陳迪文，黃 瑩，盧穎林，敖俊華，周文靈，黃振瑞，江 永

(廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業(yè)研究所) 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點試驗室，廣東 廣州 510316)

低pH條件下鉀對液培甘蔗幼苗生長及根系形態(tài)的影響

陳迪文，黃 瑩，盧穎林，敖俊華，周文靈，黃振瑞，江 永*

(廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業(yè)研究所) 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點試驗室，廣東 廣州 510316)

本研究采用液培方法模擬在低pH條件下，不同鉀水平(0.1、3、6 mmol/L)對甘蔗幼苗生長及根系形態(tài)的影響。研究結(jié)果表明，在低pH液培條件下供鉀不足時(0.1 mmol/L)，甘蔗幼苗干物質(zhì)量下降，株高降低，根冠比增大，根系形態(tài)參數(shù)包括根總長、根平均直徑、根總表面積與根總體積均顯著減小，根系活力下降，植株鉀含量降低。當鉀水平提高到3 mmol/L時則可以恢復正常生長，但當鉀水平繼續(xù)升高到6 mmol/L時則會減少根總長與根總體積，對根系生長不利。

低pH；甘蔗；鉀；根系形態(tài)；液培

0 引言

我國糖料甘蔗產(chǎn)區(qū)主要集中在華南熱帶區(qū)域如廣西、云南和廣東等省份，這些地區(qū)由于高溫高濕的氣候條件以及大量使用化肥的長期連作模式導致土壤酸化嚴重，從而影響甘蔗生長，降低甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)，制約甘蔗產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展[1]。鉀是作物生長必需的大量營養(yǎng)元素之一，在維持細胞生理代謝，增強作物抗逆性方面具有重要作用[2]。甘蔗是喜鉀作物[3]，研究表明，缺鉀會導致苗期甘蔗生長矮小，葉色加深，生物量顯著下降[4]。根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官，在不同的環(huán)境條件下根系為了適應不同環(huán)境條件會形成不同的形態(tài)特征來適應環(huán)境，增加植物對不良環(huán)境的抗性。因此，探討低pH條件下鉀對甘蔗幼苗生長和根系形態(tài)的影響，對甘蔗育苗及生產(chǎn)具有重要參考價值。研究表明，在組培條件下，甘蔗根系形態(tài)參數(shù)包括根總長、根平均直徑、根總表面積與根總體積在一定范圍內(nèi)均隨著培養(yǎng)基鉀水平的升高而顯著增大[5]。另外，在鹽脅迫下供鉀能促進甘蔗生長，增加甘蔗生物量、根長、株高和根冠比，增強甘蔗耐鹽性[6]。本研究采用液培方法模擬低pH環(huán)境，研究不同鉀水平對甘蔗幼苗生長及根系形態(tài)指標參數(shù)的影響，為我國甘蔗生產(chǎn)提供相關參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗采用的甘蔗品種為：粵糖60號。

1.2 試驗設計

挑選靠近生長點的健康種莖，斬成長度為10 cm的單芽苗，經(jīng)400倍多菌靈稀釋液浸泡5 min后，放于育苗盤內(nèi)用干凈河沙覆蓋育苗，待第4片真葉完全展開后，選取生長一致的甘蔗幼苗，移栽到純凈水中培養(yǎng)3天后轉(zhuǎn)入營養(yǎng)液中，日光溫室內(nèi)培養(yǎng)。試驗設置4個處理，分別為：pH6K6，K 6 mmol/L，pH 6.0(常規(guī)營養(yǎng)液鉀水平和pH水平)；pH4K0.1，K 0.1 mmol/L，pH 4.0(低pH、低鉀)；pH4K3，K 3 mmol/L，pH 4.0(低pH、中鉀)；pH4K6，K 6 mmol/L，pH 4.0(低pH、高鉀)，各處理重復6次。各處理的營養(yǎng)液大、中量元素配方見表1，微量元素配方為通用配方[7]。培養(yǎng)期間每天用pH計和0.1 mol/L NaOH或0.1 mol/L鹽酸調(diào)節(jié)所有處理的營養(yǎng)液pH值至指定值，每隔5天完全更換一次營養(yǎng)液，營養(yǎng)液用通氣泵間歇性通氣，每隔2 h通氣30 min。培養(yǎng)至幼苗開始拔節(jié)(約65～70天)時收獲進行測量分析。

