测定叶片脯氨酸(Pro)含量；采用蒽酮显色法测定可溶性糖(WSC)含量[16]，多次测定求平均值。样品均为鲜重。

1.3.3 植株叶片抗氧化物酶活测定 取待测样品，采用愈创木酚法[15]测定过氧化物酶(POD)活性；参照NBT光化学还原法[17]测定超氧化物歧化酶(SOD)活性；采用紫外吸收法[16]测定过氧化氢酶(CAT)活性，多次测定求平均值。样品均为鲜重。

1.3.4 产量测定 收获时按小区计产，取3 次重复的平均值折算为每公顷产量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016、SPSS 22.0软件进行数据分析和绘图，采用LSD法进行显著性差异检验，显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 覆盖对马铃薯叶片渗透调节及生物膜氧化的影响

2.1.1 覆盖对马铃薯叶片丙二醛(MDA)含量的影响 覆盖对马铃薯植株叶片MDA含量存在显著影响，SM处理降低MDA含量，PM处理提高MDA含量(图2)。与CK相比，2018年SM处理在块茎形成期和块茎膨大期均显著降低MDA含量(P<0.05)，分别降低18.4%和8.4%，PM处理平均显著提高各生育时期MDA含量11.7%。与PM处理相比，除块茎膨大期无显著差异外，其余生育时期SM处理MDA含量平均显著降低23.7%。与CK相比，2019年SM处理在块茎膨大期、成熟期显著降低18.2%和11.3%，PM处理仅在成熟期显著提高11.1%，其余生育时期无显著差异。与PM处理相比，除块茎膨大期无显著差异外，SM处理其余生育时期平均显著降低MDA含量17.3%。与CK相比，2020年SM处理各生育时期平均显著降低MDA含量15.0%，PM处理平均显著提高各生育时期MDA含量20.0%。与PM处理相比，SM处理各生育时期平均显著降低MDA含量29.0%。可见，在马铃薯植株衰老的过程中，PM处理加剧植株叶片细胞膜脂化，不利于植株生长发育，而SM处理有效缓解了干旱胁迫的马铃薯膜脂过氧化，使马铃薯叶片中MDA含量保持较低水平，延缓作物叶片衰老。

注: SM: 秸秆带状覆盖; PM 地膜覆盖; CK: 无覆盖栽培; TI: 块茎形成期; TE: 块茎膨大期; SA: 淀粉积累期; MT: 成熟期; 不同小写字母表示相同生育期内处理间在0.05水平上差异显著，下同。

2.1.2 覆盖对叶片脯氨酸(Pro)含量的影响 覆盖对马铃薯植株叶片Pro含量存在显著影响。马铃薯全生育期内，各处理Pro含量呈倒“V”字形变化趋势(图3)。与CK相比，2018年SM处理在块茎膨大期显著降低Pro含量26.7%(P<0.05)，PM处理在淀粉积累期显著提高Pro含量66.8%，其余生育时期无显著差异。与PM处理相比，SM处理在块茎形成期、淀粉积累期均显著降低Pro含量28.0%和37.0%。与CK相比，2019年SM处理在块茎膨大期显著降低Pro含量36.6%，PM处理除块茎形成期无显著差异外，其余生育时期较CK平均显著提高Pro含量17.0%。与PM处理相比，SM处理在块茎膨大期、淀粉积累期平均显著降低Pro含量30.0%。与CK相比，2020年SM处理在块茎膨大期显著降低Pro含量40.0%，PM处理在淀粉积累期、成熟期平均显著增加Pro含量32.0%。与PM处理相比，SM处理在块茎膨大期、淀粉积累期平均显著降低Pro含量40.0%。可见，从块茎膨大期开始，SM处理下的马铃薯植株在受到干旱胁迫时叶片内Pro含量无大幅度的波动，维持了叶片细胞渗透势的平衡。

