蚓粪对盐胁迫下小麦幼苗生长及光合特性的影响

张 浩，付 伟，吴子龙，赵雨欣，石少婕，高 伟，戴川景，叶 嘉

(1.邯郸学院生命科学与工程学院，河北邯郸 056005；2.河北省高校冀南太行山区资源植物应用技术研发中心，河北邯郸 056005)

中国有盐渍土地约为3.6×106hm2，占全国可利用土地面积的4.88%，且由于土地利用不合理，土壤盐碱化日益严重[1]。盐逆境会造成植物渗透胁迫和营养离子失衡，高盐胁迫会导致作物体内光合反应关键酶结构改变，破坏叶绿体膜系统，降低光合效率，进而影响作物产量[2]。因此，如何缓解盐胁迫对作物造成的伤害，提高盐碱地作物产量，是当今科学研究的热点问题之一。

蚓粪是经过蚯蚓降解有机物的产物，施用后不仅可改变土壤的物理性质，而且可为植物生长提供所必需的一些营养元素及微量元素[3]。研究表明，添加蚓粪能够降低土壤pH值，提高土壤阳离子交换量，使土壤的碱化度、总碱度和钠吸附比下降，能够缓解盐碱土壤对植物的危害[4]。施加蚓粪也能够促进玉米[5]、番茄[6]、茄子[7]等作物的生长，提高产量，改善品质。但蚓粪的添加并非越多越好。给西红柿施用蚓粪后各个时期植株生长均受到促进，但添加过量时，植株的生长反而受到抑制[8]。光合作用是植物生长的物质基础，但目前关于添加蚓粪对盐、碱胁迫下植物生长及光合特性的影响只有少量报道[9]，仍需要更加深入地探讨蚓粪添加比例与盐碱化的交互作用。

小麦是我国主要粮食作物之一[10]。土壤盐渍化会影响小麦的产量和扩大再生产。本研究通过向盐胁迫处理下基质中添加不同比例的蚓粪，探讨蚓粪对盐胁迫下小麦生长和光合特性的影响，以期为盐碱地治理和小麦抗盐栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试小麦品种为济麦22。蚓粪(pH值6.9、有机质278 g·kg-1、全氮10.3 g·kg-1、全磷16.5 g·kg-1、碱解氮381.3 mg·kg-1、速效磷448.6 mg·kg-1、速效钾521.5 mg·kg-1)取自鑫伊达蚯蚓养殖场。供试土壤为园土(pH值 5.4、有机质7.45 g·kg-1、全氮0.88 g·kg-1、全磷1.65 g·kg-1、碱解氮78.5 mg·kg-1、速效磷23.5 mg·kg-1、速效钾56.8 mg·kg-1)，采集于邯郸学院校内林地，采样深度0～20 cm，暴晒后粉碎，过8目筛，按比例与蚓粪混合使用。

1.2 试验设计

试验于2019年4月1日开始在邯郸学院生命科学实验中心进行。挑选大小一致、籽粒饱满的供试种子，以0.2%高锰酸钾溶液浸泡消毒 20 min，用无菌水反复冲洗5次，播种于底部打孔的塑料花盆(长49 cm，宽20 cm，高14 cm)中，盆装有园土，土面距离盆口2 cm。共设3个蚓粪添加比例10%、20%、40%，每个处理加入150 mmol·L-1NaCl 溶液模拟盐胁迫。同时设不添加蚓粪的单盐胁迫处理和空白对照处理(CK)。每个处理3盆，每盆30株。小麦置于人工气候箱(温度设定白天21 ℃，晚上 16 ℃；光照强度 1 000 μmol·m-2·s-1，相对湿度60%～70%)进行培养，每周浇水1次。于幼苗盐胁迫处理后第60天(分蘖期)进行生理生化指标测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 气体交换参数的测定

于幼苗盐胁迫处理后第60天，在上午 10：00，从植株顶端往下选取第2、第3叶，利用Li-6400光合测定系统测定其净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、细胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)，取两叶片平均值作为测定值。叶室内设定光照强度为1 000 μmol·m-2·s-1，CO2浓度为400 μmol·m-2·s-1，叶片温度为25 ℃。计算小麦叶片水平的水分利用效率(WUE)及气孔限制值(Ls)[11]。

