刘 鑫 李扬眉 贾梦晗 仝宇欣

(中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所/农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081)

白菜型油菜(Brassicacampestrisssp. L.)又名不结球白菜、小白菜或油菜，为十字花科芸薹属一二年生草本植物。在以往的生产实践及试验中发现，白菜型油菜对于低铁环境较为敏感，叶片易在根际铁素浓度较低时出现缺铁症状，但是却耐受高铁环境[1-2]。当植株铁素吸收不足时会抑制叶片叶绿素的合成，减缓光合产物积累，同时也会影响呼吸作用以及细胞解毒作用等[3]。适宜的铁素浓度有利于植株根系生长，促进其水肥吸收[4]，是培育壮苗的基础。植物工厂化育苗被公认为是目前最先进的育苗方式[5]，探明在植物工厂环境条件下铁素浓度对油菜育苗效果的影响，可为植物工厂油菜育苗中铁素合理使用提供理论指导。

硫酸亚铁、柠檬酸铁、EDTA螯合铁以及EDDHA螯合铁常作为铁源为植物补充铁素。硫酸亚铁以其价格低廉的优势在我国大田生产中广泛使用，但其稳定性差，只能保持短暂的有效性[6]。在我国无土栽培铁源的使用中，出于提升铁源有效性的考量，铁源经历了由最早期的硫酸亚铁和柠檬酸铁，到现在使用最为广泛的EDTA螯合铁的更迭。欧洲则使用稳定性更好的EDDHA及其类似物的螯合铁作为铁源[7]。不同铁肥除了自身稳定性存在差异外，植物的实际施用效果也因铁源种类的不同而表现出差异。苏蔚等[8]比较了硫酸亚铁、柠檬酸铁和EDTA-Fe等几种铁源的芥蓝栽培效果，发现在EDTA-Fe处理下生长的芥蓝生长指标及品质指标均最优，且植株全铁含量显著高于其他处理。张菊平等[9]的研究表明水培生菜以EDTA-Fe为铁源效果优于柠檬酸铁及硫酸亚铁。EDDHA-Fe则多见于果树发生缺铁黄化病后的喷施矫治，其效果一般好于硫酸亚铁等无机铁源[10-12]。目前鲜见对于EDTA-Fe与EDDHA-Fe这2种螯合铁育苗效果比较的研究，合理选用油菜育苗铁肥有利于提升工厂化育苗效益。

基于此，本研究首先比较EDDHA螯合铁与EDTA螯合铁的油菜育苗效果，在优选铁源的基础上，设置不同铁素浓度水平进行油菜育苗，通过调查油菜幼苗根系形态指标、根系活力、茎叶的形态指标以及活性铁含量等生理及生长指标，探究铁素浓度对油菜育苗的影响，以期为油菜铁源选用以及浓度控制提供理论依据，为植物工厂油菜优质壮苗培育提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用中蔬种业‘夏绿216’油菜(Brassicacampestrisssp. L.)为试验材料，播种于2 cm×2 cm海绵块。催芽期仅浇灌自来水，待子叶拱出后，移至光下进行不同营养液处理。营养液大量元素采用山崎通用叶菜配方，微量元素使用Arnon通用配方，营养液配制使用的铁源分别为EDTA-Fe与EDDHA-Fe(上海永通公司)，铁源基本信息见表1。

表1 铁肥基本信息Table 1 Basic information of two iron fertilizers

1.2 试验设计

本试验在中国农业科学院人工光植物工厂内进行。首先比较2.8 mg/L铁素浓度下，EDTA-Fe与EDDHA-Fe这2种铁源的育苗效果，优选油菜育苗铁源(试验1)。在上述试验的基础上，将优选铁源设置3个铁素水平：0、2.8和5.6 mg/L，进行育苗试验(试验2)。具体设置见表2，每处理设置4个重复。试验进行15 d，期间更换1次营养液。试验期间，植物栽培面光合有效辐射为150 μmol/(m2·s)，光周期为16 h/d，光期与暗期的温度分别为23 ℃和20 ℃，相对湿度为65%，CO2浓度为600 ppm。

表2 试验设置Table 2 Treatment

1.3 测定指标

1.3.1生长指标的测定

各处理随机选取4株油菜幼苗，测量油菜幼苗的株高和茎粗。用吸水纸擦干表面水分，使用电子天平(Si-234，USA)称量地上部和地下部鲜重。随后将地上部和地下部放入烘箱，105 ℃杀青1 h，在80 ℃下烘干至恒重，用于干重测定，并计算壮苗指数[13]。公式如下：