图3 2018—2020年不同覆盖对植株叶片Pro含量的影响

2.1.3 覆盖对叶片可溶性糖(WSC)含量的影响 覆盖对马铃薯叶片WSC含量存在显著影响。随着生育进程的推进呈现逐渐增长的趋势，覆盖能显著提高叶片WSC含量(图4)。与CK相比，2018年SM处理在块茎形成期、淀粉积累期和成熟期平均显著提高WSC含量15.1%(P<0.05)，PM处理在块茎膨大期、淀粉积累期和成熟期平均显著提高WSC含量16.4%。与PM处理相比，SM处理仅在块茎形成期显著提高WSC含量19.4%，其余时期无显著差异。与CK相比，2019年SM处理除块茎形成期显著降低WSC含量37.6%外，其余生育时期平均显著提高WSC含量20.3%，PM处理除块茎形成期显著降低WSC含量25.6%外，其余生育时期平均显著提高WSC含量19.6%。与PM处理相比，SM处理在块茎形成期显著降低WSC含量15.6%，成熟期显著提高WSC含量5.3%，其余时期无显著差异。与CK相比，2020年SM处理除块茎形成期外，其余时期平均显著提高WSC含量15.9%，PM处理除块茎形成期外，其余时期平均显著提高WSC含量15.4%。与PM处理相比，SM处理在块茎形成期显著降低WSC含量18.0%，成熟期显著提高5.2%，其余时期无显著差异。可见，覆盖处理与CK相比，可通过增加马铃薯植株叶片内的WSC含量来降低叶片细胞水势，从而提高马铃薯的抗逆性。

图4 2018—2020年不同覆盖对植株叶片WSC含量的影响

2.2 覆盖对叶片抗氧化酶系统的影响

2.2.1 覆盖对叶片过氧化氢酶(CAT)活性的影响 覆盖对马铃薯叶片CAT活性存在显著影响，SM处理提高了马铃薯各生育期植株叶片CAT活性，而PM处理提高了块茎形成期至块茎膨大期叶片CAT活性，降低了淀粉积累期至成熟期叶片CAT活性(图5)。与CK相比，2018年SM处理CAT活性除块茎形成期无显著差异外，其余生育时期平均显著提高CAT活性15.0%(P<0.05)，PM处理在块茎形成期、块茎膨大期均显著提高CAT活性，分别提高9.8 %、28.7%，在淀粉积累期、成熟期显著降低CAT活性，分别降低6.3%、22.2%。与PM处理相比，SM处理在淀粉积累期、成熟期分别显著提高CAT活性17.2%、35.7%，其余时期无显著差异。与CK相比，2019年SM处理各生育时期平均显著提高CAT活性15.7%，PM处理在块茎形成期、块茎膨大期平均显著提高CAT活性20.0%，在淀粉积累期、成熟期平均显著降低CAT活性8.4%。与PM处理相比，SM处理在淀粉积累期、成熟期平均显著提高CAT活性32.4%，其余时期无显著差异。与CK相比，2020年SM处理除块茎膨大期无显著差异外，其余生育时期平均显著提高CAT活性15.6%，PM处理在块茎形成期、块茎膨大期平均显著提高CAT活性20.5%，在淀粉积累期、成熟期平均显著降低CAT活性16.7%。与PM处理相比，SM处理在淀粉积累期、成熟期平均显著提高CAT活性46.1%。可见，SM处理叶片CAT活性在马铃薯全生育期能保持较高水平，能有效延缓马铃薯植株叶片衰老。

图5 2018—2020年不同覆盖对植株叶片CAT活性的影响

2.2.2 覆盖对叶片过氧化物酶(POD)活性的影响 覆盖对马铃薯叶片POD活性存在显著影响。SM处理提高了各生育时期植株叶片POD活性，PM处理降低了马铃薯生育后期的叶片POD活性(图6)。与CK相比，2018年SM处理除块茎膨大期无显著差异外，其余生育时期平均显著提高POD活性27.9%(P<0.05)，PM处理平均显著降低淀粉积累期、成熟期POD活性16.8%，其余生育时期无显著差异。与PM处理相比，SM处理除块茎膨大期无显著差异外，其余生育时期平均显著提高POD 活性25.6%。与CK相比，2019年SM处理除块茎膨大期无显著差异外，其余生育时期平均显著提高POD活性13.9%，PM处理在块茎膨大期显著提高POD活性20.3%，在成熟期显著降低POD活性14.2%，其余生育时期均无显著差异。与PM处理相比，SM处理在淀粉积累期、成熟期平均显著提高POD活性22.7%。与CK相比，2020年SM处理除块茎膨大期无显著差异外，其余生育时期平均显著提高POD活性10.0%，PM处理在淀粉积累期、成熟期平均显著降低POD活性17.3%，其余生育时期无显著差异。与PM处理相比，SM处理除块茎膨大期无显著差异外，其余生育时期平均显著提高POD活性26.0%。可见，SM处理可提高植株叶片POD活性，有利于提高马铃薯植株叶片细胞清除过氧化物的能力。

