生物刺激剂的叶面施用可缓解油菜（Brassica napus L.）的水分胁迫

《Journal of Agronomy and Crop Science》：Foliar Application of Biostimulants Alleviates Water Stress in Canola (Brassica napus L.)

气候变化加剧极端降水事件，威胁油菜生产。本研究通过三年田间试验，结合土壤水分监测与K-means聚类分析，将水分胁迫环境分为干旱、正常和涝渍三类，并评估ABA、Si、Zn foliar处理对油菜生长及产量的影响。结果表明，ABA在开花期应用可减少干旱和涝渍导致的产量损失11%-15%，Si和Zn在干旱条件下辅助提高产量，但涝渍条件下效果有限。生理机制分析显示，ABA通过调节气孔运动和营养分配有效缓解胁迫，而Si和Zn主要通过增强抗氧化能力发挥作用。建议根据胁迫类型和作物生长阶段选择生物刺激剂，以提升产量稳定性。

　　全球气候变化正在加剧极端降水事件的频率，导致干旱和洪涝现象更为常见，这对农作物生产构成了严重威胁。在这样的背景下，研究如何提高作物对水分胁迫的耐受性显得尤为重要。本研究聚焦于油菜这一对水分变化高度敏感的作物，探讨了植物生长调节剂和微量元素在改善其抗旱和抗涝能力方面的作用，并提出了一种基于植物生理和形态特征的分类方法，以更精准地评估不同水分条件下的作物反应。

### 水分胁迫对作物生产的影响

极端气候条件下的水分胁迫，无论是干旱还是水涝，都会对作物的生长和产量造成显著影响。干旱通常会导致土壤水分不足，从而抑制根系生长和茎秆伸长，降低叶绿素含量，影响光合作用和养分吸收，最终导致干物质积累减少和种子灌浆受限。这些生理过程的中断是作物减产的主要原因。此外，干旱还会引发氧化应激，产生过量的活性氧（ROS），破坏细胞结构并导致代谢酶失活，进一步加剧作物受损。

相比之下，水涝则是由于土壤过湿和根部缺氧所引起的非生物胁迫。在水涝条件下，根系的呼吸作用受到抑制，ATP生成减少，从而影响营养吸收和光合功能，降低作物产量。此外，水涝还会改变植物体内的激素平衡，如乙烯的过度积累，会引发叶片卷曲（epinasty），加速叶片衰老和脱落，进一步影响作物生长和产量。

因此，干旱和水涝都会对作物的生理活动产生干扰，影响其对环境的适应能力。在这样的背景下，如何通过外部干预手段，如植物生长调节剂和微量元素，来缓解水分胁迫对作物的影响，成为农业研究的重要方向。

### 植物生长调节剂与微量元素的应用

植物生长调节剂（PGRs）通过调控植物激素、气孔开闭、根系发育和抗氧化系统，帮助作物增强对非生物胁迫的耐受能力。其中，脱落酸（ABA）在干旱和水涝条件下都表现出显著的积极作用。在干旱条件下，ABA可以促进气孔迅速关闭，减少水分流失，同时促进根系生长，提高作物的水分吸收能力。而在水涝条件下，ABA通过调节根部与地上部之间的信号传递，改善植物的氧化应激反应，提高种子和油菜籽的产量。

此外，某些微量元素如硅（Si）和锌（Zn）也对作物的抗旱能力具有积极作用。Si能够增强细胞壁结构，调节渗透平衡，提高光合效率，从而增强作物在干旱条件下的生存能力。Zn则通过参与酶活性和植物生长调控，改善作物对水分胁迫的响应，提高氮和硫的吸收与积累，从而提升作物产量和品质。

然而，值得注意的是，这些外源性调节剂和营养素的效果与应用时机密切相关。在本研究中，ABA在开花初期的应用效果最为显著，这与油菜在该阶段对水分胁迫的敏感性有关。同时，研究还发现，Si和Zn在不同水分胁迫下的作用存在差异。例如，在干旱条件下，Si和Zn均能提高作物产量和养分积累，但在水涝条件下，它们的效果较为有限。这表明，不同作物和环境条件下的生理反应存在差异，因此，制定针对特定胁迫条件的营养和生长调节策略至关重要。

### 水分胁迫分类方法的建立

为了更准确地评估不同水分条件下作物的响应，本研究采用了一种基于植物生理和形态特征的K-means聚类方法，对三年的田间试验数据进行了分类。该方法通过整合土壤含水量、作物产量反应和植物生理指标，将田间环境分为干旱、正常和水涝三种类型。这种方法相较于传统的基于降雨量或土壤湿度的分类方式更具优势，因为它能够捕捉到植物个体对水分胁迫的细微反应，尤其在水分条件变化较为复杂或短期波动较大的情况下。

