輻照后生物質(zhì)寡糖對植物生長的影響

宋逸菲 余利軍 杜紀(jì)富 趙 龍

（嘉魚千里材料科技有限公司，湖北 嘉魚 437224）

0 引言

農(nóng)作物的增產(chǎn)離不開肥料，但傳統(tǒng)化學(xué)肥料存在養(yǎng)分流失快、利用率低、容易造成環(huán)境污染等缺點，因此，應(yīng)用環(huán)境友好且同樣具有促進(jìn)植物生長作用的新型肥料已成為促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效手段，尤其是新型肥料中的生物質(zhì)肥料，如海藻酸鈉、殼聚糖及卡拉膠等。生物質(zhì)肥料來源于天然物質(zhì)的提取物或合成物，成本低，對環(huán)境、作物和人體無害，增產(chǎn)作用明顯，現(xiàn)已成為肥料應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點［1-2］。

海藻酸鈉、殼聚糖和卡拉膠等生物質(zhì)具有很好的生物相容性、成膜性等特點，并對葉菜類蔬菜生長具有促進(jìn)作用［3］。但大分子的生物質(zhì)肥料存在黏度大、水溶性差、難以被吸收等缺點，促進(jìn)植物生長效果不佳。因此，近年來許多研究者對大分子生物質(zhì)降解后得到的生物質(zhì)寡糖對植物育種與生長的作用進(jìn)行了探索。張運紅等［2］通過噴施海藻酸鈉寡糖，緩解小麥幼苗在干旱或鎘脅迫下的生長抑制作用，并通過試驗發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉寡糖灌根處理可提高葉片葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度等，最高可使小麥產(chǎn)量增加23.3%。黃文佳等［4］對水稻噴施25 mg/L的海藻酸鈉寡糖后，水稻增產(chǎn)177.78 kg/hm2，產(chǎn)量增幅1.88%。眾多學(xué)者的研究表明，海藻酸鈉寡糖能夠促進(jìn)植物根系生長和增強植株抗逆性，從而提高植株根系吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力和葉片葉綠素的含量，利于后期作物生長與營養(yǎng)物質(zhì)積累，增加作物產(chǎn)量與營養(yǎng)價值［2，4-9］。卡拉膠是由含硫多糖組成的紅藻天然親水膠，具有大量羥基，是一種具有良好凝膠穩(wěn)定性、稠度等特點的生物基材料。經(jīng)過射線輻照后，卡拉膠寡糖的生物活性大大增強，具有促進(jìn)植物生長、增加作物產(chǎn)量和提高植株抗逆性的作用［10-14］。Abad 等［13-14］用輻射后的卡拉膠對花生進(jìn)行浸種和葉面噴施，改善了不同花生品種的農(nóng)藝性狀，顯著提高了花生產(chǎn)量；利用卡拉膠多糖噴灑水稻植株，水稻抗倒伏能力增強，水稻根系更發(fā)達(dá)，利于營養(yǎng)物質(zhì)積累，水稻產(chǎn)量提高20%左右。

由于特性優(yōu)良，生物質(zhì)寡糖類植物生長添加劑在未來的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中有很好的應(yīng)用前景。但國內(nèi)與此相關(guān)的研究較少，因此需要進(jìn)一步開展生物質(zhì)寡糖對植物生長影響的相關(guān)試驗。筆者選用了具有代表性的芽菜與葉菜作為研究對象，探索生物質(zhì)寡糖對其生長的影響作用。黃豆芽與花生芽種植方式簡單、生長周期短、所需原料與設(shè)備成本低，因此試驗中芽菜類植物選用黃豆芽、花生芽。生菜生長周期較短，所需養(yǎng)料少，對種植環(huán)境與溫度要求不高，因此試驗中葉菜類植物選用生菜。筆者采用溶液培養(yǎng)的方式，對葉菜類或芽菜類蔬菜前期進(jìn)行清水或添加劑浸種［15］，后期生長中噴施含有添加劑的溶液，通過比較采收后植物的根長、莖長與質(zhì)量等指標(biāo)，探究海藻酸鈉和卡拉膠寡糖對植物生長的促進(jìn)作用。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與試驗場地