1.3 樣品采集與測定

將根系用純水洗凈與地上部分別進行收集，用根系掃描儀(EPSON expression 10000XL)對根系進行掃描，并用根系分析系統(tǒng)(WinRHIZO-LA2400)分析統(tǒng)計各項根系形態(tài)參數(shù)；根系活力參照李合生的方法進行[8]；用直尺測定株高，株高為莖基部到植株最高可見肥厚帶的距離，同時將根系最大根長度/株高的比值定義為根冠比；將地上部和根系烘干后分別稱量測定干重并計算總干重，樣品粉碎后通過硫酸-雙氧水消煮，火焰光度計法測定鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)，SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析，方差分析采用最小顯著性差異法(LSD)。

表1 不同處理營養(yǎng)液大中量元素配方表

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對甘蔗幼苗生長的影響

從表2可知，在pH值為4.0的低pH條件下，pH4K0.1處理的甘蔗幼苗地上部干重、根系干重和整株總干重以及株高均顯著低于同pH條件下的K3與K6處理，表明低pH條件下缺鉀對植株生長產(chǎn)生不利影響。pH4K3處理與pH4K6處理的地上部干重、整株干重及株高與常規(guī)條件pH6K6處理之間差異均不顯著，說明在低pH條件下在補充鉀甘蔗生長良好。另外，鉀水平從3 mmol/L提高到6 mmol/L時pH4K6處理甘蔗幼苗根系干重顯著低于相同鉀水平的pH6K6處理，表明在高鉀環(huán)境下pH降低對甘蔗根系的生長有不利影響。pH4K0.1處理甘蔗株高顯著低于pH4K3和pH4K6，而根冠比顯著高于pH4K3和pH4K6，表明低pH條件下供鉀有利于干物質(zhì)更多地向地上部累積，根系則相對較少。

2.2 不同處理對甘蔗幼苗根系形態(tài)的影響

植物根系生長發(fā)育過程中表現(xiàn)出來相關的形態(tài)參數(shù)如根長、根總表面積和根總體積等參數(shù)與養(yǎng)分吸收密切相關。從表3可知，pH4K0.1處理的甘蔗幼苗根總長、根平均直徑、根總表面積與根總體積顯著低于pH4K3處理，表明在低pH條件下供鉀不足會影響根系的生長發(fā)育。pH4K3各指標參數(shù)與常規(guī)pH6K6接近，二者無顯著差異，說明低pH條件下適量供鉀可以維持根系較好的生長，來抵抗不良環(huán)境的脅迫。而當鉀濃度提高到6 mmol/L (pH4K6)時，根總長和根總體積又開始減小，顯著低于pH4K3與pH6K6，表明低pH條件下大量供鉀對甘蔗幼苗根系生長與形態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不利影響。

2.3 不同處理對甘蔗最大根長和根系活力的影響

表2 不同處理對甘蔗幼苗生長的影響

表3 不同處理對甘蔗幼苗根系形態(tài)的影響

雖然pH4K0.1處理根系形態(tài)參數(shù)指標是各處理中最低的，但從表4可知，pH4K0.1處理甘蔗幼苗最大根長與其他處理無顯著差異，表明低pH條件以及不同鉀處理對于最大根長沒有影響。pH4K0.1處理甘蔗幼苗根系活力顯著低于其他處理，說明該條件下抑制了根系的生理活動。pH4K3與pH4K6處理的根系活力與pH6K6均無顯著差異，表明低pH條件下供鉀充足有利于增加根系活力。pH4K0.1處理甘蔗幼苗地上部和根系的鉀含量均顯著低于其他各處理，說明低鉀處理下根系吸收利用的鉀太少，導致地上部無法獲得充足的鉀，當營養(yǎng)液中供鉀充足時根系即可將鉀運輸至地上部。pH4K3、pH4K6與pH6K6之間地上部和根系的鉀含量雖有上升趨勢但差異均不顯著。

表4 不同處理對甘蔗最大根長、根系活力及鉀含量的影響

注：表中同列小寫字母不同表示數(shù)據(jù)差異顯著，p＜0.05。

3 討論與結(jié)論

根系作為植物最重要的養(yǎng)分和水分吸收器官，直接影響著植物地上部生長[9]。甘蔗是須根系作物，根系多，針對其根系形態(tài)相關研究不多。本研究采用液培的方法，一方面是便于觀察根系和對根系進行取樣分析，另一方面也是方便對營養(yǎng)液進行pH值調(diào)節(jié)而模擬低pH條件。研究表明，甘蔗生長的pH值適應范圍較廣，在pH 4.5～7.5范圍內(nèi)的培養(yǎng)液對甘蔗幼苗的生長和發(fā)育不會產(chǎn)生顯著的不良影響，以pH 6.0為甘蔗幼苗生長的最適pH值[10]。因此，本研究中采用pH 6.0為常規(guī)pH值，pH 4.0為模擬低pH條件。本研究結(jié)果表明，在同樣的充足供鉀(6 mmol/L)條件下，雖然pH4K6與pH6K6營養(yǎng)液的pH 從6.0下降到 4.0，但二者地上部以及總的干物質(zhì)累積量、鉀含量及根系部分形態(tài)參數(shù)指標并無顯著差異，說明在液培條件下甘蔗幼苗耐酸能力較強。

