小分子有機酸鉀對水稻種子萌發和幼苗生長的影響

劉 燕，姚媛媛，楊越超*，程冬冬，李 珊，王曉琪，孫 磊

（1 土肥資源高效利用國家工程實驗室/山東農業大學資源與環境學院，山東泰安 271018；2 山東寶源生物科技股份有限公司，山東煙臺 264008）

水稻(Oryza sativaL.)是世界主要糧食作物之一，養活了地球上將近50%的人口[1]。隨著我國人口的不斷增加，對稻米的需求也日益增加，而中國作為主要的水稻生產國[2-3]，保障國家的糧食安全責任重大。根據我國目前稻米年總消費量預測，到2030年，我國的稻米需求量會增加30%以上[4]，但是由于城市化、工業化以及農業結構的調整，水稻田面積正在以每年17.8萬hm2的速度遞減[5]。施用化肥是實現水稻增產增收的基本保障之一[6]，然而過度增施化肥已無法實現水稻的持續性增產[7-8]，同時，由于長期過量和不科學地使用化肥已經造成了一系列的環境問題[8]。為了滿足未來對水稻的需求，如何在現有的甚至減少的種植面積的條件下提高水稻產量，是我國農業可持續發展所面臨的主要問題。因此，為了緩解單施化肥所帶來的環境問題以及促進水稻增產，小分子有機酸鉀作為一種植物促生劑已廣泛應用于農業可持續生產中。

小分子有機酸鉀所含的有機酸根不僅可以促進植物生長[9]，還可以改良土壤，緩解過量施肥所帶來的不良影響[10]；而且小分子有機酸鉀中的K+為植物生長所必需的營養元素，可以達到化肥減量施用的目的。徐慧敏等[11-12]在辣椒上施用含K2O＞18%、有機質含量為380.0～520.0 g/L的低分子有機酸鉀，試驗結果表明，與空白對照和有機酸對照相比，小分子有機酸鉀提高辣椒植物體內超氧化物歧化酶和過氧化物酶的活性，降低丙二醛含量，并且提高產量及品質。韋崢宇等[13]將含N 4%、P2O52.2%、K2O 16%的有機酸-鉀肥施用于煙草，發現有機酸鉀肥不僅提高煙草的生長速率，還會提高其產量和品質。韓錦峰等[14]的研究結果表明，檸檬酸鉀處理提高煙草葉片凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率等光合參數，提高其光合速率。許萍等[15]通過在煙草上施用檸檬酸鉀、酒石酸鉀、草酸鉀等有機酸鉀，測定了煙草的焦油含量、煙堿含量、燃燒速率等指標，結果表明與無機鉀對照相比，小分子有機酸鉀提高煙草的品質。

小分子有機酸鉀的應用研究大多數集中于辣椒等蔬菜作物或煙草等經濟作物，在水稻上的應用研究甚少。本試驗通過研究3種小分子有機酸鉀對水稻種子萌發及幼苗生長的影響，為將來研發可促進水稻生長、提高肥料養分利用率的新型肥料及其增效劑提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年3—5月在山東農業大學土肥資源高效利用國家工程實驗室進行。

供試無機鹽為硫酸鉀[分析純，分子量174.24，w(K2O)54.06%]。供試3種小分子有機酸鉀分別為甲酸鉀[分析純，分子量84.12，w(K2O)55.99%]，乙酸鉀[分析純，分子量98.14，w(K2O)47.99%]，丙酸鉀[分析純，分子量112.17，w(K2O)41.99%]。

供試水稻(Oryza sativaL.)品種為‘臨稻21’，生育期152天，屬中晚熟粳稻品種。

1.2 試驗設計

試驗分為水稻種子萌發試驗和水稻幼苗液培試驗。共設9個處理：1)不含鉀鹽對照(CK)；2)0.25 mmol/L硫酸鉀(IOS-1)；3)0.50 mmol/L硫酸鉀(IOS-2)；4)0.25 mmol/L甲酸鉀(OSA-1)；5)0.50 mmol/L甲酸鉀(OSA-2)；6)0.25 mmol/L乙酸鉀(OSB-1)；7)0.50 mmol/L乙酸鉀(OSB-2)；8)0.25 mmol/L丙酸鉀(OSC-1)；9)0.50 mmol/L丙酸鉀(OSC-2)。

