硅對西瓜幼苗光合色素、光合參數及礦質元素吸收的影響

蔣英 姜曉君

摘? ? 要：為探究西瓜生產中的最佳硅肥用量及耐受范圍，采用營養液沙培的方式，研究0，0.3，0.9，1.8和3.2 mmol·L-1 5個硅水平對西瓜幼苗光合色素、光合參數及礦質元素吸收的影響。結果表明，0～1.8 mmol·L-1的硅能促進西瓜幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、類胡蘿卜素含量的增加;硅濃度3.2 mmol·L-1時，上述指標均降低。凈光合速率、氣孔導度和胞間CO2濃度隨硅濃度的增加呈現先升高再降低的單峰變化規律，而蒸騰速率則呈現逐漸降低的變化趨勢。0.3 mmol·L-1的硅濃度促進葉片對Ca、Mg的吸收;硅抑制西瓜葉片對Fe、Mn的吸收。總之，硅濃度0.3～1.8 mmol·L-1的范圍內，有利于促進西瓜葉片光合色素含量的增加及光合性能的提高，0.3 mmol·L-1的硅濃度有利于根系對Ca、Mg的吸收，且對Fe、Mn吸收的抑制程度不顯著。

關鍵詞：西瓜;硅;光合色素;光合參數;礦質元素

中圖分類號：S651? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.09.004

Abstract： In order to explore the optimum silicon fertilizer dosage and tolerance range in watermelon production， the effects of 0， 0.3， 0.9， 1.8 and 3.2 mmol·L-1silicon levels on photosynthetic pigments， photosynthetic parameters and mineral element uptake in watermelon seedlings were studied by sand culture in nutrient solution. The results showed that 0～1.8 mmol·L-1 silicon could promote the increase of chlorophyll a， chlorophyll b， chlorophyll a+b and carotenoid contents in watermelon seedlings， and the above indexes were all decreased when the silicon concentration was 3.2 mmol·L-1. Net photosynthetic rate， stomatal conductance and intercellular CO2 concentration increased first and then decreased with the increase of silicon concentration， while transpiration rate decreased gradually. Silicon concentration of 0.3 mmol·L-1 promoted the absorption of Ca and Mg in leaves， while silicon inhibited the absorption of Fe and Mn in watermelon leaves. In a word， 0.3～1.8 mmol·L-1 could promote the increase of photosynthetic pigments content and photosynthetic performance of watermelon leaves. 0.3 mmol·L-1 silicon concentration was beneficial to the absorption of Ca and Mg by roots， and the inhibition of Fe and Mn absorption was not significant.

Key words： watermelon; silicon; photosynthetic pigments; photosynthetic parameters; mineral elements

硅是地球上絕大部分植物生活的基礎元素，但硅在不同種類植物間的分布存在較大差異，如禾本科植物硅含量是雙子葉植物的十幾倍，在同一植物體不同部位的分布也不均勻，如硅在冬瓜不同部位的分布從高到低依次為老葉、成熟葉、主莖、果皮、根。硅作為植物生長的有益元素，能增加植物對干旱、重金屬毒害等逆境的抵御能力和抗病蟲害能力，提高作物產量，改善作物品質，有利于植株的形態建成和生長發育等[1]。研究表明，硅對植物的礦質元素吸收存在影響，如大蔥對氮磷鉀礦質元素的吸收隨硅水平的增加而上升[2]，增施硅肥在提高小麥葉片氮磷元素含量的同時降低了鉀素含量[3]。葉綠素含量和光合特性亦受硅的調控，如水稻施硅后葉綠素含量增加，凈光合速率提高[4]。有關硅元素的研究多集中在單子葉植物上，而在雙子葉植物方面的研究較少，只在近年來才逐漸增多，如0.5～1.0 mmol·L-1的硅對黃瓜植株光合和熒光特性影響顯著[5]，硅能縮短茄果實成熟期等[6]。但關于硅在雙子葉植物西瓜上的研究仍不多見，為此，筆者通過沙培試驗，研究硅對西瓜光合色素含量、光合參數及礦質元素吸收特性的影響，旨在為西瓜生產中合理增施硅肥及營養液硅濃度提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及試驗地點

供試西瓜品種為當前市場上較受歡迎的代表品種‘8424。試驗于2019年4月10日在河南省商丘市農林科學院雙八試驗站進行。

1.2 試驗設計

取長勢基本一致的3葉1心西瓜幼苗，定植于長70 cm、寬40 cm、高30 cm的泡沫箱中，每箱定植4株，泡沫箱內裝滿洗凈消毒的河沙，上覆一層蛭石以減少水分蒸騰，共種植30盆。栽植后澆灌Hoagland營養液，營養液每3 d更換1次。培養6 d后，開始澆灌含九水偏硅酸鈉（Na2SiO3·9H2O）的Hoagland營養液，使硅濃度分別為0，0.3，0.9，1.8和3.2 mmol·L-1，每處理設3次重復，每2盆作1次重復，14 d后，測定西瓜幼苗葉片光合色素含量、光合參數及礦質元素吸收積累量。

1.3 測定項目及方法

參照張志良等[7]的方法測定光合色素含量。采用CIRAS-2便攜式光合儀測定西瓜幼苗葉片光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2濃度。采用火焰原子吸收法測定[4]Ca、Mg、Fe、Mn含量。

1.4 數據分析

用Microsoft Excel 2003進行數據處理和作圖，DPS7.02軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 硅對西瓜幼苗葉片光合色素含量的影響

