施氮對鐵皮石斛氮磷及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響

閆道良 袁虎威 史驥清 滕士元 鄭炳松

(1浙江農(nóng)林大學省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室,浙江 杭州 311300；2蘇州神元生物科技股份有限公司,江蘇 蘇州 215217)

氮(N)是植物生長所必須,但又會限制植物生長的重要元素之一[1],其在植物生理代謝中不僅獨立發(fā)揮作用,而且會與磷(P)等限制性元素密切耦合[2],最終影響生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展過程,特別是葉片碳(C)的固定與C 循環(huán)[3]。研究表明,適量的N 促進了植物的光合作用,增加了C 物質(zhì)的積累[4-6]；過量的N 則會改變土壤P 的結(jié)構(gòu)組成和可利用性[7],使植物內(nèi)營養(yǎng)元素失調(diào),光合作用受到抑制,影響C 物質(zhì)的合成[8-9]。同時,植物光合C 物質(zhì)的合成不單與一種元素有關(guān),元素之間的耦合也起著重要作用。研究表明,植物元素平衡狀態(tài)與植物積累的代謝物具有強烈的相關(guān)性,這在對人工種植的單一種群和自然生態(tài)系統(tǒng)的植物群落研究中均得到了證實[10-11]。因此,掌握植物代謝中元素之間的平衡關(guān)系是提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要基礎(chǔ)。生態(tài)化學計量學理論為元素之間的平衡研究提供了支撐方向[12]。因此,通過研究元素的計量關(guān)系可為植物的養(yǎng)分利用效率及其彼此之間的限制關(guān)系提供重要手段[13]。

鐵皮石斛(Dendrobium officinaleKimura et Migo)是傳統(tǒng)名貴中藥材。目前,鐵皮石斛已由采集野生資源方式轉(zhuǎn)變?yōu)槔蒙锛夹g(shù)快速繁殖進而產(chǎn)業(yè)化人工栽培[14],然而,種植戶盲目追求鐵皮石斛產(chǎn)量不合理施肥現(xiàn)象在生產(chǎn)中屢見不鮮,導(dǎo)致各地鐵皮石斛多糖含量差異較大,嚴重制約了產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展[15]。再者,關(guān)于N、P 之間計量關(guān)系的研究,多集中在群落N、P 生態(tài)化學計量關(guān)系隨海拔和季節(jié)變化,以及施N 對P、鉀(K)養(yǎng)分利用等方面,并沒有明確N、P計量比的限制閾值。因此,本研究從施加N 肥對植物體內(nèi)N-P 養(yǎng)分耦合的角度,分析N、P 之間的限制關(guān)系,闡明追施N 肥對鐵皮石斛非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響,探討合理施N 對提高鐵皮石斛產(chǎn)量及品質(zhì)的重要作用,以期為鐵皮石斛種植產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

紅桿鐵皮石斛二年生組培苗,由蘇州神元生物科技股份有限公司組培部提供。

1.2 試驗設(shè)計

將紅桿鐵皮石斛二年生組培苗,栽植于口徑為18 cm,高為14 cm 的塑料缽內(nèi),每盆定植一叢,每叢株數(shù)基本一致。栽培基質(zhì)為腐熟的樹皮與干羊糞按體積3∶1 混合。把盆苗置于人工氣候箱內(nèi),光周期設(shè)置為14 h/10 h(白天/黑夜),光照強度為85 μmol·m-2·s-1,溫度為20℃/18℃(大致模擬3月份溫室栽培鐵皮石斛的溫度),相對濕度為75%±2%。鐵皮石斛在氣候箱中緩苗一周后,進行施氮(尿素,分析純)處理,處理方式為葉面噴施和對基質(zhì)充分澆透,設(shè)置尿素濃度為0(CK)、0.2%、0.6%、1.0%、1.5%,處理后在設(shè)定的氣候箱內(nèi)培養(yǎng),于處理后第5、第15、第30 天進行取樣測定。每處理設(shè)置5 個重復(fù),共25 盆。

1.3 測定方法

莖中總N、總P 含量測定采用硫酸-過氧化氫法,可溶性糖(soluble sugar,SS)、淀粉(starch,St)含量測定采用蒽酮硫酸法；非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(nonstructural carbohydrate,NSC)定義為可溶性糖(葡萄糖、蔗糖、果糖等)和淀粉的總和。葉片中葉綠素(chlorophyl,Chl)含量測定采用丙酮-乙醇浸提法[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用軟件SPSS 13.0 和Excel 2013 對試驗數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析(Duncon 法,P＜0.05)并作圖,結(jié)果以平均值±標準誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對鐵皮石斛總N、總P 含量及其化學計量比的影響

