營養液鐵源及鐵素濃度對白菜型油菜育苗效果的影響

劉 鑫 李揚眉 賈夢晗 仝宇欣

(中國農業科學院 農業環境與可持續發展研究所/農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081)

白菜型油菜(Brassicacampestrisssp. L.)又名不結球白菜、小白菜或油菜，為十字花科蕓薹屬一二年生草本植物。在以往的生產實踐及試驗中發現，白菜型油菜對于低鐵環境較為敏感，葉片易在根際鐵素濃度較低時出現缺鐵癥狀，但是卻耐受高鐵環境[1-2]。當植株鐵素吸收不足時會抑制葉片葉綠素的合成，減緩光合產物積累，同時也會影響呼吸作用以及細胞解毒作用等[3]。適宜的鐵素濃度有利于植株根系生長，促進其水肥吸收[4]，是培育壯苗的基礎。植物工廠化育苗被公認為是目前最先進的育苗方式[5]，探明在植物工廠環境條件下鐵素濃度對油菜育苗效果的影響，可為植物工廠油菜育苗中鐵素合理使用提供理論指導。

硫酸亞鐵、檸檬酸鐵、EDTA螯合鐵以及EDDHA螯合鐵常作為鐵源為植物補充鐵素。硫酸亞鐵以其價格低廉的優勢在我國大田生產中廣泛使用，但其穩定性差，只能保持短暫的有效性[6]。在我國無土栽培鐵源的使用中，出于提升鐵源有效性的考量，鐵源經歷了由最早期的硫酸亞鐵和檸檬酸鐵，到現在使用最為廣泛的EDTA螯合鐵的更迭。歐洲則使用穩定性更好的EDDHA及其類似物的螯合鐵作為鐵源[7]。不同鐵肥除了自身穩定性存在差異外，植物的實際施用效果也因鐵源種類的不同而表現出差異。蘇蔚等[8]比較了硫酸亞鐵、檸檬酸鐵和EDTA-Fe等幾種鐵源的芥藍栽培效果，發現在EDTA-Fe處理下生長的芥藍生長指標及品質指標均最優，且植株全鐵含量顯著高于其他處理。張菊平等[9]的研究表明水培生菜以EDTA-Fe為鐵源效果優于檸檬酸鐵及硫酸亞鐵。EDDHA-Fe則多見于果樹發生缺鐵黃化病后的噴施矯治，其效果一般好于硫酸亞鐵等無機鐵源[10-12]。目前鮮見對于EDTA-Fe與EDDHA-Fe這2種螯合鐵育苗效果比較的研究，合理選用油菜育苗鐵肥有利于提升工廠化育苗效益。

基于此，本研究首先比較EDDHA螯合鐵與EDTA螯合鐵的油菜育苗效果，在優選鐵源的基礎上，設置不同鐵素濃度水平進行油菜育苗，通過調查油菜幼苗根系形態指標、根系活力、莖葉的形態指標以及活性鐵含量等生理及生長指標，探究鐵素濃度對油菜育苗的影響，以期為油菜鐵源選用以及濃度控制提供理論依據，為植物工廠油菜優質壯苗培育提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用中蔬種業‘夏綠216’油菜(Brassicacampestrisssp. L.)為試驗材料，播種于2 cm×2 cm海綿塊。催芽期僅澆灌自來水，待子葉拱出后，移至光下進行不同營養液處理。營養液大量元素采用山崎通用葉菜配方，微量元素使用Arnon通用配方，營養液配制使用的鐵源分別為EDTA-Fe與EDDHA-Fe(上海永通公司)，鐵源基本信息見表1。

