人參生育后期追施鉀肥的生理響應

鄔潔 于大德 李西文 陳佳穎 徐福榮

人參(Panax ginseng)為五加科人參屬植物,具有大補元氣、復脈固脫、補脾益肺、安神益智等功效[1]。 人參葉片衰老初期生理指標發生變化,其葉綠素含量降低,抗氧化酶活性提高,凈光合速率降低,葉綠體數目減少[2]。 人參為喜鉀植物,生長后期對鉀需求量最大[3]。 鉀營養缺乏會導致人參葉片衰老提前,葉片邊緣發生黃化,引起光合作用、抗氧化酶活性、葉綠素含量等生理指標發生變化[4]。

衰老屬于植物正常生理過程,也是其生長的必然結果,隨著生長期向后推移,植株葉片外觀性狀和生理指標均會發生改變[5]。 外觀改變表現為葉片枯黃,葉綠素含量降低,邊緣組織因細胞程序性死亡而發生衰減;生理指標的變化表現為細胞損傷,相關指標如丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量升高,以及各種保護酶活性降低[6]。 上述變化會導致植物葉片功能喪失,影響植物產量及品質[7]。 養分脅迫可誘導植株衰老[8],已有研究表明植株生育后期追施養分可有效改善其生理狀況[9-12],然而,在人參生育后期追施鉀肥能否改善其生理狀況尚不明確。 因此,本試驗選用硫酸鉀和氯化鉀兩種鉀肥,設置低、中、高(5、10、20 g·m-2)三個濃度梯度,探究人參生育后期葉片對追施鉀肥的生理響應,為人參生長后期鉀肥管理一體化和高品質藥材生產提供理論參考及選擇依據。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

試驗于2020 年8 至9 月(果熟采收后)在吉林省白山市靖宇縣進行(126.8 °E,42.39 °N),選取長勢基本一致、健康的三年生人參為試驗材料。 栽參土壤類型為壤土,基本理化性質為水分含量25.94%,pH 4.68,有機質83.05 g·kg-1,全氮4.29 g·kg-1,全磷1.80 g·kg-1,全鉀 14.14 g·kg-1,堿解氮182.48 mg·kg-1,有效磷9.84 mg·kg-1,速效鉀140 mg·kg-1。 供試肥為硫酸鉀(AR≥99.0%)、氯化鉀(AR≥99.0%)。 磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、甲硫氨酸、EDTA-Na2、核黃素、氮藍四唑、創愈木酚、30%過氧化氫、二氧化硅、碳酸鈣、乙醇均為分析純。

紫外—可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司,中國)、LI-6800 光合儀(LI-COR 公司,美國)

1.2 試驗設計

采取小區試驗,共設置7 個組別,分別為空白對照CK(不施用鉀肥)和6 個處理組(葉面噴施K2SO4、KCl 各 5、10、20 g·L-1·m-2)。 每個處理重復試驗3 次,試驗地小區面積為1 m2,共21 個小區。按每平米1 L 鉀肥溶液葉面噴施,每7 天噴施一次,共計2 次。 選取每個試驗小區選擇生長狀況相近的人參30 株,進行追蹤觀察,實驗材料見圖1。

圖1 人參生育后期鉀肥管理研究的試驗小區分布(A)和試驗材料(B)

1.3 采樣

施肥后第14 天進行采樣,每個處理取9 個樣品(同一部位葉片),置于4℃低溫保存,用于葉綠素、類胡蘿卜素含量測定。 每個處理選取6 株人參摘取其復葉1 片,置于-80℃保存,用于抗氧化酶活性分析。

1.4 樣品分析

葉綠素a、b 和類胡蘿卜素含量測定用紫外分光光度法[13]。 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性測定用氮藍四唑光化還原法,過氧化物酶(peroxidase,POD)活性測定以愈創木酚法,過氧化氫酶(catalase,CAT)活性用紫外分光光度法[14]。 光合參數和熒光參數采用LI-6800 光合儀測定,測定部位為人參葉片的中部。 光合參數測定時間為上午8:30 ~11:00,下午13:00 ~15:30,測定前進行充分的光適應。 光合參數測定:標準葉室2 cm2開放式氣路,內置紅藍光源,設置光強為光飽和點光強(300 μmol·m-2·s-1)[15],葉室 CO2濃度采用 CO2小鋼瓶控制,為 400 μmol·mol-1;葉室溫度29℃、相對濕度55 %、氣體流速為 500 μmol·s-1。 熒光參數測定:人參葉片以鋁箔紙包裹暗適應20 分鐘,關閉作用光(light),打開測量光為 Fluor(設置為Rectangular flash),其它測量參數設置同光合參數。

1.5 統計學分析

數據統計采用Excel 2021,用SPSS 26.0 對數據進行單因素方差分析,P<0.05 表示差異有統計學意義。 圖表處理采用Oringin 2021 軟件和Excel 2021。

