大量元素的缺乏对蓝莓营养生长和气体交换参数的影响

魏炳康, 娄 鑫, 王贺新, 李根柱*

(1.大连大学生命科学与技术学院, 大连 116622； 2.大连大学现代农业研究院, 大连 116622)

蓝莓(Blueberry)是杜鹃花科( Ericaceae)越橘属(Vaccinium)植物,其果实为蓝色小浆果,是一种极具营养价值的水果,含有丰富的维生素C、维生素E、维生素A、过氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、花青素、食用纤维等营养成分以及丰富的钾、铁、锌、锰等微量元素,被联合国粮农组织列为五大健康食品之一[1]。

氮(N)、磷(P)、钾(K)是植物生长发育所必需的三种大量元素,它们在很大程度上决定了植物的光合能力。合理施用氮、磷、钾可以有效提高植物的光合能力[2],促进植物的生长。氮元素作为植物正常生长所必需矿质元素之一,能提高叶绿素含量,影响与光合作用直接有关的光合酶的数量,从而影响光合能力[3-4]。缺施氮肥时,植物生长缓慢,植株矮小,叶色淡黄[3]。磷元素是植物正常生长的必需矿质元素之一,是电子传递、光合磷酸化、CO2固定、卡尔文循环、同化物运输和淀粉合成中的结构组分, 对光合作用有重要调节作用[5]。缺磷严重影响植物的生长发育,物质运输与能量代谢,导致植株生长缓慢、分枝少、植株矮化、茎叶生长缓慢、根系生长不良、生育几乎处于停滞状态等[6-8]。钾元素是植物生长发育必需的营养元素之一,参与植物体内一系列生理生化过程,影响作物水分、光合作用、植物抗性、同化产物运输和酶活性,同时也在作物产量及品质等方面发挥着重要的作用[9-11]。缺钾影响叶绿素含量和叶绿体的结构稳定,降低酶活性,限制光合产物的转运使其在叶片中积累[12-14]。有关植物缺素的研究已有大量报道,诸如对小麦、大豆、水稻和山核桃等,但是针对蓝莓在这方面的研究却鲜有报道。

近年来,中外学者已经对蓝莓缺素展开了相关研究,主要集中在合理施肥提高蓝莓的生长发育和果实产量与品质方面[15-16]。李双双[17]研究表明,合理的施肥能有效提高蓝莓的光合速率,显著增强了蓝莓的抗性,并使得蓝莓的新梢数,花芽数得到了明显的提高。葛敏凯[18]和庞薇[19]研究表明,合理施肥能显著提高蓝莓的产量和品质,提高叶片中的元素含量、叶绿素含量和净光合速率。但也有研究表明,过量施肥会降低果实品质,且抑制花芽分化。基于此，以三种不同品种蓝莓[蓝丰(Bluecrop)、公爵(Duke)、绿宝石(Emerald)]为试验材料,通过水培人工控制营养元素,研究缺素对三种蓝莓的生长量及气体交换参数的影响。旨在探明蓝莓对缺素的响应与适应性特征,为蓝莓的缺素诊断和优质栽培提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取北高丛蓝莓蓝丰、公爵及南高丛蓝莓绿宝石为试验材料,每个品种随机挑选大小一致,刚越冬待萌发的2年生幼苗30株,用清水洗净根部,用定植棉固定到水培容器中,用改良Hoagland营养液进行20 d的适应性预培养。待其长出新叶后选取株高10 cm左右、生长基本一致、无病虫害和机械损伤、根系健壮整齐的20株幼苗为材料进行对照试验。以上苗木来源于大连森茂现代农业有限公司,苗木培养在大连大学校内大棚温室进行。

1.2 试验设计

将经过预培养的幼苗分为4组,分别为对照组(CK)、缺氮组(-N)、缺磷组(-P)和缺钾组(-K),每组5株幼苗,视为5个重复。其中对照组一直用改良Hoagland营养液培养,缺氮组用缺氮营养液培养,缺磷组用缺磷营养液培养,缺钾组用缺钾营养液培养。改良Hoagland营养液含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；缺氮营养液中用K2SO4代替KNO3补足钾元素,缺磷营养液中用K2SO4代替KH2PO4补足钾元素,缺钾营养液中用NH4H2PO4代替KH2PO4补足磷元素,NH4NO3代替KNO3补足氮元素。处理开始后,保持全天通气,每隔2～3 d补一次水,每一周换一次营养液,用稀硫酸调整pH,维持pH为4.5～5.5,共培养56 d。