表1 鐵肥基本信息Table 1 Basic information of two iron fertilizers

1.2 試驗設計

本試驗在中國農業科學院人工光植物工廠內進行。首先比較2.8 mg/L鐵素濃度下，EDTA-Fe與EDDHA-Fe這2種鐵源的育苗效果，優選油菜育苗鐵源(試驗1)。在上述試驗的基礎上，將優選鐵源設置3個鐵素水平：0、2.8和5.6 mg/L，進行育苗試驗(試驗2)。具體設置見表2，每處理設置4個重復。試驗進行15 d，期間更換1次營養液。試驗期間，植物栽培面光合有效輻射為150 μmol/(m2·s)，光周期為16 h/d，光期與暗期的溫度分別為23 ℃和20 ℃，相對濕度為65%，CO2濃度為600 ppm。

表2 試驗設置Table 2 Treatment

1.3 測定指標

1.3.1生長指標的測定

各處理隨機選取4株油菜幼苗，測量油菜幼苗的株高和莖粗。用吸水紙擦干表面水分，使用電子天平(Si-234，USA)稱量地上部和地下部鮮重。隨后將地上部和地下部放入烘箱，105 ℃殺青1 h，在80 ℃下烘干至恒重，用于干重測定，并計算壯苗指數[13]。公式如下：

葉面積使用臺式葉面積儀(LI-3100C，USA)測量；根系形態指標的測定采用STD4800掃描儀(Regent instruments，Canada)掃描后經WinRHIZO根系分析系統進行分析，計算總根長、根系表面積、根系體積、根尖數以及分枝數。

1.3.2生理指標的測定

采用95%乙醇浸提比色法測定油菜幼苗葉片葉綠素含量[14]；根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定[15]，定量測試根系中的脫氫酶的還原能力以表示根系活力的大小；活性鐵含量的測定參考鄒春琴等[16]的方法：取油菜幼苗的地上部分用塑料剪刀剪碎，配置1 mol/L的鹽酸溶液，按V(樣品)∶V(鹽酸)=1∶10的比例在常溫下搖晃浸提5 h，定容后過濾，濾液使用原子吸收分光光度計測定。

1.4 數據統計及分析

采用Excel進行數據處理，利用SPSS 24.0對試驗數據進行獨立樣本T檢驗、單因素ANOVA分析及Duncon法顯著性檢驗(P<0.05)，試驗每處理重復4次，結果表示為平均數±標準誤。

2 結果與分析

2.1 不同鐵源對油菜育苗效果的影響

當鐵素濃度為2.8 mg/L時，EDTA-Fe與EDDHA-Fe這2種鐵源油菜育苗情況見表3。ED2.8處理的莖葉活性鐵含量與根系活力均高于EH2.8處理，ED2.8處理下油菜幼苗莖葉活性鐵含量比EH2.8處理組提高了12.6%，表明ED2.8培育下的油菜幼苗的地上部鐵營養狀況較好；ED2.8處理下油菜根系活力比EH2.8處理提升49.2%，表明ED2.8處理下油菜幼苗根系吸收能力較強。此外，配置相同鐵素濃度營養液，EDTA-Fe作為鐵源的用量較EDDHA-Fe少，EDTA-Fe鐵素含量可達12.8%，EDDHA-Fe鐵素含量僅為6.0%，且EDTA-Fe的價格更為低廉(表1)。

表3 2種鐵源的育苗效果Table 3 Effect of two iron sources on Brassica campestris seedling growth

2.2 營養液鐵素水平對油菜幼苗根系的影響

植株根系的結構與形狀對其吸收養分和水分至關重要，根際營養元素的豐缺會影響植物根系的生長。以EDTA-Fe為鐵源，油菜幼苗根系在不同鐵素水平下形態特征差異顯著。由圖1可以看出，隨著鐵素濃度的增加，根系的分枝數增加，根系的側根數量增加。在缺鐵處理中(圖1(a))，油菜幼苗的側根生長受到抑制，一級側根短粗而密集地生長于主根，伸長生長受阻。推測可能是在缺鐵脅迫下誘導形成了不具備頂端分生組織的排根，該處理下未觀察到二級側根的形成。當營養液鐵素濃度為2.8和5.6 mg/L時(圖1(b)和(c))油菜幼苗側根正常生長，且3組處理的根系分枝數差異顯著(圖2(a))。

