沼液對(duì)水培蕹菜生長和光合特性的影響

王文琳，周長芳，周 嶼，朱洪光，沈文燕

(1.南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210093；2.同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程研究院生物質(zhì)能源研究中心，上海 200092)

沼液是以畜禽糞便、污水和各種農(nóng)作物秸稈等為原料，經(jīng)厭氧發(fā)酵后殘留的副產(chǎn)品[1]，含有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，如隨意排放則會(huì)帶來水體富營養(yǎng)化等環(huán)境污染問題[2]。有研究發(fā)現(xiàn)，沼液中普遍含有作物生長所需的氮、磷、鉀、微量元素及豐富的腐殖酸、氨基酸、維生素、生長素及微生物分泌的多種活性物質(zhì)[3-4]，沼液不僅可提高蔬菜產(chǎn)量、改善品質(zhì)[5]，而且對(duì)大多數(shù)植物病原真菌具有抑制作用[6]?？盗柙频妊芯堪l(fā)現(xiàn)，施用沼液、沼渣可以滿足果類蔬菜的正常生長發(fā)育所需[5]。因此，沼液、沼渣作為肥料越來越多地被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，目前，沼液在土壤改良、農(nóng)作物增產(chǎn)等方面有應(yīng)用研究報(bào)道[7-8]。Odlare等研究發(fā)現(xiàn)，沼渣能調(diào)節(jié)土壤pH值，增加植物可直接利用的磷含量，提高土壤微生物活性等，對(duì)土壤改良到起一定的促進(jìn)作用[9]。孫國峰等認(rèn)為，在小麥農(nóng)田種植中沼液可全量替代化肥[10]。但張進(jìn)等也提出，將沼液完全代替化肥用于水稻生產(chǎn)會(huì)對(duì)水稻的生長和產(chǎn)量不利[11]。

目前，沼液作為有機(jī)肥料的可利用性研究大部分是通過對(duì)沼液中有效營養(yǎng)元素的分析[3-4]及對(duì)各種農(nóng)作物產(chǎn)量的影響[5，10]等來驗(yàn)證的，其對(duì)植物內(nèi)在的影響機(jī)制卻鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)將沼液添加至傳統(tǒng)水培蕹菜(IpomoeaaquaticaForsk.)[12]培養(yǎng)體系中，分析蕹菜的再生能力、光合能力、生物量積累等指標(biāo)，進(jìn)一步明確沼液的作用效果和適宜使用濃度，為沼液能更好地作為有機(jī)肥料替代傳統(tǒng)化肥應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2015年7—9月于南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，選取粗壯一致的市購蕹菜，剪掉上下兩端，只保留高度為(18±1) cm的莖部分；每株蕹菜保留2個(gè)節(jié)，上節(jié)用來生長枝葉，下節(jié)用來生根，每株蕹菜的鮮質(zhì)量約為(3±0.5) g；將剪取好的蕹菜固定至350 mL塑料杯中，每杯3株，備用。試驗(yàn)用沼液由上海林海生態(tài)有限公司所提供，基本理化性質(zhì)：pH值為7.14，電導(dǎo)率(EC值)為18.380 mS/cm，總氮、總有機(jī)質(zhì)、總磷含量分別為1 569、585、1 757 mg/L。

1.2 試驗(yàn)處理

向固定有蕹菜的塑料杯中分別施加濃度為0.12%、0.24%、0.60%、1.20%、6.00%、12.00%的沼液，折合純氮含量分別為1.88、3.76、9.41、18.83、94.14、188.28 mg/L，每個(gè)濃度梯度重復(fù)5次，以自來水培養(yǎng)為對(duì)照(CK)，將蕹菜置于光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，溫度為28 ℃，光照度為 500 μmol/(m2·s)，光—暗周期為12 h—12 h，持續(xù)培養(yǎng) 21 d。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 再生率、生物量、葉綠素 培養(yǎng)期間，每天觀察樣本的生長狀況，統(tǒng)計(jì)各樣本的再生率；培養(yǎng)到21 d時(shí)，分別稱取所有處理樣本的根、莖鮮質(zhì)量，烘干至恒質(zhì)量，稱取干質(zhì)量；將葉片剪成兩半，一半于烘干前后進(jìn)行稱量，計(jì)算干鮮比，另一半稱取0.05 g，剪碎，加95%乙醇研磨、提取，以95%乙醇作為空白對(duì)照，用國產(chǎn)UV1800型紫外可見分光光度計(jì)分別測定波長665、649 nm處的吸光度D665 nm、D649 nm[13]，計(jì)算葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)的含量，計(jì)算公式如下：

