铁锌配施对黄瓜生长、光合特性和果实品质的影响

苗妍秀，梁 祎，杨家勤，高星星，侯雷平

(1.山西农业大学 园艺学院，山西太谷 030801；2.山西省设施蔬菜提质增效协同创新中心，山西太谷 030801)

微量元素在植株生长发育和产量形成中起重要作用。作为植物需求量最大的微量元素，铁(Fe)参与调控叶绿素合成、光合作用、氮同化和氧化还原反应等重要生理过程[1-2]。铁在土壤中主要以难溶性Fe3+形式存在，很难被植物吸收利用[3]。缺铁常常引起叶片中叶绿素含量降低、根系形态发育不良，导致植株生长发育减缓[4-6]。通过在草莓、番茄和水稻等作物上的研究发现，施用铁肥有利于叶绿素形成、提高叶片光合效率和果实品质，促进植株体内营养元素积累[7-9]。

锌(Zn)是植物正常生命活动所必需的微量元素，是300多种蛋白质和酶的组成成分，对光合作用、蛋白质合成和生长素合成等具有重要意义[10]。中国约有51.1%的耕地土壤锌含量较少，特别是北方石灰性土壤中有效锌含量低，缺锌现象严重[11]。缺锌易导致植株生长受阻、叶绿素含量减少、色氨酸和生长素含量降低[12]。大量研究发现，施用锌肥可以显著提高植株叶片叶绿素含量和净光合速率，从而提升作物产量[13-14]。施用锌肥还能促进还原糖和氨基酸大量积累，并降低硝酸盐含量，进而改善作物品质[15-17]。然而，目前研究多集中于单一施用锌肥或铁肥，对于铁锌配施对植株果实品质及其对植株的综合评价方面的研究较少。

黄瓜(CucumissativusL.)是世界重要的蔬菜作物之一，也是中国设施蔬菜的主栽作物。由于设施长季节黄瓜栽培具有结果期长、需肥量大、根系分布浅且吸收能力弱等特点，为提升果实产量和品质，需进行多次追肥[18]。叶面施肥被认为是最直接有效的追肥方式[19]。因此，本试验通过叶面喷施铁肥和锌肥来研究其对黄瓜生长、叶片光合特性、果实品质和植株元素积累方面的影响，旨在为黄瓜高产优质栽培提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于山西农业大学日光温室中进行，供试土壤(0～30 cm)为壤土，体积质量为1.21 g·cm-3，田间持水量为19.21%，pH为6.80，电导率为1.18 dS·m-1，有机质含量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，速效钾含量40.4 mg·kg-1。

本试验以‘中农16号’黄瓜为试验材料。2019-03-02，黄瓜种子经55 ℃温汤浸种后，在 28 ℃恒温箱催芽，露白后播种在50孔穴盘中，放置于日光温室中育苗。定植前在土壤中施入羊粪12 t·hm-2，并进行深耕。4月20日，将3叶1心的黄瓜幼苗定植于日光温室中，定植后采用温室日常管理和农艺措施，结果期施用‘六国网’牌复合肥料(N∶P2O5∶K2O，24∶12∶12)449.78 kg·hm-2，分3次平均施用，以追肥的形式随灌溉水施入土壤。灌溉采用常规沟灌，定植后约7 d灌溉1次，结果期约3～4 d灌溉1次。进入结果期后开始进行叶面施肥处理，本试验共设4个处理：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%)。采取随机区组设计，每个处理重复3次，小区面积为(1.2×4.5) m2。每7 d处理1次，共施肥3次，每次喷施4.8 L，Fe、Zn和Fe+Zn处理3次喷施的溶液总量分别为1.12 kg·hm-2、1.53 kg·hm-2和2.65 kg·hm-2。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 黄瓜生长指标测定 在开始处理的第0、7和14天，测定黄瓜株高、叶片数和最大叶片的叶长和叶宽，根据叶面积=0.743×叶长×叶宽，计算黄瓜叶片的叶面积[20]。每个处理重复6次。

