刘怀珠　杨洪兵

摘要：以烤烟品种云烟87为材料，在漂浮育苗条件下研究了不同浓度（10、50、100、150、200、250 mg/L）硫酸铜对烟苗根系生长发育和光合特性的影响。结果表明，在该浓度范围内，硫酸铜对烟苗根系生长有明显抑制作用，并且随着其浓度升高而逐渐增强，表现在烟苗的根干质量、根总数、根阴影面积、根表面积以及根系活力逐渐降低；硫酸铜对烟苗的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率等光合特性均有一定影响，但并未表现出与硫酸铜浓度之间的相关性，而是随着其浓度升高而交替下降与略有回升，这可能与不同浓度硫酸铜对烟苗叶片的气孔和叶肉组织的影响程度不同有关。

关键词：烟草；根系；漂浮育苗；硫酸铜；光合特性；净光合速率

中图分类号： S572.01文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0110-04

收稿日期：2014-09-11

基金项目：重庆市烟草专卖局项目 （编号：NY20120301070011）。

作者简介：李钠钾（1983—），男，重庆人，硕士，助理农艺师，主要从事烟草栽培生理及烟草发育生物学研究。E-mail：mejaho@163.com。硫酸铜中的铜盐对蓝绿藻有明显抑制作用，被广泛用于水华藻类去除和控制[1]，在烟草漂浮育苗中的应用也较为普遍。一方面硫酸铜被作为控制水体中蓝绿藻孳生的主要药品，以加入营养液等方式使用[2]，同时也因其对烟苗根系的调控作用而用来抑制盘下根的生长[3]；另外硫酸铜也被作为一种补充铜素营养的微肥，在育苗过程中使用[4-5]。

铜（Cu）是植物体正常生命活动必需的微量矿质元素，是植物细胞内多种酶类和蛋白质的重要辅因子，并参与光合作用中的电子传递过程和呼吸代谢中的氧化还原反应[6]；但适合植物生长的Cu含量范围很窄，土壤中Cu稍微过量便会干扰细胞代谢和离子平衡，对植物产生毒害作用[7]。过量的Cu会对植物体产生胁迫，主要表现在诱发活性氧（ROS）产生、破坏DNA和蛋白质结构、抑制光合作用和打破激素平衡等方面[7]。

研究表明，在漂浮育苗营养液中加入0.025%（250 mg/L）以下浓度的硫酸铜溶液和在基质表面覆盖1 mm厚的木炭粉，对藻类有较好的防治效果[2]。多年来重庆市烟区大量使用硫酸铜防治蓝绿藻，普遍的施用浓度范围为90～250 mg/L，但在烟苗生长后期却出现了叶片发黄、根系发育受阻等受害现象，与铜离子中毒症状较为相似。本研究从根系生长和光合特性等方面探讨烟草漂浮育苗过程中使用硫酸铜的安全性，旨在进一步明确重庆市烟区部分受害烟苗是否与使用硫酸铜有关。

1材料与方法

1.1供试材料

1.1.1植物材料普通烟（Nicotiana tabacum）品种云烟87，试验中采用催芽包衣种。

1.1.2育苗材料漂浮育苗浮盘、基质、育苗专用肥，由重庆渝叶亚普贸易有限公司提供，基质由草炭、蛭石、膨化珍珠岩按比例混合而成；育苗专用肥中N、P2O5 、K2O含量分别为10%、8%、10%。

1.1.3主要试剂五水合硫酸铜晶体（CuSO4·5H2O）。

1.2试验设计

1.2.1硫酸铜母液制备称取纯净的硫酸铜结晶1 g，置于250 mL三角瓶中，加入80 ℃热水充分溶解后，定容至1 L容量瓶中，配制成1 g/L的硫酸铜母液备用。

1.2.2试验处理设6个硫酸铜浓度梯度，以不施用硫酸铜为对照（CK），共7个处理（表1）。每个处理3次重复，每个重复1盘，分别放入独立的塑料箱（运苗箱）内，塑料箱规格为70 cm×35 cm×30 cm，每个塑料箱内底垫衬2个200穴浮盘以抬高池底平面，铺衬黑色塑料薄膜并避免水面裸露，随机排列在育苗大棚内，不定期向箱内补水，保持水位在7 cm左右。以单株施氮量11 mg为标准，齐苗后一次性施入育苗专用肥，并按照各处理浓度一次性加入硫酸铜母液。其他管理操作按照常规漂浮育苗技术进行。

