邬洁 于大德 李西文 陈佳颖 徐福荣

人参(Panax ginseng)为五加科人参属植物,具有大补元气、复脉固脱、补脾益肺、安神益智等功效[1]。 人参叶片衰老初期生理指标发生变化,其叶绿素含量降低,抗氧化酶活性提高,净光合速率降低,叶绿体数目减少[2]。 人参为喜钾植物,生长后期对钾需求量最大[3]。 钾营养缺乏会导致人参叶片衰老提前,叶片边缘发生黄化,引起光合作用、抗氧化酶活性、叶绿素含量等生理指标发生变化[4]。

衰老属于植物正常生理过程,也是其生长的必然结果,随着生长期向后推移,植株叶片外观性状和生理指标均会发生改变[5]。 外观改变表现为叶片枯黄,叶绿素含量降低,边缘组织因细胞程序性死亡而发生衰减;生理指标的变化表现为细胞损伤,相关指标如丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量升高,以及各种保护酶活性降低[6]。 上述变化会导致植物叶片功能丧失,影响植物产量及品质[7]。 养分胁迫可诱导植株衰老[8],已有研究表明植株生育后期追施养分可有效改善其生理状况[9-12],然而,在人参生育后期追施钾肥能否改善其生理状况尚不明确。 因此,本试验选用硫酸钾和氯化钾两种钾肥,设置低、中、高(5、10、20 g·m-2)三个浓度梯度,探究人参生育后期叶片对追施钾肥的生理响应,为人参生长后期钾肥管理一体化和高品质药材生产提供理论参考及选择依据。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

试验于2020 年8 至9 月(果熟采收后)在吉林省白山市靖宇县进行(126.8 °E,42.39 °N),选取长势基本一致、健康的三年生人参为试验材料。 栽参土壤类型为壤土,基本理化性质为水分含量25.94%,pH 4.68,有机质83.05 g·kg-1,全氮4.29 g·kg-1,全磷1.80 g·kg-1,全钾 14.14 g·kg-1,碱解氮182.48 mg·kg-1,有效磷9.84 mg·kg-1,速效钾140 mg·kg-1。 供试肥为硫酸钾(AR≥99.0%)、氯化钾(AR≥99.0%)。 磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、甲硫氨酸、EDTA-Na2、核黄素、氮蓝四唑、创愈木酚、30%过氧化氢、二氧化硅、碳酸钙、乙醇均为分析纯。

紫外—可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司,中国)、LI-6800 光合仪(LI-COR 公司,美国)

1.2 试验设计

采取小区试验,共设置7 个组别,分别为空白对照CK(不施用钾肥)和6 个处理组(叶面喷施K2SO4、KCl 各 5、10、20 g·L-1·m-2)。 每个处理重复试验3 次,试验地小区面积为1 m2,共21 个小区。按每平米1 L 钾肥溶液叶面喷施,每7 天喷施一次,共计2 次。 选取每个试验小区选择生长状况相近的人参30 株,进行追踪观察,实验材料见图1。

图1 人参生育后期钾肥管理研究的试验小区分布(A)和试验材料(B)

1.3 采样

施肥后第14 天进行采样,每个处理取9 个样品(同一部位叶片),置于4℃低温保存,用于叶绿素、类胡萝卜素含量测定。 每个处理选取6 株人参摘取其复叶1 片,置于-80℃保存,用于抗氧化酶活性分析。

1.4 样品分析

叶绿素a、b 和类胡萝卜素含量测定用紫外分光光度法[13]。 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性测定用氮蓝四唑光化还原法,过氧化物酶(peroxidase,POD)活性测定以愈创木酚法,过氧化氢酶(catalase,CAT)活性用紫外分光光度法[14]。 光合参数和荧光参数采用LI-6800 光合仪测定,测定部位为人参叶片的中部。 光合参数测定时间为上午8:30 ~11:00,下午13:00 ~15:30,测定前进行充分的光适应。 光合参数测定:标准叶室2 cm2开放式气路,内置红蓝光源,设置光强为光饱和点光强(300 μmol·m-2·s-1)[15],叶室 CO2浓度采用 CO2小钢瓶控制,为 400 μmol·mol-1;叶室温度29℃、相对湿度55 %、气体流速为 500 μmol·s-1。 荧光参数测定:人参叶片以铝箔纸包裹暗适应20 分钟,关闭作用光(light),打开测量光为 Fluor(设置为Rectangular flash),其它测量参数设置同光合参数。

1.5 统计学分析

数据统计采用Excel 2021,用SPSS 26.0 对数据进行单因素方差分析,P<0.05 表示差异有统计学意义。 图表处理采用Oringin 2021 软件和Excel 2021。