叶面积使用台式叶面积仪(LI-3100C，USA)测量；根系形态指标的测定采用STD4800扫描仪(Regent instruments，Canada)扫描后经WinRHIZO根系分析系统进行分析，计算总根长、根系表面积、根系体积、根尖数以及分枝数。

1.3.2生理指标的测定

采用95%乙醇浸提比色法测定油菜幼苗叶片叶绿素含量[14]；根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定[15]，定量测试根系中的脱氢酶的还原能力以表示根系活力的大小；活性铁含量的测定参考邹春琴等[16]的方法：取油菜幼苗的地上部分用塑料剪刀剪碎，配置1 mol/L的盐酸溶液，按V(样品)∶V(盐酸)=1∶10的比例在常温下摇晃浸提5 h，定容后过滤，滤液使用原子吸收分光光度计测定。

1.4 数据统计及分析

采用Excel进行数据处理，利用SPSS 24.0对试验数据进行独立样本T检验、单因素ANOVA分析及Duncon法显著性检验(P<0.05)，试验每处理重复4次，结果表示为平均数±标准误。

2 结果与分析

2.1 不同铁源对油菜育苗效果的影响

当铁素浓度为2.8 mg/L时，EDTA-Fe与EDDHA-Fe这2种铁源油菜育苗情况见表3。ED2.8处理的茎叶活性铁含量与根系活力均高于EH2.8处理，ED2.8处理下油菜幼苗茎叶活性铁含量比EH2.8处理组提高了12.6%，表明ED2.8培育下的油菜幼苗的地上部铁营养状况较好；ED2.8处理下油菜根系活力比EH2.8处理提升49.2%，表明ED2.8处理下油菜幼苗根系吸收能力较强。此外，配置相同铁素浓度营养液，EDTA-Fe作为铁源的用量较EDDHA-Fe少，EDTA-Fe铁素含量可达12.8%，EDDHA-Fe铁素含量仅为6.0%，且EDTA-Fe的价格更为低廉(表1)。

表3 2种铁源的育苗效果Table 3 Effect of two iron sources on Brassica campestris seedling growth

2.2 营养液铁素水平对油菜幼苗根系的影响

植株根系的结构与形状对其吸收养分和水分至关重要，根际营养元素的丰缺会影响植物根系的生长。以EDTA-Fe为铁源，油菜幼苗根系在不同铁素水平下形态特征差异显著。由图1可以看出，随着铁素浓度的增加，根系的分枝数增加，根系的侧根数量增加。在缺铁处理中(图1(a))，油菜幼苗的侧根生长受到抑制，一级侧根短粗而密集地生长于主根，伸长生长受阻。推测可能是在缺铁胁迫下诱导形成了不具备顶端分生组织的排根，该处理下未观察到二级侧根的形成。当营养液铁素浓度为2.8和5.6 mg/L时(图1(b)和(c))油菜幼苗侧根正常生长，且3组处理的根系分枝数差异显著(图2(a))。

图1 铁素水平对油菜幼苗根系的影响Fig.1 Root morphology of Brassica campestris seedlings cultured with different iron concentrations

由图2可知，随着铁素浓度提高油菜幼苗根系的表面积和总根长均显著增加。Fe5.6处理组较Fe2.8处理组根系表面积提高32.5%，ID处理组油菜幼苗根系发育受阻，根系表面积最小(图2(b))。这表明在本试验设置的3个铁素浓度中，提高铁素浓度可以增大根系与营养液接触面积，从而利于油菜幼苗更好地吸收营养物质。总根长也以铁素浓度5.6 mg/L(Fe5.6)培育下的油菜幼苗最高(图2(c))，较Fe2.8处理组提高19.1%，ID处理组总根长不足Fe5.6处理组总根长的1/10。Fe5.6组与Fe2.8组油菜幼苗根系平均直径均显著小于ID组(图2(d))，这可能是由于油菜为直根系植物，主根平均直径高于侧根，ID处理组侧根生长受抑制，因此根系直径的均值被拉高。Fe5.6处理组与Fe2.8处理组之间油菜幼苗的根尖数差异不显著，但均显著高于ID组(图2(e))。3种铁素水平下油菜幼苗的根系活力差异显著(图2(f))，Fe2.8组显著高于Fe5.6组，这表明相较于5.6 mg/L的铁素水平，适当降低铁素浓度有利于提高根系的吸收能力；ID组油菜幼苗生长不良，根系活力最差。

Fe5.6：铁素浓度为5.6 mg/L；Fe2.8：铁素浓度为2.8 mg/L；ID：无铁。图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。Fe5.6: Iron concentration of 5.6 mg/L; Fe2.8: Iron concentration of 2.8 mg/L; ID: Iron deficiency.Different small letters indicate significant difference at 0.05 level. The same below.