由圖1可知,施氮處理后不同時期,鐵皮石斛莖中總N 含量因施氮量的不同而有所差異,隨著施氮量的增加整體呈增加趨勢。當施加尿素濃度高于0.6%時,鐵皮石斛開始快速積累N 素,并于施加尿素濃度為1.5%時達到最高,顯著高于其他濃度處理(P＜0.05)。施氮處理后15 d,1.5%尿素處理的總N 含量較CK 增加了19.86%,施氮處理后30 d 較CK 增加22.16%,說明施加高濃度的氮肥更有利于促進鐵皮石斛N 素代謝。當施加尿素濃度低于0.6%時,同一時期各處理濃度間差異不顯著。當施加尿素濃度為0.6%～1.0%時,施氮處理后30 d 的鐵皮石斛的總N含量低于施氮處理后15 d,說明隨著施氮處理后時間的延長,鐵皮石斛通過內(nèi)穩(wěn)性平衡調(diào)節(jié)機制,把體內(nèi)相對過高的N 調(diào)控在其適宜生長的濃度。

圖1 施氮對鐵皮石斛總氮含量的影響Fig.1 Effect of nitrogen application on total nitrogen content of D.officinale

由圖2可知,施氮處理后15 d,鐵皮石斛對P 的吸收積累量在尿素濃度為0.2% 時達到最高(4.3 mg·g-1),較CK 增加2.87%,但隨著尿素濃度的增加,總P 含量下降,并趨于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。施氮處理后30 d,P 素積累量在施加尿素濃度為1.0%時達到最高,較CK 顯著增加10.32%(P＜0.05)。

植物的N∶P 比值可以直接反映出環(huán)境中N、P 養(yǎng)分的供給狀況。由圖3可知,在施氮處理后不同時期,隨著施加尿素濃度的增加,N∶P 比值均呈現(xiàn)較為明顯的變化。在尿素濃度為0.2%～0.6%范圍內(nèi),N∶P 值顯著低于尿素濃度為1.5%時的比值。在氮添加后的不同時期1.5%尿素處理下的N∶P 比值均為最高；0.6%尿素處理后30 d 的N∶P 比值最低,為3.17。綜上,施加低濃度的尿素(0.2%～0.6%)更有利于促進P 的吸收和積累,降低N∶P 比值。

圖2 施氮對鐵皮石斛總磷含量的影響Fig.2 Effect of nitrogen application on total phosphorus content of D.officinale

圖3 施氮對鐵皮石斛N∶P 比值的影響Fig.3 Effect of nitrogen application on N∶P ratio of D.officinale

2.2 施氮對鐵皮石斛葉綠素含量的影響

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素,其含量直接影響著碳水化合物的積累。由圖4可知,施氮處理后5 d,鐵皮石斛葉綠素含量未出現(xiàn)明顯變化；施氮處理后15～30 d,0.2%尿素處理的葉綠素含量均最高,當尿素濃度為0.6%～1.5%時,葉綠素含量并沒有明顯變化,但均顯著低于0.2%尿素處理的葉綠素含量。

2.3 施氮對鐵皮石斛非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響

由圖5可知,施氮處理后不同時期,0.2%尿素處理下的鐵皮石斛可溶性多糖含量均為最高,隨著尿素濃度增加,可溶性多糖含量呈下降趨勢。如施氮處理后15 d,0.2%尿素處理的可溶性糖含量是CK 的1.30倍,施氮處理后30 d 則是1.16 倍。當尿素濃度為0.6%時,鐵皮石斛淀粉含量在施氮處理后15 d 和30 d 均達到最高,隨著尿素濃度繼續(xù)升高,均呈下降趨勢,在尿素濃度為1.5%時降至最低。施氮處理后15 d,0.6%尿素處理的淀粉含量是CK 的1.38 倍,施氮處理后30 d 則是1.19 倍。上述結(jié)果表明,施加過多的氮(尿素濃度高于1.0%),鐵皮石斛多糖積累受到抑制,從而降低產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖4 施氮對鐵皮石斛葉綠素含量的影響Fig.4 Effect of nitrogen application on chlorophyll content of D.officinale

圖5 施氮對鐵皮石斛可溶性糖(A)及淀粉含量(B)的影響Fig.5 Effects of nitrogen application on soluble sugar(A)and starch content(B)of D.officinale

