外源硅添加對草地早熟禾硅素吸收及根系生長的影響

許金鳳， 朱 瑾， 任畇霏， 賈啟超， 謝宇涵， 柴 琦*

(1. 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院， 甘肅 蘭州 730020； 2.烏魯木齊高新技術(shù)開發(fā)區(qū)(新市區(qū))環(huán)保局 新疆 烏魯木齊 830000；3. 新疆清風(fēng)朗月環(huán)?？萍加邢薰荆?新疆 烏魯木齊 830000)

硅作為地殼中僅次于氧含量，排名第二的元素。目前，已被國際土壤學(xué)界確認(rèn)為繼N、P、K之后的第4種植物營養(yǎng)元素，它是塊莖類和禾本科作物的必須養(yǎng)分，植物的生長單靠自然循環(huán)提供硅素是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此硅素營養(yǎng)就成了植物生長的限制因素[1]。近年來有關(guān)使用硅肥促進(jìn)植物生長，提高植物抗逆性的研究成為熱點(diǎn)。大量研究表明，硅元素不僅能促進(jìn)植物的生長，在抵抗各種生物及非生物脅迫方面同樣具有重要作用[2]，屬于“有益元素”[3]。其中，研究對象多為高等植物，如水稻(Oijzasativa)[4-5]、甘蔗(Saccharumofficinarum)[6]、玉米(Zeamays)[7]、大豆(Glycinemax)[7-8]、小麥(Triticumaestivum)[9-10]、高粱(Sorghumbicolor)[11]、番茄(Lycopersiconesculentum)[12]等經(jīng)濟(jì)作物。隨著對硅肥提高植物抗逆性研究的深入，增施硅肥逐漸成為建設(shè)優(yōu)質(zhì)草坪，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牧草的重要措施[13]。目前草坪草肥料研究的重點(diǎn)主要集中在N、P、K等大量元素上[14]，尤其是大量施用氮肥造成土壤板結(jié)，影響草坪質(zhì)量及其可持續(xù)性，但是通過施用硅肥可促進(jìn)磷肥和鉀肥的吸收利用，提高化肥的施用效果[15]。目前對草坪草研究內(nèi)容的重點(diǎn)主要集中在生長特性、生理生化機(jī)理[16-20]等方面，有關(guān)硅素水平對草坪草、牧草硅素吸收和根系生長發(fā)育影響研究的報道較少。草地早熟禾(PoapratensisL.)是我國栽培面積最大的優(yōu)質(zhì)禾本科牧草之一，也是世界公認(rèn)的優(yōu)良草坪草草種之一[19]。根系是植物吸收水分和礦質(zhì)元素的主要器官，研究表明根系在硅素吸收的過程中起重要作用[21-22]。故本研究以草地早熟禾品種‘午夜’為試驗材料，在水培條件下研究不同硅素水平對草地早熟禾硅素吸收、根系生長發(fā)育的影響，以期為草地建植及管理中合理施用硅肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗在蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院人工氣候室內(nèi)采用水培方式進(jìn)行。供試材料為蘭州綠景源公司提供的商用市售草地早熟禾品種‘午夜’，硅源為分析純K2SiO4(SiO2含量為31.2%)。播種前草籽用HgCl2溶液消毒5 min，流水沖洗6～8 h，然后播種在洗凈的紗網(wǎng)上，無硅培養(yǎng)到7 cm左右后移栽至含1/2Hoagland 營養(yǎng)液的塑料瓶(20 mL)中，每個塑料瓶移植6株大小一致的幼苗。幼苗用海綿將其固定于塑料瓶口，塑料瓶用不透光黑色膜包裹，在人工氣候室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)。人工氣候室光照時間14 h，溫度22℃，光照強(qiáng)度1 500～2 000 lx。移栽5 d后對其進(jìn)行24 h饑餓處理，后將其轉(zhuǎn)移至含有K2SiO4濃度分別為0 mmol·L-1(Si0)，0.2 mmol·L-1(Si0.2)，0.35 mmol·L-1(Si0.35)，0.5 mmol·L-1(Si0.5)，1.0 mmol·L-1(Si1.0)的1/2Hoagland 營養(yǎng)液中，為平衡以上各處理間K+影響，利用營養(yǎng)液中KH2PO4進(jìn)行中和，而PO43+則用稀H3PO4中和，故為了消除K+與PO43+的影響，設(shè)定對照組(CK)，即純營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)。營養(yǎng)液每2 d換一次， PH用1 mol·L-1檸檬酸或者1 mol·L-1Tris堿調(diào)節(jié)至5.5。