萌發試驗：挑選大小均一、生命力強的水稻種子，用5% NaClO進行消毒處理10 min，期間不斷攪拌，接著用去離子水浸泡并沖洗5～7次。消毒后的水稻種子用去離子水浸泡一晝夜，然后擦凈，點種于預先加入15 mL處理液并鋪有兩層濾紙的培養皿中，每皿30粒，每個處理3次重復。點種結束后置于培養箱中(25℃恒溫黑暗環境)進行萌發處理，第二天開始統計萌發數(幼芽長度超過粒長1/2即標為萌發)，并計算發芽率。

水培試驗：水稻種子的消毒、沖洗同萌發試驗，將擦凈的水稻種子均勻點在濕潤的石英砂上，保鮮膜封口并打孔，置于培養箱內進行萌發(25℃恒溫的黑暗環境)，定時補充水分[16]。培養13天，水稻幼苗長至兩葉一心時轉移到水培裝置中進行水培處理(除K+外，其他元素正常供應)，培養液中小分子有機酸鉀的濃度按相應的處理進行配制，每個處理4次重復，置于培養室內進行培養(12 h光照/12 h黑暗、25℃恒溫)，每3天更換一次營養液，期間觀察水稻幼苗生長情況并及時做好記錄，水培水稻幼苗長到四葉一心時，進行相關生長和生理指標的測定。

1.3 測定項目與方法

發芽率：芽長超過種子長度的1/2記為有效發芽，發芽率=發芽數/30×100%。

待水培水稻幼苗長到四葉一心時，進行相關生長和生理指標的測定。

生長指標：將水稻幼苗洗凈擦干，置于干凈桌面，并將其鋪平，用直尺分別測量根和莖的長度、最大葉片的長度、寬度，用萬分之一天平稱取地上部分和地下部分的重量，將植株放入信封內，在烘箱中烘干，再用萬分之一天平稱取烘干后的地上部分和地下部分的重量，并準確記錄數據。

光合參數：用Li-6400XT便攜式光合儀(北京普析通用儀器有限公司，T6新世紀)對第四葉進行凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導度的測定，并量出葉片寬度。

葉綠素含量：根據郝再彬等[17]的方法進行葉綠素含量的測定。

根系掃描：用根系掃描儀(美國，愛普生，V850Pro)進行根系掃描并進行數據分析。

根系活力：根據郝再彬等[17]的方法進行水稻幼苗根系活力的測定。

四氮唑還原強度[μg/(g·h)]=四氮唑還原量(μg)/[根重(g)×時間(h)]

烘干樣的制備：將鮮水稻幼苗樣品放入信封中，放入105℃的烘箱中殺青1 h，然后在75℃下烘干，取出水稻幼苗干樣，用球磨儀研磨，過60目篩。

全鉀含量：用鮑士旦[18]的H2SO4-H2O2法消解，火焰光度計法測定。

1.4 數據處理和分析

試驗數據基礎分析和作圖采用Excel 2010，處理間多重比較采用SAS 8.2。

2 結果與分析

2.1 不同小分子有機酸鉀對水稻種子萌發的影響

圖1顯示，OSA、OSB和OSC小分子有機酸鉀均促進了水稻種子的早期發芽(培養48 h)，與CK相比，IOS、OSA、OSB和OSC處理均提高了水稻種子的發芽率，由此說明K+可以促進水稻種子萌發；當K+濃度為0.25 mmol/L時，OSA-1和OSB-1促進了水稻種子發芽率的提高，且與IOS-1相比均有顯著性差異(P＜0.05)，分別較IOS-1提高了35.6%和37.8%；當K+濃度為0.50 mmol/L時，OSA-2和OSB-2促進了水稻種子發芽率的提高，且與IOS-2相比均有顯著性差異(P＜0.05)，分別較IOS-2提高了34.0%和27.7%。培養120 h時，所有處理的水稻種子最終均可接近完全萌發，由此說明試驗中所用到的小分子有機酸鉀對水稻種子萌發是安全的。綜上所述，與IOS處理相比，OSA和OSB處理均促進水稻種子的早期萌發且對種子是安全的。

2.2 不同小分子有機酸鉀對水稻幼苗生長的影響

圖1 不同小分子有機酸鉀處理水稻種子萌發率Fig.1 Germination rate of rice seed treated with different small molecule organic sylvites