圖1 鐵素水平對油菜幼苗根系的影響Fig.1 Root morphology of Brassica campestris seedlings cultured with different iron concentrations

由圖2可知，隨著鐵素濃度提高油菜幼苗根系的表面積和總根長均顯著增加。Fe5.6處理組較Fe2.8處理組根系表面積提高32.5%，ID處理組油菜幼苗根系發育受阻，根系表面積最小(圖2(b))。這表明在本試驗設置的3個鐵素濃度中，提高鐵素濃度可以增大根系與營養液接觸面積，從而利于油菜幼苗更好地吸收營養物質。總根長也以鐵素濃度5.6 mg/L(Fe5.6)培育下的油菜幼苗最高(圖2(c))，較Fe2.8處理組提高19.1%，ID處理組總根長不足Fe5.6處理組總根長的1/10。Fe5.6組與Fe2.8組油菜幼苗根系平均直徑均顯著小于ID組(圖2(d))，這可能是由于油菜為直根系植物，主根平均直徑高于側根，ID處理組側根生長受抑制，因此根系直徑的均值被拉高。Fe5.6處理組與Fe2.8處理組之間油菜幼苗的根尖數差異不顯著，但均顯著高于ID組(圖2(e))。3種鐵素水平下油菜幼苗的根系活力差異顯著(圖2(f))，Fe2.8組顯著高于Fe5.6組，這表明相較于5.6 mg/L的鐵素水平，適當降低鐵素濃度有利于提高根系的吸收能力；ID組油菜幼苗生長不良，根系活力最差。

Fe5.6：鐵素濃度為5.6 mg/L；Fe2.8：鐵素濃度為2.8 mg/L；ID：無鐵。圖中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Fe5.6: Iron concentration of 5.6 mg/L; Fe2.8: Iron concentration of 2.8 mg/L; ID: Iron deficiency.Different small letters indicate significant difference at 0.05 level. The same below.

2.3 營養液鐵素水平對油菜幼苗生長的影響

提高鐵素濃度增加了油菜幼苗的鮮重和干重。如圖3(a)所示，Fe5.6處理組油菜幼苗整株鮮重最大，較Fe2.8處理組提高25.4%；ID處理組油菜幼苗生長受到抑制，在15 d的育苗期結束后，其整株鮮重僅為正常鐵濃度組(Fe2.8)的47.4%和高鐵濃度組(Fe5.6)的37.8%。如圖3(b)所示，Fe5.6油菜幼苗整株干重較Fe2.8組提高18.4%，較ID組提高84.9%。

圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。Different letters indicate significant difference at 0.05 level.

3個處理間油菜幼苗地上部的鮮重與干重差異均顯著。油菜幼苗地下部干重在Fe5.6處理組中顯著高于ID組，Fe2.8處理組地下部干重與ID組和Fe5.6組之間無顯著性差異。結果表明，在本試驗設置的鐵素濃度范圍內，鐵素濃度的增加促進了油菜幼苗地下部以及地上部的生長。

2.4 營養液鐵素水平對油菜幼苗光合色素積累的影響

隨著營養液鐵素濃度升高，油菜幼苗體內葉綠素積累量增加，油菜幼苗的葉面積顯著提高(圖4(a))，Fe5.6處理組油菜幼苗葉面積較Fe2.8組提高29.1%，較ID組增加189.3%。Fe5.6與Fe2.8處理下油菜幼苗單位葉面積的葉綠素含量無顯著差異(圖4(b))，但Fe5.6處理下單株油菜幼苗葉面積較高，表明其有更高的葉綠素總量；ID處理組油菜幼苗葉綠素合成受阻，葉綠素含量最低。結果表明Fe5.6處理有利于累積更多光合色素，利于油菜幼苗進行光合作用。