1.2 測定項目及方法

硅吸收速率：在草地早熟禾吸收硅元素第0，6，12，18，24，30，36 h時，吸取1 mL樣品測定硅含量[23]，通過測定硅的濃度差來計算硅吸收速率。重復(fù)5次。

地上部及根系干重：試驗35 d結(jié)束時，利用萬分之一天平測定地上部及根系鮮重，然后將其在110℃殺青10 min，于75℃烘干至恒重，稱取干重，計算根冠比。重復(fù)3次。

葉片相對電導(dǎo)率：試驗35 d結(jié)束時，利用浸泡法[24]測定草地早熟禾葉片相對電導(dǎo)率。重復(fù)3次。

根系掃描：在處理第7，14，21，28，35 d，采用Delta-T SCAN 根系分析系統(tǒng)(HP.C7717，Singaporean)掃描根系，測定其根系總長、根系平均直徑、根系總表面積、根系根條數(shù)。重復(fù)5次，即每次掃根5管，共30株苗。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SAS 統(tǒng)計軟件(version 9.0)進(jìn)行差異顯著性(LSD)分析，采用 Microsoft Excel 2003作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同硅素水平下草地早熟禾36 h硅吸收速率

由圖1可知，硅素吸收速率整體呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。0.2，0.35，0.5 mmol·L-1硅素處理6 h時，吸收速率迅速增加。處理時間超過12 h后，0.2，0.35 mmol·L-1硅素處理下，吸收速率降低，0.5 mmol·L-1硅素處理下，吸收速率趨于穩(wěn)定；硅素濃度達(dá)到1.0 mmol·L-1時，吸收速率在處理12 h后達(dá)到最大值，而后吸收速率趨于穩(wěn)定。在同一添加時間下不同濃度硅素處理吸收速率差異顯著(P<0.05)。

圖1 不同水平硅處理下草地早熟禾24小時硅吸收速率Fig.1 The 24 h silicon uptake efficiency under different silicon supply of Kentucky bluegrass注: 圖頂部的垂直線段為同一吸收時間下不同濃度硅素處理之間的 LSD 值。若同一添加時間下兩個不同硅素處理間垂直距離大于圖頂部的垂直線段長度，則表示兩處理間差異顯著，反之則不顯著。Note: Vertical bars on the top indicate LSD values ( P = 0.05) among different silicon supply. If the vertical distance of two different silicon treatments is greater than the vertical distance on the top indicates significant difference, or conversely, there is no significant difference.

2.2 不同硅素水平對草地早熟禾根冠比的影響

根冠比是衡量草坪草對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。一般來說，比值越大，表明根系越發(fā)達(dá)，該類型草坪草抗逆性越好[25]。由圖2可知，低濃度的硅素處理下，根冠比較對照無顯著性差異。當(dāng)硅素濃度為0.5 mmol·L-1時，根冠比較對照增加20.23%；當(dāng)硅素濃度增加到1.0 mmol·L-1時，根冠比較對照差異性顯著(P<0.05)。

圖2 不同水平硅處理對草地早熟禾根冠比的影響Fig.2 Effects of different silicon supply on the root shoot ratio of Kentucky bluegrass注：圖中不同小寫字母表示不同硅素處理間差異顯著(P<0.05)，下同Note: Different letters indicate significant difference between treatments at the 0.05 levels, the same below

2.3 不同硅素水平對草地早熟禾相對電導(dǎo)率的影響

由圖3可以看出，施用硅素均可顯著降低草地早熟禾葉片相對電導(dǎo)率。隨著硅素濃度的增加，葉片相對電導(dǎo)率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。當(dāng)硅素濃度為0.5 mmol·L-1時，草地早熟禾葉片相對電導(dǎo)率顯著降低，且較低濃度硅素處理差異顯著(P<0.05)。當(dāng)硅素濃度達(dá)到1.0 mmol·L-1時，草地早熟禾葉片相對電導(dǎo)率較0.5 mmol·L-1顯著增加。研究表明施用適量濃度的硅素可減輕草地早熟禾質(zhì)膜傷害的程度，進(jìn)而增加草坪草的抗逆性能。

