叶施α-酮戊二酸对铁皮石斛品质和养分含量的影响

黄楠， 郦千喜， 闫道良

(浙江农林大学 亚热带森林培育国家重点实验室，浙江 杭州 311300)

铁皮石斛(DendrobiumofficinaleKimura et Migo)是兰科石斛属中的极品，其茎具有独特的药用和保健价值[1]。由于野生资源稀少，人工种植铁皮石斛是市场的主要来源。近年来，铁皮石斛产业在浙江、江苏、云南和贵州等地得到了较快的发展，其产量和品质仍具有较大的提升潜力。氮、磷、钾是植物生长发育的必需大量元素，也是作物施肥关注的重点元素，然而对于居植物需求首位的碳素营养的补充却常常被忽略[2]。

在植物体内，碳约占植物干物质的50%[3]，主要通过植物吸收空气中的CO2同化而来。研究[4]表明，增施碳肥对陆地生态系统固碳具有正向作用，因而碳成为植物生长发育的短板。有机碳肥在水稻[5]、小麦[6]、嘉宝果[7]和香榧[8]等栽培中的试验结果证明碳对植物增产和提高品质所发挥的重要作用。研究还发现，对植物叶面补施有机碳(如蔗糖、丙三醇和α-酮戊二酸等)对植物具有增产提质、增强氮素营养和植株抗逆性的作用，具有气肥CO2无法替代的明显优势[9-12]。而补充有机碳营养对药用植物铁皮石斛品质、氮素代谢和磷、钾积累有何作用？深入探讨这些问题对于丰富植物营养理论和铁皮石斛高产高质栽培的平衡施肥具有重要的意义。

在前期试验基础上，本文以α-酮戊二酸作为有机碳肥料，以人工气候箱中盆栽的铁皮石斛为试验材料，研究外施有机碳营养对铁皮石斛品质(主要是石斛可溶性总糖和人体需求量较多的微量元素铁、锌)和氮、磷、钾养分元素的影响，以期为高产优质铁皮石斛栽培提供新的方法和思路。

1 材料与方法

1.1 供试材料

红杆铁皮石斛2 a生种苗。

1.2 处理设计

把种苗栽植于塑料穴盘中，基质由粉碎的腐熟树皮和羊粪按照5∶1(V/V)混合均匀。供试的铁皮石斛种苗材料置于人工气候箱中培养，其生长环境为：白天光照时间为14 h，光照强度为85 μmol·m-2·s-1；白天/夜晚温度为25 ℃/22 ℃，相对湿度为80%～85%。试验设置4组处理，每组3个重复，每10穴(3～5株/穴)为1个重复。分别对每组试验材料叶面均匀喷施0(CK)、10、50和100 mg·L-1的α-酮戊二酸溶液，CK喷施蒸馏水作为对照。喷施频次是每周喷施2次，共持续2个月。整个试验期间对基质浇灌3次1/2 MS大量元素营养液。试验材料处理完毕后剪取茎部，于120 ℃杀青后，转至80 ℃烘干至恒重，粉碎过筛备用。

1.3 指标测定及方法

所测定的指标：反映铁皮石斛品质的主要指标可溶性总糖、微量元素铁(Fe)和锌(Zn)的含量；反映铁皮石斛氮代谢的重要生理参数水溶性氮/总氮(WN/TN)，其值高低反映铁皮石斛氮合成代谢的强弱；反映铁皮石斛养分积累的总氮(N)、总磷(P)和总钾(K)含量。

采用蒽酮比色法[13]测定可溶性总糖含量；采用硝酸消解ICP-AES测定样品中磷、钾、铁、锌含量[14]；采用硫酸双氧水消解、凯氏法测定植物总氮含量[15]；采用去离子水热浸提、凯氏法测定植物水溶性氮含量[16]。

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0软件分析试验数据，采用Duncan法进行多重比较(P<0.05)，采用Microsoft Excel 2013 作图。

2 结果与分析

2.1 对可溶性总糖和水浸出物含量的影响

研究[17]表明，铁皮石斛的主要活性成分是石斛多糖，因此，其含量高低是衡量铁皮石斛品质好坏的重要指标之一。本文测定了可溶性单糖和多糖的总和，即可溶性总糖含量(图1)。随着叶施α-酮戊二酸浓度的增加，铁皮石斛可溶性总糖含量也呈现不同程度的提高，当α-酮戊二酸浓度为10 mg·L-1时，可溶性总糖含量增加较为明显，显著高于对照，比对照提高了27.84%，随着α-酮戊二酸浓度的增高，可溶性总糖含量增加逐渐趋缓。当外施α-酮戊二酸浓度为100 mg·L-1时，可溶性总糖含量达28.99%，同样显著高于对照。随着叶施α-酮戊二酸浓度的增高，水浸出物含量显著增加，但均显著低于对照。当外施α-酮戊二酸浓度为100 mg·L-1时，水浸出物含量比对照减少了11.13百分点。

