蔡天革, 范宪荣, 邵冉冉, 唐凤德

(辽宁大学 a. 生命科学院, b. 商学院, 辽宁 沈阳 110036)

荞麦(Fagopyrumesculentum),蓼科,荞麦属,一年生草本植物[1].荞麦是一种医食同源的作物,具有很高的营养价值[2],此外,荞麦的生育期短,适应性广,在春、夏、秋3季均可播种,可用于灾年的补种或改种,是理想的救灾作物.

硒是一种必需微量元素,是构成谷胱甘肽过氧化物酶、碘甲状腺胺酸脱碘酶、硫氧还原蛋白还原酶等含硒酶的活动中心[3].硒具有提高免疫和抗癌、抗氧化、解毒、防衰老等作用[4-5].国际硒协会推荐健康成人对硒的日摄入量为55 μg.据调查,中国72%地区处于缺硒、低硒带,成人每日的硒摄入量仅为26.63 μg[6].缺硒会造成许多重要器官的机能失调,导致克山病、大骨节病等多种疾病的发生[7-8].在自然界,硒以无机硒和有机硒2种形式存在,植物可以以硒酸盐、亚硒酸盐等无机硒的形式从环境中吸收硒,在体内将其转化为有机硒而被利用.但是,人体无法直接吸收无机硒,动植物所含的有机硒是人体补硒的主要来源,因此提高硒的生物有效活性是提高人体对硒吸收的主要途径,然而硒作为微量元素在天然生物体内质量分数相对较低,且高浓度硒对植物具有毒害作用.

氮肥作为植物生长过程中主要的肥料之一,能够直接影响作物的产量和品质[9-10].许多研究表明,氮对植物中磷和砷的吸收和转运均有较强的影响[11-12],硒、磷和砷具有相似的化学性质,因此,氮可能影响到植物对硒的吸收和转运.有研究发现[13],施用氮肥能促进作物增产,但对作物籽粒硒质量分数无影响,而也有研究发现[14],营养生长阶段补施氮肥能促进茎叶中蛋白质含量,促进硒向籽粒中转运.目前关于氮肥对荞麦生长和生理影响的研究已有很多,但是将氮肥和硒肥配施对荞麦影响的研究鲜有报道.

植物通过光合作用进行物质生产,较高的光合生产力是作物获得高产的物质基础[15].本试验设置不同梯度的施氮量和施硒量水平,探究氮硒配施对荞麦盛花期光合特性、产量及籽粒硒质量分数的影响,旨在探究一个提高荞麦产量的最优氮肥水平和硒肥水平的平衡点,为实现高产和较好的硒吸收提供数据支持.

1 材料和方法

1.1 材 料

试验于2018年4月15日在辽宁大学植物学试验基地进行,试验采取裂区设计,进行花盆(20 cm×24 cm)种植.裂区施氮量设3个处理(0、50、100 mg·kg-1),用N0、N1、N2表示,N1为低氮,N2为高氮.次裂区施硒量设5个处理(0、1、5、10、50 mg·kg-1),用Se0、Se1、Se2、Se3、Se4表示.N0Se0为对照组(CK).共15个处理,硒肥在分枝期、开花期、开花盛期进行叶面喷施.

荞麦种子在37 ℃温水浸泡7～8 h,并用生物菌肥拌种,各处理施P2O5为120 kg·hm-1(过磷酸钙,w(P2O5)=15%)、K2O为110 kg·hm-1(氯化钾,w(K2O)=60%).氮肥按试验设计要求追施,以上所用材料均购于通辽农业科学院.土壤为沙土,取自辽宁省阜新市彰武试验基地,在沙土中加入珍珠岩改善土壤.供试外源硒为内蒙古包头梅力耕公司的稀土·硒元素水溶调理剂(w(Se)>0.2%).

