沼液对水培蕹菜生长和光合特性的影响

王文琳，周长芳，周 屿，朱洪光，沈文燕

(1.南京大学生命科学学院医药生物技术国家重点实验室，江苏南京 210093；2.同济大学现代农业科学与工程研究院生物质能源研究中心，上海 200092)

沼液是以畜禽粪便、污水和各种农作物秸秆等为原料，经厌氧发酵后残留的副产品[1]，含有丰富的有机质和氮磷等营养物质，如随意排放则会带来水体富营养化等环境污染问题[2]。有研究发现，沼液中普遍含有作物生长所需的氮、磷、钾、微量元素及丰富的腐殖酸、氨基酸、维生素、生长素及微生物分泌的多种活性物质[3-4]，沼液不仅可提高蔬菜产量、改善品质[5]，而且对大多数植物病原真菌具有抑制作用[6]。康凌云等研究发现，施用沼液、沼渣可以满足果类蔬菜的正常生长发育所需[5]。因此，沼液、沼渣作为肥料越来越多地被应用于农业生产，目前，沼液在土壤改良、农作物增产等方面有应用研究报道[7-8]。Odlare等研究发现，沼渣能调节土壤pH值，增加植物可直接利用的磷含量，提高土壤微生物活性等，对土壤改良到起一定的促进作用[9]。孙国峰等认为，在小麦农田种植中沼液可全量替代化肥[10]。但张进等也提出，将沼液完全代替化肥用于水稻生产会对水稻的生长和产量不利[11]。

目前，沼液作为有机肥料的可利用性研究大部分是通过对沼液中有效营养元素的分析[3-4]及对各种农作物产量的影响[5，10]等来验证的，其对植物内在的影响机制却鲜有报道。本试验将沼液添加至传统水培蕹菜(IpomoeaaquaticaForsk.)[12]培养体系中，分析蕹菜的再生能力、光合能力、生物量积累等指标，进一步明确沼液的作用效果和适宜使用浓度，为沼液能更好地作为有机肥料替代传统化肥应用于农业生产、实现农业废弃物的资源化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015年7—9月于南京大学生命科学学院实验室内进行，选取粗壮一致的市购蕹菜，剪掉上下两端，只保留高度为(18±1) cm的茎部分；每株蕹菜保留2个节，上节用来生长枝叶，下节用来生根，每株蕹菜的鲜质量约为(3±0.5) g；将剪取好的蕹菜固定至350 mL塑料杯中，每杯3株，备用。试验用沼液由上海林海生态有限公司所提供，基本理化性质：pH值为7.14，电导率(EC值)为18.380 mS/cm，总氮、总有机质、总磷含量分别为1 569、585、1 757 mg/L。

1.2 试验处理

向固定有蕹菜的塑料杯中分别施加浓度为0.12%、0.24%、0.60%、1.20%、6.00%、12.00%的沼液，折合纯氮含量分别为1.88、3.76、9.41、18.83、94.14、188.28 mg/L，每个浓度梯度重复5次，以自来水培养为对照(CK)，将蕹菜置于光照培养箱中进行培养，温度为28 ℃，光照度为 500 μmol/(m2·s)，光—暗周期为12 h—12 h，持续培养 21 d。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 再生率、生物量、叶绿素 培养期间，每天观察样本的生长状况，统计各样本的再生率；培养到21 d时，分别称取所有处理样本的根、茎鲜质量，烘干至恒质量，称取干质量；将叶片剪成两半，一半于烘干前后进行称量，计算干鲜比，另一半称取0.05 g，剪碎，加95%乙醇研磨、提取，以95%乙醇作为空白对照，用国产UV1800型紫外可见分光光度计分别测定波长665、649 nm处的吸光度D665 nm、D649 nm[13]，计算叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)的含量，计算公式如下：

CChl a=13.95×D665 nm-6.80×D649 nm；

CChl b=24.96×D649 nm-7.32×D665 nm。

1.3.2 光合气体交换参数 参照李霞等的方法[14]，选取长势相似的蕹菜叶片，采用美国产LI-6400型便携式光合仪测定植物的光响应曲线，由全自动红蓝LED灯提供0～1 200 μmol/(m2·s)的光合光量子通量密度[PPFD]，维持CO2浓度为0.785 mg/L，温度为28 ℃，记录叶片净光合速率(Pn)，利用非直角双曲线模型和叶子飘教授提供的光合计算软件，获得最大净光合速率(Pmax)、初始量子效率(α)、光补偿点(Ic)和暗呼吸速率(Rd)[15]。