1.3.2 生长指标的测定

于幼苗盐胁迫处理后第60天，从植株顶端往下选取第2、第3叶，进行生长指标测定。首先利用直尺测量叶长和叶宽，利用叶面积测定仪测定叶面积，取两叶片平均值作为观测值。然后将未取样的幼苗冲洗干净，分为地上部分和地下部分，分别于105 ℃下杀青30 min后，80 ℃烘干至恒重，并计算根冠比[12]。

1.3.3 光合色素含量的测定

于幼苗盐胁迫处理后第60天，从植株顶端往下选取第2、第3叶，用分光光度计法测定叶片叶绿素a、b含量和类胡萝卜素含量并计算叶绿素总含量和叶绿素a/b值[13]，以两叶片各指标的平均值作为最终测定值。

1.4 数据处理

利用 Excel 软件整理数据并作图，采用SPSS 18.0进行数据方差分析(α=0.05)。40%添加比例因出现烧苗现象，苗全部死亡，不做数据统计。

2 结果与分析

2.1 添加蚓粪对盐胁迫下小麦气体交换参数的影响

添加蚓粪对盐胁迫下小麦叶片的Pn、Ci、Tr、Gs、Ls和WUE均有显著的影响(图1)。盐胁迫下，未添加蚓粪时叶片的Pn较CK显著下降，降幅为71.8%；添加蚓粪10%和20%后Pn较未添加蚓粪处理显著升高，增幅分别为65.6%和 122.1%，但二处理均仍显著低于CK。盐胁迫下，未添加蚓粪时Ci较CK显著升高，增幅 19.6%；添加不同比例蚓粪后，Ci虽然依然高于CK，但较未添加蚓粪处理有所下降。盐胁迫下，添加0%和10%和20%蚓粪后Tr与CK相比分别下降了17.5%、53.9%和43.4%，与CK差异均显著。盐胁迫下，未添加蚓粪时Gs与CK差异不显著，但添加蚓粪后均显著下降。在盐胁迫下Ls较CK不同程度下降，但添加蚓粪后降幅较小。盐胁迫下，未添加蚓粪时叶片WUE与CK相比显著下降，降幅65.9%；添加蚓粪后与CK差异不显著。这说明添加蚓粪可以明显减轻盐胁迫对小麦叶片气体交换的抑制作用，有利于光合作用。

图柱上不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下图同。

2.2 加蚓粪对盐胁迫下小麦幼苗生长的影响

添加蚓粪对盐胁迫下小麦幼苗的叶长、叶宽、叶面积、地下部分干重、地上部分干重、总干重及根冠比均产生了显著影响(表1)。盐胁迫下各生长指标与CK相比均有下降趋势，但差异并不显著。添加蚓粪后，叶长、叶宽、叶面积、地上部分干重、总干重较未添加蚓粪处理均呈明显的上升趋势，其中蚓粪比例为20%时，增幅均最大，分别为58.6%、48.9%、193%、96.8%和71.2%；而根冠比在添加10%和20%蚓粪后均下降，降幅分别为51.3%和23.1%。添加10%蚓粪后，地下部分干重小幅下降，变化不明显；添加20%蚓粪时地下部干重显著提高。这说明添加蚓粪对小麦幼苗地上部分的影响比地下部分要明显。

表1 添加蚓粪对盐胁迫下小麦植株生长的影响

2.3 添加蚓粪对盐胁迫下小麦叶片叶绿素含量的影响

盐胁迫下，小麦叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量均低于CK，但差异不显著，可能由于添加盐浓度较低的原因(图2)。添加蚓粪后叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量较未添加蚓粪处理均显著升高，但添加蚓粪对叶绿素a/b值影响不显著。添加10%蚓粪时，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量均最高，与未添加蚓粪处理相比，增幅分别为91.3%、105.1%和94.1%。

图2 添加蚓粪对盐胁迫下小麦叶片叶绿素含量的影响

2.4 添加蚓粪对小麦叶片类胡萝卜素含量的影响

添加蚓粪对盐胁迫下小麦叶片类胡萝卜素含量影响显著(图3)。虽然盐胁迫下小麦幼苗叶片类胡萝卜素含量与CK差异不明显，但添加蚓粪后类胡萝卜素含量显著升高。当添加蚓粪比例为10%时，类胡萝卜素含量最高，分别是CK和未添加蚓粪处理的1.55和1.58倍。当添加蚓粪比例为20%时，叶片中类胡萝卜素含量有所降低，但与添加10%时含量差异不大，仍显著高于CK和未添加蚓粪处理。