試驗材料有綠雅生菜種子（購自上海惠和種業(yè)有限公司），黃豆種子（購自嘉魚縣種子公司），花生種子（購自嘉魚縣種子公司），質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %的輻照后海藻酸鈉溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的輻照后卡拉膠溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氨基酸溶液。其中，輻照服務(wù)由華中科技大學(xué)加速器應(yīng)用與輻射化學(xué)課題組提供。

生菜試驗場地為玻璃溫室大棚，棚內(nèi)溫度恒定為30 ℃；芽菜試驗場地為暗房，溫度恒定為20 ℃。以上試驗場地均由湖北省咸寧市嘉魚縣田野集團(tuán)田野開心農(nóng)場提供。田野開心農(nóng)場是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園的科技示范區(qū)，具有智能化聯(lián)棟玻璃溫室，并擁有果樹根域限制栽培、NFT管道栽培、懸吊種植槽系統(tǒng)等主流設(shè)施農(nóng)業(yè)種植技術(shù)與設(shè)備，為試驗順利進(jìn)行提供了保障。

1.2 試驗設(shè)計

試驗組所用的添加劑種類、編號及質(zhì)量濃度如表1所示。試驗空白組為清水浸種、清水噴灑。

表1 添加劑種類、編號及質(zhì)量濃度

1.2.1 黃豆芽試驗。試驗分為兩部分，第一部分探究清水浸種條件下，添加劑對黃豆芽生長的影響；第二部分探究不同質(zhì)量濃度添加劑浸種對黃豆芽生長的影響。

①設(shè)置13組清水浸種處理，每組稱取20 g飽滿、無蟲蛀的黃豆種子，清水浸種6 h，撈出黃豆種子，靜置12 h出芽；在后期生長階段，分別使用表1所示的不同種類及不同質(zhì)量濃度的添加劑與清水進(jìn)行噴灑，每天間隔4 h噴灑相應(yīng)溶液20 mL，連續(xù)噴灑5～7 d；黃豆芽達(dá)采收標(biāo)準(zhǔn)后，記錄各組整體質(zhì)量，并隨機(jī)抽取3株測量其莖長和根長。

②設(shè)置13組添加劑浸種處理，每組稱取20 g飽滿、無蟲蛀的黃豆種子，分別使用表1所示的不同種類及不同質(zhì)量濃度的添加劑與清水浸種6 h，撈出黃豆種子，靜置12 h出芽；在后期生長階段，繼續(xù)使用同種類、同質(zhì)量濃度添加劑進(jìn)行噴灑，噴灑方式及后續(xù)處理同上。

1.2.2 生菜試驗。生菜種子較小且生長周期比芽菜長，浸種方式對其后期生長影響較小，因此浸種方式只設(shè)置清水浸種。生菜的種植分為浸種和生長兩個階段。

①浸種階段。設(shè)置13組清水浸種處理，每組取80粒生菜種子播種到濕潤的海綿內(nèi)，靜置出芽；出芽后，分別使用表1所示的不同種類及不同質(zhì)量濃度的添加劑與清水進(jìn)行噴灑，每天噴灑2次100 mL含相應(yīng)添加劑的溶液或清水，連續(xù)噴灑17～20 d；記錄各組生菜根系與葉片的生長狀況，并將其移栽到管道式水培種菜機(jī)。

②生長階段。移栽后，除了在循環(huán)泵中加入添加劑外，每天噴灑2次100 mL相應(yīng)濃度添加劑溶液或者水；連續(xù)噴灑45 d，生菜成熟后，記錄各組整體質(zhì)量，并隨機(jī)抽取3株記錄生菜生長高度和葉片數(shù)量。

