營養(yǎng)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(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)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(jié)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(chǎn)實踐及試驗中發(fā)現(xiàn)，白菜型油菜對于低鐵環(huán)境較為敏感，葉片易在根際鐵素濃度較低時出現(xiàn)缺鐵癥狀，但是卻耐受高鐵環(huán)境[1-2]。當(dāng)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(chǎn)物積累，同時也會影響呼吸作用以及細(xì)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(jìn)其水肥吸收[4]，是培育壯苗的基礎(chǔ)。植物工廠化育苗被公認(rèn)為是目前最先進(jìn)的育苗方式[5]，探明在植物工廠環(huán)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(dǎo)。

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(bǔ)充鐵素。硫酸亞鐵以其價格低廉的優(yōu)勢在我國大田生產(chǎn)中廣泛使用，但其穩(wěn)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(jīng)歷了由最早期的硫酸亞鐵和檸檬酸鐵，到現(xiàn)在使用最為廣泛的EDTA螯合鐵的更迭。歐洲則使用穩(wěn)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(wěn)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(xiàn)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(lán)栽培效果，發(fā)現(xiàn)在EDTA-Fe處理下生長的芥藍(lán)生長指標(biāo)及品質(zhì)指標(biāo)均最優(yōu)，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(yōu)于檸檬酸鐵及硫酸亞鐵。EDDHA-Fe則多見于果樹發(fā)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(jī)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(yōu)選鐵源的基礎(chǔ)上，設(shè)置不同鐵素濃度水平進(jìn)行油菜育苗，通過調(diào)查油菜幼苗根系形態(tài)指標(biāo)、根系活力、莖葉的形態(tài)指標(biāo)以及活性鐵含量等生理及生長指標(biāo)，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(jù)，為植物工廠油菜優(yōu)質(zhì)壯苗培育提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用中蔬種業(yè)‘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(jìn)行不同營養(yǎng)液處理。營養(yǎng)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(yǎng)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(shè)計

本試驗在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院人工光植物工廠內(nèi)進(jìn)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(yōu)選油菜育苗鐵源(試驗1)。在上述試驗的基礎(chǔ)上，將優(yōu)選鐵源設(shè)置3個鐵素水平：0、2.8和5.6 mg/L，進(jìn)行育苗試驗(試驗2)。具體設(shè)置見表2，每處理設(shè)置4個重復(fù)。試驗進(jìn)行15 d，期間更換1次營養(yǎng)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(shè)置Table 2 Treatment

1.3 測定指標(biāo)

1.3.1生長指標(biāo)的測定

各處理隨機(jī)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(shù)[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(tài)指標(biāo)的測定采用STD4800掃描儀(Regent instruments，Canada)掃描后經(jīng)WinRHIZO根系分析系統(tǒng)進(jìn)行分析，計算總根長、根系表面積、根系體積、根尖數(shù)以及分枝數(shù)。

1.3.2生理指標(biāo)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?。换钚澡F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?lián)u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(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用SPSS 24.0對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)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(fù)4次，結(jié)果表示為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鐵源對油菜育苗效果的影響

當(dāng)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(yǎng)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(qiáng)。此外，配置相同鐵素濃度營養(yǎng)液，EDTA-Fe作為鐵源的用量較EDDHA-Fe少，EDTA-Fe鐵素含量可達(dá)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(yǎng)液鐵素水平對油菜幼苗根系的影響

植株根系的結(jié)構(gòu)與形狀對其吸收養(yǎng)分和水分至關(guān)重要，根際營養(yǎng)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(tài)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(shù)增加，根系的側(cè)根數(shù)量增加。在缺鐵處理中(圖1(a))，油菜幼苗的側(cè)根生長受到抑制，一級側(cè)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(dǎo)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(cè)根的形成。當(dāng)營養(yǎng)液鐵素濃度為2.8和5.6 mg/L時(圖1(b)和(c))油菜幼苗側(cè)根正常生長，且3組處理的根系分枝數(shù)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(fā)育受阻，根系表面積最小(圖2(b))。這表明在本試驗設(shè)置的3個鐵素濃度中，提高鐵素濃度可以增大根系與營養(yǎng)液接觸面積，從而利于油菜幼苗更好地吸收營養(yǎng)物質(zhì)。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(cè)根，ID處理組側(cè)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(shù)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))，F(xiàn)e2.8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(dāng)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(yǎng)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，F(xiàn)e5.6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(jié)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，F(xiàn)e5.6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，F(xiàn)e2.8處理組地下部干重與ID組和Fe5.6組之間無顯著性差異。結(jié)果表明，在本試驗設(shè)置的鐵素濃度范圍內(nèi)，鐵素濃度的增加促進(jìn)了油菜幼苗地下部以及地上部的生長。