圖4 鐵素水平對油菜幼苗的葉面積和光合色素累積的影響Fig.4 Effect of iron concentrations on leaf area and photosynthetic pigment accumulation of B. campestris seedlings

2.5 營養液鐵素水平對油菜幼苗地上部活性鐵含量的影響

活性鐵含量一般用作衡量植株鐵營養狀況。如圖5所示，隨著營養液中鐵素濃度增加，油菜幼苗莖葉活性鐵含量也隨之增加，Fe5.6處理組油菜幼苗莖葉中活性鐵含量較Fe2.8處理組提高20.0%，是ID組油菜幼苗莖葉活性鐵含量的1.2倍。莖葉內充足的活性鐵含量有利于鐵素參與到植株的光合磷酸化作用、呼吸作用以及氮的固定等生理生化過程。ID處理組油菜幼苗莖葉內檢測到少量活性鐵，該鐵素可能是來源于油菜種子內所含的少量鐵素以及幼苗催芽期澆灌的自來水。

圖5 不同鐵素水平油菜幼苗莖葉的活性鐵含量Fig.5 Activity iron content in shoot of B. campestrisseedlings as affected by different iron concentrations

3 討 論

鐵元素作為大量元素之外使用最多的礦質元素對于植物的生長發育至關重要，在植物生理和代謝過程扮演著重要角色。鐵素參與植物體內氧化還原反應、葉綠素合成、脂質代謝、DNA合成、氮固定和碳水化合物代謝等生理活動[17]，是許多酶及蛋白質的組成成分，在植物光合電子傳遞中發揮重要作用。植物輕微缺鐵時會干擾葉綠素合成，導致葉片黃化，而嚴重缺鐵則會致使葉綠素解體，造成新生葉片變黃，根系發育不全，植物生長受抑制[18]。此外，由于大田種植中堿性和石灰性土壤環境中鐵的有效性較差，常常導致植物發生缺鐵黃化等病癥，因此植物的鐵素補充一直以來都備受關注。硫酸亞鐵價格低廉，在一般農業生產的鐵素補充中受到推崇，但由于硫酸亞鐵中的亞鐵離子極易被氧化沉淀，因此其有效性較差，需要經常補充。一般認為，螯合態鐵源的穩定性優于無機鐵源，目前在我國無土栽培種植中使用最多鐵源的是EDTA螯合鐵。Lucena等[7]認為EDTA螯合鐵屬于低穩定性螯合鐵，推崇使用穩定性更好的EDDHA及其類似物的螯合鐵作為鐵源。在本研究中，EDTA-Fe與EDDHA-Fe這2種鐵源在相同鐵素濃度下培育的油菜幼苗干鮮重與壯苗指數沒有顯著差異，但是EDTA-Fe培育下的油菜幼苗較EDDHA-Fe處理莖葉活性鐵含量顯著增加。活性鐵含量可以表征植物的鐵營養狀況[16]，這表明EDTA-Fe處理下的油菜幼苗地上部有更多可利用的鐵元素。此外，EDTA-Fe處理較EDDHA-Fe處理油菜幼苗的根系活力增加，有利于油菜幼苗更好地吸收水肥，同時考慮到EDTA螯合鐵中的鐵素含量高于EDDHA螯合鐵，且EDTA螯合鐵價格更低廉，因此在油菜工廠化育苗中選用EDTA-Fe作為鐵源將更有利于提高經濟效益。

