鄔潔 于大德 李西文 陳佳穎 徐福榮

人參(Panax ginseng)為五加科人參屬植物,具有大補元氣、復(fù)脈固脫、補脾益肺、安神益智等功效[1]。 人參葉片衰老初期生理指標發(fā)生變化,其葉綠素含量降低,抗氧化酶活性提高,凈光合速率降低,葉綠體數(shù)目減少[2]。 人參為喜鉀植物,生長后期對鉀需求量最大[3]。 鉀營養(yǎng)缺乏會導(dǎo)致人參葉片衰老提前,葉片邊緣發(fā)生黃化,引起光合作用、抗氧化酶活性、葉綠素含量等生理指標發(fā)生變化[4]。

衰老屬于植物正常生理過程,也是其生長的必然結(jié)果,隨著生長期向后推移,植株葉片外觀性狀和生理指標均會發(fā)生改變[5]。 外觀改變表現(xiàn)為葉片枯黃,葉綠素含量降低,邊緣組織因細胞程序性死亡而發(fā)生衰減;生理指標的變化表現(xiàn)為細胞損傷,相關(guān)指標如丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量升高,以及各種保護酶活性降低[6]。 上述變化會導(dǎo)致植物葉片功能喪失,影響植物產(chǎn)量及品質(zhì)[7]。 養(yǎng)分脅迫可誘導(dǎo)植株衰老[8],已有研究表明植株生育后期追施養(yǎng)分可有效改善其生理狀況[9-12],然而,在人參生育后期追施鉀肥能否改善其生理狀況尚不明確。 因此,本試驗選用硫酸鉀和氯化鉀兩種鉀肥,設(shè)置低、中、高(5、10、20 g·m-2)三個濃度梯度,探究人參生育后期葉片對追施鉀肥的生理響應(yīng),為人參生長后期鉀肥管理一體化和高品質(zhì)藥材生產(chǎn)提供理論參考及選擇依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

試驗于2020 年8 至9 月(果熟采收后)在吉林省白山市靖宇縣進行(126.8 °E,42.39 °N),選取長勢基本一致、健康的三年生人參為試驗材料。 栽參土壤類型為壤土,基本理化性質(zhì)為水分含量25.94%,pH 4.68,有機質(zhì)83.05 g·kg-1,全氮4.29 g·kg-1,全磷1.80 g·kg-1,全鉀 14.14 g·kg-1,堿解氮182.48 mg·kg-1,有效磷9.84 mg·kg-1,速效鉀140 mg·kg-1。 供試肥為硫酸鉀(AR≥99.0%)、氯化鉀(AR≥99.0%)。 磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、甲硫氨酸、EDTA-Na2、核黃素、氮藍四唑、創(chuàng)愈木酚、30%過氧化氫、二氧化硅、碳酸鈣、乙醇均為分析純。

紫外—可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司,中國)、LI-6800 光合儀(LI-COR 公司,美國)

1.2 試驗設(shè)計

采取小區(qū)試驗,共設(shè)置7 個組別,分別為空白對照CK(不施用鉀肥)和6 個處理組(葉面噴施K2SO4、KCl 各 5、10、20 g·L-1·m-2)。 每個處理重復(fù)試驗3 次,試驗地小區(qū)面積為1 m2,共21 個小區(qū)。按每平米1 L 鉀肥溶液葉面噴施,每7 天噴施一次,共計2 次。 選取每個試驗小區(qū)選擇生長狀況相近的人參30 株,進行追蹤觀察,實驗材料見圖1。

圖1 人參生育后期鉀肥管理研究的試驗小區(qū)分布(A)和試驗材料(B)

1.3 采樣

施肥后第14 天進行采樣,每個處理取9 個樣品(同一部位葉片),置于4℃低溫保存,用于葉綠素、類胡蘿卜素含量測定。 每個處理選取6 株人參摘取其復(fù)葉1 片,置于-80℃保存,用于抗氧化酶活性分析。

