大量元素的缺乏對藍莓營養生長和氣體交換參數的影響

魏炳康, 婁 鑫, 王賀新, 李根柱*

(1.大連大學生命科學與技術學院, 大連 116622； 2.大連大學現代農業研究院, 大連 116622)

藍莓(Blueberry)是杜鵑花科( Ericaceae)越橘屬(Vaccinium)植物,其果實為藍色小漿果,是一種極具營養價值的水果,含有豐富的維生素C、維生素E、維生素A、過氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、花青素、食用纖維等營養成分以及豐富的鉀、鐵、鋅、錳等微量元素,被聯合國糧農組織列為五大健康食品之一[1]。

氮(N)、磷(P)、鉀(K)是植物生長發育所必需的三種大量元素,它們在很大程度上決定了植物的光合能力。合理施用氮、磷、鉀可以有效提高植物的光合能力[2],促進植物的生長。氮元素作為植物正常生長所必需礦質元素之一,能提高葉綠素含量,影響與光合作用直接有關的光合酶的數量,從而影響光合能力[3-4]。缺施氮肥時,植物生長緩慢,植株矮小,葉色淡黃[3]。磷元素是植物正常生長的必需礦質元素之一,是電子傳遞、光合磷酸化、CO2固定、卡爾文循環、同化物運輸和淀粉合成中的結構組分, 對光合作用有重要調節作用[5]。缺磷嚴重影響植物的生長發育,物質運輸與能量代謝,導致植株生長緩慢、分枝少、植株矮化、莖葉生長緩慢、根系生長不良、生育幾乎處于停滯狀態等[6-8]。鉀元素是植物生長發育必需的營養元素之一,參與植物體內一系列生理生化過程,影響作物水分、光合作用、植物抗性、同化產物運輸和酶活性,同時也在作物產量及品質等方面發揮著重要的作用[9-11]。缺鉀影響葉綠素含量和葉綠體的結構穩定,降低酶活性,限制光合產物的轉運使其在葉片中積累[12-14]。有關植物缺素的研究已有大量報道,諸如對小麥、大豆、水稻和山核桃等,但是針對藍莓在這方面的研究卻鮮有報道。

近年來,中外學者已經對藍莓缺素展開了相關研究,主要集中在合理施肥提高藍莓的生長發育和果實產量與品質方面[15-16]。李雙雙[17]研究表明,合理的施肥能有效提高藍莓的光合速率,顯著增強了藍莓的抗性,并使得藍莓的新梢數,花芽數得到了明顯的提高。葛敏凱[18]和龐薇[19]研究表明,合理施肥能顯著提高藍莓的產量和品質,提高葉片中的元素含量、葉綠素含量和凈光合速率。但也有研究表明,過量施肥會降低果實品質,且抑制花芽分化。基于此，以三種不同品種藍莓[藍豐(Bluecrop)、公爵(Duke)、綠寶石(Emerald)]為試驗材料,通過水培人工控制營養元素,研究缺素對三種藍莓的生長量及氣體交換參數的影響。旨在探明藍莓對缺素的響應與適應性特征,為藍莓的缺素診斷和優質栽培提供理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取北高叢藍莓藍豐、公爵及南高叢藍莓綠寶石為試驗材料,每個品種隨機挑選大小一致,剛越冬待萌發的2年生幼苗30株,用清水洗凈根部,用定植棉固定到水培容器中,用改良Hoagland營養液進行20 d的適應性預培養。待其長出新葉后選取株高10 cm左右、生長基本一致、無病蟲害和機械損傷、根系健壯整齊的20株幼苗為材料進行對照試驗。以上苗木來源于大連森茂現代農業有限公司,苗木培養在大連大學校內大棚溫室進行。

1.2 試驗設計

將經過預培養的幼苗分為4組,分別為對照組(CK)、缺氮組(-N)、缺磷組(-P)和缺鉀組(-K),每組5株幼苗,視為5個重復。其中對照組一直用改良Hoagland營養液培養,缺氮組用缺氮營養液培養,缺磷組用缺磷營養液培養,缺鉀組用缺鉀營養液培養。改良Hoagland營養液含616.18 mg/L MgSO4·7H2O、272.18 mg/L KH2PO4、1.14 mg/L MnSO4·H2O、0.08 mg/L CuSO4·5H2O、0.22 mg/L ZnSO4·7H2O、2.86 mg/L H3BO3、0.09 mg/L H2MoO48.42 mg/L EDTA·FeNa、500 mg/L CaSO4·4H2O、125.55 mg/L KNO3和502.8 mg/L (NH4)2SO4；缺氮營養液中用K2SO4代替KNO3補足鉀元素,缺磷營養液中用K2SO4代替KH2PO4補足鉀元素,缺鉀營養液中用NH4H2PO4代替KH2PO4補足磷元素,NH4NO3代替KNO3補足氮元素。處理開始后,保持全天通氣,每隔2～3 d補一次水,每一周換一次營養液,用稀硫酸調整pH,維持pH為4.5～5.5,共培養56 d。