表1各处理营养液中硫酸铜及Cu2+浓度

处理硫酸铜浓度

（mg/L）Cu2+浓度

（mg/L）T1（CK）00T2102.6T35012.8T410025.6T515038.4T620051.2T725064.0

1.3指标测定

播种后55 d，对各重复随机取样30株，除去盘下根后洗净。随机取20株测定各处理的根干质量、地上干质量等农艺性状。取洗净样进行根系扫描，使用安装有根系扫描分析系统（WinRHIZO）的EPSON扫描仪，测定根总长、根阴影面积、根表面积。采用TTC还原法测定根系活力。采用LI-6400 （LI-COR Inc.，美国）便携式光合仪测定光合特性指标，于晴天09：00—11：00在烟草育苗工场大棚内测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci），使用Li-6400-2B光源，设定光合有效辐射值（PAR）为 1 mmol/（m2·s），选择最大功能叶进行测定。

1.4数据分析

使用SPSS13.0、Excel2003等软件进行数据分析及作图。

2结果与分析

2.1不同浓度硫酸铜对烟草漂浮育苗根系生长发育的影响

从表2可知，漂浮育苗齐苗后将硫酸铜加入营养液后，对播种后55 d漂浮育苗的根系生长产生较为明显的影响，施用硫酸铜的处理在根干质量上均显著低于对照，其中50、200、250 mg/L处理的根干质量极显著低于对照，并表现出随着硫酸铜浓度的升高，根干质量随之降低的趋势。这与实际观测结果较为一致，即施用硫酸铜处理的烟苗根系向下生长受阻，在垂直方向上根系分布受限，硫酸铜浓度越高，根系在基质下层和盘下分布越少。通过对比根冠比可以发现，各处理在根冠比上与对照的差异并不如根干质量差异明显，各处理的根冠比与对照差异均不显著，表明硫酸铜处理也影响了烟苗地上部分的干物质积累，并且暗示这种影响可能与根系生长受限直接相关。进一步对根系进行扫描显示，在根总长、根阴影面积、根表面积方面，50、150、200、250 mg/L处理极显著低于对照，100 mg/L处理低于对照但不显著，10 mg/L处理的根总长与对照无显著差异，但根阴影面积和根表面积则显著高于对照。这3项指标同样表现出随着硫酸铜浓度升高而降低的趋势，说明硫酸铜浓度在 50 mg/L以上时，对烟苗根系生长的抑制已非常明显；而硫酸铜浓度在10 mg/L时，硫酸铜对烟苗根系影响较小，甚至可使烟苗根系的阴影面积和表面积显著增加，结合根干质量比较分析，在这一浓度时硫酸铜并未促进根系干物质的积累，可能是通过显著提升烟苗根系含水量来增粗根系，进而增加了根阴影面积和表面积。表2不同浓度硫酸铜对烟草漂浮育苗根系生长发育的影响

水平上差异显著。

2.2不同浓度硫酸铜对烟草漂浮育苗根系活力的影响

由图1可知，施用硫酸铜对漂浮育苗的根系活力有一定影响，其中100、150、250 mg/L处理的根系活力与CK差异显著，10、50、200 mg/L处理与CK差异不显著，表明硫酸铜浓度达到100 mg/L以上时，硫酸铜对烟苗根系活力的影响才较明显地表现出来；而硫酸铜浓度在100 mg/L以下（T2、T3处理）时，对烟苗的根系活力影响并不明显。

2.3不同浓度硫酸铜对烟草漂浮育苗光合特性的影响

2.3.1不同浓度硫酸铜对烟草漂浮育苗净光合速率的影响光合作用是植物生长发育过程中物质积累与生理代谢的基本过程，而净光合速率是植物光合速率与呼吸速率的差值，是

反映绿色植物进行光合作用的重要指标[8]。由图2可知，10、200 mg/L处理的Pn与CK差异显著，而其他处理的Pn与CK无显著差异；但从整体趋势上看，除150 mg/L处理外，其他处理的Pn均出现不同程度的下降，说明硫酸铜处理对烟苗Pn产生了较为明显的影响，可能限制了烟苗对光能的捕获及转化，进而使叶片净光合速率降低。各硫酸铜处理之间，则表现出随着硫酸铜浓度升高，Pn交替下降与回升的趋势，说明硫酸铜在某些特定浓度（10、150 mg/L）时，可能会对烟苗的Pn产生更为明显的影响，这种影响可能与硫酸铜浓度之间并不存在线性相关。