1.4 樣品分析

葉綠素a、b 和類胡蘿卜素含量測定用紫外分光光度法[13]。 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性測定用氮藍四唑光化還原法,過氧化物酶(peroxidase,POD)活性測定以愈創(chuàng)木酚法,過氧化氫酶(catalase,CAT)活性用紫外分光光度法[14]。 光合參數(shù)和熒光參數(shù)采用LI-6800 光合儀測定,測定部位為人參葉片的中部。 光合參數(shù)測定時間為上午8:30 ~11:00,下午13:00 ~15:30,測定前進行充分的光適應(yīng)。 光合參數(shù)測定:標準葉室2 cm2開放式氣路,內(nèi)置紅藍光源,設(shè)置光強為光飽和點光強(300 μmol·m-2·s-1)[15],葉室 CO2濃度采用 CO2小鋼瓶控制,為 400 μmol·mol-1;葉室溫度29℃、相對濕度55 %、氣體流速為 500 μmol·s-1。 熒光參數(shù)測定:人參葉片以鋁箔紙包裹暗適應(yīng)20 分鐘,關(guān)閉作用光(light),打開測量光為 Fluor(設(shè)置為Rectangular flash),其它測量參數(shù)設(shè)置同光合參數(shù)。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用Excel 2021,用SPSS 26.0 對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析,P<0.05 表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。 圖表處理采用Oringin 2021 軟件和Excel 2021。

2 結(jié)果

2.1 施鉀對人參葉綠素及類胡蘿卜素含量的影響

葉綠素含量的變化是反映植物逆境脅迫和衰老程度的重要指標[16]。 由圖1A 和1B 可知,人參生長后期施用鉀肥能提高葉綠素a、b 含量,且隨施肥量的增加,葉綠素a、b 含量均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢。 施肥水平為 10 g·m-2時,葉綠素 a、b 含量均達到最高。 其中,氯化鉀和硫酸鉀處理的葉綠素a 含量分別為2.228 mg·g-1和2.280 mg·g-1,較空白對照1.670 mg·g-1顯著增加(P<0.05),增長率依次為33.41%和36.52%。 氯化鉀和硫酸鉀處理的葉綠素b 含量分別為1.052 mg·g-1和1.045 mg·g-1,較空白對照 0.742 mg·g-1顯著增加(P<0.05),增長率依次為41.78%和40.84%。 但氯化鉀和硫酸鉀對人參葉綠素a、b 含量影響無顯著性差異(P>0.05)。 由圖1C 可知,鉀肥用量對類胡蘿卜素含量影響不顯著(P>0.05),兩種鉀肥對類胡蘿卜素影響亦沒有明顯差異,其含量穩(wěn)定在0.420~0.494 mg·g-1范圍。 因此,人參生育后期施鉀有利于人參葉綠素a、b 含量的增加,以維持葉片常綠,10 g·m-2為鉀肥最佳用量水平。

2.2 施鉀對人參葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

葉綠素?zé)晒鈪?shù)能真實反映植物內(nèi)在的生理狀態(tài),且與施肥密切相關(guān)[17-18]。 如表1 所示,硫酸鉀處理對人參生育后期實際光化學(xué)效率(PhiPS2)較不追施鉀肥無顯著性差異。 氯化鉀用量為20 g·m-2時,實際光化學(xué)效率較CK 提高20.9%。 施鉀處理潛在光化學(xué)效率(Fv/Fm)較空白對照無顯著性差異,且施鉀水平對潛在光化學(xué)效率影響亦無顯著性差異(P>0.05),說明鉀肥用量范圍在5 ~20 g·m-2對人參未產(chǎn)生明顯的脅迫作用。 施鉀處理可降低人參葉片光系統(tǒng)的非光化學(xué)猝滅(non-photochemical quenching,NPQ),減少光能以熱耗散方式損失。 隨氯化鉀和硫酸鉀用量水平增加NPQ 呈下降趨勢。其中,氯化鉀10、20 g·m-2用量水平 NPQ 值較 CK處理分別顯著降低15.1%、15.7%,但兩施肥水平無顯著性差異(P<0.05);而硫酸鉀濃度升高也引起NPQ 值下降,但差異并不顯著(P>0.05)。

