废弃物基质对高温气候下‘金丝皇菊’生长的影响

刘向东，尹陈茜，陈雪峰，甘德欣，于晓英*，许 璐*

（1.湖南农业大学园艺学院，湖南长沙 410128；2.湖南省中亚热带优质花木繁育与利用工程技术中心，湖南长沙 410128；3.湖南农业大学风景园林与艺术设计学院，湖南长沙 410128）

【研究背景】栽培基质是植物生长的一个重要生态因子，直接影响植物的生长和产量。黄壤土和泥炭土是最常见的两种基质，泥炭为不可再生资源，黄壤土质地黏重、养分含量较单一且易板结。【前人研究进展】有研究认为添加生物炭和有机肥可提高植物的生长，增强光捕获能力并促进其光合作用[1-2]。腐熟有机废弃物作基质能促进植物生长发育，有机废弃物不但养分含量齐全而且腐殖质含量高，很多学者已开展有机废弃物作基质对农作物、园艺植物等方面的研究。【研究意义】‘金丝皇菊’（Chrysanthemum morifolium‘Huangju’）花大、色艳，富含黄酮、氨基酸和微量元素，具有较高的观赏和药用价值。同时作为茶用菊在湖南等地区广泛栽培生产，具有极高的经济价值[3-4]。‘金丝皇菊’最适生长温度为20～25 ℃，生长期内温度超过35 ℃植株停止生长进入休眠状态，超过40 ℃植株易灼伤。我国大部分地区夏季高温，尤其是湖南地区的中午高温时段，温度高达40 ℃，对‘金丝皇菊’生长影响极大。光合作用是植物生长发育的基础，对高温胁迫极其敏感。高温环境下，在植物其他表性症状还未出现时光合作用就被部分抑制甚至完全抑制，植物生长速率也随之下降[5]。植物的光响应曲线能反映自身光合速率随光照强度变化的特性，植物净光合速率对光照强度的响应曲线是评价植物光合能力的有力工具[6]。因此，测定植物的光响应曲线对于判定植物的光合能力具有重要意义。叶绿素荧光参数与叶肉细胞光合作用中各种反应过程密切相关，是评估PSII 状态良好与否的指标[7]。【本研究切入点】目前，关于‘金丝皇菊’的研究在国内外少见，且研究的内容主要是关于‘金丝皇菊’的盐胁迫和品质评价，近几年湖南及周边地区大量涌现‘金丝皇菊’种植基地，‘金丝皇菊’在本地区的高温越夏问题也亟待解决。【拟解决的关键问题】本文以堆腐后的中药渣与园林废弃物为自制基质，与黄壤土和泥炭土对比，研究高温条件下不同栽培基质对‘金丝皇菊’营养生长的影响，通过分析自制基质对‘金丝皇菊’的光合指标和叶绿素荧光的调控作用，探究自制基质能否提高夏季高温地区的‘金丝皇菊’营养生长积累，从而进一步提高‘金丝皇菊’的产量。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于湖南农业大学观赏园艺研究所（N28°10'46.99″，E113°04'35.90″），海拔34 m，属于亚热带季风性湿润气候，夏季平均气温在38 ℃左右，且降水充沛，雨热同期。

1.2 试验材料准备

自制有机废弃物基质包括园林废弃物基质和中药渣基质，园林废弃物为试验地所在校园香樟（Cin⁃namomum camphora）、杜仲（Eucommia ulmoides）、垂柳（Salix babylonica）、柿树（Diospyros kaki）的凋落叶，中药渣成分包括甘草、党参、当归、黄芪、川木通等。将收集的园林废弃物和中药渣晾干后用粉碎机粉碎、过筛，然后堆制发酵。将彻底发酵完成后的中药渣与园林废弃物耙松备用。选择两种常见基质（黄壤土、泥炭土）作为对照组。

以株高12 cm、茎粗0.3 cm、冠幅8 cm、5片叶、生长健壮的‘金丝皇菊’扦插苗为植物材料作盆栽实验。

1.3 试验设计

‘金丝皇菊’于5月8日换上统一规格的硬质塑料盆，试验共4个不同处理（黄壤土、园林废弃物基质、中药渣基质、泥炭土），每个处理15盆，每盆1株，采用随机区组设计。放置在全光照环境下养护，除基质条件不同，其他栽培环境与肥水管理均一致。

