適量供鋅明顯提高平邑甜茶幼苗碳氮吸收和同化效率

于 波，秦嗣軍，呂德國(guó)

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院/遼寧省果樹品質(zhì)發(fā)育與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110866）

氮作為蘋果生長(zhǎng)發(fā)育所必需的重要營(yíng)養(yǎng)元素，是蘋果生長(zhǎng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)蘋果器官建成、物質(zhì)代謝、產(chǎn)量及品質(zhì)形成等過程發(fā)揮著不可替代的作用[1]。然而，由于果農(nóng)片面追求高產(chǎn)和大果，我國(guó)蘋果生產(chǎn)中氮肥過量施用現(xiàn)象普遍，氮肥的過量施用不僅增加了果農(nóng)的生產(chǎn)成本，降低了氮肥的利用率，還間接造成了土壤酸化、地下水污染以及水體富營(yíng)養(yǎng)化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[2-3]。因此，提高氮肥利用率，促進(jìn)氮素高效利用，減少過量施氮帶來的資源和環(huán)境負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)蘋果優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)是當(dāng)前蘋果生產(chǎn)面臨的重要問題[4]。

鋅作為植物所必需的微量元素，既可以在植物體內(nèi)的酶促反應(yīng)中作為酶的金屬組分，又可以作為輔助因子對(duì)植物體內(nèi)酶起到調(diào)節(jié)、穩(wěn)定和催化作用，在優(yōu)化酶結(jié)構(gòu)、提高光合作用、促進(jìn)糖的運(yùn)輸以及果實(shí)產(chǎn)量、品質(zhì)的調(diào)控等方面具有重要作用[5]。相關(guān)研究表明，適量供鋅可以促進(jìn)植株根系生長(zhǎng)，增強(qiáng)根系活力，提高葉片葉綠素含量，延長(zhǎng)葉片功能期，提高凈光合速率，促進(jìn)碳水化合物的運(yùn)輸和分配，提高作物產(chǎn)量[6-8]。過量供鋅顯著降低了玉米總根長(zhǎng)、總根表面積、總根數(shù)及總根體積[9]，供鋅不足則會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧 (ROS) 含量增加，細(xì)胞代謝紊亂，植物生長(zhǎng)發(fā)育受阻[10]。氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)元素，鋅對(duì)植株氮素的吸收利用也有顯著影響。相關(guān)研究表明，增施鋅肥能有效促進(jìn)氮素向“庫(kù)”的積累與分配，顯著提高棉花氮素的積累[11]。鋅通過促進(jìn)根系生長(zhǎng)、增大根系表面積、提高根系活力等作用直接促進(jìn)植株對(duì)氮素的吸收[12]。王曉云等[13]研究表明，過量供鋅會(huì)使得姜苗根系活力、器官全氮量、葉片硝酸還原酶(NR)活性均呈現(xiàn)不同程度的降低，抑制了植株對(duì)氮素的吸收與利用?？梢?，土壤中鋅含量的高低會(huì)影響植株對(duì)氮素的吸收利用。當(dāng)前，我國(guó)蘋果生產(chǎn)中鋅不足與過量現(xiàn)象并存[14-16]。土壤中鋅含量的不適宜可能是導(dǎo)致蘋果氮素利用率低的原因之一，迄今為止關(guān)于鋅對(duì)蘋果氮素吸收利用及分配影響的研究尚未見報(bào)道，相關(guān)生理機(jī)制有待深入研究。碳氮代謝是植株體內(nèi)兩大主要的代謝過程，兩者緊密聯(lián)系[17]。鋅顯著影響植株碳代謝[18]，而碳代謝與氮代謝在代謝過程與能量水平上互相影響，鋅對(duì)氮素的吸收利用的影響可能與鋅對(duì)碳代謝影響有關(guān)。因此本研究以蘋果生產(chǎn)中常用的砧木平邑甜茶為試材，發(fā)揮其植株整齊度高、根系對(duì)環(huán)境變化較敏感的特點(diǎn)，結(jié)合蘋果喜硝[19]特性，應(yīng)用13C與15N同位素示蹤技術(shù)，探究不同鋅水平下蘋果砧木15NO3–-N吸收利用及分配特性的差異，以及13C光合同化物在各器官的積累及分配情況，從植株體內(nèi)碳氮代謝角度出發(fā)，為鋅直接或間接影響蘋果氮素吸收利用提供有力證據(jù)，進(jìn)而為蘋果生產(chǎn)中氮素利用率的提高提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年3—8月在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)果樹科研基地進(jìn)行。以一年生蘋果砧木平邑甜茶幼苗為試材，選取生長(zhǎng)均勻一致的幼苗移栽到裝滿石英砂 (消毒后洗凈晾干) 的營(yíng)養(yǎng)缽中 (盆高 21 cm，直徑 21 cm，每盆裝石英砂4 kg)。石英砂為普通石英砂 (含SiO290%～99%)，規(guī)格為 120～150 μm。移栽后緩苗1周，期間澆灌去離子水。在Han等[20]營(yíng)養(yǎng)液配方的基礎(chǔ)上去掉其中Zn2+配制基本營(yíng)養(yǎng)液 (營(yíng)養(yǎng)液主要成分如下：KNO31 × 10–3、Ca(NO3)2·4H2O 1.6 × 10–3、CaCl20.162 × 10–3、Mg(NO3)2·6H2O 0.5 × 10–3、MgSO40.356 × 10–3、KH2PO41 × 10–3、CuSO4·5H2O 3.91 ×10–3、MnCl2·4H2O 3.9 × 10–3、H3BO31 × 10–2、EDTAFe-Na 4.4 × 10–5、(NH4)6Mo7O243.3 × 10–5mol/L)。緩苗結(jié)束后，先用1/2濃度營(yíng)養(yǎng)液預(yù)處理澆灌一周，之后用完全營(yíng)養(yǎng)液澆灌。