1.2.2 黄瓜叶片光合特性测定 在叶面施肥3次后的晴天9:00-11:00，使用LI-6400XT光合仪(美国Li-Cor公司)测定黄瓜叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。使用透明叶室，叶温为28 ℃，CO2浓度为400 μmol·mol-1，气流速率为500 mL·min-1，相对湿度为40%～60%。每个处理4次重复。在叶面施肥3次后，测定黄瓜叶片色素、可溶性糖和可溶性蛋白质含量，叶片色素含量使用95%乙醇方法测定，可溶性糖含量使用蒽酮乙酸乙酯方法测定，可溶性蛋白质含量使用考马斯亮蓝G-250方法测定[21]。每个处理重复4次。

1.2.3 黄瓜果实品质测定 在叶面施肥3次后，测定果实单果质量、可溶性糖、可溶性蛋白质、硝酸盐、维生素C和游离氨基酸含量。维生素C含量使用2,6-二氯酚靛酚方法测定，硝酸盐含量使用水杨酸-硫酸方法测定[21]。游离氨基酸使用2%磺基水杨酸(质量分数)方法提取，HITACHI-L-8800氨基酸分析仪(日本日立)测定[22]。每个处理重复4次。

1.2.4 黄瓜元素积累及分布测定 在叶面施肥3次后，测定黄瓜叶片、茎和果实的元素积累及分布情况，称取干样0.2 g，使用浓HNO3和H2O2混合液进行消煮，使用AA-6200原子吸收分光光度计(日本岛津)测定Fe、Zn、Cu、K、Ca和Mg元素含量。每个处理重复4次。

1.3 数据统计与分析

使用SPSS 20.0(美国IBM公司)one-way ANOVA 单因素方差分析中Duncan’s多重比较方法对数据进行方差分析，使用Two-way ANOVA 双因素方差分析比较变异来源，包括Fe、Zn和Fe×Zn互作效应，使用隶属函数分析方法对黄瓜植株生长发育进行综合评价[23]。

2 结果与分析

2.1 铁锌配施对黄瓜植株生长的影响

由图1可见，铁锌配施促进黄瓜植株生长。在处理第14天时，与CK相比，Fe+Zn处理的黄瓜株高、叶片数和最大叶片的叶面积分别增加9.82%、1.48%和13.99%，但处理间差异不 显著。

2.2 铁锌配施对黄瓜叶片光合特性的影响

整体来看，铁锌配施显著提升黄瓜叶片光合特性和色素含量(图2和表1)。与CK相比，Zn处理的黄瓜叶片Tr和可溶性蛋白质含量分别显著增加16.27%和67.39%，Fe+Zn处理的叶片Pn显著增加9.68%、叶片色素(叶绿素a+b、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素)和可溶性蛋白质含量均显著升高。双因素分析结果发现，Fe和Zn各自对Pn、叶片色素和可溶性蛋白质有显著影响，Fe和Zn互作效应显著表现在叶片色素上。

表1 铁锌配施下黄瓜叶片生理特性Table 1 Physiological characteristics of cucumber leaves under Fe and Zn fertilizers

2.3 铁锌配施对黄瓜果实品质的影响

与CK相比，Fe处理的黄瓜果实可溶性蛋白质含量显著增加46.60%，Fe处理和Zn处理的黄瓜果实总氨基酸、必需氨基酸(Val、Met、Ile、Leu、Phe和Lys)、条件必需氨基酸(His和Arg)和非必需氨基酸(Asp、Ser、Gly、Cys、 Tyr和Pro)含量均显著增加，Fe+Zn处理的黄瓜单果质量和条件必需氨基酸含量显著增加，而硝酸盐含量显著降低(表2)。Fe对单果质量、硝酸盐、可溶性蛋白质、可溶性糖和非必需氨基酸存在显著影响，Zn对单果质量和可溶性蛋白质含量存在显著影响，Fe和Zn在单果质量、Vc和氨基酸含量上存在显著的互作效应。

铁锌配施促进黄瓜果实游离氨基酸大量积累(图3)。与CK相比，Fe处理和Zn处理促进黄瓜果实12种游离氨基酸(Asp、Ser、Gly、Cys、Val、Ile、Leu、Tyr、Phe、His、Arg和Pro)大量积累， Fe+Zn处理的果实Ser、Ile、Leu和Arg含量显著增加，而Lys含量显著减少。

表2 铁锌配施下黄瓜果实品质Table 2 Fruit quality of cucumber plants under Fe and Zn fertilizers

