小分子有机酸钾对水稻种子萌发和幼苗生长的影响

刘 燕，姚媛媛，杨越超*，程冬冬，李 珊，王晓琪，孙 磊

（1 土肥资源高效利用国家工程实验室/山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018；2 山东宝源生物科技股份有限公司，山东烟台 264008）

水稻(Oryza sativaL.)是世界主要粮食作物之一，养活了地球上将近50%的人口[1]。随着我国人口的不断增加，对稻米的需求也日益增加，而中国作为主要的水稻生产国[2-3]，保障国家的粮食安全责任重大。根据我国目前稻米年总消费量预测，到2030年，我国的稻米需求量会增加30%以上[4]，但是由于城市化、工业化以及农业结构的调整，水稻田面积正在以每年17.8万hm2的速度递减[5]。施用化肥是实现水稻增产增收的基本保障之一[6]，然而过度增施化肥已无法实现水稻的持续性增产[7-8]，同时，由于长期过量和不科学地使用化肥已经造成了一系列的环境问题[8]。为了满足未来对水稻的需求，如何在现有的甚至减少的种植面积的条件下提高水稻产量，是我国农业可持续发展所面临的主要问题。因此，为了缓解单施化肥所带来的环境问题以及促进水稻增产，小分子有机酸钾作为一种植物促生剂已广泛应用于农业可持续生产中。

小分子有机酸钾所含的有机酸根不仅可以促进植物生长[9]，还可以改良土壤，缓解过量施肥所带来的不良影响[10]；而且小分子有机酸钾中的K+为植物生长所必需的营养元素，可以达到化肥减量施用的目的。徐慧敏等[11-12]在辣椒上施用含K2O＞18%、有机质含量为380.0～520.0 g/L的低分子有机酸钾，试验结果表明，与空白对照和有机酸对照相比，小分子有机酸钾提高辣椒植物体内超氧化物歧化酶和过氧化物酶的活性，降低丙二醛含量，并且提高产量及品质。韦峥宇等[13]将含N 4%、P2O52.2%、K2O 16%的有机酸-钾肥施用于烟草，发现有机酸钾肥不仅提高烟草的生长速率，还会提高其产量和品质。韩锦峰等[14]的研究结果表明，柠檬酸钾处理提高烟草叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率等光合参数，提高其光合速率。许萍等[15]通过在烟草上施用柠檬酸钾、酒石酸钾、草酸钾等有机酸钾，测定了烟草的焦油含量、烟碱含量、燃烧速率等指标，结果表明与无机钾对照相比，小分子有机酸钾提高烟草的品质。

小分子有机酸钾的应用研究大多数集中于辣椒等蔬菜作物或烟草等经济作物，在水稻上的应用研究甚少。本试验通过研究3种小分子有机酸钾对水稻种子萌发及幼苗生长的影响，为将来研发可促进水稻生长、提高肥料养分利用率的新型肥料及其增效剂提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年3—5月在山东农业大学土肥资源高效利用国家工程实验室进行。

供试无机盐为硫酸钾[分析纯，分子量174.24，w(K2O)54.06%]。供试3种小分子有机酸钾分别为甲酸钾[分析纯，分子量84.12，w(K2O)55.99%]，乙酸钾[分析纯，分子量98.14，w(K2O)47.99%]，丙酸钾[分析纯，分子量112.17，w(K2O)41.99%]。

供试水稻(Oryza sativaL.)品种为‘临稻21’，生育期152天，属中晚熟粳稻品种。

1.2 试验设计

试验分为水稻种子萌发试验和水稻幼苗液培试验。共设9个处理：1)不含钾盐对照(CK)；2)0.25 mmol/L硫酸钾(IOS-1)；3)0.50 mmol/L硫酸钾(IOS-2)；4)0.25 mmol/L甲酸钾(OSA-1)；5)0.50 mmol/L甲酸钾(OSA-2)；6)0.25 mmol/L乙酸钾(OSB-1)；7)0.50 mmol/L乙酸钾(OSB-2)；8)0.25 mmol/L丙酸钾(OSC-1)；9)0.50 mmol/L丙酸钾(OSC-2)。

