蚓糞添加對鹽脅迫下玉米幼苗生長和光合色素含量的影響

張浩 趙雨欣 戴川景 石少婕 高偉 葉嘉

摘要：以玉米為試材，通過向基質(zhì)中添加不同比例的蚓糞，探討蚓糞添加對鹽脅迫下玉米葉片生長指標(biāo)和光合色素含量的影響及生長指標(biāo)與光合色素之間的相關(guān)性。結(jié)果顯示，隨著基質(zhì)中蚓糞添加比例的增加，鹽脅迫下玉米幼苗株高、根長、地下部分干質(zhì)量、地上部分干質(zhì)量、總干質(zhì)量均呈逐漸上升的趨勢（P<0.05），而根冠比則呈下降的趨勢。葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量及類胡蘿卜素含量隨著蚓糞添加比例的增加呈逐漸升高的趨勢。幼苗的株高、根長、地上部分干質(zhì)量和總干質(zhì)量與光合色素之間呈顯著（P<0.05）或極顯著正相關(guān)。根冠比與葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量之間呈顯著（P<0.05）或極顯著負(fù)相關(guān)。本研究結(jié)果不僅有助于深入理解添加蚓糞對鹽脅迫下玉米幼苗生長和光合色素含量之間關(guān)系的影響機(jī)理，而且還將為提升玉米的鹽堿土壤種植效率提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：蚓糞;鹽脅迫;光合色素含量;生長指標(biāo);玉米;相關(guān)性

中圖分類號(hào)： S513.01?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）20-0125-04

鹽漬土是陸地廣泛分布的一種土壤類型，目前全球鹽堿地面積已達(dá)9.5億hm2，且每年仍以1.0×106～1.5×106 hm2的速度增長[1]。中國的鹽漬土總面積約為3.6×106 hm2，由于施肥過度、不合理灌溉及海水倒灌等因素，我國大面積的土地逐漸出現(xiàn)次生鹽漬化，加速了土壤鹽堿化的進(jìn)程[2]。鹽脅迫不僅會(huì)對作物生長造成直接影響，還可以通過改變光合色素含量對葉片Pn產(chǎn)生影響，造成光合速率下降，光合產(chǎn)物降低，并最終影響作物產(chǎn)量[3]。目前土壤鹽漬化已經(jīng)成為抑制作物生長、降低作物產(chǎn)量的重要環(huán)境因素之一。如何改良鹽堿地環(huán)境，提高作物的耐鹽性，增加鹽脅迫環(huán)境下作物產(chǎn)量一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

蚓糞是蚯蚓生物降解有機(jī)物的產(chǎn)物，能明顯改善土壤的生態(tài)環(huán)境，改良鹽堿土壤。蚓糞的施入，降低了土壤的pH值，提高了土壤陽離子交換量，降低了土壤的堿化度、總堿度和鈉吸附比，緩解了鹽堿土壤的危害[4]。大量研究表明，蚓糞能不同程度地提高多種作物種子發(fā)芽率，促進(jìn)其生長，提高光合色素含量和作物產(chǎn)量，改善品質(zhì)[5-9]。有研究發(fā)現(xiàn)，對于鹽堿地上種植的棉花，施入蚯蚓糞后，棉花的生物量顯著增加，產(chǎn)出的皮棉比對照增產(chǎn)42.5%;施用蚯蚓糞后花生的產(chǎn)量比對照增加15 kg，增產(chǎn)11.7%[10]。但蚓糞添加并不是越多越好，Atiyeh 等研究了溫室和大田2種方式下蚯蚓糞對作物影響的試驗(yàn)，結(jié)果表明，施加蚯蚓糞的處理與對照相比，在種子的萌發(fā)期、苗期、開花結(jié)果期和收獲期均對作物有顯著促進(jìn)作用，但隨著蚯蚓糞含量的增多，植物的生長反而受到限制[11]。因此，施加蚓糞對鹽堿地作物生長的影響并沒有一致的結(jié)論，仍需要更加深入地探討蚓糞濃度和鹽堿化的交互作用對作物干物質(zhì)累積及生理指標(biāo)產(chǎn)生影響的機(jī)理。

華北平原是我國最重要的糧食產(chǎn)區(qū)之一，每年全國30%的玉米均產(chǎn)自于該糧食產(chǎn)區(qū)。因此，華北平原區(qū)的玉米生產(chǎn)能力在一定程度上直接關(guān)系著該區(qū)域甚至國家層面的糧食安全問題[12]。但是華北地區(qū)土壤鹽漬化日益加重，嚴(yán)重影響著玉米的產(chǎn)量和擴(kuò)大再生產(chǎn)。本研究在基質(zhì)中添加不同比例的蚓糞，探討蚓糞對鹽脅迫下玉米生物量及光合色素的影響及生物量與光合色素的相關(guān)性，為提高鹽堿地區(qū)域玉米的種植效率提供數(shù)據(jù)支撐。