1.3.3 叶绿素荧光参数 采用德国WALZ产MINI-PAM型超便携式调制叶绿素荧光仪测定叶片的叶绿素荧光参数。选取长势相似的叶片，用叶夹暗适应30 min，打开叶夹，开启检测光，测定光系统Ⅱ(PSⅡ)最大光化学效率(Fv/Fm)；利用内置自动光源测定荧光诱导曲线，计算PSⅡ实际量子产量(ΦPSⅡ)、光化学淬灭系数(qP)、非光化学淬灭系数(NPQ)，计算公式如下：

Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm；

ΦPSⅡ=(Fm′-Ft)/Fm′；

qP=(Fm′-Ft)/(Fm′-Fo′)；

NPQ=(Fm-Fm′)/Fm′。

式中：Fm′、Ft、Fo′分别为光适应过程中的饱和荧光值、实时荧光值、最小荧光值；Fm、Fo分别为暗适应后的最大荧光值、最小荧光值[16]。

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0、Excel 2010软件对试验数据进行统计分析，采用单因素方差分析和Duncan’s新复极差法检验样本间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同浓度沼液处理对蕹菜再生率的影响

由图1可知，用自来水培养的蕹菜(CK)再生率为80%；较低浓度沼液处理可促进蕹菜的再生，0.12%、0.24%浓度沼液处理的蕹菜再生率较对照增加17%，当沼液浓度增加到 0.60% 时，蕹菜再生率较对照上升的幅度有所下降；添加更高浓度沼液会抑制蕹菜的再生，1.20%、6.00%沼液浓度处理的蕹菜再生率较对照分别下降17%、33%，6.00%沼液浓度处理的蕹菜再生率与CK相比差异显著(P<0.05)；最高沼液浓度12.00%处理的蕹菜无法再生。

2.2 不同浓度沼液处理对蕹菜生物量的影响

由图2可知，培养21 d，添加浓度为0.12%～0.24%沼液的蕹菜生物量有明显提高，但与对照相比差异不显著，0.24% 沼液处理的蕹菜根、茎、叶生物量较对照分别上升16%、45%、47%；1.20%沼液处理的蕹菜与对照相比，其生物量累积受到显著的抑制；随着沼液使用浓度的升高，蕹菜根冠比呈先上升后下降趋势，相互间差异不显著。

2.3 不同浓度沼液处理对蕹菜叶绿素含量的影响

由图3可知，0.12%～0.60%沼液处理的水培蕹菜叶绿素含量明显高于对照，其中，0.60%沼液处理的蕹菜叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)含量相对最高，分别较对照高24%、60%，叶绿素a含量与对照相比差异不显著，而叶绿素b含量与对照相比差异显著(P<0.05)；沼液浓度达到 1.20% 时，叶绿素含量下降，Chl a、Chl b含量明显低于对照组，但与对照相比差异不显著。

2.4 不同浓度沼液处理对蕹菜光响应曲线的影响

由图4、表1可知，0.24%～0.60%沼液处理的水培蕹菜光响应曲线较对照有明显上浮；经非直角双曲线模型拟合分析发现，0.24%～0.60%浓度沼液处理的蕹菜最大净光合速率较对照上升9.40%～17.67%，0.12%～0.24%沼液处理的蕹菜光补偿点、暗呼吸速率较对照均有较大幅度的上升，0.60% 沼液处理的蕹菜初始量子效率较对照也有所上升，1.20% 沼液处理的蕹菜最大净光合速率、光补偿点较对照出现一定程度的下降，而不同处理间蕹菜各光合参数差异不明显。