1.2.3 花生芽試驗。設(shè)置5組清水與8組添加劑溶液（100 mg/L的1號、2號、3號、4號各2組）浸種。每組稱取100 g飽滿、無蟲蛀的花生種子，浸泡12 h后撈出花生種子，用濕毛巾包裹催芽36 h，靜置12 h后出芽。后期生長階段，清水浸種組分別使用清水與4種不同添加劑溶液（100 mg/L的1號、2號、3號、4號）進(jìn)行噴灑，探究添加劑類型對花生芽生長的影響。選用4種不同添加劑浸種的試驗組4組使用清水噴灑，另外4組使用與浸種相同的添加劑噴灑。每天間隔4 h噴灑相應(yīng)的溶液20 mL，連續(xù)噴灑5～7 d。花生芽達(dá)采收標(biāo)準(zhǔn)后，記錄各組整體質(zhì)量，并隨機(jī)抽取3株測量花生芽的莖長和根長。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 黃豆芽試驗

由圖1（a）和圖2可知，與空白組相比，噴施不同質(zhì)量濃度的海藻酸鈉寡糖和卡拉膠寡糖均可明顯促進(jìn)黃豆芽生長，其莖長、根長和質(zhì)量均較空白組明顯增加。對于同種添加劑處理，黃豆芽的相關(guān)生長數(shù)據(jù)不單純隨著添加劑質(zhì)量濃度的增加而增加或減少。結(jié)合性價比綜合考慮，100 mg/L是促進(jìn)黃豆芽生長的最適質(zhì)量濃度。

圖1 1號和3號對比空白組黃豆芽生長狀況

圖2 不同處理組黃豆芽生長情況

由圖1（b）和圖3可知，無論采用哪種方式浸種，噴施添加劑均可促進(jìn)黃豆芽生長。100 mg/L添加劑浸種+噴灑后黃豆芽的莖長、根長和質(zhì)量平均分別增加66.2%、19.7%和21.3%，清水浸種+100 mg/L添加劑噴灑后黃豆芽的莖長、根長和質(zhì)量分別平均增加64.9%、29.2%和21.3%。結(jié)果表明，清水浸種的黃豆芽后期生長效果更好。與同時添加了促進(jìn)植物生長的氨基酸溶液試驗組相比，海藻酸鈉與卡拉膠寡糖添加劑試驗組的促生長效果仍較好。這與張曉軍等［15］的浸種試驗結(jié)論一致。

圖3 100 mg/L質(zhì)量濃度下不同浸種方式對黃豆芽生長的影響

綜合以上分析可知，海藻酸鈉寡糖和卡拉膠寡糖均可促進(jìn)黃豆芽生長，使得黃豆芽的苗長、根長和質(zhì)量顯著增加，且采用清水浸種+添加劑噴灑的種植方法促進(jìn)效果更好。

2.2 生菜試驗

由圖4可知，育苗階段結(jié)束后，噴灑添加劑的生菜根更多且呈現(xiàn)為健康的白色。該試驗結(jié)果與張運紅等［2］的試驗結(jié)果一致，使用海藻酸鈉寡糖灌根處理可促進(jìn)植物根系生長、促進(jìn)小麥對養(yǎng)分的吸收和利用。育苗結(jié)束后，將生菜苗分開培育，培育過程中施加培養(yǎng)液。由圖5可知，噴施添加劑的試驗組葉片更大，葉片數(shù)量更多，根系更發(fā)達(dá)。生菜生長45 d后，比較試驗組生菜的生長狀況，4組試驗組中100 mg/L質(zhì)量濃度下生菜的生長狀況較好，因此將其與作為對比的空白組移栽到管道式水培種菜裝置。

圖4 育苗階段結(jié)束不同處理組生菜生長情況

圖5 移栽后半個生長周期內(nèi)不同處理組生菜生長情況

由圖6和圖7可知，采收階段的生菜植株更高、莖稈更粗壯、葉片面積更大且根系更發(fā)達(dá)。由表2可知，試驗組葉片均多于空白組；各試驗組（1號、2號、3號、4號）植株高度比空白組分別增加了36.8%、號：40.8%、6.7%、32.3%，質(zhì)量比空白組分別提15.3%、68.1%、7.4%、36.4%。根據(jù)張運紅等［5-6］對菜薹的研究，葉菜類植物長出綠葉后，海藻酸鈉寡糖可調(diào)控類囊體膜的結(jié)構(gòu)和功能，從而促進(jìn)光合作用，增加植物營養(yǎng)物質(zhì)的積累。在梁利妮［16］、楊玉嶺等［17］人的研究中，噴灑氨基酸液體肥料后，作物產(chǎn)量與質(zhì)量明顯提高，表明氨基酸溶液也具有促進(jìn)植物生長的作用。在此次試驗中，與同時添加氨基酸溶液的試驗組相比，單純的海藻酸鈉與卡拉膠寡糖添加劑試驗組的促生長效果仍較好。

