鐵鋅配施對黃瓜生長、光合特性和果實品質的影響

苗妍秀，梁 祎，楊家勤，高星星，侯雷平

(1.山西農業大學 園藝學院，山西太谷 030801；2.山西省設施蔬菜提質增效協同創新中心，山西太谷 030801)

微量元素在植株生長發育和產量形成中起重要作用。作為植物需求量最大的微量元素，鐵(Fe)參與調控葉綠素合成、光合作用、氮同化和氧化還原反應等重要生理過程[1-2]。鐵在土壤中主要以難溶性Fe3+形式存在，很難被植物吸收利用[3]。缺鐵常常引起葉片中葉綠素含量降低、根系形態發育不良，導致植株生長發育減緩[4-6]。通過在草莓、番茄和水稻等作物上的研究發現，施用鐵肥有利于葉綠素形成、提高葉片光合效率和果實品質，促進植株體內營養元素積累[7-9]。

鋅(Zn)是植物正常生命活動所必需的微量元素，是300多種蛋白質和酶的組成成分，對光合作用、蛋白質合成和生長素合成等具有重要意義[10]。中國約有51.1%的耕地土壤鋅含量較少，特別是北方石灰性土壤中有效鋅含量低，缺鋅現象嚴重[11]。缺鋅易導致植株生長受阻、葉綠素含量減少、色氨酸和生長素含量降低[12]。大量研究發現，施用鋅肥可以顯著提高植株葉片葉綠素含量和凈光合速率，從而提升作物產量[13-14]。施用鋅肥還能促進還原糖和氨基酸大量積累，并降低硝酸鹽含量，進而改善作物品質[15-17]。然而，目前研究多集中于單一施用鋅肥或鐵肥，對于鐵鋅配施對植株果實品質及其對植株的綜合評價方面的研究較少。

黃瓜(CucumissativusL.)是世界重要的蔬菜作物之一，也是中國設施蔬菜的主栽作物。由于設施長季節黃瓜栽培具有結果期長、需肥量大、根系分布淺且吸收能力弱等特點，為提升果實產量和品質，需進行多次追肥[18]。葉面施肥被認為是最直接有效的追肥方式[19]。因此，本試驗通過葉面噴施鐵肥和鋅肥來研究其對黃瓜生長、葉片光合特性、果實品質和植株元素積累方面的影響，旨在為黃瓜高產優質栽培提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于山西農業大學日光溫室中進行，供試土壤(0～30 cm)為壤土，體積質量為1.21 g·cm-3，田間持水量為19.21%，pH為6.80，電導率為1.18 dS·m-1，有機質含量31.12 g·kg-1，速效氮含量91.0 mg·kg-1，速效磷含量13.7 mg·kg-1，速效鉀含量40.4 mg·kg-1。

本試驗以‘中農16號’黃瓜為試驗材料。2019-03-02，黃瓜種子經55 ℃溫湯浸種后，在 28 ℃恒溫箱催芽，露白后播種在50孔穴盤中，放置于日光溫室中育苗。定植前在土壤中施入羊糞12 t·hm-2，并進行深耕。4月20日，將3葉1心的黃瓜幼苗定植于日光溫室中，定植后采用溫室日常管理和農藝措施，結果期施用‘六國網’牌復合肥料(N∶P2O5∶K2O，24∶12∶12)449.78 kg·hm-2，分3次平均施用，以追肥的形式隨灌溉水施入土壤。灌溉采用常規溝灌，定植后約7 d灌溉1次，結果期約3～4 d灌溉1次。進入結果期后開始進行葉面施肥處理，本試驗共設4個處理：CK，清水；Fe，100 μmol·L-1EDTA-Fe (4.21×10-3%)；Zn，200 μmol·L-1ZnSO4·7H2O(5.75×10-3%)；Fe+Zn，100 μmol·L-1EDTA-Fe和200 μmol·L-1ZnSO4·7H2O (9.96×10-3%)。采取隨機區組設計，每個處理重復3次，小區面積為(1.2×4.5) m2。每7 d處理1次，共施肥3次，每次噴施4.8 L，Fe、Zn和Fe+Zn處理3次噴施的溶液總量分別為1.12 kg·hm-2、1.53 kg·hm-2和2.65 kg·hm-2。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 黃瓜生長指標測定 在開始處理的第0、7和14天，測定黃瓜株高、葉片數和最大葉片的葉長和葉寬，根據葉面積=0.743×葉長×葉寬，計算黃瓜葉片的葉面積[20]。每個處理重復6次。

