施用沼渣沼液肥对PEG渗透胁迫下辣椒幼苗生理特性的影响

来源:用户上传      作者:孟清波 田佳 李青云 张谨薇 马万成 冯倩

　　摘    要：以朝天椒‘辣椒王’为试验材料，PEG（聚乙二醇）模拟干旱胁迫，以根施营养液、叶面喷清水为对照，研究了根施沼渣腐殖酸肥、叶面喷施不同浓度沼液肥对干旱胁迫下辣椒幼苗生理特性的影响。结果表明，施用沼渣沼液肥显著促进了辣椒幼苗的生长发育，减轻了干旱胁迫的伤害。叶面喷施20倍液处理的各项生理指标最好，在干旱胁迫48 h时，与对照相比，叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量分别高14.6%、16.6%和7.8%，根系活力达到最高327.92 μg·g-1·h-1，比对照提高24.8%，叶片净光合速率、蒸腾速率分别提高69.9%和64.3%，SOD、POD、CAT酶活性分别提高4.37%、33.8%和16.8%，同时叶片MDA含量和O2-产生速率分别比对照降低11.4%和18.7%，萎蔫系数降低25%。可见，在干旱胁迫下，根施沼渣腐殖酸肥（500倍液）、叶面喷施沼液肥（20倍液）可通过增强辣椒幼苗抗氧化酶活性，提高净光合速率，减少活性氧积累，减轻干旱对辣椒幼苗的伤害。
　　关键词：辣椒;幼苗;沼渣沼液肥;干旱胁迫;生理特性
　　中图分类号：S641.3 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2020）09-028-06
　　Abstract： Effects of biogas residue humic acid fertilizer applied to roots and biogas slurry fertilizer applied to leaves at different concentrations on the growth and physiological characteristics of pepper seedlings under drought stress were studied by using pod pepper ‘Chili King’ as the experimental material， PEG simulation of drought stress， and root application of nutrient solution and leaf spray as control. The results showed that the application of biogas residue biogas slurry fertilizer significantly promoted the growth and development of pepper seedlings and reduced the damage of drought stress. At 48h of drought stress， compared with the control group， chlorophyll a， chlorophyll b and carotenoids increased by 14.6%， 16.6% and 7.8%  respectively. The root activity reached a maximum of 327.92 μg·g-1·h-1， 24.8% higher than that of the control group. The net photosynthetic rate and transpiration rate of leaves were 69.9% and 64.3% higher， respectively. SOD， POD and CAT enzyme activities were 4.37%， 33.8% and 16.8% higher， while MDA content and O2- production rate in leaves were 11.4% and 18.7% lower and wilting coefficient was 25% lower than the control. It indicated that under drought stress， root application of biogas residue humic acid fertilizer （500 times liquid）， leaf application of biogas slurry fertilizer （20 times liquid） can enhance the antioxidant enzyme activity of pepper seedlings， improve the net photosynthetic rate， reduce the accumulation of reactive oxygen species， and the damage of drought to pepper seedlings.
