苜蓿-禾草混播方式对播种当年牧草抗氧化特性的影响

时间：2024-08-31

杨志超，张永亮，石立媛，潘东

(内蒙古民族大学农学院，内蒙古饲用作物工程技术研究中心，内蒙古通辽 028042)

利用苜蓿(Medicagosativa)与多年生禾本科牧草混播建立高产人工草地，是发展草牧业的重要途径之一。苜蓿与禾本科牧草混播不仅可以提高牧草产量和条件[1-4]，还能改善土壤质量[5-7]。虽然豆禾混播草地表现出许多优越性，但因在混播中豆科与禾本科牧草之间存在着养分、水分、光照和空间等竞争因素[8]，如果混播组分竞争力不同，结果将出现一方逐渐消退，另一方逐渐占据优势的现象[9-10]。在国内对混播草地豆科与禾本科牧草种间竞争机理进行了较多研究，但主要集中在种间竞争效果[8-9,11-13]和混播牧草光合生理特性[14-16]等方面，有关混播牧草种间竞争胁迫下的抗逆性研究鲜见报道。在田间试验条件下，通过测定苜蓿与禾草混播后叶片超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性以及脯氨酸(Pro)和丙二醛(MDA)含量等指标来分析不同混播方式下紫花苜蓿与无芒雀麦(Bromusinermis)、垂穗披碱草(Elymusnutans)、虉草(Phalarisarundinacea)和猫尾草(Phleumpratense)的抗氧化特性，为科尔沁沙地苜蓿与禾草混播草地建植提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于西辽河平原内蒙古民族大学农牧业科技示范园区。试验地区为典型的温带大陆性季风气候，年平均气温6.4℃，极端最低温-30.9℃，≥10℃积温3 184℃，无霜期150 d，年均降水量399.1 mm，生长季(4～9月)降水量占全年的89%。土壤为风沙土，土壤有机质含量4.86 g/kg，速效钾94.65 mg/kg，速效磷10.46 mg/kg，碱解氮11.15 mg/kg，pH为8.2。具有喷灌条件，干旱时灌水，各处理每次灌水时间相等。

1.2 试验设计

试验设混播禾草种类(A因素)和混播比例(B因素)两个因素。混播禾草种类有紫花苜蓿-无芒雀麦、紫花苜蓿-垂穗披碱草、紫花苜蓿-通草1号虉草(P.arundinaceacv.Tongcao No.1)和紫花苜蓿-猫尾草等4种，分别用A1、A2、A3、A4表示；混播比例为1∶1(B1)、2∶2(B2)、1∶2(B3)和2∶1(B4)4个处理，以单播苜蓿和单播禾草为对照。苜蓿单播量15 kg/hm2，无芒雀麦和垂穗披碱草单播量30 kg/hm2，虉草单播量15 kg/hm2。混播组分中苜蓿播种量分别占单播量的50%(B1)、50%(B2)、33%(B3)和67%(B4)；禾草播种量分别占单播量的50%(B1)、50%(B2)、67%(B3)和33%(B4)。采用随机区组设计，小区面积5 m×4 m，行距30 cm，每小区12行，3次重复。

1.3 测定项目与方法

播种当年于8月3日在苜蓿盛花期进行第1次刈割，留茬5 cm。9月10日对再生草分种取样，选取顶部往下数第3～4片无损坏叶片10 g，在液氮中迅速冷冻，带回实验室后，存放冰柜中保存备用。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光还原法测定，过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定，脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮法测定[17]。

1.4 数据处理

采用Excel 2007进行数据处理和绘图，用DPS 17.10进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 混播禾草种类对混播植物抗氧化系统的影响

2.1.1 混播禾草种类对混播植物SOD活性的影响不同禾草叶片SOD活性差异明显。虉草(A3)叶中SOD含量最高，分别比无芒雀麦(A1)和披碱草(A2)高29.94%和20.69%(P<0.01)，其次是猫尾草(A4)，分别比无芒雀麦(A1)和披碱草(A2)高出21.83%和13.16%(P<0.01)；A3和A4以及A2和A1处理禾草SOD活性差异不显著(P>0.05)。A4和A3处理苜蓿SOD活性分别比A2处理高12.37%和13.68%(P<0.05)，其余处理间苜蓿SOD活性没有显著差异(表1，2)。