1.2.2 黃瓜葉片光合特性測定 在葉面施肥3次后的晴天9:00-11:00，使用LI-6400XT光合儀(美國Li-Cor公司)測定黃瓜葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。使用透明葉室，葉溫為28 ℃，CO2濃度為400 μmol·mol-1，氣流速率為500 mL·min-1，相對濕度為40%～60%。每個處理4次重復。在葉面施肥3次后，測定黃瓜葉片色素、可溶性糖和可溶性蛋白質含量，葉片色素含量使用95%乙醇方法測定，可溶性糖含量使用蒽酮乙酸乙酯方法測定，可溶性蛋白質含量使用考馬斯亮藍G-250方法測定[21]。每個處理重復4次。

1.2.3 黃瓜果實品質測定 在葉面施肥3次后，測定果實單果質量、可溶性糖、可溶性蛋白質、硝酸鹽、維生素C和游離氨基酸含量。維生素C含量使用2,6-二氯酚靛酚方法測定，硝酸鹽含量使用水楊酸-硫酸方法測定[21]。游離氨基酸使用2%磺基水楊酸(質量分數)方法提取，HITACHI-L-8800氨基酸分析儀(日本日立)測定[22]。每個處理重復4次。

1.2.4 黃瓜元素積累及分布測定 在葉面施肥3次后，測定黃瓜葉片、莖和果實的元素積累及分布情況，稱取干樣0.2 g，使用濃HNO3和H2O2混合液進行消煮，使用AA-6200原子吸收分光光度計(日本島津)測定Fe、Zn、Cu、K、Ca和Mg元素含量。每個處理重復4次。

1.3 數據統計與分析

使用SPSS 20.0(美國IBM公司)one-way ANOVA 單因素方差分析中Duncan’s多重比較方法對數據進行方差分析，使用Two-way ANOVA 雙因素方差分析比較變異來源，包括Fe、Zn和Fe×Zn互作效應，使用隸屬函數分析方法對黃瓜植株生長發育進行綜合評價[23]。

2 結果與分析

2.1 鐵鋅配施對黃瓜植株生長的影響

由圖1可見，鐵鋅配施促進黃瓜植株生長。在處理第14天時，與CK相比，Fe+Zn處理的黃瓜株高、葉片數和最大葉片的葉面積分別增加9.82%、1.48%和13.99%，但處理間差異不 顯著。

2.2 鐵鋅配施對黃瓜葉片光合特性的影響

整體來看，鐵鋅配施顯著提升黃瓜葉片光合特性和色素含量(圖2和表1)。與CK相比，Zn處理的黃瓜葉片Tr和可溶性蛋白質含量分別顯著增加16.27%和67.39%，Fe+Zn處理的葉片Pn顯著增加9.68%、葉片色素(葉綠素a+b、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素)和可溶性蛋白質含量均顯著升高。雙因素分析結果發現，Fe和Zn各自對Pn、葉片色素和可溶性蛋白質有顯著影響，Fe和Zn互作效應顯著表現在葉片色素上。

表1 鐵鋅配施下黃瓜葉片生理特性Table 1 Physiological characteristics of cucumber leaves under Fe and Zn fertilizers

2.3 鐵鋅配施對黃瓜果實品質的影響

與CK相比，Fe處理的黃瓜果實可溶性蛋白質含量顯著增加46.60%，Fe處理和Zn處理的黃瓜果實總氨基酸、必需氨基酸(Val、Met、Ile、Leu、Phe和Lys)、條件必需氨基酸(His和Arg)和非必需氨基酸(Asp、Ser、Gly、Cys、 Tyr和Pro)含量均顯著增加，Fe+Zn處理的黃瓜單果質量和條件必需氨基酸含量顯著增加，而硝酸鹽含量顯著降低(表2)。Fe對單果質量、硝酸鹽、可溶性蛋白質、可溶性糖和非必需氨基酸存在顯著影響，Zn對單果質量和可溶性蛋白質含量存在顯著影響，Fe和Zn在單果質量、Vc和氨基酸含量上存在顯著的互作效應。

鐵鋅配施促進黃瓜果實游離氨基酸大量積累(圖3)。與CK相比，Fe處理和Zn處理促進黃瓜果實12種游離氨基酸(Asp、Ser、Gly、Cys、Val、Ile、Leu、Tyr、Phe、His、Arg和Pro)大量積累， Fe+Zn處理的果實Ser、Ile、Leu和Arg含量顯著增加，而Lys含量顯著減少。

表2 鐵鋅配施下黃瓜果實品質Table 2 Fruit quality of cucumber plants under Fe and Zn fertilizers