例如，在2024年的实验中，虽然灌溉对产量的影响并不显著，但通过植物生理特征的聚类分析，可以更清晰地区分出水涝和正常水分条件下的植物生长状态。这种分类方法不仅有助于理解不同水分条件下作物的生理变化，还为后续的田间管理提供了科学依据。通过将田间环境划分为不同的水分胁迫等级，研究人员可以更精准地评估外源性调节剂和营养素的应用效果，并据此制定更有效的农业策略。

### 应用时机与作物生理机制

研究还发现，不同生长阶段的作物对水分胁迫的反应存在显著差异。在干旱条件下，ABA在开花初期的应用效果最佳，能够显著提高油菜的产量和种子品质。而在水涝条件下，ABA同样表现出改善作物产量的能力，但其作用机制有所不同。例如，ABA在水涝条件下的应用有助于促进花序和种子的形成，提高种子数量和质量，尽管其对整体植株结构的影响较为有限。

此外，研究还指出，微量元素的应用时机和效果也与作物的生长阶段密切相关。在干旱条件下，Si和Zn的应用能够提高氮和硫的吸收和积累，改善作物的生理状态，从而提升产量。然而，在水涝条件下，这些元素的效果则相对减弱，可能与土壤饱和导致其吸收受限有关。这表明，植物生长调节剂和微量元素的作用不仅依赖于其种类，还与应用时间及作物所处的水分胁迫类型密切相关。

### 田间试验设计与实施

为了验证上述假设，本研究在加拿大农业与农业食品部中央实验农场进行了为期三年的田间试验（2022–2024）。试验采用了随机完全区组设计，将灌溉和非灌溉作为主处理，而ABA、Si和Zn则作为副处理。通过在不同生长阶段进行叶面喷施，研究人员能够更全面地评估这些外源性物质在不同水分条件下的作用。

试验过程中，灌溉系统采用滴灌技术，确保水分供应的均匀性和稳定性。同时，叶面喷施使用了定制的CO?驱动背负式喷雾器，确保喷雾覆盖范围和均匀性。喷施操作在晴朗的早晨进行，以提高植物对营养物质的吸收效率。此外，为了监测土壤水分和作物生长情况，研究人员在不同深度（5 cm、15 cm、30 cm等）设置了传感器，并定期采集数据以评估作物的生理和生长状态。

### 作物产量与生理指标的变化

试验结果显示，不同水分条件下的作物产量和生理指标存在显著差异。在干旱条件下，非灌溉处理的油菜产量比灌溉处理低10%–22%，主要由于生理过程的受阻。而ABA、Si和Zn的应用在一定程度上缓解了这些负面影响，提高了作物的产量和品质。其中，ABA在开花初期的应用效果最为显著，能够提高种子、油和蛋白质的产量。Si和Zn的应用虽然在干旱条件下也表现出一定的积极作用，但在水涝条件下效果有限。

此外，研究还发现，ABA在水涝条件下的应用显著提高了种子数量和质量，尽管其对植株结构的影响较为明显。这表明，ABA在改善作物的生殖器官发育方面具有重要作用。而Si和Zn的应用则主要通过改善氮和硫的吸收与分配，提高作物的生理适应能力。

### 对农业实践的启示

本研究的结果对农业实践具有重要的指导意义。首先，基于植物生理和形态特征的水分胁迫分类方法为田间管理提供了科学依据，使研究人员能够更精准地评估作物在不同水分条件下的反应，并据此制定更有效的水分管理策略。其次，ABA在开花初期的应用被证明是提高油菜产量和品质的关键手段，特别是在干旱和水涝交替出现的不稳定气候条件下。

此外，研究还强调了不同生长阶段作物对水分胁迫的敏感性差异。这提示农业生产者应根据作物的生长周期和水分状况，合理安排外源性调节剂和营养素的应用时间，以最大程度地发挥其作用。例如，在干旱条件下，选择开花初期进行ABA喷施，可以在不影响植株结构的前提下，有效提高产量和种子品质。而在水涝条件下，虽然ABA仍能发挥积极作用，但其效果可能不如干旱条件下显著。

### 未来研究方向

尽管本研究取得了一定成果，但仍有一些问题需要进一步探讨。首先，目前的研究主要集中在单一油菜品种上，未来需要扩展到不同品种、作物种类和土壤类型的比较，以评估这些外源性物质在更广泛条件下的适用性。其次，气候变化导致的水分条件变化日益复杂，因此，将天气预报与作物生长模型相结合，可能有助于更精准地预测和干预水分胁迫。

此外，研究还指出，作物对水分胁迫的反应受到多种因素的影响，包括土壤类型、降雨模式和作物品种等。因此，未来的研究应进一步探索这些因素如何相互作用，从而为农业实践提供更全面的指导。同时，结合转录组学和代谢组学分析，有助于揭示植物对水分胁迫的分子机制，为优化生物刺激剂的使用提供理论支持。

综上所述，本研究通过长期的田间试验和生理特征分类，揭示了水分胁迫对作物产量和生理过程的影响，并评估了植物生长调节剂和微量元素在缓解这些影响方面的潜力。这些发现不仅为农业实践提供了科学依据，也为未来的作物育种和管理策略提供了新的思路。