肖 雨，姜永雷，寧 朋，鄒聰明，程小毛，黃曉霞*

(1.西南林業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院/國家林業(yè)與草原局西南風(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心, 云南 昆明 650224；2.云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院煙草農(nóng)藝研究中心, 云南 昆明 650021)

【研究意義】煙草是云南省重要產(chǎn)業(yè)之一，對其經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著深遠(yuǎn)影響[1]。而隨著社會、經(jīng)濟(jì)、工業(yè)的快速發(fā)展，大量的重金屬以各式各樣的途徑進(jìn)入土壤，影響著人類生存的環(huán)境[2]，而且重金屬可以通過污染土壤抑制煙草的生長，導(dǎo)致烤煙的產(chǎn)量和煙葉的品質(zhì)下降，烤煙富集的鉛鎘等重金屬在抽吸過程中以氣溶膠的形式進(jìn)入人體[3]，對人類健康產(chǎn)生危害，重金屬污染治理是當(dāng)前研究的熱點[2]。其中有大量的研究實驗證明，硅是對植物有益的元素，能緩解植物受到的重金屬[4]、干旱[5]、病蟲害[6]等非生物脅迫和生物脅迫，開展不同硅肥對烤煙重金屬脅迫的緩解機(jī)制研究已很有必要?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】大量研究[7-8]證明不同硅肥可以抑制水稻對重金屬的吸收，同時也能抑制重金屬向地上部分運(yùn)輸，顯著降低水稻莖、葉和稻米中重金屬的含量及其富集系數(shù)。同時研究[9]表明，硅同樣可以抑制重金屬由煙草根系向地上部的遷移，減少煙草對重金屬的吸收，降低煙葉中的重金屬含量?！颈狙芯壳腥朦c】由于長期不合理使用化肥，導(dǎo)致土壤板結(jié)，生物活性差、有機(jī)質(zhì)減少，影響烤煙土壤環(huán)境以及煙葉的質(zhì)量[10]。與傳統(tǒng)煙草專用復(fù)合肥相比，硅肥是一種既能為作物提供養(yǎng)分，又能改良土壤、綠色環(huán)保、無公害的新型多功能化肥[11]。所以，對不同有機(jī)硅肥和無機(jī)硅肥的作用機(jī)理及其科學(xué)使用開展研究是十分必要的?！緮M解決的關(guān)鍵問題】從不同硅肥對鉛鎘脅迫緩解作用的角度，對正常生長及鉛鎘脅迫下的烤煙幼苗施用不同有機(jī)硅肥和無機(jī)硅肥，通過其光合參數(shù)以及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化，研究其在不同處理下的光合生理特性，比較不同硅肥對鉛鎘脅迫的緩解作用，以期為煙草的重金屬污染治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年9—12月在云南省昆明市西南林業(yè)大學(xué)樹木園試驗基地進(jìn)行，供試烤煙品種為K326，由云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供，土壤基質(zhì)為紅土與腐殖土的混合物，按照1.0∶1.5混合配置。

有機(jī)硅肥由河北硅谷農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供，在含氮磷鉀為18-18-18養(yǎng)分的粒狀復(fù)混肥料上涂覆有機(jī)硅甲基樹脂制成，屬完全水溶性肥料，緩釋性好。無機(jī)硅肥為Na2SiO3·9H2O，購于云南昆明生物科學(xué)技術(shù)有限公司。普通肥為煙草專用復(fù)合肥(H2NCONH2∶KH2PO4∶K2SO4=0.4∶0.35∶0.12)。待所有處理結(jié)束后，采用Li-6400便攜式光合儀(美國LI-COR Biosciences公司)測定煙葉的光合作用參數(shù)，調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈨xPAM-2100(WALZ)測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。

1.2 試驗設(shè)計

選取生長健壯、長勢相當(dāng)?shù)陌肽晟呐柙钥緹熡酌?，每盆土?.00 kg。試驗中重金屬鉛元素由Pb(NO3)3提供，鎘元素由CdCl2提供。每千克土壤中的鉛、鎘元素含量分別為0.10和0.005 g。有機(jī)硅肥A和有機(jī)硅肥B分別含總硅3.48 g·kg-1和3.95 g·kg-1，其中有效硅分別為7.50 mg·kg-1和20.00 mg·kg-1。所有硅肥添加量均為5.00 g·pot-1，煙草專用復(fù)合肥添加量為4.35 g·pot-1。

