硅對水培大蒜生長和生理特性的影響

（山東農業(yè)大學園藝科學與工程學院，作物生物學國家重點實驗室，農業(yè)部黃淮地區(qū)園藝作物生物學與種質創(chuàng)制重點實驗室，山東泰安271018）

硅對水培大蒜生長和生理特性的影響

劉景凱 劉世琦*連海峰 成 波 于新會

（山東農業(yè)大學園藝科學與工程學院，作物生物學國家重點實驗室，農業(yè)部黃淮地區(qū)園藝作物生物學與種質創(chuàng)制重點實驗室，山東泰安271018）

以金鄉(xiāng)白皮蒜為試材，設置5個硅水平（0、0.75、1.50、2.25、3.00 mmol·L-1），探討了硅對水培大蒜根系生長、光合特性及產量的影響。結果表明:在0～3.00 mmol·L-1硅濃度范圍內，大蒜的根系生長量、植株鮮質量、蒜薹鮮質量、鱗莖鮮質量及根系活力均隨硅濃度增加呈先升高后降低的趨勢，當硅濃度1.50 mmol·L-1時最高；同時葉片中色素含量、凈光合速率和氣孔導度也隨著硅濃度增加呈先升高后降低的趨勢，當硅濃度1.50 mmol·L-1時最大；蒸騰速率變化趨勢則恰好相反，硅濃度1.50 mmol·L-1時最低，比不施硅處理降低了17.78%。

硅；大蒜；生長；光合特性；產量

硅是地殼中最豐富的元素之一，其含量僅次于氧；雖然硅在土壤中所占的比例較高，但可供植物直接吸收利用的含量卻很低（Mengel & Kirkby，1987）。作為細胞壁的組成成分之一，硅能與硅藻酸和果膠酸共價結合在一起，從而穩(wěn)定其機械結構或其他多糖基結構（何念祖和孟賜福，1985）；施硅能促進作物種子萌發(fā)和植株生長（馬成倉 等，2002），提高作物產量和品質（Miyake & Takahashi，1986；Liang et al.，1996；鄒蘭香 等，2010）；還能保持植物葉片呈直立狀態(tài)，減少互相遮陰，增加色素含量，提高光合作用（曾憲錄 等，2007），降低蒸騰作用（鄒春琴 等，2005）；同時對干旱（Gong et al.，2005）、病蟲害（扈曉杰和朱祝軍，2008）、重金屬（蘇秀偉，2011）、鹽害（Zhu et al.，2004）等脅迫造成的傷害也有不同程度的緩解效果。當硅缺乏時，作物的生長就會受到不同程度的影響，硅作為禾本科植物、木賊屬植物、甜菜等的必需營養(yǎng)元素，如果將其在營養(yǎng)液中去除會導致一種非典型脅迫（Epstein，1994）；水稻葉片會出現(xiàn)褐斑并且下垂呈“垂柳狀”，生長受阻（何念祖和孟賜福，1985；鄒邦基和何雪暉，1985）；此外，缺硅還會導致番茄植株高度、葉面積、地上部與根系鮮質量、干質量及單果質量的降低。

大蒜屬百合科蔥屬一、二年生草本植物，是一種兼具營養(yǎng)價值和藥用價值的大眾蔬菜。我國是大蒜種植、加工、生產、出口的主要國家之一，大蒜出口占經濟作物出口的很大一部分。由于國際市場對大蒜的質量要求非常嚴格，如橫徑大、體形完整、皮色潔白、含水量低、營養(yǎng)豐富均衡等（王以元 等，2005），這就給大蒜生產提出了更高的要求。硅作為一種公認的有益元素，在水稻、番茄、黃瓜等作物上的研究已經很多，但在大蒜生長發(fā)育及品質的改善方面有什么作用，至今未見相關報道。本試驗通過探索水培條件下硅對大蒜生長和生理特性的影響，從而確定水培大蒜適宜的硅濃度，旨在為大蒜合理施用硅肥，提高肥料利用率，實現(xiàn)優(yōu)質高產提供理論參考。