2 结果

2.1 施钾对人参叶绿素及类胡萝卜素含量的影响

叶绿素含量的变化是反映植物逆境胁迫和衰老程度的重要指标[16]。 由图1A 和1B 可知,人参生长后期施用钾肥能提高叶绿素a、b 含量,且随施肥量的增加,叶绿素a、b 含量均表现为先增加后降低的趋势。 施肥水平为 10 g·m-2时,叶绿素 a、b 含量均达到最高。 其中,氯化钾和硫酸钾处理的叶绿素a 含量分别为2.228 mg·g-1和2.280 mg·g-1,较空白对照1.670 mg·g-1显著增加(P<0.05),增长率依次为33.41%和36.52%。 氯化钾和硫酸钾处理的叶绿素b 含量分别为1.052 mg·g-1和1.045 mg·g-1,较空白对照 0.742 mg·g-1显著增加(P<0.05),增长率依次为41.78%和40.84%。 但氯化钾和硫酸钾对人参叶绿素a、b 含量影响无显著性差异(P>0.05)。 由图1C 可知,钾肥用量对类胡萝卜素含量影响不显著(P>0.05),两种钾肥对类胡萝卜素影响亦没有明显差异,其含量稳定在0.420~0.494 mg·g-1范围。 因此,人参生育后期施钾有利于人参叶绿素a、b 含量的增加,以维持叶片常绿,10 g·m-2为钾肥最佳用量水平。

2.2 施钾对人参叶绿素荧光参数的影响

叶绿素荧光参数能真实反映植物内在的生理状态,且与施肥密切相关[17-18]。 如表1 所示,硫酸钾处理对人参生育后期实际光化学效率(PhiPS2)较不追施钾肥无显著性差异。 氯化钾用量为20 g·m-2时,实际光化学效率较CK 提高20.9%。 施钾处理潜在光化学效率(Fv/Fm)较空白对照无显著性差异,且施钾水平对潜在光化学效率影响亦无显著性差异(P>0.05),说明钾肥用量范围在5 ~20 g·m-2对人参未产生明显的胁迫作用。 施钾处理可降低人参叶片光系统的非光化学猝灭(non-photochemical quenching,NPQ),减少光能以热耗散方式损失。 随氯化钾和硫酸钾用量水平增加NPQ 呈下降趋势。其中,氯化钾10、20 g·m-2用量水平 NPQ 值较 CK处理分别显著降低15.1%、15.7%,但两施肥水平无显著性差异(P<0.05);而硫酸钾浓度升高也引起NPQ 值下降,但差异并不显著(P>0.05)。

表1 施钾对人参叶绿素荧光参数的影响

2.3 施钾对人参光合生理参数的影响

光合作用是植物体内最为重要的同化过程,光合参数可以反映植株光合性能及生理状况[19]。 由表2 可知,适宜的氯化钾用量可提高人参叶片水分利用,氯化钾用量为 20 g ·m-2时,蒸腾速率(evaporation,E)、水分利用率(water use efficiency,WUE)和气孔导度(stomatal cond uctance,gsw)分别为 0.972 mmol·m-2·s-1、0.055 μmol CO2·mmol-1H2O、0.059 mol·m-2·s-1,较空白对照分别显著提高54.3%、86.3%、55.3%。 但硫酸钾处理后 E、WUE、gsw 较 CK 无显著性差异(P>0.05)。 追施钾肥的种类对人参叶片净光合速率(A)、胞间CO2浓度(Ci)的影响具有显著性差异(P<0.05),但其施肥水平间无显著性差异(P>0.05)。 其中,Ci 在氯化钾处理后较CK 显著降低,但在硫酸钾处理后无显著变化。 施用低浓度钾肥均不能引起人参叶片光合速率的显著变化(表2)。 当施用氯化钾浓度为20 g·m-2时,人参叶片光合速率较 CK 提高46.08%。 但施用硫酸钾后,人参叶片光合速率较CK 无显著变化或有所降低。 而在钾肥用量水平为10、20 g·m-2时,人参叶片净光合速率经氯化钾处理后显著高于(P<0.05)硫酸钾处理。 因此,追施钾肥可以对生育后期人参叶片光合参数产生影响,相比于硫酸钾,追施氯化钾更有利于人参生育后期叶片同化产物的积累,其最佳施肥用量为20 g·m-2。