2.4 不同硅素水平對草地早熟禾根系的影響

2.4.1不同硅素水平對草地早熟禾根系總表面積的影響 不同濃度硅素處理下，隨著處理時間的增加，草地早熟禾根系總表面積整體呈現(xiàn)出增加的趨勢(圖4)。在硅素處理前期，草地早熟禾根系總表面積顯著增加，處理21 d后根系總表面積趨于穩(wěn)定。在硅素處理前期，0.2 mmol·L-1硅素濃度處理下根系總表面積較其他處理顯著增加；在處理中期，1.0 mmol·L-1硅素濃度處理下根系總表面積較其他處理增加顯著；在硅素處理后期，0.5和1.0 mmol·L-1硅素濃度下，根系總表面積顯著高于其他處理。

圖3 不同水平硅處理對草地早熟禾葉片相對電導(dǎo)率的影響Fig.3 Effects of different silicon supply on the leaf relative electrical conductivity of Kentucky bluegrass

圖4 不同水平硅處理對草地早熟禾根系總表面積的影響Fig.4 Effects of different silicon fertilizer on the root surface area of Kentucky bluegrass

2.4.2不同硅素水平對草地早熟禾根系平均直徑的影響 1.0 mmol·L-1硅素濃度處理下，草地早熟禾根系平均直徑隨著處理時間的增加逐漸減小，其他濃度下，草地早熟禾根系平均直徑呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(圖5)。0.5 mmol·L-1硅素濃度處理下，草地早熟禾根系平均直徑顯著高于其他處理。1.0 mmol·L-1硅素濃度處理下，草地早熟禾根系平均直徑最小，且較CK差異性顯著。說明施用適量硅素可增加根系直徑，促進(jìn)植物對營養(yǎng)元素的吸收，而高濃度硅素可抑制根系直徑的增加。

圖5 不同水平硅處理對草地早熟禾根系平均直徑的影響Fig.5 Effects of different silicon supply on the root diameter of Kentucky bluegrass

2.4.3不同硅素水平對草地早熟禾根系總長的影響 1.0 mmol·L-1硅素濃度處理下，草地早熟禾根系總長在處理后期增長較大，其他濃度硅素處理下，草地早熟禾根系總長增長穩(wěn)定(圖6)。在硅素處理前期，低濃度硅素濃度處理下草地早熟禾根系總長較 1.0 mmol·L-1差異顯著(P<0.05)；在處理中期，1.0 mmol·L-1硅素濃度下草地早熟禾根系總長增長迅速，較其他處理差異顯著；在處理后期，0.5和1.0 mmol·L-1硅素濃度處理下草地早熟禾根系總長較其他處理差異顯著。

2.4.4不同硅素水平對草地早熟禾根系根條數(shù)的影響 隨著處理時間的增加，不同濃度硅素處理下，草地早熟禾根系根條數(shù)整體呈現(xiàn)出增長的趨勢(圖7)。在硅素處理前期，低濃度硅素處理下草地早熟禾根系根條數(shù)較高濃度硅素處理多；硅素處理中期，高濃度硅素處理下草地早熟禾根系根條數(shù)較低濃度硅素處理多，但差異并不顯著；硅素處理后期，0.5，1.0 mmol·L-1硅素處理下草地早熟禾根系根條數(shù)較低濃度硅素處理顯著增加(P<0.05)。說明低濃度硅素處理下，根條數(shù)在處理前期增加較快，高濃度硅素處理下，根條數(shù)在處理后期增加較快。

圖6 不同水平硅處理對草地早熟禾根系總長的影響Fig.6 Effects of different silicon supply on the root length of Kentucky bluegrass

圖7 不同水平硅處理對草地早熟禾根系根條數(shù)的影響Fig.7 Effects of different silicon fertilizer on the root numbers of Kentucky bluegrass

3 討論

3.1 草地早熟禾硅素吸收速率對硅素水平的響應(yīng)