油菜幼苗維持正常的生命活動需要通過根系獲取根際環境中的水分和礦質元素，此外根系合成的植物激素如細胞分裂素、赤霉素和脫落酸等在促進植株葉綠體的發育、養分移動以及營養生長中發揮重要作用[19]。因此，根系的生長發育對于油菜苗的生長至關重要。適宜的鐵素濃度促進根系的生長發育，過高或過低的鐵素濃度都不利于根系的正常生長[20]。張麗霞等[21]的研究表明，低鐵會抑制陽春砂仁根系的發育；任云等[22]的研究結果也發現低鐵脅迫下，玉米幼苗根系表面積、根干重以及根尖數均顯著降低；當白羽扇豆及木麻黃處于缺鐵脅迫時，根系側根生長受到抑制，形成不具備頂端分生組織且不能繼續伸長的排根[23-24]。鐵素濃度過高也會抑制植株根系的生長。生菜在高鐵脅迫下表現出根系短粗，變褐壞死[2]；甜菜幼苗表現為根系長度及根系表面積均顯著降低[25]。本研究中，缺鐵處理組中油菜幼苗的根系生長受到明顯抑制，一級側根短粗，未見二級側根的形成。隨著鐵素濃度提升至5.6 mg/L，根系的表面積、分枝數以及總根長均顯著增加。這與王金龍等[26]以及姚宇潔等[27]在小豆幼苗和枳橙實生苗響應缺鐵脅迫中的研究結論一致。也有研究表明，缺鐵脅迫會促進側根數量的增長以及根系表面積的增加來應對缺鐵脅迫[28]，研究結果的差異可能與植物不同的基因型有關。根系表面積可反映根系的被動吸收能力，植物根系活力則能反映根系主動吸收的能力。本研究中，將營養液鐵素濃度由2.8 mg/L提升至5.6 mg/L后，油菜幼苗的根系活力雖然有所下降，植株主動吸收的能力變弱，但增加了根系的表面積、側根數量以及根尖數，提高了油菜幼苗被動吸收的能力，因此彌補了根系活力下降帶來的影響。

鮮重和干重可以直觀反映油菜幼苗的生長狀況。本研究中，隨著營養液鐵素濃度的增加，油菜幼苗地上部的鮮重以及干重均顯著增加。以上結果與劉士哲等[2]在芥菜中的研究結果一致。這一現象可能是由于提高鐵素濃度增加了油菜幼苗根系表面積、側根數和根尖數，從而提高了油菜幼苗對于水分以及營養物質吸收運輸的能力。同時，鐵素濃度提高也增加了油菜幼苗莖葉中的活性鐵含量，有利于油菜幼苗地上部葉綠素、含鐵蛋白及酶類的合成，保證了呼吸代謝與光合作用等生命活動進程的良好運轉。此外，鐵素濃度提高也增加了油菜幼苗的總葉面積以及葉綠素積累量，從而使油菜幼苗可以截獲更多光能進行光合作用。以上均表明在本試驗所設置的鐵素濃度范圍內，相比于常使用的2.8 mg/L鐵素濃度，增加鐵素濃度至5.6 mg/L有利于促進油菜幼苗生長，有益于縮短油菜育苗周期，培育優質油菜幼苗。

種子的胚乳和子葉雖然在植株幼苗生長發育早期可以提供部分營養物質[19]，但本研究表明，僅靠油菜種子所提供的鐵元素，不能夠完全滿足油菜在育苗階段的生長所需。本試驗設置的3個鐵素濃度水平中，鐵素濃度提高有利于油菜幼苗的生長。

4 結 論

本研究比較了國內外常用的2種鐵源EDTA-Fe與EDDHA-Fe在植物工廠油菜育苗中的效果，優選鐵源后，探究了不同鐵素濃度對油菜育苗的影響。結果表明，使用EDTA-Fe作為油菜育苗的鐵源相較于EDDHA-Fe經濟效益更好，油菜幼苗地上部鐵營養狀況和根系活力均提高；油菜幼苗在5.6 mg/L鐵素濃度中生長狀況最好，油菜幼苗的根系表面積、根系分枝數和根系總長度也增加。綜上，在油菜工廠化育苗中選用EDTA-Fe作為鐵源，且將鐵素濃度提高至5.6 mg/L時，有利于培育優質壯苗。