图3 添加蚓粪对盐胁迫下小麦叶片类胡萝卜素含量的影响

3 讨 论

光合作用是植物生长发育的重要基础，对外界环境极为敏感。研究表明，盐胁迫会导致植物气孔开度变小，使CO2分子进入叶片内部的通道受阻，降低叶片净光合速率[14-15]。另外，盐胁迫也会改变光合同化过程关键酶类结构，抑制叶绿素合成或加速叶绿素解体，影响光合反应进程[11,16]。通常认为，盐胁迫下植物光合速率的下降是由气孔因素和非气孔因素共同作用的结果。在低浓度盐胁迫下，光合速率的下降主要是由气孔因素造成的，而在高浓度盐胁迫下，光合速率的下降则主要受非气孔因素限制[17-18]。但也有研究认为，盐胁迫下光合速率的下降主要是气孔因素在起作用[19]。本研究中，盐胁迫下Pn下降明显，而Gs和Ls呈下降的趋势，Ci反而呈增加的趋势，说明小麦叶片Pn的下降主要是受非气孔因素的限制，这与江行玉等[20]的研究结果相一致。本研究结果还显示，盐胁迫下叶绿素含量并没有显著降低，而是显著提高，说明导致光合速率下降的主要原因可能是盐逆境抑制了光合反应过程中相关酶的活性，进而导致Pn降低。添加蚓粪后小麦幼苗叶片的Pn显著上升，而气孔导度并没有上升，说明促进Pn上升的主要因素不是气孔因素，可能是由于蚓粪的添加，增加了土壤中氮的含量[21-22]，促进了叶绿素合成，进而提高光合效率。此外，有研究表明，类胡萝卜素不仅是光合色素的一部分，参与光合反应过程，而且还能够消除植株体内自由基，防止膜脂过氧化，减少过剩自由基对叶绿体膜结构的伤害，提高光合效率[23]。本研究表明，添加蚓粪后小麦叶片类胡萝卜素含量显著升高，叶绿体的增长趋势与之相一致，并最终提高Pn。值得注意的是，叶绿素含量的变化与净光合速率的变化趋势并不是完成一致。添加10%蚓粪时，叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量达到最大，但再增加蚓粪比例后反而有所下降，而净光合速率却是在添加20%蚓粪时达到最高，可能是随着添加蚓粪的比例增加，植物体内过氧化氢酶等活性增强[24]，消除植物体内自由基，同时对光合反应的关键酶类起到了保护作用，进而增加了光合速率。Afkari[25]也认为，植物中抗氧化系统的活化可提高植物对盐分的耐受性，而添加蚓粪能显著提高超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶、过氧化氢酶、过氧化氢酶活性，进而改善植物体内微环境。

生物量的分配是植物对外界环境变化的一种适应。通常情况下，盐胁迫导致植物光合速率下降、叶面积及干物质累积量也会相应地减少[26-27]。而蚓粪富含有机质，内部微生物种类复杂，可显著促进植物的生长发育，提高生物量[28]。另外，蚓粪富含IAA和GA3等植物激素，可以明显促进植物生长，改善品质[29]。有研究表明，添加蚓粪可明显促进黄瓜[30]和玉米[31]的生长，提高地上部分干物质积累量。但关于添加蚓粪对盐逆境生长植物影响的报道不多。本研究结果表明，添加蚓粪可显著提高盐胁迫下小麦幼苗的叶长、叶宽、叶面积及地下部分干重、地上部分干重和总干重。这可能与基质中氮含量的增加有关，因为蚓粪含有大量全氮、碱解氮，添加后有助于改善土壤养分，促进光合，进而提高植株干物质的质量[21]。但过量施加蚓粪会阻碍作物生长。本研究中，添加40%蚓粪的小麦幼苗待测时全部死亡，就充分说明蚓粪添加量不能过多。Atiyeh等[8]和尹 恩等[32]也认为，适量的蚓粪比例最有利于植物 生长。