2 結果

2.1 施鉀對人參葉綠素及類胡蘿卜素含量的影響

葉綠素含量的變化是反映植物逆境脅迫和衰老程度的重要指標[16]。 由圖1A 和1B 可知,人參生長后期施用鉀肥能提高葉綠素a、b 含量,且隨施肥量的增加,葉綠素a、b 含量均表現為先增加后降低的趨勢。 施肥水平為 10 g·m-2時,葉綠素 a、b 含量均達到最高。 其中,氯化鉀和硫酸鉀處理的葉綠素a 含量分別為2.228 mg·g-1和2.280 mg·g-1,較空白對照1.670 mg·g-1顯著增加(P<0.05),增長率依次為33.41%和36.52%。 氯化鉀和硫酸鉀處理的葉綠素b 含量分別為1.052 mg·g-1和1.045 mg·g-1,較空白對照 0.742 mg·g-1顯著增加(P<0.05),增長率依次為41.78%和40.84%。 但氯化鉀和硫酸鉀對人參葉綠素a、b 含量影響無顯著性差異(P>0.05)。 由圖1C 可知,鉀肥用量對類胡蘿卜素含量影響不顯著(P>0.05),兩種鉀肥對類胡蘿卜素影響亦沒有明顯差異,其含量穩定在0.420~0.494 mg·g-1范圍。 因此,人參生育后期施鉀有利于人參葉綠素a、b 含量的增加,以維持葉片常綠,10 g·m-2為鉀肥最佳用量水平。

2.2 施鉀對人參葉綠素熒光參數的影響

葉綠素熒光參數能真實反映植物內在的生理狀態,且與施肥密切相關[17-18]。 如表1 所示,硫酸鉀處理對人參生育后期實際光化學效率(PhiPS2)較不追施鉀肥無顯著性差異。 氯化鉀用量為20 g·m-2時,實際光化學效率較CK 提高20.9%。 施鉀處理潛在光化學效率(Fv/Fm)較空白對照無顯著性差異,且施鉀水平對潛在光化學效率影響亦無顯著性差異(P>0.05),說明鉀肥用量范圍在5 ~20 g·m-2對人參未產生明顯的脅迫作用。 施鉀處理可降低人參葉片光系統的非光化學猝滅(non-photochemical quenching,NPQ),減少光能以熱耗散方式損失。 隨氯化鉀和硫酸鉀用量水平增加NPQ 呈下降趨勢。其中,氯化鉀10、20 g·m-2用量水平 NPQ 值較 CK處理分別顯著降低15.1%、15.7%,但兩施肥水平無顯著性差異(P<0.05);而硫酸鉀濃度升高也引起NPQ 值下降,但差異并不顯著(P>0.05)。

表1 施鉀對人參葉綠素熒光參數的影響

2.3 施鉀對人參光合生理參數的影響

光合作用是植物體內最為重要的同化過程,光合參數可以反映植株光合性能及生理狀況[19]。 由表2 可知,適宜的氯化鉀用量可提高人參葉片水分利用,氯化鉀用量為 20 g ·m-2時,蒸騰速率(evaporation,E)、水分利用率(water use efficiency,WUE)和氣孔導度(stomatal cond uctance,gsw)分別為 0.972 mmol·m-2·s-1、0.055 μmol CO2·mmol-1H2O、0.059 mol·m-2·s-1,較空白對照分別顯著提高54.3%、86.3%、55.3%。 但硫酸鉀處理后 E、WUE、gsw 較 CK 無顯著性差異(P>0.05)。 追施鉀肥的種類對人參葉片凈光合速率(A)、胞間CO2濃度(Ci)的影響具有顯著性差異(P<0.05),但其施肥水平間無顯著性差異(P>0.05)。 其中,Ci 在氯化鉀處理后較CK 顯著降低,但在硫酸鉀處理后無顯著變化。 施用低濃度鉀肥均不能引起人參葉片光合速率的顯著變化(表2)。 當施用氯化鉀濃度為20 g·m-2時,人參葉片光合速率較 CK 提高46.08%。 但施用硫酸鉀后,人參葉片光合速率較CK 無顯著變化或有所降低。 而在鉀肥用量水平為10、20 g·m-2時,人參葉片凈光合速率經氯化鉀處理后顯著高于(P<0.05)硫酸鉀處理。 因此,追施鉀肥可以對生育后期人參葉片光合參數產生影響,相比于硫酸鉀,追施氯化鉀更有利于人參生育后期葉片同化產物的積累,其最佳施肥用量為20 g·m-2。

