酸、碱胁迫对HB柚生长、光合特性及矿质营养的影响

周高峰 李碧娴 管冠 姚锋先 刘桂东

摘要本研究以HB柚（Citrus grandis）实生幼苗为试材，利用盆栽砂培试验进行不同pH处理，研究酸、碱胁迫对其生长、光合特性和矿质营养吸收的影响。结果表明，酸性（pH 4.0）或碱性（pH 8.0）胁迫处理150 d后，HB柚植株的生长受到了显著的抑制，株高、叶面积和生物量均显著低于对照（pH 6.0）。通过根系形态分析，其主根长、总根长、根表面积和根尖数在酸性或碱性条件下均受到显著抑制。同时进行了叶片光合特性分析，发现在酸性或碱性条件下，叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）均受到显著抑制，而胞间二氧化碳浓度（Ci）却显著上升。进一步矿质营养分析显示，酸性胁迫主要抑制了Ca和Mg吸收，而碱性胁迫则主要抑制了Fe、Mn和Zn的吸收;表明叶片光合性能的减弱可能是酸、碱胁迫降低了叶片中与光合作用相关的矿质元素的含量导致的。

关键词  柑橘 ;pH值 ;根系形态 ;光合特性 ;矿质营养

中图分类号  S666.4    文献标识码  A    Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2018.11.006

Effects of Acid and Alkaline Stresses on the Growth，

Photosynthetic Characteristics and Mineral Nutrition of Pummelo‘HB

ZHOU Gaofeng  LI Bixian  GUAN Guan  YAO Fengxian  LIU Guidong

（College of Life and Environmental Sciences， National Navel Orange Engineering Research Center， Gannan Normal University， Ganzhou Jiangxi 341000）

Abstract  Pummelo‘HB[Citrus grandis （L.） Osbeck] was pot cultured under different pH treatments to analyze the acid and alkaline stresses on its growth， photosynthetic characteristics and mineral nutrition. The results showed that the growth of Pummelo ‘HBwas inhibited significantly after 150 days under acid （pH 4.0） and alkaline （pH 8.0） stresses. The treated Pummelo‘HBwas lower in height， leaf area and biomass than the control （pH 6.0）. The root morphological analysis showed that the taproot length， root total length， root surface and root number were inhibited significantly by acid and alkaline stresses. The photosynthetic characteristics analysis showed that the Pn， Gs and Tr were decreased dramatically， but the Ci increased. The mineral nutrition analysis showed that the absorption of Ca and Mg was mainly inhibited by acid stress， while the absorption of Fe， Mn and Zn was mainly inhibited by alkaline stress. The reduced photosynthetic performance was due to the decrease of mineral nutrition under the acid and alkaline stresses.

Key words  citrus; pH; root-morphological trait; photosynthetic characteristics; mineral nutrition

土壤酸化和盐碱化是全球环境变化的主要问题之一，它使土壤生态系统内发生改变，从而影响植物的生长发育。土壤的酸化和盐碱化不仅会降低矿质营养的有效性，同时也会使土壤矿质营养易于淋失，降低土壤保持养分的能力[1]。作为世界上最重要的水果之一的柑橘，其主要产区同样遭受土壤酸化或盐碱化的影响。柑橘最适宜生长在pH 5.5～6.5的弱酸性土壤中，过酸（pH<5.0）或过碱（pH>7.5）都会影响柑橘的正常生长发育[2-3]。中国柑橘种植分布广泛，土壤类型多种多样，其酸碱度也各不相同。含有高量的碳酸钙的紫色沙、頁岩和紫色土，其pH值普遍偏高，属于中性或碱性土壤，如四川盆地;若红壤为主，土壤pH值则偏低，属于酸性土壤，如赣南地区。近年来关于柑橘受土壤酸化和盐碱化影响的报道不断增多，酸化的有江西省赣州市脐橙产区[4]、湖南省湘西自治州椪柑产区[5]、湖北省宜昌市宽皮柑橘产区[6]、广西省柑橘产区等[7]、福建省永春等10县柑桔示范园和琯溪蜜柚产区[8-9];盐碱化的有四川省柑橘产区[10]，东南沿海地区柑橘产区[11]。

