觀賞類水培植物對鹽離子的吸收動力學

徐諾， 董雪， 任李， 葉明立， 陳梅蘭

(浙江樹人大學 生物與環境工程學院，浙江 杭州 310015)

植物正常生長發育所需要的營養元素有碳(C)、氫(H)、氧(O)、鉀(K)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鈉(Na)等必需元素，它們是植物體內有機結構的組成成分，參與酶促反應、能量代謝及生理調節。水培植物是以水為介質，將花卉直接培養在盛水的容器中，并施以其生長所需的營養元素進行栽培，以供室內綠化裝飾之用的觀賞類植物[1-2]。水培植物從營養液中吸收生長發育所必需的營養元素和某些微量元素，同時，水培植物在生長過程中也能通過吸收水體中Na、Mg、Ca、K等營養物質，有效利用水體資源，改善水體環境，促進水體生態系統恢復[3]。植物營養研究往往是在條件相對一致的環境下進行，且絕大多數被研究植物對離子的吸收基本符合離子吸收動力學方程，在植物營養研究中應用離子動力學技術，具有重要意義和廣闊前景[4]。隨著耕地面積的減少，傳統的土壤種植模式因存在農藥殘留、重金屬污染和病蟲害等問題，逐漸被新型的無土栽培種植形式所替代[5-6]。水培種植節水節肥、安全性高、便于自動化管理，在培育觀賞類植物領域得到廣泛的應用，是一項在全球范圍內日益普遍的現代化種植技術[7-9]。本實驗利用水培種植技術，采用離子色譜分離電導檢測法分析植物培養過程中水體K+、Na+、Ca2+、Mg2+4種鹽離子的含量變化，并對3種觀賞類水培植物鹽離子的吸收率與時間進行擬合，得到動力學方程，建立離子吸收的動態模型，為植物選種提供依據，為水培植物營養液成分的配制提供理論參考[10-11]，為建立快速、有效篩選和高效培育植物品種的早期指標提供動力學基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

選取生長狀況良好且植株大小相近的水仙花、風信子和觀音竹各6株，均購自杭州市某花卉市場；地表水樣取自杭州市拱墅區余杭塘河；實驗用水為超純水。

ICS-2100 離子色譜儀(帶電導檢測器)及Chromeleon工作站；分析柱Ion Pac CS12(4 mm×250 mm)；保護柱Ion Pac CG12(4 mm×50 mm)；超純水機(TKA-Genpure，美國Thermo Fisher Scientific公司)。

1.2 標準溶液的配制

分別稱取一定量的試劑用超純水配制成1 000 mg·L-1的Na+、K+、Mg2+、Ca2+4種陽離子的標準儲備液，在4 ℃保存備用。使用時用超純水分別配制成4種陽離子系列混合標準溶液，分別為Na+：1.0、4.0、8.0、16.0、32.0 mg·L-1；K+：1.0、4.0、8.0、16.0、32.0 mg·L-1；Mg2+：1.0、4.0、8.0、16.0、32.0 mg·L-1；Ca2+：1.0、5.0、10.0、20.0、40.0 mg·L-1。

1.3 色譜條件

色譜分離柱為Ion Pac CS12(4 mm×250 mm)，保護柱為Ion Pac CG12(4 mm×50 mm)；檢測波長為275 nm；柱溫為30 ℃；流動相為25 mmol·L-1甲基磺酸(MSA)溶液；流速為1.0 mL·min-1；進樣量為25 μL。典型色譜圖見圖1。

1—Li+；2—Na+；3—NH4+；4—K+；5—Mg2+；6—Ca2+；7—Sr2+；8—Ba2+。圖1 8種陽離子的色譜

1.4 分析方法

在容積為500 mL的玻璃容器中加入200 mL的地表水樣品，并在水位線處加以標記。將3種植物用去離子水清洗干凈，分別放置在容器中，每種水培植物設置6個重復，令植物的根莖完全沒入水樣中，使其充分地吸收水分。然后放置于自然有光的實驗室中進行培養，每天在同一時間向容器中補充去離子水至刻度線，以彌補蒸發和蒸騰的損失量。然后抽取容器中的溶液，分別通過0.45和0.22 μm濾膜后直接進行色譜分析。

