鐵鋅配施對(duì)黃瓜生長(zhǎng)、光合特性和果實(shí)品質(zhì)的影響

苗妍秀，梁 祎，楊家勤，高星星，侯雷平

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，山西太谷 030801；2.山西省設(shè)施蔬菜提質(zhì)增效協(xié)同創(chuàng)新中心，山西太谷 030801)

微量元素在植株生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成中起重要作用。作為植物需求量最大的微量元素，鐵(Fe)參與調(diào)控葉綠素合成、光合作用、氮同化和氧化還原反應(yīng)等重要生理過(guò)程[1-2]。鐵在土壤中主要以難溶性Fe3+形式存在，很難被植物吸收利用[3]。缺鐵常常引起葉片中葉綠素含量降低、根系形態(tài)發(fā)育不良，導(dǎo)致植株生長(zhǎng)發(fā)育減緩[4-6]。通過(guò)在草莓、番茄和水稻等作物上的研究發(fā)現(xiàn)，施用鐵肥有利于葉綠素形成、提高葉片光合效率和果實(shí)品質(zhì)，促進(jìn)植株體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素積累[7-9]。

鋅(Zn)是植物正常生命活動(dòng)所必需的微量元素，是300多種蛋白質(zhì)和酶的組成成分，對(duì)光合作用、蛋白質(zhì)合成和生長(zhǎng)素合成等具有重要意義[10]。中國(guó)約有51.1%的耕地土壤鋅含量較少，特別是北方石灰性土壤中有效鋅含量低，缺鋅現(xiàn)象嚴(yán)重[11]。缺鋅易導(dǎo)致植株生長(zhǎng)受阻、葉綠素含量減少、色氨酸和生長(zhǎng)素含量降低[12]。大量研究發(fā)現(xiàn)，施用鋅肥可以顯著提高植株葉片葉綠素含量和凈光合速率，從而提升作物產(chǎn)量[13-14]。施用鋅肥還能促進(jìn)還原糖和氨基酸大量積累，并降低硝酸鹽含量，進(jìn)而改善作物品質(zhì)[15-17]。然而，目前研究多集中于單一施用鋅肥或鐵肥，對(duì)于鐵鋅配施對(duì)植株果實(shí)品質(zhì)及其對(duì)植株的綜合評(píng)價(jià)方面的研究較少。

黃瓜(CucumissativusL.)是世界重要的蔬菜作物之一，也是中國(guó)設(shè)施蔬菜的主栽作物。由于設(shè)施長(zhǎng)季節(jié)黃瓜栽培具有結(jié)果期長(zhǎng)、需肥量大、根系分布淺且吸收能力弱等特點(diǎn)，為提升果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)，需進(jìn)行多次追肥[18]。葉面施肥被認(rèn)為是最直接有效的追肥方式[19]。因此，本試驗(yàn)通過(guò)葉面噴施鐵肥和鋅肥來(lái)研究其對(duì)黃瓜生長(zhǎng)、葉片光合特性、果實(shí)品質(zhì)和植株元素積累方面的影響，旨在為黃瓜高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)日光溫室中進(jìn)行，供試土壤(0～30 cm)為壤土，體積質(zhì)量為1.21 g·cm-3，田間持水量為19.21%，pH為6.80，電導(dǎo)率為1.18 dS·m-1，有機(jī)質(zhì)含量31.12 g·kg-1，速效氮含量91.0 mg·kg-1，速效磷含量13.7 mg·kg-1，速效鉀含量40.4 mg·kg-1。