1.3 测定方法

1.3.1 生长量测量

在缺素处理之前与缺素处理停止时测量幼苗的株高,基径和根体积,两次测量之差为植株生长量。

1.3.2 气体交换参数测定

缺素处理开始后,每株选顶端第3片完全展开的成熟叶为测试对象并挂牌标记,在北京时间9:00—10:00和晚上19:00—21:00,用美国产LI-6400型便携式光合作用测定仪测定叶片的气体交换参数。测定时的光照强度为1 100 μmol/(m2·s)；叶温为(25±1) ℃,周围大气压为(1.01±0.1) kPa,测定暗呼吸速率时叶片遮光暗适应30 min。每2周测定一次直至缺素处理停止。

1.4 数据统计

采用单因素方差分析和Duncan多重比较法比较处理间的显著性差异(P<0.05),利用 SPSS 22.0 统计分析和用SigmaPlot 14.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 -N、-P、-K对三种蓝莓营养生长的影响

由表1、表2可知,缺素处理对三种蓝莓幼苗的生长均有显著影响。缺氮组三种蓝莓的生长均受到明显抑制,公爵的株高和根体积的生长量最小分别为CK的23.35%和24.07%；其次是绿宝石，分别为CK的39.48%和26.82%；最后是蓝丰，分别为CK的50.48%和57.87%。公爵的基径生长量最小，为CK的48.01%；其次是蓝丰，为CK的56.37%；最后是绿宝石，为CK的87.33%。缺磷组中,绿宝石株高和根体积的生长量最小，为CK的60.52%和73.18%；其次是公爵，为CK的63.55%和77.78%；最后是蓝丰，为CK的66.34%和90.01%，公爵的基径生长量最小，为CK的46.37%；其次是蓝丰，为CK的72.76%；最后是绿宝石,与CK无显著差异。缺钾组中,蓝丰的株高生长量最小，为CK的38.94%；其次是绿宝石，为CK的46.07%；最后是公爵，为CK的79.42%；蓝丰的基径生长量最小，为CK的65.67%；其次是公爵，为CK的88.29%；最后是绿宝石，为CK的95.2%；绿宝石的根体积生长量最小，为CK的61%；其次是蓝丰，为CK的79.3%；最后是公爵，为CK的92.6%(表1)。

表1 -N、-P、-K对三种蓝莓株高、基径和根体积的显著性比较Table 1 Significant comparison of -N, -P, -K on height, base diameter and root volume of three blueberries

表2 -N、-P、-K对三种蓝莓株高、基径和根体积的影响Table 2 Effects of -N, -P and -K on height, basal diameter and root volume of three blueberries

2.2 -N、-P、-K对三种蓝莓净光合速率的影响

在-N条件下,绿宝石和公爵的净光合速率(photosynthetic rate,Pn)在0～14 d时就出现显著下降并在14～56 d时保持平稳,而蓝丰在0～42 d时一直显著下降之后保持平稳,蓝丰在-N时表现出较高的耐受性。而在-P和-K处理时,三种蓝莓的Pn在0～14 d时仍能保持较高的状态,表明蓝莓的Pn对-N反应更迅速和敏感(图1)。

图1 -N、-P、-K对蓝丰、绿宝石、公爵叶片Pn的影响Fig.1 Effects of -N, -P, and -K on the Pn of Bluecrop, Emerald, and Duke

2.3 -N、-P、-K对三种蓝莓暗呼吸速率的影响

图2 -N、-P、-K对蓝丰、绿宝石、公爵叶片Rd的影响Fig.2 Effects of -N, -P, and -Kon the Rd of Bluecrop, Emerald, and Duke

由图2可知，在-N处理0～14 d时,蓝丰和公爵的暗呼吸速率(dark respiration rate,Rd)都保持着稳定,而绿宝石的Rd却显著升高(升高86.24%)；在-N处理14～56 d时,蓝丰和公爵的Rd保持着平稳下降的趋势(蓝丰的Rd下降39.57%、公爵的Rd下降74.58%),而绿宝石的Rd先大幅度降低后保持平稳(降低29.12%)。

