椰林間作中納米鐵對鷓鴣茶葉片生長、光合及化學特征的綜合影響

余若云　楊偉波　馮元姣　羅子飛　陳思婷

中圖分類號：S571.1 文獻標志碼：A

關鍵詞：納米鐵；椰林間作；鷓鴣茶；光合作用；生長

中圖分類號：S571.1 文獻標志碼：A

鷓鴣茶（Mallotus peltatus）又名山苦茶，為大戟科（Euphorbiaceae）野桐屬（Mallotus）灌木或小喬木，普遍分布于南亞地區，在我國主要產于海南[1]。鷓鴣茶干葉可沖泡，茶水清香，具有解油膩、清熱消暑和生津止渴的保健功效，是海南最具文化特色和市場潛力的農產品之一，深受當地百姓喜愛。當前鷓鴣茶的開發利用主要依靠野生資源，隨著鷓鴣茶市場需求迅速擴大，野生資源已供不應求，人工栽培鷓鴣茶不僅可以擴大鷓鴣茶的生長范圍，同時也是開展野生資源保護的重要措施[2]。然而，海南島土地資源有限，擴大單一作物的種植面積較為困難，挖掘農林間作系統的生產潛力是促進農業可持續發展的突破口。椰子（Cocos nucifera）是熱區重要的木本經濟作物之一，非生產期長，植株高大，林下空間廣闊[3]。在椰林間作其他作物，不僅有利于提高土地利用率，且能夠增加作物產出、促進農民增收，如椰林間作可可能夠顯著提高二者的經濟效益[4]。鷓鴣茶喜陰，多自然生長于溝谷密林或河谷兩岸疏林下，因此可作為林下種植的優選作物，然而目前椰林間作鷓鴣茶的研究資料鮮見報道。

光合作用是作物最重要的生理過程之一，在農林間作中，由于上層林木對低矮的作物產生遮陰，光照條件會直接影響林下作物的生長發育[5]。研究表明，鷓鴣茶幼苗在全光照條件下脫葉現象頻繁，約50%的遮陰有利于提高鷓鴣茶的凈光合速率和生物量，25%遮陰效果次之[6]。幼齡椰樹植株較矮，樹冠間空隙大，尚未形成林下郁閉空間，在生長前期無法滿足林下鷓鴣茶苗的最佳遮陰需求。林下鋪設聚乙烯遮陰網成本較高且不利于環保，鷓鴣茶在苗期生長發育速度較快，尋獲適宜的栽培調控措施以提高林下鷓鴣茶的光合效率，對促進鷓鴣茶苗健壯生長具有重要現實意義。納米材料通常指尺寸為1～100 nm 的結構材料，由于其尺寸微小且具有較大的比表面積，能夠穿透植物細胞壁，通過內吞作用被細胞吸收，從而調節植物生長發育[7]。近年來，納米材料作為一種新興技術在作物基礎研究中受到廣泛關注，納米鐵材料在農業生產中的應用范圍也不斷擴大[8-9]。LI等[10]研究發現經納米鐵處理后，玉米葉片凈光合速率顯著提高了19.9%，且生物量增加了31.8%。KHALILI 等[11]發現納米鐵對紅花總不飽和脂肪酸含量具有提升作用。MANZOOR 等[12]研究表明使用鐵納米材料能夠緩解小麥鎘脅迫，促進小麥光合色素的形成和植株生長。大量研究已證實，納米鐵可以提高植物光合能力[13]、促進植物生長[14-15]，并提高植物抗逆性[16]。雖然納米鐵材料在農業領域中已有豐富成果，但在農林復合種植研究中十分少見，能否通過納米鐵材料調控林下作物生長尚不明確。

基于上述內容，本研究以幼齡椰林間作中的鷓鴣茶苗為對象，在田間試驗條件下對鷓鴣茶葉面噴施納米鐵懸液，比較5 個濃度（0、25、50、75、100 mg/L）納米鐵處理下，鷓鴣茶葉片的生長性狀、光合參數及化學成分等指標的變化差異，系統分析納米鐵對鷓鴣茶生長發育的綜合影響，旨在回答2 個關鍵科學問題：（1）納米鐵對林下鷓鴣茶的生長調控作用如何？（2）納米鐵促進林下鷓鴣茶生長的適宜濃度是多少？本研究可為納米鐵在椰林間作鷓鴣茶模式中的科學應用提供理論依據，對于促進鷓鴣茶生產、保護鷓鴣茶野生資源和提高椰林綜合效益具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