1?材料與方法

1.1?試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年3—5月在邯鄲學(xué)院生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行。供試玉米（Zea mays L.）購買于邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，所用品種為京科665。供試蚓糞購于邯鄲市金益農(nóng)生物科技開發(fā)有限公司。供試土壤園土采集于邯鄲學(xué)院校園北林地，采樣深度0～20 cm，曝曬后粉碎，過8目篩，按比例與蚓糞混合使用。

1.2?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

挑選大小一致、籽粒飽滿的種子，以10% H2O2浸泡消毒30 min，用無菌水反復(fù)沖洗5次，播種于基質(zhì)（蛭石 ∶珍珠巖為3 ∶1）中。待生長至2葉1心時(shí)移栽到盆中進(jìn)行處理。采用盆栽方式培養(yǎng)試驗(yàn)材料，盆栽容器為底部打孔的花盆（桶高20 cm，盆直徑30 cm）。盆栽基質(zhì)采用0～20 cm 耕層的園土，共設(shè)4個(gè)處理，添加蚓糞比例分別為0、10%、20%、40%，每個(gè)處理加入150 mmol/L NaCl 溶液模擬鹽脅迫，以不添加蚓糞和 NaCl溶液的處理作為對照（CK）。每個(gè)處理3盆，每盆15株。幼苗處理第50天進(jìn)行各指標(biāo)測定。

1.3?試驗(yàn)方法

1.3.1?光合色素含量的測定

幼苗處理第50天，對各處理葉片隨機(jī)取樣，每處理重復(fù)3次測定。選取并稱取0.5 g鮮樣，加入80%丙酮5 mL、少許CaCO3和石英砂，用研缽硏磨至組織變白，在暗處靜置3～5 min后，過濾到25 mL容量瓶中，定容，取上述所得色素提取液1 mL，加入80%丙酮 4 mL 稀釋后轉(zhuǎn)入比色杯中，分別在波長為663、646、470 nm處測定吸光度。計(jì)算色素提取液中葉綠素a、葉綠素b含量及類胡蘿卜素含量并計(jì)算葉綠素總含量和葉綠素a/葉綠素b[13]。

1.3.2?生長指標(biāo)的測定

在幼苗處理第50天，對各處理未取樣的植株分別進(jìn)行生物量測定。首先測量根長和株高，然后將玉米幼苗沖洗干凈，分為地上部分和地下部分，分別于 105 ℃ 下殺青30 min后，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量，并計(jì)算根冠比（地下部分與地上部分干質(zhì)量的比值）[14]。

1.4?數(shù)據(jù)處理

用 Excel 軟件統(tǒng)計(jì)各參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差并作圖，用SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和單因素方差分析（P<0.05）。

2?結(jié)果與分析

2.1?添加蚓糞對玉米生長指標(biāo)的影響

如表1所示，添加不同比例蚓糞對鹽脅迫下玉米的株高、根長、地下部分干質(zhì)量、地上部分干質(zhì)量、總干質(zhì)量及根冠比均產(chǎn)生了顯著影響（P<0.05）。150 mmol/L鹽脅迫下，蚓糞添加為0處理與對照CK相比，各生長指標(biāo)差異不顯著（P>0.05）。隨著基質(zhì)中蚓糞添加比例的增加，株高、根長、地下部分干質(zhì)量、地上部分干質(zhì)量、總干質(zhì)量均呈逐漸上升的趨勢（P<0.05），而根冠比則呈下降的趨勢。蚓糞添加比例為10%和20%這2個(gè)處理的玉米株高、根長、地下部分干質(zhì)量、地上部分干質(zhì)量及總干質(zhì)量差異不大，但均高于對照（CK），相反，根冠比顯著低于對照（CK）。隨著基質(zhì)中蚓糞添加比例的增加，到蚓糞添加量為40%時(shí)，玉米的株高、根長、地下部分干質(zhì)量、地上部分干質(zhì)量及總干質(zhì)量達(dá)到最高，與對照（CK）相比，分別增加了39.27%、132.12%、100%、500%和372.73%，而根冠比則顯著降低了57.14%。

