殼聚糖類有機水溶肥對杭白菊苗期生長影響及其機制研究①

周金燕，紀榮婷，董剛強，閔 炬，施衛(wèi)明*

(1 土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008； 2 安利(中國)植物研發(fā)中心，江蘇無錫 214115)

杭白菊(Chrysanthemum morifoliumRamat.)是菊科多年生植物，具有散風清熱、平肝明目的功能[1]，社會需求量大，是我國大宗藥材和重要出口藥材。大量實踐表明，杭白菊苗期對速效肥料非常敏感，施用不當將嚴重影響杭白菊的產量及品質[2]。采用有機種植對提高杭白菊產量和品質具有重要意義。有機種植體系，作為有機農業(yè)的重要組成部分，通過逐步改善土壤生物、理化性質來提高土壤肥力，達到改良作物品質，減輕環(huán)境風險，維護土壤、環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的目的，在全世界得到了普遍關注和發(fā)展[3-7]。有機種植體系嚴禁化學肥料、農藥、生長調節(jié)劑的施用。因此，有機產品無化學藥品殘留、無污染，品質優(yōu)良，價格一般為其他同類產品的3 倍 ～ 8 倍，有機種植帶來的經濟效益遠遠高于常規(guī)種植[8]。然而，國內外學者研究表明，在有機種植的前期，由于有機肥料養(yǎng)分釋放慢，礦化過程較長，土壤培肥慢，會導致作物產量降低。在高利潤的刺激下，為了追求產量，過量施用有機肥料和灌水也成為有機種植業(yè)發(fā)展的普遍現(xiàn)象。合適的有機肥料投入成為有機種植體系前期產量保證的重要前提之一。殼聚糖作為一種天然多糖，廣泛存在于蝦、蟹、昆蟲等的甲殼以及高等真菌的外壁和細胞壁內，在自然界中的蘊藏量非常大[9]。在相關的微生物肥及調理劑的使用中發(fā)現(xiàn)，殼聚糖不僅能顯著提高作物本身的抗逆能力，大幅度降低化肥農藥的使用[10]，還能促進有益微生物的增殖、改良土壤、維護農業(yè)生態(tài)環(huán)境，并且果蔬產品的口感和品質均顯著提升[11]。因此，殼聚糖被認為是解決現(xiàn)代農業(yè)污染問題的有效方式之一，是無公害農產品生產和可持續(xù)農業(yè)的重要資源[12]。殼聚糖有機水溶肥作為一種新型的有機肥料，結合了水肥兩種模式，與傳統(tǒng)的固體有機肥料相比，在玉米和萵苣上能顯著提高養(yǎng)分的利用率、減少損失，提高作物產量和品質[13-14]。近年來，殼聚糖類肥料在果蔬作物上的應用效果報道較多，但對其作用機制研究涉及的較少，且殼聚糖類肥料在杭白菊種植上的應用鮮見報到。本課題在前期研究中對杭白菊苗期進行了有機水溶肥類型的篩選試驗，發(fā)現(xiàn)與海藻提取物類、魚提取物類、蚯蚓糞類、植物分解物類的有機水溶肥相比，殼聚糖有機水溶肥能夠顯著促進杭白菊苗期的生長發(fā)育[15]。但促進杭白菊苗期生長的最佳殼聚糖有機水溶肥用量尚不明確，而這對指導生產實踐非常重要。此外，殼聚糖有機水溶肥促進杭白菊苗期生長的作用機制也不清楚。為此，本試驗通過設置不同的殼聚糖有機水溶肥施用水平，研究其對杭白菊苗期生長的影響，明確杭白菊苗期生長的最佳施用量；并通過分析杭白菊苗期的根系生長特征、光合作用以及碳氮比，來探索殼聚糖有機水溶肥促進杭白菊苗期生長的作用機制。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試杭白菊品種為金菊2 號，由安利(中國)植物研發(fā)中心研究農場提供。供試肥料為中國廣東省湛江市博泰生物化工科技實業(yè)有限公司生產的殼聚糖有機水溶性肥料(經南京國環(huán)有機產品認證中心認證)，其pH 7.2，全氮98 g/L，全磷1.3 g/L，全鉀23.2 g/L。供試土壤基本理化性狀分別為：pH 5.1，礦物態(tài)氮30 mg/kg，有效磷15.5 mg/kg，速效鉀48.1 mg/kg。