不良的土壤pH值已经成为影响柑橘生产的一个重要环境因素。因此，了解不良土壤pH值对柑橘生长及矿质营养吸收的影响具有十分重要的意义。但土壤酸碱性对土壤微生物的活性、矿物质的有效性和有机质的分解起到重要作用，因而影响土壤养分释放、固定和迁移等。本研究通过珍珠岩和石英砂的介质和不同pH值营养液浇灌，可以排除土壤微生物的活性、矿物质的有效性和有机质的分解等影响因素，而能单从植物吸收角度解析不同pH值对植物生长发育、矿质营养吸收等的影响。本研究以HB柚试验材料，该品种1995年开始在赣南地区的安远县种植[12]，但近年来赣南地区柑橘园土壤酸化严重，据梁梅清等对赣南地区脐橙園的调查显示，在1 405个土壤样品中有45.7%的样品pH低于4.5，属于强酸性土壤[4]。因此，本研究能为进一步通过土壤改良提高柑橘对土壤酸化和盐碱化的耐受能力提供参考。

1材料与方法

1.1材料

试验于2017年5～11月在国家脐橙工程技术研究中心基地温室进行。以HB柚[Citrus grandis （L.） Osbeck]实生幼苗为材料。选取生长在相同育苗基质中的相对一致的HB柚实生幼苗（实生苗从2016年11月开始催芽，并在育苗基质中生长到翌年5月），然后用自来水清洗苗木除去根表面的污渍，将植株移栽至装有6 L左右石英砂和珍珠岩（1∶1， V∶V）的黑色塑料盆中，每盆1棵。用略有修改的Hoagland's No.2营养液[13]浇灌。营养液的配方如下：6 mmol/L KNO3，4 mmol/L Ca（NO3）2，1 mmol/L NH4H2PO4，2 mmol/L MgSO4，25 μmol/L H3BO3，9 μmol/L MnCl2，0.8 μmol/L ZnSO4，0.3 μmol/L CuSO4，0.01 μmol/L H2MoO4和50 μmol/L Fe-EDTA。温室的温度控制在22～28℃，相对湿度为50%～75%。每2 d浇灌1次营养液，每次均浇透，即营养液有约500 mL从盆底流出。

1.2  方法

1.2.1  试验处理

试验设置3个处理。以pH（4.0±0.1），pH（6.0±0.1）和pH（8.0±0.1）的营养液浇灌HB柚实生幼苗，分别定义为酸性条件，对照和碱性条件。每个处理12个重复（盆）共36株。试验持续150 d。为了防止盐分在基质中累积，每周用10 L去离子水浇灌植株，而后用3 L营养液浇灌，确保有过量溶液从盆底淋出[14]。

1.2.2取样及指标测定

试验处理150 d后，将每个处理12个重复（盆）共36株采样，用于生长指标和矿质营养含量测定。将每个处理的样品用去离子水洗净。主根长度用刻度尺测量后，将各根系样本用Epson digital scanner（Expression 10000XL 1.0， Epson Inc.Japan）进行扫描，然后用WinRhizo Pro （S） v. 2004b software（Regent Instruments Inc.， Canada）软件进行根系形态的分析以获得总根长、平均直径、根总表面积和侧根数量数据。用Li-3100C（LI-COR Biosciences Inc， Lincoln， United States）叶面积仪测定。

将上述指标测定完成的植株分为根、茎和叶3部分，用去离子水清洗，擦干称取鲜重，然后在70℃烘箱中烘干并称干重，粉碎，贮藏于密封袋用于矿质元素含量的分析。每份样品称取粉碎的干样0.30 g左右，先在电炉上碳化直至无黑烟，随后放入马弗炉中500℃灰化6 h。然后，用10 mL 5%的HNO3溶解，用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS， Agilent 7900， United States）测定矿质营养元素的含量。

