根域限制栽培对库尔勒香梨光合、荧光特性及果实品质的影响

阿布来克·尼牙孜,章世奎,王绍鹏,王亚铜,樊国全

(1.新疆农业科学院轮台果树资源圃,新疆轮台 841600;2.新疆农业科学院吐鲁番农业科学研究所,新疆吐鲁番 838000)

0 引 言

【研究意义】库尔勒香梨是新疆主要栽培的最具有代表性的优良果品[1],皮薄、肉质细嫩酥脆、香气浓郁[2]。传统的根系互享型栽培模式下,由于库尔勒香梨自身生长极性较强、树体生长旺盛,树冠上部的枝条易徒长,致使树体养分过度消耗,果实偏小,坐果率、果实品质低和树体分枝生长势不均衡。通过改变栽培模式来限制库尔勒香梨的极性生长,改良果实品质和产量,对提高库尔勒香梨的商品价值和市场竞争力有重要意义。研究根域限制栽培模式对库尔勒香梨叶片光合和荧光特性、果实品质的影响,对库尔勒香梨的高效生产具有重要意义。【前人研究进展】根域限制栽培又叫限根栽培(Root restriction, Rooting-zoon restriction, Root confinement)是一种通过物理、生态或化学等方法控制根系的生长,达到调节果树地上部分营养生长和生殖生长相适应新型栽培技术[3]。近年来,根域限制栽培技术的研究与应用在葡萄[4-8]、樱桃[9-11]、桃[12-15]、柑橘[16-18]、苹果、番茄、黄瓜等许多园艺植物上有报道,均能够有效提升树体的肥水利用效率、提高果实产量和品质,根域限制栽培技术是平衡树体地上部的营养和生殖生长的有效方法,显著提高果实产量及品质。【本研究切入点】关于根域限制栽培模式下库尔勒香梨叶片光合、荧光特性及果实品质方面的研究报道较少。需研究根域限制栽培模式对库尔勒香梨叶片光合和荧光特性及果实品质的影响。【拟解决的关键问题】研究采用根域限制栽培模式和传统的根系互享型栽培模式的比较试验,分析根域限制栽培对库尔勒香梨叶片光合、荧光特性和果实品质的影响,为塔里木盆地绿洲干旱、盐碱区域库尔勒香梨的栽培提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验地设在新疆巴音郭楞蒙古自治州轮台县轮台果树资源圃2号资源保存圃内进行,该地的气候类型为暖温带大陆性干旱气候,具有丰富的光热资源,年总辐射量达577.6 kJ/cm2,年均气温10.6℃,年平均降水量52 mm,年总蒸发量约为2 071.9 mm,无霜期约为188 d。地势平坦,土肥水管理中等。

选取根域限制栽培模式(限根栽培)和传统的根系互享型栽培模式(传统栽培)下种植的8 a生库尔勒香梨为研究对象。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

根域限制栽培模式中坑下和四面墙用水泥固定,控根器直径2.0 m、高2.0 m;传统的根系互享型栽培模式的植株栽植于栽培穴中,栽培穴大小相同,处理方法一致。每组试验重复15株,南北行向,株行距4.0 m × 4.0 m,行间设置排水沟。两种栽培模式水肥管理水平一致,砧木均为杜梨。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 光合参数

2021年8月中旬,选择晴朗无云的白天,利用Li-6400XT型便携式光合作用仪(LiCor,Lincoln,NE,USA),开放式气路,测定相关光合参数。测定的时间为08:00～20:00,每隔2 h测定1次。测定的光合参数分别为:净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、细胞间隙CO2浓度(Ci)及蒸腾速率(Tr),并计算水分利用效率(EWU)∶EWU=Pn/Tr,气孔限制值(Ls)∶Ls=1-Ci/Ca。每单株选择树冠外围中部东侧的5片功能叶片进行测定,重复3个单株。

1.2.2.2 叶绿素荧光参数

采用FMS-2便携脉冲调制式荧光仪(FMS-2,Hansatech,United Kingdom),在08:00～20:00,测定光合参数的同时测定叶绿素荧光参数。测定自然光照下叶绿素荧光参数,并得出实际光化学效率(ΦPSⅡ)和PSⅡ电子传递速率(RET)。然后测定暗适应30 min后叶片的初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、PSⅡ最大光能转化效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在光化学活性(Fv/Fo)等荧光参数,并计算光化学淬灭系数(Cqp):Cqp= (Fm′-Fs)/(Fm′-Fo),和非光学淬灭系数(CNPQ):CNPQ= (Fm-Fm′)/Fm′。每单株选择树冠外围中部东侧的5片功能叶片进行测定,重复3个单株。