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗，在中國科學院南京土壤研究所溫室進行。選擇長勢基本一致同一批次扦插的杭白菊苗定植于規(guī)格為盆高12 cm ×直徑12 cm 的塑料盆中，栽培基質為土壤和珍珠巖按體積比2∶1 混合，每盆定植1 棵杭白菊幼苗，常規(guī)水肥管理。

試驗共設置5 個處理：CK 為不施肥、T1 為1 000倍有機水溶肥稀釋液、T2 為500 倍有機水溶肥稀釋液、T3 為300 倍有機水溶肥稀釋液、T4 為100 倍有機水溶肥稀釋液。緩苗一周后進行處理，每次澆灌肥料稀釋液50 ml，CK 處理澆灌等量去離子水，每5 d澆灌1 次，連續(xù)6 次。每個處理20 盆，共100 盆。

1.3 測定項目及方法

樣品采集后測定植株葉片數(shù)、莖粗和株高，并將植株分為根系和地上部兩部分，先用去離子水清洗干凈，用吸水紙吸干表面水分后，測定鮮重；于105℃烘箱中殺青30 min 后再降溫至恒重，用于養(yǎng)分含量的測定。

1.3.1 光合特性的測定 采用Li-Cor 6400 型光合作用測定儀在09：00—11：00 對完全展開的新葉進行凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)以及蒸騰速率(E)的測定。測定光照強度設置為1 000 μmol/(m2·s)，CO2濃度調整為大氣CO2濃度(380 ～ 400 μmol/mol)，葉片溫度設置在25 ～ 28℃，葉室內空氣濕度控制在40% ～ 60%。

1.3.2 根系形態(tài)參數(shù)的測定 采用根系掃描儀對根系形態(tài)參數(shù)進行成像測定。成像前，將根系放置在與成像掃描儀配套的凹槽中，加水將根系浸沒其中，用木質牙簽或徒手將根系分開以盡量減少對根系的傷害。成像后，選擇目標根系區(qū)域，通過根系分析系統(tǒng)軟件 WinRHizo2004b (Regent Instrument Inc.,Canada)對根長、根體積和根表面積進行圖像參數(shù)分析。

1.3.3 全碳和全氮含量的測定 將烘干的樣品磨細，過100 目篩，采用元素分析儀對植株全碳和全氮含量進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 16.0進行整理和統(tǒng)計分析，采用Duncan 法進行多重比較(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同殼聚糖有機水溶肥供應水平對杭白菊苗期根系和地上部生長的影響

供應不同水平的殼聚糖有機水溶肥均能顯著促進杭白菊苗期根系和地上部的生長，根系顯著增大，地上部顯著增高增壯(圖1)。表1 數(shù)據(jù)表明，隨殼聚糖有機水溶肥劑量的增加，杭白菊生物量及生長發(fā)育指數(shù)(如葉片數(shù)、株高、莖粗)顯著增加，T3 處理達到最大，T4 處理與之相比無顯著差異，而T2 處理較T1 處理無顯著差異。T3 處理根鮮重、地上部鮮重、葉片數(shù)、莖粗和株高與CK 相比分別顯著增加了66%、115%、27%、17% 和32%，而較T1 處理則分別顯著增加了18%、42%、16%、9.6% 和15%。此外，隨殼聚糖有機水溶肥劑量的增大，杭白菊根冠比逐漸減小，且T3 處理與T4 處理相比無顯著差異，說明T3 處理下植株所需養(yǎng)分已經能夠滿足植物較好生長。綜合考慮經濟投入成本，300 倍有機水溶肥稀釋液(T3 處理)為杭白菊壯根促苗較適宜濃度。

圖1 不同殼聚糖有機水溶肥供應水平對杭白菊苗期生長的影響Fig. 1 Effects of different supply levels of chitosan organic water-soluble fertilizer on the growth of chrysanthemum at seedling stage