CChl a=13.95×D665 nm-6.80×D649 nm；

CChl b=24.96×D649 nm-7.32×D665 nm。

1.3.2 光合氣體交換參數(shù) 參照李霞等的方法[14]，選取長勢相似的蕹菜葉片，采用美國產(chǎn)LI-6400型便攜式光合儀測定植物的光響應(yīng)曲線，由全自動(dòng)紅藍(lán)LED燈提供0～1 200 μmol/(m2·s)的光合光量子通量密度[PPFD]，維持CO2濃度為0.785 mg/L，溫度為28 ℃，記錄葉片凈光合速率(Pn)，利用非直角雙曲線模型和葉子飄教授提供的光合計(jì)算軟件，獲得最大凈光合速率(Pmax)、初始量子效率(α)、光補(bǔ)償點(diǎn)(Ic)和暗呼吸速率(Rd)[15]。

1.3.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù) 采用德國WALZ產(chǎn)MINI-PAM型超便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x測定葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)。選取長勢相似的葉片，用葉夾暗適應(yīng)30 min，打開葉夾，開啟檢測光，測定光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)；利用內(nèi)置自動(dòng)光源測定熒光誘導(dǎo)曲線，計(jì)算PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量(ΦPSⅡ)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)，計(jì)算公式如下：

Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm；

ΦPSⅡ=(Fm′-Ft)/Fm′；

qP=(Fm′-Ft)/(Fm′-Fo′)；

NPQ=(Fm-Fm′)/Fm′。

式中：Fm′、Ft、Fo′分別為光適應(yīng)過程中的飽和熒光值、實(shí)時(shí)熒光值、最小熒光值；Fm、Fo分別為暗適應(yīng)后的最大熒光值、最小熒光值[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0、Excel 2010軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析和Duncan’s新復(fù)極差法檢驗(yàn)樣本間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度沼液處理對(duì)蕹菜再生率的影響

由圖1可知，用自來水培養(yǎng)的蕹菜(CK)再生率為80%；較低濃度沼液處理可促進(jìn)蕹菜的再生，0.12%、0.24%濃度沼液處理的蕹菜再生率較對(duì)照增加17%，當(dāng)沼液濃度增加到 0.60% 時(shí)，蕹菜再生率較對(duì)照上升的幅度有所下降；添加更高濃度沼液會(huì)抑制蕹菜的再生，1.20%、6.00%沼液濃度處理的蕹菜再生率較對(duì)照分別下降17%、33%，6.00%沼液濃度處理的蕹菜再生率與CK相比差異顯著(P<0.05)；最高沼液濃度12.00%處理的蕹菜無法再生。

2.2 不同濃度沼液處理對(duì)蕹菜生物量的影響

由圖2可知，培養(yǎng)21 d，添加濃度為0.12%～0.24%沼液的蕹菜生物量有明顯提高，但與對(duì)照相比差異不顯著，0.24% 沼液處理的蕹菜根、莖、葉生物量較對(duì)照分別上升16%、45%、47%；1.20%沼液處理的蕹菜與對(duì)照相比，其生物量累積受到顯著的抑制；隨著沼液使用濃度的升高，蕹菜根冠比呈先上升后下降趨勢，相互間差異不顯著。

2.3 不同濃度沼液處理對(duì)蕹菜葉綠素含量的影響

由圖3可知，0.12%～0.60%沼液處理的水培蕹菜葉綠素含量明顯高于對(duì)照，其中，0.60%沼液處理的蕹菜葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)含量相對(duì)最高，分別較對(duì)照高24%、60%，葉綠素a含量與對(duì)照相比差異不顯著，而葉綠素b含量與對(duì)照相比差異顯著(P<0.05)；沼液濃度達(dá)到 1.20% 時(shí)，葉綠素含量下降，Chl a、Chl b含量明顯低于對(duì)照組，但與對(duì)照相比差異不顯著。

2.4 不同濃度沼液處理對(duì)蕹菜光響應(yīng)曲線的影響

由圖4、表1可知，0.24%～0.60%沼液處理的水培蕹菜光響應(yīng)曲線較對(duì)照有明顯上浮；經(jīng)非直角雙曲線模型擬合分析發(fā)現(xiàn)，0.24%～0.60%濃度沼液處理的蕹菜最大凈光合速率較對(duì)照上升9.40%～17.67%，0.12%～0.24%沼液處理的蕹菜光補(bǔ)償點(diǎn)、暗呼吸速率較對(duì)照均有較大幅度的上升，0.60% 沼液處理的蕹菜初始量子效率較對(duì)照也有所上升，1.20% 沼液處理的蕹菜最大凈光合速率、光補(bǔ)償點(diǎn)較對(duì)照出現(xiàn)一定程度的下降，而不同處理間蕹菜各光合參數(shù)差異不明顯。

