廢棄物基質對高溫氣候下‘金絲皇菊’生長的影響

劉向東，尹陳茜，陳雪峰，甘德欣，于曉英*，許 璐*

（1.湖南農業大學園藝學院，湖南長沙 410128；2.湖南省中亞熱帶優質花木繁育與利用工程技術中心，湖南長沙 410128；3.湖南農業大學風景園林與藝術設計學院，湖南長沙 410128）

【研究背景】栽培基質是植物生長的一個重要生態因子，直接影響植物的生長和產量。黃壤土和泥炭土是最常見的兩種基質，泥炭為不可再生資源，黃壤土質地黏重、養分含量較單一且易板結。【前人研究進展】有研究認為添加生物炭和有機肥可提高植物的生長，增強光捕獲能力并促進其光合作用[1-2]。腐熟有機廢棄物作基質能促進植物生長發育，有機廢棄物不但養分含量齊全而且腐殖質含量高，很多學者已開展有機廢棄物作基質對農作物、園藝植物等方面的研究。【研究意義】‘金絲皇菊’（Chrysanthemum morifolium‘Huangju’）花大、色艷，富含黃酮、氨基酸和微量元素，具有較高的觀賞和藥用價值。同時作為茶用菊在湖南等地區廣泛栽培生產，具有極高的經濟價值[3-4]。‘金絲皇菊’最適生長溫度為20～25 ℃，生長期內溫度超過35 ℃植株停止生長進入休眠狀態，超過40 ℃植株易灼傷。我國大部分地區夏季高溫，尤其是湖南地區的中午高溫時段，溫度高達40 ℃，對‘金絲皇菊’生長影響極大。光合作用是植物生長發育的基礎，對高溫脅迫極其敏感。高溫環境下，在植物其他表性癥狀還未出現時光合作用就被部分抑制甚至完全抑制，植物生長速率也隨之下降[5]。植物的光響應曲線能反映自身光合速率隨光照強度變化的特性，植物凈光合速率對光照強度的響應曲線是評價植物光合能力的有力工具[6]。因此，測定植物的光響應曲線對于判定植物的光合能力具有重要意義。葉綠素熒光參數與葉肉細胞光合作用中各種反應過程密切相關，是評估PSII 狀態良好與否的指標[7]。【本研究切入點】目前，關于‘金絲皇菊’的研究在國內外少見，且研究的內容主要是關于‘金絲皇菊’的鹽脅迫和品質評價，近幾年湖南及周邊地區大量涌現‘金絲皇菊’種植基地，‘金絲皇菊’在本地區的高溫越夏問題也亟待解決。【擬解決的關鍵問題】本文以堆腐后的中藥渣與園林廢棄物為自制基質，與黃壤土和泥炭土對比，研究高溫條件下不同栽培基質對‘金絲皇菊’營養生長的影響，通過分析自制基質對‘金絲皇菊’的光合指標和葉綠素熒光的調控作用，探究自制基質能否提高夏季高溫地區的‘金絲皇菊’營養生長積累，從而進一步提高‘金絲皇菊’的產量。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于湖南農業大學觀賞園藝研究所（N28°10'46.99″，E113°04'35.90″），海拔34 m，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，夏季平均氣溫在38 ℃左右，且降水充沛，雨熱同期。

1.2 試驗材料準備

自制有機廢棄物基質包括園林廢棄物基質和中藥渣基質，園林廢棄物為試驗地所在校園香樟（Cin?namomum camphora）、杜仲（Eucommia ulmoides）、垂柳（Salix babylonica）、柿樹（Diospyros kaki）的凋落葉，中藥渣成分包括甘草、黨參、當歸、黃芪、川木通等。將收集的園林廢棄物和中藥渣晾干后用粉碎機粉碎、過篩，然后堆制發酵。將徹底發酵完成后的中藥渣與園林廢棄物耙松備用。選擇兩種常見基質（黃壤土、泥炭土）作為對照組。

以株高12 cm、莖粗0.3 cm、冠幅8 cm、5片葉、生長健壯的‘金絲皇菊’扦插苗為植物材料作盆栽實驗。

1.3 試驗設計

‘金絲皇菊’于5月8日換上統一規格的硬質塑料盆，試驗共4個不同處理（黃壤土、園林廢棄物基質、中藥渣基質、泥炭土），每個處理15盆，每盆1株，采用隨機區組設計。放置在全光照環境下養護，除基質條件不同，其他栽培環境與肥水管理均一致。