表1 不同殼聚糖有機水溶肥供應水平對杭白菊苗期生物量及生長發(fā)育指標的影響Table 1 Effects of different supply levels of chitosan organic water-soluble fertilizer on biomass and growth and development indexes of chrysanthemum at seedling stage

2.2 不同殼聚糖有機水溶肥供應水平對杭白菊苗期根系形態(tài)的影響

杭白菊苗期根系形態(tài)特征對不同殼聚糖有機水溶肥供應水平的響應程度存在顯著差異。由圖2 可以看出，供應不同水平的殼聚糖有機水溶肥均顯著改善了苗期杭白菊的總根長、根表面積和根體積，且均在T3 處理時達到最大值，改善的比例為T3≈T4＞T2≈T1。與CK 和T1 處理相比，T3 處理根體積改善幅度最大，分別增加了69% 和38%，根表面積則分別提高了62% 和28%，而總根長改善幅度最小，分別提高了46%和20%。說明殼聚糖有機水溶肥對根系形態(tài)的改善主要表現(xiàn)在根體積和根表面積。

圖2 不同殼聚糖有機水溶肥供應水平對杭白菊苗期根系形態(tài)的影響Fig. 2 Effects of different supply levels of chitosan organic water-soluble fertilizer on root morphology of chrysanthemum at seedling stage

2.3 不同殼聚糖有機水溶肥供應水平對杭白菊苗期光合特性的影響

由表2 可知，供應不同水平的殼聚糖有機水溶肥均能顯著促進杭白菊苗期光合作用。與CK 相比，隨殼聚糖有機水溶肥劑量的增加，各處理植株光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)及蒸騰速率(E)均顯著增加且變化趨勢基本一致，變化幅度為T3≈T4＞T2≈T1。T3 處理各光合參數(shù)較CK 分別增加了67%、42%、23% 和67%，而較T1 處理則分別提高了26%、26%、13% 和28%。說明T3 處理下，光合作用的提高是由于杭白菊的根系形態(tài)得到較好改善，為植株提供了充足的養(yǎng)分，從而為促進杭白菊苗期生長提供了物質和能量。

表2 不同殼聚糖有機水溶肥供應水平對杭白菊苗期光合特性的影響Table 2 Effects of different supply levels of chitosan organic water-soluble fertilizer on photosynthetic characteristics of chrysanthemum at seedling stage

2.4 不同殼聚糖有機水溶肥供應水平對杭白菊苗期碳氮代謝的影響

由圖3 可知，不同殼聚糖有機水溶肥供應水平對杭白菊苗期根系和地上部碳氮代謝的影響存在顯著差異。與CK 相比，T4 處理根系和地上部的全碳含量均顯著下降，下降幅度分別為4.4% 和3.8%，而其他處理均無顯著差異。隨殼聚糖有機水溶肥劑量的增加，杭白菊苗期根系和地上部的全氮含量均顯著增加，與CK 相比，各處理根系全氮含量增加幅度分別為0.65 倍、1.46 倍、2.75 倍和4.84 倍；地上部全氮含量增加幅度則分別為0.38 倍、0.88 倍、1.01 倍和1.61 倍。此外，各處理根系和地上部的碳氮比均隨殼聚糖有機水溶肥劑量的增加顯著下降。表1 表明，與T4 處理相比，T3 處理杭白菊苗期生物量無顯著差異，而植株全碳含量較高，說明T4 處理下，杭白菊苗期氮素代謝旺盛，而碳代謝可能不足。從而進一步說明合適的碳氮比是T3 處理杭白菊苗期生長較好的關鍵，而T3 處理下，杭白菊苗期根系和地上部的碳氮比值分別為19 和17。

3 討論

本試驗研究結果表明，與CK 相比，增施不同水平的殼聚糖有機水溶肥均能顯著促進杭白菊苗期生長，且T3(300 倍有機肥稀釋液)處理效果較顯著(圖1，表1)。這是由于殼聚糖有機水溶肥含有大量的養(yǎng)分和生物調節(jié)物質殼聚糖，能夠快速被植物吸收，從而促進杭白菊苗期地上部生長[16-17]。植物根冠比能較好反映植物對外在營養(yǎng)條件的需求[18]。T3 處理與T4處理相比，根冠比無顯著差異(表1)，說明T3 處理植株地上部養(yǎng)分的供應能夠滿足植株較好生長，綜合考慮經濟投入成本，在有機種植體系中，300 倍有機肥稀釋液為促進杭白菊苗期生長的最佳濃度。