于5月25日開始澆灌含不同濃度Zn2+營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行正式處理，每隔3天澆一次營(yíng)養(yǎng)液，每次澆營(yíng)養(yǎng)液前用去離子水沖洗3～5次 (洗凈之前鋅殘留的同時(shí)防止鹽分累積)，再澆灌新的營(yíng)養(yǎng)液，每盆澆營(yíng)養(yǎng)液 0.5 L。試驗(yàn)設(shè) 5個(gè)鋅 (Zn2+)濃度處理：0 (Zn0)、2.0 (Zn2)、4.0 (Zn4)、8.0 (Zn8)、16.0 (Zn16) μmol/L，其中 Zn 均由 ZnSO4·7H2O (分析純) 提供。每個(gè)處理重復(fù)10盆 (各處理試材均分為兩組，一組用于后續(xù)同位素標(biāo)記，一組不進(jìn)行標(biāo)記，每組各5盆)，每盆5 株 (即，Zn0、Zn2、Zn4、Zn8 和 Zn16 處理單株幼苗累積施入鋅質(zhì)量分別為0、0.13、0.26、0.52、1.04 mg)。每次澆灌營(yíng)養(yǎng)液時(shí)每盆加入 Ca (15NO3)20.01 g(共施入0.1 g分10次標(biāo)記完成) 用于15N標(biāo)記[標(biāo)記所用Ca (15NO3)2為上?；ぱ芯吭荷a(chǎn)，豐度為10.16%]。同時(shí)于正式處理25 天后進(jìn)行13C標(biāo)記，標(biāo)記物選用Ba13CO3(13C豐度為98%)，用量為0.2 g/plant。將幼苗與標(biāo)記物、風(fēng)扇、還原鐵粉一同放入密封標(biāo)記室內(nèi) (標(biāo)記室由透明薄膜做成)，于上午9:30開始標(biāo)記，開動(dòng)風(fēng)扇，然后用注射器向裝有Ba13CO3的燒杯中注入一定量的 1 mol/L HCl溶液 (為保證Ba13CO3反應(yīng)充分，HCl溶液應(yīng)過量)，13C標(biāo)記時(shí)間為4 h。同時(shí)另選3盆不進(jìn)行標(biāo)記，記作空白對(duì)照，各處理分別于標(biāo)記后24、48、96 h對(duì)試材進(jìn)行破壞性采樣，用于13C測(cè)定。于處理第30天取樣測(cè)定幼苗其他指標(biāo)。

1.2 測(cè)定指標(biāo)和方法

1.2.1 植株葉片光合參數(shù)的測(cè)定 各處理隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)一致植株各5株，用CIRAS-2型光合儀測(cè)定葉片的光合能力。選擇幼苗新梢頂部第5～6片葉片，記錄凈光合速率 (Pn)、氣孔導(dǎo)度 (gs) 與胞間CO2濃度 (Ci)。用FMS-2便攜脈沖調(diào)制式熒光儀測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。測(cè)定Fv/Fm時(shí)用密閉式適配器配合暗適應(yīng)夾暗適應(yīng)30 min后測(cè)定，測(cè)定非光化學(xué)猝滅系數(shù)（qN）、光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）、電子傳遞速率（ETR)時(shí)將光下的葉片加上暗適應(yīng)夾 (無需暗適應(yīng))，然后將密閉式適配器扣在暗適應(yīng)夾上，設(shè)置光源為 800 μmol/(m2·s)。