2.4 鐵鋅配施對黃瓜植株元素積累的影響

鐵鋅配施改變黃瓜植株元素積累。與CK相比，Fe處理的黃瓜葉片中Fe含量和莖中Cu含量均顯著增加61.29%，Zn處理的果實中K和Mg含量顯著增加，Fe+Zn處理的葉片Fe、Zn含量和莖中K含量均顯著升高，而果實Fe和Zn含量顯著降低(表3)。

2.5 鐵鋅配施對黃瓜植株生長發育的綜合評價

使用隸屬函數分析法對黃瓜植株生長狀態、葉片光合特性和果實品質進行綜合評價，結果(表4)表明，Fe+Zn處理的黃瓜植株生長發育的綜合評價值最高，Fe處理次之，CK和Zn處理的綜合評價值最低。

表4 鐵鋅配施對黃瓜植株生長發育的綜合評價Table 4 Membership function analysis for cucumber growth and development under Fe and Zn fertilizers

3 討 論

鐵鋅配施顯著提升黃瓜葉片中葉綠素含量和光合效率。葉綠素是植物吸收、傳遞和轉化太陽光的重要光合色素，是決定光合效率高低的重要因素[24-25]。植株細胞約有80%Fe元素集中在葉綠體中，Fe不僅參與葉綠素合成，還是光合電子傳遞鏈中細胞色素b6f(Cytb6f)復合體、Fe-S中心、鐵氧還原蛋白(Fd)和Fd-NADP+還原酶(FNR)的重要組成部分，在調控光合作用的光反應中起著重要作用[5,26]。Zn作為葉綠體中 Cu/Zn-SOD的重要組成成分，在維持葉綠體膜結構的穩定性上起到重要作用[27-28]。同時，Zn還是光合作用中碳酸酐酶(CA)的組成成分，參與調控CO2同化過程[29-30]。本試驗中，葉面同時噴施Fe和Zn促進葉片中Fe和Zn大量積累，進而促進葉綠素合成，提升光能利用效率和碳同化能力，增強葉片的光合效率(圖2、表1和表3)。這和在番茄和藿香上的研究結果基本一致[9,31]。

鐵鋅配施顯著提升黃瓜果實品質。Fe是硝酸還原酶(NR)和亞硝酸還原酶(NiR)的重要組成成分， NR和NiR是參與硝酸鹽同化的重要還原酶[32-33]。本試驗中，Fe處理的黃瓜果實可溶性蛋白質顯著增加，這主要是因為外源Fe顯著提高葉片Fe含量，促進硝酸鹽同化和蛋白質合成[19](表2和表3)。Fe+Zn處理的果實硝酸鹽含量顯著降低，主要是因為葉面同時噴施Fe肥和Zn肥顯著提升黃瓜葉片光合效率，而良好的碳同化能為氮代謝提供充足的碳源和能量，促進硝酸鹽同化進程，進而提升果實品質。

鐵鋅配施顯著增加黃瓜果實氨基酸含量。氨基酸是構成蛋白質的基本物質，也是植物重要的氮代謝產物，植株從外界吸收無機氮后，經過酶的催化作用將其轉化為氨基酸[34]。本試驗中，Fe、Zn和Fe+Zn處理的黃瓜果實游離氨基酸含量均有不同程度升高(圖3和圖4)。這主要是因為外源Fe和Zn均能顯著提升NR和NiR活性，加快硝酸鹽同化，進而促進氨基酸的大量積累[15,35-36]。同時，Fe處理和Zn處理的黃瓜果實總氨基酸、必需氨基酸(Val、Ile、Leu、Phe)、條件必需氨基酸(His和Arg)和非必需氨基酸(Asp、Ser、Gly、Cys、Tyr和Pro)均顯著增加，Fe+Zn處理的條件必需氨基酸(Arg)顯著增加，說明葉面噴施鐵肥和鋅肥促進黃瓜果實中必需氨基酸和條件必需氨基酸的合成，有效提升果實品質。

4 結 論

葉面噴施鐵肥能顯著增加黃瓜葉片中Fe含量、果實可溶性蛋白質和總氨基酸含量。葉面噴施鋅肥能顯著增加葉片可溶性蛋白質、果實K、Mg含量和總氨基酸含量。葉面同時噴施鐵肥和鋅肥能顯著增加葉片Pn、葉片色素、可溶性蛋白質、Fe和Zn含量，顯著提高果實單果質量和游離氨基酸含量，并顯著降低果實硝酸鹽含量。因此，葉面同時噴施鐵肥和鋅肥促進黃瓜葉片Fe和Zn元素積累，提升黃瓜葉片光合特性和果實品質。