硅元素對西瓜生理特征及礦質元素積累的影響

秦偉 劉震 陳昆 韓同進

摘? ? 要：為研究西瓜對硅的生理響應特征，以西瓜品種‘黑將軍為試驗材料，通過營養液沙培的方式，研究5個硅水平（0，0.5，1.2，2.2和4.0 mmol·L-1）對西瓜幼苗葉綠素熒光參數、光合色素及礦質元素吸收特性的影響。結果表明：在0～2.2 mmol·L-1范圍內，硅可以促進西瓜幼苗葉片Fv/Fm、Fv/Fo、φPSⅡ和qP值的增加，而在4.0 mmol·L-1時上述指標降低。隨硅濃度（0～4.0 mmol·L-1）的增加，葉片凈光合速率胞間CO2濃度和氣孔導度表現先升高后降低的變化趨勢，且在2.2 mmol·L-1時值最大，較對照分別提高19.45%，55.29%和29.12%，與對照差異均極顯著（P<0.01），而蒸騰速率表現出與凈光合速率負相關的關系。硅濃度0～0.5 mmol·L-1時，對Mg、Ca元素的吸收有促進作用;硅濃度1.2～4.0 mmol·L-1時，不利于西瓜葉片對Ca、Mg元素的吸收;0.5～4.0 mmol·L-1的硅濃度不利于葉片對Fe、Mn元素的吸收積累。

關鍵詞：硅素;葉綠素熒光;光合能力;元素吸收;西瓜

中圖分類號：S651? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.04.003

Abstract： In order to study the physiological response characteristics of watermelon to silicon， the effects of five silicon levels （0， 0.5， 1.2， 2.2 and 4.0 mmol·L-1） on chlorophyll fluorescence parameters， photosynthetic pigment and mineral element absorption characteristics of watermelon seedlings were studied by means of nutrient solution sand culture. The results showed that in the range of 0～2.2 mmol·L-1， silicon could promote the increase of Fv/Fm， Fv/Fo， φ PSII and qP values in watermelon seedling leaves， but at 4.0 mmol·L-1， the above indexes decreased. With the increase of silicon concentration（0～4.0 mmol·L-1）， the net photosynthetic rate and stomatal conductance of leaves increased first and then decreased， and the highest values were found at 2.2 mmol·L-1， which were 19.45%， 55.29% and 29.12% higher than those of the control， with significant differences between the two groups（P<0.01）， while the transpiration rate showed a negative correlation with the net photosynthetic rate. When silicon concentration was 0～0.5 mmol·L-1， it can promote the absorption of Mg2+ and Ca2+; when silicon concentration was 1.2～4.0 mmol·L-1， it was not conducive to the absorption of Ca2+ and Mg2+; when silicon concentration was 0.5～4.0 mmol·L-1， it was not conducive to the absorption and accumulation of Fe and Mn.

Key words： silicon; chlorophyll fluorescence; photosynthetic capacity; element absorption; watermelon

硅是植物生長的有益礦質元素。眾多研究表明，適量的硅能提高作物的代謝水平[1]，促進作物對氮磷肥的吸收利用，促進植株的生長發育[2]，增加植株干、鮮質量[3]，提高抗氧化系統超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）、過氧化物酶（Peroxidase， POD）、過氧化氫酶（Catalase， CAT）等保護酶活性[4]，有利于作物高產穩產[5]。硅可以使植物莖壁加厚，增強抗倒伏能力，調節氣孔開閉，降低蒸騰，提高水分利用效率和光合性能，調控植株體內大量元素氮磷鉀、中量元素鈣鎂的含量。同時，硅還能提高作物的抗病性和抗蟲性，增強作物抗旱性、耐鹽性[6]、耐高溫性和抗紫外線脅迫能力，減輕重金屬毒害，清除活性氧積累。有關硅在黃瓜[7]、番茄[8]、馬鈴薯[9]、青蒜苗[10]等蔬菜作物形態建成、光合能力、葉綠素熒光特性、保護酶系統及品質等方面的研究[11]，均已有眾多報道，而有關硅素用量對西瓜幼苗葉片生理特性方面的研究報道較少。為此，本文通過沙培試驗，研究硅對西瓜葉綠素熒光參數、光合能力及礦質元素吸收積累規律的影響，以期探明硅在西瓜上的最適用量，為西瓜生產中合理使用硅肥提供科學依據，為研究硅對西瓜的作用機理提供數據支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試西瓜品種為‘黑將軍，由北京中聯韓種子有限公司選育的一代雜交種。該品種植株生長勢較強，第一雌花平均節位8.0節，單瓜重量4.93 kg，果實短橢圓形，果肉紅色，果皮淺墨綠色，皮厚1.0 cm，果皮較硬。

1.2 試驗設計

試驗于2019年3月17日在巴莊西瓜試驗基地智能溫室內進行。試驗共設置5個硅水平，硅濃度分別為0，0.5，1.2，2.2和4.0 mmol·L-1，其中硅濃度為0時用作對照，其他濃度的硅用作處理。每個處理和對照均設置3次重復，每盆作1次重復，共計15盆。

種子出苗后，將長勢一致、2葉1心的西瓜幼苗定植于長寬高分別為60，35和25 cm的塑料盆中，每盆定植6株西瓜幼苗。塑料盆內事先裝滿用清水洗凈、蒸餾水沖洗2～3遍且消過毒的河沙，上覆一層蛭石以減少水分蒸騰。栽植后用Hoagland營養液進行澆灌，每5 d更換1次營養液。培養8 d后排出盆內的營養液，并分別澆灌含九水偏硅酸鈉（Na2SiO3·9H2O）的Hoagland營養液，使營養液中硅濃度分別為0，0.5，1.2，2.2和4.0 mmol·L-1。12 d后，對西瓜幼苗葉片葉綠素熒光參數、光合指標、礦質元素進行測定。