NSC 含量在鐵皮石斛中的變化與可溶性糖變化趨勢基本一致(圖6),即0.2%尿素處理的NSC 含量最高。在施氮處理后15～30 d,0.2%～0.6%尿素處理的NSC 含量基本保持在穩(wěn)定狀態(tài)。施氮處理后15 d,高濃度氮(尿素濃度高于1%)處理的NSC 含量明顯下降,尿素濃度為1.5%時NSC 含量顯著下降至最低值。上述結(jié)果表明,高氮處理(尿素濃度高于1%)會顯著降低鐵皮石斛NSC 含量,從而影響其對不良環(huán)境的適應(yīng)能力。

圖6 施氮對鐵皮石斛非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響Fig.6 Effect of nitrogen application on the content of non-structural carbohydrates in D.officinale

2.4 施氮下鐵皮石斛各指標之間關(guān)系的相關(guān)性分析

由表1可知,Chl 與SS 呈極顯著正相關(guān)；N 與P、N∶P 均呈極顯著正相關(guān),與St、NSC 分別呈極顯著和顯著負相關(guān)；N∶P 與St、NSC 也分別呈極顯著和顯著負相關(guān)；SS 和St 分別與NSC 呈顯著和極顯著正相關(guān)。上述結(jié)果表明,N、P 在鐵皮石斛體內(nèi)的耦合程度較高；鐵皮石斛體內(nèi)N∶P 與N 含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,而其與P 含量的相關(guān)性不顯著(P＞0.05),說明鐵皮石斛中N∶P 比值的變化主要由N 含量變化決定。此外,Chl、N 含量及N∶P 比值會影響SS、St 和NSC 的積累。

表1 各指標相關(guān)性分析Table 1 Analysis of the correlation among individual indicators

3 討論

3.1 施氮對鐵皮石斛總N、總P 及其化學計量學特征的影響

研究表明,施氮會改變土壤微生物的活動和群落結(jié)構(gòu),從而影響有機磷向無機磷的分解[17],同時,施氮也可以通過刺激初級生產(chǎn)來促進有機磷的形成,從而刺激微生物或植物對有機磷的需求[18],因此,N、P 在植物體內(nèi)具有較強的耦合關(guān)系。在鐵皮石斛栽培中,由于盲目追求產(chǎn)量,往往過多地施用化學氮肥,嚴重影響栽培環(huán)境中營養(yǎng)元素的平衡[15]。P 的沉積型循環(huán)特點,逐漸加劇了植物生長環(huán)境中P 的缺乏,使P 成為影響植株生長的限制因子,由此導(dǎo)致環(huán)境中N∶P 比值提高,最終影響植株對環(huán)境的養(yǎng)分利用策略、生產(chǎn)力及群體植株的穩(wěn)定性。因此,N∶P 比值直接影響鐵皮石斛的生長及質(zhì)量。本研究結(jié)果表明,當施加尿素濃度小于0.6%時,莖中總氮量并沒有明顯變化,隨著尿素濃度的增加,總氮量顯著提高。當尿素濃度為1.5%時,莖中總氮含量顯著高于對照,表明在低氮環(huán)境下(尿素濃度小于0.6%),植株可能通過內(nèi)在平衡調(diào)節(jié)機制,保持莖中總氮含量的穩(wěn)定性；當環(huán)境氮添加超過植株的內(nèi)在調(diào)節(jié)能力時(尿素濃度高于1.0%),莖中會積累過多的氮,同時磷含量也升高,最終導(dǎo)致N∶P比值明顯升高。此外,當尿素濃度高于1.0%時,NSC含量呈現(xiàn)下降趨勢,合成受到抑制,造成植株內(nèi)碳-氮失衡,發(fā)生養(yǎng)分元素奢侈吸收導(dǎo)致P 的積累[19]。因此,在高氮環(huán)境下,如何通過科學均衡地施肥,以調(diào)整植株內(nèi)碳-氮平衡,促進鐵皮石斛產(chǎn)量和品質(zhì)的進一步提升,是下一步研究的主要問題。前期研究發(fā)現(xiàn)鐵皮石斛在正常管理狀態(tài)下莖中全年的N∶P 比值變化范圍為2.01～3.47[20],結(jié)合本研究中施氮處理后30 d植株內(nèi)變化情況認為,當N∶P ＞4時,鐵皮石斛生長主要表現(xiàn)P 限制；N∶P＜2時,植株生長主要表現(xiàn)N 限制；2＜N∶P＜4時,植株生長受N、P 共同限制。