2.3.2不同浓度硫酸铜对烟草漂浮育苗气孔导度的影响气孔是植物叶片与外界进行气体交换的主要通道，气孔的开闭程度可以影响叶片的光合作用与蒸腾作用[9]。气孔导度是气体及水分进出难易程度的指标，气孔导度降低直接影响光合速率和蒸腾速率[10]。由图3可以看出，10、100、200 mg/L处理的Gs与CK差异显著，而其他处理的Gs与CK无显著差异；但从整体趋势上看，硫酸铜处理均对烟苗的Gs产生了明显影响，除150 mg/L处理外，其他处理的Gs均出现不同程度的下降，说明硫酸铜限制了烟苗叶片气孔的开闭，进而会对烟苗叶片与外界进行气体交换和水分进出产生影响。另外，与Pn的变化规律相似，随着硫酸铜浓度升高，各处理间Gs呈现交替下降与上升的趋势，表明在这3种浓度（10、50、150 mg/L）时，硫酸铜对烟苗叶片Gs的影响更为显著，而这种影响可能与硫酸铜浓度并不呈线性相关。

2.3.3不同浓度硫酸铜对烟草漂浮育苗蒸腾速率的影响蒸腾作用与植物体内水分代谢和矿质元素吸收等生理过程密切相关，也是促进净光合速率的重要生理因子[11]。图4表明，10、100、200 mg/L处理的Tr与CK差异显著，而其他处理的Tr则与CK无显著差异。各硫酸铜处理之间，Tr并未随着硫酸铜浓度的升高呈线性下降，而是出现了交替下降与回升的现象，这与Pn、Gs的表现规律较为一致，说明Tr的变化主要受到Gs的影响。硫酸铜对Tr的影响则可能是限制了烟苗叶片气孔的开闭，进而对烟苗叶片与外界进行气体交换和水分进出产生影响。

2.3.4不同浓度硫酸铜对烟草漂浮育苗胞间CO2浓度的影响胞间CO2（Ci）浓度是植物细胞光合作用活性的重要表现。张广富等认为，Ci是Pn的主要抑制因子[11]。由图5可知，10、50、100 mg/L处理的Ci与CK相比显著降低，而其他3个高浓度处理的Ci则与CK无显著差异，说明当硫酸铜浓度较低（10～100 mg/L）时，硫酸铜对烟苗细胞间的CO2浓度有较为明显的影响；而当硫酸铜浓度较高（150～250 mg/L）时，硫酸铜对烟苗叶片胞间的CO2浓度无显著影响。这一现象与Pn、Gs、Tr的表现规律并不一致，可能说明在硫酸铜处理下，Gs与Ci之间并无直接关联，而Ci也可能并不是Pn的主要抑制因子。

3结论与讨论

烟苗根系是最先接触到Cu2+的部位，其受到的抑制作用最为明显。烟苗根部受Cu2+胁迫后，会表现为细胞膜受损，细胞内的有机物和离子外渗，Cu2+进入细胞导致根系的生理代谢失调[12]。从实际观察中可以看出烟苗根系向下（水面）生长受到不同程度抑制，表现在根干质量、根总长、根阴影面积、根表面积随着硫酸铜浓度的增大而不断降低，根系活力也随之降低，这种影响在150、200、250 mg/L硫酸铜处理下表现尤为明显。而根系总量及吸收面积的减少，直接影响了烟苗对营养液中养分的吸收，致使地上部分的干物质积累以同等比例甚至更高比例减少。由于根系活力表征了根系对环境的适应能力和抗性[13]，说明当硫酸铜浓度达到150 mg/L以上时，铜胁迫已超过了根系所能承受的极限，不仅抑制根系生长，并且对尚且存活的根系养分吸收能力产生明显影响。