1.2 测定项目与方法

1.2.1 光合参数的测定

在荞麦开花期时,测定光合指标,每个处理选取5株,使用Li-6400便携式光合仪(北京力高泰科技有限公司生产),在光合有效辐射为1 500 μmol·m-2·s-1时对每株等高度的旗叶测定光合速率、蒸腾速率、胞间二氧化碳摩尔分数、气孔导度等指标.叶绿素相对值使用叶绿素测定仪SPAD-502(辽宁赛亚斯科技有限公司生产),在荞麦开花期时,每个处理测定5株,每株选取旗叶上、中、下部位分别测定SPAD值,取其均值[16].

1.2.2 产量及构成因素的测定

在荞麦成熟期,测定产量指标,每个处理取5株,测量其株高(米尺测量)、茎粗(游标卡尺测量)、主茎节数(主茎上的节数)、有效分枝数(结种子的分枝数)指标,然后在烘箱中烘干,测定各处理的单株粒数(单株上结的种子数目)、单株粒重(单株种子的重量)、千粒重(百粒法,随机选取100粒荞麦种子用电子天平测定重量后扩大10倍).

1.2.3 籽粒硒质量分数的测定

在荞麦成熟期时,测定硒的质量分数,各处理随机选取5株荞麦,将其籽粒取下并放入信封中进行标号.然后将材料在烘箱(上海精宏实验设备有限公司生产)中105 ℃恒温15 min,然后调至60 ℃恒温烘干至恒重,将材料磨成粉末备用.采用UV-2700紫外可见分光光度计(岛津企业管理(中国)有限公司生产)测定硒质量分数.称取试样0.2 g于锥形瓶中,加入生产的10 mL硝酸(浓度为8 mol·L-1,天津市大茂化学试剂厂生产)、4 mL高氯酸(质量分数为70%～72%,天津市大茂化学试剂厂生产),取另一空的锥形瓶,加入同体积的混合酸,冷消化18 h以上.用电沙浴在通风橱内缓慢加热,溶液开始冒黄烟,后来变为棕红烟,随温度升高红烟加剧.将电沙浴温度调低至溶液微沸,红烟转弱为黄烟,溶液渐少且显黄色,继续消化至约8 mL,溶液呈无色或淡黄色时冷却取下.将消解液定容至10 mL,转移到干燥的锥形瓶中,加水20 mL,加EDTA-2 Na溶液1 mL,用1 mol·L-1的盐酸溶液和氢氧化钠溶液调pH值接近2,然后加体积分数为0.2%的邻苯二胺5 mL,混匀后40 ℃水浴加热60 min.取出用10 mL甲苯(密度为0.865～0.869 g·ml-1)萃取,将甲苯层倒于1 cm比色皿,测定335 nm吸光度[17].以上所用化学试剂购于国药集团化学试剂有限公司,均为分析纯.制作标准曲线后按式(1)计算样品中硒的质量分数.

w=(ρ×10)/mV,

(1)

式中:w为硒的质量分数,mg·kg-1;ρ为标准曲线中硒的质量浓度,μg·mL-1;m为样品的质量,g;V为测定时吸取消解液的体积,mL.

1.3 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010进行统计分析,GraphPad 7进行作图,SPSS 19.0统计分析软件进行数据分析.

2 结果分析

2.1 氮硒配施对荞麦成熟期产量及其构成因素的影响

从表1可得出,氮硒配施的荞麦成熟期产量构成因素的各指标在N0、N1、N2处,随着硒肥质量分数的提高均呈现先升高后降低的趋势.主茎节数、单株粒数、单株粒重、千粒重及籽粒产量均在N2Se2处取得最大值,分别为14.33个、242.67个、8.40 g、2.88 g、3.735 kg·m-2,并与其他处理呈显著差异(P≤0.05).

在表2中,为进一步确定氮硒配施对荞麦产量及构成因素的影响,进行了方差分析.结果表明,施氮量对主茎节数、有效分枝数、单株粒数、千粒重和籽粒产量有显著影响(P≤0.05),硒肥对荞麦的主茎节数、单株粒数、千粒重及籽粒产量影响达到显著水平(P≤0.05).施氮量和施硒量对荞麦的有效分枝数、单株粒数、千粒重和籽粒产量存在显著的交互效应(P≤0.05),对主茎节数和单株粒重则差异不显著.氮硒配施对荞麦产量及构成因素的影响由高到低依次为:籽粒产量、千粒重、单株粒数、有效分枝数、主茎节数、单株粒重.