2.3 营养液铁素水平对油菜幼苗生长的影响

提高铁素浓度增加了油菜幼苗的鲜重和干重。如图3(a)所示，Fe5.6处理组油菜幼苗整株鲜重最大，较Fe2.8处理组提高25.4%；ID处理组油菜幼苗生长受到抑制，在15 d的育苗期结束后，其整株鲜重仅为正常铁浓度组(Fe2.8)的47.4%和高铁浓度组(Fe5.6)的37.8%。如图3(b)所示，Fe5.6油菜幼苗整株干重较Fe2.8组提高18.4%，较ID组提高84.9%。

图中不同字母表示差异显著(P<0.05)。Different letters indicate significant difference at 0.05 level.

3个处理间油菜幼苗地上部的鲜重与干重差异均显著。油菜幼苗地下部干重在Fe5.6处理组中显著高于ID组，Fe2.8处理组地下部干重与ID组和Fe5.6组之间无显著性差异。结果表明，在本试验设置的铁素浓度范围内，铁素浓度的增加促进了油菜幼苗地下部以及地上部的生长。

2.4 营养液铁素水平对油菜幼苗光合色素积累的影响

随着营养液铁素浓度升高，油菜幼苗体内叶绿素积累量增加，油菜幼苗的叶面积显著提高(图4(a))，Fe5.6处理组油菜幼苗叶面积较Fe2.8组提高29.1%，较ID组增加189.3%。Fe5.6与Fe2.8处理下油菜幼苗单位叶面积的叶绿素含量无显著差异(图4(b))，但Fe5.6处理下单株油菜幼苗叶面积较高，表明其有更高的叶绿素总量；ID处理组油菜幼苗叶绿素合成受阻，叶绿素含量最低。结果表明Fe5.6处理有利于累积更多光合色素，利于油菜幼苗进行光合作用。

图4 铁素水平对油菜幼苗的叶面积和光合色素累积的影响Fig.4 Effect of iron concentrations on leaf area and photosynthetic pigment accumulation of B. campestris seedlings

2.5 营养液铁素水平对油菜幼苗地上部活性铁含量的影响

活性铁含量一般用作衡量植株铁营养状况。如图5所示，随着营养液中铁素浓度增加，油菜幼苗茎叶活性铁含量也随之增加，Fe5.6处理组油菜幼苗茎叶中活性铁含量较Fe2.8处理组提高20.0%，是ID组油菜幼苗茎叶活性铁含量的1.2倍。茎叶内充足的活性铁含量有利于铁素参与到植株的光合磷酸化作用、呼吸作用以及氮的固定等生理生化过程。ID处理组油菜幼苗茎叶内检测到少量活性铁，该铁素可能是来源于油菜种子内所含的少量铁素以及幼苗催芽期浇灌的自来水。

图5 不同铁素水平油菜幼苗茎叶的活性铁含量Fig.5 Activity iron content in shoot of B. campestrisseedlings as affected by different iron concentrations

3 讨 论

铁元素作为大量元素之外使用最多的矿质元素对于植物的生长发育至关重要，在植物生理和代谢过程扮演着重要角色。铁素参与植物体内氧化还原反应、叶绿素合成、脂质代谢、DNA合成、氮固定和碳水化合物代谢等生理活动[17]，是许多酶及蛋白质的组成成分，在植物光合电子传递中发挥重要作用。植物轻微缺铁时会干扰叶绿素合成，导致叶片黄化，而严重缺铁则会致使叶绿素解体，造成新生叶片变黄，根系发育不全，植物生长受抑制[18]。此外，由于大田种植中碱性和石灰性土壤环境中铁的有效性较差，常常导致植物发生缺铁黄化等病症，因此植物的铁素补充一直以来都备受关注。硫酸亚铁价格低廉，在一般农业生产的铁素补充中受到推崇，但由于硫酸亚铁中的亚铁离子极易被氧化沉淀，因此其有效性较差，需要经常补充。一般认为，螯合态铁源的稳定性优于无机铁源，目前在我国无土栽培种植中使用最多铁源的是EDTA螯合铁。Lucena等[7]认为EDTA螯合铁属于低稳定性螯合铁，推崇使用稳定性更好的EDDHA及其类似物的螯合铁作为铁源。在本研究中，EDTA-Fe与EDDHA-Fe这2种铁源在相同铁素浓度下培育的油菜幼苗干鲜重与壮苗指数没有显著差异，但是EDTA-Fe培育下的油菜幼苗较EDDHA-Fe处理茎叶活性铁含量显著增加。活性铁含量可以表征植物的铁营养状况[16]，这表明EDTA-Fe处理下的油菜幼苗地上部有更多可利用的铁元素。此外，EDTA-Fe处理较EDDHA-Fe处理油菜幼苗的根系活力增加，有利于油菜幼苗更好地吸收水肥，同时考虑到EDTA螯合铁中的铁素含量高于EDDHA螯合铁，且EDTA螯合铁价格更低廉，因此在油菜工厂化育苗中选用EDTA-Fe作为铁源将更有利于提高经济效益。