與CK相比，OSA、OSB和OSC處理均促進了水稻幼苗的生長。與IOS相比，小分子有機酸鉀的促生效果受其濃度的影響(圖2、表1)。當K+濃度為0.25 mmol/L時，OSA-1和OSB-1處理的水稻幼苗葉寬、地上部鮮重、地上部干重、根長、地下部鮮重和地下部干重顯著高于IOS-1(P＜0.05)，OSA-1的增幅依次為34.2%、92.3%、87.6%、28.5%、100%和97.2%，OSB-1的增幅依次為31.6%、84.6%、79.0%、43.2%、150%和137%。當K+濃度為0.50 mmol/L時，OSA-2具有明顯的促生效果，其葉寬、地上部鮮重、地上部干重、根長和地下部干重均顯著高于IOS-2，增幅依次為29.3%、48.4%、62.3%、17.6%和58.1%(P＜0.05)，但水稻幼苗根冠比、株高和葉長在IOS、OSA、OSB和OSC處理之間多數差異不顯著。促進水稻幼苗生長的最佳處理是OSA，最佳濃度是0.25 mmol/L。

2.3 不同小分子有機酸鉀處理對水稻幼苗根系生長的影響

圖2 不同小分子有機酸鉀處理的水稻幼苗和根系Fig.2 Seedlings and roots of rice treated with different small molecule organic sylvites

表1 不同小分子有機酸鉀處理的水稻幼苗生長指標Table 1 Growth indexes of rice seedling treated with different small molecule organic sylvites

圖3 不同小分子有機酸鉀處理的水稻幼苗根系掃描圖Fig.3 Scanning images of rice seedling roots treated with different small molecule organic sylvites

小分子有機酸鉀處理促進了水稻幼苗根系發育(圖3)，其總根體積和總根表面積均明顯高于CK，且差異達顯著水平(P＜0.05)。與IOS相比，OSA、OSB促進了水稻幼苗根系發育(表2)，當K+濃度為0.25 mmol/L時，OSA-1和OSB-1的水稻幼苗根系總根長、總根表面積和總根體積均顯著高于IOS-1(P＜0.05)，其中OSA-1的增幅依次為96.0%、96.0%和83.3%；OSB-1的增幅依次為132%、144%和150%。當K+濃度為0.50 mmol/L時，OSA-2處理的水稻幼苗根系總根長、總根表面積和總根體積均顯著高于IOS-2(P＜0.05)，增幅依次為91.5%、65.4%和57.1%。與IOS處理相比，3種小分子有機酸鉀處理的水稻幼苗平均根直徑差異不顯著。綜上所述，OSA和OSB均促進了水稻幼苗根系發育且最佳處理是OSB，最佳濃度是0.25 mmol/L。

2.4 不同小分子有機酸鉀處理對水稻幼苗根系活力的影響

小分子有機酸鉀促進了水稻幼苗根系活力的提高(圖4)。除OSC-1外，所有的小分子有機酸鉀處理與CK相比均有顯著性差異(P＜0.05)。與IOS相比，小分子有機酸鉀對水稻幼苗根系活力的作用受其濃度的影響，當K+濃度為0.25 mmol/L時，與IOS-1相比，OSA-1的水稻幼苗根系活力顯著提高了34.7%(P＜0.05)；當K+濃度為0.50 mmol/L時，與IOS-2相比，OSA-2的水稻幼苗根系活力顯著提高了24.5%(P＜0.05)。IOS、OSA、OSB和OSC的不同濃度處理之間相比，K+濃度為0.50 mmol/L時的水稻幼苗的根系活力要高于K+濃度為0.25 mmol/L時，由此說明水稻根系活力受K+濃度的影響且促進水稻幼苗根系活力提高的最佳處理是OSA，最佳濃度是0.50 mmol/L。

2.5 不同小分子有機酸鉀對水稻幼苗光合效率的影響

OSC處理提高了水稻幼苗葉片中光合色素的含量(表3)。當K+濃度為0.25 mmol/L時，OSC-1促進了水稻幼苗葉綠素a、葉綠素b和葉綠素(a+b)含量的提高，且與IOS-1相比均有顯著性差異(P＜0.05)，其增幅依次為14.6%、25.7%和17.1%；當K+濃度為0.50 mmol/L時，OSC-2促進了水稻幼苗葉綠素a和葉綠素(a+b)含量的提高，且與IOS-2相比均有顯著性差異(P＜0.05)，其增幅依次為9.67%和8.58%。促進水稻幼苗光合色素含量提高的最佳處理是OSC，最佳濃度是0.25 mmol/L。