叶片光合特性的测定在采样前完成，采用便携式光合测定系统（LI-6400XT， LI-COR， United States）测定。叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间二氧化碳浓度（Ci）及气孔导度（Gs）参数由光合仪同步测定并记录，所测定的叶片每株选取成熟叶片5片，每个处理每盆随机选取1棵，即每个处理6棵，30片叶。待LI-6400XT的系统稳定之后，每片叶读取5个瞬时各参数值，取平均值。

1.2.3  统计分析

图表中的数据均代表12个单独植株（重复）的平均值。所有数据采用SAS软件进行分析，运用ANOVA和DONCAN程序进行不同品种和不同处理之间的差异显著性分析（SAS 8.1， SAS Institute Inc.， Cary， NC， United States），显著水平为p<0.05。所有数据使用sigmaplot 12.0软件进行作图。

2结果与分析

2.1酸、碱胁迫对HB柚生长的影响

图1结果显示，在酸性（pH 4.0）或碱性（pH 8.0）胁迫下，HB柚实生幼苗植株的高度和叶面积均显著低于对照（pH 6.0），但对茎粗没有显著影响。

HB柚植株的生物量分析结果表明，HB柚植株各部位的干重及总干重在酸性（pH 4.0）或碱性（pH 8.0）胁迫下显著低于对照（pH 6.0）。HB柚植株的根冠比则只是在碱性（pH 8.0）胁迫下显著上升，在酸性（pH 4.0）胁迫下无显著变化。

2.2酸、碱胁迫对HB柚根系生长发育的影响

由图3-A、3-B和3-C可知，在酸性（pH 4.0）或碱性（pH 8.0）条件下HB柚实生苗根系，均受到了不同程度的抑制。通过根系形态扫描分析显示，主根长、总根长、根表面积和根尖数在酸性或碱性条件下均显著低于对照（图3-D、3-E、3-F和3-H），但根系总体积却显著高于对照，且酸性条件下根系体积显著高于碱性（图3-G）。根系密度在处理和对照之间则无显著差异。

2.3酸、碱胁迫对HB柚叶片光合特性的影响

在酸性（pH 4.0）或碱性（pH 8.0）条件下，与对照相比叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）均受到显著抑制（图4-A，4-B，4-D），而叶片的胞间二氧化碳浓度（Ci）却在酸性和碱性条件下显著上升（图4-C）。

2.4酸、碱胁迫对HB柚矿质营养的影响

图5结果显示，在酸性（pH 4.0）或碱性（pH 8.0）条件下，HB柚实生苗各部位的矿质元素含量均受到了不同程度的影响。P含量在酸性条件下仅茎中表现显著下降，碱性条件下根和茎均表现显著下降，但在叶中却显著上升（图5-A）。K含量在根和茎、叶中表现相反的规律，在根中，酸性或碱性胁迫均导致了K的显著积累，而在茎、叶则表现显著抑制（图5-B）。Ca和Mg表现为相同规律，与对照相比酸性或碱性胁迫均导致根中含量的降低，但对茎、叶中的含量没有影响（图5-C、5-D）。微量元素Fe、Mn和Zn叶片中的含量均在碱性胁迫下显著下降，在酸性条件下，则促进Fe和Mn吸收;根中Fe、Mn和Zn同样也是在碱性胁迫下显著下降，但在酸性条件下影响不大（图5-E、5-F、5-H）。B在酸性或碱性胁迫均导致根和叶中含量的降低，但对茎没有影响（图5-G）。