在-P处理0～28 d时,蓝丰仍能保持较高的Rd,公爵的Rd显著升高(约40.95%),在28～56 d时,蓝丰和公爵的Rd都显著下降,分别为66.51%和39.54%；而绿宝石的Rd在0～14 d 就显著提高(提高60.42%),然后随处理时间的延长,持续降低(降低22.12%)。

在-K处理0～14 d时,蓝丰的Rd显著降低(约15.46%),在14～28 d时因钾元素的转移而略有升高(升高10.77%),而后随着缺素时间延长,Rd持续下降(降低54.11%)；而绿宝石和公爵的Rd在0～14 d时显著升高，分别升高38.07%和61.92%,在14～28 d时段内,绿宝石和公爵显著降低，分别降低9.31%和57.21%,在28～42 d时,由于钾元素的转移再分配利用，绿宝石的Rd下降趋势减缓,而公爵的Rd有明显的升高，升高为24.27%,在42～56 d时,缺素程度超出植株调节阈值,绿宝石和公爵的Rd都恢复下降趋势，分别下降37.91%和28.28%。

在缺素处理时,绿宝石的Rd相较于蓝丰和公爵变化显著,表明绿宝石的Rd对缺素更敏感,而蓝丰的Rd相较于绿宝石和公爵在0～14 d时变化较小,表明蓝丰的Rd对缺素胁迫具有较高的抗性。

2.4 -N、-P、-K对三种蓝莓气孔导度的影响

由图3可知，缺氮时,蓝丰和公爵的气孔导度(stomatal conductance,Gs)一直保持着下降趋势,绿宝石的Gs在14～28 d显著提高,之后显著下降并保持平稳(下降47.17%)；缺磷时,蓝丰的Gs一直保持着下降趋势,而绿宝石和公爵的Gs在0～14 d显著提高,14～56 d显著下降并保持平稳，蓝丰、绿宝石和公爵的Gs分别下降42.88%和71.47%11.95%。缺钾时,蓝丰的Gs一直保持着下降趋势,而绿宝石的Gs 在0～14 d显著提高,14～56 d显著下降,而公爵的Gs在0～14 d显著下降,14～28 d显著提升,随着缺素时间的延长,28～56 d时又显著下降(图3)。

图3 -N、-P、-K对蓝丰、绿宝石、公爵叶片Gs的影响Fig.3 Effects of -N, -P, and -K on Gs of Bluecrop, Emerald, and Duke

2.5 -N、-P、-K对三种蓝莓胞间二氧化碳浓度的影响

-N、-P、-K都可使三种蓝莓的Ci都表现出显著升高(P<0.05),并且随着缺素时间的延长Ci持续升高(图4)。

图4 -N、-P、-K对蓝丰、绿宝石、公爵叶片Ci的影响Fig.4 Effects of -N, -P, and -K on the Ci of Bluecrop, Emerald, and Duke

2.6 -N、-P、-K对三种蓝莓蒸腾速率的影响

由图5可知，缺氮时,蓝丰的Tr一直保持着下降趋势,公爵的蒸腾速率(transpiration rate,Tr)在0～14 d显著提升,绿宝石的Tr在0～28 d显著提高,之后都显著下降；-P时,蓝丰的Tr一直保持着下降趋势,而绿宝石和公爵的Tr 在0～14 d显著提高,14～56 d显著下降。～K时,蓝丰的Tr一直保持着下降趋势,绿宝石的Tr 在0～14 d显著提高,14～56 d显著下降,而公爵的Gs在0～28 d显著提升,随着缺素时间的延长,28～56 d时又显著下降(图5)。

图5 -N、-P、-K对蓝丰、绿宝石、公爵叶片Tr的影响Fig.5 Effects of -N, -P, and -K on the Tr of Bluecrop, Emerald, and Duke