試驗采用雙因素的完全隨機(jī)設(shè)計，設(shè)置2個不同鉛鎘脅迫處理組：處理組C(CK)，無鉛鎘脅迫；處理組T，鉛鎘脅迫。4個不同硅肥處理組：分別為處理組Si0，添加煙草專用復(fù)合肥，無硅肥；處理組SiA，添加有機(jī)硅肥A；處理組SiB，添加有機(jī)硅肥B；處理組SiC，添加無機(jī)硅肥，每個肥料處理組重復(fù)5次，每盆1株。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 光合作用參數(shù) 待煙株長到團(tuán)棵期，選擇晴天9∶00—11∶00(溫度24～28 ℃)，設(shè)定CO2濃度為400 μmol·mol-1，光照強(qiáng)度為1000 μmol·m-2·s-1，空氣流速為 0.5 L·min-1，葉溫為25 ℃，相對濕度為60%，隨機(jī)選取無病蟲害、長勢較一致的煙株葉片，測定其凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)等光合作用參數(shù)。

1.3.2 熒光參數(shù) 將煙葉進(jìn)行暗處理30 min后，設(shè)定測量光(0.5 μmol·m-2·s-1)，測定初始熒光F0，利用脈沖2700 μmol·m-2·s-1(脈沖時間0.8 s)的飽和光誘導(dǎo)Fm，其中作用光強(qiáng)度為76 μmol·m-2·s-1。選取煙株從上往下數(shù)的第4片葉，測定煙葉的PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、實際光化學(xué)效率(YII)、電子傳遞速率(ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、非化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)等參數(shù)，最后將參數(shù)值直接從軟件導(dǎo)出，其中PSII是指光系統(tǒng)II。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 使用Excel 2016對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，再用SPSS19.0中單因素方差分析、相關(guān)分析、因子分析和Ducan’s檢驗在0.05水平上比較不同數(shù)據(jù)組間差異性，最后用Excel制表，Origin制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同硅肥對鉛鎘脅迫下烤煙光合作用參數(shù)的影響

如圖1可知，在處理組C中，與處理組Si0相比，施用硅肥均能極顯著提高烤煙的最大凈光合作用速率Pn(P<0.001)。處理組SiA、處理組SiB和處理組SiC的最大凈光合作用速率Pn比處理組Si0分別增加了13.82%、61.46%和76.14%；與處理組Si0相比，氣孔導(dǎo)度Gs和胞間CO2濃度Ci在處理組SiA中上升了52.95%和10.58%，在處理組SiB中下降了31.06%和38.70%，在處理組SiC中下降了37.33%和44.45%；蒸騰速率Tr在3種硅肥處理下比處理組Si0分別下降了8.18%、23.77%和29.36%。

在處理組T中，與處理組Si0相比，不同硅肥處理的Pn和Gs均有所升高。處理組SiA、處理組SiB和處理組SiC的Pn比處理組Si0分別增加了2.1、2.5和1.9倍，Gs在處理組SiA、處理組SiB和處理組SiC中比處理組Si0分別增加了1.5、1.6和1.2倍。而Ci和Tr均有所下降。

在施用同種硅肥的情況下，與處理組C相比，處理組T的Pn呈極顯著下降(P<0.01)，Tr也顯著下降(P<0.05)；Gs在Si0和SiA組為下降，SiB和SiC組為上升；Ci在SiA組為下降，其余均為上升。處理組T-SiA的Pn、Gs、Ci和Tr比處理組C-SiA分別下降了15.51%、31.87%、18.25%和48.58%；處理組T-SiB的Pn和Tr比處理組C-SiA下降了28.86%和46.79%，Gs與Ci上升了63.26%和42.93%；處理組T-SiC的Pn和Tr比處理組C-SiC下降了50.54%和31.60%，Gs與Ci上升了35.60%和72.84%。

2.2 不同硅肥對鉛鎘脅迫下烤煙葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

在鉛鎘脅迫下，處理組T-Si0的初始熒光F0、光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最大光化學(xué)效率Fv/Fm、實際光化學(xué)效率YII、電子傳遞速率ETR、光化學(xué)淬滅系數(shù)qP和非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ的值比處理組C-Si0均為降低。同時在處理組T中，加入不同硅肥處理組的F0值變化不顯著(P>0.05)，F(xiàn)v/Fm、YII和ETR均為增加，其中，與處理組Si0相比，F(xiàn)v/Fm、YII和ETR在處理組SiA分別增加了15.41%、42.98%和47.71%，在處理組SiB分別增加了22.21%、34.50%和41.42%，在處理組SiC分別增加了12.70%、20.63%和17.54%。同時，qP在處理組SiA、處理組SiB和處理組SiC中比處理組Si0分別升高了7.02%、2.06%和24.24%。NPQ在處理組SiA和處理組SiB比處理組Si0分別升高了31.91%和5.66%，而處理組SiC比處理組Si0下降了16.60%。