盆栽后的第一個月每隔7 d，后3 個月每隔14 d 檢測生長指標。‘金絲皇菊’生長3 個月后，于高溫期檢測其光合指標。

1.4 指標測定

基質容重、總孔隙度、持水能力測定采用郭世榮方法測定；pH 和EC 用水浸，水土比為2.5∶1，分別用PB-10 酸度計和電導率儀測定[8]；基質全氮采用元素分析儀測定（2400II CHNS/O Elemental Analyzer，Per?kin-Elmer，USA）；全鉀采用氫氧化鈉堿-火焰光度法；全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法；有效磷采用氟化銨浸提-鉬銻抗比色法測定，有效鉀采用乙酸銨浸提-原子吸收法測定[9]；堿解氮采用堿解擴散法測定；氨態氮和硝態氮用1 mol/L 的氯化鉀浸提，流動注射分析儀測定（FIAstar 5000 Analyzer，Foss Teca?tor，Denmark）；有機碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；腐殖質、富里酸、胡敏酸采用焦磷酸鈉浸提-重鉻酸鉀氧化法，用產地日本的總有機碳分析儀測定。

光合作用采用LI-6400 光合儀測定，09:00—11:00 選擇晴朗無風少云的天氣，測植株的光合作用。測定時選擇植株生長點下第3 片葉的凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、氣孔導度（stomatal conductance，Gs）、胞間CO2濃度（intercellular CO2concentration，Ci）、蒸騰速率（transpiration rate，Tr）等參數。同時，采用LI-6400 光合儀自動光曲線程序測定‘金絲皇菊’的光合-光響應曲線。設定光合有效輻射梯度（PAR）為：2 000，1 800，1 600，1 400，1 200，1 000，800，600，400，200，150，100，50，20，0 μmol/（m2·s），流速設定為500 μmol/s。根據葉子飄[10]的方法擬合光響應曲線，并計算出最大凈光合速率（maximum net photosynthetic rate，Amax）、光補償點（light compensation point，LCP）、光飽和點（light saturation point，LSP）、暗呼吸速率（dark breathing rate，Rd）和表觀量子效率（apparent quantum ef?ficiency，AQY）；并比較不同基質種植‘金絲皇菊’的光合差異。葉綠素熒光采用FluorPen FP110 手持式葉綠素熒光儀，用葉片夾暗適應30 min 后測定初始熒光（initial fluorescence，Fo）、最大熒光（maxi?mum fluorescence，Fm）、最大光化學效率（maximum photochemical efficiency，Fv/Fm）、熒光瞬變初始斜率（Mo）、PSII 的量子效率（Fv/Fo）；能量分配比率參數：電子傳遞的量子產額（Phi_Eo）、捕獲的激子將電子傳遞至超過QA 的其它電子受體的概率（Psi_o）、用于熱耗散的量子比率（the quantum rate of heat dissipation，Phi_Do）；PSⅡ比活性參數:捕獲用于還原QA 的能量（TRo/RC）、吸收的光能（ABS/RC）、捕獲用于電子傳遞的能量（ETo/RC）、耗散的能量（DIo/RC）；用葉片夾暗適應20 min 后測定非光化學淬滅系數（non-photochemical quenching coefficient，NPQ）和光化學淬滅系數（photochemical quenching coefficient，qP）。

1.5 數據分析

用Excel 2010 整理數據，用Origin Pro2018 作圖，采用SPSS Statistics 17.0 進行方差分析，多重比較采用Duncan法，P＜0.05表示差異顯著，P＜0.01表示差異極顯著。

2 結果與分析

2.1 4種基質的理化性質比較

表1 4種基質的理化性質Tab.1 Physical and chemical properties of the four matrices

表2 4種基質的有效養分含量Tab.2 Available nutrient contents of four substrates

表2表明，中藥渣基質的全氮、全鉀、堿解氮、有機碳、腐殖質、富里酸、胡敏酸含量極顯著高于其他3種基質（P＜0.01）。黃壤土的全磷含量極顯著低于其他基質（P＜0.01）。園林廢棄物基質的速效磷含量最高為72.93 mg/kg，泥炭土的速效鉀含量極顯著高于其他基質（P＜0.01）。園林廢棄物基質的硝態氮和氨態氮含量明顯高于其他3種基質。由理化性質分析結果可知，園林廢棄物和中藥渣基質的養分含量最高，泥炭土次之，黃壤土最低，自制基質的有效養分含量均高于傳統基質。

