硅元素對西瓜生理特征及礦質(zhì)元素積累的影響

秦偉 劉震 陳昆 韓同進

摘? ? 要：為研究西瓜對硅的生理響應(yīng)特征，以西瓜品種‘黑將軍為試驗材料，通過營養(yǎng)液沙培的方式，研究5個硅水平（0，0.5，1.2，2.2和4.0 mmol·L-1）對西瓜幼苗葉綠素熒光參數(shù)、光合色素及礦質(zhì)元素吸收特性的影響。結(jié)果表明：在0～2.2 mmol·L-1范圍內(nèi)，硅可以促進西瓜幼苗葉片F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、φPSⅡ和qP值的增加，而在4.0 mmol·L-1時上述指標降低。隨硅濃度（0～4.0 mmol·L-1）的增加，葉片凈光合速率胞間CO2濃度和氣孔導度表現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，且在2.2 mmol·L-1時值最大，較對照分別提高19.45%，55.29%和29.12%，與對照差異均極顯著（P<0.01），而蒸騰速率表現(xiàn)出與凈光合速率負相關(guān)的關(guān)系。硅濃度0～0.5 mmol·L-1時，對Mg、Ca元素的吸收有促進作用;硅濃度1.2～4.0 mmol·L-1時，不利于西瓜葉片對Ca、Mg元素的吸收;0.5～4.0 mmol·L-1的硅濃度不利于葉片對Fe、Mn元素的吸收積累。

關(guān)鍵詞：硅素;葉綠素熒光;光合能力;元素吸收;西瓜

中圖分類號：S651? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.04.003

Abstract： In order to study the physiological response characteristics of watermelon to silicon， the effects of five silicon levels （0， 0.5， 1.2， 2.2 and 4.0 mmol·L-1） on chlorophyll fluorescence parameters， photosynthetic pigment and mineral element absorption characteristics of watermelon seedlings were studied by means of nutrient solution sand culture. The results showed that in the range of 0～2.2 mmol·L-1， silicon could promote the increase of Fv/Fm， Fv/Fo， φ PSII and qP values in watermelon seedling leaves， but at 4.0 mmol·L-1， the above indexes decreased. With the increase of silicon concentration（0～4.0 mmol·L-1）， the net photosynthetic rate and stomatal conductance of leaves increased first and then decreased， and the highest values were found at 2.2 mmol·L-1， which were 19.45%， 55.29% and 29.12% higher than those of the control， with significant differences between the two groups（P<0.01）， while the transpiration rate showed a negative correlation with the net photosynthetic rate. When silicon concentration was 0～0.5 mmol·L-1， it can promote the absorption of Mg2+ and Ca2+; when silicon concentration was 1.2～4.0 mmol·L-1， it was not conducive to the absorption of Ca2+ and Mg2+; when silicon concentration was 0.5～4.0 mmol·L-1， it was not conducive to the absorption and accumulation of Fe and Mn.

Key words： silicon; chlorophyll fluorescence; photosynthetic capacity; element absorption; watermelon