同一指标不同处理间没有相同字母表示差异显著(P<0.05)。图2～5同。

2.2 对总氮和水溶性氮含量的影响

水溶性氮/总氮(WN/TN)是反映植物氮代谢的重要生理参数，反映铁皮石斛合成代谢的强弱。水溶性氮/总氮比值低，表明其转化为大分子养分或自身组织结构物质的合成过程强，是反映植物生长和产量的重要指标。施加低浓度的α-酮戊二酸(10 mg·L-1)并没有明显增加铁皮石斛的总氮含量。当α-酮戊二酸浓度为50 mg·L-1时，总氮含量达到最高，为4.44 g·kg-1，比对照增加了12.41%。由此可见，外施较高浓度的α-酮戊二酸可以促进铁皮石斛对氮素的吸收(图2)。水溶性氮含量随着外施α-酮戊二酸浓度增加呈下降的趋势(图3)。当外施α-酮戊二酸浓度为50和100 mg·L-1时，水溶性氮含量显著低于对照，分别比对照降低了26.23%和31.25%，同样水溶性氮/总氮也均显著低于对照。由此可见，外施较高浓度的α-酮戊二酸(本试验浓度为50～100 mg·L-1)可以促进铁皮石斛氮的合成代谢。

图2 外施α-酮戊二酸对总氮和水溶性氮含量的影响

图3 外施α-酮戊二酸对水溶性氮/总氮的影响

2.3 对磷和钾含量的影响

磷、钾是植物生长发育必需的大量元素，对植物生理功能的发挥起着重要作用。外施α-酮戊二酸后并没有明显影响铁皮石斛对磷、钾的积累(图4)。铁皮石斛吸收α-酮戊二酸后没有明显影响磷、钾间的平衡及其功能的发挥。

图4 外施α-酮戊二酸对铁皮石斛磷、钾含量的影响

2.4 对Fe和Zn含量的影响

Fe、Zn是植物必需的微量元素，也是人体需求量较多的元素。通过食用植物源产品补充Fe、Zn的不足是契合人类对健康追求的理念。本研究表明，外施一定浓度的α-酮戊二酸显著增加了铁皮石斛Fe、Zn的含量，当α-酮戊二酸浓度为50 mg·L-1时，Fe、Zn含量均达到最高(图5)，研究结果为生产中富铁、富锌铁皮石斛品质的提升提供了可借鉴的栽培手段。

图5 外施α-酮戊二酸对铁皮石斛Fe、Zn含量的影响

3 小结与结论

本研究表明，外施α-酮戊二酸对铁皮石斛的碳氮代谢具有重要的调节作用。施加α-酮戊二酸不同程度地提高了可溶性总糖含量。水溶性氮和水溶性氮/总氮作为碳氮代谢的量化指标，其值在施加α-酮戊二酸后均呈现不同程度的下降，该值低反映植物的合成代谢强，生物量积累快，因而增产。由于铁皮石斛生长缓慢的生物学特性，在短暂的试验期间本文没有测定铁皮石斛的生物量积累与水溶性氮和水溶性氮/总氮的关系，这有待下一步试验证实。深入研究α-酮戊二酸对碳氮代谢的生理生化机制，在提升铁皮石斛产量的基础上改善其品质具有重要的理论和实践意义。

施加一定浓度的α-酮戊二酸后可以增加铁皮石斛总氮含量，而对磷钾含量没有明显的影响，这与已有的研究施加有机碳后降低蕹菜的磷钾含量有所不同，可能与铁皮石斛的生长缓慢及养分的吸收特性有关，即在一定时间内，施加α-酮戊二酸后没有引起铁皮石斛的快速生长，导致生物量积累从而稀释植株内的磷、钾含量。本试验也从另一方面说明了有机碳α-酮戊二酸外施后铁皮石斛并没有打破磷、钾间的养分平衡。由此引发一个值得思考的问题，施加有机碳α-酮戊二酸在调节铁皮石斛碳氮代谢的同时如何稳定体内磷钾的平衡？需要今后进一步研究。

铁、锌等微量元素缺乏症是困扰中国居民，特别是儿童的首要营养不良问题[25-26]，提升富含铁、锌等微量元素的铁皮石斛品质对人体健康至关重要[27]。本研究表明，外10～50 mg·L-1的α-酮戊二酸均显著增加了铁皮石斛铁、锌含量，这与在其他作物和动物方面的研究结果一致[28]。在自然状况下，植物对碳的需求主要来源于CO2。研究[12]表明，气候变化等因素导致CO2浓度升高，结果降低了作物铁、锌等微量元素的含量，而有机碳肥α-酮戊二酸施加后却使铁皮石斛铁、锌含量表现相反的一面，显示了有机碳肥α-酮戊二酸在农业生产中的优越性。植物对铁、锌元素的积累是主动吸收过程，受到体内代谢的影响。施加α-酮戊二酸后，铁皮石斛碳氮代谢得到改善，使其对铁、锌的吸收更为顺畅，因而含量增加。

综上所述，外施α-酮戊二酸可增强铁皮石斛的碳氮代谢，提高了铁皮石斛可溶性总糖含量，降低了水溶性氮/总氮比值，增强了铁皮石斛氮合成代谢。外施一定浓度的α-酮戊二酸后明显增加了铁皮石斛微量元素铁、锌含量，提升了铁皮石斛的品质，这对于补充人体铁、锌有重要的意义。但是施加α-酮戊二酸后调节了铁皮石斛碳氮平衡，并没有明显改变磷、钾含量，两者之间的平衡机制与铁皮石斛的生长缓慢特性是否有关，及其生理生化机制如何？需要进一步通过试验加以探讨。