基质施肥耦合对番红花生长及光合效应的影响

李东林, 尚严严, 刘 坤, 叶振风, 徐 强

(1.阜阳职业技术学院 园艺生产示范基地,安徽 阜阳 236031;2.安徽农业大学 园艺学院,安徽 合肥 230036)

番红花(CrocussativusL.)属于鸢尾科番红花属多年生球根植物[1],又名西红花、藏红花。条形叶片基生反卷,7～17枚,紫色花瓣6枚顶生,皖北地区在11月中下旬集中开花,观赏期短,花不能形成果实种子,主要以种球营养繁殖。番红花采后剥离出3根花丝,加工处理后作为中药材使用,具有活血安神、增强免疫力、抗衰老等功效,还可用作染料和食品着色剂。番红花具有独特的观赏、药用和食用价值,量少需求大,被誉为“植物黄金”[2],市场前景好。我国上世纪60年代引种试种,现在上海、浙江、河南、安徽等区域集中栽培。但生产技术及设备工艺比较落后,种球退化严重,产量低,品质差,严重制约了番红花产业发展和种植户的经济收入。

栽培基质是直接影响植物生长发育的重要环境因素,传统的无土基质逐渐被新型再生栽培资源替代。随着乡村振兴战略全面实施和食用菌产业的发展,我国食用菌栽培面积逐渐扩大,生产后菌渣废料会造成环境污染[3-4]。菌渣基质来源广、价格低廉、绿色环保、理化性状优。目前番红花研究主要集中在其有效成分和加工应用方面[5-8],针对番红花菌渣基质种植方面尚无报道。

试验选用大肥菇菌渣作为主要基质材料,研究不同组合基质和施肥水平耦合对番红花生长发育和光合效应的影响[9]。筛选适合番红花生产的组合基质和施肥水平,为番红花绿色生产、菌渣有效处理和乡村振兴寻找新途径,试验结果可为番红花优质高效生产和菌渣废料合理利用提供技术依据。

1 试验地概况

试验在安徽省阜阳职业技术学院省级园艺生产示范基地进行。阜阳市位于安徽省西北部淮河平原,北纬33°25′,东经115°52′。土质为砂浆黑土、黄潮土,属于暖温带向北亚热带渐变的过渡气候特征,年平均气温为9.25 ℃,年日照时数为2 150 h,光合有效辐射(PA,R)为21.62 μmol/(m·s),年均降水量为810 mm,雨量适中,无霜期为210 d。春温多变,夏雨集中,灾害性天气主要有干热风、倒春寒、夏涝、霜冻等。

2 材料与方法

2.1 供试材料

供试番红花为安徽省亳州市谯城区兵涛种植合作社提供的优质种球,平均单球质量为31.26 g,健壮无病虫害。菌渣基质为大肥菇菌渣,采自安徽省阜南县众犇农业科技有限公司,由棉籽壳、玉米芯、锯木屑等原料组合而成。施用肥料为含N-P2O5-K2O(15%-15%-15%)全元素速溶水溶肥。

2.2 试验方法

2.2.1 菌渣基质制备 菌渣用粉碎机切碎,按菌渣∶羊粪∶微生物菌=200∶10∶1,V/V的比例混合均匀,堆积发酵。处理前加3%尿素降低C/N值,含水量为55%～60%,以手抓成团、握紧指缝中有水为宜,26 ℃下经10 d完成发酵。

2.2.2 试验设计 设施肥和基质2个因素,每盆按F1(0.10 g/kg)、F2(0.25 g/kg)、F3(0.40 g/kg)、F4(0.55 g/kg)设4个施肥水平。栽培基质用J1(菌渣∶草炭∶炉渣),J2(菌渣∶蛭石∶炉渣),J3(菌渣∶草炭∶蛭石∶炉渣),J4(菌渣∶炉渣)等4种组合基质,以土壤处理为对照(CK)。按施肥水平分区排列,同分区不同基质随机排列,每个处理10盆,设为1个区组,3次重复。

2.2.3 栽培管理 按照体积比把基质混合后装入带底孔花盆中(36 cm×30 cm),基质低于盆顶部边缘1.25 cm。9月2日顶芽萌动时把消毒种球均匀种植于盆中,种球平放顶芽向上,深度为8～10 cm,每盆3株,浇透水。10～15 d种球生根后,不同处理用全元素速溶水溶肥浇灌,每20天浇1次。为防止盐类聚集,每30天用清水进行1次冲施。前期基质始终保持湿润,不干不浇,5月份地上部分变黄枯萎时停止浇灌水溶肥,收获前7天停止浇水。番红花生长前期光照强度设置为300～800 lx,顶芽出土后光照强度控制范围为2 200～5 000 lx。

2.3 测定项目及分析方法

2.3.1 番红花生长生理指标测定 在番红花生长发育期间定期测量,记录芽长、叶片数量、现蕾期和开花期花丝产量、种球质量等。现蕾期为肉眼观察到50%花蕾膨大的时期,开花期为50%花朵展开的时期。3月12日取番红花上部第6～8片叶和盆内根系,冷藏备用。叶绿素含量采用丙酮浸提方法[10],根系活力用TTC法测定[11]。测定材料从各分区处理间随机选取,测定3次取平均值。