2.1.2 混播禾草种类对混播植物POD活性的影响 A2处理禾草POD活性最高，其次是A3处理。其中，A2处理禾草POD活性分别比A1，A3和A4处理高250.04%，20.22%和350.42%倍，差异均达极显著水平(P<0.01)；A3处理禾草POD活性分别比A1和A4处理高191.18%和274.68%(P<0.01)。A1和A4处理之间差异不显著(表1)。A1处理下苜蓿POD活性比A4处理高19.47%(P<0.01)；A3处理POD活性比A4处理高16.40%(P<0.05)；其余处理之间无显著差异。

2.1.3 混播禾草种类对混播植物MDA含量的影响 A3、A4处理禾草MDA含量极显著(P<0.01)低于A1和A2处理，其中,A3处理低50.35%和51.53%，A4处理低67.29%和68.06%；A4处理禾草MDA含量又极显著低于A3处理(P<0.01)；A2和A1处理之间没有显著性差异。不同禾草种类处理对苜蓿叶片中MDA含量没有显著影响(表1，2)。

表1 混播禾草种类处理下禾草叶片的抗氧化特性Table 1 The effects of mixed sowing grass species on the antioxidant properties of grasses

注：同列不同大写字母表示不同混播组合产量差异极显著(P<0.01),同列不同小写字母表示不同混播组合产量差异显著(P<0.05),下同

表2 混播禾草种类处理下苜蓿叶片的抗氧化特性Table 2 The effects of mixed sowing grass species on the antioxidantproperties of alfalfa

2.1.4 混播禾草种类对混播植物Pro含量的影响 A3处理禾草Pro含量最高，分别比A1，A2和A4处理高79.59%，28.78%和95.56%，差异均达极显著水平(P<0.01)，其中A2处理禾草Pro含量比A1和A4处理高39.46%和51.85%(P<0.01)；A1和A4处理禾草Pro含量没有显著差异(表1)。苜蓿与不同禾草混播后，A1处理苜蓿叶中Pro含量最高，分别比A2，A3和A4处理高17.76%，8.16%和24.89%，与A4处理差异极显著(P<0.01)，与A2处理差异显著(P<0.05)，A1和A3处理之间差异不显著，A2，A3和A4处理之间差异不显著(表2)。

2.2 混播比例对混播植物抗氧化系统的影响

2.2.1 混播比例对混播植物SOD活性的影响 B4处理禾草SOD活性最低，比B1，B2和B3处理低11.81%、11.38%(P<0.05)和8.62%(P>0.05)，其他各处理之间无显著差异。单播苜蓿SOD活性最低，其次是B4处理，单播苜蓿分别比B1，B2和B3处理苜蓿SOD活性低20.91%，22.80%和21.58%，差异均达极显著水平(P<0.01)；B4处理分别比B1，B2和B3处理低13.32%、15.38%和14.05%(P<0.05)，其余处理间苜蓿SOD活性差异不显著(表3，4)。

2.2.2 混播比例对混播植物POD活性的影响 B1和B2处理禾草POD活性极显著(P<0.01)高于B3和B4

处理，显著(P<0.05)高于单播处理。B1与B2处理以及B3与B4处理之间禾草POD活性没有显著差异(表3)。B4处理禾草POD活性分别比B1、B2和B3处理低31.79%，30.58%和3.35%(P>0.01)。B1处理苜蓿POD活性最高，分别比B2，B3、B4和单播苜蓿处理高19.18%、21.45%、35.39%和31.79%，差异极显著(P<0.01)。B4处理禾草POD活性分别比B1，B2和B3处理低26.14%，11.98%和10.30%(P>0.05)，其余混播比例下苜蓿POD活性均无显著差异(表4)。