根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的最主要的器官。研究表明，根系受遺傳信息和外界環(huán)境的影響，具有很強的可塑性[19]。本試驗結果表明，與CK 相比，各處理下植株根系形態(tài)均有顯著改善，而T3 處理改善幅度較大，根長、根表面積和根體積分別提高了46%、62% 和69%(圖2)，對杭白菊苗期壯根效果顯著。而根系形態(tài)的改變一方面與殼聚糖能夠促進植株根系的伸長有關[20-21]，如Katiyar 等[22]報道殼聚糖能夠顯著促進擬南芥根系的生長；另一方面則是由于增施有機肥可以改善土壤的團粒結構，提高土壤的蓄水保墑能力，從而促進根系的伸長延伸[23-24]。研究表明，根系形態(tài)參數(shù)的增加能夠增加養(yǎng)分的吸收利用，從而增加植物生物量[25]。因此，T3 處理下根系形態(tài)的改善可能是有機種植體系下杭白菊苗期生長較好的機制之一。

根系是決定葉片生長和活力的主要因素。根系發(fā)達，活力強，能夠促進植株吸收養(yǎng)分的能力，從而提高光合作用[26-27]。光合作用是植物生長的基礎，是植物生產力構成的最主要因素[28-29]。本試驗結果表明，與CK 相比，增施不同水平的殼聚糖有機水溶肥均能顯著促進植物的光合作用(凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均顯著增大)，且T3 處理時增強幅度較大(表2)。而T3 處理光合作用與T4 處理相比無顯著差異，則可能是由于T3 處理下參與杭白菊光合作用的Rubisco 酶活性較高，從而提高了杭白菊光合氮素利用率[30-31]，而進一步增加殼聚糖有機水溶肥用量則不能進一步顯著增強Rubsico 酶活性，從而表現(xiàn)出光合作用接近飽和的狀態(tài)。

碳氮代謝是植物生長發(fā)育最基本的兩大代謝，碳氮比則反映了植株碳氮代謝的相對強弱，在調節(jié)植株生長方面起著非常重要的作用[32-33]。碳氮代謝的協(xié)調程度不僅影響植物的生長發(fā)育，也顯著影響作物的產量和品質[34-35]。本試驗研究結果表明，添加不同劑量的殼聚糖有機水溶肥均顯著降低了杭白菊苗期的碳氮比。而與CK 相比，T4 處理下杭白菊根系和地上部的全碳含量均顯著下降，而其他處理均無顯著差異(圖3)。說明T4 處理下，氮素過量，可能導致杭白菊苗期氮素代謝旺盛，而碳代謝產物降低。這一結果也與Commichau 等[36]報道相符合。這可能是由于參與碳氮代謝的一些相關酶活性發(fā)生了變化[37-38]。研究表明，殼聚糖會顯著改變植株氮同化等一些酶的活性[39-40]，而具體怎樣影響碳氮代謝則有待于進一步研究。此外，結合不同處理下的生物量及碳氮比(圖1、圖3)，則可以進一步證實合適的碳氮比是促進杭白菊苗期生長的關鍵和可能機制之一。而本試驗體系下，針對杭白菊苗期較合適的植株碳氮比值根系和地上部則分別為19 和17。

圖3 不同殼聚糖有機水溶肥供應水平對杭白菊苗期碳氮代謝的影響Fig. 3 Effects of different supply levels of chitosan organic water-soluble fertilizer dilution on carbon and nitrogen balance of chrysanthemum at seedling stage

4 結論

通過設置不同殼聚糖有機水溶肥供應水平對杭白菊苗期生長的試驗，明確了稀釋300 倍后的殼聚糖有機水溶肥是杭白菊苗期生長最佳用量，初步探明了促進杭白菊苗期生長的作用機制與殼聚糖有機水溶肥促進了杭白菊根系形態(tài)的改善、增強了光合作用和調節(jié)了植株的碳氮平衡等生理過程有關。