图6 2018—2020年不同覆盖对植株叶片POD活性的影响

图7 2018—2020年不同覆盖对植株叶片SOD活性的影响

2.3 覆盖对鲜薯产量的影响

覆盖处理较CK均能显著提高马铃薯鲜薯产量(图8)。与CK相比，2018—2020年SM处理均显著增产，分别增产16.0%、11.1%和12.1%；PM处理较CK均显著增产，分别增产34.0%、28.4%和26.2%。与CK相比，SM处理3年内平均显著增产12.9%，PM平均显著增产29.2%。

图8 2018—2020年不同覆盖对马铃薯鲜薯产量的影响

2.4 覆盖下马铃薯抗氧化能力与产量的关联度分析

因覆盖材料的不同，马铃薯植株抗氧化强弱和产量之间的关联度也不同。灰色关联度分析结果表明，SM处理的SOD、CAT、POD活性对产量的影响较大，关联度系数分别为0.5556、0.5433、0.5321，其次为Pro、WSC含量，关联度系数分别为0.4479、0.3775，MDA含量对产量的影响最小(0.3503)，表明SM处理较CK增产的原因是SM处理下马铃薯植株抗氧化能力普遍提高。PM处理仅Pro含量与马铃薯产量高度关联，其余抗氧化指标与产量的关联度较低(0.3499～0.4196)，表明Pro含量的高低对SM处理马铃薯产量高低有决定性作用。CK处理的马铃薯产量主要与SOD、CAT活性高度关联，关联度分别为0.5692、0.5583，与POD活性、Pro含量中度关联，关联度分别为0.4986、0.4463，与MDA、WSC含量低度关联，关联度分别为0.3663、0.3527。综上可见，SM较CK增产的原因是SM处理增强了马铃薯抗氧化能力，延缓了马铃薯衰老进程，有利于块茎生长。

3 讨 论

3.1 覆盖对马铃薯叶片渗透调节及生物膜氧化的影响

丙二醛(MDA)含量可以用来表示植物细胞膜损伤程度[18]，已有研究表明[19]，叶片MDA含量与质膜变化成正比，其含量可以反映出植物遭受逆境伤害的程度。本研究表明，随着马铃薯生育时期的推进，干旱程度加大，进而植株叶片MDA含量明显增加，细胞膜产生不可逆的损伤，这与姜宗庆等[20]研究结果一致，在块茎形成期至成熟期，覆盖处理的MDA含量随着植株生长基本呈现增长趋势，这与梁丽娜等[21]在马铃薯品种‘紫花白’上的研究结果一致。此外，3年SM处理叶片MDA含量分别较CK减少23.7%、12.8%和15.0%，PM处理则分别增加11.7%、12.8%和20.0%，可见，秸秆带状覆盖处理能减轻叶片细胞的膜脂过氧化程度，保持细胞膜的稳定性，有利于提高马铃薯的抗旱性；而地膜覆盖会使细胞膜透性增加，离子外渗，生长后期加速植株衰老。

表1 不同覆盖下马铃薯抗氧化能力与产量的关联度

脯氨酸(Pro)是重要的渗透调节物质，正常生长时植物中的游离Pro微乎其微，当植物受到干旱胁迫时，Pro会大量增加，且耐旱性越强，Pro含量越高[22]。干旱胁迫下，马铃薯叶内通过增加Pro含量的方式调节叶内渗透势以维持水分平衡，从而起到保护作用[23]。贾琼等[24]研究认为在干旱胁迫下，Pro含量积累是马铃薯植株叶内受胁迫伤害的一个讯号，Pro含量更适合作为一个胁迫伤害指标。本研究表明，各处理植株叶片的Pro含量在块茎形成期至块茎膨大期均有不同程度的增加，但在成熟期各处理Pro含量均有所下降，这与龙聪颖等[25]的研究结果相似，PM处理在淀粉积累期Pro含量较CK显著增加最多分别增加了66.8%、40.2%和52.4%，这与此时期地膜提高土壤温度，从而加剧植株体内水分损耗有关。植株为维持较高的渗透势，因此增加了体内Pro含量。

