硅对西瓜幼苗光合色素、光合参数及矿质元素吸收的影响

2019-11-01蒋英姜晓君

天津农业科学 2019年9期

蒋英姜晓君

摘要：为探究西瓜生产中的最佳硅肥用量及耐受范围，采用营养液沙培的方式，研究0，0.3，0.9，1.8和3.2 mmol·L-1 5个硅水平对西瓜幼苗光合色素、光合参数及矿质元素吸收的影响。结果表明，0～1.8 mmol·L-1的硅能促进西瓜幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素含量的增加;硅浓度3.2 mmol·L-1时，上述指标均降低。净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度随硅浓度的增加呈现先升高再降低的单峰变化规律，而蒸腾速率则呈现逐渐降低的变化趋势。0.3 mmol·L-1的硅浓度促进叶片对Ca、Mg的吸收;硅抑制西瓜叶片对Fe、Mn的吸收。总之，硅浓度0.3～1.8 mmol·L-1的范围内，有利于促进西瓜叶片光合色素含量的增加及光合性能的提高，0.3 mmol·L-1的硅浓度有利于根系对Ca、Mg的吸收，且对Fe、Mn吸收的抑制程度不显著。

关键词：西瓜;硅;光合色素;光合参数;矿质元素

中图分类号：S651 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.09.004

Abstract： In order to explore the optimum silicon fertilizer dosage and tolerance range in watermelon production， the effects of 0， 0.3， 0.9， 1.8 and 3.2 mmol·L-1silicon levels on photosynthetic pigments， photosynthetic parameters and mineral element uptake in watermelon seedlings were studied by sand culture in nutrient solution. The results showed that 0～1.8 mmol·L-1 silicon could promote the increase of chlorophyll a， chlorophyll b， chlorophyll a+b and carotenoid contents in watermelon seedlings， and the above indexes were all decreased when the silicon concentration was 3.2 mmol·L-1. Net photosynthetic rate， stomatal conductance and intercellular CO2 concentration increased first and then decreased with the increase of silicon concentration， while transpiration rate decreased gradually. Silicon concentration of 0.3 mmol·L-1 promoted the absorption of Ca and Mg in leaves， while silicon inhibited the absorption of Fe and Mn in watermelon leaves. In a word， 0.3～1.8 mmol·L-1 could promote the increase of photosynthetic pigments content and photosynthetic performance of watermelon leaves. 0.3 mmol·L-1 silicon concentration was beneficial to the absorption of Ca and Mg by roots， and the inhibition of Fe and Mn absorption was not significant.

Key words： watermelon; silicon; photosynthetic pigments; photosynthetic parameters; mineral elements

硅是地球上絕大部分植物生活的基础元素，但硅在不同种类植物间的分布存在较大差异，如禾本科植物硅含量是双子叶植物的十几倍，在同一植物体不同部位的分布也不均匀，如硅在冬瓜不同部位的分布从高到低依次为老叶、成熟叶、主茎、果皮、根。硅作为植物生长的有益元素，能增加植物对干旱、重金属毒害等逆境的抵御能力和抗病虫害能力，提高作物产量，改善作物品质，有利于植株的形态建成和生长发育等[1]。研究表明，硅对植物的矿质元素吸收存在影响，如大葱对氮磷钾矿质元素的吸收随硅水平的增加而上升[2]，增施硅肥在提高小麦叶片氮磷元素含量的同时降低了钾素含量[3]。叶绿素含量和光合特性亦受硅的调控，如水稻施硅后叶绿素含量增加，净光合速率提高[4]。有关硅元素的研究多集中在单子叶植物上，而在双子叶植物方面的研究较少，只在近年来才逐渐增多，如0.5～1.0 mmol·L-1的硅对黄瓜植株光合和荧光特性影响显著[5]，硅能缩短茄果实成熟期等[6]。但关于硅在双子叶植物西瓜上的研究仍不多见，为此，笔者通过沙培试验，研究硅对西瓜光合色素含量、光合参数及矿质元素吸收特性的影响，旨在为西瓜生产中合理增施硅肥及营养液硅浓度提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料及试验地点

供试西瓜品种为当前市场上较受欢迎的代表品种‘8424。试验于2019年4月10日在河南省商丘市农林科学院双八试验站进行。

1.2 试验设计

取长势基本一致的3叶1心西瓜幼苗，定植于长70 cm、宽40 cm、高30 cm的泡沫箱中，每箱定植4株，泡沫箱内装满洗净消毒的河沙，上覆一层蛭石以减少水分蒸腾，共种植30盆。栽植后浇灌Hoagland营养液，营养液每3 d更换1次。培养6 d后，开始浇灌含九水偏硅酸钠（Na2SiO3·9H2O）的Hoagland营养液，使硅浓度分别为0，0.3，0.9，1.8和3.2 mmol·L-1，每处理设3次重复，每2盆作1次重复，14 d后，测定西瓜幼苗叶片光合色素含量、光合参数及矿质元素吸收积累量。

1.3 测定项目及方法

参照张志良等[7]的方法测定光合色素含量。采用CIRAS-2便携式光合仪测定西瓜幼苗叶片光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度。采用火焰原子吸收法测定[4]Ca、Mg、Fe、Mn含量。

1.4 数据分析

用Microsoft Excel 2003进行数据处理和作图，DPS7.02软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 硅对西瓜幼苗叶片光合色素含量的影响