表1 氮硒配施对荞麦成熟期产量构成因素的影响Table 1 Effects of combined application of nitrogen and selenium on yield components during buckwheat maturity

表2 氮硒配施对荞麦产量构成因素影响的方差分析Table 2 Variance analysis of the effects of combined application of nitrogen and selenium on buckwheat yield components

从表3可知,荞麦在氮硒配施下的籽粒产量与产量构成因素呈正相关关系,结果显示,籽粒产量与主茎节数、单株粒数和单株粒重之间存在极显著的相关关系(P≤0.01),相关系数(R)分别为0.598、0.640和0.644,有效分枝数和千粒重与籽粒产量的相关性不显著.产量构成因素间也存在一定的正相关关系,主茎节数与单株粒数和单株粒重呈极显著相关(P≤0.01),R分别为0.480和0.407.单株粒数与单株粒重之间存在极显著的相关关系(P≤0.01),R为0.824.总体来说,荞麦在氮硒配施下的籽粒产量与产量构成因素的相关性由高到低依次为:单株粒重、单株粒数、主茎节数、有效分枝数、千粒重.

表3 氮硒配施下的籽粒产量与产量构成因素的相关性分析Table 3 Correlation analysis of grain yield and yield components under the combined application of nitrogen and selenium

2.2 氮硒配施对荞麦光合特性的影响

2.2.1 氮硒配施对荞麦盛花期光合参数叶绿素相对值的影响

如图1所示,在各氮肥水平下,荞麦的叶绿素相对值随着施硒量的增加呈现先升高后降低的趋势,均在Se2达到最大值,分别为34.233、40.477和42.320.在N0处的叶绿素相对值随着硒肥质量分数的增加无显著性差异.在N2的叶绿素相对最大值较N0和N1分别提高23.62%和4.55%.在同一硒肥浓度下,叶绿素相对值随着施氮量的增加而增加,N1、N2与硒肥的配施组合的叶绿素相对值均高于N0与硒肥配施组合,且呈现显著性差异(P≤0.05).在氮硒配施处理中,在N2Se2可达到叶绿素相对值的最大值.

图1 氮硒配施对荞麦叶绿素相对值的影响

2.2.2 氮硒配施对荞麦盛花期净光合速率的影响

如图2所示,荞麦的净光合速率在氮肥不同质量分数下,随着施硒量的增加呈现先上升后下降的趋势,均在Se2获得最大值.在N0、N1、N2的Se2与Se0时均呈现显著性差异(P≤0.05),净光合速率Se2比Se0分别增加了83.00%、124.42%、64.70%.在N1、N2水平与各质量分数硒肥相配施时的净光合速率高于N0与硒肥配施的净光合速率,且差异具有显著性.在Se2时,N1、N2分别比N0增加了27.74%、31.37%.故在氮硒配施处理中,于N2Se2可取得净光合速率最大值.

图2 氮硒配施对荞麦净光合速率的影响

2.2.3 氮硒配施对荞麦盛花期气孔导度的影响

如图3所示,荞麦在花期的气孔导度在各施氮量下随着施硒量的增加呈现先升高后降低的趋势,均在Se2有最大值,且在Se2的气孔导度分别比Se0增加了144.19%、115.41%、76.34%.N2与硒肥相配施的气孔导度高于N0,且具有差异显著性(P≤0.05),在Se2时,N1、N2分别比N0增加了26.91%、35.06%.所以在氮硒配施试验中,荞麦在盛花期的气孔导度在N2Se2处取最大值.