1.3 測定方法

1.3.1 生長量測量

在缺素處理之前與缺素處理停止時測量幼苗的株高,基徑和根體積,兩次測量之差為植株生長量。

1.3.2 氣體交換參數測定

缺素處理開始后,每株選頂端第3片完全展開的成熟葉為測試對象并掛牌標記,在北京時間9:00—10:00和晚上19:00—21:00,用美國產LI-6400型便攜式光合作用測定儀測定葉片的氣體交換參數。測定時的光照強度為1 100 μmol/(m2·s)；葉溫為(25±1) ℃,周圍大氣壓為(1.01±0.1) kPa,測定暗呼吸速率時葉片遮光暗適應30 min。每2周測定一次直至缺素處理停止。

1.4 數據統計

采用單因素方差分析和Duncan多重比較法比較處理間的顯著性差異(P<0.05),利用 SPSS 22.0 統計分析和用SigmaPlot 14.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 -N、-P、-K對三種藍莓營養生長的影響

由表1、表2可知,缺素處理對三種藍莓幼苗的生長均有顯著影響。缺氮組三種藍莓的生長均受到明顯抑制,公爵的株高和根體積的生長量最小分別為CK的23.35%和24.07%；其次是綠寶石，分別為CK的39.48%和26.82%；最后是藍豐，分別為CK的50.48%和57.87%。公爵的基徑生長量最小，為CK的48.01%；其次是藍豐，為CK的56.37%；最后是綠寶石，為CK的87.33%。缺磷組中,綠寶石株高和根體積的生長量最小，為CK的60.52%和73.18%；其次是公爵，為CK的63.55%和77.78%；最后是藍豐，為CK的66.34%和90.01%，公爵的基徑生長量最小，為CK的46.37%；其次是藍豐，為CK的72.76%；最后是綠寶石,與CK無顯著差異。缺鉀組中,藍豐的株高生長量最小，為CK的38.94%；其次是綠寶石，為CK的46.07%；最后是公爵，為CK的79.42%；藍豐的基徑生長量最小，為CK的65.67%；其次是公爵，為CK的88.29%；最后是綠寶石，為CK的95.2%；綠寶石的根體積生長量最小，為CK的61%；其次是藍豐，為CK的79.3%；最后是公爵，為CK的92.6%(表1)。

表1 -N、-P、-K對三種藍莓株高、基徑和根體積的顯著性比較Table 1 Significant comparison of -N, -P, -K on height, base diameter and root volume of three blueberries

表2 -N、-P、-K對三種藍莓株高、基徑和根體積的影響Table 2 Effects of -N, -P and -K on height, basal diameter and root volume of three blueberries

2.2 -N、-P、-K對三種藍莓凈光合速率的影響

在-N條件下,綠寶石和公爵的凈光合速率(photosynthetic rate,Pn)在0～14 d時就出現顯著下降并在14～56 d時保持平穩,而藍豐在0～42 d時一直顯著下降之后保持平穩,藍豐在-N時表現出較高的耐受性。而在-P和-K處理時,三種藍莓的Pn在0～14 d時仍能保持較高的狀態,表明藍莓的Pn對-N反應更迅速和敏感(圖1)。

圖1 -N、-P、-K對藍豐、綠寶石、公爵葉片Pn的影響Fig.1 Effects of -N, -P, and -K on the Pn of Bluecrop, Emerald, and Duke

2.3 -N、-P、-K對三種藍莓暗呼吸速率的影響

圖2 -N、-P、-K對藍豐、綠寶石、公爵葉片Rd的影響Fig.2 Effects of -N, -P, and -Kon the Rd of Bluecrop, Emerald, and Duke