1.5 數據處理

對每種水培植物每天分析得到的6組數據進行狄克遜(Dixon)檢驗，去掉離群數據后計算平均值，同時計算相對標準偏差。

2 結果與分析

2.1 方法學

分別對4種陽離子混合標準液按色譜條件進樣，得出標準擬合、線性方程(表1)，以3倍的基線噪聲比計算出檢出限，以10倍的基線噪聲比計算出定量限。此方法的線性關系良好(R2≥0.999 1)，檢出限為2.24×10-3～5.85×10-3mg·L-1，定量限為8.07×10-3～1.54×10-2mg·L-1，相對標準偏差≤3.90%，方法的加標回收率≥95%。

表1 方法的回歸方程、相關系數及檢出限

2.2 回歸方程顯著性

為了檢驗2個自變量X和Y之間是否有顯著的線性關系，對數據進行線性回歸判斷及分析。離子吸收動力學擬合符合冪函數模型，兩邊取對數化成一元線性方程lnY=lnα+βlnX。

以方差分析為基礎來驗證總體X與Y是否存在真實的線性關系，以回歸平方和(SSR)以及殘差平方和(SSE)為基礎構造用于檢驗的一個統計量F。

2.3 3種水培植物對Na+的吸收動力學特性

Na+是植物的有益元素之一，適量濃度對一些植物的生長發育具有良好的促進作用。植物吸收適量的Na+不僅能提高細胞原生質的親水性，還能改善細胞的水分狀況，從而促進光合作用[12-14]。

圖2看出，水體中的Na+濃度隨時間的增加而降低。前8 d，風信子溶液中Na+的濃度呈大幅度下降，從14.19下降到11.92 mg·L-1；8 d后，風信子對Na+的吸收逐漸趨于平緩，吸收率約為57.44%。觀音竹溶液中Na+的濃度呈現逐漸降低趨勢，從20.08下降到14.48 mg·L-1，吸收率約為42.04%。水仙花溶液中Na+的濃度下降幅度最小，從3.93下降到1.71 mg·L-1，吸收率約為75.99%。從吸收率來看，水仙花對水體中的Na+的吸收利用率最高，其次是風信子和觀音竹。3種水培植物對Na+的吸收利用促進了植物的光合作用，維持了植物的正常生長。

圖2 3種植物水培液中Na+質量濃度隨時間變化關系

表2可以看出，3種水培植物對Na+吸收擬合符合冪函數模型且擬合效果較好，R2值均在0.878 1以上，證明3種水培植物對Na+的吸收率擬合分析具有意義；同時，從R2值可以看出風信子和水仙花具有更好的擬合性，分別為0.952 8和0.950 5。風信子的回歸方程達到極顯著水平，水仙花的回歸方程達到顯著水平，觀音竹的回歸方程無顯著性差異。

表2 Na+吸收擬合方程、相關系數以及顯著性檢驗參數

2.4 3種水培植物對Mg2+的吸收動力學特性

Mg2+在植物光合作用中起重要作用，可促進光合膜的垛疊，調節光系統激發能的分配，提高PSⅡ活性、光合作用的原初光能轉化效率和光合電子傳遞速率，同時促進光合作用的碳代謝等[15-17]。

風信子、水仙花、觀音竹3種植物水培液中Mg2+質量濃度隨時間變化關系如圖3所示。水中的Mg2+濃度隨時間的增加而降低。3種水培植物水體中Mg2+的濃度都大幅度下降。最終對Mg2+的吸收逐漸降低，最后趨于平緩。從吸收率來看，水仙花對水體中的Mg2+的吸收利用率(91.27%)最高，其次是風信子(62.34%)和觀音竹(36.58%)。3種水培植物對Mg2+的吸收利用，為植物的光合作用奠定了物質基礎。

圖3 3種植物水培液中Mg2+質量濃度隨時間變化關系

對3種水培植物吸收Mg2+的擬合方程、相關系數和回歸方程進行統計檢測(表3)。3種水培植物對Mg2+吸收擬合符合冪函數模型且擬合效果較好，R2值均在0.868 5以上，證明3種水培植物對Mg2+的吸收率擬合分析具有意義；同時，從R2值可以看出水仙花和風信子具有更好的擬合性，分別為0.943 6和0.943 5。統計檢驗的數據可知，風信子、水仙花和觀音竹的回歸方程均達到極顯著水平。