1.2.2 植株生物量、根系形態(tài)與根系活力的測(cè)定各處理隨機(jī)選取5株長(zhǎng)勢(shì)一致幼苗，分成根、莖、葉3部分，放入烘箱于105℃殺青30 min，隨后80℃烘干至恒重，進(jìn)行各器官生物量測(cè)定。

每處理另選取3株長(zhǎng)勢(shì)一致幼苗，將根部用去離子水清洗后平鋪于透明塑料板上，用WinRHIZO(2007版) 根系分析軟件進(jìn)行掃描分析；同時(shí)采用氯化三苯基四氮唑 (TTC) 法測(cè)定根系活力，根系活力 [μg/ (g·h)]用四氮唑的還原強(qiáng)度來表示[21]。

1.2.3 酶活性的測(cè)定 硝酸還原酶 (NR)、二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)和蔗糖磷酸合成酶 (SPS) 活性參照趙世杰等[22]的方法測(cè)定。

1.2.4 植株15N及13C豐度測(cè)定 植株取樣后，分為根、莖、葉3部分，在105℃下殺青30 min，80℃烘干至恒重后用不銹鋼電磨粉碎過0.25 mm篩，樣品15N與13C豐度的測(cè)定用MAT-251質(zhì)譜儀，由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所完成。

1.2.5 植株各器官鋅含量測(cè)定 先去除幼苗表面附著的鋅 (用自來水沖洗，而后在 Na2-EDTA 20 mmol/L溶液浸泡15 min)，后用去離子水反復(fù)沖洗并用紙擦干，再將植株分解為根、莖、葉3部分，在105℃下殺青30 min，80℃烘干至恒重后參照Zarcinas等[23]的方法，將樣品先用HNO3–HClO4消煮提取，后用SP9-400型原子吸收分光光度計(jì) (PYE公司，英國(guó))測(cè)定植株各器官鋅含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.115N的相關(guān)計(jì)算公式 氮素吸收征調(diào)能力(Ndff) = (植物樣品中15N 豐度 % -15N 自然豐度 %) /(肥料中15N 豐度 % -15N 自然豐度 %) × 100%；

器官全氮量 = 器官生物量 × 氮含量；

氮肥利用率 = [Ndff × 器官全氮量 (g)]/施肥量 (g)×100%。

1.3.213C 的相關(guān)計(jì)算公式

式中：F為13C豐度；RPBD為碳同位素的標(biāo)準(zhǔn)比值(0.0112372)。

各器官13C 積累量：13Ci= (Fi－Fnl) ×TC/100 × 1000式中：13Ci為i器官13C的積累量 (mg)；TC為各組分所含的總碳量 (g)；Fi與Fnl分別為標(biāo)記植株與未標(biāo)記植株13C 豐度 (%)。

用 Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用 SPSS 19.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。表中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供鋅水平對(duì)平邑甜茶生長(zhǎng)和根系活力的影響

2.1.1 不同供鋅水平下平邑甜茶的生物量 表1顯示，不同供鋅水平下幼苗各器官生物量均以葉最高、根次之、莖最低。隨著供鋅水平的提高，平邑甜茶的生物量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，Zn4處理平邑甜茶根、莖、葉生物量最大，其值分別為對(duì)照處理的1.43、1.62和1.49倍；隨著供鋅水平的進(jìn)一步提高，平邑甜茶各器官生物量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，Zn16處理平邑甜茶根、莖、葉生物量雖僅為Zn4處理的0.79、0.75和0.78倍，但仍高于Zn0處理。

表1 不同供鋅水平下平邑甜茶的生物量 (g/plant)Table 1 Biomass of Malus hupehensis seedlings under different Zn levels