表2 不同小分子有機酸鉀處理的水稻幼苗根系形態Table 2 Root morphology of rice seedling treated with different small molecule organic sylvites

圖4 不同小分子有機酸鉀處理的水稻幼苗根系活力Fig.4 Root activity of rice seedling treated with different small molecule organic sylvites

與CK相比，OSA、OSB和OSC均提高了水稻幼苗葉片的光合速率(圖5)。當K+濃度為0.25 mmol/L時，OSA-1和OSB-1處理的水稻幼苗葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度均高于IOS-1且差異顯著(P＜0.05)，OSA-1的增幅依次為54.1%、85.4%和68.8%，OSB-1的增幅依次為113%、91.2%和81.8%，OSC-1的凈光合速率較IOS-1提高了91.7%；當K+濃度為0.50 mmol/L時，OSA-2和OSB-2處理的水稻幼苗葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度均高于IOS-2且差異顯著(P＜0.05)，OSA-2的增幅依次為87.3%、95.0%和103%，OSB-2的增幅依次為96.4%、55.2%和62.2%，OSC-2的凈光合速率提高了102%，且差異達到顯著水平(P＜0.05)。小分子有機酸鉀處理水稻幼苗葉片的胞間CO2濃度與CK和IOS處理相比無顯著性差異。綜上所述，提高水稻幼苗光合能力的最佳處理是OSA，最佳濃度是0.50 mmol/L。

2.6 不同小分子有機酸鉀處理對水稻幼苗全鉀含量的影響

與IOS處理相比，OSA和OSB處理均促進了水稻幼苗對鉀元素的吸收，而OSC抑制了水稻幼苗對鉀元素的吸收(圖6)。當K+濃度為0.25 mmol/L時，OSA-1和OSB-1與IOS-1之間的差異不顯著，當K+濃度為0.50 mmol/L時，OSA-2和OSB-2促進了水稻幼苗對鉀元素的吸收，且與IOS-2之間的差異達到顯著水平(P＜0.05)，二者分別較IOS-2提高了19.6%和28.3%。促進水稻幼苗全鉀含量提高的最佳處理是OSB，最佳濃度是0.50 mmol/L。

表3 不同小分子有機酸鉀處理的水稻幼苗葉片色素含量(mg/g)Table 3 Pigment content in rice seedling leaves treated with different small molecule organic sylvites

圖5 不同小分子有機酸鉀處理水稻幼苗葉片光合參數Fig.5 Photosynthetic parameters of rice seedling leaves under different small molecule organic sylvite treatments

圖6 不同小分子有機酸鉀處理水稻幼苗植株全鉀含量Fig.6 Total potassium content in rice seedling plants treated with small molecule organic sylvites

3 討論

小分子有機酸鉀促進植物生長、提高作物產量和品質，現已廣泛應用于農業生產[11-15]，但現有研究主要集中于煙草等經濟作物，而在水稻上的應用較少。與此同時，市面上的有機酸鉀存在分子量大、純度低等問題。因此，本研究在傳統研究的基礎上，將分子量介于50～150 Da之間的甲酸鉀、乙酸鉀和丙酸鉀加入到水溶性肥料中，探究其對水稻種子萌發以及幼苗生長、光合及營養元素吸收的影響。小分子有機酸鉀不僅可以替代部分化學肥料，其中所含碳骨架還可以合成蛋白質、脂類和核酸等植物生長所必需的物質[19]，并且價格低廉，無毒無害，對于新型肥料的研究和生產具有十分重要的指導作用。

3.1 小分子有機酸鉀促進水稻種子萌發

張金燦等研究表明，施鉀可促進植物種子萌發[20]，這與本研究的結果一致。即在水稻種子萌發試驗中，經過48 h處理，含有K+的處理發芽率高于不含鉀鹽處理，這說明K+可以促進水稻種子萌發；小分子有機酸鉀處理水稻種子的發芽率都達到了60%以上，其中甲酸鉀和乙酸鉀處理的水稻種子發芽率顯著高于相同濃度的硫酸鉀處理，處理120 h時各處理發芽率無顯著差異，這說明小分子有機酸鉀可以促進水稻種子提前萌發，這對于在特殊氣候條件下水稻定植，提高水稻秧苗抗性，抵御不利環境影響和促進水稻增產等具有十分重要的現實意義。