2.4 铁锌配施对黄瓜植株元素积累的影响

铁锌配施改变黄瓜植株元素积累。与CK相比，Fe处理的黄瓜叶片中Fe含量和茎中Cu含量均显著增加61.29%，Zn处理的果实中K和Mg含量显著增加，Fe+Zn处理的叶片Fe、Zn含量和茎中K含量均显著升高，而果实Fe和Zn含量显著降低(表3)。

2.5 铁锌配施对黄瓜植株生长发育的综合评价

使用隶属函数分析法对黄瓜植株生长状态、叶片光合特性和果实品质进行综合评价，结果(表4)表明，Fe+Zn处理的黄瓜植株生长发育的综合评价值最高，Fe处理次之，CK和Zn处理的综合评价值最低。

表4 铁锌配施对黄瓜植株生长发育的综合评价Table 4 Membership function analysis for cucumber growth and development under Fe and Zn fertilizers

3 讨 论

铁锌配施显著提升黄瓜叶片中叶绿素含量和光合效率。叶绿素是植物吸收、传递和转化太阳光的重要光合色素，是决定光合效率高低的重要因素[24-25]。植株细胞约有80%Fe元素集中在叶绿体中，Fe不仅参与叶绿素合成，还是光合电子传递链中细胞色素b6f(Cytb6f)复合体、Fe-S中心、铁氧还原蛋白(Fd)和Fd-NADP+还原酶(FNR)的重要组成部分，在调控光合作用的光反应中起着重要作用[5,26]。Zn作为叶绿体中 Cu/Zn-SOD的重要组成成分，在维持叶绿体膜结构的稳定性上起到重要作用[27-28]。同时，Zn还是光合作用中碳酸酐酶(CA)的组成成分，参与调控CO2同化过程[29-30]。本试验中，叶面同时喷施Fe和Zn促进叶片中Fe和Zn大量积累，进而促进叶绿素合成，提升光能利用效率和碳同化能力，增强叶片的光合效率(图2、表1和表3)。这和在番茄和藿香上的研究结果基本一致[9,31]。

铁锌配施显著提升黄瓜果实品质。Fe是硝酸还原酶(NR)和亚硝酸还原酶(NiR)的重要组成成分， NR和NiR是参与硝酸盐同化的重要还原酶[32-33]。本试验中，Fe处理的黄瓜果实可溶性蛋白质显著增加，这主要是因为外源Fe显著提高叶片Fe含量，促进硝酸盐同化和蛋白质合成[19](表2和表3)。Fe+Zn处理的果实硝酸盐含量显著降低，主要是因为叶面同时喷施Fe肥和Zn肥显著提升黄瓜叶片光合效率，而良好的碳同化能为氮代谢提供充足的碳源和能量，促进硝酸盐同化进程，进而提升果实品质。

铁锌配施显著增加黄瓜果实氨基酸含量。氨基酸是构成蛋白质的基本物质，也是植物重要的氮代谢产物，植株从外界吸收无机氮后，经过酶的催化作用将其转化为氨基酸[34]。本试验中，Fe、Zn和Fe+Zn处理的黄瓜果实游离氨基酸含量均有不同程度升高(图3和图4)。这主要是因为外源Fe和Zn均能显著提升NR和NiR活性，加快硝酸盐同化，进而促进氨基酸的大量积累[15,35-36]。同时，Fe处理和Zn处理的黄瓜果实总氨基酸、必需氨基酸(Val、Ile、Leu、Phe)、条件必需氨基酸(His和Arg)和非必需氨基酸(Asp、Ser、Gly、Cys、Tyr和Pro)均显著增加，Fe+Zn处理的条件必需氨基酸(Arg)显著增加，说明叶面喷施铁肥和锌肥促进黄瓜果实中必需氨基酸和条件必需氨基酸的合成，有效提升果实品质。

4 结 论

叶面喷施铁肥能显著增加黄瓜叶片中Fe含量、果实可溶性蛋白质和总氨基酸含量。叶面喷施锌肥能显著增加叶片可溶性蛋白质、果实K、Mg含量和总氨基酸含量。叶面同时喷施铁肥和锌肥能显著增加叶片Pn、叶片色素、可溶性蛋白质、Fe和Zn含量，显著提高果实单果质量和游离氨基酸含量，并显著降低果实硝酸盐含量。因此，叶面同时喷施铁肥和锌肥促进黄瓜叶片Fe和Zn元素积累，提升黄瓜叶片光合特性和果实品质。