2.1.2 不同供鋅水平下平邑甜茶幼苗的根系形態(tài)與根系活力 由表2可知，與對(duì)照處理相比，供鋅處理 (Zn2、Zn4、Zn8、Zn16) 均不同程度地提高了平邑甜茶根系長(zhǎng)度、根系總表面積、根尖數(shù)，促進(jìn)了根系的生長(zhǎng)。當(dāng)供鋅水平為0～4.0 μmol/L時(shí)，隨著供鋅水平的提高，根系長(zhǎng)度、根系總表面積與根尖數(shù)逐漸升高，在Zn4處理時(shí)達(dá)到最高，其值分別為987.31 cm、445.76 cm2和 8742 個(gè)，較對(duì)照提升了79.83%、68.84%和91.2%。當(dāng)供鋅水平為4.0～16.0 μmol/L時(shí)，平邑甜茶根系長(zhǎng)度、根系總表面積、根尖數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，Zn16處理下平邑甜茶根系長(zhǎng)度、根系總表面積以及根尖數(shù)僅為Zn4處理的0.67、0.68、0.66倍，但仍高于Zn0處理。可見，當(dāng)供鋅水平為4.0 μmol/L時(shí)最有利于平邑甜茶根系的生長(zhǎng)。

平邑甜茶幼苗根系活力受供鋅水平影響顯著(表2)。平邑甜茶幼苗根系活力隨著供鋅水平的提高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在Zn4處理時(shí)達(dá)到最大值 108.6 μg/ (g·h) ，是對(duì)照處理的 2.1 倍?？梢娺m宜供鋅提高了根系活力，提高了對(duì)養(yǎng)分的吸收能力。

表2 不同供鋅水平下平邑甜茶幼苗的根系形態(tài)與根系活力Table 2 Root architecture parameters and root activity of Malus hupehensis seedlings under different Zn levels

2.2 不同供鋅水平下平邑甜茶各器官鋅含量

由表3可知，平邑甜茶幼苗各器官鋅含量均隨著鋅水平的升高而上升，幼苗各器官鋅含量在Zn16處理下達(dá)到最大值。其根系鋅含量分別為Zn0、Zn2、Zn4和 Zn8處理的 36.72、15.64、4.34和2.14倍。幼苗各器官內(nèi)鋅含量表現(xiàn)為地下部 ＞ 地上部，當(dāng)施鋅濃度較高時(shí)，鋅主要在根系中累積，減輕了對(duì)地上部的毒害。

表3 不同供鋅水平下平邑甜茶各器官鋅含量Table 3 Zinc concentration of different organs of Malus hupehensis seedlings under different Zn levels

2.3 不同供鋅水平對(duì)平邑甜茶碳代謝的影響

2.3.1 不同供鋅水平下平邑甜茶的光合參數(shù) 由表4可知，平邑甜茶幼苗的光合參數(shù)受供鋅水平影響顯著。Zn0處理下植株凈光合速率 (Pn) 與氣孔導(dǎo)度 (gs)最低，其值分別為Zn4處理的0.65和0.71倍。當(dāng)供鋅水平為0～4.0 μmol/L時(shí)，隨著供鋅水平的提高，葉片凈光合速率 (Pn)、氣孔導(dǎo)度 (gs) 逐漸增加，在Zn4處理下達(dá)到最大值，其值分別為CK處理的1.55和1.41倍。隨著供鋅水平的繼續(xù)提高，葉片凈光合速率與氣孔導(dǎo)度表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，但仍高于CK處理。不同于葉片凈光合速率 (Pn) 與氣孔導(dǎo)度 (gs) 變化特征，各處理葉片胞間CO2濃度 (Ci) 表現(xiàn)為隨著供鋅濃度的提高先下降后升高，Zn4處理葉片胞間CO2濃度 (Ci) 最低。

表4 不同供鋅水平下平邑甜茶植株的光合參數(shù)Table 4 Photosynthesis parameters of Malus hupehensis seedlings under different Zn levels

2.3.2 不同供鋅水平下平邑甜茶葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)

由不同供鋅水平對(duì)平邑甜茶葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響(表5)可知，Zn4處理Fv/Fm、ETR以及qP最高，與Zn4處理相比，各處理Fv/Fm、ETR和qP均有不同程度降低，其中以CK處理降幅最大，其值僅為Zn4處理的0.92、0.73和0.88倍。與Fv/Fm、ETR和qP變化趨勢(shì)相反，Zn0處理qN最大，Zn4處理最低，僅為Zn0處理的0.86倍。可見，不適宜供鋅水平均會(huì)通過抑制光化學(xué)效率和光合電子傳遞等方式來抑制葉片光合作用。

表5 不同供鋅水平下平邑甜茶葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)Table 5 Chlorophyll fluorescence parameters of Malus hupehensis seedlings under different Zn levels