圖6 采收階段不同處理組生菜生長情況

圖7 采收階段不同處理組生菜根部生長情況

表2 成熟階段生菜的高度、質(zhì)量和葉片數(shù)量

綜合上述分析可知，海藻酸鈉寡糖和卡拉膠寡糖促進(jìn)育苗階段生菜根系生長，促進(jìn)生長階段營養(yǎng)物質(zhì)吸收與積累，最終使植株高度與質(zhì)量得以增加。與當(dāng)前市場中促進(jìn)植物生長的氨基酸溶液相比，寡糖溶液的成本更低，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中更具應(yīng)用前景。

2.3 花生芽試驗

根據(jù)黃豆芽試驗與生菜試驗，可知100 mg/L是結(jié)合性價比考慮的最適質(zhì)量濃度，由此簡化試驗，選用最佳質(zhì)量濃度100 mg/L進(jìn)一步探究輻照后寡糖對花生芽生長的影響。由圖8可知，與空白組相比，100 mg/L添加劑浸種+清水噴灑試驗組的平均質(zhì)量提高5.6%。結(jié)果表明，添加劑浸種+清水噴灑的種植方式更適合花生芽生長。由圖9可知，100 mg/L海藻酸鈉寡糖溶液浸種+清水噴灑處理花生芽促生長效果最好，花生芽的莖長、根長和質(zhì)量分別增加10.8%、5.2%和8.0%。試驗結(jié)果表明，海藻酸鈉寡糖和卡拉膠寡糖均具有促進(jìn)植物生長的作用；不同添加劑對花生芽生長促進(jìn)作用不同，卡拉膠寡糖溶液促進(jìn)效果更好，花生芽莖長與根長增長明顯，產(chǎn)量增加，且在一定程度上縮短植物的生長周期。與當(dāng)前市場中促進(jìn)植物生長的氨基酸溶液花生芽試驗組相比，寡糖溶液具有更低的生產(chǎn)成本，且促生長效果更好，極具應(yīng)用前景。

圖8 不同浸種方式下花生芽的生長狀況

圖9 不同處理組對花生芽生長的影響

3 結(jié)論

與空白組（清水浸種+清水噴灑）相比，采用清水浸種+100 mg/L寡糖溶液處理芽菜類植物黃豆芽后，黃豆芽莖長、根長和質(zhì)量分別增加64.9%、29.2%、23.5%；用100 mg/L海藻酸鈉寡糖溶液浸種+清水噴灑處理花生芽后，花生芽莖長、根長和質(zhì)量可分別增加8.0、5.2%和10.8%；采用100 mg/L卡拉膠寡糖溶液處理葉菜類植物生菜后，生菜的根系更發(fā)達(dá)，為營養(yǎng)物質(zhì)的積累創(chuàng)造更好的條件，采收階段苗長和質(zhì)量可分別增加40.8%和68.1%。海藻酸鈉寡糖和卡拉膠寡糖對于生長周期短且不依賴光合作用的芽菜類植物促生長作用明顯，植株高度和質(zhì)量明顯增加；對于生長周期相對較長且可進(jìn)行光合作用的葉菜類植物，可通過促進(jìn)根系生長，提高其吸收、積累營養(yǎng)物質(zhì)的能力，完成質(zhì)量積累，實現(xiàn)增產(chǎn)。與同時添加了氨基酸溶液的試驗組相比，單純的海藻酸鈉與卡拉膠寡糖添加劑試驗組促生長效果較好。由于氨基酸溶液成本更高且難于保存，因而在實際生產(chǎn)中寡糖溶液更具有應(yīng)用價值。