供試植株為鷓鴣茶無病蟲害，長勢一致的一年生幼苗，取自中國熱帶農業科學院香料飲料研究所栽培基地。試驗使用的納米鐵材料由甘肅谷碩納米農業科技有限責任公司提供，平均粒徑為43 nm，純度>99.5%，外觀為黑色粉末狀。將納米鐵粉溶于去離子水中，分別制成0、25、50、75、100 mg/L 的納米鐵懸液。試驗地位于海南省文昌市中國熱帶農業科學院椰子研究所種植示范基地（19°31N，110°45E），屬于熱帶季風性氣候，水熱條件良好，全年無霜凍。種植區地勢平坦，土質為沙壤土，較為貧瘠，保水性差，經測定土壤pH 約為5.2，含水量約為3%，有效鐵含量約為63 mg/kg，速效氮含量約為27 mg/kg，速效磷含量約為30 mg/kg，速效鉀約為22 mg/kg，有機質含量約為11 g/kg。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 鷓鴣茶苗定植時間為2022 年1月，在三年生椰樹行間種植鷓鴣茶，椰樹采用寬窄行種植方式，窄行4 m 種椰子，寬行9 m 間作鷓鴣茶，椰子種植密度為4 m×6 m，鷓鴣茶種植密度為3 m×3 m，使用便攜式照度計測得椰林間作區遮陰度在20%～25%。試驗共設置4 個濃度納米鐵處理（T₁：25 mg/L，T₂：50 mg/L，T₃：75 mg/L、T₄：100 mg/L）和1 個對照（CK：0 mg/L），各設8 次重復，共計40 株鷓鴣茶苗用于試驗觀測。

1.2.2 田間處理 試驗觀測時間為2022 年4—6月，采用葉面噴施的方法，于4 月26 日和5 月26 日對鷓鴣茶苗各施用1 次納米鐵懸液。施用納米鐵材料時，根據鷓鴣茶的葉片數量，每次每株噴施30～50 mL 懸液。將納米鐵懸液均勻噴施于葉片的正反面，懸液滴落前停止。噴施納米鐵后8 h 內用去離子水每小時噴霧1 次，保持葉面濕潤且無水滴落，以免納米鐵在葉表沉積。每次葉面施鐵滿25 d 后，采集鷓鴣茶生長良好的葉片，測定相關試驗指標。

1.2.3 取樣 選擇晴朗無風天氣，于2022 年5月24 日和6 月23 日，每個處理隨機選取6 株長勢一致的健康鷓鴣茶苗，記錄鷓鴣茶苗單株葉片數量，每株鷓鴣茶隨機選擇3 片成熟健康葉片（自莖頂端下第5～8 葉位）測定葉生長、光合和葉綠素熒光指標，同時取10 片葉片混合為一個樣品，帶回實驗室進行化學成分指標測定。

1.2.4 指標測定 （1）葉生長、光合和葉綠素熒光指標。測定葉生長指標包括葉片長、葉片寬、葉鮮重和葉干重。采用SPAD-502 葉綠素儀（日本Konica Minolta 公司）測定鷓鴣茶葉片的SPAD值，代表作物葉片葉綠素含量。使用LI-6800 便攜式光合儀（美國LI-COR 公司），在上午9：00—11：00 測定鷓鴣茶葉片的光合指標，包括凈光合速率[Pn， μmol/（m·s）] 、蒸騰速率[Tr，mmol/（m²·s）]、氣孔導度[Gs， mmol/（m²·s）]和胞間CO₂濃度（Ci， μmol/mol）。采用PAM-2500 便攜式葉綠素熒光儀（德國WALZ 公司）測定鷓鴣茶葉片的葉綠素熒光指標，包括初始熒光（F_o）、最大熒光（F_m）、可變熒光（F_v）、PSⅡ潛在活性（F_v/F_o）、PSⅡ原初光能轉化效率（F_v/F_m）、實際光化學效率（Φ_PSⅡ）和表觀電子傳遞速率（ETR）。