2.2.3 混播比例对混播植物MDA含量的影响单播禾草MDA含量最高，分别比B1、B2、B3和B4处理高27.86%、44.35%、66.40%和46.42%，与B3处理差异极显著(P<0.01)，与其他处理差异显著(P<0.05)。B2处理禾草MDA含量比B3处理高30.14%(P<0.05)，其余处理间差异不显著(表3)。除B1处理苜蓿MDA含量显著(P<0.05)高于B3和B4处理外，其余处理苜蓿MDA含量均无显著差异(表4)。

2.2.4 混播比例对混播植物Pro含量的影响不同混播比例对禾草Pro含量均无显著影响(表3)，而对苜蓿Pro含量有明显影响(表4)。B1处理Pro含量最高，比B2，B3和B4处理高24.48%，27.41%和49.50%，差异极显著(P<0.01)；单播苜蓿苜蓿Pro含量分别比B3和B4处理高17.77%(P<0.05)和38.19%(P<0.01)，B2处理Pro含量比B4处理高20.10%(P<0.05)，其余处理间苜蓿Pro含量无显著差异(P>0.05)。

表3 混播比例处理下禾草叶片的抗氧化特性Table 3 The effects of mixed sowing ratios on the antioxidant properties of grass

表4 混播比例处理下苜蓿叶片的抗氧化特性Table 4 The effects of mixed sowing ratios on the antioxidant properties of alfalfa

苜蓿与禾草2∶1混播禾草的抗氧化酶(SOD、POD)活性最低。单播苜蓿和2∶1混播苜蓿具有较低的抗氧化酶活性。

2.3 混播组合对混播植物抗氧化系统的影响

2.3.1 混播组合对混播植物SOD活性的影响混播组合对禾草SOD活性影响明显(表5)。20个不同混播组合，A3B1组合禾草SOD活性最高，达到304.21 U/g，显著高于A1B0、A1B4、A2B1、A2B2、A2B3、A2B4组合(P<0.05)。不同混播比例下虉草的SOD活性明显高于披碱草。混播组合对苜蓿SOD活性的影响没有禾草明显(表6)。除A4B1组合苜蓿SOD活性显著高于A2B4组合和单播苜蓿外，其余组合苜蓿SOD活性没有显著差异(表5)。

表5 混播组合处理下禾草叶片的抗氧化特性Table 5 The effects of mixed sowing combinations on the antioxidant properties of grass

注：B0表示苜蓿播种量为零，是单播禾草

2.3.2 混播组合对混播植物POD活性的影响在不同混播组合条件下，A2B1组合禾草体内POD活性最高(表5)，达到276.07 U/(g·min)，显著高于A2B2组合之外的其他混播组合(P<0.05)。猫尾草不同混播比例组合POD活性普遍比较低，在29.13～74.54 U/(g·min)，而披碱草不同混播比例组合POD活性普遍较高，为156.21～276.07 U/(g·min)，显著高于猫尾草组合(P<0.05)。苜蓿POD活性以A3B1组合最高(表6)，达到383.09 U/(g·min)，与其他处理组合(A1B1除外)间差异均达显著水平(P<0.05)。A2B4组合苜蓿POD活性最低，仅为 187.24 U/(g·min)，显著低于A1B1、A1B2、A1B3、A1B4、A2B1、A2B2、A2B3和A3B1组合(P<0.05)。

2.3.3 混播组合对混播植物MDA含量的影响 A2B0和A1B0组合禾草MDA含量显著高于其他组合(P<0.05)。猫尾草不同混播比例组合MDA含量普遍较低，为1.77～4.36 μmol/g(表5)，而披碱草为5.65～12.84 μmol/g，无芒雀麦为6.69～12.83 μmol/g，除A2B3外，其余组合均显著高于猫尾草组合(P<0.05)。在不同混播组合条件下，苜蓿MDA含量最高的组合是A2B1,显著高于A3B2，A3B3和A1B4组合(P<0.05)，其余混播组合间苜蓿MDA含量差异不显著(表6)。

2.3.4 混播组合对混播植物Pro含量的影响不同混播组合处理下，禾草Pro含量以A3B3组合最高，其次是A3B0，A1B3组合Pro含量最低，其中A3B3组合与其他组合(A3B0，A2B1和A3B4除外)间差异均达显著水平(P<0.05)，A3B0，A2B1和A3B4组合显著高于A1B1，A1B3和A2B4以及猫尾草的不同混播比例组合(P<0.05)。苜蓿Pro含量最高的混播组合为A1B1组合，其次是A1B2组合，与其他组合(A3B1除外)间差异均达显著水平(P<0.05)。