盆栽后的第一个月每隔7 d，后3 个月每隔14 d 检测生长指标。‘金丝皇菊’生长3 个月后，于高温期检测其光合指标。

1.4 指标测定

基质容重、总孔隙度、持水能力测定采用郭世荣方法测定；pH 和EC 用水浸，水土比为2.5∶1，分别用PB-10 酸度计和电导率仪测定[8]；基质全氮采用元素分析仪测定（2400II CHNS/O Elemental Analyzer，Per⁃kin-Elmer，USA）；全钾采用氢氧化钠碱-火焰光度法；全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法；有效磷采用氟化铵浸提-钼锑抗比色法测定，有效钾采用乙酸铵浸提-原子吸收法测定[9]；碱解氮采用碱解扩散法测定；氨态氮和硝态氮用1 mol/L 的氯化钾浸提，流动注射分析仪测定（FIAstar 5000 Analyzer，Foss Teca⁃tor，Denmark）；有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；腐殖质、富里酸、胡敏酸采用焦磷酸钠浸提-重铬酸钾氧化法，用产地日本的总有机碳分析仪测定。

光合作用采用LI-6400 光合仪测定，09:00—11:00 选择晴朗无风少云的天气，测植株的光合作用。测定时选择植株生长点下第3 片叶的净光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、气孔导度（stomatal conductance，Gs）、胞间CO2浓度（intercellular CO2concentration，Ci）、蒸腾速率（transpiration rate，Tr）等参数。同时，采用LI-6400 光合仪自动光曲线程序测定‘金丝皇菊’的光合-光响应曲线。设定光合有效辐射梯度（PAR）为：2 000，1 800，1 600，1 400，1 200，1 000，800，600，400，200，150，100，50，20，0 µmol/（m2·s），流速设定为500 µmol/s。根据叶子飘[10]的方法拟合光响应曲线，并计算出最大净光合速率（maximum net photosynthetic rate，Amax）、光补偿点（light compensation point，LCP）、光饱和点（light saturation point，LSP）、暗呼吸速率（dark breathing rate，Rd）和表观量子效率（apparent quantum ef⁃ficiency，AQY）；并比较不同基质种植‘金丝皇菊’的光合差异。叶绿素荧光采用FluorPen FP110 手持式叶绿素荧光仪，用叶片夹暗适应30 min 后测定初始荧光（initial fluorescence，Fo）、最大荧光（maxi⁃mum fluorescence，Fm）、最大光化学效率（maximum photochemical efficiency，Fv/Fm）、荧光瞬变初始斜率（Mo）、PSII 的量子效率（Fv/Fo）；能量分配比率参数：电子传递的量子产额（Phi_Eo）、捕获的激子将电子传递至超过QA 的其它电子受体的概率（Psi_o）、用于热耗散的量子比率（the quantum rate of heat dissipation，Phi_Do）；PSⅡ比活性参数:捕获用于还原QA 的能量（TRo/RC）、吸收的光能（ABS/RC）、捕获用于电子传递的能量（ETo/RC）、耗散的能量（DIo/RC）；用叶片夹暗适应20 min 后测定非光化学淬灭系数（non-photochemical quenching coefficient，NPQ）和光化学淬灭系数（photochemical quenching coefficient，qP）。

1.5 数据分析

用Excel 2010 整理数据，用Origin Pro2018 作图，采用SPSS Statistics 17.0 进行方差分析，多重比较采用Duncan法，P＜0.05表示差异显著，P＜0.01表示差异极显著。

2 结果与分析

2.1 4种基质的理化性质比较

表1 4种基质的理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of the four matrices

