外源液態(tài)硅肥處理對草莓品質(zhì)的影響

摘 要：肥料供給直接影響植株的生長發(fā)育、果實品質(zhì)和硬度。本文研究了外源施用液態(tài)硅肥對設施草莓生長發(fā)育及其產(chǎn)量、品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，施用硅肥可提高草莓果實產(chǎn)量、可溶性固形物含量等指標，抑制細胞壁降解酶相關基因的表達從而提升果實硬度，提高K、Ca、Mg等養(yǎng)分含量，抑制重金屬元素的富集，提升果實營養(yǎng)價值及安全性；在幼苗期和生長期分別施用稀釋800倍處理和400倍處理對草莓植株的生長發(fā)育效果最佳。綜上所述，外源液態(tài)硅肥對草莓的果實品質(zhì)及植株生長發(fā)育具有較高的應用價值，推廣使用前景良好。

關鍵詞：草莓；硅肥；生長發(fā)育；果實品質(zhì)；硬度

中圖分類號：O613.72 文獻標志碼：A 文章編號：1008-1038（2024）12-0046-07

DOI：10.19590/j.cnki.1008-1038.2024.12.008

The Effect of Exogenous Liquid Silicon Fertilizer Treatment

on Strawberry Quality

MA Di1， PAN Shaoxiang1， SONG Ye1， CHU Guodong2， ZHANG Xin1， LIANG Xiao2，

ZHOU Dasen1， CHEN Jing3， WU Maoyu1*

（1. Fruit and Vegetable Storage and Processing Technology Innovation Center of Shandong Province， Jinan Fruit Research Institute All China Federation of Supply amp; Marketing Co-operatives， Jinan 250220， China;

2. Shandong Rongqi Kangji Agricultural Science and Technology Co.， Ltd.， Yantai 264000， China;

3. China Coop Jinan Huade Co.， Ltd.， Jinan 250220， China）

Abstract： The supply of fertilizer directly affects the growth and development of plants， the quality and firmness of fruits. In this paper， the effects of exogenous application of liquid silicon fertilizer on the growth， yield and quality of strawberry in greenhouse were studied. The results showed that the application of silicon fertilizer could improve the yield， soluble solid content of strawberry fruit， inhibit the expression of cell wall degrading enzyme related genes， thus enhance the fruit hardness， increase the nutrient elements such as K， Ca， Mg and reduce the enrichment of heavy metal elements， and improve the nutrition and safety of strawberry fruit. At the same time， this study also showed that applying 800 times dilution treatment and 400 times dilution treatment at seedling stage and growth stage， respectively， had the best effect on the growth and development of strawberry plants. In summary， exogenous liquid silicon fertilizer had high application value for strawberry fruit quality and plant growth and development， and had a good prospect of popularization and application.

Keywords： Strawberry; silicon fertilizer; growth and development; fruit quality; hardness

硅元素作為地殼中第二大元素，廣泛存在于巖石、砂礫、塵土之中，約占地殼的28%，由于硅元素在地球上大量存在，土壤中硅元素缺乏的問題被忽略了，導致硅元素在植物生長發(fā)育中的作用一直被忽視[1]。實際上自然界中的硅元素大都以不溶于水的晶狀體存在，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，土壤中能被植物直接利用的硅酸已經(jīng)不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求[2]。研究表明，硅是植物中必不可少的第四元素，能提高水稻中的硅含量、生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量，增加蘋果各組織中總酚和總花色苷化合物的積累，干擾大豆植株效應受體的表達免受大豆疫霉的侵害，降低重金屬毒性等[3-6]。隨著土壤中必需元素缺乏的日益嚴重，硅在緩解養(yǎng)分不平衡方面的作用受到了廣泛關注。研究顯示，硅酸能置換土壤中的磷酸根離子，從而促進有效磷的釋放[7-8]，同時還可減輕鐵、錳等元素引起的毒害[9]。硅元素不僅為植物生長提供必不可少的養(yǎng)分，還可以作為土壤調(diào)理劑，在修復耕地、提高耕地質(zhì)量、實現(xiàn)糧食增產(chǎn)方面等潛力巨大。