硅是植物生長的有益礦質(zhì)元素。眾多研究表明，適量的硅能提高作物的代謝水平[1]，促進作物對氮磷肥的吸收利用，促進植株的生長發(fā)育[2]，增加植株干、鮮質(zhì)量[3]，提高抗氧化系統(tǒng)超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）、過氧化物酶（Peroxidase， POD）、過氧化氫酶（Catalase， CAT）等保護酶活性[4]，有利于作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[5]。硅可以使植物莖壁加厚，增強抗倒伏能力，調(diào)節(jié)氣孔開閉，降低蒸騰，提高水分利用效率和光合性能，調(diào)控植株體內(nèi)大量元素氮磷鉀、中量元素鈣鎂的含量。同時，硅還能提高作物的抗病性和抗蟲性，增強作物抗旱性、耐鹽性[6]、耐高溫性和抗紫外線脅迫能力，減輕重金屬毒害，清除活性氧積累。有關(guān)硅在黃瓜[7]、番茄[8]、馬鈴薯[9]、青蒜苗[10]等蔬菜作物形態(tài)建成、光合能力、葉綠素熒光特性、保護酶系統(tǒng)及品質(zhì)等方面的研究[11]，均已有眾多報道，而有關(guān)硅素用量對西瓜幼苗葉片生理特性方面的研究報道較少。為此，本文通過沙培試驗，研究硅對西瓜葉綠素熒光參數(shù)、光合能力及礦質(zhì)元素吸收積累規(guī)律的影響，以期探明硅在西瓜上的最適用量，為西瓜生產(chǎn)中合理使用硅肥提供科學依據(jù)，為研究硅對西瓜的作用機理提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試西瓜品種為‘黑將軍，由北京中聯(lián)韓種子有限公司選育的一代雜交種。該品種植株生長勢較強，第一雌花平均節(jié)位8.0節(jié)，單瓜重量4.93 kg，果實短橢圓形，果肉紅色，果皮淺墨綠色，皮厚1.0 cm，果皮較硬。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2019年3月17日在巴莊西瓜試驗基地智能溫室內(nèi)進行。試驗共設(shè)置5個硅水平，硅濃度分別為0，0.5，1.2，2.2和4.0 mmol·L-1，其中硅濃度為0時用作對照，其他濃度的硅用作處理。每個處理和對照均設(shè)置3次重復，每盆作1次重復，共計15盆。

種子出苗后，將長勢一致、2葉1心的西瓜幼苗定植于長寬高分別為60，35和25 cm的塑料盆中，每盆定植6株西瓜幼苗。塑料盆內(nèi)事先裝滿用清水洗凈、蒸餾水沖洗2～3遍且消過毒的河沙，上覆一層蛭石以減少水分蒸騰。栽植后用Hoagland營養(yǎng)液進行澆灌，每5 d更換1次營養(yǎng)液。培養(yǎng)8 d后排出盆內(nèi)的營養(yǎng)液，并分別澆灌含九水偏硅酸鈉（Na2SiO3·9H2O）的Hoagland營養(yǎng)液，使營養(yǎng)液中硅濃度分別為0，0.5，1.2，2.2和4.0 mmol·L-1。12 d后，對西瓜幼苗葉片葉綠素熒光參數(shù)、光合指標、礦質(zhì)元素進行測定。

1.3 測定項目及方法

選取植株由上向下數(shù)第3片功能葉片，測定葉綠素熒光參數(shù)、光合特性及礦質(zhì)元素。葉綠素熒光參數(shù)PSII最大光化學量子產(chǎn)量（Fv/Fm）、PS II的潛在活性（Fv/Fo）、光合作用反應(yīng)中心II（φPSⅡ）、光化學淬滅（qP）采用美國產(chǎn)LI-6400 XT便攜式光合儀測定，光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導度、蒸騰速率采用CIRAS-2便攜式光合儀測定。于2019年5月7日上午9：00─10：00進行測定，光強1 000～1 100 μmol·m-2·S-1，氣溫23～26 ℃，葉溫25～28 ℃，CO2濃度410 μmol·mol-1，每水平隨即測定3株，作3次重復。Ca、Mg、Fe、Mn含量，通過高氯酸-濃硝酸消煮后，利用火焰原子吸收法進行測定[12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft excel 2007進行數(shù)據(jù)處理，采用SAS軟件進行統(tǒng)計分析，采用Duncan信服極差法對數(shù)據(jù)進行顯著性差異檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅對西瓜幼苗葉片葉綠素熒光特性的影響

由表1可以看出，不同濃度的硅對西瓜幼苗葉片葉綠素熒光特性的影響存在差異。隨著硅濃度（0～4.0 mmol·L-1）的增加，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、φPSⅡ和qP均呈現(xiàn)先升高再降低的單峰變化規(guī)律，且以2.2 mmol·L-1時值最大，較對照分別提高10.67%，16.58%，10.81%和8.60%，且差異均顯著（P<0.05），這表明在2.2 mmol·L-1的硅濃度處理下西瓜葉片PSⅡ電子傳遞活性最大。硅濃度4.0 mmol·L-1時，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、φPSⅡ和qP雖然仍高于對照，但均低于2.2 mmol·L-1時，這說明過高的硅濃度開始對光合反應(yīng)中心電子傳遞起抑制作用。