3.2 施氮對鐵皮石斛葉綠素含量的影響

植物的光合作用[21]、生長狀況[22]、生理代謝水平及營養(yǎng)條件與葉綠素含量密切相關(guān)[23],因此,掌握葉片葉綠素含量變化規(guī)律是提高植物產(chǎn)量的理論基礎(chǔ)。由于尿素本身被植物吸收后具有非速效性特點,本研究發(fā)現(xiàn),施氮處理后5 d 葉綠素含量并未表現(xiàn)出明顯變化,隨著施氮處理后時間的延長,不同濃度尿素處理植株的葉綠素含量表現(xiàn)出明顯的變化,0.2%尿素處理的葉綠素含量最高,這對增強葉片光合作用和提高鐵皮石斛產(chǎn)量及品質(zhì)具有非常重要的作用,這與0.2%尿素處理的鐵皮石斛多糖含量最高相一致。何麗香等[24]對小麥的研究同樣證實了葉綠素含量對小麥品質(zhì)的重要影響。

3.3 施氮對鐵皮石斛碳水化合物含量的影響

碳-氮代謝是植物最基本的代謝,兩者相互影響、相互作用。就碳代謝而言,它需要氮代謝提供酶和光合色素[25],因此,通過外施適宜濃度的氮肥以促進鐵皮石斛碳代謝,達到提高多糖含量的目的,是鐵皮石斛種植產(chǎn)業(yè)關(guān)注的重點。本研究結(jié)果表明,當尿素濃度為0～0.2%時,隨著尿素濃度升高,多糖含量增加。這表明隨著植株體內(nèi)氮含量的增加,可通過提高有機碳水化合物的合成,調(diào)整碳、氮平衡,從而促進鐵皮石斛產(chǎn)量的提高。當尿素濃度高于0.2%時,有機碳水化合物積累量下降,碳-氮代謝失衡,不利于碳水化合物的積累。因此,合理施加氮肥量是提高鐵皮石斛產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵。

NSC 主要由蔗糖、果糖、葡萄糖、果聚糖和淀粉等組成,是植物生長代謝過程中重要的能量供應(yīng)物質(zhì)[26]。同時,NSC 的儲備量不僅可以反映植物碳同化與碳消耗之間的平衡狀態(tài),而且可以表明不同發(fā)育階段的植物在與環(huán)境相互作用下碳水化合物重新分配狀況的動態(tài)變化[27]。研究發(fā)現(xiàn)NSC 含量變化對施氮的響應(yīng)規(guī)律并不一致,施氮既可以增加葉片的NSC 含量[28],也可以降低其含量[29]。這可能與不同植物對氮素的敏感性不同,或者與施肥水平有關(guān)。因此,掌握施氮條件下鐵皮石斛莖中NSC 的變化規(guī)律,對于提高鐵皮石斛品質(zhì)及了解其對環(huán)境的適應(yīng)性尤為重要。本研究結(jié)果表明,0.2%和0.6%尿素處理后30 d,鐵皮石斛莖中NSC 含量無明顯差異,但顯著高于對照(P＜0.05),且隨著尿素濃度的增加,NSC 含量顯著下降(P＜0.05)；同時,施氮后30 d,0.2%尿素處理的可溶性多糖含量最高,隨著尿素濃度增加,可溶性多糖含量顯著下降；相反淀粉含量在0.6%尿素處理顯著高于0.2%尿素處理,但淀粉并不是滲透調(diào)節(jié)的活性物質(zhì),也不是栽培鐵皮石斛所希望獲取的生理活性物質(zhì),因此0.2%尿素處理不僅促進了碳代謝,積累了更多具有生理活性的碳水化合物,而且對于提高鐵皮石斛對不良環(huán)境的抵抗力具有十分重要的作用。在追求鐵皮石斛高產(chǎn)、高品質(zhì)的施氮栽培中,合理調(diào)控氮肥供應(yīng),促進莖中NSC 積累,掌握NSC 各組分的組成和含量變化,將是下一步重點思考的問題。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,施加低濃度的氮肥(0.2%～0.6%的尿素)有利于促進鐵皮石斛對P 的吸收和積累；同時,低濃度的氮肥(0.2%尿素)能更好地促進葉綠素的合成和多糖的積累。鐵皮石斛莖中N∶P 比值的變化主要由N 含量變化決定。N 含量、葉綠素含量及N∶P 比值會影響鐵皮石斛可溶性糖、淀粉和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的積累。因此,合理施加氮肥是提高鐵皮石斛產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。然而,高濃度氮肥(尿素濃度高于1%)處理下,鐵皮石斛總N 含量增加,非機構(gòu)性碳水化合物含量下降,P 奢侈吸收并積累的機制尚不清晰,可通過生理、細胞及分子水平進一步闡明上述結(jié)果形成的原因,為進一步促進鐵皮石斛產(chǎn)量和品質(zhì)的提升提供參考。