表3 Mg2+吸收擬合方程、相關系數以及顯著性檢驗參數

2.5 3種水培植物對Ca2+的吸收動力學特性

Ca2+是生物維持生命狀態的一種必需的營養元素，對細胞壁和細胞內的質膜系統起到重要的調控作用,植物根系生長弱、葉片壞死和卷縮在內的病態都與Ca2+的濃度有關[18-20]。

風信子、水仙花、觀音竹3種植物水培液中Ca2+質量濃度隨時間變化關系如圖4所示。水體中的Ca2+濃度隨時間的增加而降低。風信子水體中的Ca2+濃度隨時間下降幅度最大，從11.19 mg·L-1下降至4.76 mg·L-1。前8 d，觀音竹水體中Ca2+濃度迅速下降，最后逐漸趨于平緩。從吸收率來看，水仙花對水體中的Ca2+的吸收利用率最好，約為75.99%，其次是風信子(57.44%)和觀音竹(42.04%)。

圖4 3種植物水培液中Ca2+質量濃度隨時間變化關系

對3種水培植物吸收Ca2+的擬合方程、相關系數和回歸方程進行統計檢測(表4)。3種水培植物對Ca2+吸收擬合符合冪函數模型且擬合效果較好，R2值均在0.893 4以上，證明了3種水培植物對Ca2+的吸收率擬合分析具有意義；同時，從R2值可以看出風信子具有更好的擬合性，為0.962 9。統計檢驗的數據可知，風信子、水仙花的回歸方程均達到極顯著水平；觀音竹的回歸方程達到顯著水平。

表4 Ca2+吸收擬合方程、相關系數以及顯著性檢驗參數

2.6 3種水培植物對K+的吸收動力學特性

K+是植物生長發育所必需的礦質營養元素之一，K+廣泛分布于植物各組織器官中，是植物體內含量最豐富的一價陽離子。K+不僅有益于植物新陳代謝，且對許多重要生化基質如碳水化合物、蛋白質等合成有更廣泛的意義[21-22]。植物體內K+濃度往往比其他離子高，而且遠遠高于外界環境中的有效鉀濃度[23-24]。

風信子、水仙花、觀音竹3種植物水培液中K+的濃度隨時間變化關系如圖5所示。剛采集的水樣中K+濃度為6.98 mg·L-1，風信子和水仙花水體中的K+濃度隨時間先明顯下降再逐漸增加。第2 d測量水體中的K+含量明顯下降，說明風信子和水仙花對水體中的K+吸收較快。為了保持植物體內K+的平衡，細胞內高濃度的K+就會不斷地釋放出來，同時K+半徑比Na+大得多，比較容易被植物根系蒸發的水分子“夾帶”進入蒸汽中，蒸汽在冷凝后，溶解于水體中[25]，因此風信子和水仙花水體中的K+濃度逐漸增加，但仍保持與植物體內K+相近的濃度。觀音竹水體中的K+濃度隨時間的增加而減少，從1.71 mg·L-1下降至0.48 mg·L-1，最后逐漸趨于平緩。

圖5 3種植物水培液中K+質量濃度隨時間變化關系

觀音竹對K+的吸收擬合符合冪函數模型且擬合效果較好，y=3.016 2x-0.444，R2為0.829 0，F為162.899 4，P-value為1.86×10-10，Fcrit為4.413 873。水仙花和風信子K+濃度在前2 d吸收較快，起始濃度接近于0，擬合的方程有待進一步討論。統計檢驗的數據可知，觀音竹的回歸方程，達到顯著水平。

3 小結

觀賞類水培植物能夠較好的吸收利用地表水中鹽離子，水仙花對Na+、Mg2+、Ca2+吸收利用率最好，其次是風信子，最后是觀音竹。

風信子和水仙花對水體中的K+吸收較快，濃度隨時間先明顯下降再逐漸增加，但仍保持與植物體內K+相近的濃度。因此，風信子、水仙花與觀音竹對K+吸收利用的差異有待進一步探討。

離子吸收動力學擬合符合冪函數模型，能較好地定量描述風信子、水仙花和觀音竹對營養鹽離子的吸收動力學的變化規律，經統計檢測，除了觀音竹吸收Na+的回歸方程無顯著性差異，其余均達到顯著水平。