本試驗(yàn)以‘中農(nóng)16號(hào)’黃瓜為試驗(yàn)材料。2019-03-02，黃瓜種子經(jīng)55 ℃溫湯浸種后，在 28 ℃恒溫箱催芽，露白后播種在50孔穴盤中，放置于日光溫室中育苗。定植前在土壤中施入羊糞12 t·hm-2，并進(jìn)行深耕。4月20日，將3葉1心的黃瓜幼苗定植于日光溫室中，定植后采用溫室日常管理和農(nóng)藝措施，結(jié)果期施用‘六國(guó)網(wǎng)’牌復(fù)合肥料(N∶P2O5∶K2O，24∶12∶12)449.78 kg·hm-2，分3次平均施用，以追肥的形式隨灌溉水施入土壤。灌溉采用常規(guī)溝灌，定植后約7 d灌溉1次，結(jié)果期約3～4 d灌溉1次。進(jìn)入結(jié)果期后開(kāi)始進(jìn)行葉面施肥處理，本試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理：CK，清水；Fe，100 μmol·L-1EDTA-Fe (4.21×10-3%)；Zn，200 μmol·L-1ZnSO4·7H2O(5.75×10-3%)；Fe+Zn，100 μmol·L-1EDTA-Fe和200 μmol·L-1ZnSO4·7H2O (9.96×10-3%)。采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積為(1.2×4.5) m2。每7 d處理1次，共施肥3次，每次噴施4.8 L，F(xiàn)e、Zn和Fe+Zn處理3次噴施的溶液總量分別為1.12 kg·hm-2、1.53 kg·hm-2和2.65 kg·hm-2。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 黃瓜生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定 在開(kāi)始處理的第0、7和14天，測(cè)定黃瓜株高、葉片數(shù)和最大葉片的葉長(zhǎng)和葉寬，根據(jù)葉面積=0.743×葉長(zhǎng)×葉寬，計(jì)算黃瓜葉片的葉面積[20]。每個(gè)處理重復(fù)6次。

1.2.2 黃瓜葉片光合特性測(cè)定 在葉面施肥3次后的晴天9:00-11:00，使用LI-6400XT光合儀(美國(guó)Li-Cor公司)測(cè)定黃瓜葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。使用透明葉室，葉溫為28 ℃，CO2濃度為400 μmol·mol-1，氣流速率為500 mL·min-1，相對(duì)濕度為40%～60%。每個(gè)處理4次重復(fù)。在葉面施肥3次后，測(cè)定黃瓜葉片色素、可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量，葉片色素含量使用95%乙醇方法測(cè)定，可溶性糖含量使用蒽酮乙酸乙酯方法測(cè)定，可溶性蛋白質(zhì)含量使用考馬斯亮藍(lán)G-250方法測(cè)定[21]。每個(gè)處理重復(fù)4次。

1.2.3 黃瓜果實(shí)品質(zhì)測(cè)定 在葉面施肥3次后，測(cè)定果實(shí)單果質(zhì)量、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)、硝酸鹽、維生素C和游離氨基酸含量。維生素C含量使用2,6-二氯酚靛酚方法測(cè)定，硝酸鹽含量使用水楊酸-硫酸方法測(cè)定[21]。游離氨基酸使用2%磺基水楊酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù))方法提取，HITACHI-L-8800氨基酸分析儀(日本日立)測(cè)定[22]。每個(gè)處理重復(fù)4次。

1.2.4 黃瓜元素積累及分布測(cè)定 在葉面施肥3次后，測(cè)定黃瓜葉片、莖和果實(shí)的元素積累及分布情況，稱取干樣0.2 g，使用濃HNO3和H2O2混合液進(jìn)行消煮，使用AA-6200原子吸收分光光度計(jì)(日本島津)測(cè)定Fe、Zn、Cu、K、Ca和Mg元素含量。每個(gè)處理重復(fù)4次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

使用SPSS 20.0(美國(guó)IBM公司)one-way ANOVA 單因素方差分析中Duncan’s多重比較方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，使用Two-way ANOVA 雙因素方差分析比較變異來(lái)源，包括Fe、Zn和Fe×Zn互作效應(yīng)，使用隸屬函數(shù)分析方法對(duì)黃瓜植株生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵鋅配施對(duì)黃瓜植株生長(zhǎng)的影響

由圖1可見(jiàn)，鐵鋅配施促進(jìn)黃瓜植株生長(zhǎng)。在處理第14天時(shí)，與CK相比，F(xiàn)e+Zn處理的黃瓜株高、葉片數(shù)和最大葉片的葉面積分別增加9.82%、1.48%和13.99%，但處理間差異不 顯著。