图3 氮硒配施对荞麦气孔导度的影响

2.2.4 氮硒配施对荞麦盛花期胞间CO2摩尔分数的影响

如图4所示,荞麦在花期的胞间CO2摩尔分数在各施氮量下随施硒量的增加呈先升高后降低的趋势,均在Se2达到峰值,在Se2的胞间CO2摩尔分数比Se0分别提高33.98%、25.18%、22.30%.N2与硒肥配施的胞间CO2摩尔分数高于N0、N1并呈显著性差异(P≤0.05),在Se2时,N1、N2分别比N0增加了3.90%、9.51%.

以

在荞麦氮硒配施处理中,在N2Se2处取得胞间CO2摩尔分数最大值.

图4 氮硒配施对荞麦胞间CO2摩尔分数的影响

2.2.5 氮硒配施对荞麦盛花期蒸腾速率的影响

如图5所示,荞麦在花期的蒸腾速率在各施氮水平下随施硒量的增加呈先上升后下降的趋势,均在Se2取得最大值.在Se2的蒸腾速率比Se0分别提高54.87%、 194.90%、 76.54%.在同一硒肥水平下荞麦的蒸腾速率对施氮量的响应由高到低依次为:N2、N1、N0.N2与硒肥配施的蒸腾速率高于N0、N1.N1和N2在Se2的蒸腾速率,分别比N0提高53.19%、198.06%.因此荞麦在氮硒配施条件下,盛花期的蒸腾速率在N2Se2处取得最大值.

图5 氮硒配施对荞麦蒸腾速率的影响

2.2.6 氮硒配施下荞麦籽粒产量与花期光合参数的相关性

在表4中对籽粒产量和荞麦盛花期的光合参数进行了相关性分析,结果表明,籽粒产量与光合参数叶绿素相对值、净光合速率、气孔导度、胞间二氧化碳摩尔分数、蒸腾速率存在极显著的正相关关系(P≤0.01),R分别为0.394、0.689、0.683、0.785、0.604, 并且各光合参数之间也存在着极显著的相关关系(P≤0.01).荞麦在氮硒配施下的籽粒产量与花期光合参数的相关关系由高到低依次为:胞间CO2摩尔分数、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率.

表4 籽粒产量和荞麦盛花期光合参数的相关分析Table 4 Correlation analysis between grain yield and photosynthetic parameters of buckwheat during full bloom

2.3 氮硒配施对荞麦籽粒硒质量分数的影响

如图6所示,在N0、N1、N2时,随着硒质量分数的增加,荞麦中籽粒硒质量分数也随之增加.均在Se4达到最大值,分别为0.32、0.34、0.34 mg·kg-1.并与Se0呈显著差异(P≤0.05).在N0、N1和N2水平下,施硒量(y)与籽粒硒质量分数(x) 存在一定的线性相关关系,

在

N0处表现为y=0.036x+0.158 3(R2=0.793 8),在N1处表现为y=0.004x+0.162 5(R2=0.905 9),在N2处表现为y=0.003 9x+0.161 9(R2=0.913 2).与国家富硒谷类食品硒质量分数范围(0.04～0.30 mg·kg-1)相比,在各施氮水平下的Se4均超过富硒食品上限0.3 mg·kg-1,其余的配施处理均在国家富硒食品安全生产范围内.在氮硒配施试验中,荞麦籽粒硒质量分数可在N2Se3取得最大值.

表5为施氮量和施硒量对荞麦籽粒硒质量分数影响的方差分析.结果表明,施氮量和施硒量对荞麦的籽粒硒质量分数均呈现出显著性相关(P≤0.05),说明主效应存在,施氮量和施硒量的不同均会对籽粒硒质量分数产生差异关系,此外,施氮量和施硒量的交互效应P值为0,小于0.05,说明两者之间存在交互作用,会对籽粒硒质量分数产生差异关系.氮硒配施对荞麦籽粒硒质量分数的影响因素由高到低依次为:施硒量、施氮量、氮硒配施.