萌发试验：挑选大小均一、生命力强的水稻种子，用5% NaClO进行消毒处理10 min，期间不断搅拌，接着用去离子水浸泡并冲洗5～7次。消毒后的水稻种子用去离子水浸泡一昼夜，然后擦净，点种于预先加入15 mL处理液并铺有两层滤纸的培养皿中，每皿30粒，每个处理3次重复。点种结束后置于培养箱中(25℃恒温黑暗环境)进行萌发处理，第二天开始统计萌发数(幼芽长度超过粒长1/2即标为萌发)，并计算发芽率。

水培试验：水稻种子的消毒、冲洗同萌发试验，将擦净的水稻种子均匀点在湿润的石英砂上，保鲜膜封口并打孔，置于培养箱内进行萌发(25℃恒温的黑暗环境)，定时补充水分[16]。培养13天，水稻幼苗长至两叶一心时转移到水培装置中进行水培处理(除K+外，其他元素正常供应)，培养液中小分子有机酸钾的浓度按相应的处理进行配制，每个处理4次重复，置于培养室内进行培养(12 h光照/12 h黑暗、25℃恒温)，每3天更换一次营养液，期间观察水稻幼苗生长情况并及时做好记录，水培水稻幼苗长到四叶一心时，进行相关生长和生理指标的测定。

1.3 测定项目与方法

发芽率：芽长超过种子长度的1/2记为有效发芽，发芽率=发芽数/30×100%。

待水培水稻幼苗长到四叶一心时，进行相关生长和生理指标的测定。

生长指标：将水稻幼苗洗净擦干，置于干净桌面，并将其铺平，用直尺分别测量根和茎的长度、最大叶片的长度、宽度，用万分之一天平称取地上部分和地下部分的重量，将植株放入信封内，在烘箱中烘干，再用万分之一天平称取烘干后的地上部分和地下部分的重量，并准确记录数据。

光合参数：用Li-6400XT便携式光合仪(北京普析通用仪器有限公司，T6新世纪)对第四叶进行净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度的测定，并量出叶片宽度。

叶绿素含量：根据郝再彬等[17]的方法进行叶绿素含量的测定。

根系扫描：用根系扫描仪(美国，爱普生，V850Pro)进行根系扫描并进行数据分析。

根系活力：根据郝再彬等[17]的方法进行水稻幼苗根系活力的测定。

四氮唑还原强度[μg/(g·h)]=四氮唑还原量(μg)/[根重(g)×时间(h)]

烘干样的制备：将鲜水稻幼苗样品放入信封中，放入105℃的烘箱中杀青1 h，然后在75℃下烘干，取出水稻幼苗干样，用球磨仪研磨，过60目筛。

全钾含量：用鲍士旦[18]的H2SO4-H2O2法消解，火焰光度计法测定。

1.4 数据处理和分析

试验数据基础分析和作图采用Excel 2010，处理间多重比较采用SAS 8.2。

2 结果与分析

2.1 不同小分子有机酸钾对水稻种子萌发的影响

图1显示，OSA、OSB和OSC小分子有机酸钾均促进了水稻种子的早期发芽(培养48 h)，与CK相比，IOS、OSA、OSB和OSC处理均提高了水稻种子的发芽率，由此说明K+可以促进水稻种子萌发；当K+浓度为0.25 mmol/L时，OSA-1和OSB-1促进了水稻种子发芽率的提高，且与IOS-1相比均有显著性差异(P＜0.05)，分别较IOS-1提高了35.6%和37.8%；当K+浓度为0.50 mmol/L时，OSA-2和OSB-2促进了水稻种子发芽率的提高，且与IOS-2相比均有显著性差异(P＜0.05)，分别较IOS-2提高了34.0%和27.7%。培养120 h时，所有处理的水稻种子最终均可接近完全萌发，由此说明试验中所用到的小分子有机酸钾对水稻种子萌发是安全的。综上所述，与IOS处理相比，OSA和OSB处理均促进水稻种子的早期萌发且对种子是安全的。

2.2 不同小分子有机酸钾对水稻幼苗生长的影响

图1 不同小分子有机酸钾处理水稻种子萌发率Fig.1 Germination rate of rice seed treated with different small molecule organic sylvites