　　Key words：Chili; Seedlings; Biogas slurry fertilizer; Drought stress; Physiological characteristics
　　隨着全球气温的升高，干旱胁迫对植物的影响越来越严重，干旱通常会阻碍辣椒等植物的呼吸作用和光合作用等，进而影响植物的生长发育和生理代谢[1-2]。辣椒（Capsicum annuum L.）在我国栽培面积很大，露地辣椒在生长过程中常遭遇季节性干旱，产量损失较大，因此，提高辣椒耐旱性对于夏季辣椒生产至关重要[3]。
　　沼渣和沼液是沼气发酵后的产物，富含有机质、腐殖酸、氨基酸、生长素、植物生长调节剂及钙、镁、铁等矿物质，而且还含有大量的氮、磷、钾等营养元素[4]，能满足植物生长所需，易被吸收利用，可长久保持肥力，是一种优质的有机液肥[5]。研究表明，适宜浓度的沼液肥喷施处理能显著提高植物株高、茎粗[6-7]、叶片叶绿素含量，提高光合强度[8-9]，此外沼液与营养液混合施用，还能够降低MDA含量，缓解细胞膜的损伤[10]。 　　笔者在前期的田间试验中发现，根施沼渣腐殖酸肥、叶面喷施沼液肥可提高簇生朝天椒‘辣椒王’的产量，同时也发现沼渣沼液肥提高了土壤速效氮、磷、钾含量，增强了土壤微生物多样性。然而，夏季的高温和干旱是露地辣椒生长必然要承受的逆境，沼渣沼液肥能否通过提高植株的抗逆性进而提高产量，沼渣沼液肥与辣椒耐旱性的关系鲜见报道，有待研究。为此，笔者利用聚乙二醇（PEG6000）模拟干旱环境，研究了根施沼渣腐殖酸肥、叶面喷施沼液肥对干旱胁迫辣椒生理指标的影响，探讨沼渣沼液肥提高辣椒耐旱性的作用机制，为露地辣椒高效生产提供理论依据和技术支撑。
　　1 材料与方法
　　1.1 材料
　　供试辣椒品种为簇生朝天椒‘辣椒王’，由河北乾亿食品股份有限公司提供。供试肥料“果实乐”纯秸秆沼液肥（全氮质量分数≥50 g·L-1，全磷质量分数≥2 g·L-1，全钾质量分数≥28 g·L-1）和“果实乐”沼渣腐殖酸冲施肥（腐殖酸质量分数≥30 g·L-1，N+K2O+P2O5≥200 g·L-1）由河北省沧州市青县耿忠生物质能源开发有限公司提供。
　　2019年7—10月在河北农业大学创新实验园温室内播种育苗。育苗容器采用50孔穴盘，基质为草炭、蛭石（体积比为2∶1），每隔5 d浇灌1次1/4 Hoagland营养液，待幼苗长至4叶1心时，挑选生长整齐的幼苗移栽到（10 cm×10 cm）营养钵，开始叶面喷清水或沼液肥，隔7 d喷1次。同时浇灌1次1/2 Hoagland营养液或沼渣腐殖酸肥500倍液，连续叶面喷施3次后进行干旱胁迫。采用20%的PEG6000溶液模拟干旱环境，每盆浇PEG6000溶液100 mL。
　　设4个处理，分别为：CK（叶面喷施清水+根施1/4 Hoagland营养液）、20×（叶面喷施20倍沼液肥+根施500倍“果实乐”沼渣腐殖酸冲施肥）、30×（叶面喷施30倍沼液肥+根施500倍“果实乐”沼渣腐殖酸冲施肥）、40×（叶面喷施40倍沼液肥+根施500倍“果实乐”沼渣腐殖酸冲施肥）。采用随机区组设计，3次重复，每个重复40株幼苗。在干旱胁迫0、6、12、24、36、48 h取样测定叶片叶绿素含量、叶绿素荧光参数、根系活力和超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性、丙二醛和超氧阴离子含量，其中在48 h测定萎蔫指数与光合参数。
　　1.2 方法
　　1.2.1 叶绿素含量、根系活力、光合和叶绿素荧光参数的测定 根系活力参照郑坚[11]的方法测定;叶绿素含量参照李合生[12]的方法测定;用FMS-2型便携式荧光仪测定叶片初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、PSII光化学效率（Fv/Fm）[13];用Li-6400光合仪测定叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci），测定时设定光强为500 μmol·m-2·s-1。