表2 4种基质的有效养分含量Tab.2 Available nutrient contents of four substrates

表2表明，中药渣基质的全氮、全钾、碱解氮、有机碳、腐殖质、富里酸、胡敏酸含量极显著高于其他3种基质（P＜0.01）。黄壤土的全磷含量极显著低于其他基质（P＜0.01）。园林废弃物基质的速效磷含量最高为72.93 mg/kg，泥炭土的速效钾含量极显著高于其他基质（P＜0.01）。园林废弃物基质的硝态氮和氨态氮含量明显高于其他3种基质。由理化性质分析结果可知，园林废弃物和中药渣基质的养分含量最高，泥炭土次之，黄壤土最低，自制基质的有效养分含量均高于传统基质。

2.2 不同基质对‘金丝皇菊’营养生长的影响

不同基质对‘金丝皇菊’株高影响的差异显著（P＜0.05）。5—6 月株高生长快，7—9 月株高生长速度减缓。6月5日开始各个处理的‘金丝皇菊’株高表现出显著性差异，中药渣基质对‘金丝皇菊’株高生长有明显的促进作用，园林废弃物基质次之。9 月4 日，种植于自制有机废弃物基质的‘金丝皇菊’株高均明显高于对照组（图1）。

6 月26 日前茎粗生长缓慢，6 月26 日后‘金丝皇菊’茎增粗速度快。栽种1 个月，园林废弃物和中药渣基质无显著性差异，但与黄壤土和泥炭土有显著性差异（P＜0.05）。9 月4 日中药渣基质栽种的‘金丝皇菊’茎粗最粗为1.38 cm，黄壤土栽种的‘金丝皇菊’茎粗最细为0.82 cm（图2）。

图1 基质对高温环境下‘金丝皇菊’株高的影响Fig.1 Effect of substrate on plant height of H.chrysanthemum under high temperature

图2 基质对高温环境下‘金丝皇菊’茎粗的影响Fig.2 Effect of substrate on stem thickness H.chrysanthemum under high temperature

‘金丝皇菊’前期冠幅生长速度相对于后期快，中药渣和园林废弃物基质有利于冠幅的生长，泥炭土和黄土较弱。9月4日，中药渣基质种植‘金丝皇菊’冠幅显著高于其他基质（图3）。

‘金丝皇菊’生长前期叶片生长缓慢，后期生长加快。自制有机废弃物基质种植‘金丝皇菊’的叶片数显著高于传统基质（P＜0.05）（图4）。

图3 基质对高温环境下‘金丝皇菊’冠幅的影响Fig.3 Effect of substrate on crown width of H.chrysanthemum under high temperature

图4 基质对高温环境下‘金丝皇菊’叶片数的影响Fig.4 Effect of substrate on leaf number of H.chrysanthemum under high temperature

2.3 基质对‘金丝皇菊’光合生理的影响

2.3.1 基质对‘金丝皇菊’光合-光响应曲线的影响不同基质种植下‘金丝皇菊’叶片对光照强度的响应不同，‘金丝皇菊’叶片净光合速率均随光照强度增大而增大，达到一定程度后趋于稳定（图5）。泥炭土和自制有机废弃物基质栽种的‘金丝皇菊’暗呼吸速率（RD）、光补偿点（LCP）低于黄壤土，而最大净光合速率（Pnmax）、光饱和点（LSP）、表观量子效率（AQY）高于黄壤土。4 个处理中，中药渣基质的最大净光合速率最大，黄壤土最低。黄壤土光饱和点最低为1 748.592 1µmol/（m2·s），园林废弃物基质光饱和点高（表3）。

2.3.2 基质对‘金丝皇菊’叶片光合特性的影响光合作用是植物生长过程中的重要生理活动，净光合速率反映了植物光合作用中有机物的积累速度[14]。由表4 可知，Pn、Gs、Ci、Tr、WUE之间呈正比。4 种基质的Pn由大到小依次为中药渣基质、园林废弃物基质、泥炭土和黄壤土，说明养分齐全且通透性好的基质能提高植物净光合速率，养分含量较少的黄壤土对植物的净光合作用有一定抑制作用。自制有机废弃物基质能显著提高‘金丝皇菊’叶片Gs、Ci、Tr和WUE，进而能提高叶片光合作用促进有机物不断积累。

图5 ‘金丝皇菊’光合-光响应曲线Fig.5 Net photosynthetic rate-light response curves in leaves of H.chrysanthemum