表1 施鉀對人參葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.3 施鉀對人參光合生理參數(shù)的影響

光合作用是植物體內(nèi)最為重要的同化過程,光合參數(shù)可以反映植株光合性能及生理狀況[19]。 由表2 可知,適宜的氯化鉀用量可提高人參葉片水分利用,氯化鉀用量為 20 g ·m-2時,蒸騰速率(evaporation,E)、水分利用率(water use efficiency,WUE)和氣孔導(dǎo)度(stomatal cond uctance,gsw)分別為 0.972 mmol·m-2·s-1、0.055 μmol CO2·mmol-1H2O、0.059 mol·m-2·s-1,較空白對照分別顯著提高54.3%、86.3%、55.3%。 但硫酸鉀處理后 E、WUE、gsw 較 CK 無顯著性差異(P>0.05)。 追施鉀肥的種類對人參葉片凈光合速率(A)、胞間CO2濃度(Ci)的影響具有顯著性差異(P<0.05),但其施肥水平間無顯著性差異(P>0.05)。 其中,Ci 在氯化鉀處理后較CK 顯著降低,但在硫酸鉀處理后無顯著變化。 施用低濃度鉀肥均不能引起人參葉片光合速率的顯著變化(表2)。 當(dāng)施用氯化鉀濃度為20 g·m-2時,人參葉片光合速率較 CK 提高46.08%。 但施用硫酸鉀后,人參葉片光合速率較CK 無顯著變化或有所降低。 而在鉀肥用量水平為10、20 g·m-2時,人參葉片凈光合速率經(jīng)氯化鉀處理后顯著高于(P<0.05)硫酸鉀處理。 因此,追施鉀肥可以對生育后期人參葉片光合參數(shù)產(chǎn)生影響,相比于硫酸鉀,追施氯化鉀更有利于人參生育后期葉片同化產(chǎn)物的積累,其最佳施肥用量為20 g·m-2。

表2 施鉀對人參光合生理參數(shù)的影響

圖2 施鉀處理后人參葉綠素a、b 及類胡蘿卜素含量變化

2.4 施鉀對人參抗氧化酶活性的影響

SOD、POD 和 CAT 是植物體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)的重要構(gòu)成,在參與活性氧自由基清除、逆境和損傷的抵御修復(fù)方面發(fā)揮重要作用[4]。 植物進入生育后期為清除體內(nèi)自由基或活性氧抗氧化酶活性會提高。 由圖3A 可知,人參葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性隨施鉀水平的增加呈先降低后增加的趨勢,氯化鉀和硫酸鉀對其的影響一致。 其中鉀肥用量為10 g·m-2時,SOD 酶活性最低,且顯著低于對照組(P<0.05),而較鉀肥用量5 g·m-2和20 g·m-2時,SOD 沒活性與對照組相比并無顯著性差異(P>0.05)。 由圖3B 可知,人參過氧化物酶(POD)活性隨施鉀水平(0 ~10 g·m-2)呈現(xiàn)下降趨勢。 當(dāng)施肥用量達到20 g·m-2時,POD 酶活性較對照組顯著降低(P<0.05),氯化鉀和硫酸鉀處理POD 酶活性分別為13102 U·g-1·min-1和13475 U·g-1·min-1較對照顯著降低25.96%、23.85%,但兩種鉀肥間不存在顯著性差異(P>0.05)。 此外,鉀肥用量為 5 g·m-2時硫酸鉀處理組人參葉片POD 酶活性18607 U·g-1·min-1顯著低于氯化鉀處理組11630 U·g-1·min-1。 由圖3C 可知,硫酸鉀和氯化鉀兩種鉀肥處理對人參葉片過氧化物酶(CAT)活性的影響趨勢存在差異。其中,氯化鉀處理組隨鉀肥用量的增加CAT 酶活性呈先增加后降低再增加的“S”形變化,施肥用量為10 g·m-2CAT 酶活性達到最低15.2 U·g-1·min-1,較空白對照組31.2 U·g-1·min-1顯著降低51.28%。因而,追施適宜鉀肥用量可顯著降低人參生育后期抗氧化酶SOD、POD、CAT 酶的活性,但不同酶的變化趨勢存在一定差異,這可能與三種抗氧化酶的相互協(xié)調(diào)相關(guān)。