2.3.2 番红花光合参数测定 光合参数用LI-6400光合仪测定,采用5 L塑料瓶作为稳定气体源,在番红花种植盆中活体测定,选择晴天10:00测定番红花上部第6片功能叶片,重复5次,取平均值。通过拟合光强-光合速率响应曲线,求出光合响应方程和光饱和点。采用模糊综合评判方法对番红花基质和施肥效果进行评价[12]。选择能反映番红花品质的生长发育指标、生长生理指标、光合特性指标和产量指标设为因素集U;确定番红花质量评语集V={优,良,一般,差};根据指标因素影响程度来确定权重分配方案A={a1,a2,a3,…,an},且a1+a2+a3…+an=1,由统计表确定评判矩阵R;对评价结果B=A·R进行归一化处理,按最大隶属原则排序。

2.3.3 数据统计与分析 用Excel记录和统计试验数据,用DPS 9.50软件进行数据处理和方差分析。

3 结果与分析

3.1 组合基质的理化性质

由表1可以看出,基质按不同体积组合后,理化性质呈现显著性差异,容重以CK数值最大,其次为J2、J1、J3、J4。随着番红花生长发育,各组合基质通过后期测定,容重数值都呈上升趋势。各组合基质吸水持水能力强,饱和含水量差异不大,都较CK数值大。不同基质pH无显著差异(P>0.05),平均值为7.07,适合番红花生长发育。EC值以CK数值最大,可能是长期土壤施肥不当引起,大小排列顺序为CK>J3>J1>J4>J2。

表1 组合基质的理化性质

表2 基质和施肥对番红花生长发育及花丝产量的影响

3.2 基质和施肥对番红花生长发育及花丝产量的影响

不同基质组合和施肥水平处理下,番红花芽长为6.67～7.54 cm,芽长变化小的原因和种球本身大小及质量有关,外部环境变化对其影响较小。各处理间番红花叶片数差异显著,F3J3处理叶片数量达14.19个。相同施肥水平下,不同组合基质处理叶片数量都多于CK,排列顺序为J3>J1>J2>J4。同组合基质处理下,以F3水平效果最好,F2次之,F1叶片数量较少可能与施肥水平低因素有关,F4水平存在过量,也会造成番红花叶片数量少。各处理现蕾期和开花期一致,没有出现现蕾早开花晚或现蕾晚开花早现象。F3水平下营养充足,番红花现蕾开花早,有利于花丝形成和增加种球产量,F3水平下各基质处理番红花均在11月上中旬进入开花期,比其它处理提前2～7 d。

同基质组合不同施肥水平处理下,番红花现蕾和开花期先后顺序为F3>F2>F4>F1,试验结果表明,在一定条件下,提高施肥水平可使番红花现蕾开花期提前。经LSD方差分析,各处理间开花数差异不显著(P>0.05)。通过开花期观测,番红化主要以2个花为主,个别单株存在3个花,1和4个花极少出现。说明番红花开花数量受外界环境因素影响较小,主要受品种遗传和种球质量等因素调控。花丝产量在F3水平下较高,与其它施肥水平有显著差异。F3J3花丝产量达0.476 3 g,比同一基质处理下F1J3、F2J3、F4J3分别增加了4.74%、13.10%和12.62%,比CK增加了17.05%,说明合理的组合基质和施肥水平能有效提高番红花花丝产量。

3.3 基质和施肥对番红花叶绿素含量和根系活力的影响

由图1可知,同一施肥水平下,各组合基质叶绿素含量与CK相比均呈显著性变化,J3和J1番红花叶绿素含量较高,叶色深绿且绿期长。CK叶绿素含量最低,土壤理化性状差、有害微生物多是主要原因。同基质栽培条件下,随着施肥水平提高,番红花叶绿素含量呈上升趋势。以F3、F2水平处理效果较好,叶绿素含量明显高于其它处理,其次是F4、F1。

图1 基质和施肥对番红花叶绿素含量的影响Fig.1 Effects of matrix and fertilization on chlorophyll content of saffron

由图2可以看出,与CK相比,各处理均能显著提高番红花根系活力。F2J3、F2J1、F3J1、F3J3处理根系活力较好,高于其它处理。试验结果表明:在一定范围内,同一基质水平下提高施肥水平和同一施肥水平下合理组合基质均能增加根系活力。通过对番红花后期栽培试验观察,各处理间生根早、根系数量多,能促进番红花生长发育。

图2 基质和施肥对番红花根系活力的影响Fig.2 Effects of matrix and fertilization on root activity of saffron

3.4 基质和施肥对番红花光合特性及种球产量的影响

由表3可知,各处理间净光合速率(Pn)都高于CK,差异显著,F3水平下Pn较高,其值都大于3.00 μmol/(m2·s),以F3J3耦合处理Pn最高。F1水平下Pn都小于3.00 μmol/(m2·s),表明同一基质条件下,番红花生长期间营养亏缺会造成Pn下降。和F1水平相比,F4水平虽然营养过量,但仍具有较高的Pn,说明营养过量比亏缺对番红花Pn的影响小。