与CK相比，OSA、OSB和OSC处理均促进了水稻幼苗的生长。与IOS相比，小分子有机酸钾的促生效果受其浓度的影响(图2、表1)。当K+浓度为0.25 mmol/L时，OSA-1和OSB-1处理的水稻幼苗叶宽、地上部鲜重、地上部干重、根长、地下部鲜重和地下部干重显著高于IOS-1(P＜0.05)，OSA-1的增幅依次为34.2%、92.3%、87.6%、28.5%、100%和97.2%，OSB-1的增幅依次为31.6%、84.6%、79.0%、43.2%、150%和137%。当K+浓度为0.50 mmol/L时，OSA-2具有明显的促生效果，其叶宽、地上部鲜重、地上部干重、根长和地下部干重均显著高于IOS-2，增幅依次为29.3%、48.4%、62.3%、17.6%和58.1%(P＜0.05)，但水稻幼苗根冠比、株高和叶长在IOS、OSA、OSB和OSC处理之间多数差异不显著。促进水稻幼苗生长的最佳处理是OSA，最佳浓度是0.25 mmol/L。

2.3 不同小分子有机酸钾处理对水稻幼苗根系生长的影响

图2 不同小分子有机酸钾处理的水稻幼苗和根系Fig.2 Seedlings and roots of rice treated with different small molecule organic sylvites

表1 不同小分子有机酸钾处理的水稻幼苗生长指标Table 1 Growth indexes of rice seedling treated with different small molecule organic sylvites

图3 不同小分子有机酸钾处理的水稻幼苗根系扫描图Fig.3 Scanning images of rice seedling roots treated with different small molecule organic sylvites

小分子有机酸钾处理促进了水稻幼苗根系发育(图3)，其总根体积和总根表面积均明显高于CK，且差异达显著水平(P＜0.05)。与IOS相比，OSA、OSB促进了水稻幼苗根系发育(表2)，当K+浓度为0.25 mmol/L时，OSA-1和OSB-1的水稻幼苗根系总根长、总根表面积和总根体积均显著高于IOS-1(P＜0.05)，其中OSA-1的增幅依次为96.0%、96.0%和83.3%；OSB-1的增幅依次为132%、144%和150%。当K+浓度为0.50 mmol/L时，OSA-2处理的水稻幼苗根系总根长、总根表面积和总根体积均显著高于IOS-2(P＜0.05)，增幅依次为91.5%、65.4%和57.1%。与IOS处理相比，3种小分子有机酸钾处理的水稻幼苗平均根直径差异不显著。综上所述，OSA和OSB均促进了水稻幼苗根系发育且最佳处理是OSB，最佳浓度是0.25 mmol/L。

2.4 不同小分子有机酸钾处理对水稻幼苗根系活力的影响

小分子有机酸钾促进了水稻幼苗根系活力的提高(图4)。除OSC-1外，所有的小分子有机酸钾处理与CK相比均有显著性差异(P＜0.05)。与IOS相比，小分子有机酸钾对水稻幼苗根系活力的作用受其浓度的影响，当K+浓度为0.25 mmol/L时，与IOS-1相比，OSA-1的水稻幼苗根系活力显著提高了34.7%(P＜0.05)；当K+浓度为0.50 mmol/L时，与IOS-2相比，OSA-2的水稻幼苗根系活力显著提高了24.5%(P＜0.05)。IOS、OSA、OSB和OSC的不同浓度处理之间相比，K+浓度为0.50 mmol/L时的水稻幼苗的根系活力要高于K+浓度为0.25 mmol/L时，由此说明水稻根系活力受K+浓度的影响且促进水稻幼苗根系活力提高的最佳处理是OSA，最佳浓度是0.50 mmol/L。

2.5 不同小分子有机酸钾对水稻幼苗光合效率的影响

OSC处理提高了水稻幼苗叶片中光合色素的含量(表3)。当K+浓度为0.25 mmol/L时，OSC-1促进了水稻幼苗叶绿素a、叶绿素b和叶绿素(a+b)含量的提高，且与IOS-1相比均有显著性差异(P＜0.05)，其增幅依次为14.6%、25.7%和17.1%；当K+浓度为0.50 mmol/L时，OSC-2促进了水稻幼苗叶绿素a和叶绿素(a+b)含量的提高，且与IOS-2相比均有显著性差异(P＜0.05)，其增幅依次为9.67%和8.58%。促进水稻幼苗光合色素含量提高的最佳处理是OSC，最佳浓度是0.25 mmol/L。