表3 基质对高温环境下‘金丝皇菊’叶片光响应曲线特征参数的影响Tab.3 Effects of substrates on the characteristic parameters of light response curves of the H.chrysanthemum leaves under high temperature

2.4 不同基质对‘金丝皇菊’叶片叶绿素荧光的影响

高温气候环境下，黄壤土栽种‘金丝皇菊’叶片OJIP 曲线发生变形较于其他基质大（图6）。黄壤土栽种的‘金丝皇菊’叶片Fm最低，园林废弃物基质栽种的‘金丝皇菊’叶片的Fm最高。黄壤土和泥炭土Fo显著高于园林废弃物和中药渣基质（图7）。

对快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的信息进行数学解析，可得多个荧光参数。阶荧光相对变量（Vj）各处理之间无显著性差异。Fv/Fo可反映PSⅡ潜在活性，高温环境下黄壤土和泥炭土种植的‘金丝皇菊’Fv/Fo值显著低于园林废弃物和中药渣基质。黄壤土基质种植的‘金丝皇菊’Mo显著高于其他基质（表5）。

表4 基质对高温环境下‘金丝皇菊’叶片光合特性影响的单因素分析Tab.4 Single factor analysis of the effects of substrates on the photosynthetic characteristics of H.chrysanthemum

由表5可知，高温环境下，自制有机废弃物基质栽种的‘金丝皇菊’叶片Fv/Fm和Phi_Eo显著高于泥炭土和黄壤土，说明高温环境下泥炭土和黄壤土种植的‘金丝皇菊’电子传递受到严重抑制，光反应活性显著下降，同时Phi_Do高。以有活性的反应中心（RC）为基础，高温环境下园林废弃物基质和中药渣基质显著低于黄壤土和泥炭土基质种植的‘金丝皇菊’ABS/RC、TRo/RC和DIo/RC的数值，说明中药渣基质和园林废弃物基质优化了高温环境下叶片光能的分配，增强了电子传递的能力，从而缓解高温环境诱导的伤害。园林废弃物和中药渣基质栽种的‘金丝皇菊’ETo/RC显著低于黄壤土和泥炭土基质，说明园林废弃物和中药渣基质栽种的‘金丝皇菊’叶片减少用于电子传递的能量份额，而增加热耗散的能量份额以减少高温引起的伤害。

图6 基质对高温环境下‘金丝皇菊’叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的影响Fig.6 Effects of substrates on fast chlorophyll fluorescence-induced kinetics curves（OJIP）of H.chrysanthemum leaves under high temperature

图7 基质对高温环境下‘金丝皇菊’初始荧光（Fo）和最大荧光（Fm）的影响Fig.7 Effect of substrates on H.chrysanthemum Fo and Fm under high temperature environment

在高温环境下传统基质种植的‘金丝皇菊’NPQ 显著高于自制基质，而qP显著低于自制基质（图8），说明髙温环境下传统基质种植造成‘金丝皇菊’叶片PSII 不可逆转的损伤，而自制基质种植的‘金丝皇菊’通过提高叶片电子传递活性，缓解高温环境下多余能量对PSII的抑制，从而提高高温环境下‘金丝皇菊’叶片的光化学效率。

表5 基质对高温环境下‘金丝皇菊’比活性和能量分配的影响Tab.5 Effects of substrate on specific activity and energy distribution of H.chrysanthemum