2.3.3 不同供鋅水平下平邑甜茶碳代謝酶活性 為了探究供鋅水平對(duì)碳代謝的影響，測(cè)定了葉片中蔗糖磷酸合成酶 (SPS) 以及Rubsico活性。由圖1可知，葉片蔗糖磷酸合成酶 (SPS) 和Rubsico活性均在Zn4處理下達(dá)到最大值，分別為96.6 mg/(g·h)和8.4 μmol/(g·min)，Zn0 處理其值分別為 50.33 mg/(g·h)和 4.28 μmol/(g·min)，僅為 Zn4 處理的 0.52 和 0.51倍；而在Zn16處理下則分別下降了28.36%和25.00%。這些結(jié)果表明，供鋅不足與過量均會(huì)顯著抑制葉片碳代謝酶活性，且低鋅抑制效果較高鋅更為明顯。

圖1 不同供鋅水平下平邑甜茶幼苗葉片SPS和Rubsico活性Fig. 1 SPS and Rubsico activity of Malus hupehensis seedlings under different Zn levels

2.3.4 不同供鋅水平下平邑甜茶各器官13C積累量

由幼苗各器官13C積累量隨時(shí)間的變化(表6)可知，13C標(biāo)記完成后，根與莖中13C積累量隨著時(shí)間的推移逐漸增加，而葉片中卻呈現(xiàn)相反的變化特征。同一取樣時(shí)間下，幼苗各器官13C積累量隨著供鋅水平的提高呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，Zn4處理下幼苗各器官13C積累量最高。在13C標(biāo)記96 h后，Zn4處理幼苗根、莖和葉的13C積累量較對(duì)照分別提高了136.8%、63.9%和28.2%，Zn4處理下植株13C 積累量為 1.95 mg，為 Zn0 處理 (1.26 mg)的1.55倍。

表6 不同供鋅水平下平邑甜茶各器官13C積累量 (mg/plant)Table 6 13C accumulation of Malus baccata Borkh. seedlings under different Zn levels

2.3.5 不同供鋅水平下平邑甜茶各器官13C分配率

由幼苗各器官13C分配率隨時(shí)間的變化 (表7）可知，13C標(biāo)記24 h后，各處理幼苗各器官13C分配率均表現(xiàn)為葉片 ＞ 莖 ＞ 根，隨著標(biāo)記時(shí)間的延長(zhǎng)，葉片中13C分配率逐漸下降，而根莖中13C分配率則逐漸上升，但仍表現(xiàn)為葉片 ＞ 莖 ＞ 根 (表 7)。13C 標(biāo)記 96 h后，隨著供鋅水平的提高，根中13C分配率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在Zn4處理下達(dá)到最大值，為23.1%，為Zn0處理(15.1%)的1.53倍。由此表明，Zn4處理下根系13C競(jìng)爭(zhēng)能力最強(qiáng)，促進(jìn)了13C從葉片向根系的運(yùn)輸。

表7 不同供鋅水平下平邑甜茶13C分配率 (%)Table 7 13C allocation rate of Malus hupehensis seedlings under different Zn levels

2.4 不同供鋅水平對(duì)平邑甜茶氮代謝的影響

2.4.1 不同供鋅水平下平邑甜茶葉片硝酸還原酶活性

如圖2所示，隨著供鋅水平的增加，幼苗葉片NR活性呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，Zn4處理下達(dá)到最大值，為 103.25 μg/ (g·h)。Zn0 處理葉片 NR 活性僅為Zn4處理的0.60倍；在Zn16處理下，葉片NR活性下降了28.96%。

圖2 不同供鋅水平下平邑甜茶幼苗葉片NR活性Fig. 2 Nitrate reductase activity in leaves of Malus hupehensis seedlings under different Zn levels

2.4.2 不同供鋅水平下平邑甜茶15N吸收量、15N利用率以及15N分配率15N同位素示蹤結(jié)果表明，不同鋅水平下蘋果幼苗對(duì)15N的吸收和利用率存在顯著差異。Zn4處理平邑甜茶幼苗的15N吸收量顯著高于其他處理，分別是Zn0和Zn16處理的2.19和1.50倍。幼苗15N利用率表現(xiàn)與15N吸收量趨勢(shì)相同，均以Zn4處理最大、Zn8處理其次、Zn0處理最小。植株全氮量呈現(xiàn)出 Zn4 ＞ Zn8 ＞ Zn16 ＞ Zn2 ＞Zn0 的趨勢(shì) (表 8)。