表2 不同小分子有机酸钾处理的水稻幼苗根系形态Table 2 Root morphology of rice seedling treated with different small molecule organic sylvites

图4 不同小分子有机酸钾处理的水稻幼苗根系活力Fig.4 Root activity of rice seedling treated with different small molecule organic sylvites

与CK相比，OSA、OSB和OSC均提高了水稻幼苗叶片的光合速率(图5)。当K+浓度为0.25 mmol/L时，OSA-1和OSB-1处理的水稻幼苗叶片净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均高于IOS-1且差异显著(P＜0.05)，OSA-1的增幅依次为54.1%、85.4%和68.8%，OSB-1的增幅依次为113%、91.2%和81.8%，OSC-1的净光合速率较IOS-1提高了91.7%；当K+浓度为0.50 mmol/L时，OSA-2和OSB-2处理的水稻幼苗叶片净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均高于IOS-2且差异显著(P＜0.05)，OSA-2的增幅依次为87.3%、95.0%和103%，OSB-2的增幅依次为96.4%、55.2%和62.2%，OSC-2的净光合速率提高了102%，且差异达到显著水平(P＜0.05)。小分子有机酸钾处理水稻幼苗叶片的胞间CO2浓度与CK和IOS处理相比无显著性差异。综上所述，提高水稻幼苗光合能力的最佳处理是OSA，最佳浓度是0.50 mmol/L。

2.6 不同小分子有机酸钾处理对水稻幼苗全钾含量的影响

与IOS处理相比，OSA和OSB处理均促进了水稻幼苗对钾元素的吸收，而OSC抑制了水稻幼苗对钾元素的吸收(图6)。当K+浓度为0.25 mmol/L时，OSA-1和OSB-1与IOS-1之间的差异不显著，当K+浓度为0.50 mmol/L时，OSA-2和OSB-2促进了水稻幼苗对钾元素的吸收，且与IOS-2之间的差异达到显著水平(P＜0.05)，二者分别较IOS-2提高了19.6%和28.3%。促进水稻幼苗全钾含量提高的最佳处理是OSB，最佳浓度是0.50 mmol/L。

表3 不同小分子有机酸钾处理的水稻幼苗叶片色素含量(mg/g)Table 3 Pigment content in rice seedling leaves treated with different small molecule organic sylvites

图5 不同小分子有机酸钾处理水稻幼苗叶片光合参数Fig.5 Photosynthetic parameters of rice seedling leaves under different small molecule organic sylvite treatments

图6 不同小分子有机酸钾处理水稻幼苗植株全钾含量Fig.6 Total potassium content in rice seedling plants treated with small molecule organic sylvites

3 讨论

小分子有机酸钾促进植物生长、提高作物产量和品质，现已广泛应用于农业生产[11-15]，但现有研究主要集中于烟草等经济作物，而在水稻上的应用较少。与此同时，市面上的有机酸钾存在分子量大、纯度低等问题。因此，本研究在传统研究的基础上，将分子量介于50～150 Da之间的甲酸钾、乙酸钾和丙酸钾加入到水溶性肥料中，探究其对水稻种子萌发以及幼苗生长、光合及营养元素吸收的影响。小分子有机酸钾不仅可以替代部分化学肥料，其中所含碳骨架还可以合成蛋白质、脂类和核酸等植物生长所必需的物质[19]，并且价格低廉，无毒无害，对于新型肥料的研究和生产具有十分重要的指导作用。

3.1 小分子有机酸钾促进水稻种子萌发

张金灿等研究表明，施钾可促进植物种子萌发[20]，这与本研究的结果一致。即在水稻种子萌发试验中，经过48 h处理，含有K+的处理发芽率高于不含钾盐处理，这说明K+可以促进水稻种子萌发；小分子有机酸钾处理水稻种子的发芽率都达到了60%以上，其中甲酸钾和乙酸钾处理的水稻种子发芽率显著高于相同浓度的硫酸钾处理，处理120 h时各处理发芽率无显著差异，这说明小分子有机酸钾可以促进水稻种子提前萌发，这对于在特殊气候条件下水稻定植，提高水稻秧苗抗性，抵御不利环境影响和促进水稻增产等具有十分重要的现实意义。