1.2.2.3 果实品质

在果实成熟期,每个处理随机采取30个果实,运回实验室测定相关指标。

用电子天平称取单果重,游标卡尺测量果实的纵横径、果心横径、果梗的长度和粗度,并计算果形指数(果实纵径/果实横径)、心果比(果心横径/果实横径)。GY-2型果实硬度计测量果实硬度,PR-100型数字糖度计测定可溶性固形物含量(TSS)。采用2,6—二氯靛酚滴定法测定VC含量,用NaOH滴定法测定果实可滴定酸含量,用直接滴定法测定果实总糖含量,用冷冻法测定石细胞的含量。

1.3 数据处理

数据的整理和作图利用Microsoft Excel软件,采用IBM SPSS Statistics 21.0软件对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 根域限制栽培对库尔勒香梨叶片光合参数日变化的影响

研究表明,限根栽培与传统栽培的库尔勒香梨的净光合速率日变化曲线均呈“双峰”型,在14:00均出现了光合午休现象,两者的净光合速率均明显下降,限根栽培的库尔勒香梨被抑制的程度较大。在12:00出现第一个高峰值,此时限根栽培的库尔勒香梨叶片的净光合速率高于传统栽培,达14.82 μmol/(m2·s),第二个高峰值出现在16:00,限根栽培和传统栽培的第一高峰值都高于第二高峰值。除了20:00,限根栽培的光合速率均高于传统栽培。

气孔导度的日变化也呈现出“双峰”的变化趋势,14:00出现首个高峰值,此时2种栽培模式的库尔勒香梨叶片气孔导度相差不大,限根栽培在16:00出现第二个峰值,而传统栽培的第二个峰值出现在18:00,两者的第二峰值也相差不大。2种栽培模式的库尔勒香梨叶片胞间CO2浓度较为平稳,在14:00光强最大时,限根栽培和传统栽培的库尔勒香梨叶片胞间CO2浓度都发生了下降,随后略有上升。

2种栽培模式的库尔勒香梨叶片的蒸腾速率日变化均呈“双峰”趋势,且两者的2个峰值都出现在12:00和18:00,12:00出现的第一个峰值显著的低于第二个峰值,在14:00～18:00,蒸腾速率明显呈上升趋势,树体蒸腾速率较高,失水较多。气孔限制值均在08:00～12:00出现上升,随后限根栽培的库尔勒香梨保持平稳下降的趋势,而传统栽培在14:00出现了较为明显的谷值,随后呈“先下降后上升”变化趋势。限根栽培水分利用率在08:00～12:00保持着较高的值,在14:00出现了明显的下降,之后随着午后气温的降低,水分利用率日变化呈现上升趋势。传统栽培在08:00气孔限制值较低。但在10:00～12:00和限根栽培一样,气孔限制值保持着较大的值,并在14:00出现谷值。图1

图1 根域限制栽培下库尔勒香梨叶片光合参数日变化

2.2 根域限制栽培对库尔勒香梨叶片光合参数日均值的影响

研究表明,限根栽培的Pn日均值高于传统栽培,但两者之间的Pn日均值不存在显著差异。2种栽培模式的库尔勒香梨Gs日均值和Tr日均值相差不大,不存在差异。传统栽培下叶片的Ci日均值高于限根植株,达203.93 μL/L,且两试验组之间具有显著差异性(P<0.05)。库尔勒香梨水分利用率在不同栽培模式存在有较为明显的差异,限根栽培的Ewu日均值达1.36 mmol/mol,两者之间存在显著差异。表1

表1 根域限制栽培下库尔勒香梨叶片光合参数日均值变化Table 1 Effect of root zone restriction cultivation on daily average value of leaf photosynthetic parameters of korla fragrant pear

2.3 根域限制栽培对库尔勒香梨叶片荧光参数日均值的影响

研究表明,限根栽培的荧光参数指标初始荧光Fo、最大荧光Fm、PSⅡ最大光能转化效率Fv/Fm、PSⅡ潜在光化学活性Fv/Fm均大于传统栽培,其中只有PSⅡ潜在光化学活性Fv/Fm在两个实验组之间的差异达到了显著水平(P<0.05)。限根栽培的PSⅡ实际光化学效率ΦPSⅡ高于传统栽培,并与之存在显著差异,2种栽培模式的库尔勒香梨光化学猝灭系数Cqp和表观光合电子传递效率RET不存在差异,传统栽培的非光化学猝灭系数CNPQ高于限根栽培,但之间不存在显著差异。表2

表2 根域限制栽培下库尔勒香梨叶片 荧光参数日均值变化Table 2 Effect of root zone restriction cultivation on the daily average value of leaf fluorescence parameters of korla fragrant pear