（2）葉化學成分指標。測定指標包括黃酮含量、脂肪含量、灰分含量和水分含量。黃酮測定采用分光光度法，脂肪測定采用索氏抽提法，灰分測定參考《食品安全國家標準 食品中灰分的測定》（GB 5009.4—2016）的方法，水分測定采用烘干法[17-18]。

1.3 數據處理

使用Microsoft Office Excel 2010 軟件整理數據，使用IBM SPSS Satistics 21 軟件進行單因素ANOVA 分析，檢驗不同處理間試驗指標的差異顯著性，使用R 語言ggplot 包作圖。

2 結果與分析

2.1 葉片生長

第一次噴施不同濃度納米鐵后，T₁、T₂、T₃、T₄處理的鷓鴣茶葉長與CK 相比均顯著增長，其中T₃處理增幅最大，為29.16%（表1）。T₃處理的鷓鴣茶葉寬和葉干重與T₄處理無顯著差異，但顯著大于T₁和CK 處理。不同處理間鷓鴣茶葉鮮重無顯著差異。隨著納米鐵濃度增高，鷓鴣茶葉片數量逐漸增多。第二次噴施不同濃度納米鐵后，4 個不同濃度納米鐵處理的鷓鴣茶葉長和葉寬均顯著大于CK，其中T₃處理增長幅度最大，分別為50.85%和27.56%（表2）。T₁、T₃、T₄處理的鷓鴣茶葉鮮重和葉干重顯著高于CK。隨納米鐵濃度增高，鷓鴣茶葉片數量逐漸增加，其中T₃處理的鷓鴣茶葉片數最多。上述結果表明，葉施納米鐵對鷓鴣茶葉片生長發育具有明顯促進作用。

2.2 葉片光合作用

第一次噴施不同濃度納米鐵后，與CK 相比，T1、T2、T3、T4 處理的鷓鴣茶葉綠素含量分別顯著提高14.96%、16.18%、17.91%、20.58%（圖1A）。隨著納米鐵濃度提高，鷓鴣茶P_n、T_r 和Gs總體呈增加趨勢（表3）。T₄處理的鷓鴣茶Pn 和Tr 最高，CK 最低。T₃、T₂和T₁處理的鷓鴣茶T_r和C_i無顯著差異。第二次噴施不同濃度納米鐵后，與CK 相比，T₁、T₂、T₃、T₄處理的鷓鴣茶葉綠素含量分別顯著提高10.28%、7.53%、11.13%、11.41%（圖1B）。隨著納米鐵濃度提高，鷓鴣茶Pn、Tr 和Gs 總體呈先增后減趨勢，C_i 呈現下降趨勢（表4）。T₂處理的鷓鴣茶P_n、T_r和G_s最高，T₃處理開始降低，T4 處理和CK 的鷓鴣茶P_n、Tr和G_s顯著低于其他處理。上述結果表明，葉施納米鐵能夠顯著提升鷓鴣茶的光合能力，但是過高濃度的鐵處理反而會抑制其光合作用，施用濃度不宜超過50 mg/L 處理。

2.3 葉片葉綠素熒光參數

第一次噴施不同濃度納米鐵后，隨著納米鐵濃度提高，鷓鴣茶的Fm、Fv、Fv/Fm、ΦPSⅡ和ETR均呈現上升趨勢，Fo 變化趨勢則相反（表5）。T4和T3 處理的鷓鴣茶Fm、Fv、ΦPSⅡ和ETR 顯著高于T2 處理和CK。T4 和T3 處理的鷓鴣茶Fo 顯著低于T2 處理。第二次噴施不同濃度納米鐵后，當納米鐵濃度提高至T3 處理，鷓鴣茶的Fv/Fo 和Fv/Fm 顯著降低（表6）。當納米鐵濃度提高至T4處理，鷓鴣茶的ΦPSⅡ和ETR 顯著降低。鷓鴣茶的Fo 在各處理和CK 無顯著差異。上述結果表明，適宜濃度的納米鐵處理能夠促進鷓鴣茶光合作用，濃度超過T2 處理后會產生不利影響。