1 材料與方法

1.1試驗設計

以大蒜（Allium sativum L. ）品種金鄉(xiāng)白皮蒜作為試材，試驗于2012年10月至2013年6月在山東農業(yè)大學科技創(chuàng)新園進行。2012年10月17日挑選無病斑、無傷口、肥大、色澤潔白的蒜瓣在覆蓋聚乙烯無滴膜的拱棚中播種，棚內溫度控制在-2～25 ℃之間。采用深液流水培技術（DFT）栽培，以Hoagland營養(yǎng)液為基礎，其他微量元素參照其通用配方。營養(yǎng)液用去離子水配制，每7 d更換1次，每次60 L，pH控制在6.0～6.2，采用微電腦控時器進行時間控制，每天供營養(yǎng)液8次，每3 h 1次，每次6 min，營養(yǎng)液深度為4.0 cm，營養(yǎng)液回流速度約為1.3 L·min-1。試驗所用硅源為九水偏硅酸鈉（，分子量為284.22，分析純），共設置5個硅水平，即0、0.75、1.50、2.25 mmol·L-1和3.00 mmol·L-1，分別用Si0、Si0.75、Si1.50、 Si2.25和 Si3.00表示。各處理使用的大量元素化合物為和MgSO4·7H2O，使N、P、K、Ca、Mg和S濃度分別為15、1、6、4、2、2 mmol·L-1（本試驗中鈉離子含量很低，因此營養(yǎng)液中鈉離子對大蒜生長的影響基本可以忽略不計）。大蒜栽培于65 cm×50 cm×35 cm的硬質塑料大盆，每個處理20盆，每盆12株。

1.2項目測定

于2013年3月1日取樣，測定大蒜根系長度、根系鮮質量、根系數(shù)目、根系活力和色素含量；5月10日和26日分別收獲大蒜蒜薹和鱗莖，并測定其產量及相關指標。每處理每次取樣10株，混合均勻，3次重復。大蒜根系鮮質量以及植株（假莖和葉片）、蒜薹和鱗莖鮮質量用天平測定；根長用卷尺測定；光合參數(shù)采用CIRAS-1光合儀于3月25日9:00～10:30進行測定，自然光強1 000～1 100 μmol·m-2·s-1，氣溫16～18℃，葉溫18～19℃，CO2濃度400 μmol·mol-1，測定部位為從上往下數(shù)第4片葉中間部位，每處理測定5株；根系活力、色素含量的測定分別采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法（王學奎，2006）、丙酮比色法（趙世杰 等，2002）。

試驗數(shù)據采用Microsoft Excel 2003軟件進行處理，采用DPS 6.55軟件進行統(tǒng)計分析和處理間顯著性檢驗（Duncan 新復極差法）。

2 結果與分析

2.1硅對水培大蒜根系生長和根系活力的影響

根系是植物吸收水分和礦物營養(yǎng)的主要部位，根系生長的強弱對植物的生長發(fā)育及產量和品質的形成具有非常重要的影響。如表1所示:在0～3.0 mmol·L-1硅濃度范圍內，隨著硅濃度的增加，大蒜根系鮮質量、根系長度、根系數(shù)目和根系活力均呈先升高后降低的趨勢，Si1.50處理的各項指標最高，與對照相比分別增加了74.35%、18.56%、17.85%和32.90%。說明適宜的硅濃度（1.50 mmol·L-1）有利于大蒜根系生長和根系活力的提高。

表1硅對水培大蒜根系生長和根系活力的影響

2.2硅對水培大蒜葉片色素含量的影響

由表2可以看出:在低濃度硅范圍內（0～1.50 mmol·L-1），葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）以及類胡蘿卜素含量均隨著硅濃度的升高而增加，在高濃度硅范圍內（1.50～3.00 mmol·L-1）各色素含量則隨著硅濃度的升高而降低，Si1.50處理的各色素含量最高，與不施硅處理（Si0）差異顯著，分別比Si0增加了45.45%、35.29%、43.90%和31.25%。說明適宜水平的硅（1.50 mmol·L-1）有利于水培大蒜葉片內色素的合成，為提高光合效率奠定基礎。