2.2 不同基質對‘金絲皇菊’營養生長的影響

不同基質對‘金絲皇菊’株高影響的差異顯著（P＜0.05）。5—6 月株高生長快，7—9 月株高生長速度減緩。6月5日開始各個處理的‘金絲皇菊’株高表現出顯著性差異，中藥渣基質對‘金絲皇菊’株高生長有明顯的促進作用，園林廢棄物基質次之。9 月4 日，種植于自制有機廢棄物基質的‘金絲皇菊’株高均明顯高于對照組（圖1）。

6 月26 日前莖粗生長緩慢，6 月26 日后‘金絲皇菊’莖增粗速度快。栽種1 個月，園林廢棄物和中藥渣基質無顯著性差異，但與黃壤土和泥炭土有顯著性差異（P＜0.05）。9 月4 日中藥渣基質栽種的‘金絲皇菊’莖粗最粗為1.38 cm，黃壤土栽種的‘金絲皇菊’莖粗最細為0.82 cm（圖2）。

圖1 基質對高溫環境下‘金絲皇菊’株高的影響Fig.1 Effect of substrate on plant height of H.chrysanthemum under high temperature

圖2 基質對高溫環境下‘金絲皇菊’莖粗的影響Fig.2 Effect of substrate on stem thickness H.chrysanthemum under high temperature

‘金絲皇菊’前期冠幅生長速度相對于后期快，中藥渣和園林廢棄物基質有利于冠幅的生長，泥炭土和黃土較弱。9月4日，中藥渣基質種植‘金絲皇菊’冠幅顯著高于其他基質（圖3）。

‘金絲皇菊’生長前期葉片生長緩慢，后期生長加快。自制有機廢棄物基質種植‘金絲皇菊’的葉片數顯著高于傳統基質（P＜0.05）（圖4）。

圖3 基質對高溫環境下‘金絲皇菊’冠幅的影響Fig.3 Effect of substrate on crown width of H.chrysanthemum under high temperature

圖4 基質對高溫環境下‘金絲皇菊’葉片數的影響Fig.4 Effect of substrate on leaf number of H.chrysanthemum under high temperature

2.3 基質對‘金絲皇菊’光合生理的影響

2.3.1 基質對‘金絲皇菊’光合-光響應曲線的影響不同基質種植下‘金絲皇菊’葉片對光照強度的響應不同，‘金絲皇菊’葉片凈光合速率均隨光照強度增大而增大，達到一定程度后趨于穩定（圖5）。泥炭土和自制有機廢棄物基質栽種的‘金絲皇菊’暗呼吸速率（RD）、光補償點（LCP）低于黃壤土，而最大凈光合速率（Pnmax）、光飽和點（LSP）、表觀量子效率（AQY）高于黃壤土。4 個處理中，中藥渣基質的最大凈光合速率最大，黃壤土最低。黃壤土光飽和點最低為1 748.592 1μmol/（m2·s），園林廢棄物基質光飽和點高（表3）。

2.3.2 基質對‘金絲皇菊’葉片光合特性的影響光合作用是植物生長過程中的重要生理活動，凈光合速率反映了植物光合作用中有機物的積累速度[14]。由表4 可知，Pn、Gs、Ci、Tr、WUE之間呈正比。4 種基質的Pn由大到小依次為中藥渣基質、園林廢棄物基質、泥炭土和黃壤土，說明養分齊全且通透性好的基質能提高植物凈光合速率，養分含量較少的黃壤土對植物的凈光合作用有一定抑制作用。自制有機廢棄物基質能顯著提高‘金絲皇菊’葉片Gs、Ci、Tr和WUE，進而能提高葉片光合作用促進有機物不斷積累。

圖5 ‘金絲皇菊’光合-光響應曲線Fig.5 Net photosynthetic rate-light response curves in leaves of H.chrysanthemum

表3 基質對高溫環境下‘金絲皇菊’葉片光響應曲線特征參數的影響Tab.3 Effects of substrates on the characteristic parameters of light response curves of the H.chrysanthemum leaves under high temperature