表8 不同供鋅水平下平邑甜茶各器官Ndff值和15N吸收量和利用率Table 8 Ndff value，15N absorption and 15N utilization rate of Malus hupehensis seedlings under different Zn levels

圖3反映了不同處理下15N在幼苗各器官的分配狀況。Zn0和Zn2處理下幼苗吸收的15N主要分布在根部，15N分配率表現(xiàn)為根最大、葉其次、莖最小，而隨供鋅水平的提高，幼苗吸收的15N向葉片轉(zhuǎn)移增多。Zn4、Zn8和Zn16處理下幼苗的15N分配率均表現(xiàn)為葉 ＞ 根 ＞ 莖。其中，Zn0處理幼苗葉片最低，為36.42%；Zn4處理下幼苗葉片的15N分配率最高，為43.06%，為Zn0處理的1.18倍。由此可見，供鋅水平會(huì)影響蘋果砧木幼苗對(duì)氮素的吸收利用和分配，適宜的供鋅可促進(jìn)蘋果幼苗對(duì)15N的吸收利用，鋅不足與鋅過量則會(huì)抑制15N的吸收利用以及由根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖3 不同供鋅水平下平邑甜茶幼苗各器官15N分配率Fig. 3 The 15N distribution of Malus hupehensis seedlings under different Zn levels

3 討論

3.1 供鋅水平對(duì)平邑甜茶幼苗根系生長(zhǎng)和13C同化及分配的影響

根系是植株生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，其生長(zhǎng)發(fā)育狀況可以有效反映植物對(duì)養(yǎng)分的吸收能力[24]。鋅水平不僅影響了根系的生長(zhǎng)，還影響了根系的形態(tài)[25]。低鋅水平下玉米的根鮮重、根尖數(shù)、總根長(zhǎng)、總吸收面積和根系活力均明顯降低[26]。汪洪等[27]在水稻上研究發(fā)現(xiàn)，適宜的鋅水平促進(jìn)了根系生長(zhǎng)，提高根系總根長(zhǎng)、總表面積，改善了幼苗根系形態(tài)，從而有利于水稻生長(zhǎng)。王佳[28]研究表明，適當(dāng)增施鋅肥顯著促進(jìn)了冬小麥根系的生長(zhǎng)和幼苗地上部的生長(zhǎng)，但過量鋅肥則對(duì)小麥根系有抑制作用。與前人研究結(jié)果一致，本研究表明，Zn4處理下幼苗根系生長(zhǎng)最好，與Zn4處理相比，Zn0 和Zn16 處理下幼苗根系長(zhǎng)度、根系總表面積以及根尖數(shù)均顯著下降。這可能是因?yàn)樵谌变\脅迫下根系生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵基因表達(dá)降低[29]，生長(zhǎng)素含量[30]及其分配發(fā)生改變[31]，進(jìn)而影響了根系的生長(zhǎng)發(fā)育[32]；而當(dāng)供鋅水平過高時(shí)，植株根系積累大量鋅，造成鋅中毒現(xiàn)象，使得根系伸長(zhǎng)受到抑制，根系生長(zhǎng)不良[33]。