3 讨论

研究结果表明,氮磷钾缺乏均显著影响蓝莓生长及气体交换参数,处理后三种(蓝丰、公爵、绿宝石)蓝莓的株高、基径、根体积及气体交换参数均低于对照组,而胞间二氧化碳浓度则高于对照。其中,缺氮处理对三种蓝莓的影响最大,无论是株高、基茎还是根体积,均为所有处理中最小。并且公爵对氮素缺乏的响应最为剧烈,其次为绿宝石,而蓝丰则表现出了较好的耐受性。与此对应的是,蓝丰在缺氮处理开始的前2周,Pn下降速度远低于其他两种蓝莓,其次是绿宝石,虽然在缺氮初期下降迅速,但后期保持较高的Pn。并且Tr和Gs也随着缺N处理的延续而加剧下降,但植株的Ci却不断升高。这与黄宗安[20]的研究结论一致,说明Pn下降并不是由于气孔关闭导致的,可能是光合结构受损,光化学效率降低引起的。而缺氮植株的Ci却不断升高,可能是CO2利用率降低,再加上光呼吸增强导致的。缺氮初期时，蓝丰的Tr和Gs均显著上升,这可能是蓝丰在缺氮初期通过增大蒸腾作用,加强养分吸收的方式来维持光合作用的具体表现。这与王履清等[21]的研究结果一致。

在缺磷处理中,三种蓝莓的株高受到的影响最大,基茎和根体积也受到不同程度的抑制。其中,公爵对磷素缺乏的响应最为剧烈,其次为绿宝石,而蓝丰则表现出了较好的耐受性。在缺磷处理开始的前2周,三种蓝莓的Pn下降速度差异不显著,这可能是在缺磷早期光合结构还能维持相对稳定。在缺磷后期三种蓝莓的Pn显著下降,只有绿宝石还保持在相对较高的Pn。这可能与长期缺磷使光和结构受损及光合速率下降有关。这与徐红霞[22]研究结论一致。这是因为缺磷短期内光合结构不会遭到破坏,而长期缺磷使激发能捕获效率降低,非光化学猝灭热耗散增加,活性氧清除酶系统活性不断下降,活性氧不断积累,进一步破坏光合结构。在缺磷前期,三种蓝莓的Tr、Gs、Ci和Rd都呈上升的趋势,其中蓝丰的气体交换参数变化程度相较于其他两种蓝莓小,表现出较高的缺磷耐受性。这可能是在缺磷初期通过增大蒸腾作用,提高呼吸作用,来加强养分的吸收,从而维持光合作用的正常进行,这与彭正萍等[23]的研究结果相一致。

在缺钾处理中,蓝丰对钾素缺乏的响应最为剧烈,其次为绿宝石,而公爵则表现出了较好的耐受性。在缺钾时,三种蓝莓的Pn、Tr和Gs都是下降趋势,并在趋势后期保持平稳,而Ci却不断升高。其中在缺钾前期,公爵的Pn下降速度低于蓝丰和绿宝石。这可能是缺钾引起了光合结构改变和光反应中心受损,抑制了CO2的利用,导致Pn、Tr和Gs下降,使Ci不断升高。潘勇辉等[9]在油菜上的研究也印证以上这一点。三种蓝莓的Rd、Tr和Gs在缺钾前期都有显著上升。其中公爵的Rd上升的最多,Tr和Gs持续时间最长,达到了28d。这可能是公爵在缺钾初期通过增大蒸腾作用,提高呼吸作用,来加强养分的吸收,从而维持光合作用的正常进行。这与沈超[24]的研究结果相一致。

4 结论

综上所述,缺素显著影响了蓝莓的正常营养生长,蓝莓的株高、基径和根体积增长受到不同程度的抑制。并且缺素显著降低了蓝莓的Pn、Rd、Gs和Tr,而Ci显著升高,这说明缺素导致非气孔因素的光合作用受阻,二氧化碳同化效率降低,显著影响了蓝莓进行光合作用、呼吸作用和气体交换,抑制了其正常生长。在正常培养中,公爵生长量最大,其次是蓝丰,最后是绿宝石。而在缺钾时,公爵表现出了良好的耐受性；在缺氮和磷时,蓝丰都表现出了良好的耐受性。在缺素时,三种蓝莓受到的影响相似,但由于品种不同又存在差异。所以,更应该对不同品种之间的这种差异进行更深入研究,探讨不同品种对各营养元素的需求量和形态偏好,为蓝莓的营养施加和优质栽培提供理论依据。