2.4 葉片主要化學成分

經過2 次葉施納米鐵處理后，隨著納米鐵濃度提高，鷓鴣茶黃酮含量有所增加，T₁ 處理的鷓鴣茶黃酮含量相比CK 增加59.09%，T₂、T₃、T4處理與T₁ 處理無顯著差異（圖2）。鷓鴣茶葉片脂肪含量隨納米鐵濃度提高先增加后降低，T₁處理的鷓鴣茶脂肪含量顯著高于CK，增幅為64.39%，T₂和T₄處理的脂肪含量相比T₁處理分別下降30.41%、38.71%。T₁處理的鷓鴣茶葉片灰分含量相比CK 顯著增加30.85%，T₂、T₃ 處理與T₁處理的灰分含量無顯著差異，T₄處理則比T₁處理下降17.66%。不同處理間以及CK 的鷓鴣茶水分含量均無顯著差異。上述結果表明，葉施納米鐵能夠提升鷓鴣茶的主要化學成分指標，濃度以25 mg/L處理為宜。

3 討論

椰子林下空間開闊，長期單一種植會導致土地利用效率低下。鷓鴣茶為多年生灌木，通常自然分布于茂密的林蔭下，生長喜陰，適宜林下間作[1-2]。在充分掌握鷓鴣茶生長發育特性的基礎上開展椰林間作有利于提高土地綜合產出，同時也對馴化栽培鷓鴣茶，保護野生資源具有重要意義。大量研究顯示金屬元素納米材料在促進農業生產方面具有較大潛能[19-20]。本研究發現椰林下的鷓鴣茶經納米鐵處理后，鷓鴣茶葉長、葉寬和葉干重等生長指標顯著大于不施鐵對照組，且葉片數量明顯增多，表明葉施納米鐵可以促進鷓鴣茶葉片生長，提高鷓鴣茶生物量。AVESTAN 等[21]研究表明使用納米鐵可以顯著提高蘋果葉面積、鮮重、干重和葉數等生長指標，與本研究結果一致。ASKARY 等[22]研究也證實，納米鐵能促進長春花的葉生長。2 次處理后，4 個濃度納米鐵處理間的鷓鴣茶葉長、葉寬、葉鮮重和葉干重基本無顯著差異，說明納米鐵對鷓鴣茶的促生作用在較低濃度條件下即可實現。RUI 等[9]研究成果支持這一結論，研究發現納米鐵低至2 mg/kg 即可顯著增加花生的生物量。然而一項關于柑橘的研究顯示，納米鐵對柑橘葉生長無顯著影響，這可能是因為柑橘葉革質，葉片蠟質層厚，阻截了鐵元素的滲透和再轉移[23]。

農林間作對作物最直接的影響是改變了作物的光資源分配，從而顯著影響林下作物的光合效能[24]。楊虎彪等[6]研究表明鷓鴣茶苗在50%蔭蔽度條件下長勢最好。椰林間作鷓鴣茶可為鷓鴣茶提供蔭蔽環境，但椰林在生長前期難以滿足鷓鴣茶的需蔭要求，因此可能會抑制鷓鴣茶的光合作用。本研究結果表明，從提高鷓鴣茶的光合效能和綠色生產出發，利用最低的成本進行納米鐵調控是可行的。4 個濃度納米鐵處理后與不施鐵對照相比，鷓鴣茶葉綠素含量均顯著提高。葉綠體是作物進行光合作用的重要器官，葉綠素含量的高低能夠體現作物光合能力的強弱，說明葉施納米鐵能夠提升鷓鴣茶的光合能力，這可能是因為納米鐵直接進入植物細胞，激發了葉綠素的合成[25]。LI 等[10]研究表明，葉施納米鐵提升了玉米19.3%的葉綠素含量，與本研究結果相符。DELFANI等[26]也發現了葉面施用納米鐵后，黑眼豌豆葉綠素含量比對照增加了10%。

鐵元素對調節作物光合作用有著重要影響[27]。本研究發現第一次葉施納米鐵后，鷓鴣茶葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度隨著納米鐵濃度提高而增加；但第二次處理后，凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度先增后減，在濃度達到75 mg/L時降低，且100 mg/L 納米鐵處理的鷓鴣茶光合參數顯著低于其他處理和對照。徐江兵等[28]研究表明，納米鐵處理后，生菜的光合效率隨鐵濃度提高先上升后下降，與本研究結果一致。AVESTAN等[21]研究也發現施用200 mg/L 的高濃度納米鐵抑制了蘋果光合作用。金屬納米材料在實際應用中是一把雙刃劍，通常低濃度可以促進作物種子萌發、根系伸長、產量提高，高濃度則表現為組織損傷和生長抑制等[29]。鷓鴣茶光合速率的下降可能是因為在葉施2 次較高濃度納米鐵后，產生了毒害效應。研究表明由于納米鐵更容易進入作物細胞，過量的鐵積累會破壞作物光合系統，此外納米鐵顆粒通過Fenton 反應產生的活性氧也會傷害作物細胞[30]。