2.4 不同基質對‘金絲皇菊’葉片葉綠素熒光的影響

高溫氣候環境下，黃壤土栽種‘金絲皇菊’葉片OJIP 曲線發生變形較于其他基質大（圖6）。黃壤土栽種的‘金絲皇菊’葉片Fm最低，園林廢棄物基質栽種的‘金絲皇菊’葉片的Fm最高。黃壤土和泥炭土Fo顯著高于園林廢棄物和中藥渣基質（圖7）。

對快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的信息進行數學解析，可得多個熒光參數。階熒光相對變量（Vj）各處理之間無顯著性差異。Fv/Fo可反映PSⅡ潛在活性，高溫環境下黃壤土和泥炭土種植的‘金絲皇菊’Fv/Fo值顯著低于園林廢棄物和中藥渣基質。黃壤土基質種植的‘金絲皇菊’Mo顯著高于其他基質（表5）。

表4 基質對高溫環境下‘金絲皇菊’葉片光合特性影響的單因素分析Tab.4 Single factor analysis of the effects of substrates on the photosynthetic characteristics of H.chrysanthemum

由表5可知，高溫環境下，自制有機廢棄物基質栽種的‘金絲皇菊’葉片Fv/Fm和Phi_Eo顯著高于泥炭土和黃壤土，說明高溫環境下泥炭土和黃壤土種植的‘金絲皇菊’電子傳遞受到嚴重抑制，光反應活性顯著下降，同時Phi_Do高。以有活性的反應中心（RC）為基礎，高溫環境下園林廢棄物基質和中藥渣基質顯著低于黃壤土和泥炭土基質種植的‘金絲皇菊’ABS/RC、TRo/RC和DIo/RC的數值，說明中藥渣基質和園林廢棄物基質優化了高溫環境下葉片光能的分配，增強了電子傳遞的能力，從而緩解高溫環境誘導的傷害。園林廢棄物和中藥渣基質栽種的‘金絲皇菊’ETo/RC顯著低于黃壤土和泥炭土基質，說明園林廢棄物和中藥渣基質栽種的‘金絲皇菊’葉片減少用于電子傳遞的能量份額，而增加熱耗散的能量份額以減少高溫引起的傷害。

圖6 基質對高溫環境下‘金絲皇菊’葉片快速葉綠素熒光誘導動力學曲線的影響Fig.6 Effects of substrates on fast chlorophyll fluorescence-induced kinetics curves（OJIP）of H.chrysanthemum leaves under high temperature

圖7 基質對高溫環境下‘金絲皇菊’初始熒光（Fo）和最大熒光（Fm）的影響Fig.7 Effect of substrates on H.chrysanthemum Fo and Fm under high temperature environment

在高溫環境下傳統基質種植的‘金絲皇菊’NPQ 顯著高于自制基質，而qP顯著低于自制基質（圖8），說明髙溫環境下傳統基質種植造成‘金絲皇菊’葉片PSII 不可逆轉的損傷，而自制基質種植的‘金絲皇菊’通過提高葉片電子傳遞活性，緩解高溫環境下多余能量對PSII的抑制，從而提高高溫環境下‘金絲皇菊’葉片的光化學效率。

表5 基質對高溫環境下‘金絲皇菊’比活性和能量分配的影響Tab.5 Effects of substrate on specific activity and energy distribution of H.chrysanthemum