3.2 小分子有機酸鉀促進水稻幼苗生長

鉀是植物三大營養元素之一，可以促進植物光合作用，提高植物對氮素的利用，促進蛋白質的合成，加速同化物的流動，增強植物的抗逆性，使植物經濟用水和提高產量等[21]，相關研究發現，有機酸鉀處理會提高植物株高、葉面積，促進干物質量的積累[11-15]。植株的生長指標可以最為直觀地反映出其生長情況，在水稻幼苗水培試驗中，相比于硫酸鉀處理，小分子有機酸鉀處理可明顯地促進水稻幼苗葉寬、地上部鮮重、地上部干重、根長、地下部鮮重和地下部干重的增加，這可能是因為小分子有機酸鉀被水稻幼苗吸收之后，可以提供其光合作用所必需的碳源，從而促進了水稻葉片干物質的積累[12]。根系是植物進行營養吸收的場所，分析不同小分子有機酸鉀處理對水稻幼苗根系生長的影響發現，單純施用硫酸鉀并不能有效促進水稻幼苗根系的發育，而3種小分子有機酸鉀處理均不同程度地促進了水稻幼苗根系的發育，而更發達的根系可以促進作物對養分的吸收從而進一步促進水稻增產。WinRHIZO軟件分析也表明，小分子有機酸鉀處理可以明顯地促進水稻幼苗總根長、總根面積、總根體積的增加，發達的根系可以吸收更多的營養元素，進而促進水稻生長和提高產量。根系活力反映根系代謝狀況，是一項反映根系吸收水分和營養元素能力的十分重要的指標，根系活力越強，代表根系的吸收能力越強，供給地上部分的水分和養分也就越多[22]。根系活力的測定結果表明，K+濃度對根系活力的影響較大，這與郭澤等[23]的研究結果相似。

3.3 小分子有機酸鉀促進水稻幼苗光合效率提高

光合作用是植物生產力的一個基本組成部分，是影響植物產量的重要因素[24-25]，有機碳肥的使用會促進植物葉片中葉綠素的含量增加[26]，這在本研究的結果中也有所體現，相較于硫酸鉀處理，OSC明顯促進了水稻幼苗葉片中葉綠素含量的增加，但比較意外的是葉綠素的含量并不與光合參數呈正相關，這可能是因為光合作用是一個十分復雜的過程，葉綠素含量并不是唯一的決定因素。凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率是十分重要的光合指標，在本研究中這4個指標與葉綠素含量相結合反映出了水稻幼苗的光合狀況，測定結果表明，相較于硫酸鉀處理，小分子有機酸鉀能明顯地促進水稻幼苗凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率的提高，這與韓錦峰等[14]的研究結果相同。因為光合參數代表的是單位面積內的光合狀況，在測定時我們測量了供試葉片的寬度，計算時將默認的2 cm換成相應葉片的實際寬度，這樣就消除了因水稻幼苗葉片寬度不同而帶來的誤差，因此光合參數的測定結果結合葉片寬度的測定結果可知，小分子有機酸鉀處理會進一步促進水稻幼苗光合作用和生長，光合作用的增加會促進產量的增加[25,27]。但其如何參與光合過程，促進水稻幼苗于物質的積累尚不清楚，未來我們將對小分子有機酸鉀如何進入植物參與光合作用以及調控光合作用的機制進行系統的研究。

4 結論

小分子有機酸鉀能夠促進水稻種子提早萌發，促進水稻幼苗的生長、光合能力的提高以及鉀的吸收。甲酸鉀、乙酸鉀、丙酸鉀等小分子有機酸鉀對水稻幼苗的促生機制明顯不同，甲酸鉀促進水稻幼苗地上部分的生長和光合效率的提高；乙酸鉀促進水稻根系的生長和對鉀的吸收；丙酸鉀提高了水稻葉片光合色素的含量。這3種小分子有機酸鉀促進水稻幼苗生長的適宜濃度均是0.25 mmol/L。