油菜幼苗维持正常的生命活动需要通过根系获取根际环境中的水分和矿质元素，此外根系合成的植物激素如细胞分裂素、赤霉素和脱落酸等在促进植株叶绿体的发育、养分移动以及营养生长中发挥重要作用[19]。因此，根系的生长发育对于油菜苗的生长至关重要。适宜的铁素浓度促进根系的生长发育，过高或过低的铁素浓度都不利于根系的正常生长[20]。张丽霞等[21]的研究表明，低铁会抑制阳春砂仁根系的发育；任云等[22]的研究结果也发现低铁胁迫下，玉米幼苗根系表面积、根干重以及根尖数均显著降低；当白羽扇豆及木麻黄处于缺铁胁迫时，根系侧根生长受到抑制，形成不具备顶端分生组织且不能继续伸长的排根[23-24]。铁素浓度过高也会抑制植株根系的生长。生菜在高铁胁迫下表现出根系短粗，变褐坏死[2]；甜菜幼苗表现为根系长度及根系表面积均显著降低[25]。本研究中，缺铁处理组中油菜幼苗的根系生长受到明显抑制，一级侧根短粗，未见二级侧根的形成。随着铁素浓度提升至5.6 mg/L，根系的表面积、分枝数以及总根长均显著增加。这与王金龙等[26]以及姚宇洁等[27]在小豆幼苗和枳橙实生苗响应缺铁胁迫中的研究结论一致。也有研究表明，缺铁胁迫会促进侧根数量的增长以及根系表面积的增加来应对缺铁胁迫[28]，研究结果的差异可能与植物不同的基因型有关。根系表面积可反映根系的被动吸收能力，植物根系活力则能反映根系主动吸收的能力。本研究中，将营养液铁素浓度由2.8 mg/L提升至5.6 mg/L后，油菜幼苗的根系活力虽然有所下降，植株主动吸收的能力变弱，但增加了根系的表面积、侧根数量以及根尖数，提高了油菜幼苗被动吸收的能力，因此弥补了根系活力下降带来的影响。

鲜重和干重可以直观反映油菜幼苗的生长状况。本研究中，随着营养液铁素浓度的增加，油菜幼苗地上部的鲜重以及干重均显著增加。以上结果与刘士哲等[2]在芥菜中的研究结果一致。这一现象可能是由于提高铁素浓度增加了油菜幼苗根系表面积、侧根数和根尖数，从而提高了油菜幼苗对于水分以及营养物质吸收运输的能力。同时，铁素浓度提高也增加了油菜幼苗茎叶中的活性铁含量，有利于油菜幼苗地上部叶绿素、含铁蛋白及酶类的合成，保证了呼吸代谢与光合作用等生命活动进程的良好运转。此外，铁素浓度提高也增加了油菜幼苗的总叶面积以及叶绿素积累量，从而使油菜幼苗可以截获更多光能进行光合作用。以上均表明在本试验所设置的铁素浓度范围内，相比于常使用的2.8 mg/L铁素浓度，增加铁素浓度至5.6 mg/L有利于促进油菜幼苗生长，有益于缩短油菜育苗周期，培育优质油菜幼苗。

种子的胚乳和子叶虽然在植株幼苗生长发育早期可以提供部分营养物质[19]，但本研究表明，仅靠油菜种子所提供的铁元素，不能够完全满足油菜在育苗阶段的生长所需。本试验设置的3个铁素浓度水平中，铁素浓度提高有利于油菜幼苗的生长。

4 结 论

本研究比较了国内外常用的2种铁源EDTA-Fe与EDDHA-Fe在植物工厂油菜育苗中的效果，优选铁源后，探究了不同铁素浓度对油菜育苗的影响。结果表明，使用EDTA-Fe作为油菜育苗的铁源相较于EDDHA-Fe经济效益更好，油菜幼苗地上部铁营养状况和根系活力均提高；油菜幼苗在5.6 mg/L铁素浓度中生长状况最好，油菜幼苗的根系表面积、根系分枝数和根系总长度也增加。综上，在油菜工厂化育苗中选用EDTA-Fe作为铁源，且将铁素浓度提高至5.6 mg/L时，有利于培育优质壮苗。