2.5 不同浓度沼液处理对蕹菜PSⅡ荧光动力学参数的影响

由图5、表1可知，随着沼液使用浓度的增加，蕹菜叶片最大光化学效率(Fv/Fm值)呈先上升后下降趋势，0.24%沼液浓度处理的Fv/Fm值相对最大，较对照增加2.88%，且差异显著(P<0.05)；随着沼液使用浓度的增加，水培蕹菜的实际光化学量子产量(ΦPSⅡ)、光化学淬灭系数(qP)较对照均有所上升，沼液浓度为0.60%时，蕹菜叶片ΦPSⅡ、qP出现最大值，沼液浓度继续增加，ΦPSⅡ、qP均有所下降；不同浓度沼液处理的蕹菜非光化学淬灭系数(NPQ)较对照有一定程度的下降，沼液浓度为0.60%时NPQ下降最为明显，之后随着沼液浓度的增加，NPQ出现上浮现象。

表1 不同沼液浓度处理对水培蕹菜光合参数及暗适应下最大光化学效率的影响

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

3 结论与讨论

国内外有研究表明，沼液可用作肥料应用于农业生产，沼液中除了含有氮、磷、钾等大量元素外，还含有锌、锰、铜等多种微量元素及氨基酸等[17-18]，且存在一定的抑菌因子，可有效抑制植物病原微生物的产生，提高植物的存活率[19-20]。本试验结果表明，使用浓度为0.12%～0.60%的沼液能提高蕹菜的再生率，增加根、茎、叶的生物量，可能与沼液中含有丰富的营养物质，促进了植物组织生长有关[3-4]，与Liu等研究结论[21]一致；0.24%沼液使蕹菜根冠比增加，但高浓度沼液处理可明显抑制根生物量的积累。

光合作用是植物生物量积累的有效途径，叶绿素是植物光合作用中物质吸收、传递和光能转换的基础，叶绿素含量是反映光合强度的重要生理指标[22]。本试验中，0.24%～0.60% 沼液处理的蕹菜叶片叶绿素含量较对照有所提高，这很好地解释了蕹菜生物量增加的原因。吕淑敏等研究表明，添加适量沼液能提高玉米叶片的叶绿素含量及源库代谢关键酶的活性，从而促进生物量的积累[23]。叶绿素荧光相关参数中，最大光化学效率(Fv/Fm值)代表PSⅡ的最大光化学效率[24]，实际光化学量子产量(ΦPSⅡ)能反映电子的传递速率，高ΦPSⅡ有利于为暗反应碳同化积累更多的能量，而光化学淬灭(qP)反映PSⅡ原初电子受体单电子受体质醌(QA)的氧化还原状态，即PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额，非光化学淬灭(NPQ)反映PSⅡ天线色素吸收却不能用于光合电子传递，最终以热能耗散掉的光能部分[16，25-27]。本试验结果表明，随着沼液浓度的增加，经沼液处理的蕹菜Fv/Fm、ΦPSⅡ呈先上升后下降趋势，0.24%～0.60%沼液的施用提高了PSⅡ的光化学效率及PSⅡ反应中心开放比例，降低了非辐射热耗散，有利于光合色素把所捕获的光能高效地转化为化学能，提高了PSⅡ量子产量和光合速率，促进了生物量的累积，为碳同化提供了充足能量；0.12%～1.20%沼液的施用使蕹菜qP提高、NPQ降低。这从侧面反映在中浓度沼液处理条件下蕹菜光合能力有所提高，与赵玲等的研究结论[28]吻合。但是，高浓度沼液处理对水培蕹菜的生长是不利的，蕹菜的再生率较对照有所下降，这可能是因为过量施用沼液会增加硝酸盐在蔬菜内的积累量[29]，不利于蕹菜的再生；1.20%沼液浓度处理的蕹菜生长速率受到抑制，其生物量、净光合速率低于对照；高浓度沼液处理的蕹菜ΦPSⅡ、qP下降，NPQ上升，水培蕹菜PSⅡ的生理活性降低，用于光合作用的光能减少，不利于碳同化作用[26]，与刘义国等的研究结论[30]一致。

综上所述，适宜浓度的沼液可以促进水培蕹菜生长，而较高浓度则出现抑制，这可能与其特殊成分的变化有关，有待进一步开展研究。沼液作为有机肥用于蕹菜种植时，应注意控制沼液的施加量，建议以0.24%～0.60%浓度范围(折纯氮含量3.76～9.41 mg/L)为宜。

致谢：感谢井冈山大学叶子飘教授提供光合分析模型及计算软件。