2.2 鐵鋅配施對(duì)黃瓜葉片光合特性的影響

整體來(lái)看，鐵鋅配施顯著提升黃瓜葉片光合特性和色素含量(圖2和表1)。與CK相比，Zn處理的黃瓜葉片Tr和可溶性蛋白質(zhì)含量分別顯著增加16.27%和67.39%，F(xiàn)e+Zn處理的葉片Pn顯著增加9.68%、葉片色素(葉綠素a+b、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素)和可溶性蛋白質(zhì)含量均顯著升高。雙因素分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e和Zn各自對(duì)Pn、葉片色素和可溶性蛋白質(zhì)有顯著影響，F(xiàn)e和Zn互作效應(yīng)顯著表現(xiàn)在葉片色素上。

表1 鐵鋅配施下黃瓜葉片生理特性Table 1 Physiological characteristics of cucumber leaves under Fe and Zn fertilizers

2.3 鐵鋅配施對(duì)黃瓜果實(shí)品質(zhì)的影響

與CK相比，F(xiàn)e處理的黃瓜果實(shí)可溶性蛋白質(zhì)含量顯著增加46.60%，F(xiàn)e處理和Zn處理的黃瓜果實(shí)總氨基酸、必需氨基酸(Val、Met、Ile、Leu、Phe和Lys)、條件必需氨基酸(His和Arg)和非必需氨基酸(Asp、Ser、Gly、Cys、 Tyr和Pro)含量均顯著增加，F(xiàn)e+Zn處理的黃瓜單果質(zhì)量和條件必需氨基酸含量顯著增加，而硝酸鹽含量顯著降低(表2)。Fe對(duì)單果質(zhì)量、硝酸鹽、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖和非必需氨基酸存在顯著影響，Zn對(duì)單果質(zhì)量和可溶性蛋白質(zhì)含量存在顯著影響，F(xiàn)e和Zn在單果質(zhì)量、Vc和氨基酸含量上存在顯著的互作效應(yīng)。

鐵鋅配施促進(jìn)黃瓜果實(shí)游離氨基酸大量積累(圖3)。與CK相比，F(xiàn)e處理和Zn處理促進(jìn)黃瓜果實(shí)12種游離氨基酸(Asp、Ser、Gly、Cys、Val、Ile、Leu、Tyr、Phe、His、Arg和Pro)大量積累， Fe+Zn處理的果實(shí)Ser、Ile、Leu和Arg含量顯著增加，而Lys含量顯著減少。

表2 鐵鋅配施下黃瓜果實(shí)品質(zhì)Table 2 Fruit quality of cucumber plants under Fe and Zn fertilizers

2.4 鐵鋅配施對(duì)黃瓜植株元素積累的影響

鐵鋅配施改變黃瓜植株元素積累。與CK相比，F(xiàn)e處理的黃瓜葉片中Fe含量和莖中Cu含量均顯著增加61.29%，Zn處理的果實(shí)中K和Mg含量顯著增加，F(xiàn)e+Zn處理的葉片F(xiàn)e、Zn含量和莖中K含量均顯著升高，而果實(shí)Fe和Zn含量顯著降低(表3)。

2.5 鐵鋅配施對(duì)黃瓜植株生長(zhǎng)發(fā)育的綜合評(píng)價(jià)

使用隸屬函數(shù)分析法對(duì)黃瓜植株生長(zhǎng)狀態(tài)、葉片光合特性和果實(shí)品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果(表4)表明，F(xiàn)e+Zn處理的黃瓜植株生長(zhǎng)發(fā)育的綜合評(píng)價(jià)值最高，F(xiàn)e處理次之，CK和Zn處理的綜合評(píng)價(jià)值最低。

表4 鐵鋅配施對(duì)黃瓜植株生長(zhǎng)發(fā)育的綜合評(píng)價(jià)Table 4 Membership function analysis for cucumber growth and development under Fe and Zn fertilizers