Mutiny等在最新的研究中發(fā)現(xiàn)，各植物種類對硅素吸收的差異，主要取決于最大吸收速率(Vmax)，而米氏常數(shù)(Km值)大體相似[26]。本研究表明，草地早熟禾在低濃度硅素處理下6 h吸收速率達(dá)到最大。這可能是由于在缺硅的情況下，為保證細(xì)胞質(zhì)內(nèi)部穩(wěn)定及旺盛的代謝，草地早熟禾在短時間內(nèi)迅速增加了跨原生質(zhì)膜對硅元素的吸收速率。硅素添加大于12 h后，吸收速率開始降低，這可能是由于營養(yǎng)液中的硅素含量越來越少，草地早熟禾對過低濃度硅素的響應(yīng)度較低；草地早熟禾在高濃度硅素處理12 h吸收速率達(dá)到最大。在硅素含量豐富的情況下，根系對硅素沒有必要產(chǎn)生大的親和力[27]，使得硅素吸收存在一定的滯后。植物根系對于養(yǎng)分吸收的反饋調(diào)節(jié)機(jī)理可使得植物在某一養(yǎng)分離子的含量較高時，降低其吸收速率；反之，某一養(yǎng)分缺乏時，顯著提高其吸收速率。硅素吸收大于12 h后，吸收速率趨于穩(wěn)定，幾乎不再變化。這與王繼鵬[28]、郭碧花[29]等人對硅素吸收速率的研究結(jié)果基本一致。

3.2 草地早熟禾根冠比對硅素水平的響應(yīng)

劉平[30]、劉輝[21]等人研究表明，隨施硅水平的增加，水稻(OryzasativaL.)根冠比降低。邵長泉[31]研究表明，糯玉米(ZeamaysL.sinensisKulesh)的根冠比隨硅肥施用量的增加而增大，當(dāng)硅肥達(dá)到一定施用量時，根冠比又逐漸下降。本研究表明，低濃度硅素水平處理下，草地早熟禾根冠比并未有明顯的促進(jìn)作用，而高濃度硅素水平處理下，根冠比有顯著的促進(jìn)作用，這與前人的研究結(jié)果有所差異。硅素水平的高低對植物干物質(zhì)的合成和分配有一定影響[32]，由于不同植物對于硅素的響應(yīng)存在物種間差異，導(dǎo)致不同植物的根冠比在硅素水平下表現(xiàn)出不同的變化趨勢。同時，可能是由于在缺硅條件下，獲取的硅素營養(yǎng)不僅需要向根系分配，以增加根系獲得的干物質(zhì)量，還需要運(yùn)往地上部分，與光合產(chǎn)物參與枝葉的生長，根冠比變化不大。而當(dāng)硅素濃度較高時，植物會先滿足根系的生長，促進(jìn)干物質(zhì)向根系分配，同時抑制草地早熟禾地上部分的生長，使得草地早熟禾矮化，降低其地上生物量[17,33]，使根冠比增大。

3.3 草地早熟禾葉片相對電導(dǎo)率對硅素水平的響應(yīng)

植物組織受到逆境傷害時，由于膜的功能受損或結(jié)構(gòu)破壞而透性增大，膜內(nèi)的細(xì)胞質(zhì)與其他電解質(zhì)外滲將破壞植物生理活動的正常進(jìn)行[34]。膜傷害越重，電解質(zhì)外滲越多，電導(dǎo)率越大，從而反映植物的抗逆性強(qiáng)弱[17]。葉片相對電導(dǎo)率的變化可以反映出質(zhì)膜受傷害的程度和植物抗性的強(qiáng)弱[35]。本研究表明，施用硅素可降低地早熟禾葉片相對電導(dǎo)率，且較對照差異顯著，尤其是在0.5 mmol·L-1硅素濃度處理下，葉片相對電導(dǎo)率最低。而當(dāng)硅素濃度增加到1.0 mmol·L-1時，葉片相對電導(dǎo)率較0.5 mmol·L-1顯著增加。研究表明施用適量的硅素可保護(hù)草地早熟禾質(zhì)膜傷害的程度，進(jìn)而提高草地早熟禾的抗逆性能。這與王厚鑫[17]、王生銀[36]等人對硅素降低草地早熟禾葉片相對電導(dǎo)率的研究結(jié)果一致。