2.2?添加蚓糞對玉米葉片葉綠素含量的影響

如圖1所示，基質(zhì)中添加不同比例的蚓糞對鹽脅迫下玉米葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量均產(chǎn)生顯著影響（P<0.05），但對葉綠素a/葉綠素b無顯著影響（P>0.05）。葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總含量隨著蚓糞添加比例的增加呈逐漸升高的趨勢，150 mmol/L鹽脅迫下，蚓糞添加為0處理的玉米葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量和葉綠素a/葉綠素b與對照（CK）相比，差異不顯著（P>0.05）。當(dāng)蚓糞添加比例為10%、20%、40%條件下，葉綠素a含量分別比對照顯著升高了38.03%、64.79%、55.63%，當(dāng)蚓糞添加濃度為20%時(shí)含量達(dá)到最高。同樣條件下，葉綠素b含量比對照增加了25.93%、46.29%、44.44%（P<0.05），但3個(gè)處理之間差異不顯著（P>0.05）。相應(yīng)的，葉綠素總含量也隨著蚓糞添加比例的增加呈逐漸升高，到添加比例為20%時(shí)含量達(dá)到最高，是對照組（CK）的1.6倍。不同比例蚓糞處理之間葉綠素a/葉綠素b均不存在顯著差異（P>0.05）。

2.3?添加蚓糞對玉米葉片類胡蘿卜素含量的影響

如圖2所示，基質(zhì)中添加不同比例的蚓糞對鹽脅迫下玉米葉片類胡蘿卜素含量影響顯著（P <0.05）。未添加蚓糞處理和添加比例為10%的處理中玉米葉片類胡蘿卜素含量與對照（CK）相比差異不顯著（P>0.05），但隨著添加蚓糞比例的增加，類胡蘿卜素含量顯著增加，當(dāng)添加比例為20%，葉片中類胡蘿卜素含量達(dá)到最高，是對照組（CK）的2.10倍。當(dāng)添加比例為40%時(shí)，雖然類胡蘿卜素含量有所下降，但與添加量為20%處理差異不大，仍顯著高于對照組，是對照的2.07倍（P<0.05）。

2.4?玉米生物量和光合色素含量的相關(guān)性

如表2所示，不同處理下玉米的株高與葉綠素a含量和葉綠素總含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)均為0.659，與葉綠素b含量和類胡蘿卜素呈顯著正相關(guān)（P<0.05），但是與葉綠素a/葉綠素b相關(guān)性不顯著。同樣的，玉米根長和地上部分干質(zhì)量與葉綠素a含量、葉綠素b含量和葉綠素總含量相關(guān)性達(dá)到極顯著水平（P<0.01），與類胡蘿卜素呈顯著正相關(guān)（P<0.05），但是與葉綠素a/葉綠素b相關(guān)性不顯著。玉米地下部分與光合色素含量相關(guān)性不大（P>0.05）。根冠比與葉綠素a含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為-0.645，與葉綠素b含量和葉綠素總含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），與葉綠素a/葉綠素b和類胡蘿卜素含量相關(guān)性不大。總干質(zhì)量與葉綠素a含量、葉綠素b含量和葉綠素總含量呈極顯著相關(guān)（r=0.669，0.697，0.680），與類胡蘿卜素含量相關(guān)性達(dá)到顯著水平（P<0.05），與葉綠素a/葉綠素b相關(guān)性不顯著（P>0.05）。

3?結(jié)論與討論

葉綠素是植物葉片中吸收光能的主要色素，對外界逆境極其敏感，其含量在一定程度上能反映植物同化能力的強(qiáng)弱，是衡量植物抗逆性的一個(gè)重要指標(biāo)[15]。通常認(rèn)為，鹽脅迫會(huì)導(dǎo)致葉片內(nèi)葉綠素降解，阻礙光合反應(yīng)過程，進(jìn)而影響最終光合產(chǎn)物的積累[16-17]。而添加蚓糞能促進(jìn)葉片中葉綠素的累積，顯著增加植物葉片中葉綠素含量[18]，最終促進(jìn)光合產(chǎn)物積累。王小治等研究了匍匐翦股穎草生長對添加蚓糞的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)中添加蚓糞促進(jìn)了葉綠素含量的增加，并存在最適污泥蚓糞添加比例，即當(dāng)蚓糞添加用量為20～60 g/kg時(shí)對匍匐翦股穎生長最有利[19]。李靜娟等也研究了中藥渣蚓糞對玉米生長的影響，結(jié)果表明，隨著基質(zhì)中蚓糞施用量的增加，玉米葉片的葉綠素含量均顯著增加[20]。盡管目前關(guān)于蚓糞對植物葉片葉綠素的影響的報(bào)道較多?但是關(guān)于鹽脅迫下葉片葉綠素對添加蚓糞的響應(yīng)卻鮮有報(bào)道。本研究結(jié)果顯示，葉綠素a、葉綠素b含量和葉綠素總含量隨著蚓糞添加比例的增加呈逐漸升高的趨勢。可能與基質(zhì)中氮含量的增加有關(guān)，氮是葉綠素合成的重要組成元素。大量研究表明，添加蚓糞可以顯著增加土壤中堿解氮的含量，且隨著蚯蚓糞含量的增加而增加，土壤中有效氮的積累促進(jìn)了葉綠素的合成[20];也有研究認(rèn)為類胡蘿卜素的增加可以增強(qiáng)自身抗活性氧自由基的能力，保護(hù)葉綠素中膜系統(tǒng)，促進(jìn)葉綠素含量的增加[21]。