在施用同種硅肥的情況下，與處理組C相比，處理組T的F0、Fv/Fm、YII和ETR的值均有所下降。其中，處理組T-SiA的F0、Fv/Fm、YII、ETR和qP的值比處理組C-SiA分別下降了16.26%、7.66%、18.83%、15.20%和15.25%，而NPQ值比處理組C-SiA上升了30.97%；處理組T-SiB的F0、Fv/Fm、YII和ETR的值比處理組C-SiB分別下降了28.13%、3.60%、11.85%和4.2%；qP、NPQ的值比處理組C-SiB分別下降了3.87%和28.85%；處理組T-SiC的F0、Fv/Fm、YII和ETR的值比處理組C-SiC分別下降了14.56%、10.82%、11.92%和17.11%；同樣，qP、NPQ也比處理組C-SiC分別下降了9.69%和37.58%(表1)。

表1 不同硅肥對鉛鎘脅迫下烤煙葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.3 烤煙測定指標(biāo)的相關(guān)性分析

對不同處理的烤煙測定的指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，由表2可見，凈光合速率(Pn)與胞間CO2濃度(Ci)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與最大光合效率(Fv/Fm)、實際光合效率(YII)和電子傳遞速率(ETR)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與初始熒光(F0)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。最大光合效率(Fv/Fm)也與胞間CO2濃度(Ci)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與實際光合效率(YII)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。電子傳遞速率(ETR)與氣孔導(dǎo)度(Gs)、最大光合速率(Fv/Fm)、實際光合速率(YII)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。初始熒光與蒸騰速率(Tr)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與實際光合速率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表2 烤煙測定指標(biāo)的Pearson相關(guān)性分析

2.4 烤煙測定指標(biāo)主成分分析

對測定的所有指標(biāo)進(jìn)行主要成分分析，由表3可見，根據(jù)最小特征根大于1的原則從中提取了4個主要成分，其累計貢獻(xiàn)率達(dá)到88.04%，能反映10個測定指標(biāo)的基本特征。第1主成分的特征值為4.23，貢獻(xiàn)率為42.30%，其特征向量最高的是最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和凈光合速率(Pn)，分別為0.43和0.42；第2主成分的特征值為1.87，貢獻(xiàn)率為18.74%，其特征向量最高的是氣孔導(dǎo)度(Gs)和光淬滅系數(shù)(qP)，為0.63；第3主成分的特征值為1.62，貢獻(xiàn)率為16.19%，特征向量高于0.50的指標(biāo)是蒸騰速率(Tr)和電子傳遞速率(ETR)，為0.65；第4主成分的特征值為1.08，貢獻(xiàn)率為10.80%，其特征向量最高的是初始熒光(F0)，為0.37。

表3 烤煙測定指標(biāo)的主要成分分析

3 討 論

重金屬能嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育，通過試驗顯示，在鉛鎘脅迫下，烤煙K326的凈光合速率呈極顯著降低，熒光參數(shù)Fv/Fm及YII也呈顯著降低，說明鉛鎘脅迫影響了烤煙光系統(tǒng)II的光能轉(zhuǎn)化，抑制了煙草葉片的光合能力從而導(dǎo)致光合速率的下降。前人對鉛、鎘脅迫下烤煙光合特性的研究[3,12]也有相同結(jié)論。硅對作物促進(jìn)生長的積極作用已被很多試驗證明[13-14]。研究結(jié)果顯示硅肥提高了鉛鎘脅迫下煙草的光合速率，是由于硅元素能提高土壤的pH值[15]而減少作物對重金屬的吸收量、抑制重金屬從植株的地下部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)[9]、緩解重金屬造成的膜質(zhì)過氧化對細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害[16]、改變烤煙體內(nèi)鉛的亞細(xì)胞分布和形態(tài)[9]、刺激作物根系的生長，促進(jìn)作物對水分和礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收[7]，從而緩解了重金屬離子對植物的傷害，提高了光合速率。與無機(jī)硅肥相比，有機(jī)硅肥對于提高鉛鎘脅迫下煙草的凈光合速率更為有效，前人對小麥和水稻[17-18]研究報道中也有過類似結(jié)論，這是由于有機(jī)硅肥降低了土壤中鎘的生物有效性，增強(qiáng)了鎘-硅間的拮抗作用，從而減少了水稻對重金屬的吸收積累，減輕重金屬對作物的毒害作用。