我國市場上的硅肥產(chǎn)品主要有熔渣硅肥和水溶性硅肥兩種類型。熔渣硅肥是指利用工廠生產(chǎn)加工過程中產(chǎn)生的廢棄礦渣為原料，經(jīng)煅燒、研磨并復配而成的硅肥，一般硅含量相對較低，且施用量較大，僅適合做土壤基施，而原料礦渣的過渡金屬離子含量不可控，存在引起土壤污染的風險[10]。水溶性硅肥是指直接以石英砂、硅酸鈉和硅酸鉀等硅酸鹽類化合物為原料，經(jīng)化學合成制得，溶于水，可以被植物直接吸收的硅肥，農(nóng)作物對其吸收利用率較高，硅的含量和純度也比較高[11]。目前的研究主要圍繞糧食作物開展硅元素提高植物抗逆性，在果蔬類經(jīng)濟作物上的研究還不夠充分。草莓果實美味可口，營養(yǎng)豐富，是在世界范圍內(nèi)廣泛種植的一種重要水果，傳統(tǒng)單一的大量元素施肥及設施土壤板結(jié)、鹽漬化等問題，嚴重影響了草莓植株的生長發(fā)育及果實品質(zhì)。為促進水溶性硅肥在草莓上的應用，本文以水溶性硅肥為供試肥料，探究其對草莓產(chǎn)量、品質(zhì)及安全性的影響，以期為硅肥的推廣應用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗草莓品種為‘章姬’。液體硅肥（SiO2≥120 g/L），山東榮啟康紀農(nóng)業(yè)科技有限公司。硝酸，色譜純，天津市科密歐化學試劑有限公司；鈉（Na）、鉀（K）、鎂（Mg）、錳（Mn）、鈣（Ca）、鐵（Fe）、鋅（Zn）、銅（Cu）標準溶液均由國家有色金屬及電子材料分析測試中心提供。

RNA prep Pure多糖多酚植物總RNA提取試劑盒（DP441），天根生化科技（北京）有限公司；HiScript III RT SuperMix for qPCR（+gDNA wiper），南京諾唯贊生物科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

PAL-BX糖度計，ATAGO（愛拓）中國分公司；GY-2水果硬度計，上海精密儀器儀表有限公司；ME204電子天平，梅特勒-托利多儀器上海有限公司；CM-5色差計，日本柯尼卡美能達；WX-8000微波消解儀，上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司；iCAP電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，賽默飛世爾科技（中國）有限公司；MilliQ超純水系統(tǒng)，德國默克公司。

1.3 方法

1.3.1 實驗設計

試驗在濟南市章丘區(qū)文祖街道多彩農(nóng)莊基地日光溫室內(nèi)進行，于2023年10月種植草莓，棚內(nèi)具有水肥一體化系統(tǒng)。栽培土壤為沙壤土；栽培基質(zhì)為羊糞、兔糞按體積比3∶2混合，并加入發(fā)酵菌充分發(fā)酵30 d以上制得。于草莓成熟時選擇成熟度一致、大小均勻、無病蟲害及損傷的果實作為實驗用果。樣品取相同部位放入液氮中迅速冷凍，放入-80 ℃冰箱保存，用于測試實時熒光定量PCR分析。

試驗共設置3個處理組，使用不同稀釋倍數(shù)的液體硅肥對草莓植株進行灌根處理，分別為T1（800倍液）、T2（400倍液）、T3（100倍液）；設置對照CK，施用灌溉水。草莓幼苗于2023年9月27日定植，于11月7日開始進入盛花期，定植后第7天及盛花期進行灌根1次，其余管理按照常規(guī)措施進行。

1.3.2 測定項目及方法

植株表型測定：單果質(zhì)量使用電子天平稱量；果實硬度參照標準NY/T 2009—2011《水果硬度的測定》；可溶性固形物含量參照Kimberly等[12]的方法，采用手持糖度計PAL-BX測定；葉面積參照劉小銳等[13]的Image J圖像處理方法，選擇未完全展開的復葉頂部小葉使用標簽進行標記，分別于施肥后的第7、14、21、28天進行持續(xù)拍照記錄。

金屬元素含量：參照GB 5009.268—2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》及潘少香等[14]的方法測定。

色差值：參照潘少香等[15]的方法測定，分別從果實的陰、陽面取點，每個點測定2次，求得平均值作為樣品最終數(shù)據(jù)，記錄L*值、a*值、b*值。

根系構(gòu)型：盛果期隨機選取3株長勢一致的幼苗，用自來水將根系沖洗干凈，采用掃描儀進行根系構(gòu)型參數(shù)的分析，分別記錄根系長度、根系表面積、根系體積。