表2硅對水培大蒜葉片色素含量的影響mg·g-1（FW）

2.3硅對水培大蒜光合特性的影響

由表3可知:在0～3.00 mmol·L-1硅濃度范圍內，凈光合速率和氣孔導度均隨著硅濃度的增加先升高后降低，硅濃度1.50 mmol·L-1時最大，分別比對照（Si0）增加了39.13%和8.75%；蒸騰速率則恰好相反，隨硅濃度的增加先降低后升高，硅濃度1.50 mmol·L-1時最低，與對照相比降低了17.78%，并且各施硅處理蒸騰速率均顯著低于對照；胞間CO2濃度也是隨硅濃度的增加呈先升高后降低的單峰曲線變化，在Si2.25處理時最大，但與Si0.75、 Si1.50、 Si3.00處理相比差異不顯著。綜上可見硅濃度1.50 mmol·L-1時，大蒜葉片光合性狀最佳，有利于光合產物的合成、轉運與積累，同時蒸騰速率最低，水分利用效率較高。

表3硅對水培大蒜葉片光合參數(shù)的影響

2.4硅對水培大蒜植株、蒜薹和鱗莖鮮質量的影響

由表4可知，硅對水培大蒜生物量有顯著的影響。低濃度硅（0～1.50 mmol·L-1）范圍內大蒜生物量隨營養(yǎng)液中硅濃度的升高而增加，高濃度硅（1.50～3.00 mmol·L-1）范圍內則隨硅濃度的增加而降低。硅濃度1.50 mmol·L-1時大蒜單株鮮質量、單薹鮮質量、單頭鱗莖鮮質量最大，與不施硅處理（Si0）相比分別增加了51.74%、53.62%和44.85%，并且各施硅處理的單株鮮質量、單薹鮮質量、單頭鱗莖鮮質量均顯著高于不施硅處理?？梢姞I養(yǎng)液中添加硅有利于水培大蒜植株、蒜薹和鱗莖的生長，并且1.50 mmol·L-1效果較好。

表4硅對水培大蒜植株、蒜薹和鱗莖鮮質量的影響

3 結論與討論

根系不僅是植物吸收水分和營養(yǎng)物質的主要器官，而且一些復雜生物化學過程，如合成某些植物激素和生物堿，還原大量和等也在根細胞內進行（劉春生，2006）。瞿廷廣等（2003）在水稻，邵長泉（2007）在糯玉米上的研究均表明:施硅能顯著地增加根系數(shù)目、根系體積和根系質量，促進根系呼吸，提高根系活力，增加總根系吸收面積和活躍吸收面積，從而有利于植物吸收更多的水分和礦物營養(yǎng)，提高植物的生產能力。本試驗中，大蒜根系鮮質量、根系長度、根系數(shù)目以及根系活力都隨硅濃度的增加呈先升高后降低的趨勢，在硅濃度1.50 mmol·L-1時最高，說明適宜水平的硅能夠促進大蒜根系生長和根系活力的提高。這與劉慧霞等（2009）在紫花苜蓿，馬雪瀧和房江育（2004）在馬鈴薯試管苗上的研究結果相似。

葉綠素是植物進行光合作用的基礎物質，光合作用是植物生長發(fā)育物質和能量的來源。硅能改善作物個體和群體條件，增大受光面積；使作物細胞表面形成角質雙硅層，避免葉片在強光下過度失水萎蔫，提高光合效率（鄒邦基和何雪暉，1985）。供硅能使作物葉片增厚，維管束增粗，葉綠體較大，基粒片層及葉綠素含量增多（饒麗華 等，1986；曹逼力 等，2012），還能增強葉綠體的偶聯(lián)因子Mg2+-ATPase和Ca2+-ATPase活性，促進光合磷酸化，提高凈光合速率（張國芹 等，2008）。周秀杰等（2009）認為硅能增加黃瓜葉片表皮層、柵欄組織的厚度及葉片組織疏松度，降低葉片比表面積，從而減少水分蒸騰，提高葉片含水量。與前人的研究結果相似，本試驗中，葉綠素、類胡蘿卜素含量、凈光合速率以及氣孔導度均隨硅濃度增加先升高后降低，1.50 mmol·L-1時最高；蒸騰速率則隨硅濃度增加先降低后升高，硅濃度1.50 mmol·L-1時最低。但也有學者認為隨土壤有效硅含量的增加，棉花（李清芳和馬成倉，2003）幼苗葉片以及姜（張國芹 等，2008）葉片中葉綠素含量沒有顯著變化。由此可見硅對作物葉片內葉綠素含量的影響因植物種類不同而存在差異。同時本試驗中，胞間CO2濃度雖然也隨硅濃度增加呈先升后降的單峰曲線變化，硅濃度2.25 mmol·L-1時最高 ，但與其他施硅處理相比差異并不顯著，因此認為改善胞間CO2濃度并不是硅增強大蒜光合作用，提高凈光合速率的主要途徑，具體原因及機制還有待進一步試驗。