一般認(rèn)為，當(dāng)Pn下降，同時伴隨Ci、Gs都減小時，認(rèn)為Pn下降主要是由氣孔因素引起的；反之，如果Pn下降伴隨著Gs降低和Ci升高，則認(rèn)為Pn下降是由非氣孔因素引起，如葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞、光和色素含量下降、光合酶活性降低、活性氧代謝功能破壞等[19]。通過研究顯示，不添加硅肥處理的鉛鎘脅迫導(dǎo)致煙草的Pn極顯著降低，而同時伴隨著Gs的降低和Ci的升高，表明鉛鎘脅迫對煙草光合作用速率的影響主要是非氣孔因素，這是由于鉛鎘脅迫會導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧防御系統(tǒng)被破壞，使葉綠體內(nèi)氧自由基增加，葉綠體膜系統(tǒng)受損，導(dǎo)致葉綠體降解[16,20]，從而影響其光合速率。試驗結(jié)果還顯示鉛鎘脅迫導(dǎo)致了植物碳同化能力降低，從而影響了光合作用速率。而在鉛鎘脅迫下，加入不同硅肥處理的煙草Pn上升，同時Gs上升，Ci下降，表明加硅處理導(dǎo)致受鉛鎘脅迫的烤煙光合作用提高的主要原因也是非氣孔因素，這是由于硅可以降低鉛鎘脅迫下進(jìn)入烤煙葉綠體的重金屬含量，降低超氧陰離子自由基產(chǎn)生速率[21]。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以較直接反映逆境條件對PSⅡ反應(yīng)中心的活性、功能以及電子傳遞的影響[22]，所以常被用來當(dāng)做植物逆境生理的指標(biāo)。大量試驗證明，重金屬脅迫可以抑制植物 PSⅡ的活性，導(dǎo)致能量的捕獲和傳遞受到影響、PSⅡ光化學(xué)效率降低等[23]，從而導(dǎo)致光合能力減弱，影響植物的正常生長等。最大光合效率(Fv/Fm)的值常被用來作為植物在逆境下受脅迫程度的指標(biāo)。試驗結(jié)果顯示，在鉛鎘脅迫下，煙草的Fv/Fm值顯著降低，說明鉛鎘脅迫導(dǎo)致烤煙葉片光合機(jī)構(gòu)受到了傷害，完整性被破壞，導(dǎo)致葉片的PSII反應(yīng)中心活性和開放程度降低，抑制了光合電子的傳遞，這也是導(dǎo)致煙草葉片光合能力降低中非氣孔因素的重要原因之一[24]。而在加入不同硅肥之后，F(xiàn)v/Fm、YII和ETR的值均有所增加，這表明加硅處理可以緩解鉛鎘脅迫烤煙葉片PSⅡ供體側(cè)和受體側(cè)受到的破壞程度，增加PSII反應(yīng)中心的開放程度，使電子傳遞轉(zhuǎn)化速率增大，其原因可能是加硅處理提高了脅迫煙草的表觀量子效率和羧化效率[25]，降低活性氧含量累積對葉綠素的傷害[34]，緩解膜脂過氧化程度從而使煙草葉片凈光合速率(Pn)升高，緩解鉛鎘脅迫對煙草的毒害作用。試驗結(jié)果顯示，有機(jī)硅肥處理組的Fv/Fm值提升優(yōu)于無機(jī)硅肥，且以有機(jī)硅肥B提升最大。

在逆境的條件下，植物可以通過啟動熱耗散和依賴于葉黃素循環(huán)的能量耗散機(jī)制來有效降低植物光系統(tǒng)中的過剩光能，防止過剩光能的直接和間接作用引起對 PSⅡ反應(yīng)中心的傷害[26]。試驗結(jié)果顯示，鉛鎘脅迫煙草的qP有所下降，說明PSⅡ中開放的反應(yīng)中心比例和參與CO2固定的電子有所下降，光合作用受到了一定程度的影響[27]。同時鉛鎘脅迫下煙草的NPQ有所下降，說明鉛鎘脅迫抑制了煙草葉片的能量耗散機(jī)制，加重了對光合機(jī)構(gòu)的抑制作用，導(dǎo)致光能冗余積累，PSⅡ反應(yīng)中心的活性降低[24]，最終影響煙草的凈光合速率。在有機(jī)硅肥處理下，NPQ的值有所回升，說明硅能提高煙草在鉛鎘脅迫下能量耗散機(jī)制，提高光保護(hù)機(jī)制，優(yōu)化能量流而避免光抑制的現(xiàn)象[25]，同時說明硅肥提高了光合色素把所捕獲的光能轉(zhuǎn)化為電能再轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率，從而為碳同化提供了更加充足的能量，提高光合能力。

4 結(jié) 論

鉛鎘脅迫使煙草葉片光合機(jī)構(gòu)受到了一定程度的損傷，阻礙了光合電子的傳遞從而導(dǎo)致光合速率的降低。在鉛鎘脅迫下，施用不同硅肥均能提高煙草的凈光合速率和實際光化學(xué)效率，緩解鉛鎘脅迫對煙草光合機(jī)構(gòu)的傷害。對于鉛鎘脅迫毒害作用的緩解，有機(jī)硅肥處理組較無機(jī)硅肥處理組效果更好，其中有機(jī)硅肥B處理組效果最為顯著。