3.2 小分子有机酸钾促进水稻幼苗生长

钾是植物三大营养元素之一，可以促进植物光合作用，提高植物对氮素的利用，促进蛋白质的合成，加速同化物的流动，增强植物的抗逆性，使植物经济用水和提高产量等[21]，相关研究发现，有机酸钾处理会提高植物株高、叶面积，促进干物质量的积累[11-15]。植株的生长指标可以最为直观地反映出其生长情况，在水稻幼苗水培试验中，相比于硫酸钾处理，小分子有机酸钾处理可明显地促进水稻幼苗叶宽、地上部鲜重、地上部干重、根长、地下部鲜重和地下部干重的增加，这可能是因为小分子有机酸钾被水稻幼苗吸收之后，可以提供其光合作用所必需的碳源，从而促进了水稻叶片干物质的积累[12]。根系是植物进行营养吸收的场所，分析不同小分子有机酸钾处理对水稻幼苗根系生长的影响发现，单纯施用硫酸钾并不能有效促进水稻幼苗根系的发育，而3种小分子有机酸钾处理均不同程度地促进了水稻幼苗根系的发育，而更发达的根系可以促进作物对养分的吸收从而进一步促进水稻增产。WinRHIZO软件分析也表明，小分子有机酸钾处理可以明显地促进水稻幼苗总根长、总根面积、总根体积的增加，发达的根系可以吸收更多的营养元素，进而促进水稻生长和提高产量。根系活力反映根系代谢状况，是一项反映根系吸收水分和营养元素能力的十分重要的指标，根系活力越强，代表根系的吸收能力越强，供给地上部分的水分和养分也就越多[22]。根系活力的测定结果表明，K+浓度对根系活力的影响较大，这与郭泽等[23]的研究结果相似。

3.3 小分子有机酸钾促进水稻幼苗光合效率提高

光合作用是植物生产力的一个基本组成部分，是影响植物产量的重要因素[24-25]，有机碳肥的使用会促进植物叶片中叶绿素的含量增加[26]，这在本研究的结果中也有所体现，相较于硫酸钾处理，OSC明显促进了水稻幼苗叶片中叶绿素含量的增加，但比较意外的是叶绿素的含量并不与光合参数呈正相关，这可能是因为光合作用是一个十分复杂的过程，叶绿素含量并不是唯一的决定因素。净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率是十分重要的光合指标，在本研究中这4个指标与叶绿素含量相结合反映出了水稻幼苗的光合状况，测定结果表明，相较于硫酸钾处理，小分子有机酸钾能明显地促进水稻幼苗净光合速率、气孔导度和蒸腾速率的提高，这与韩锦峰等[14]的研究结果相同。因为光合参数代表的是单位面积内的光合状况，在测定时我们测量了供试叶片的宽度，计算时将默认的2 cm换成相应叶片的实际宽度，这样就消除了因水稻幼苗叶片宽度不同而带来的误差，因此光合参数的测定结果结合叶片宽度的测定结果可知，小分子有机酸钾处理会进一步促进水稻幼苗光合作用和生长，光合作用的增加会促进产量的增加[25,27]。但其如何参与光合过程，促进水稻幼苗于物质的积累尚不清楚，未来我们将对小分子有机酸钾如何进入植物参与光合作用以及调控光合作用的机制进行系统的研究。

4 结论

小分子有机酸钾能够促进水稻种子提早萌发，促进水稻幼苗的生长、光合能力的提高以及钾的吸收。甲酸钾、乙酸钾、丙酸钾等小分子有机酸钾对水稻幼苗的促生机制明显不同，甲酸钾促进水稻幼苗地上部分的生长和光合效率的提高；乙酸钾促进水稻根系的生长和对钾的吸收；丙酸钾提高了水稻叶片光合色素的含量。这3种小分子有机酸钾促进水稻幼苗生长的适宜浓度均是0.25 mmol/L。