2.5 不同濃度沼液處理對(duì)蕹菜PSⅡ熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

由圖5、表1可知，隨著沼液使用濃度的增加，蕹菜葉片最大光化學(xué)效率(Fv/Fm值)呈先上升后下降趨勢，0.24%沼液濃度處理的Fv/Fm值相對(duì)最大，較對(duì)照增加2.88%，且差異顯著(P<0.05)；隨著沼液使用濃度的增加，水培蕹菜的實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量(ΦPSⅡ)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)較對(duì)照均有所上升，沼液濃度為0.60%時(shí)，蕹菜葉片ΦPSⅡ、qP出現(xiàn)最大值，沼液濃度繼續(xù)增加，ΦPSⅡ、qP均有所下降；不同濃度沼液處理的蕹菜非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)較對(duì)照有一定程度的下降，沼液濃度為0.60%時(shí)NPQ下降最為明顯，之后隨著沼液濃度的增加，NPQ出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。

表1 不同沼液濃度處理對(duì)水培蕹菜光合參數(shù)及暗適應(yīng)下最大光化學(xué)效率的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

3 結(jié)論與討論

國內(nèi)外有研究表明，沼液可用作肥料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，沼液中除了含有氮、磷、鉀等大量元素外，還含有鋅、錳、銅等多種微量元素及氨基酸等[17-18]，且存在一定的抑菌因子，可有效抑制植物病原微生物的產(chǎn)生，提高植物的存活率[19-20]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，使用濃度為0.12%～0.60%的沼液能提高蕹菜的再生率，增加根、莖、葉的生物量，可能與沼液中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)了植物組織生長有關(guān)[3-4]，與Liu等研究結(jié)論[21]一致；0.24%沼液使蕹菜根冠比增加，但高濃度沼液處理可明顯抑制根生物量的積累。

光合作用是植物生物量積累的有效途徑，葉綠素是植物光合作用中物質(zhì)吸收、傳遞和光能轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，葉綠素含量是反映光合強(qiáng)度的重要生理指標(biāo)[22]。本試驗(yàn)中，0.24%～0.60% 沼液處理的蕹菜葉片葉綠素含量較對(duì)照有所提高，這很好地解釋了蕹菜生物量增加的原因。呂淑敏等研究表明，添加適量沼液能提高玉米葉片的葉綠素含量及源庫代謝關(guān)鍵酶的活性，從而促進(jìn)生物量的積累[23]。葉綠素?zé)晒庀嚓P(guān)參數(shù)中，最大光化學(xué)效率(Fv/Fm值)代表PSⅡ的最大光化學(xué)效率[24]，實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量(ΦPSⅡ)能反映電子的傳遞速率，高ΦPSⅡ有利于為暗反應(yīng)碳同化積累更多的能量，而光化學(xué)淬滅(qP)反映PSⅡ原初電子受體單電子受體質(zhì)醌(QA)的氧化還原狀態(tài)，即PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額，非光化學(xué)淬滅(NPQ)反映PSⅡ天線色素吸收卻不能用于光合電子傳遞，最終以熱能耗散掉的光能部分[16，25-27]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著沼液濃度的增加，經(jīng)沼液處理的蕹菜Fv/Fm、ΦPSⅡ呈先上升后下降趨勢，0.24%～0.60%沼液的施用提高了PSⅡ的光化學(xué)效率及PSⅡ反應(yīng)中心開放比例，降低了非輻射熱耗散，有利于光合色素把所捕獲的光能高效地轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，提高了PSⅡ量子產(chǎn)量和光合速率，促進(jìn)了生物量的累積，為碳同化提供了充足能量；0.12%～1.20%沼液的施用使蕹菜qP提高、NPQ降低。這從側(cè)面反映在中濃度沼液處理?xiàng)l件下蕹菜光合能力有所提高，與趙玲等的研究結(jié)論[28]吻合。但是，高濃度沼液處理對(duì)水培蕹菜的生長是不利的，蕹菜的再生率較對(duì)照有所下降，這可能是因?yàn)檫^量施用沼液會(huì)增加硝酸鹽在蔬菜內(nèi)的積累量[29]，不利于蕹菜的再生；1.20%沼液濃度處理的蕹菜生長速率受到抑制，其生物量、凈光合速率低于對(duì)照；高濃度沼液處理的蕹菜ΦPSⅡ、qP下降，NPQ上升，水培蕹菜PSⅡ的生理活性降低，用于光合作用的光能減少，不利于碳同化作用[26]，與劉義國等的研究結(jié)論[30]一致。

綜上所述，適宜濃度的沼液可以促進(jìn)水培蕹菜生長，而較高濃度則出現(xiàn)抑制，這可能與其特殊成分的變化有關(guān)，有待進(jìn)一步開展研究。沼液作為有機(jī)肥用于蕹菜種植時(shí)，應(yīng)注意控制沼液的施加量，建議以0.24%～0.60%濃度范圍(折純氮含量3.76～9.41 mg/L)為宜。

致謝：感謝井岡山大學(xué)葉子飄教授提供光合分析模型及計(jì)算軟件。