由圖2可知，在-N處理0～14 d時,藍豐和公爵的暗呼吸速率(dark respiration rate,Rd)都保持著穩定,而綠寶石的Rd卻顯著升高(升高86.24%)；在-N處理14～56 d時,藍豐和公爵的Rd保持著平穩下降的趨勢(藍豐的Rd下降39.57%、公爵的Rd下降74.58%),而綠寶石的Rd先大幅度降低后保持平穩(降低29.12%)。

在-P處理0～28 d時,藍豐仍能保持較高的Rd,公爵的Rd顯著升高(約40.95%),在28～56 d時,藍豐和公爵的Rd都顯著下降,分別為66.51%和39.54%；而綠寶石的Rd在0～14 d 就顯著提高(提高60.42%),然后隨處理時間的延長,持續降低(降低22.12%)。

在-K處理0～14 d時,藍豐的Rd顯著降低(約15.46%),在14～28 d時因鉀元素的轉移而略有升高(升高10.77%),而后隨著缺素時間延長,Rd持續下降(降低54.11%)；而綠寶石和公爵的Rd在0～14 d時顯著升高，分別升高38.07%和61.92%,在14～28 d時段內,綠寶石和公爵顯著降低，分別降低9.31%和57.21%,在28～42 d時,由于鉀元素的轉移再分配利用，綠寶石的Rd下降趨勢減緩,而公爵的Rd有明顯的升高，升高為24.27%,在42～56 d時,缺素程度超出植株調節閾值,綠寶石和公爵的Rd都恢復下降趨勢，分別下降37.91%和28.28%。

在缺素處理時,綠寶石的Rd相較于藍豐和公爵變化顯著,表明綠寶石的Rd對缺素更敏感,而藍豐的Rd相較于綠寶石和公爵在0～14 d時變化較小,表明藍豐的Rd對缺素脅迫具有較高的抗性。

2.4 -N、-P、-K對三種藍莓氣孔導度的影響

由圖3可知，缺氮時,藍豐和公爵的氣孔導度(stomatal conductance,Gs)一直保持著下降趨勢,綠寶石的Gs在14～28 d顯著提高,之后顯著下降并保持平穩(下降47.17%)；缺磷時,藍豐的Gs一直保持著下降趨勢,而綠寶石和公爵的Gs在0～14 d顯著提高,14～56 d顯著下降并保持平穩，藍豐、綠寶石和公爵的Gs分別下降42.88%和71.47%11.95%。缺鉀時,藍豐的Gs一直保持著下降趨勢,而綠寶石的Gs 在0～14 d顯著提高,14～56 d顯著下降,而公爵的Gs在0～14 d顯著下降,14～28 d顯著提升,隨著缺素時間的延長,28～56 d時又顯著下降(圖3)。

圖3 -N、-P、-K對藍豐、綠寶石、公爵葉片Gs的影響Fig.3 Effects of -N, -P, and -K on Gs of Bluecrop, Emerald, and Duke

2.5 -N、-P、-K對三種藍莓胞間二氧化碳濃度的影響

-N、-P、-K都可使三種藍莓的Ci都表現出顯著升高(P<0.05),并且隨著缺素時間的延長Ci持續升高(圖4)。

圖4 -N、-P、-K對藍豐、綠寶石、公爵葉片Ci的影響Fig.4 Effects of -N, -P, and -K on the Ci of Bluecrop, Emerald, and Duke

2.6 -N、-P、-K對三種藍莓蒸騰速率的影響

由圖5可知，缺氮時,藍豐的Tr一直保持著下降趨勢,公爵的蒸騰速率(transpiration rate,Tr)在0～14 d顯著提升,綠寶石的Tr在0～28 d顯著提高,之后都顯著下降；-P時,藍豐的Tr一直保持著下降趨勢,而綠寶石和公爵的Tr 在0～14 d顯著提高,14～56 d顯著下降。～K時,藍豐的Tr一直保持著下降趨勢,綠寶石的Tr 在0～14 d顯著提高,14～56 d顯著下降,而公爵的Gs在0～28 d顯著提升,隨著缺素時間的延長,28～56 d時又顯著下降(圖5)。

圖5 -N、-P、-K對藍豐、綠寶石、公爵葉片Tr的影響Fig.5 Effects of -N, -P, and -K on the Tr of Bluecrop, Emerald, and Duke

