壳聚糖类有机水溶肥对杭白菊苗期生长影响及其机制研究①

2020-10-05周金燕纪荣婷董刚强施卫明

土壤 2020年4期

周金燕，纪荣婷，董刚强，闵炬，施卫明*

(1 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008； 2 安利(中国)植物研发中心，江苏无锡 214115)

杭白菊(Chrysanthemum morifoliumRamat.)是菊科多年生植物，具有散风清热、平肝明目的功能[1]，社会需求量大，是我国大宗药材和重要出口药材。大量实践表明，杭白菊苗期对速效肥料非常敏感，施用不当将严重影响杭白菊的产量及品质[2]。采用有机种植对提高杭白菊产量和品质具有重要意义。有机种植体系，作为有机农业的重要组成部分，通过逐步改善土壤生物、理化性质来提高土壤肥力，达到改良作物品质，减轻环境风险，维护土壤、环境、生态系统健康发展的目的，在全世界得到了普遍关注和发展[3-7]。有机种植体系严禁化学肥料、农药、生长调节剂的施用。因此，有机产品无化学药品残留、无污染，品质优良，价格一般为其他同类产品的3 倍～ 8 倍，有机种植带来的经济效益远远高于常规种植[8]。然而，国内外学者研究表明，在有机种植的前期，由于有机肥料养分释放慢，矿化过程较长，土壤培肥慢，会导致作物产量降低。在高利润的刺激下，为了追求产量，过量施用有机肥料和灌水也成为有机种植业发展的普遍现象。合适的有机肥料投入成为有机种植体系前期产量保证的重要前提之一。壳聚糖作为一种天然多糖，广泛存在于虾、蟹、昆虫等的甲壳以及高等真菌的外壁和细胞壁内，在自然界中的蕴藏量非常大[9]。在相关的微生物肥及调理剂的使用中发现，壳聚糖不仅能显著提高作物本身的抗逆能力，大幅度降低化肥农药的使用[10]，还能促进有益微生物的增殖、改良土壤、维护农业生态环境，并且果蔬产品的口感和品质均显著提升[11]。因此，壳聚糖被认为是解决现代农业污染问题的有效方式之一，是无公害农产品生产和可持续农业的重要资源[12]。壳聚糖有机水溶肥作为一种新型的有机肥料，结合了水肥两种模式，与传统的固体有机肥料相比，在玉米和莴苣上能显著提高养分的利用率、减少损失，提高作物产量和品质[13-14]。近年来，壳聚糖类肥料在果蔬作物上的应用效果报道较多，但对其作用机制研究涉及的较少，且壳聚糖类肥料在杭白菊种植上的应用鲜见报到。本课题在前期研究中对杭白菊苗期进行了有机水溶肥类型的筛选试验，发现与海藻提取物类、鱼提取物类、蚯蚓粪类、植物分解物类的有机水溶肥相比，壳聚糖有机水溶肥能够显著促进杭白菊苗期的生长发育[15]。但促进杭白菊苗期生长的最佳壳聚糖有机水溶肥用量尚不明确，而这对指导生产实践非常重要。此外，壳聚糖有机水溶肥促进杭白菊苗期生长的作用机制也不清楚。为此，本试验通过设置不同的壳聚糖有机水溶肥施用水平，研究其对杭白菊苗期生长的影响，明确杭白菊苗期生长的最佳施用量；并通过分析杭白菊苗期的根系生长特征、光合作用以及碳氮比，来探索壳聚糖有机水溶肥促进杭白菊苗期生长的作用机制。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试杭白菊品种为金菊2 号，由安利(中国)植物研发中心研究农场提供。供试肥料为中国广东省湛江市博泰生物化工科技实业有限公司生产的壳聚糖有机水溶性肥料(经南京国环有机产品认证中心认证)，其pH 7.2，全氮98 g/L，全磷1.3 g/L，全钾23.2 g/L。供试土壤基本理化性状分别为：pH 5.1，矿物态氮30 mg/kg，有效磷15.5 mg/kg，速效钾48.1 mg/kg。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，在中国科学院南京土壤研究所温室进行。选择长势基本一致同一批次扦插的杭白菊苗定植于规格为盆高12 cm ×直径12 cm 的塑料盆中，栽培基质为土壤和珍珠岩按体积比2∶1 混合，每盆定植1 棵杭白菊幼苗，常规水肥管理。

试验共设置5 个处理：CK 为不施肥、T1 为1 000倍有机水溶肥稀释液、T2 为500 倍有机水溶肥稀释液、T3 为300 倍有机水溶肥稀释液、T4 为100 倍有机水溶肥稀释液。缓苗一周后进行处理，每次浇灌肥料稀释液50 ml，CK 处理浇灌等量去离子水，每5 d浇灌1 次，连续6 次。每个处理20 盆，共100 盆。

1.3 测定项目及方法

样品采集后测定植株叶片数、茎粗和株高，并将植株分为根系和地上部两部分，先用去离子水清洗干净，用吸水纸吸干表面水分后，测定鲜重；于105℃烘箱中杀青30 min 后再降温至恒重，用于养分含量的测定。

