喷施微肥对定位施肥烟株成熟期生理代谢的影响

王月敏，柯玉琴，谢榕榕，李春英，李文卿

（1福建省烟草专卖局烟草科学研究所，福州 350013；2福建农林大学生命科学学院，福州 350002；3福建农林大学资源与环境学院/国际镁营养研究所，福州 350002）

0 引言

烟株生长过程中需要氮磷钾等大量元素，而中微量元素对于烟株生长发育与烟叶产质量的形成也至关重要[1-3]。中微量元素直接或间接参与植物体内生理生化过程，多种中微量元素还是植株氧化还原反应及呼吸作用关键酶的组成部分和载体[4]。近些年来，随着作物品种的改良和产量的提高，土壤中中微量元素随着作物生长及收获逐渐流失[5]。在烟叶生产过程中，烟农为追求产量，施用肥料时主要使用氮磷钾等大量元素，往往忽略中微量元素的补充，土壤中缺乏中微量元素，导致烟叶品质下降[3,6]。镁、铁、锌、钼、锰作为烟株生长发育所需的中微量元素，不仅参与生物大分子的合成，增强酶活性，在促进烟株生长、增强抗逆性、提高烟叶产质量与可适用性等方面也起着重要作用[7-9]。

烟株生长中后期需要大量养分，不合理的施肥方式及土壤中养分的不平衡影响烟株的生长发育，导致烟叶产质量的下降，通过土壤增施或叶面喷施微肥的方式可以增加作物对肥料的吸收，促进作物体内养分供应均衡，提高作物产量与品质[10]。然而土壤环境复杂，土壤增施的肥料利用率低，叶面喷施微肥则能有针对性地补充作物营养、调节作物营养状况、促进叶片生长、提高烤烟的产质量，具有用量少、吸收快、效率高的优点，能有效减少化肥对土壤的污染，延缓土壤退化速率[11-12]。

烤烟生产中，由于有机肥的施用相对较少，一些地方存在长期不施有机肥的现象，导致土壤出现较明显的沙化，土壤保水保肥能力下降。土壤沙化导致养分流失，烟株生长受到影响。福建烤烟生长后期常遇高温强光天气，烟株营养不平衡可能影响烤烟生长后期烟叶正常成熟采收。笔者探究10年定位施用纯化肥烟田烟株打顶后喷施中微量元素对烟叶内在生理活动的影响，通过测定叶绿素、光合作用、荧光特性、NR活性、细胞膜透性、抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性、MDA活性等生理代谢指标，对叶面喷施微肥效果进行评价，以期为促进烟叶正常成熟、提高烟叶适烤性提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验方法

试验于2018年在福建省烟草专卖局烟草科学研究所宦溪科研基地连续10年纯化肥定位施肥的烟田进行。试验田于2009年开始进行纯化肥定位施肥，施肥前耕层土壤有机质为28.96 g/kg，碱解氮144.66 mg/kg，速效磷5.85 mg/kg，速效钾142.43 mg/kg，pH 5.76。试验田采用烟-稻轮作方式，2017年水稻收割后测定土壤有机质为22.86 g/kg，碱解氮174.67 mg/kg，速效磷21.80 mg/kg，速效钾131.71 mg/kg，pH 4.58。烟田烟株打顶后10天进行喷施不同中微量元素的喷施处理，10天以后再次喷施。共设6个处理。T1喷施浓度为0.5%的硫酸镁(MgSO4·7H2O)，T2喷施浓度为0.5%的硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)，T3喷施浓度为0.2%的硫酸锌(ZnSO4·7H2O)，T4喷施浓度为0.1%的钼酸(HMoO3)，T5喷施营养液浓度为0.1%的硫酸锰(MnSO4·5H2O)，T6对照(CK)不喷施任何中微量元素，在其他处理喷微量元素时，T6处理喷清水。

每处理参试烟株20株，参照当地优质烟生产技术方案田间管理。烟稻轮作，每年水稻收割后将稻草清理出田。施氮量为97.5 kg/hm2，N:P2O5:K2O=1:0.75:2.63，不施任何有机肥。肥料种类为烟草专用肥(N:P2O5:K2O=12:8:22)、钙镁磷、硝酸钾和硫酸钾。