由表1可知，適宜濃度的硅（0.3～1.8 mmol·L-1）對西瓜幼苗光合色素含量的提高有促進作用，在這一范圍內葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、類胡蘿卜素隨著硅濃度的增加而增加，在硅濃度1.8 mmol·L-1時上述指標值最大，分別較對照分別增加22.58%，25.81%，23.50%和30.30%，與對照差異均極顯著（P<0.01）;但在硅濃度0.3 mmol·L-1時，光合色素含量雖然高于對照，但與對照差異均不顯著，說明低濃度的硅對葉片光合色素含量增加的促進作用不明顯。當硅濃度達到3.2 mmol·L-1時，上述指標均降低，說明硅對西瓜葉片光合色素含量增加的促進作用存在一定的閾值。

2.2 硅對西瓜光合特性的影響

由表2可知，隨著硅濃度的增加，凈光合速率呈現先升高再降低的單峰變化規律，最大值出現在1.8 mmol·L-1時，較對照提高19.45%，與對照差異極顯著（P<0.01）;當硅濃度3.2 mmol·L-1時，凈光合速率開始降低，仍高于對照，但與對照差異不顯著。氣孔導度和胞間CO2濃度變化規律與凈光合速率一致。蒸騰速率隨硅濃度的增加呈現出逐漸降低的變化趨勢，3.2 mmol·L-1時值最低，較對照降低19.70%，二者差異極顯著（P<0.01）。

2.3 硅對西瓜葉片Mg、Ca、Fe、Mn元素含量的影響

由圖1可知，在硅濃度0.3 mmol·L-1時，葉片Mg、Ca含量高于對照，說明低濃度的硅能促進西瓜根系對Mg、Ca元素的吸收積累;當硅濃度≥0.9 mmol·L-1時，Mg、Ca含量隨硅濃度的增加而降低，且均低于對照，與對照差異極顯著（P<0.01）。在0～3.2 mmol·L-1范圍內，Fe、Mn含量隨硅濃度的增加呈下降趨勢，除0.3 mmol·L-1時Fe含量與對照差異不顯著外，其他處理的Fe及各處理下的Mn含量與對照差異均達到顯著以上差異水平（P<0.05）。

3 結論與討論

光合色素是光合作用中參與吸收、傳遞光能或引起原初光化學反應的重要色素。本試驗結果表明，在0.3～1.80 mmol·L-1范圍內，西瓜幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量呈增加趨勢，這是因為硅能促進植株對大量元素N、P及中量元素Mg的吸收，而這些元素是葉綠體形成的重要組成部分，甚至直接參與葉綠素的合成 [9]，另外硅對植物葉片細胞中葉綠體的增大和基粒的增多也有促進作用[10]，而當硅濃度超出一定閾值達到3.2 mmol·L-1時，西瓜葉片光合色素含量降低，這是因為硅濃度過高時，形成了鹽害環境，導致細胞受損，葉綠素合成受阻[11]。

本試驗結果表明，在0～1.8 mmol·L-1范圍內，西瓜葉片凈光合速率與外源硅濃度正相關，試驗結果與羅麗娟等[12]和肇思迪等[13]的研究結論一致，這可能是因為一方面硅能提高葉綠體中偶聯因子Ca2+-ATPase和Mg2+-ATPase的活性，加快葉綠體的光合磷酸化反應進程[14]，另一方面植物吸收硅肥后，在植物體內形成硅化細胞，而硅化細胞透光性較綠色細胞高10倍，有利于下層葉片對光的吸收[15]。蒸騰速率隨硅濃度的增加呈降低趨勢，這可能是因為硅可使表皮細胞形成“角質-雙硅層”，減少水分消耗;另外，硅能降低細胞膜相對透性，抑制水分蒸騰[16]，從而降低葉片蒸騰速率。

硅元素能夠影響植物對部分營養元素的吸收和轉運。本試驗結果表明，低濃度的硅0.3 mmol·L-1能促進西瓜葉片對Mg、Ca的吸收，而硅濃度達到0.9 mmol·L-1以上時抑制葉片對Mg、Ca的吸收積累，這可能是因為硅酸可與鈣結合生成不易水解的硅鈣化合物，從而抑制植物對Ca的吸收[17]，而硅對Mg的作用與Ca類似。硅能抑制西瓜葉片對Fe、Mn元素的吸收，且抑制程度隨硅濃度的增加而增加，其中硅抑制西瓜葉片對Fe、Mn的吸收機制應該是硅提高了根系的氧化能力，有一部分Fe、Mn在植株根系表面被氧化形成沉淀，減少了根系對這兩種元素的吸收[18]。

Ca參與光合放養過程，對氣孔開關有調節作用，Mg和Mn是葉綠素合成的組成成分，Fe影響光合單位的大小，Mn參與光合電子傳遞。本試驗條件下，硅濃度為0.3 mmol·L-1時，有利于葉片Ca、Mg含量的增加，0.9～1.8 mmol·L-1時葉片中Ca、Mg含量與光合速率呈負相關關系，這可能是因為在此濃度范圍內，葉片Ca、Mg含量仍在正常光合需求范圍內，使光合速率表現出繼續上升的趨勢;而當硅濃度達到3.2 mmol·L-1時，Ca、Mg含量與光合速率再次呈正相關關系，這可能是因為此時的Ca、Mg含量已成光合速率上升的限制因子之一。Fe、Mn含量在硅濃度0.3～1.8 mmol·L-1時降低，而光合速率上升，原因應該與Ca、Mg類似，此范圍的Fe、Mn含量也在光合正常進行所需范圍內。

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