1.3.1 光合特性的测定采用Li-Cor 6400 型光合作用测定仪在09：00—11：00 对完全展开的新叶进行净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)以及蒸腾速率(E)的测定。测定光照强度设置为1 000 μmol/(m2·s)，CO2浓度调整为大气CO2浓度(380 ～ 400 μmol/mol)，叶片温度设置在25 ～ 28℃，叶室内空气湿度控制在40% ～ 60%。

1.3.2 根系形态参数的测定采用根系扫描仪对根系形态参数进行成像测定。成像前，将根系放置在与成像扫描仪配套的凹槽中，加水将根系浸没其中，用木质牙签或徒手将根系分开以尽量减少对根系的伤害。成像后，选择目标根系区域，通过根系分析系统软件 WinRHizo2004b (Regent Instrument Inc.,Canada)对根长、根体积和根表面积进行图像参数分析。

1.3.3 全碳和全氮含量的测定将烘干的样品磨细，过100 目筛，采用元素分析仪对植株全碳和全氮含量进行测定。

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 16.0进行整理和统计分析，采用Duncan 法进行多重比较(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同壳聚糖有机水溶肥供应水平对杭白菊苗期根系和地上部生长的影响

供应不同水平的壳聚糖有机水溶肥均能显著促进杭白菊苗期根系和地上部的生长，根系显著增大，地上部显著增高增壮(图1)。表1 数据表明，随壳聚糖有机水溶肥剂量的增加，杭白菊生物量及生长发育指数(如叶片数、株高、茎粗)显著增加，T3 处理达到最大，T4 处理与之相比无显著差异，而T2 处理较T1 处理无显著差异。T3 处理根鲜重、地上部鲜重、叶片数、茎粗和株高与CK 相比分别显著增加了66%、115%、27%、17% 和32%，而较T1 处理则分别显著增加了18%、42%、16%、9.6% 和15%。此外，随壳聚糖有机水溶肥剂量的增大，杭白菊根冠比逐渐减小，且T3 处理与T4 处理相比无显著差异，说明T3 处理下植株所需养分已经能够满足植物较好生长。综合考虑经济投入成本，300 倍有机水溶肥稀释液(T3 处理)为杭白菊壮根促苗较适宜浓度。

图1 不同壳聚糖有机水溶肥供应水平对杭白菊苗期生长的影响Fig. 1 Effects of different supply levels of chitosan organic water-soluble fertilizer on the growth of chrysanthemum at seedling stage

表1 不同壳聚糖有机水溶肥供应水平对杭白菊苗期生物量及生长发育指标的影响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 不同壳聚糖有机水溶肥供应水平对杭白菊苗期根系形态的影响

杭白菊苗期根系形态特征对不同壳聚糖有机水溶肥供应水平的响应程度存在显著差异。由图2 可以看出，供应不同水平的壳聚糖有机水溶肥均显著改善了苗期杭白菊的总根长、根表面积和根体积，且均在T3 处理时达到最大值，改善的比例为T3≈T4＞T2≈T1。与CK 和T1 处理相比，T3 处理根体积改善幅度最大，分别增加了69% 和38%，根表面积则分别提高了62% 和28%，而总根长改善幅度最小，分别提高了46%和20%。说明壳聚糖有机水溶肥对根系形态的改善主要表现在根体积和根表面积。

图2 不同壳聚糖有机水溶肥供应水平对杭白菊苗期根系形态的影响Fig. 2 Effects of different supply levels of chitosan organic water-soluble fertilizer on root morphology of chrysanthemum at seedling stage

2.3 不同壳聚糖有机水溶肥供应水平对杭白菊苗期光合特性的影响

由表2 可知，供应不同水平的壳聚糖有机水溶肥均能显著促进杭白菊苗期光合作用。与CK 相比，随壳聚糖有机水溶肥剂量的增加，各处理植株光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)及蒸腾速率(E)均显著增加且变化趋势基本一致，变化幅度为T3≈T4＞T2≈T1。T3 处理各光合参数较CK 分别增加了67%、42%、23% 和67%，而较T1 处理则分别提高了26%、26%、13% 和28%。说明T3 处理下，光合作用的提高是由于杭白菊的根系形态得到较好改善，为植株提供了充足的养分，从而为促进杭白菊苗期生长提供了物质和能量。

表2 不同壳聚糖有机水溶肥供应水平对杭白菊苗期光合特性的影响Table 2 Effects of different supply levels of chitosan organic water-soluble fertilizer on photosynthetic characteristics of chrysanthemum at seedling stage