3 結論與討論

3.1 自制栽培基質的氮元素和總腐植酸對‘金絲皇菊’高溫越夏的影響

栽培基質的主要功能是固定植物，供水、供應養分、調節供氧氣，栽培基質的理化性質將直接影響植物生長[15-16]。氮是植物生長和發育需要的大量營養元素之一，是調節陸地生態系統生產量、結構和功能的關鍵因素[17]。前人研究認為氮素能促進植物的生長，促進植物光合作用[18-21]。有機廢棄物基質可增加植物氮質量分數，可有效促進植物對氮元素的吸收[22]。腐植酸不僅能提高基質肥力，提高植物光合速率，還有抗菌和抗病毒作用[23]。李英浩等[24]研究認為在干旱脅迫程度下，噴施腐植酸后，燕麥葉片的Pn提高，增強光合產物積累，延緩植株衰老，抗旱性增強。李茂松等[25]研究表明，富里酸抗蒸騰劑可提高小麥光合速率，減小氣孔開度、降低蒸騰強度，起到促進冬小麥生長和減少水分散失的作用。本試驗的中藥渣基質和園林廢棄物基質富含腐殖質、富里酸、腐植酸且養分齊全，其有機氮源經微生物礦化后以硝態氮、銨態氮、堿解氮等形態被‘金絲皇菊’吸收所利用，促成‘金絲皇菊’的生長發育[26]。所以兩種自制有機廢棄物基質種植的‘金絲皇菊’營養生長佳，且葉片凈光合速率大，說明兩種自制基質對‘金絲皇菊’葉片凈光合速率有促進作用。

圖8 基質對高溫環境下‘金絲皇菊’非光化學淬滅系數和光化學淬滅系數的影響Fig.8 Effect of matrix on H.chrysanthemum NPQ and qP under high temperature

3.2 栽培基質水分對‘金絲皇菊’凈光合速率的影響

基質水分條件是影響植物生長及光合生理的重要因素[27]。水分脅迫引起植物光合作用減弱是導致作物減產的一個關鍵因素[28-29]。由于‘金絲皇菊’忌旱怕澇，受湖南高溫多雨天氣的影響，7月中上旬連綿多雨，7 月底至8 月份高溫干旱，黃壤土持水能力強，透水性差，7 月中上旬盆土積水嚴重，黃壤土質地黏重，8 月份高溫干旱盆土易板結，所以黃壤土種植的‘金絲皇菊’受環境和基質影響Pn隨著Gs的減小而降低。本研究發現，黃壤土和泥炭土種植的‘金絲皇菊’Gs明顯下降，葉片氣孔發生關閉，減少蒸發的同時阻礙了外界CO2進入葉肉細胞，導致植物Pn降低，此時光合作用受限是由氣孔限制引起的，與前人研究一致[30-32]。本研究中，自制有機廢棄物基質理化性質好，顯著提高了‘金絲皇菊’葉片光飽和點，且光補償點低，‘金絲皇菊’葉片進行光合作用的時效延長，有利于葉片對光能的轉化，合成的光合產物增加，促進光合作用的進行。

3.3 高溫環境下‘金絲皇菊’的葉綠素熒光特性

葉綠素熒光可檢測量化光合器官在逆境條件下受到的損害，尤其是PSII 的功能和活性的變化[33]。前人已利用葉綠素熒光技術反應其他植物在干旱、高溫、施肥、鹽脅迫等方面受到的影響[34-36]。本試驗利用快速葉綠素熒光技術來反映高溫環境下基質對‘金絲皇菊’營養生長期光合器官結構和性能的影響。兩種自制基質較對照組基質理化性質佳，通透性好，‘金絲皇菊’的Fm、Fv/Fm、Fv/Fo顯著高于對照組，Fo值顯著低于對照組，因為在高溫環境下，對照組‘金絲皇菊’由于高溫加強葉綠體呼吸，導致部分QA發生還原作用，對照組中的‘金絲皇菊’PSII光反應中心受到傷害。NPQ和qP兩個指標表示植物耗散過量光能的能力，是反映植物光保護能力的重要指標[7]。本研究中兩種自制基質qP值顯著高于對照組，而NPQ值顯著低于對照組。這說明對照組的‘金絲皇菊’通過耗散的形式將過的光能釋放以避免對植物的損害[37]。高溫環境下以黃壤土和泥炭土為基質種植的‘金絲皇菊’的光系統結構和功能受到破壞，一定程度上抑制了營養生長，而自制有機廢棄物基質有保護葉片中光合色素效果，穩定光合反應中心分子結構，并保持電子傳遞鏈暢通，增強電子傳遞效率的能力，有助于促進光化學活性和光合性能的提高以及能量的高效分配，從而緩解高溫脅迫對光合器官結構和功能的傷害，增強‘金絲皇菊’的熱穩定性，能有效促進‘金絲皇菊’的營養生長。

綜上，本研究認為中藥渣基質和園林廢棄物基質可促進‘金絲皇菊’夏季高溫環境營養生長，促進其光合作用的進行，為今后夏季高溫地區生產‘金絲皇菊’提供了參考依據。