Cu2+能抑制光合作用暗反应中的几个关键酶的活性，损伤光合细胞，破坏类囊体结构，抑制光合链中的电子传递[7]。Farquhar 等认为，如果植物Pn、Gs同时下降，说明这种光合作用受气孔限制，否则是受非气孔因素（叶肉因素）限制[14]。艾希珍等则认为，叶片叶龄较小时，气孔与非气孔因素同时影响叶片的Pn；而叶片衰老时，非气孔限制因素影响更多[15]。本研究中，硫酸铜处理的Pn、Gs、Tr均有不同程度的降低，并且呈现较为一致的变化规律，即随着硫酸铜浓度的升高，这3项指标表现交替下降和回升的趋势，且其下降现象均在10、100、200 mg/L浓度，回升现象则是在50、150、250 mg/L浓度，Pn的下降和回升与Gs变化较为一致。这一方面说明硫酸铜对烟苗光合特性的影响，主要是通过气孔因素即降低叶片气孔的打开程度，限制CO2和水分的进入，进而影响烟苗叶片的Tr和Pn；另一方面也说明硫酸铜对烟苗叶片光合特性的影响与其浓度之间可能不存在线性关系，不完全符合剂量效应特征，只有在某些特定浓度或当烟苗体内Cu积累到某些量时，才会对光合特性产生明显影响，这可能与Cu在烟苗叶片中的累积分布有关，即所选取的最大功能叶中的Cu积累量并非与硫酸铜浓度呈正相关，因为Cu对根系生长发育产生抑制的同时，也减少了烟苗对Cu的摄入和积累。当然，这种现象也可能与最大功能叶的叶龄较小有关，即叶肉因素也在处理间发挥了不同程度的作用。硫酸铜浓度较低（10～100 mg/L）时Ci明显降低，硫酸铜浓度较高（150～250 mg/L）时Ci则无明显下降，可以认为在较低硫酸铜浓度时，硫酸铜主要是通过气孔因素对烟苗光合作用产生影响，而在较高硫酸铜浓度时，硫酸铜主要是通过非气孔因素（叶肉因素）对烟苗光合作用产生影响。这间接说明在较高浓度时，硫酸铜对叶肉细胞结构和关键酶的破坏和抑制要远高于较低浓度。这与实际观察中发现较高浓度硫酸铜处理的烟苗叶片出现发黄现象较为一致，也与上述根系的承受极限是一致的。

张艳英等采用水培方法，以较低浓度（0.5、1、5、10 mg/L）Cu2+处理2个烟草品种89112和双-70，证明Cu胁迫对烟草幼苗的生长发育、氮代谢、根系生长、养分吸收等产生明显影响[16-17]。但黄光荣等采用漂浮育苗方式的研究表明，播种后20 d向营养池中施用浓度为 50～100 mg/L的硫酸铜，对促进烟苗出苗和生根、控制蓝绿藻的发生和蔓延、提高烟苗根系健壮生长和苗期烟株生长发育都具有重要作用[4]。白永富等研究表明，在播种后20 d向营养池中施用30 mg/L硫酸铜，可以较好地促进烟苗生长[3]。可见，硫酸铜对烟苗生长发育的影响，受到水源、气候、烟草品种、育苗方式、施用时间等多种因素的影响，研究结果可能会有不一致的地方。本研究自齐苗期时（播种后15 d）施入硫酸铜，至播种后55 d，硫酸铜在营养液中持续对烟苗胁迫长达40 d，在10～50 mg/L浓度范围内未发现硫酸铜对烟苗根系生长和光合特性的促进作用；但是在硫酸铜浓度为150 mg/L时，发现烟苗叶片的光合特性并未受到显著影响，这进一步说明硫酸铜浓度升高并不直接影响烟苗光合特性，其原因及机理尚须进一步研究。

另外，本研究以五水合硫酸铜晶体（CuSO4·5H2O）为主要Cu2+源，由于硫酸铜溶液本身表现弱酸性，因此本研究未考虑硫酸铜加入营养液后pH值的改变对烟苗生长发育的影响，且未考虑蓝绿藻生长对营养液中养分消耗和对pH值的影响[18]。

综上，向烟草漂浮育苗营养液中加入10～250 mg/L硫酸铜，会对烟苗根系生长发育和根系活力产生明显影响，随着硫酸铜浓度的升高，这种抑制作用逐渐增强；而对烟苗光合特性的影响并不随着浓度升高而逐渐增强，这可能与不同浓度硫酸铜对烟苗叶片气孔因素和叶肉因素的影响程度不同有关。

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