總RNA提取和反轉(zhuǎn)錄：將保存在-80 ℃冰箱的樣品在液氮中迅速磨成粉末，取100 mg樣品粉末，用RNA prep Pure多糖多酚植物總RNA提取試劑盒提取樣品的總RNA。cDNA合成以提取的總RNA為模板，按照逆轉(zhuǎn)錄試劑盒HiScript III RT SuperMix for qPCR（+gDNA wiper）的基本操作流程提取。

實時熒光定量PCR分析：參照趙文哲等[16]的研究，選擇編碼細胞壁降解酶關鍵基因FaPG、FaPL、FaPME、Faβ-Gal、FaEG，以及草莓硅轉(zhuǎn)運蛋白編碼基因NIP2-1-like。以FaActin為內(nèi)參基因。反應體系及條件參考王穩(wěn)等[17]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019和SPSS 22.0進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析，Origin 2021作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度硅肥對草莓果實產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

表1結(jié)果顯示，單果質(zhì)量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，其中T2處理的最高，比對照組增加24.45%。可溶性固形物處理組均優(yōu)于對照組，呈現(xiàn)隨施肥濃度升高而升高的趨勢，其中T3處理的最高，比對照組增加0.9％。L*值表示色差值中的亮度值，L*值越大，亮度越大，處理組均低于對照組，呈現(xiàn)隨施肥濃度升高而降低的趨勢，其中T3處理的最低，表示處理組草莓的表面顏色隨施肥濃度增加而越來越深。

表1 不同施肥濃度處理對草莓品質(zhì)的影響

Table1 Effect of different fertilizer concentration treatments on strawberry quality

注：L*為亮度值；a*為紅綠值；b*為黃藍值。

2.2 不同濃度硅肥對草莓果實硬度的影響

根據(jù)圖1所示，處理組草莓果實陰面和陽面的硬度均明顯高于對照組。草莓果實陽面硬度呈現(xiàn)隨施肥處理濃度上升而升高的趨勢，其中陽面硬度T2和T3處理組顯著高于對照組，T2處理組達到最高值，為0.47 kg/cm2，比對照組提高了19.16%。草莓果實陰面硬度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，T2處理組達到最高值，為0.42 kg/cm2，比對照組提高22.40%；表明T2處理組硬度最高，且更為均勻。

2.3 不同施肥對草莓果實細胞壁降解酶基因表達量的影響

由圖2可知，T2處理組對草莓果實硬度提升效果最為顯著，選擇T2處理組的果實進行細胞壁降解酶基因表達量分析。以黃瓜的硅轉(zhuǎn)運蛋白（CSiT-1和CSiT-2）進行比對，獲得草莓中同源性較高的NIP2-1-like，該基因在處理組草莓果實中表達較高，在對照組果實中的表達量較低，表明NIP2-1-like基因?qū)ν庠垂璧奶幚盹@著響應。進一步分析顯示，T2處理的草莓果實中的細胞壁降解相關基因FaPL（果膠裂解酶）、FaPME（果膠甲酯酶）和FaEG（內(nèi)切葡聚糖酶）均顯著降低（極顯著水平），F(xiàn)aβ-Gal（β-半乳糖苷酶）和FaPG（多聚半乳糖醛酸酶）明顯降低。說明FaPL、FaPME和FaEG基因能夠響應外源硅元素信號，降低原果膠、纖維素降解酶活性，從而提高草莓果實硬度。

2.4 不同濃度硅肥對草莓果實元素含量的影響

利用ICP-MS法對草莓果實中的常量元素、微量元素、重金屬元素等26種元素進行檢測，其中重金屬元素含量均未超出GB 2762—2022《食品安全國家標準 食品中污染物限量》的限定值。根據(jù)圖3聚類熱圖分析所示，隨著施肥濃度的提升，26種元素大致可分為三大類型。第一類元素（Mg、B、K、Ti、Si、Mo、Sn、Mn）的含量隨硅肥濃度的增加顯著提升，表現(xiàn)出正向積累趨勢。其中，鉀（K）和鎂（Mg）的增加可能分別對果實的糖分積累和口感改善具有重要作用。第二類元素（Ca、Sr、As、Sb、Cr、Na、V、Al、Fe、Se、Co）在低濃度硅肥處理（T1處理組）的果實中含量較高，說明低濃度硅肥處理能促進某些微量元素的吸收，這類元素中鈉（Na）的過量積累會影響果實的風味和口感。第三類元素（Cu、Zn、Ni、Cd、Tl、Pb、Ba ）含量呈現(xiàn)隨施肥濃度提高而降低的趨勢，尤其是重金屬鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉈（Tl）在對照組中富集水平較高，而隨著硅肥濃度的增加，其在果實中的積累顯著減少，表明硅肥施用對抑制重金屬富集具有積極作用。鈣離子（Ca2+）和鉀離子（K+）是維持調(diào)節(jié)質(zhì)膜的穩(wěn)定性和通透性的重要組分[18]，前人研究也表明硅處理對鈉、鉀、鈣等的吸收與轉(zhuǎn)運有調(diào)節(jié)作用[19-20]，這與本實驗結(jié)果相似。