3 討論

研究結果表明,氮磷鉀缺乏均顯著影響藍莓生長及氣體交換參數,處理后三種(藍豐、公爵、綠寶石)藍莓的株高、基徑、根體積及氣體交換參數均低于對照組,而胞間二氧化碳濃度則高于對照。其中,缺氮處理對三種藍莓的影響最大,無論是株高、基莖還是根體積,均為所有處理中最小。并且公爵對氮素缺乏的響應最為劇烈,其次為綠寶石,而藍豐則表現出了較好的耐受性。與此對應的是,藍豐在缺氮處理開始的前2周,Pn下降速度遠低于其他兩種藍莓,其次是綠寶石,雖然在缺氮初期下降迅速,但后期保持較高的Pn。并且Tr和Gs也隨著缺N處理的延續而加劇下降,但植株的Ci卻不斷升高。這與黃宗安[20]的研究結論一致,說明Pn下降并不是由于氣孔關閉導致的,可能是光合結構受損,光化學效率降低引起的。而缺氮植株的Ci卻不斷升高,可能是CO2利用率降低,再加上光呼吸增強導致的。缺氮初期時，藍豐的Tr和Gs均顯著上升,這可能是藍豐在缺氮初期通過增大蒸騰作用,加強養分吸收的方式來維持光合作用的具體表現。這與王履清等[21]的研究結果一致。

在缺磷處理中,三種藍莓的株高受到的影響最大,基莖和根體積也受到不同程度的抑制。其中,公爵對磷素缺乏的響應最為劇烈,其次為綠寶石,而藍豐則表現出了較好的耐受性。在缺磷處理開始的前2周,三種藍莓的Pn下降速度差異不顯著,這可能是在缺磷早期光合結構還能維持相對穩定。在缺磷后期三種藍莓的Pn顯著下降,只有綠寶石還保持在相對較高的Pn。這可能與長期缺磷使光和結構受損及光合速率下降有關。這與徐紅霞[22]研究結論一致。這是因為缺磷短期內光合結構不會遭到破壞,而長期缺磷使激發能捕獲效率降低,非光化學猝滅熱耗散增加,活性氧清除酶系統活性不斷下降,活性氧不斷積累,進一步破壞光合結構。在缺磷前期,三種藍莓的Tr、Gs、Ci和Rd都呈上升的趨勢,其中藍豐的氣體交換參數變化程度相較于其他兩種藍莓小,表現出較高的缺磷耐受性。這可能是在缺磷初期通過增大蒸騰作用,提高呼吸作用,來加強養分的吸收,從而維持光合作用的正常進行,這與彭正萍等[23]的研究結果相一致。

在缺鉀處理中,藍豐對鉀素缺乏的響應最為劇烈,其次為綠寶石,而公爵則表現出了較好的耐受性。在缺鉀時,三種藍莓的Pn、Tr和Gs都是下降趨勢,并在趨勢后期保持平穩,而Ci卻不斷升高。其中在缺鉀前期,公爵的Pn下降速度低于藍豐和綠寶石。這可能是缺鉀引起了光合結構改變和光反應中心受損,抑制了CO2的利用,導致Pn、Tr和Gs下降,使Ci不斷升高。潘勇輝等[9]在油菜上的研究也印證以上這一點。三種藍莓的Rd、Tr和Gs在缺鉀前期都有顯著上升。其中公爵的Rd上升的最多,Tr和Gs持續時間最長,達到了28d。這可能是公爵在缺鉀初期通過增大蒸騰作用,提高呼吸作用,來加強養分的吸收,從而維持光合作用的正常進行。這與沈超[24]的研究結果相一致。

4 結論

綜上所述,缺素顯著影響了藍莓的正常營養生長,藍莓的株高、基徑和根體積增長受到不同程度的抑制。并且缺素顯著降低了藍莓的Pn、Rd、Gs和Tr,而Ci顯著升高,這說明缺素導致非氣孔因素的光合作用受阻,二氧化碳同化效率降低,顯著影響了藍莓進行光合作用、呼吸作用和氣體交換,抑制了其正常生長。在正常培養中,公爵生長量最大,其次是藍豐,最后是綠寶石。而在缺鉀時,公爵表現出了良好的耐受性；在缺氮和磷時,藍豐都表現出了良好的耐受性。在缺素時,三種藍莓受到的影響相似,但由于品種不同又存在差異。所以,更應該對不同品種之間的這種差異進行更深入研究,探討不同品種對各營養元素的需求量和形態偏好,為藍莓的營養施加和優質栽培提供理論依據。