1.2 测定项目

在第一次喷施微肥后30天（6月12日测定），烟株表现明显差异时进行生理指标测定。取烟株倒2～倒3叶片，带回实验室剪碎混匀后用于测定各生理指标。叶绿体色素含量、NR活性采用李合生[13]的方法测定；膜相对透性及伤害率、SOD活性、MDA含量参照邹琦[14]的方法测定；CAT活性采用高俊凤[15]的方法测定；POD活性采用张志良等[16]的方法测定，以每分钟OD变化值表示酶活性大小，即以ΔOD470/(min·mg蛋白质)表示。

选择烟株倒2叶用于测定光合作用和荧光特性参数。光合作用参数用英国CIRAS-2便携式光合仪(PPSystem)测定，温度为(28±2)℃，光强为1000 μmol/(m2·s)，CO2浓度为380 μmol/mol。荧光参数采用Hansatech公司生产的Pocket PEA便携式叶绿素荧光计测定，暗适应时间为30 min。

采用相对透性表示细胞膜受伤害的程度，伤害率是显示处理过的材料与未处理过（对照）的材料之间的伤害程度，由式(1)～(3)计算得出。

1.3 统计分析

数据的初步统计作图等由Excel 2010完成，方差分析和多重比较由DPS 7.05完成。

2 结果与分析

2.1 烤烟生长后期喷洒中微量元素对烟叶形态及光合色素的影响

由表1可见，喷施0.2%硫酸锌、0.1%钼酸、0.1%硫酸锰、0.5%硫酸镁、0.5%硫酸亚铁不同中微量元素后，叶片叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb)和叶绿素总量(Chl)均有较明显上升，但除喷施0.2%硫酸锌达到极显著水平外，其他处理没有达到显著差异。说明各种中微量元素的补充对缓解烤烟生长后期烟株叶片色素的降解具有较好的作用。

表1 烤烟生长后期喷洒微量元素对烟叶绿体色素的影响 mg/(g·FW)

2.2 烤烟生长后期喷洒中微量元素对烟叶光合参数的影响

由表2可见，喷施5种中微量元素后，叶片光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)明显提高，其中喷施0.2%硫酸锌、0.1%钼酸、0.1%硫酸锰、0.5%硫酸镁、0.5%硫酸亚铁后，Pn分别提高了3.56、3.08、3.27、3.35、2.20倍，Tr分别提高了2.34、1.71、2.30、2.61、1.77倍，Gs分别提高了2.10、1.61、2.02、2.09、1.49倍。胞间CO2浓度(Ci)明显降低，喷施0.2%硫酸锌、0.1%钼酸、0.1%硫酸锰、0.5%硫酸镁、0.5%硫酸亚铁后，Ci分别下降了30.74%、36.19%、32.31%、26.82%、23.56%。说明对照处理在后期生长中光合结构受到较严重破坏，再加上气孔关闭，导致Ci上升，喷施中微量元素很好地缓解了破坏程度。

表2 烤烟生长后期喷洒微量元素对烟叶光合参数的影响

2.3 烤烟生长后期喷洒中微量元素对烟叶叶绿素荧光参数的影响

由表3可见，喷施中微量元素后，烟株叶片Fo和Fo/Fm显著下降，Fm、Fv、Fv/Fm和Fv/Fo显著上升。其中，喷施0.2%硫酸锌、0.1%钼酸、0.1%硫酸锰、0.5%硫酸镁、0.5%硫酸亚铁后，Fo分别下降了26.94%、23.74%、21.05%、20.38%、17.14%；Fo/Fm分别下降了46.69%、36.24%、37.80%、35.02%、39.55%；Fm分别提高了26.73%、19.75%、16.89%、18.70%、20.86%，Fv分别提高了0.98、0.82、0.69、0.50、0.34倍，Fv/Fm分别提高了62.91%、37.32%、50.94%、47.18%、44.60%，Fv/Fo分别提高了1.67、0.99、1.09、1.05、1.58倍。说明喷施中微量元素后，PSⅡ反应中心活性增强，过剩光能减少，参与PSⅡ光化学反应的光能辐射和原初光能转化效率提高。