類胡蘿卜素不僅是光合色素的一部分，參與光合反應(yīng)進(jìn)程，同時(shí)也是體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)中非酶促系列的重要組成部分，它可直接捕獲自由基而阻斷自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，防止自由基對蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA的氧化損傷[22]。通常認(rèn)為鹽脅迫會(huì)降低類胡蘿卜素含量。呂艷偉等研究了鹽脅迫對小麥幼苗光合色素含量和細(xì)胞膜的影響，發(fā)現(xiàn)低濃度鹽溶液處理下，小麥類胡蘿卜素含量變化不顯著，當(dāng)鹽濃度較高時(shí)，類胡蘿卜素含量顯著降低[23]。李華等研究了外源水楊酸對黃瓜幼苗鹽脅迫傷害的影響，發(fā)現(xiàn)鹽脅迫會(huì)造成黃瓜類胡蘿卜素顯著下降，進(jìn)而降低光合能力[24]。本研究認(rèn)為添加蚓糞顯著增加鹽脅迫下玉米葉片的類胡蘿卜素，隨著類胡蘿卜素含量的增加，增強(qiáng)了自身的抗活性氧能力，保護(hù)了體內(nèi)膜系統(tǒng)，同時(shí)保護(hù)了葉綠體免受活性氧自由基的侵害，本研究中葉綠素含量的增加也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

生物量是植物對鹽脅迫反應(yīng)的綜合體現(xiàn)，是體現(xiàn)植物耐鹽性的重要指標(biāo)[25]。大量研究表明，鹽脅迫可以造成植物地上部分干質(zhì)量、地下部分干質(zhì)量及總干質(zhì)量下降，植株矮小，根冠比顯著降低[26-27]。蚓糞不僅含有豐富的養(yǎng)分，而且含有豐富的微生物，可以顯著提高植物生長發(fā)育過程。陳學(xué)良等研究了添加蚓糞對盆栽荔枝的影響，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)中添加25%蚓糞能明顯促進(jìn)幼苗地上部分生長[28]。張聰俐等研究了不同比例蚓糞對玉米生長特性的影響，結(jié)果表明施用蚓糞能夠顯著增加玉米株高、地上部和地下部的干質(zhì)量[5]。然而，目前關(guān)于添加蚓糞對鹽脅迫下幼苗生物量影響的報(bào)道卻不多見。本研究發(fā)現(xiàn)隨著基質(zhì)中蚓糞添加比例的增加，鹽脅迫下玉米幼苗的株高、根長、地下部分干質(zhì)量、地上部分干質(zhì)量、總干質(zhì)量均呈逐漸上升的趨勢，這與顏棟的研究結(jié)果[29]一致，可能是添加蚓糞增加了土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀和有機(jī)物的含量，促進(jìn)了葉綠素的生成，提高了光合效率，進(jìn)而提高生物量。本研究中隨著蚓糞添加比例的增加，玉米葉片中葉綠素含量顯著增加，也說明了這一點(diǎn)，且本研究中通過研究玉米生長指標(biāo)與光合色素的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)光合色素的增加與玉米生長指標(biāo)（株高、根長、地上部分干質(zhì)量、地下部分干質(zhì)量和總干質(zhì)量）呈顯著或極顯著正相關(guān)，也驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)。也有研究表明，生物量的增加是因?yàn)轵炯S中含有赤霉素和吲哚乙酸等激素類物質(zhì)，它們可促進(jìn)細(xì)胞分裂，調(diào)控植物生長[30]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，根冠比隨著添加蚓糞比例的增加呈下降的趨勢，說明蚓糞對玉米的地上部分促進(jìn)作用要大于地下部分。

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