表2 施鉀對人參光合生理參數的影響

圖2 施鉀處理后人參葉綠素a、b 及類胡蘿卜素含量變化

2.4 施鉀對人參抗氧化酶活性的影響

SOD、POD 和 CAT 是植物體內抗氧化系統的重要構成,在參與活性氧自由基清除、逆境和損傷的抵御修復方面發揮重要作用[4]。 植物進入生育后期為清除體內自由基或活性氧抗氧化酶活性會提高。 由圖3A 可知,人參葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性隨施鉀水平的增加呈先降低后增加的趨勢,氯化鉀和硫酸鉀對其的影響一致。 其中鉀肥用量為10 g·m-2時,SOD 酶活性最低,且顯著低于對照組(P<0.05),而較鉀肥用量5 g·m-2和20 g·m-2時,SOD 沒活性與對照組相比并無顯著性差異(P>0.05)。 由圖3B 可知,人參過氧化物酶(POD)活性隨施鉀水平(0 ~10 g·m-2)呈現下降趨勢。 當施肥用量達到20 g·m-2時,POD 酶活性較對照組顯著降低(P<0.05),氯化鉀和硫酸鉀處理POD 酶活性分別為13102 U·g-1·min-1和13475 U·g-1·min-1較對照顯著降低25.96%、23.85%,但兩種鉀肥間不存在顯著性差異(P>0.05)。 此外,鉀肥用量為 5 g·m-2時硫酸鉀處理組人參葉片POD 酶活性18607 U·g-1·min-1顯著低于氯化鉀處理組11630 U·g-1·min-1。 由圖3C 可知,硫酸鉀和氯化鉀兩種鉀肥處理對人參葉片過氧化物酶(CAT)活性的影響趨勢存在差異。其中,氯化鉀處理組隨鉀肥用量的增加CAT 酶活性呈先增加后降低再增加的“S”形變化,施肥用量為10 g·m-2CAT 酶活性達到最低15.2 U·g-1·min-1,較空白對照組31.2 U·g-1·min-1顯著降低51.28%。因而,追施適宜鉀肥用量可顯著降低人參生育后期抗氧化酶SOD、POD、CAT 酶的活性,但不同酶的變化趨勢存在一定差異,這可能與三種抗氧化酶的相互協調相關。

圖3 施鉀對人參葉片抗氧化酶活性的影響

3 討論

生育后期追肥可影響植株生理指標、改善生長狀況,是保證其產量和品質的重要措施[20-21]。 植株的生長狀況能通過其生理指標反映[2-4]。 生育后期葉面噴施鉀肥可提高葉片的葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率,促進其光合作用;并提高其抗氧化酶活性,增加抗衰老和抗旱能力[22-23]。 本試驗發現,人參生育后期適宜追施鉀肥可改善其生理指標,但對葉綠素含量、葉綠素熒光參數、光合參數、抗氧化酶活性的影響存在差異。 葉綠素是植物進行光合作用的主要色素,本研究發現施鉀處理組葉綠素a、b 含量顯著高于CK,這與郭志平[22]的研究結果趨勢相同。 植株生育后期較高的葉綠素含量可促進光合作用,維持葉片常綠,延長植株生育期。 光合參數可以表征植株光合能力的強弱,在小麥生育后期追施鉀肥可提高其光合產物生成、運轉及產量,延緩葉綠素降解,提高小麥產量[25]。 本試驗表明,追施氯化鉀有利于人參生育后期葉片光合參數的改善,促進同化作用,其最佳施肥用量為20 g·m-2。 不追肥時人參進入生育后期抗氧化酶活性增加[2],與小麥生育后期抗氧化酶活性變化趨勢一致[26]。 本試驗中適宜追施鉀肥后,人參生育后期抗氧化酶SOD、POD、CAT 酶的活性變化趨勢存在一定差異,這可能與三種抗氧化酶的相互協調相關[27]。 SOD、POD 酶呈現先降低后增加的趨勢,即主要在缺鉀和高鉀的狀態下發揮作用。 在氯化鉀用量10 g·m-2條件下,SOD、CAT 酶活性降低。

本試驗中硫酸鉀與氯化鉀用量水平以質量濃度計,經換算5、10、20 g·m-2質量濃度氯化鉀對應鉀離子的摩爾濃度分別為0.067、1.34、2.68 mol·L-1;硫酸鉀對應鉀離子的摩爾濃度分別為0.057、1.15、2.30 mol·L-1。 實際生產中,施肥水平多以質量濃度即。 在質量濃度相同的情況下,氯化鉀與硫酸鉀溶液中鉀離子的摩爾濃度差距不大,因此本研究基于相同質量濃度對比兩種肥料對人參后期生長的影響。 氯化鉀中氯離子既可能對作物產生“氯害”,也可能促進其光合作用[28]。 本試驗葉面噴施氯化鉀可以提高人參生育后期葉片凈光合速率。 在果樹生育后期追施鉀肥可增加產量并改善品質,砂梨生育后期追施鉀肥可提高其果實縱橫徑生長速度、單果重,增加其溶性糖總量、蔗糖、果糖和可溶性固形物含量[29]。 人參生長后期為其根部干物質與人參皂苷積累并向根部轉移的關鍵時期,但追施鉀肥對人參生理狀態產生影響的同時,是否對人參產量及品質有促進作用還需要開展進一步研究。 人參生育后期追施鉀肥可改善人參的生理狀況,本研究針對肥料種類、施肥水平的選擇進行了研究,但施肥方式(葉面肥或根外追肥等)、田間管理等對人參生產都具有一定影響,仍需要進一步深入研究。 通過人參生理指標的測定可以了解其生理狀態,在生長后期采取追施鉀肥等措施,可以改善人參生理狀況,延緩葉片衰老,對人參高產、優產具有積極意義。