表3 基质和施肥对番红花光合特性及种球产量的影响

F1和F4水平下,番红花气孔导度(Gs)减小,比F2、F3水平处理下分别下降10.27%～14.46%和13.68%～17.07%,呈现显著性差异。各处理间蒸腾速率(Tr)以F3J3最大,其它处理有小幅度下降。试验结果表明:Tr上升,Gs增加,Gs增加不一定使Tr上升。不同处理细胞间CO2浓度(Ci)在F1～F3水平下呈下降趋势,在F4水平下呈上升趋势。表明植物在逆境条件下Gs减小,呼吸作用产生较多的CO2使Ci升高。相关分析表明,Pn与Tr、Gs呈显著性正相关,相关系数为0.821 4、0.775 6;Pn与Ci呈负相关,相关系数为-0.791 2。

3.5 番红花基质和施肥综合评价

番红花基质和施肥模糊综合评判结果如表4所示。在番红花生长条件一致的情况下,F3J3综合评价值较高,F1J4评价值最低。在番红花不同基质施肥组合中,同一施肥条件下,以J3处理评价值较高。同基质条件下,以F3评价值较高。在模糊综合评价基础上,设定不同置信水平λ并逐渐归并,绘成动态聚类谱系图(图3)。F2J3、F3J3可归为一类,F3J1、F3J4归为第二类,第三类包括剩余的其它组合。

图3 番红花基质和施肥模糊聚类分析动态谱系图Fig.3 Dynamic pedigree diagram of fuzzy cluster analysis of saffron substrate and fertilization

表4 番红花基质和施肥综合评价

3.6 番红花PA,R-Pn响应曲线

植物光合响应曲线是反映光合有效辐射(PA,R)与净光合速率(Pn)之间的关系,根据响应曲线可求出相关光合生理参数,为生产管理和栽培应用提供理论基础。光合分析仪设置温度(20 ℃)、内置光源和CO2浓度(350 μmol/L),PA,R设0、100、200、300、400、500、600、700 μmol/(m2·s)等7个梯度,模拟出番红花光合响应曲线(图4),F=4.312 2,r=0.867 2,a=0.05水平下,Y预测值为4.31。一定范围内,Pn随PA,R增加而增加,当PA,R达到一定数值时,Pn不再增加,通过统计分析求出番红花光饱和点(Ls,p)为321.38 μmol/(m2·s)、光补偿点(Lc,p)为16.12 μmol/(m2·s)。试验表明番红花喜弱光环境,生产管理中需适当遮阴,园林应用以弱光照植物配置。

图4 番红花PA,R-Pn响应曲线Fig.4 PA,R-Pn response curve of saffron

4 结论与讨论

基质保水透气、缓冲作用强,根系代谢增强,能有效调节地上、下部分生长。根系活力强、叶片数量和叶绿素含量多,地上部分生长发育良好,也能提高植物产量和品质。本试验基质组合理化性状好,容重在0.59～0.72 g/cm3,总孔隙度达53.32%～61.64%,pH和EC值等都在番红花生长范围,能有效促进番红花生长发育。有研究表明,饼肥、其它基质组合也可以促进植物生长[13-14]。菌渣基质可使部分植物增产15%～25%,延长花期,减少病虫害[15],与本试验结果具有一致性。菌渣基质可作为新型无土栽培资源重复使用,材料来源广泛,合理利用能减少环境污染。菌渣在使用前要完全发酵处理,否则种植期间会出现基质2次发酵,影响植物正常生长和生理代谢,严重导致植株死亡。

番红花定植后到生根阶段,需要营养量少,过多的养分会增加基质盐分含量,造成种球腐烂和根系代谢受阻。生长中期,营养生长和生殖生长同时进行,要及时补充营养,补充水平需精准量化,才能发挥营养的最大效率。植物生长发育的营养元素参与碳水化合物、ATP和相关酶合成,也是叶绿体的重要组成部分,对外界环境变化具有缓冲性和抗逆性,此阶段如果缺少营养,植物生长发育和生理代谢就会受到抑制[16]。

有研究表明,同光强下,上午的Pn要高于下午的Pn,主要是叶片中光合产物积累产生反馈抑制[17]。番红花属于低光合植物,光饱和点低,生产上要适当遮阴处理以增强光合能力。营养亏缺,生长受阻,会引起Gs降低,Ci升高,Tr和Pn下降,其它因素变化也会造成光合速率出现差异[18],对于番红花在逆境条件下光合特性变化和光合抑制机理还需深入研究。

本试验发现F3J3、F3J1、F2J3和F2J1耦合效果较好,能有效促进番红花生长发育,提高光合参数、花丝和种球产量。施肥水平低或高和基质理化性状差都会影响番红花生长发育。

在其它环境因素一致的情况下,基质和施肥耦合对番红花生长影响的交互作用还需系统研究,单一地改变组合基质或施肥水平并不能有效提高番红花生产效益。生产中需要对番红花生长环境因子综合调控,建立和优化生长环境参数模型,提高其丰产性和适应性,为菌渣合理利用和番红花优质高效生产提供技术依据。