由表1可知，适宜浓度的硅（0.3～1.8 mmol·L-1）对西瓜幼苗光合色素含量的提高有促进作用，在这一范围内叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素随着硅浓度的增加而增加，在硅浓度1.8 mmol·L-1时上述指标值最大，分别较对照分别增加22.58%，25.81%，23.50%和30.30%，与对照差异均极显著（P<0.01）;但在硅浓度0.3 mmol·L-1时，光合色素含量虽然高于对照，但与对照差异均不显著，说明低浓度的硅对叶片光合色素含量增加的促进作用不明显。当硅浓度达到3.2 mmol·L-1时，上述指标均降低，说明硅对西瓜叶片光合色素含量增加的促进作用存在一定的阈值。

2.2 硅对西瓜光合特性的影响

由表2可知，随着硅浓度的增加，净光合速率呈现先升高再降低的单峰变化规律，最大值出现在1.8 mmol·L-1时，较对照提高19.45%，与对照差异极显著（P<0.01）;当硅浓度3.2 mmol·L-1时，净光合速率开始降低，仍高于对照，但与对照差异不显著。气孔导度和胞间CO2浓度变化规律与净光合速率一致。蒸腾速率随硅浓度的增加呈现出逐渐降低的变化趋势，3.2 mmol·L-1时值最低，较对照降低19.70%，二者差异极显著（P<0.01）。

2.3 硅对西瓜叶片Mg、Ca、Fe、Mn元素含量的影响

由图1可知，在硅浓度0.3 mmol·L-1时，叶片Mg、Ca含量高于对照，说明低浓度的硅能促进西瓜根系对Mg、Ca元素的吸收积累;当硅浓度≥0.9 mmol·L-1时，Mg、Ca含量随硅浓度的增加而降低，且均低于对照，与对照差异极显著（P<0.01）。在0～3.2 mmol·L-1范围内，Fe、Mn含量随硅浓度的增加呈下降趋势，除0.3 mmol·L-1时Fe含量与对照差异不显著外，其他处理的Fe及各处理下的Mn含量与对照差异均达到显著以上差异水平（P<0.05）。

3 结论与讨论

光合色素是光合作用中参与吸收、传递光能或引起原初光化学反应的重要色素。本试验结果表明，在0.3～1.80 mmol·L-1范围内，西瓜幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b和类胡萝卜素含量呈增加趋势，这是因为硅能促进植株对大量元素N、P及中量元素Mg的吸收，而这些元素是叶绿体形成的重要组成部分，甚至直接参与叶绿素的合成 [9]，另外硅对植物叶片细胞中叶绿体的增大和基粒的增多也有促进作用[10]，而当硅浓度超出一定阈值达到3.2 mmol·L-1时，西瓜叶片光合色素含量降低，这是因为硅浓度过高时，形成了盐害环境，导致细胞受损，叶绿素合成受阻[11]。

本试验结果表明，在0～1.8 mmol·L-1范围内，西瓜叶片净光合速率与外源硅浓度正相关，试验结果与罗丽娟等[12]和肇思迪等[13]的研究结论一致，这可能是因为一方面硅能提高叶绿体中偶联因子Ca2+-ATPase和Mg2+-ATPase的活性，加快叶绿体的光合磷酸化反应进程[14]，另一方面植物吸收硅肥后，在植物体内形成硅化细胞，而硅化细胞透光性较绿色细胞高10倍，有利于下层叶片对光的吸收[15]。蒸腾速率随硅浓度的增加呈降低趋势，这可能是因为硅可使表皮细胞形成“角质-双硅层”，减少水分消耗;另外，硅能降低细胞膜相对透性，抑制水分蒸腾[16]，从而降低叶片蒸腾速率。

硅元素能够影响植物对部分营养元素的吸收和转运。本试验结果表明，低浓度的硅0.3 mmol·L-1能促进西瓜叶片对Mg、Ca的吸收，而硅浓度达到0.9 mmol·L-1以上时抑制叶片对Mg、Ca的吸收积累，这可能是因为硅酸可与钙结合生成不易水解的硅钙化合物，从而抑制植物对Ca的吸收[17]，而硅对Mg的作用与Ca类似。硅能抑制西瓜叶片对Fe、Mn元素的吸收，且抑制程度随硅浓度的增加而增加，其中硅抑制西瓜叶片对Fe、Mn的吸收机制应该是硅提高了根系的氧化能力，有一部分Fe、Mn在植株根系表面被氧化形成沉淀，减少了根系对这两种元素的吸收[18]。

Ca参与光合放养过程，对气孔开关有调节作用，Mg和Mn是叶绿素合成的组成成分，Fe影响光合单位的大小，Mn参与光合电子传递。本试验条件下，硅浓度为0.3 mmol·L-1时，有利于叶片Ca、Mg含量的增加，0.9～1.8 mmol·L-1时叶片中Ca、Mg含量与光合速率呈负相关关系，這可能是因为在此浓度范围内，叶片Ca、Mg含量仍在正常光合需求范围内，使光合速率表现出继续上升的趋势;而当硅浓度达到3.2 mmol·L-1时，Ca、Mg含量与光合速率再次呈正相关关系，这可能是因为此时的Ca、Mg含量已成光合速率上升的限制因子之一。Fe、Mn含量在硅浓度0.3～1.8 mmol·L-1时降低，而光合速率上升，原因应该与Ca、Mg类似，此范围的Fe、Mn含量也在光合正常进行所需范围内。

参考文献：

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