3 討 論

鐵鋅配施顯著提升黃瓜葉片中葉綠素含量和光合效率。葉綠素是植物吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化太陽(yáng)光的重要光合色素，是決定光合效率高低的重要因素[24-25]。植株細(xì)胞約有80%Fe元素集中在葉綠體中，F(xiàn)e不僅參與葉綠素合成，還是光合電子傳遞鏈中細(xì)胞色素b6f(Cytb6f)復(fù)合體、Fe-S中心、鐵氧還原蛋白(Fd)和Fd-NADP+還原酶(FNR)的重要組成部分，在調(diào)控光合作用的光反應(yīng)中起著重要作用[5,26]。Zn作為葉綠體中 Cu/Zn-SOD的重要組成成分，在維持葉綠體膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性上起到重要作用[27-28]。同時(shí)，Zn還是光合作用中碳酸酐酶(CA)的組成成分，參與調(diào)控CO2同化過(guò)程[29-30]。本試驗(yàn)中，葉面同時(shí)噴施Fe和Zn促進(jìn)葉片中Fe和Zn大量積累，進(jìn)而促進(jìn)葉綠素合成，提升光能利用效率和碳同化能力，增強(qiáng)葉片的光合效率(圖2、表1和表3)。這和在番茄和藿香上的研究結(jié)果基本一致[9,31]。

鐵鋅配施顯著提升黃瓜果實(shí)品質(zhì)。Fe是硝酸還原酶(NR)和亞硝酸還原酶(NiR)的重要組成成分， NR和NiR是參與硝酸鹽同化的重要還原酶[32-33]。本試驗(yàn)中，F(xiàn)e處理的黃瓜果實(shí)可溶性蛋白質(zhì)顯著增加，這主要是因?yàn)橥庠碏e顯著提高葉片F(xiàn)e含量，促進(jìn)硝酸鹽同化和蛋白質(zhì)合成[19](表2和表3)。Fe+Zn處理的果實(shí)硝酸鹽含量顯著降低，主要是因?yàn)槿~面同時(shí)噴施Fe肥和Zn肥顯著提升黃瓜葉片光合效率，而良好的碳同化能為氮代謝提供充足的碳源和能量，促進(jìn)硝酸鹽同化進(jìn)程，進(jìn)而提升果實(shí)品質(zhì)。

鐵鋅配施顯著增加黃瓜果實(shí)氨基酸含量。氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本物質(zhì)，也是植物重要的氮代謝產(chǎn)物，植株從外界吸收無(wú)機(jī)氮后，經(jīng)過(guò)酶的催化作用將其轉(zhuǎn)化為氨基酸[34]。本試驗(yàn)中，F(xiàn)e、Zn和Fe+Zn處理的黃瓜果實(shí)游離氨基酸含量均有不同程度升高(圖3和圖4)。這主要是因?yàn)橥庠碏e和Zn均能顯著提升NR和NiR活性，加快硝酸鹽同化，進(jìn)而促進(jìn)氨基酸的大量積累[15,35-36]。同時(shí)，F(xiàn)e處理和Zn處理的黃瓜果實(shí)總氨基酸、必需氨基酸(Val、Ile、Leu、Phe)、條件必需氨基酸(His和Arg)和非必需氨基酸(Asp、Ser、Gly、Cys、Tyr和Pro)均顯著增加，F(xiàn)e+Zn處理的條件必需氨基酸(Arg)顯著增加，說(shuō)明葉面噴施鐵肥和鋅肥促進(jìn)黃瓜果實(shí)中必需氨基酸和條件必需氨基酸的合成，有效提升果實(shí)品質(zhì)。

4 結(jié) 論

葉面噴施鐵肥能顯著增加黃瓜葉片中Fe含量、果實(shí)可溶性蛋白質(zhì)和總氨基酸含量。葉面噴施鋅肥能顯著增加葉片可溶性蛋白質(zhì)、果實(shí)K、Mg含量和總氨基酸含量。葉面同時(shí)噴施鐵肥和鋅肥能顯著增加葉片Pn、葉片色素、可溶性蛋白質(zhì)、Fe和Zn含量，顯著提高果實(shí)單果質(zhì)量和游離氨基酸含量，并顯著降低果實(shí)硝酸鹽含量。因此，葉面同時(shí)噴施鐵肥和鋅肥促進(jìn)黃瓜葉片F(xiàn)e和Zn元素積累，提升黃瓜葉片光合特性和果實(shí)品質(zhì)。