鷓鴣茶葉綠素熒光參數與光合參數變化規律基本一致，第一次葉施納米鐵后，100 mg/L 和75 mg/L 納米鐵處理的鷓鴣茶最大熒光、可變熒光、PSⅡ原初光能轉化效率和表觀電子傳遞速率顯著高于50 mg/L 納米鐵處理和對照；然而第二次處理后，75 mg/L 納米鐵處理的鷓鴣茶PSⅡ潛在活性和PSⅡ原初光能轉化效率顯著降低，100 mg/L 納米鐵處理的鷓鴣茶實際光化學效率和表觀電子傳遞速率顯著降低。原初光能轉化效率是反映作物光系統對光能吸收、傳遞的重要指標。本研究表明施加適量納米鐵可以促進光系統Ⅱ的開放，提高光系統Ⅱ反應中心的光能轉換效率，納米鐵濃度過高則會破壞光系統從而導致原初光能轉化效率下降[31]。100 mg/L 納米鐵處理的鷓鴣茶表觀電子傳遞速率顯著降低，說明高濃度納米鐵會抑制作物體內電子信號的傳導，產生光抑制，導致鷓鴣茶光合能力減弱[32]。綜合上述結果，當納米鐵濃度超過50 mg/L 后會對鷓鴣茶光合作用產生不利影響。

葉施納米鐵后，鷓鴣茶葉片的主要化學成分發生顯著變化。黃酮是鷓鴣茶葉中重要的化學成分，具有較強的抗氧化和清除自由基等效用[33]。25 mg/L 納米鐵處理的鷓鴣茶葉片黃酮含量相比不施鐵對照增加超過50%，但隨著納米鐵濃度提升，黃酮含量未繼續增加，這說明低濃度的納米鐵處理即可促進提高鷓鴣茶葉的黃酮含量，增強其保健藥理功效。YOUSEFZADEH 等[34]研究發現納米鐵可以增加香青蘭的黃酮含量，與本研究結果一致。鷓鴣茶葉脂肪和灰分含量在25 mg/L 納米鐵處理中大幅增加，與施鐵對紫花苜蓿的灰分影響結果相符[35]。值得注意的是，鷓鴣茶葉脂肪和灰分含量在100 mg/L 納米鐵處理中顯著降低，表明納米鐵施用量過多對化學成分的合成產生了抑制作用，因此若從葉化學方面考慮，適宜的納米鐵施用濃度為25 mg/L。

4 結論

林下間作鷓鴣茶可破解用地瓶頸制約，有效擴大鷓鴣茶種植面積，但生產前期面臨諸多困難。幼齡椰林郁閉度較低、光照條件好，無法滿足林下茶苗優質高產所需的遮陰要求，應用低成本綠色納米技術進行作物生長調控，提高鷓鴣茶的環境適應性，對促進鷓鴣茶生產、提高椰林綜合效益具有重要現實意義。本研究表明，與對照相比，葉施納米鐵對鷓鴣茶葉片生長、光合及主要化學特征影響極為顯著。納米鐵處理提高了鷓鴣茶的葉長、葉寬、葉干重、葉片數量和葉綠素含量。鷓鴣茶葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度隨納米鐵濃度升高先增后降，PSⅡ潛在活性和PSⅡ原初光能轉化效率也在較高濃度納米鐵處理中顯著降低。鷓鴣茶葉片黃酮、脂肪和灰分含量在低濃度納米鐵處理中即可顯著提高，但脂肪和灰分含量在高濃度處理中減少。因此納米鐵可有效促進林下鷓鴣茶生長，濃度過高則產生負面作用。綜合考慮以上因素，建議椰林間作鷓鴣茶的納米鐵適宜用量為25～50 mg/L。本研究將為納米鐵調控在椰-茶農林間作中的應用提供理論參考。