2.4 營養(yǎng)液鐵素水平對油菜幼苗光合色素積累的影響

隨著營養(yǎng)液鐵素濃度升高，油菜幼苗體內(nèi)葉綠素積累量增加，油菜幼苗的葉面積顯著提高(圖4(a))，F(xiàn)e5.6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(jié)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(jìn)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(yǎng)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(yǎng)狀況。如圖5所示，隨著營養(yǎng)液中鐵素濃度增加，油菜幼苗莖葉活性鐵含量也隨之增加，F(xiàn)e5.6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(nèi)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(nèi)檢測到少量活性鐵，該鐵素可能是來源于油菜種子內(nèi)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(zhì)元素對于植物的生長發(fā)育至關(guān)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(nèi)氧化還原反應(yīng)、葉綠素合成、脂質(zhì)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(zhì)的組成成分，在植物光合電子傳遞中發(fā)揮重要作用。植物輕微缺鐵時會干擾葉綠素合成，導(dǎo)致葉片黃化，而嚴(yán)重缺鐵則會致使葉綠素解體，造成新生葉片變黃，根系發(fā)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(huán)境中鐵的有效性較差，常常導(dǎo)致植物發(fā)生缺鐵黃化等病癥，因此植物的鐵素補(bǔ)充一直以來都備受關(guān)注。硫酸亞鐵價格低廉，在一般農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的鐵素補(bǔ)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(jīng)常補(bǔ)充。一般認(rèn)為，螯合態(tài)鐵源的穩(wěn)定性優(yōu)于無機(jī)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(rèn)為EDTA螯合鐵屬于低穩(wěn)定性螯合鐵，推崇使用穩(wěn)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(shù)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?；钚澡F含量可以表征植物的鐵營養(yǎng)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(jīng)濟(jì)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(huán)境中的水分和礦質(zhì)元素，此外根系合成的植物激素如細(xì)胞分裂素、赤霉素和脫落酸等在促進(jìn)植株葉綠體的發(fā)育、養(yǎng)分移動以及營養(yǎng)生長中發(fā)揮重要作用[19]。因此，根系的生長發(fā)育對于油菜苗的生長至關(guān)重要。適宜的鐵素濃度促進(jìn)根系的生長發(fā)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(fā)育；任云等[22]的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)低鐵脅迫下，玉米幼苗根系表面積、根干重以及根尖數(shù)均顯著降低；當(dāng)白羽扇豆及木麻黃處于缺鐵脅迫時，根系側(cè)根生長受到抑制，形成不具備頂端分生組織且不能繼續(xù)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(xiàn)出根系短粗，變褐壞死[2]；甜菜幼苗表現(xiàn)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(cè)根短粗，未見二級側(cè)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(shù)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(yīng)缺鐵脅迫中的研究結(jié)論一致。也有研究表明，缺鐵脅迫會促進(jìn)側(cè)根數(shù)量的增長以及根系表面積的增加來應(yīng)對缺鐵脅迫[28]，研究結(jié)果的差異可能與植物不同的基因型有關(guān)。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(yǎng)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?nèi)?，但增加了根系的表面積、側(cè)根數(shù)量以及根尖數(shù)，提高了油菜幼苗被動吸收的能力，因此彌補(bǔ)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(yǎng)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(jié)果與劉士哲等[2]在芥菜中的研究結(jié)果一致。這一現(xiàn)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(cè)根數(shù)和根尖數(shù)，從而提高了油菜幼苗對于水分以及營養(yǎng)物質(zhì)吸收運輸?shù)哪芰ΑＭ瑫r，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(jìn)程的良好運轉(zhuǎn)。此外，鐵素濃度提高也增加了油菜幼苗的總?cè)~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(jìn)行光合作用。以上均表明在本試驗所設(shè)置的鐵素濃度范圍內(nèi)，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(jìn)油菜幼苗生長，有益于縮短油菜育苗周期，培育優(yōu)質(zhì)油菜幼苗。

種子的胚乳和子葉雖然在植株幼苗生長發(fā)育早期可以提供部分營養(yǎng)物質(zhì)[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(shè)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(jié) 論

本研究比較了國內(nèi)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(yōu)選鐵源后，探究了不同鐵素濃度對油菜育苗的影響。結(jié)果表明，使用EDTA-Fe作為油菜育苗的鐵源相較于EDDHA-Fe經(jīng)濟(jì)效益更好，油菜幼苗地上部鐵營養(yǎng)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(shù)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(yōu)質(zhì)壯苗。