大蒜葉片光合速率的高低直接影響著產品器官（青蒜、蒜薹和鱗莖）的產量和品質，光合速率高，有機物合成與累積量多，則有利于產品器官的形成。研究表明:供硅能使花生植株生長健壯，果仁充實飽滿，百果重和百仁重提高，增產幅度達20%（李尚霞 等，2012）；水稻基施硅肥225 kg·hm-2時，穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重的增加效應最明顯，產量最高（張國良 等，2007）。本試驗中，施硅也顯著增加了大蒜植株、蒜薹和鱗莖的鮮質量，并且營養(yǎng)液中硅濃度為1.50 mmol·L-1時最大，分別比不施硅處理增加了51.74%、53.62%和44.85%。

水培條件下，適宜水平的硅能提高大蒜葉片內色素含量，改善其光合狀況，從而為大蒜生長、生物量的增加和產量提高奠定了基礎，并且營養(yǎng)液中硅濃度1.50 mmol·L-1時效果最好。

曹逼力，徐坤，石健，辛國風，劉燦玉，李秀．2012．硅對番茄生長及光合作用與蒸騰作用的影響．植物營養(yǎng)與肥料學報，19（2）:354-360．

何念祖，孟賜福．1985．植物營養(yǎng)原理．上海:上?？茖W技術出版社:315-317．

扈曉杰，朱祝軍．2008．硅對黃瓜白粉病抗性及葉片質外體抗氧化酶活性的影響．浙江農業(yè)學報，20（1）:67-71．

李清芳，馬成倉．2003．土壤有效硅對棉花幼苗營養(yǎng)代謝的影響．中國農業(yè)科學，36（6）:726-730．

李尚霞，楊吉順，張智猛，吳菊香．2012．硅肥對花生生理特性和產量的影響．花生學報，41（3）:37-40．

劉春生．2006．土壤肥料學．北京:中國農業(yè)大學出版社:148．

劉慧霞，郭正剛，周雪榮，周雪榮，郭興華，鄒文輝，王愛國．2009．硅對紫花苜蓿根系生長的影響．中國草地學報，31（1）: 28-31．

馬成倉，李清芳，束良佐，張經余．2002．硅對玉米種子萌發(fā)和幼苗生長作用機制初探．作物學報，28（5）:665-669．

馬雪瀧，房江育．2004．硅對馬鈴薯試管苗根系生長及其細胞壁組成的影響．黃山學院學報，6（6）:85-86．

瞿廷廣，施正連，丁江妹．2003．硅肥對直播水稻的抗逆性和產量的影響．土壤肥料，（5）:26-28．

饒立華，覃蓮祥，朱玉賢．1986．硅對雜交稻形態(tài)結構和生理的效應．植物生理學通訊，（3）:20-24．

邵長泉．2007．硅肥對糯玉米根系生長狀況、產量及品質的影響．長江蔬菜，（5）:50-51．

蘇秀偉．2011．硅緩解蘋果植株高錳毒害的研究〔碩士論文〕．泰安:山東農業(yè)大學．

王學奎．2006．植物生理生化實驗原理和技術．2版．北京:高等教育出版社．

王以元，劉賜全，陳愛紅．2005．大蒜出口質量標準及達標技術的研究簡報．當代生態(tài)農業(yè)，14（1）:57-58．

曾憲錄，梁計南，譚中文．2007．硅肥對甘蔗葉片一些光合特性的影響．華中農業(yè)大學學報，26（3）:330-334．

張國良，戴其根，王建武，張洪程，霍中洋，凌勵，王顯，張軍．2007．施硅量對粳稻品種武育粳3號產量和品質的影響．中國水稻科學，21（3）:299-303．

張國芹，徐坤，王興翠，張曉艷，董燦興．2008．硅對生姜葉片水，二氧化碳交換特性的影響．應用生態(tài)學報，19（8）:1702-1707．

趙世杰，史國安，董新純．2002．植物生理學實驗指導．北京:中國農業(yè)科學技術出版社．

周秀杰，趙紅波，馬成倉，李清芳．2009．外源硅對黃瓜葉片組織結構和保水能力的影響．生態(tài)學雜志，28（3）:556-559．

鄒邦基，何雪暉．1985．植物的營養(yǎng)．北京:農業(yè)出版社:277．

鄒春琴，高霄鵬，劉穎杰，王荔軍，張福鎖．2005．硅對向日葵水分利用效率的影響．植物營養(yǎng)與肥料學報，11（4）:547-550．

鄒蘭香，張中華，曹忠杰，游寶杰．2010．有機硅肥對生姜生長及產量的影響．中國果菜，（4）:30-31．

Epstein E．1994．The anomaly of silicon in plant biology．Proceedings of the National Academy of Sciences，91（1）:11-17．

Gong H J，Zhu X Y，Chen K M，Wang S M，Zhang C L．2005．Silicon alleviates oxidative damage of wheat plants in pots under drought．Plant Science，169（2）:313-321．

Liang Y C，Shen Q R，Shen Z G，Ma T S．1996．Effects of silicon on salinity tolerance of two barley cultivars．Journal of Plant Nutrition，19（1）:173-183．