表5 施氮量和施硒量对荞麦籽粒硒质量分数影响的方差分析Table 5 Variance analysis of the effect of nitrogen and selenium application rate on mas fraction of selenium of buckwheat grains

3 讨 论

3.1 氮硒配施对荞麦产量的影响

氮肥在提高作物的产量方面具有重要作用,硒元素能够通过与其他矿物质的相互作用以及硒对植物在生长方面的调节作用,促进植株生长来获得高产[18].在本试验中,荞麦在各氮肥水平下,随着施硒量的升高,成熟期的产量构成因素中的株高、茎粗、单株粒数、单株粒重、千粒重均呈现先升高后降低的趋势,因过量硒肥会对作物有毒害作用,所以对产量有一定的影响.各氮肥处理均在Se2处取得峰值,株高、茎粗、单株粒数、单株粒重、千粒重与Se0呈显著性差异.在同一硒肥施硒量下,荞麦的产量构成因素随着氮肥水平的提高逐渐增加,并在N2水平达到峰值.

马凤霞[18]对甘薯在氮硒配施下产量的研究结果显示, 氮硒配施均不同程度地提高了5个品种的甘薯产量, 具有显著的影响效应. 本试验的研究结果表明, 氮硒配施对荞麦的产量具有正交互效应, 并且对荞麦的有效分枝数、单株粒数、千粒重和籽粒产量的影响达到显著或极显著水平, 但对主茎节数和单株粒重影响不显著. Se4由于施硒量过高, 产量出现下降趋势. 这可能与试验材料和栽培环境的不同有关, 但总体上保持一致.

3.2 氮硒配施对荞麦光合特性的影响

适量的硒可以促进富硒植物的生长发育, 并参与调节植物的光合和呼吸作用, 适量的氮肥也有助于作物群体光合产物的积累并获得高产[19]. 在本研究中, 荞麦在各氮肥水平下, 随着施硒量的增加,盛花期的叶绿素相对值、净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度、蒸腾速率光合指标均呈现先升高后降低的趋势, 且均在Se2处达到最大值并显著高于Se0.施硒量过高会对植物产生一定的毒害作用, 从而使荞麦光合指标下降, 符合Bertrand生物剂量规律[19].在同一施硒量下, 荞麦的光合指标随着氮肥水平的提高逐渐增加, 会在N2水平达到峰值, 所以氮肥的合理使用可以显著提高作物的光合利用率, 进而增加同化产物来获得高产.

作物的群体光合速率与籽粒产量呈正相关[20].本研究也对籽粒产量与光合各参数进行了相关性分析,结果显示,籽粒产量与叶绿素相对值、净光合速率、气孔导度、胞间CO2摩尔浓度、蒸腾速率具有极显著的正相关关系(P≤0.01).并且各光合参数之间也具有极显著的相关性.因为作物是在群体的基础上生长的,所以测单叶的光合指标会与群体的光合能力有很大差距,这是本研究存在的不足,待今后试验进一步补充.

3.3 氮硒配施对荞麦籽粒硒质量分数的影响

氮硒配施对甘薯块根中的硒质量分数存在显著的正交互效应[18].在本研究中,氮硒的配施对荞麦籽粒中硒质量分数的影响同样符合这一结论.在各氮肥水平下,随着硒肥施硒量的升高,荞麦籽粒的硒质量分数均呈现逐渐增高的趋势,符合Govasmark等的研究[21],并且Se4的硒质量分数均超过了国家富硒食品安全范围(0.04～0.30 mg·kg-1).

4 结 论

在不施氮肥条件下,荞麦的光合指标、产量和籽粒硒质量分数随施氮量的增加而增加,并在施氮量为100 mg·kg-1时达到峰值.在不施硒肥条件下,荞麦的光合指标、产量和籽粒硒质量分数指标总体上随施硒量的增加而增加,并在硒肥为5 mg·kg-1时取得最大值.在氮硒配施时,荞麦的光合指标、产量相关指标在氮肥100 mg·kg-1,硒肥5 mg·kg-1时有最大值, 但不能获得很好的硒吸收.荞麦的籽粒硒质量分数在50 mg·kg-1超过国家富硒食品安全范围.所以,在实际生产方面推荐荞麦在氮硒配施下以施氮量100 mg·kg-1,施硒量10 mg·kg-1进行栽植.