表6 混播组合处理下苜蓿的抗氧化特性Table 6 The effects of mixed sowing combinations on the antioxidant properties of alfalfa

3 讨论

在苜蓿与禾草混播组合中既存在种间对养分、水分及空间资源的竞争，也存在光资源竞争。在二茬草生长时期，苜蓿再生速度明显强于禾草，同时期苜蓿株高也明显高于禾草，因此，苜蓿会对禾草产生遮荫胁迫。在不同混播禾草种类和混播比例下，混播草地植物所受到的逆境胁迫程度也不尽相同。而在逆境胁迫下，植物体内的活性氧数量剧增，作为应激反应，抗氧化酶活性和抗氧化剂含量会迅速升高，以清除氧自由基，维持细胞内氧自由基的平衡[17]。SOD和POD是清除超氧自由基和过氧化氢，阻止或是减轻羟基自由基对植株生物膜破坏的主要酶，MDA是膜脂过氧化的产物，其含量可以反映膜脂过氧化程度和植物对逆境抗性的强弱[18]，当细胞遭受逆境胁迫时，细胞膜发生氧化分解，MDA大量积累，其含量越高表明植物抗逆境能力越差[19]。

有研究表明，在遮荫胁迫下高羊茅抗氧化酶活性会呈现先增加后降低的趋势[20]，随遮荫度增加，金莲花SOD 活性持续下降[21]。也有学者认为，不同生育期遮荫对植物叶片SOD、POD活性和MDA含量影响程度不同，抽穗期遮荫过程中，谷子植株表现出一定的自我调节能力，低遮荫密度条件下，SOD、POD活性升高，MDA含量降低[22]。试验中混播条件下虉草具有较高的SOD、POD活性和Pro含量，而MDA含量较低，表明其抗逆性或受种间竞争胁迫影响小于其余3种禾草。在苜蓿-虉草混播草地苜蓿也具有较高的SOD、POD活性和Pro含量，而MDA含量较低，表明苜蓿-虉草混播草地在播种当年种间干扰相对较小，受竞争胁迫影响不明显。豆禾混播比例显著影响禾草SOD、POD活性。豆禾2∶1混播显著降低了禾草的SOD、POD活性，这是因为豆禾2∶1混播草地苜蓿对禾草的竞争胁迫程度明显大于其他混播比例，尤其是对禾草的遮荫胁迫程度大于其余混播草地。在豆禾2∶1混播草地混播苜蓿的SOD、POD活性和MDA含量、Pro含量均最低，这可能是苜蓿种内竞争胁迫所致，因为豆禾2∶1混播草地混播苜蓿的种群密度明显大于豆禾1∶1、2∶2和1∶2混播。苜蓿-禾草2∶2混播时，禾草和苜蓿具有较高的SOD和POD活性及较低的MDA含量。这是因为植物SOD和POD 活性的变化顺序和增长幅度受植物抗性、植物种类、胁迫强度等诸多因素的影响[23]。在苜蓿-禾草混播群落，禾草会受到苜蓿遮荫胁迫。遮荫可诱导植物SOD、POD活性下降，膜脂过氧化程度加剧，MDA含量升高。

在混播群落中，除存在遮荫胁迫外，还存在种间资源竞争胁迫，而不同植物种类对种间竞争胁迫的响应不同。马娇等[25]研究发现，高羊茅、草地早熟禾和多年生黑麦草混播草坪草对丝茅入侵的生理响应存在显著的种间差异，丝茅密度越大对草坪草伤害越大，本试验与马娇等[25]、吕晋慧等[23]报道结论相似。苜蓿-无芒雀麦、苜蓿-虉草2∶2混播，禾草与苜蓿均具有较高的SOD、POD活性和较低的MDA含量，表明这两种混播草地禾草与苜蓿受种间竞争胁迫伤害相对较小。