圖3 草莓果實元素含量聚類熱圖分析

Fig.3 Cluster heat map analysis of element content

in strawberry fruit treated with different fertilization concentrations

2.5 不同施肥濃度對草莓幼苗葉片生長的影響

如圖4所示，T1處理組在7～14 d葉面積增長速率最快，葉面積最初為20 cm，在7 d內(nèi)快速增長至40 cm，且葉面積在14、21 d始終高于其他處理和對照組。T2處理組與對照組葉面積增長趨勢基本保持一致，而T3處理組的葉面積增長率反而不如對照組。有研究表明硅元素的施用濃度并非越高越好，較高的硅濃度可能導致植物體內(nèi)二氧化硅的聚合，使植物出現(xiàn)株高、莖粗、葉綠素含量降低等脅迫現(xiàn)象[21-22]，這與本實驗結(jié)果相似。

圖4 不同施肥濃度處理對草莓幼苗葉片面積的影響

Fig.4 Effect of different fertilizer concentration treatments on leaf area of strawberry seedlings

2.6 不同濃度硅肥對草莓根系發(fā)育的影響

由圖5可知，在根長和根體積方面，處理組顯著高于對照組，隨著硅肥施用濃度的增加，根長和根體積均呈增長的趨勢，而在根面積方面處理組和對照組并沒有顯著差異。T1處理組僅在根長方面明顯高于對照組，根體積方面有增長趨勢但不顯著。T2處理組的根長和根體積均顯著高于對照組，根長增長了70%、根體積增長了64%。T3處理組與T2處理組保持一致，無顯著區(qū)別。

3 小結(jié)

目前，水溶性硅肥在草莓生產(chǎn)中的應用尚處于初步研究階段，其潛在效益尚未得到充分開發(fā)和系統(tǒng)驗證。本實驗表明，對草莓植株進行水溶性硅肥灌根處理，能夠提高果實單果質(zhì)量，最大增幅為24.45%，同時提高果實著色度及可溶性固形物含量，并減少Pb、Cd、Tl等重金屬在果實中的含量，對草莓果實外觀、口感、安全等品質(zhì)指標都有明顯提升。施用硅肥處理還可以提升K、Ca元素含量，降低Na元素含量，提高Na/K比，同時抑制FaPL、FaPME和FaEG等細胞壁降解酶相關基因的表達量，從而增強草莓果實硬度。以T2處理組效果最佳。

硅肥對植物生長發(fā)育有顯著影響，但肥料投入與作物的產(chǎn)出并非線性關系，過高的硅肥施用量甚至會產(chǎn)生負面效果[21-22]，探尋適宜的施肥濃度對于草莓的品質(zhì)提升及生長發(fā)育尤為重要。本實驗中，在草莓幼苗定植后施用相對較低濃度硅肥的T1處理組葉面積增長速率最為明顯，而施用硅肥濃度較高的T3處理組葉面積的增長率反而不如對照組。綜上所述，在草莓植株幼苗期和生長期分別施用稀釋800倍和400倍的水溶性硅肥灌根處理，有利于植株生長發(fā)育，并提高草莓果實的品質(zhì)及產(chǎn)量。本研究為液態(tài)水溶性硅肥在草莓生產(chǎn)上的應用價值提供科學依據(jù)。

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收稿日期：2024-07-19

基金項目：2022年煙臺開發(fā)區(qū)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（2022TD001）

第一作者簡介：馬迪（1994—），男，工程師，碩士，主要從事農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全控制與標準化工作

*通信作者簡介：吳茂玉（1972—），男，研究員，博士，主要從事果蔬加工、功能成分提取及綜合利用工作