　　1.2.2 抗氧化酶相关指标的测定 超氧物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性、丙二醛（MDA）含量参照李合生[12]的方法测定;过氧化氢酶（CAT）活性参照郭允娜[14]的方法测定;超氧阴离子（O2-）产生速率参照吴雪霞[15]的方法测定。
　　1.2.3 萎蔫指数的测定 萎蔫指数参照富春元[16]的方法测定。
　　1.3 数据处理
　　采用IBM SPSS Statistics 23统计软件对数据进行差异显著性分析，用Microsoft Excel 2010软件作图。
　　2 结果与分析
　　2.1 沼渣沼液肥对干旱胁迫下辣椒幼苗叶片叶绿素含量的影响
　　干旱胁迫下，沼渣沼液肥处理的辣椒幼苗叶片的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均显著增加（图1～3）。各处理相比，20×处理的叶绿素b含量在胁迫12 h显著高于CK和其他处理。在胁迫48 h，20×叶绿素含量最高，叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素分别达到22.33、8.23和4.01 mg·g-1，比CK高15.57%、16.57%和7.5%。说明施用适宜浓度的沼渣沼液肥，有利于干旱胁迫下辣椒光合色素的积累。
　　2.2 沼渣沼液肥对干旱胁迫下辣椒幼苗根系活力的影响
　　在干旱胁迫过程中，CK和各处理辣椒的根系活力均呈现先升高再降低、再升高再降低的趋势（图4），最高值均出现在干旱胁迫36 h。在胁迫48 h，辣椒根系活力从高到低依次为20×>CK>30×>40×，20×处理的根系活力在干旱胁迫48 h后维持在327.92 μg·g-1·h-1，较对照高24.83%。同正常生长的植株（0 h）相比，在干旱胁迫48 h，CK和各处理的根系活力均大幅提高，20×处理增幅最大，达78.81%，其次是40×和30×处理，增幅分别为71.70%和61.32%，CK增幅最小，为41.4%。说明施用适宜浓度的沼渣沼液肥能够促进根系的生长发育，提高植株抗逆性。
　　2.3 沼渣沼液肥对干旱胁迫下辣椒幼苗叶片MDA含量、O2-产生速率的影响
　　从图5可以看出，在干旱脅迫过程中，CK辣椒叶片MDA含量呈先下降再上升、再下降的趋势，其中20×处理的MDA含量始终最低，且在胁迫期间（0 h除外）始终显著低于CK，表明20×处理可显著减轻辣椒叶片的膜脂过氧化伤害。
　　从图6可以看出，在干旱胁迫下，CK和各处理辣椒叶片O2-产生速率均呈先增大后减小的趋势，其中沼渣沼液肥各处理的O2-产生速率均在胁迫24 h下降了，而CK在胁迫48 h才下降， 二者相差了24 h。与正常生长的植株相比（胁迫0 h），在干旱胁迫48 h，20×处理和30×处理辣椒叶片的O2-产生速率分别下降了10.3%和13.8%，而CK和40×处理分别提高了23%和16.7%;与胁迫期间O2-产生速率最高的时期相比，在干旱胁迫48 h，20×处理的O2-降幅最大，下降了35.7%，其次是30×处理，降幅为29.1%，40×处理和CK降幅最小，分别为10%和6.7%。 　　结果表明，沼渣沼液肥处理提高了辣椒植株清除O2-的速度和能力，抑制了过氧化物的产生和积累，20×处理效果最好，在胁迫48 h，MDA含量与O2-产生速率达到0.659 nmol·g-1 与2.294 nmol·g-1·min-1，比CK分别低11.38%和18.66%。
　　2.4 沼渣沼液肥对干旱胁迫下辣椒幼苗叶片抗氧化酶活性影响
　　从图7～9中可以看出，随胁迫时间的延长，CK和各处理辣椒叶片的SOD活性呈整体下降趋势，POD活性则表现先下降后上升趋势，CAT活性为先升高后降低趋势。其中20×和30×处理在干旱胁迫24 h以内叶片SOD活性始终保持较高水平，在胁迫36 h，CK和各处理的SOD活性均大幅度降低，并在48 h维持较低水平。各处理之间相比，20×处理的SOD活性在胁迫24 h和36 h均显著高于CK和其他处理，CAT活性在胁迫36 h、POD活性在胁迫48 h均显著高于CK和其他处理。在胁迫36 h，20×处理的SOD、CAT活性活性分别为10.64 U·g-1和260.80 U·g-1，分别比CK高8.2%和21%，在胁迫48 h，POD活性为194.13 U·g-1，高于CK33.8%。结果表明，施用适宜浓度的沼渣沼液肥能够提高干旱胁迫下叶片抗氧化酶活性，减少干旱对生物膜造成的损伤。
　　2.5 沼渣沼液肥对干旱胁迫下辣椒幼苗光合作用的影响