鉀對各種作物如西瓜[11]、大豆[12]和花生[13]等根系的生長發(fā)育及形態(tài)參數(shù)具有顯著影響。研究表明，低鉀脅迫顯著抑制了甘蔗的正常生長，植株干重比正常鉀水平顯著下降[14]。本研究中，低pH條件下低鉀水平的植株干重顯著低于其他處理，而當鉀水平提高到常規(guī)處理（pH6K6）的1/2 水平即3 mmol/L時，植株干重與pH6K6之間并無顯著差異，說明低鉀影響了甘蔗幼苗的正常生長，而補充一定量的鉀則可以恢復正常生長。而繼續(xù)提高鉀濃度到6 mmol/L時，甘蔗根系生長卻受到了不良影響，根總長和根總體積又開始減小，其具體原因還需進一步研究探討。

早期研究結(jié)果表明不同基因型甘蔗根系的鉀吸收動力學參數(shù)存在差異[15]，因此不同基因型對于酸的耐受能力以及低pH條件下鉀的吸收能力也可能存在差異，需要進一步研究。另外，不同介質(zhì)培養(yǎng)的結(jié)果可能存在差異。研究表明，采用桶栽砂培的方法，甘蔗實生苗在營養(yǎng)液pH7.0和pH8.5處理下的根系形態(tài)和植株生長較好[16]。本研究采用液培是為了更直觀監(jiān)測以及更好地進行取樣分析而進行的模擬實驗，至于土壤條件下的情況還需要另外研究。

本研究結(jié)果表明，在低pH液培條件下供鉀不足時，甘蔗幼苗干物質(zhì)量下降，株高降低，根冠比增大，根系形態(tài)參數(shù)包括根總長、根平均直徑、根總表面積與根總體積均顯著減小，根系活力下降，植株鉀含量降低。當補充一定鉀時則可以恢復正常生長，但過量供鉀則又可能對根系生長不利。

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(本篇責任編校：李金玉)

Effects of Different Potassium Levels on Growth and Root Morphological Traits of Sugarcane Seedling under Low pH Hydroponic Culture

CHEN Di-wen, HUANG Ying, LU Ying-lin, AO Jun-hua, ZHOU Wen-ling, HUANG Zhen-rui, JIANG Yong
(Guangdong Provincial Bioengineering Institute (Guangzhou Sugarcane Industrial Research Institute)/Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement & Bio-Refinery, Guangzhou 510316)

A hydroponic experiment was conducted to investigate the effect of different potassium levels (0.1, 3 and 6 mmol/L) on the growth and the root morphology of sugarcane seedling under low pH. The results showed that, under 0.1 mmol/L potassium level in the low pH (4.0) of nutrient solution, the dry matter and the plant height decreased; the total length, average diameter, total average superficial area and total volume of the roots significantly decreased; the root activity and potassium content in plant also decreased, and the root-shoot ratio increased. The seedling returned to normal growth when the potassium level increased to 3 mmol/L, while both the total length and the total volume decreased at 6 mmol/L potassium level, which were harmful to the root normal growth.

Lower pH; Sugarcane; Potassium; Root morphology; Hydroponic culture

S566.1

A

1005-9695(2016)06-0018-04

2016-11-03；

2016-12-02

廣東省自然科學基金(2016A030313416)；廣東省科技發(fā)展專項資金項目(2014B070705002)；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系甘蔗專項(CARS-20-3-1)

陳迪文(1983-)，男，農(nóng)藝師，主要從事作物養(yǎng)分管理研究；E-mail：chendiwen@126.com

*通訊作者：江永(1961-)，男，研究員；E-mail：gz510316@sina.com

陳迪文，黃瑩，盧穎林，等. 低pH條件下鉀對液培甘蔗幼苗生長及根系形態(tài)的影響[J]. 甘蔗糖業(yè)，2016(6)：18-21.