3 结论与讨论

3.1 自制栽培基质的氮元素和总腐植酸对‘金丝皇菊’高温越夏的影响

栽培基质的主要功能是固定植物，供水、供应养分、调节供氧气，栽培基质的理化性质将直接影响植物生长[15-16]。氮是植物生长和发育需要的大量营养元素之一，是调节陆地生态系统生产量、结构和功能的关键因素[17]。前人研究认为氮素能促进植物的生长，促进植物光合作用[18-21]。有机废弃物基质可增加植物氮质量分数，可有效促进植物对氮元素的吸收[22]。腐植酸不仅能提高基质肥力，提高植物光合速率，还有抗菌和抗病毒作用[23]。李英浩等[24]研究认为在干旱胁迫程度下，喷施腐植酸后，燕麦叶片的Pn提高，增强光合产物积累，延缓植株衰老，抗旱性增强。李茂松等[25]研究表明，富里酸抗蒸腾剂可提高小麦光合速率，减小气孔开度、降低蒸腾强度，起到促进冬小麦生长和减少水分散失的作用。本试验的中药渣基质和园林废弃物基质富含腐殖质、富里酸、腐植酸且养分齐全，其有机氮源经微生物矿化后以硝态氮、铵态氮、碱解氮等形态被‘金丝皇菊’吸收所利用，促成‘金丝皇菊’的生长发育[26]。所以两种自制有机废弃物基质种植的‘金丝皇菊’营养生长佳，且叶片净光合速率大，说明两种自制基质对‘金丝皇菊’叶片净光合速率有促进作用。

图8 基质对高温环境下‘金丝皇菊’非光化学淬灭系数和光化学淬灭系数的影响Fig.8 Effect of matrix on H.chrysanthemum NPQ and qP under high temperature

3.2 栽培基质水分对‘金丝皇菊’净光合速率的影响

基质水分条件是影响植物生长及光合生理的重要因素[27]。水分胁迫引起植物光合作用减弱是导致作物减产的一个关键因素[28-29]。由于‘金丝皇菊’忌旱怕涝，受湖南高温多雨天气的影响，7月中上旬连绵多雨，7 月底至8 月份高温干旱，黄壤土持水能力强，透水性差，7 月中上旬盆土积水严重，黄壤土质地黏重，8 月份高温干旱盆土易板结，所以黄壤土种植的‘金丝皇菊’受环境和基质影响Pn随着Gs的减小而降低。本研究发现，黄壤土和泥炭土种植的‘金丝皇菊’Gs明显下降，叶片气孔发生关闭，减少蒸发的同时阻碍了外界CO2进入叶肉细胞，导致植物Pn降低，此时光合作用受限是由气孔限制引起的，与前人研究一致[30-32]。本研究中，自制有机废弃物基质理化性质好，显著提高了‘金丝皇菊’叶片光饱和点，且光补偿点低，‘金丝皇菊’叶片进行光合作用的时效延长，有利于叶片对光能的转化，合成的光合产物增加，促进光合作用的进行。

3.3 高温环境下‘金丝皇菊’的叶绿素荧光特性

叶绿素荧光可检测量化光合器官在逆境条件下受到的损害，尤其是PSII 的功能和活性的变化[33]。前人已利用叶绿素荧光技术反应其他植物在干旱、高温、施肥、盐胁迫等方面受到的影响[34-36]。本试验利用快速叶绿素荧光技术来反映高温环境下基质对‘金丝皇菊’营养生长期光合器官结构和性能的影响。两种自制基质较对照组基质理化性质佳，通透性好，‘金丝皇菊’的Fm、Fv/Fm、Fv/Fo显著高于对照组，Fo值显著低于对照组，因为在高温环境下，对照组‘金丝皇菊’由于高温加强叶绿体呼吸，导致部分QA发生还原作用，对照组中的‘金丝皇菊’PSII光反应中心受到伤害。NPQ和qP两个指标表示植物耗散过量光能的能力，是反映植物光保护能力的重要指标[7]。本研究中两种自制基质qP值显著高于对照组，而NPQ值显著低于对照组。这说明对照组的‘金丝皇菊’通过耗散的形式将过的光能释放以避免对植物的损害[37]。高温环境下以黄壤土和泥炭土为基质种植的‘金丝皇菊’的光系统结构和功能受到破坏，一定程度上抑制了营养生长，而自制有机废弃物基质有保护叶片中光合色素效果，稳定光合反应中心分子结构，并保持电子传递链畅通，增强电子传递效率的能力，有助于促进光化学活性和光合性能的提高以及能量的高效分配，从而缓解高温胁迫对光合器官结构和功能的伤害，增强‘金丝皇菊’的热稳定性，能有效促进‘金丝皇菊’的营养生长。

综上，本研究认为中药渣基质和园林废弃物基质可促进‘金丝皇菊’夏季高温环境营养生长，促进其光合作用的进行，为今后夏季高温地区生产‘金丝皇菊’提供了参考依据。