2.4 不同壳聚糖有机水溶肥供应水平对杭白菊苗期碳氮代谢的影响

由图3 可知，不同壳聚糖有机水溶肥供应水平对杭白菊苗期根系和地上部碳氮代谢的影响存在显著差异。与CK 相比，T4 处理根系和地上部的全碳含量均显著下降，下降幅度分别为4.4% 和3.8%，而其他处理均无显著差异。随壳聚糖有机水溶肥剂量的增加，杭白菊苗期根系和地上部的全氮含量均显著增加，与CK 相比，各处理根系全氮含量增加幅度分别为0.65 倍、1.46 倍、2.75 倍和4.84 倍；地上部全氮含量增加幅度则分别为0.38 倍、0.88 倍、1.01 倍和1.61 倍。此外，各处理根系和地上部的碳氮比均随壳聚糖有机水溶肥剂量的增加显著下降。表1 表明，与T4 处理相比，T3 处理杭白菊苗期生物量无显著差异，而植株全碳含量较高，说明T4 处理下，杭白菊苗期氮素代谢旺盛，而碳代谢可能不足。从而进一步说明合适的碳氮比是T3 处理杭白菊苗期生长较好的关键，而T3 处理下，杭白菊苗期根系和地上部的碳氮比值分别为19 和17。

3 讨论

本试验研究结果表明，与CK 相比，增施不同水平的壳聚糖有机水溶肥均能显著促进杭白菊苗期生长，且T3(300 倍有机肥稀释液)处理效果较显著(图1，表1)。这是由于壳聚糖有机水溶肥含有大量的养分和生物调节物质壳聚糖，能够快速被植物吸收，从而促进杭白菊苗期地上部生长[16-17]。植物根冠比能较好反映植物对外在营养条件的需求[18]。T3 处理与T4处理相比，根冠比无显著差异(表1)，说明T3 处理植株地上部养分的供应能够满足植株较好生长，综合考虑经济投入成本，在有机种植体系中，300 倍有机肥稀释液为促进杭白菊苗期生长的最佳浓度。

根系是植物吸收养分和水分的最主要的器官。研究表明，根系受遗传信息和外界环境的影响，具有很强的可塑性[19]。本试验结果表明，与CK 相比，各处理下植株根系形态均有显著改善，而T3 处理改善幅度较大，根长、根表面积和根体积分别提高了46%、62% 和69%(图2)，对杭白菊苗期壮根效果显著。而根系形态的改变一方面与壳聚糖能够促进植株根系的伸长有关[20-21]，如Katiyar 等[22]报道壳聚糖能够显著促进拟南芥根系的生长；另一方面则是由于增施有机肥可以改善土壤的团粒结构，提高土壤的蓄水保墒能力，从而促进根系的伸长延伸[23-24]。研究表明，根系形态参数的增加能够增加养分的吸收利用，从而增加植物生物量[25]。因此，T3 处理下根系形态的改善可能是有机种植体系下杭白菊苗期生长较好的机制之一。

根系是决定叶片生长和活力的主要因素。根系发达，活力强，能够促进植株吸收养分的能力，从而提高光合作用[26-27]。光合作用是植物生长的基础，是植物生产力构成的最主要因素[28-29]。本试验结果表明，与CK 相比，增施不同水平的壳聚糖有机水溶肥均能显著促进植物的光合作用(净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率均显著增大)，且T3 处理时增强幅度较大(表2)。而T3 处理光合作用与T4 处理相比无显著差异，则可能是由于T3 处理下参与杭白菊光合作用的Rubisco 酶活性较高，从而提高了杭白菊光合氮素利用率[30-31]，而进一步增加壳聚糖有机水溶肥用量则不能进一步显著增强Rubsico 酶活性，从而表现出光合作用接近饱和的状态。

碳氮代谢是植物生长发育最基本的两大代谢，碳氮比则反映了植株碳氮代谢的相对强弱，在调节植株生长方面起着非常重要的作用[32-33]。碳氮代谢的协调程度不仅影响植物的生长发育，也显著影响作物的产量和品质[34-35]。本试验研究结果表明，添加不同剂量的壳聚糖有机水溶肥均显著降低了杭白菊苗期的碳氮比。而与CK 相比，T4 处理下杭白菊根系和地上部的全碳含量均显著下降，而其他处理均无显著差异(图3)。说明T4 处理下，氮素过量，可能导致杭白菊苗期氮素代谢旺盛，而碳代谢产物降低。这一结果也与Commichau 等[36]报道相符合。这可能是由于参与碳氮代谢的一些相关酶活性发生了变化[37-38]。研究表明，壳聚糖会显著改变植株氮同化等一些酶的活性[39-40]，而具体怎样影响碳氮代谢则有待于进一步研究。此外，结合不同处理下的生物量及碳氮比(图1、图3)，则可以进一步证实合适的碳氮比是促进杭白菊苗期生长的关键和可能机制之一。而本试验体系下，针对杭白菊苗期较合适的植株碳氮比值根系和地上部则分别为19 和17。

图3 不同壳聚糖有机水溶肥供应水平对杭白菊苗期碳氮代谢的影响Fig. 3 Effects of different supply levels of chitosan organic water-soluble fertilizer dilution on carbon and nitrogen balance of chrysanthemum at seedling stage