圖3 施鉀對人參葉片抗氧化酶活性的影響

3 討論

生育后期追肥可影響植株生理指標、改善生長狀況,是保證其產(chǎn)量和品質(zhì)的重要措施[20-21]。 植株的生長狀況能通過其生理指標反映[2-4]。 生育后期葉面噴施鉀肥可提高葉片的葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率,促進其光合作用;并提高其抗氧化酶活性,增加抗衰老和抗旱能力[22-23]。 本試驗發(fā)現(xiàn),人參生育后期適宜追施鉀肥可改善其生理指標,但對葉綠素含量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、光合參數(shù)、抗氧化酶活性的影響存在差異。 葉綠素是植物進行光合作用的主要色素,本研究發(fā)現(xiàn)施鉀處理組葉綠素a、b 含量顯著高于CK,這與郭志平[22]的研究結(jié)果趨勢相同。 植株生育后期較高的葉綠素含量可促進光合作用,維持葉片常綠,延長植株生育期。 光合參數(shù)可以表征植株光合能力的強弱,在小麥生育后期追施鉀肥可提高其光合產(chǎn)物生成、運轉(zhuǎn)及產(chǎn)量,延緩葉綠素降解,提高小麥產(chǎn)量[25]。 本試驗表明,追施氯化鉀有利于人參生育后期葉片光合參數(shù)的改善,促進同化作用,其最佳施肥用量為20 g·m-2。 不追肥時人參進入生育后期抗氧化酶活性增加[2],與小麥生育后期抗氧化酶活性變化趨勢一致[26]。 本試驗中適宜追施鉀肥后,人參生育后期抗氧化酶SOD、POD、CAT 酶的活性變化趨勢存在一定差異,這可能與三種抗氧化酶的相互協(xié)調(diào)相關(guān)[27]。 SOD、POD 酶呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢,即主要在缺鉀和高鉀的狀態(tài)下發(fā)揮作用。 在氯化鉀用量10 g·m-2條件下,SOD、CAT 酶活性降低。

本試驗中硫酸鉀與氯化鉀用量水平以質(zhì)量濃度計,經(jīng)換算5、10、20 g·m-2質(zhì)量濃度氯化鉀對應(yīng)鉀離子的摩爾濃度分別為0.067、1.34、2.68 mol·L-1;硫酸鉀對應(yīng)鉀離子的摩爾濃度分別為0.057、1.15、2.30 mol·L-1。 實際生產(chǎn)中,施肥水平多以質(zhì)量濃度即。 在質(zhì)量濃度相同的情況下,氯化鉀與硫酸鉀溶液中鉀離子的摩爾濃度差距不大,因此本研究基于相同質(zhì)量濃度對比兩種肥料對人參后期生長的影響。 氯化鉀中氯離子既可能對作物產(chǎn)生“氯害”,也可能促進其光合作用[28]。 本試驗葉面噴施氯化鉀可以提高人參生育后期葉片凈光合速率。 在果樹生育后期追施鉀肥可增加產(chǎn)量并改善品質(zhì),砂梨生育后期追施鉀肥可提高其果實縱橫徑生長速度、單果重,增加其溶性糖總量、蔗糖、果糖和可溶性固形物含量[29]。 人參生長后期為其根部干物質(zhì)與人參皂苷積累并向根部轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵時期,但追施鉀肥對人參生理狀態(tài)產(chǎn)生影響的同時,是否對人參產(chǎn)量及品質(zhì)有促進作用還需要開展進一步研究。 人參生育后期追施鉀肥可改善人參的生理狀況,本研究針對肥料種類、施肥水平的選擇進行了研究,但施肥方式(葉面肥或根外追肥等)、田間管理等對人參生產(chǎn)都具有一定影響,仍需要進一步深入研究。 通過人參生理指標的測定可以了解其生理狀態(tài),在生長后期采取追施鉀肥等措施,可以改善人參生理狀況,延緩葉片衰老,對人參高產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)具有積極意義。