2.2 硅對西瓜幼苗葉片光合特性的影響

由圖1可知，西瓜幼苗葉片凈光合速率隨營養(yǎng)液中硅濃度的增加表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，在硅濃度2.2 mmol·L-1時值最大，與對照比增加了19.02%，達到了顯著差異水平（P<0.05）;繼續(xù)增加硅濃度至4.0 mmol·L-1時，凈光合速率開始下降，但與對照差異不顯著（P>0.05）。胞間CO2濃度和氣孔導度亦隨硅濃度的增加呈現(xiàn)先升高再降低的單峰變化規(guī)律。蒸騰速率的變化規(guī)律與上述3個指標不同，隨硅濃度的增加表現(xiàn)出下降趨勢，最小值出現(xiàn)在硅濃度4.0 mmol·L-1時，與差異達顯著（P<0.05），表明硅有利于減少西瓜葉片水分散失。

2.3 硅對西瓜葉片Mg、Ca、Fe、Mn元素吸收的影響

由表2可知，不同濃度的硅對西瓜幼苗葉片礦質(zhì)元素的積累的影響存在差異。在0～0.5 mmol·L-1時，葉片Mg2+、Ca2+含量隨硅濃度的增加而增加，至0.5 mmol·L-1時值最大，這說明在一定硅濃度范圍內(nèi)，增加硅肥用量有利于西瓜根系對Mg2+、Ca2+的吸收;在1.2 ～4.0 mmol·L-1范圍內(nèi)，Mg2+、Ca2+含量隨硅濃度的增加呈現(xiàn)降低趨勢，且均低于對照，與對照差異顯著（P<0.05），這表明根系對硅促進Mg2+、Ca2+吸收存在一定的閾值，超過一定閾值反而起抑制作用。在0～4.0 mmol·L-1時，F(xiàn)e、Mn元素含量變化規(guī)律類似，均隨硅濃度的增加而降低。0.5～4.0 mmol·L-1時，各處理Mn含量與對照差異均達到顯著（P<0.05）以上水平，這表明硅濃度高于0.5 mmol·L-1不利于Fe、Mn元素在西瓜葉片中積累。

3 討 論

Fv/Fm代表PSII的原初光能轉(zhuǎn)換效率，用于表征暗適應(yīng)下PS II反應(yīng)中心最大光能轉(zhuǎn)換效率[13]，F(xiàn)v/Fo代表PSII的潛在活性。光化學淬滅系數(shù)（qP）的大小反映了光系統(tǒng)原初電子受體質(zhì)體醌 （QA）的還氧狀態(tài)，它是由于QA的重新氧化所引起的。qP愈大代表QA重新氧化的量愈大[14]。本試驗結(jié)果表明，隨著硅濃度的升高，西瓜幼苗葉片F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、φPSⅡ和qP均呈現(xiàn)先升高再降低的單峰變化規(guī)律，與劉緩等[15]在黃瓜上的研究結(jié)論一致。在1.8 mmol·L-1時，F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、φPSⅡ值最大，說明在該處理下有利于提高西瓜葉片光合電子傳遞速率， PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度和光化學電子傳遞的份額相對較高。西瓜幼苗葉片qP值隨硅濃度（0～2.2 mmol·L-1）的增加而增加，這表明適量的硅可以促進電子從光系統(tǒng)氧化側(cè)向光系統(tǒng)自反應(yīng)中心流動;當硅濃度4.0 mmol·L-1時，qP值下降，這是因為過高的硅濃度對西瓜根系形成一種鹽脅迫環(huán)境，使根系細胞遭受損傷，阻礙了根系對礦質(zhì)元素的吸收，進而影響電子傳遞系統(tǒng)的通道，致使qP值變小。

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