表2 施钾对人参光合生理参数的影响

图2 施钾处理后人参叶绿素a、b 及类胡萝卜素含量变化

2.4 施钾对人参抗氧化酶活性的影响

SOD、POD 和 CAT 是植物体内抗氧化系统的重要构成,在参与活性氧自由基清除、逆境和损伤的抵御修复方面发挥重要作用[4]。 植物进入生育后期为清除体内自由基或活性氧抗氧化酶活性会提高。 由图3A 可知,人参叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性随施钾水平的增加呈先降低后增加的趋势,氯化钾和硫酸钾对其的影响一致。 其中钾肥用量为10 g·m-2时,SOD 酶活性最低,且显著低于对照组(P<0.05),而较钾肥用量5 g·m-2和20 g·m-2时,SOD 没活性与对照组相比并无显著性差异(P>0.05)。 由图3B 可知,人参过氧化物酶(POD)活性随施钾水平(0 ~10 g·m-2)呈现下降趋势。 当施肥用量达到20 g·m-2时,POD 酶活性较对照组显著降低(P<0.05),氯化钾和硫酸钾处理POD 酶活性分别为13102 U·g-1·min-1和13475 U·g-1·min-1较对照显著降低25.96%、23.85%,但两种钾肥间不存在显著性差异(P>0.05)。 此外,钾肥用量为 5 g·m-2时硫酸钾处理组人参叶片POD 酶活性18607 U·g-1·min-1显著低于氯化钾处理组11630 U·g-1·min-1。 由图3C 可知,硫酸钾和氯化钾两种钾肥处理对人参叶片过氧化物酶(CAT)活性的影响趋势存在差异。其中,氯化钾处理组随钾肥用量的增加CAT 酶活性呈先增加后降低再增加的“S”形变化,施肥用量为10 g·m-2CAT 酶活性达到最低15.2 U·g-1·min-1,较空白对照组31.2 U·g-1·min-1显著降低51.28%。因而,追施适宜钾肥用量可显著降低人参生育后期抗氧化酶SOD、POD、CAT 酶的活性,但不同酶的变化趋势存在一定差异,这可能与三种抗氧化酶的相互协调相关。

图3 施钾对人参叶片抗氧化酶活性的影响

3 讨论

生育后期追肥可影响植株生理指标、改善生长状况,是保证其产量和品质的重要措施[20-21]。 植株的生长状况能通过其生理指标反映[2-4]。 生育后期叶面喷施钾肥可提高叶片的叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率,促进其光合作用;并提高其抗氧化酶活性,增加抗衰老和抗旱能力[22-23]。 本试验发现,人参生育后期适宜追施钾肥可改善其生理指标,但对叶绿素含量、叶绿素荧光参数、光合参数、抗氧化酶活性的影响存在差异。 叶绿素是植物进行光合作用的主要色素,本研究发现施钾处理组叶绿素a、b 含量显著高于CK,这与郭志平[22]的研究结果趋势相同。 植株生育后期较高的叶绿素含量可促进光合作用,维持叶片常绿,延长植株生育期。 光合参数可以表征植株光合能力的强弱,在小麦生育后期追施钾肥可提高其光合产物生成、运转及产量,延缓叶绿素降解,提高小麦产量[25]。 本试验表明,追施氯化钾有利于人参生育后期叶片光合参数的改善,促进同化作用,其最佳施肥用量为20 g·m-2。 不追肥时人参进入生育后期抗氧化酶活性增加[2],与小麦生育后期抗氧化酶活性变化趋势一致[26]。 本试验中适宜追施钾肥后,人参生育后期抗氧化酶SOD、POD、CAT 酶的活性变化趋势存在一定差异,这可能与三种抗氧化酶的相互协调相关[27]。 SOD、POD 酶呈现先降低后增加的趋势,即主要在缺钾和高钾的状态下发挥作用。 在氯化钾用量10 g·m-2条件下,SOD、CAT 酶活性降低。

本试验中硫酸钾与氯化钾用量水平以质量浓度计,经换算5、10、20 g·m-2质量浓度氯化钾对应钾离子的摩尔浓度分别为0.067、1.34、2.68 mol·L-1;硫酸钾对应钾离子的摩尔浓度分别为0.057、1.15、2.30 mol·L-1。 实际生产中,施肥水平多以质量浓度即。 在质量浓度相同的情况下,氯化钾与硫酸钾溶液中钾离子的摩尔浓度差距不大,因此本研究基于相同质量浓度对比两种肥料对人参后期生长的影响。 氯化钾中氯离子既可能对作物产生“氯害”,也可能促进其光合作用[28]。 本试验叶面喷施氯化钾可以提高人参生育后期叶片净光合速率。 在果树生育后期追施钾肥可增加产量并改善品质,砂梨生育后期追施钾肥可提高其果实纵横径生长速度、单果重,增加其溶性糖总量、蔗糖、果糖和可溶性固形物含量[29]。 人参生长后期为其根部干物质与人参皂苷积累并向根部转移的关键时期,但追施钾肥对人参生理状态产生影响的同时,是否对人参产量及品质有促进作用还需要开展进一步研究。 人参生育后期追施钾肥可改善人参的生理状况,本研究针对肥料种类、施肥水平的选择进行了研究,但施肥方式(叶面肥或根外追肥等)、田间管理等对人参生产都具有一定影响,仍需要进一步深入研究。 通过人参生理指标的测定可以了解其生理状态,在生长后期采取追施钾肥等措施,可以改善人参生理状况,延缓叶片衰老,对人参高产、优产具有积极意义。