1.3 測定項目及方法

選取植株由上向下數第3片功能葉片，測定葉綠素熒光參數、光合特性及礦質元素。葉綠素熒光參數PSII最大光化學量子產量（Fv/Fm）、PS II的潛在活性（Fv/Fo）、光合作用反應中心II（φPSⅡ）、光化學淬滅（qP）采用美國產LI-6400 XT便攜式光合儀測定，光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導度、蒸騰速率采用CIRAS-2便攜式光合儀測定。于2019年5月7日上午9：00─10：00進行測定，光強1 000～1 100 μmol·m-2·S-1，氣溫23～26 ℃，葉溫25～28 ℃，CO2濃度410 μmol·mol-1，每水平隨即測定3株，作3次重復。Ca、Mg、Fe、Mn含量，通過高氯酸-濃硝酸消煮后，利用火焰原子吸收法進行測定[12]。

1.4 數據分析

采用Microsoft excel 2007進行數據處理，采用SAS軟件進行統計分析，采用Duncan信服極差法對數據進行顯著性差異檢驗。

2 結果與分析

2.1 硅對西瓜幼苗葉片葉綠素熒光特性的影響

由表1可以看出，不同濃度的硅對西瓜幼苗葉片葉綠素熒光特性的影響存在差異。隨著硅濃度（0～4.0 mmol·L-1）的增加，Fv/Fm、Fv/Fo、φPSⅡ和qP均呈現先升高再降低的單峰變化規律，且以2.2 mmol·L-1時值最大，較對照分別提高10.67%，16.58%，10.81%和8.60%，且差異均顯著（P<0.05），這表明在2.2 mmol·L-1的硅濃度處理下西瓜葉片PSⅡ電子傳遞活性最大。硅濃度4.0 mmol·L-1時，Fv/Fm、Fv/Fo、φPSⅡ和qP雖然仍高于對照，但均低于2.2 mmol·L-1時，這說明過高的硅濃度開始對光合反應中心電子傳遞起抑制作用。

2.2 硅對西瓜幼苗葉片光合特性的影響

由圖1可知，西瓜幼苗葉片凈光合速率隨營養液中硅濃度的增加表現出先升高后降低的變化趨勢，在硅濃度2.2 mmol·L-1時值最大，與對照比增加了19.02%，達到了顯著差異水平（P<0.05）;繼續增加硅濃度至4.0 mmol·L-1時，凈光合速率開始下降，但與對照差異不顯著（P>0.05）。胞間CO2濃度和氣孔導度亦隨硅濃度的增加呈現先升高再降低的單峰變化規律。蒸騰速率的變化規律與上述3個指標不同，隨硅濃度的增加表現出下降趨勢，最小值出現在硅濃度4.0 mmol·L-1時，與差異達顯著（P<0.05），表明硅有利于減少西瓜葉片水分散失。

2.3 硅對西瓜葉片Mg、Ca、Fe、Mn元素吸收的影響

由表2可知，不同濃度的硅對西瓜幼苗葉片礦質元素的積累的影響存在差異。在0～0.5 mmol·L-1時，葉片Mg2+、Ca2+含量隨硅濃度的增加而增加，至0.5 mmol·L-1時值最大，這說明在一定硅濃度范圍內，增加硅肥用量有利于西瓜根系對Mg2+、Ca2+的吸收;在1.2 ～4.0 mmol·L-1范圍內，Mg2+、Ca2+含量隨硅濃度的增加呈現降低趨勢，且均低于對照，與對照差異顯著（P<0.05），這表明根系對硅促進Mg2+、Ca2+吸收存在一定的閾值，超過一定閾值反而起抑制作用。在0～4.0 mmol·L-1時，Fe、Mn元素含量變化規律類似，均隨硅濃度的增加而降低。0.5～4.0 mmol·L-1時，各處理Mn含量與對照差異均達到顯著（P<0.05）以上水平，這表明硅濃度高于0.5 mmol·L-1不利于Fe、Mn元素在西瓜葉片中積累。

3 討 論

Fv/Fm代表PSII的原初光能轉換效率，用于表征暗適應下PS II反應中心最大光能轉換效率[13]，Fv/Fo代表PSII的潛在活性。光化學淬滅系數（qP）的大小反映了光系統原初電子受體質體醌 （QA）的還氧狀態，它是由于QA的重新氧化所引起的。qP愈大代表QA重新氧化的量愈大[14]。本試驗結果表明，隨著硅濃度的升高，西瓜幼苗葉片Fv/Fm、Fv/Fo、φPSⅡ和qP均呈現先升高再降低的單峰變化規律，與劉緩等[15]在黃瓜上的研究結論一致。在1.8 mmol·L-1時，Fv/Fm、Fv/Fo、φPSⅡ值最大，說明在該處理下有利于提高西瓜葉片光合電子傳遞速率， PSⅡ反應中心的開放程度和光化學電子傳遞的份額相對較高。西瓜幼苗葉片qP值隨硅濃度（0～2.2 mmol·L-1）的增加而增加，這表明適量的硅可以促進電子從光系統氧化側向光系統自反應中心流動;當硅濃度4.0 mmol·L-1時，qP值下降，這是因為過高的硅濃度對西瓜根系形成一種鹽脅迫環境，使根系細胞遭受損傷，阻礙了根系對礦質元素的吸收，進而影響電子傳遞系統的通道，致使qP值變小。

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