2.4 根域限制栽培对库尔勒香梨果实品质影响

研究表明,限根栽培库尔勒香梨果实的单果重减小,果形指数减小,果实的硬度也变小,硬度的阳面和阴面硬度一致,均为6.8 kg/cm2,均与传统栽培之间差异不显著。库尔勒香梨果实的心果比在限根栽培模式下增大,且与传统栽培差异显著。果梗的长度变长,但是粗度减小,与传统栽培差异显著。

限根栽培库尔勒香梨果实的可滴定酸和可溶性固形物的含量高于传统栽培,其中可滴定酸含量存在显著差异。可溶性糖、VC含量和石细胞的含量却明显减少,且均与传统栽培有显著差异。表3

3 讨 论

光合能力的强弱直接影响植物的生长发育[19],光合作用是植物生长发育过程中最重要的一部分,光合参数和荧光参数可以较为直观的反映植物的光合能力。研究中,限根栽培和传统栽培的植株的Pn日变化曲线均呈“双峰”曲线,都出现了明显的光合午休现象,在14:00时2种处理的Gs值发生的明显的下降,Ci值也在此时出现了下降的趋势,陈贤田等[20]的研究表明,气孔因素导致气孔导度出现了明显的降低产生的光合午休,是因为中午高温,水分蒸发快,气孔部分关闭,Gs、Ci下降,从而导致午间光合速率下降,因此此时抑制植株光合作用的主要原因是气孔性限制。限根栽培的Pn和Ewu日均值大于传统栽培,且两者的Ewu日均值存在着显著的差异,说明限根栽培可以提高植株的碳同化能力和水分有效利用率。可能是因为限根之后,根域环境限定在一定的区域范围内,土壤能更好的锁住水分,根系能更容易的吸水,致使根系的吸水能力增强,水分利用率提高,与吴鑫泉等[21]的研究结果一致。

叶绿素荧光参数是确切反映植物光合器官对光能吸收、转化和耗散等情况的重要指标[22]。Fo与叶绿素含量有关,反应PSⅡ反应中心处于完全开放时的荧光产量,研究发现,限根栽培的Fo值大于传统栽培,限根栽培的叶绿素含量高[23],PSⅡ反应中心处于完全开放的荧光产量高。传统栽培的Fv/Fm值、Fv/Fo值受到限制,与限根栽培Fv/Fm值存在显著差异,库尔勒香梨叶片能够更加高效的将捕获的光能转化为化学能[24],具有较高的PSⅡ原初光能转化效率和PSⅡ反应中心潜在活性。叶片的RET越大,ΦPSⅡ越大,而CNPQ越小,电子传递活性提高,传递效率也随之提高,叶片的碳同化产物增加,与牛莹莹等[25]不同栽植密度库尔勒香梨光合及叶绿素荧光特性比较的研究结果相一致。

限根栽培可以通过将植物根系固定在一定空间内,调节植物的地上部分和地下部分,当根系生长区域受到限制之后,地上部分也会发生改变[26]。张昭等[27]在对蓝莓植株限根栽培后的研究表明,根域限制改变了植物地上部分的发育强度及生理代谢途径,有利于树体由营养生长向生殖生长方向转化,进而提高果实的品质。研究中,将2种栽培模式的库尔勒香梨果实品质进行对比后发现,限根栽培的植株梗长增加、可溶性固形物增加、酸度减少、石细胞含量减少,果实的风味得到了改善,肉质细腻。限根栽培使植物根系不能随意的向外扩散,能更加有利的促进根系吸收土壤中的肥料和水分[28],蒸腾作用增强,水分更多的作用在光合上,光合作用增强,光合产物更多的聚集与果实生长上,果实品质也会得到改善。

4 结 论

2种栽培模式的库尔勒香梨Pn日变化曲线均呈“双峰”型,存在明显的光合午休现象。限根栽培的库尔勒香梨Pn、Ewu日变化总体均高于传统栽培,Pn、Ewu日均值也高于传统栽培,Ci和Ewu日均值存在显著差异。限根栽培的Fo、Fm、Fv/Fm、Fv/Fm、ΦPSⅡ、CNPQ均大于对照组,2种栽培模式的库尔勒香梨Fv/Fm、ΦPSⅡ差异显著。限根栽培的果实品质与对照组发生了改变,果梗较长,硬度较低,可溶性固体物增加,石细胞含量降低。限根栽培的库尔勒香梨在叶片光合速率、荧光及果实品质总体表现优于传统栽培,库尔勒香梨根域限制栽培可以作为塔里木盆地绿洲干旱、盐碱区域库尔勒香梨栽植的新模式。