表3 烤烟生长后期喷洒微量元素对烟叶叶绿素荧光参数的影响

2.4 烤烟生长后期喷洒中微量元素对烟叶NR活性的影响

从图1可见，除喷施硫酸镁外，喷施不同中微量元素后，叶片NR活性均有显著提高，特别是喷施0.2%的硫酸锌和0.1%的钼酸处理提高更为显著。说明在烤烟生长后期，喷施一定的中微量元素很好地维持了叶片细胞结构的稳定，叶片氮的代谢维持在较高的水平，有利于烟叶正常成熟，增强烟株抗逆性，减少因高温强光伤害导致假熟现象的发生，有利于烟叶正常成熟，对烟叶烘烤特性的提高具有较显著的作用。

图1 不同处理对烟株叶片NR活性的影响

2.5 烤烟生长后期喷洒中微量元素对烟叶细胞膜透性的影响

从图2可见，对照处理细胞膜相对透性为14.74%，喷施中微量元素后，烟株叶片细胞膜相对透性下降，喷施0.2%硫酸锌、0.1%钼酸、0.1%硫酸锰、0.5%硫酸镁、0.5%硫酸亚铁后，细胞膜相对透性分别下降了17.50%、14.45%、14.12%、7.54%和15.26%。相应地，喷施中微肥处理的细胞膜伤害率显著下降。说明喷施中微量元素对保持细胞膜的稳定性具有较显著的作用。

图2 不同处理对烟株叶片细胞膜相对透性及伤害率的影响

2.6 烤烟生长后期喷洒中微量元素对烟叶抗氧化酶活性的影响

从图3可见，喷施0.2%硫酸锌、0.1%钼酸和0.1%硫酸锰后烟株叶片CAT酶活性，以及喷施0.2%硫酸锌和0.1%钼酸后叶片SOD活性，均显著上升，其他处理酶活性也明显上升，但没有达到显著水平。说明烤烟生长后期烟株叶片CAT和SOD酶活性均能保持较高的活性，对清理自由基保持较强能力，可很好缓解烟株受到的高温强光伤害。

图3 不同处理对烟株叶片SOD和CAT活性的影响

从图4可见，喷施0.2%硫酸锌、0.1%钼酸和0.5%硫酸亚铁后，烟株叶片POD酶活性显著上升，而喷施0.1%硫酸锰和0.5%硫酸镁后叶片POD酶活性显著下降。说明不同的中微量元素对烟株叶片POD活性的影响不一致，锌、钼和铁表现为促进，而锰和镁表现为抑制。

图4 不同处理对烟株叶片POD活性的影响

2.7 烤烟生长后期喷洒中微量元素对烟叶MDA含量的影响

从图5可见，对照处理的MDA含量为25.19 μmol/(g·FW)，喷施0.2%硫酸锌、0.1%钼酸、0.1%硫酸锰、0.5%硫酸镁后，叶片中MDA含量显著下降，分别下降27.29%、19.90%、13.65%和12.38%；喷施0.5%硫酸亚铁后，叶片MDA含量比对照下降4.30%，但差异不显著。说明喷施中微量元素很好地保护了叶片免受自由基的伤害，伤害产物明显减少。

图5 不同处理对烟株叶片MDA含量的影响

3 结论

与对照（叶面喷施清水）相比，叶面喷施不同中微量元素后，Chla、Chlb和Chl均有较明显上升，光合色素降解减缓，叶片Pn、Tr和Gs明显提高，Fo和Fo/Fm显著下降，Fm、Fv、Fv/Fm和Fv/Fo显著上升，表明中微量元素的补充有利于维持烟株叶片光合结构的稳定性，提高光能转化效率；NR活性显著提升，有利于维持烟株生长后期较高氮代谢，促进烟叶正常成熟；细胞膜相对透性显著降低，表明细胞膜结构稳定性提高；CAT和SOD酶均能保持较高的活性，而MDA含量显著下降，说明中微量元素的补充可很好减缓活性氧伤害，减轻膜脂过氧化程度，缓解烟株叶片的伤害与衰老，提高上部烟叶的适烤性。