　　从表1可以看出，施用沼渣沼液肥能提高干旱胁迫下辣椒叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，降低胞间二氧化碳浓度。在胁迫48 h，20×处理的净光合速率、气孔导度及蒸腾速率分别比CK高69.95%、33.34%和62.29%，胞间二氧化碳浓度比CK低9.11%，且与CK差异显著。说明适宜浓度的沼渣沼液肥处理能提高辣椒叶片的光合能力 。
　　2.6 沼渣沼液肥对干旱胁迫下辣椒幼苗叶绿素荧光参数的影响
　　由图10可知，随着干旱胁迫时间的延长，各处理的Fv/Fm、Fo、Fm呈现先下降再上升的趋势。施用沼渣沼液肥能显著提高辣椒植株的Fv/Fm、Fo、Fm，在胁迫48 h，20×与30×处理的Fv/Fm、Fo和Fm均显著高于CK，其中20×处理的Fo显著高于30×处理;20×处理的Fv/Fm、Fo、Fm分别比CK高0.84%、7.89%和8.73%。表明追施适宜浓度沼渣沼液肥能够提高辣椒叶片的光能转换效率，促进光合作用的积累。
　　2.7 沼渣沼液肥对干旱胁迫下辣椒幼苗萎蔫指数的影响
　　由表2可知，在干旱胁迫48 h，20×处理的辣椒幼苗萎蔫指数最低，达到26.67，萎蔫指数降幅最大，为25%。其次是30×和40×处理，萎蔫指数达到28.89与30，降幅分别为18.76%与15.64%。说明根施沼渣腐殖酸肥（500倍液）、叶面喷施沼液肥（20倍液）能够显著提高植株抗旱性，使萎蔫指数达到最低，缓解了干旱胁迫对辣椒幼苗生长造成的抑制作用。
　　3 讨论与结论
　　干旱是影响植物进行光合作用与生长发育的重要环境因素[17]。其对植物的影响涉及诸多方面，严重时会影响植物的生长发育，造成植株生长缓慢、落花落果以及产量降低等[18-19]。
　　叶绿素是植物进行光合作用时吸收和传递光能的主要物质，含量高低与叶片光合能力密切相关[20]。通过施用适宜浓度的沼渣沼液肥增加了叶片叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量，提高了干旱胁迫条件下辣椒幼苗光合作用，缓解了干旱对辣椒幼苗生长的抑制作用，这与赵秀梅[21]的研究结果一致。光合作用是植物生长的基本代谢过程，主要通过叶绿素含量、净光合速率和蒸腾速率等来反映[22]。一些研究表明，干旱胁迫显著降低植物叶片光合色素含量，导致叶片呼吸速率下降，叶绿体结构受破坏严重等[23]。本试验中追施沼渣沼液肥能够提高植株叶片的光合速率与蒸腾速率，从而在一定程度上促进植物的生长，这与李然[24]、何梅等[25]的研究结果一致。
　　植物在逆境胁迫中最初的伤害部位是叶片的PSII光反应中心[26]。在干旱胁迫下，植物利用光能的效率下降，PSII反应中心的电子传递严重受阻，从而使光合作用效率降低[27-28]。本试验结果表明，通过施用适宜浓度的沼渣沼液肥显著提高干旱胁迫下Fv/Fm，有效缓解干旱胁迫对PSII反应中心活性的伤害，增强辣椒幼苗对干旱逆境的适应性。冯伟等[29]的研究发现，基施沼液与追施尿素可以显著提高冬小麦叶片PSII光化学最大效率Fv/Fm，增强光合作用，与本研究结果一致。
　　植物在干旱胁迫条件下，细胞内活性氧（ROS）的产生与清除之间的平衡被破坏，致使植物体内的活性氧大量产生，导致膜通透性增强，细胞膜内物质外渗，产生氧化性损伤[30-32]。在本试验中，施用适宜浓度的沼渣沼液肥处理减少了叶片中丙二醛含量的积累，降低了超氧阴离子产生速率，有效缓解了干旱胁迫对辣椒幼苗的伤害，增强了细胞膜稳定性。李彧等[10]研究发现，沼液与营养液混合浇施能够降低番茄幼苗叶片中MDA含量，保持细胞膜的稳定性，进而增强幼苗耐旱性，与本研究结果一致。
　　一般在干旱等逆境处理之前，试验材料的生长、生理等指标应该没有显著差异，这对判断处理效果是必要的，而本研究在干旱脅迫开始之前（0 h），辣椒的叶绿素a含量、根系活力、超氧阴离子发生速率、SOD活性4个指标在CK和各处理之间就存在显著差异，这与干旱胁迫试验开始前植株已经进行了3次追施沼渣沼液肥处理有关。然而，从本试验的结果分析中看到，在胁迫期间施用沼渣沼液肥的处理尤其是20×处理的各指标均表现为缓解了干旱胁迫对辣椒幼苗的伤害，这个调控作用与各指标在胁迫开始前处理间是否存在差异无关。
　　综上所述，施用沼渣沼液肥可调节干旱胁迫下辣椒幼苗生理代谢，减少辣椒叶片中MDA和O2-的积累，增加叶绿素含量、增强根系活力，以及提高光合速率，提高光能转换效率，促进抗氧化酶和渗透调节物质的积累，降低过氧化物对细胞造成的伤害，进而增强辣椒植株抗干旱胁迫的能力。然而，这些只是在对植物生理方面进行地浅层研究，沼渣沼液肥目前没有被充分普及利用，诱导植物抗逆性的作用途径和分子机制，仍需要进行广泛而深入的研究。 　　参考文献
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