Mengel K，Kirkby E A．1987．植物營養(yǎng)原理．張譯春，劉同仇，謝振翅，劉武定，譯．北京:農業(yè)出版社．

Miyake Y，Takahashi E．1986．Effect of silicon on the growth and fruit production of strawberry plants in a solution culture．Soil Science and Plant Nutrition，32（2）:321-326．

Zhu Z J，Wei G Q，Li J，Qian Q Q，Yu J Q．2004．Silicon alleviates salt stress and increases antioxidant enzymes activity in leaves of saltstressed cucumber．Plant Science，167（3）:527-533．

Abstract:‘Jinxiangbaipisuan’ was taken as experiment material investigate the effects of silicon on root growth，photosynthetic characteristics and yield of hydroponics cultured garlic（Allium sativum L.）. Five different silicon levels （0，0.75，1.50，2.25，3.00 mmol·L-1） were designed. The results showed that the root system growth，fresh weights of garlic plant，bolt and bulb，and root system activity all rose with the increase of silicon concentration from 0 to 1.50 mmol·L-1，but fell while the silicon content reached 1.50 mmol·L-1. At the same time，the pigment content，net photosynthetic rate and stomatal conductance of leaves also increased first and then decreased with the increase of silicon content from 0 to 3.00 mmol·L-1．They reached the highest when silicon concentration was 1.50 mmol·L-1. While the change trend of transpiration was just the opposite. It reached the minimum value at Si 1.50 mmol·L-1and was reduced by 17.78% compared with the treatment without silicon.

Effects of Silicon in Nutrient Solution on Garlic Growth and Its Physiological Characteristics

LIU Jing-kai，LIU Shi-qi*，LIAN Hai-feng，CHENG Bo，YU Xin-hui

（College of Horticulture Science and Engineering，Shandong Agricultural University，State Key Laboratory of Crop Biology，Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops （Huang-huai Region），Ministry of Agriculture，Tai’an 271018，Shandong，China）

Silicon； Garlic； Growth； Photosynthetic； Yield

劉景凱，男，碩士研究生，專業(yè)方向:蔬菜栽培生理，E-mail: liujksdau@126.com

*通訊作者（Corresponding author）:劉世琦，教授，博士生導師，專業(yè)方向:蔬菜栽培生理，E-mail:liusq99@sdau.edu.cn

2013-11-27； 接受日期:2014-01-03

國家公益性行業(yè)科研專項（200903018），山東省農業(yè)重大創(chuàng)新項目