3.4 草地早熟禾根系性狀指標(biāo)對硅素水平的響應(yīng)

劉輝等[21]研究發(fā)現(xiàn)，隨硅素水平的提高，水稻側(cè)根數(shù)和根總長逐漸減少，根直徑和根條數(shù)逐漸增大。饒立華等[37]研究表明施硅可促進(jìn)水稻根系生長。邵長泉[31]研究發(fā)現(xiàn)，隨硅素水平的提高，糯玉米根總長、根條數(shù)有先增加后下降的變化趨勢，當(dāng)施硅量超過一定水平時，根總長和根條數(shù)明顯減少。馬雪瀧等[38]研究表明，增施硅肥可顯著增加馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)試管苗的根條數(shù)和根長。本研究表明，隨著硅素濃度的增加，草地早熟禾根系的總表面積和總長增加。一方面可能由于根系形態(tài)在不同營養(yǎng)狀態(tài)下的可塑性，在高濃度硅素處理條件下，植物為了滿足地上部的生長需要吸收到足夠多的營養(yǎng)元素，另一方面可能是硅素的誘導(dǎo)作用促進(jìn)了根系的伸長和伸展，植物本身具有這種調(diào)節(jié)機(jī)制，是植物對于外界環(huán)境的一種適應(yīng)性變化；同時研究表明，在低濃度硅素處理下，草地早熟禾根條數(shù)變化不大，而當(dāng)硅素濃度增加到一定濃度時，草地早熟禾根條數(shù)顯著增加。這說明，較高的硅素濃度有利于草地早熟禾不定根的分化，形成較多的不定根，以滿足地上部的生長需要。這與劉輝[20]對于水稻根系根條數(shù)的研究結(jié)果一致；另外，本結(jié)果表明，草地早熟禾根系直徑隨著硅素水平的增加而逐漸增加，當(dāng)硅素濃度為0.5 mmol·L-1時達(dá)到最大，而當(dāng)硅素濃度過高，達(dá)到1.0 mmol·L-1時，根系直徑顯著降低。這說明，適量的硅素有利于草地早熟禾根系直徑的增加，通過增加根系與營養(yǎng)元素接觸面積，進(jìn)而促進(jìn)草地早熟禾對硅素的充分吸收。高濃度的硅素抑制根系直徑的增加，這可能是由于根系吸收的硅素營養(yǎng)，多用于根系的伸長，在植物生物量一定的情況下，根系越長，根型相對來說就越細(xì)，這樣使硅素越容易穿破皮層進(jìn)入木質(zhì)部向上運(yùn)輸，這與劉輝[31]的研究結(jié)果一致。不同硅素濃度對草地早熟禾根系生長產(chǎn)生影響，其原因一方面是不同環(huán)境條件下根系生長的自身調(diào)節(jié)機(jī)制所致，另一方面也是植物適應(yīng)環(huán)境的一種表現(xiàn)。其中，影響植物從外界環(huán)境吸收養(yǎng)分除植物生理生化特征、生育特點(diǎn)、根系形態(tài)特征等因素外，根系分泌物、根際微生物對養(yǎng)分的活化或鈍化及植物吸收和運(yùn)輸能力等綜合因素同樣影響根系生長。同時，也可能由于硅素與其他元素的拮抗作用，導(dǎo)致某種元素含量下降，致使根系的發(fā)育狀況改變，以上因素有待進(jìn)一步驗證[31]。

本研究在營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下的測定結(jié)果表明，低濃度的硅素水平對草地早熟禾硅素吸收、根冠比、葉片相對電導(dǎo)率和根系的生長并未有顯著地促進(jìn)作用。當(dāng)營養(yǎng)液中的硅素水平高于0.5 mmol·L-1時，草地早熟禾細(xì)胞膜透性和根系生長會受到一定影響。雖然其根系總表面積、總長和根條數(shù)均表現(xiàn)出促進(jìn)作用，但根系直徑顯著降低，細(xì)胞膜透性增加。本研究初步探討了營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下草地早熟禾苗期根系對硅素水平的響應(yīng)，而有關(guān)大田土壤條件下硅素水平對草地早熟禾硅素吸收和根系生長發(fā)育的影響尚有待進(jìn)一步研究。