马铃薯植株叶内含有大量可溶性糖(WSC)。干旱胁迫下，马铃薯植株通过增加WSC含量以维持细胞膨压、修复维持体内水分平衡从而抵御干旱[26]，随着干旱胁迫程度增加和时间延长，WSC含量呈上升趋势[27]。本研究表明，各处理的WSC含量均呈递增趋势，且在块茎膨大期后覆盖处理的WSC含量明显高于CK。在成熟期，SM处理的WSC含量高于其他处理，这与SM处理具有良好的蓄水保墒作用，从而增加了土壤水分[13]，为植株体内供应了较多的生长需水有关。因此，SM处理受到的干旱胁迫较弱。可见，在马铃薯成熟后，植株叶片通过提高WSC含量来降低细胞水势，从而适应干旱胁迫。

3.2 覆盖对叶片抗氧化酶系统的影响

抗氧化酶活性高低可以反映植物对外界环境的适应性和自身防衰老的能力[18]，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)均是植物受逆境胁迫时起防御作用的重要保护酶[28]。在干旱胁迫下，马铃薯通过提高植株内SOD活性来加快超氧自由基的分解速度，进而使细胞膜脂化程度降低[29]；抗艳红等[30]研究发现开花期的马铃薯对水分比较敏感，SOD活性的变化幅度最大，随着干旱胁迫时间的延长增幅逐渐减小，这与本试验研究结果一致。本试验研究表明，叶片SOD活性随马铃薯生育期的推进呈下降趋势。覆盖处理SOD活性较CK均增加，最大增幅出现在成熟期(分别为40.8%、35.9%和24.1%)，表明覆盖栽培可以提高马铃薯植株消除自由基的能力，延缓植株衰老。

研究发现，CAT主要清除植株体内的H2O2，它也可与SOD共同作用清除体内超氧自由基，减少H2O2的产生[31]；POD一方面可以作为保护酶清除自由基，而另一方面却能促进活性氧形成，加剧膜脂化程度。本研究发现，各处理间马铃薯植株叶片CAT、POD活性均有显著性差异，且均先增大后减小，这与刘恩良等[32]的研究结果一致。此外，也有研究表明，当CAT和SOD清除超氧化物的能力不均衡时，会导致植株体内H2O2的含量升高[33]，本研究中，在衰老过程中各个酶活下降速度也不均衡，导致体内H2O2含量的增加，这是地膜覆盖植株早衰的原因。由此可见，SM处理在生育后期CAT和POD活性较其PM和CK有所增加，延缓了植株衰老，有利于马铃薯淀粉积累，增加马铃薯的生育周期长度；而PM处理在生育后期对植株叶片内POD和CAT活性呈现抑制效应，植株出现早衰现象。

综上所述，在西北半干旱雨养区，秸秆带状覆盖种植可提高马铃薯叶片中CAT、POD和SOD活性，增加WSC含量，降低MDA、Pro的积累，缓解膜脂过氧化造成的损伤，有效延缓旱地马铃薯早衰，有利于薯块膨大及淀粉积累，明显增加了马铃薯产量。

4 结 论

(1)秸秆带状覆盖(SM)能增强马铃薯叶片抗氧化能力，提高抗氧化酶系统的活性，降低膜质过氧化水平，有效延缓马铃薯早衰。秸秆带状覆盖(SM)处理与CK相比显著降低马铃薯植株MDA、Pro含量，分别降低14.4%、10.0%；显著提高马铃薯植株叶片WSC含量17.1%；显著提高马铃薯植株叶片SOD、POD、CAT活性，分别提高15.4%、22.5%和27.5%。

(2)覆盖处理能够显著提高马铃薯鲜薯产量。与CK相比，秸秆带状覆盖(SM)处理显著提高马铃薯鲜薯产量12.9%。

(3)马铃薯产量与抗氧化酶活性高度关联。秸秆带状覆盖(SM)处理产量与POD、SOD、CAT活性高度关联，关联度系数分别为0.5321、0.5556和0.5433。

综上，秸秆带状覆盖能够延长植株生育期，提高马铃薯的抗旱性，增加马铃薯产量。此外，秸秆带状覆盖种植马铃薯能够有效降低农业污染，符合绿色农业的发展要求，在秸秆资源丰富地区实施具有可行性和应用价值。