4 讨论

光合作用是植物吸收光能、合成有机物的重要过程，是烟草品质和产量形成的物质基础[17-18]。中微量元素参与调节植物光合产物合成、代谢和运输，对植物的生长、发育和产质量具有重要影响[4]。施用微肥可以调控相关酶的活性，调节叶绿体色素的合成，进而改变叶片光合速率[9]。烤烟生长期间的高温强光天气常导致烟叶高温逼熟。其中一个原因可能是强光导致叶片吸收光能过剩，叶片产生大量自由基，最终伤害叶片膜系统，烟叶采收后进入烘烤阶段，叶片内部还要发生大量的物质转化过程，膜系统的破坏必然影响烟叶烘烤特性。而镁和锌等中微量元素可以很大程度上缓解强光伤害[19-20]。本研究中，喷施不同中微量元素后，Chla、Chlb、Chl、Pn、Tr和Gs均明显提高，说明与对照相比，各种微量元素的补充有利于缓解色素降解和烟叶衰老，提高烟株光合作用效率，增强叶肉细胞的光合活性，这与汪丹丹[21]、郑璞凡[9]、姜丽丽[22]、张舒玄[23]等的研究一致。光合色素的变化直接或间接影响叶绿素荧光参数的变化。叶绿素荧光主要来源于光系统PSⅡ的叶绿素a，植株PSⅡ在胁迫条件下活性减弱，能量捕获和传递受到抑制，光化学效率降低，叶绿素荧光参数可用于评价光合系统功能和逆境下环境胁迫的影响[24-27]。喷施不同微量元素后Fo减少，Fv/Fm、Fv/Fo极显著提高，表明光合有效辐射减少，原始光能转化效率和光合捕获效率提高。张衡锋等[28]研究表明，叶面喷施不同微肥对藏红花叶片光合色素含量、光合特性及叶绿素荧光参数均有一定影响，适宜浓度下有利于提高叶片光合效率。

NR是氮代谢的关键酶，其活性大小反映植物的营养状况和氮代谢能力[29]。除喷施硫酸镁外，喷施不同微量元素后，叶片NR活性均有显著提高，烟叶氮代谢能力增强。这与刘领等[30]喷施微肥能在烤烟成熟期提高上部叶NR活性的结论一致。

细胞膜是防止胞外物质进入细胞的屏障，对于维持细胞内部环境的稳定具有重要意义，细胞膜透性是反映细胞膜结构稳定的重要参数，细胞膜透性增加时，电解质外渗增加，影响细胞正常生理代谢[31]。喷施中微量元素后，细胞膜透性和伤害率极显著降低，说明喷施中微量元素有利于维持细胞膜结构稳定，降低电解质外渗量，缓解细胞膜脂过氧化作用，维持烟株代谢平衡。

植物细胞在外界胁迫条件下会产生活性氧簇，为抵御活性氧危害，植物自身会产生SOD、POD、CAT等保护酶防御外界胁迫，其活性升高可以延缓植物细胞衰老，延长生育期[22]。SOD可将超氧自由基氧化为H2O2，CAT和POD进一步将H2O2分解为H2O和O2，从而维持植物细胞活性氧代谢平衡。MDA是细胞脂质过氧化的主要产物，其含量标志着膜受逆境胁迫大小及膜脂过氧化程度[32-33]。喷施不同中微量元素后，SOD、CAT酶活性明显上升，说明中微量元素的补充有利于消除活性氧影响，提高植株抗衰老能力；MDA含量显著降低说明中微量元素的补充有利于缓解膜脂过氧化，提高烟株抗逆性。不同的微量元素对烟株叶片POD活性的影响不一致，锌、钼和铁表现为促进，而锰和镁表现为抑制，表明合理施用不同中微肥有利于提高烟株抗氧化能力。目前，喷施微肥对烤烟内在活性氧代谢的研究较少，主要研究方向为光、温、干旱等因素胁迫下或胁迫条件下施用外源调节剂对烟株体内活性氧代谢的影响[34-38]。

本试验主要研究5种中微量元素单一浓度对烤烟叶片生理代谢的影响，对于其他微量元素、不同施用浓度及不同微量元素配施条件下对烤烟生长代谢的影响还有待后续研究。