光合作用是根系生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，根系生長(zhǎng)發(fā)育及其功能開展所需能量主要來源于葉片的光合作用以及光合同化物[34]。因此葉片光合同化物由葉片向根系的有限運(yùn)輸也解釋了為什么不適宜的鋅水平影響根系的生長(zhǎng)。本研究在前人關(guān)于鋅對(duì)光合作用影響的基礎(chǔ)上，采用13C同位素示蹤技術(shù)，研究鋅水平對(duì)幼苗葉片光合同化物合成及分配的影響。結(jié)果表明，不同鋅水平對(duì)葉片光合同化物合成及分配影響顯著。幼苗13C同化積累量在Zn4處理下達(dá)到最高。低鋅與高鋅處理下幼苗13C同化積累量均顯著減少，表明低鋅與高鋅處理削弱了葉片對(duì)碳的固定，抑制了光合產(chǎn)物的合成。13C分配率是各器官對(duì)光合同化物競(jìng)爭(zhēng)能力的體現(xiàn)，根系13C分配率與根系生物量呈顯著正相關(guān)，根系13C分配率越高，根系生長(zhǎng)發(fā)育狀況越好[35]。進(jìn)一步分析各處理下幼苗根系13C分配率可知，低鋅與高鋅處理顯著降低了幼苗根系13C分配率?？梢?，供鋅不足或過量在抑制光合產(chǎn)物合成的同時(shí)，削弱了根系對(duì)13C同化物的競(jìng)爭(zhēng)力，抑制了光合產(chǎn)物由葉片向根系的運(yùn)輸，降低了根系13C分配率，進(jìn)而影響了根系的生長(zhǎng)。光合作用是葉片光合同化物合成的前提[8]。對(duì)幼苗葉片氣體交換參數(shù)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，低鋅與高鋅處理下，葉片凈光合速率 (Pn) 與氣孔導(dǎo)度 (gs) 均顯著下降，伴隨著凈光合速率 (Pn)與氣孔導(dǎo)度 (gs) 的下降，胞間 CO2濃度 (Ci) 增高。表明低鋅與高鋅處理導(dǎo)致的光合速率下降為非氣孔限制。進(jìn)一步分析葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)可知，低鋅和高鋅處理下葉片F(xiàn)v/Fm、qP和ETR均顯著低于Zn4(Zn2+4.0 μmol/L) 處理，說明幼苗葉片 PSII反應(yīng)中心的光化學(xué)效率以及電子傳遞效率在低鋅和高鋅水平下均受到抑制。Rubisco與SPS是葉片碳代謝過程中的關(guān)鍵酶，直接影響了光合產(chǎn)物的合成及其在植株各器官的分配[36]。Xu等[37]研究認(rèn)為，葉片Rubisco與SPS活性越高，越有利于同化物向根系的運(yùn)輸。與前人研究結(jié)果相似，在本試驗(yàn)中，低鋅與高鋅處理下葉片Rubisco與SPS活性均顯著低于適宜供鋅(Zn2+4.0 μmol/L) 處理，這與根系13C 分配率對(duì)供鋅水平的響應(yīng)規(guī)律一致。可見，低鋅和高鋅處理削弱了葉片光合作用，抑制碳代謝相關(guān)酶活性，阻礙了葉片光合產(chǎn)物的合成及其向根系的運(yùn)輸，影響了根系生長(zhǎng)，進(jìn)而影響了幼苗對(duì)氮素的吸收。

砧木為蘋果提供了根系，根系生長(zhǎng)發(fā)育的優(yōu)劣是蘋果氮素高效吸收利用的前提[19,34]。蘋果對(duì)缺鋅極為敏感[15]，因此在果園生產(chǎn)中應(yīng)因地制宜，結(jié)合蘋果園當(dāng)?shù)赝寥乐袖\含量水平，相應(yīng)選擇耐性較好的或鋅高效型蘋果砧木，從而保障蘋果對(duì)氮素的高效吸收利用。

3.2 供鋅水平對(duì)平邑甜茶幼苗硝態(tài)氮吸收利用及分配的影響

營(yíng)養(yǎng)元素間的交互作用對(duì)改善植物營(yíng)養(yǎng)元素的吸收、提高肥效等具有重要作用[38]。聶兆君等[39]研究表明，土壤增施鋅肥促進(jìn)了冬小麥對(duì)氮素的吸收利用。韓金玲等[40]研究指出，增施鋅肥促進(jìn)了小麥開花前后氮素的吸收積累及向籽粒的運(yùn)轉(zhuǎn)，提高了小麥籽粒的氮含量。Cakmak等[41]指出，缺鋅顯著降低了棉花、向日葵和蕎麥等植物對(duì)硝酸鹽的吸收。郭九信等[42]研究發(fā)現(xiàn)，鋅對(duì)小麥莖和籽粒中氮含量及積累量呈現(xiàn)劑量調(diào)控效應(yīng)，即在一定范圍內(nèi)，隨著鋅水平的提高，莖和籽粒中氮含量及積累量逐漸增加。本研究，采用15N同位素標(biāo)記技術(shù)，分析不同鋅水平對(duì)平邑甜茶幼苗氮素吸收及分配的影響。15N 示蹤結(jié)果表明，Zn4 (Zn2+4.0 μmol/L)處理對(duì)15N的吸收量與利用率遠(yuǎn)高于其他處理。這可能是由于 Zn4 (Zn2+4.0 μmol/L) 處理促進(jìn)了根系生長(zhǎng)發(fā)育，改善了幼苗的根系形態(tài)，提高了根系活力，較好的根系形態(tài)與較高的根系活力促進(jìn)了幼苗對(duì)氮的吸收。此外，植株根系吸收氮素以及氮素在植株體內(nèi)的同化所需的能量與碳骨架均來源于葉片光合作用與碳代謝[43]。因此，Zn2+4.0 μmol/L 處理下植株15N利用率最高可能還與該處理提高了葉片凈光合速率以及光合電子傳遞效率，使得光合碳骨架合成以及能量增加有關(guān)。進(jìn)一步分析15N分配率發(fā)現(xiàn)，低鋅與高鋅處理下葉中15N分配率較低，適宜供鋅Zn4 (Zn2+4.0 μmol/L) 處理下葉片中15N 分配率較高，這表明適宜供鋅 (Zn2+4.0 μmol/L) 處理在提高根系對(duì)氮素吸收的同時(shí)，還促進(jìn)了氮素從地下部向地上部的運(yùn)輸。低鋅與高鋅處理均抑制了氮素從地下部到地上部的運(yùn)輸，不利于葉片中氮素的積累。這與韓金玲等[40]在小麥上的研究結(jié)論相似。Han等[44]研究發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)氮素從地下部到地上部的運(yùn)輸，提高葉片中氮素的分配比例，有助于提高葉片對(duì)光能的利用效率，增強(qiáng)葉片光合固碳能力，促進(jìn)植株體內(nèi)的氮素同化與能量轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步促進(jìn)了根系對(duì)氮素的吸收，提高了氮素利用率。因此，適宜供鋅 (Zn2+4.0 μmol/L) 處理下幼苗15N利用率最高，還可能與該處理下葉片中15N分配率較高有關(guān)。

氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中需求量最大的元素之一，對(duì)植株器官建成、物質(zhì)合成與代謝等過程發(fā)揮著不可替代的作用[19]。有關(guān)鋅對(duì)植株氮代謝的影響在冬小麥[28]、棉花[11]和苦瓜[18]上均有所報(bào)道。硝酸還原酶 (NR) 是調(diào)節(jié) NO3-同化途徑限速的關(guān)鍵酶，在植株體內(nèi)氮素同化過程中發(fā)揮著重要作用，顯著影響了植株氮素的吸收與同化[45]。在水稻[46]、苦瓜[18]上的研究均表明，適量增施鋅肥有助于提升NR活性，促進(jìn)了氮素在植株體內(nèi)的同化利用。本試驗(yàn)結(jié)果表明，幼苗各器官鋅含量隨著供鋅水平的提高呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且均在 Zn16 (Zn2+16.0 μmol/L) 處理下達(dá)到最高。與此同時(shí)，在一定鋅濃度范圍內(nèi)，葉片NR活性隨著鋅濃度的增加而升高，且在Zn4 (Zn2+4.0 μmol/L) 處理下NR活性達(dá)到最高，而此時(shí)幼苗各器官鋅濃度處于中等水平，隨著供鋅水平的繼續(xù)提高，葉片NR活性逐漸下降?？梢姡m量供鋅有助于提高葉片NR活性，而供鋅不足與過量均抑制了NR活性，其原因可能是因?yàn)殇\不足與過量均打破了植株體內(nèi)鋅的平衡狀態(tài)。結(jié)合以上研究結(jié)果建議，在果園生產(chǎn)中，果農(nóng)可在果樹需氮關(guān)鍵時(shí)期，在氮肥施用的基礎(chǔ)上適量配施鋅肥來提高氮素利用率，促進(jìn)氮素高效利用。

綜上，本研究分析比較了不同供鋅水平下幼苗氮素吸收、利用及分配的差異，有助于探明鋅對(duì)蘋果植株氮素吸收利用的影響機(jī)制，為生產(chǎn)上蘋果園氮素利用率的提高提供了新思路。為提高結(jié)果的可靠性，相關(guān)研究還需在大田條件下進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

供鋅不足與過量均抑制了幼苗對(duì)氮素的吸收利用。適量供鋅一方面通過改善葉片光合作用，提高了葉片碳代謝相關(guān)酶活性，加強(qiáng)了葉片對(duì)碳的固定；提高了根系對(duì)光合產(chǎn)物的競(jìng)爭(zhēng)力，加強(qiáng)了葉片光合同化物向根系的運(yùn)輸，促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育的同時(shí)，改善了根系形態(tài)，提高了根系活力，進(jìn)而增強(qiáng)了幼苗對(duì)氮素的吸收。另一方面，促進(jìn)了氮素從根系向葉片的運(yùn)輸，同時(shí)提高了葉片硝酸還原酶活性，提高了幼苗對(duì)氮素的同化利用能力，從而進(jìn)一步促進(jìn)了幼苗對(duì)氮素的吸收。