3讨论

众所周知，柑橘最适宜生长在微酸性（pH 5.5～6.5）土壤中。虽然也可以在酸性、中性、微碱性及中度盐碱化的土壤中生长，但是长时间生长在这种不良pH值的土壤中，对柑橘的生长十分不利。本研究的结果表明，酸性（pH 4.0）或碱性（pH 8.0）胁迫显著抑制了HB柚实生苗株高、叶面积、生物量以及根系的生长发育（图1～3）。这与在模式植物拟南芥上的研究结果一致，其根系与株高在高pH值和低pH值均会受到显著抑制[15]，也与在其他柑橘上的研究结果一致[3，16-19]。

为了探明酸、碱胁迫抑制HB柚实生苗生长发育的成因，本研究进行了叶片光合特性的分析。结果表明，在酸性（pH 4.0）或碱性（pH 8.0）条件下，HB柚实生苗的叶片光合特性受到了显著抑制，其中叶片净光合速率（Pn）在酸性（pH 4.0）或碱性（pH 8.0）条件下分别下降了25.1%和26.8%（图4）。植物光合性能受到抑制时会直接影响植物的生长发育。因此，本研究HB柚实生苗生长受到抑制的主要因素可以认定为是其叶片光合性能的减弱。但是HB柚实生苗叶片光合性能的减弱又是什么原因引起的呢？杨翼飞等[20]的研究同样表明，6份枳种质的叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和叶绿素含量在酸性（pH 3.5）或碱性（pH 9.0）胁迫下均显著下降。在模式植物拟南芥上其叶绿素含量也随pH梯度（pH 6.5～10.0）的增加而逐渐降低[15]。在其他物种如牡丹[21]、烤烟[22]、蓝莓[23-24]等也有同样的报道。但到目前為止，尚没有报道表明，土壤pH值能够直接影响植物的光合性能。本研究在对酸性（pH 4.0）或碱性（pH 8.0）条件下HB柚实生苗的叶片矿质营养进行分析时发现，其叶片Fe、Mn和Zn等与光合作用相关的元素含量与对照（pH 6.0）相比有不同程度的下降，但是叶片Mg的含量并没有受到显著抑制（图5-D、5-E、5-F、5-H）。Fe在植物光合作用中起着重要作用，在缺铁胁迫下，叶绿体形态结构异常，叶绿体含量减少，光合速率降低;Mn在植物体内则直接参与光合作用，在光合作用中参与水的光解并给光系统Ⅱ提供电子[25]。以蓝莓扦插苗为研究对象的酸碱胁迫研究同样认为，在pH 5.8和pH 7.0生境下叶片中Mg和Fe元素含量水平的显著降低可能是其叶片光合性能降低的成因[24]。另外有研究表明，植物叶片P、B等矿质元素含量的降低也可以导致叶片光合性能以及叶绿素含量的降低[26-31]。因此，碱胁迫条件下的HB柚实生苗的叶片光合性能减弱可能是由于叶片Fe、Mn等光合相关元素含量下降导致的。

根际pH在植物吸收矿质营养中发挥着重要的作用，自然条件下根际pH受土壤本体养分供应、供应养分的有效性和不同植物对元素吸收差异的影响。本研究通过砂培和不同pH值营养液浇灌的方式进行试验，可以有效排除上述影响，从而建立一个因素单一的试验条件。Ca和Mg均为碱性元素，其吸收随土壤pH值的升高而增加。前人在茶树上的研究表明，植株Ca的吸收与土壤pH值呈显著正相关，即pH值越大茶树对Ca的吸收越多[32]。本研究的结果显示，在酸性（pH 4.0）条件下，HB柚实生苗根中的Ca和Mg含量显著下降，但在碱性（pH 8.0）条件也显著下降，这与前人的研究不符，其原因尚需要进一步研究，HB柚实生苗根系在碱性（pH 8.0）条件下的形态改变或许是其中的原因之一（图3）。

植物对Fe的活化、吸收受根际酸化和根系三价铁螯合物还原酶（FCR）活性的影响[33]。可供植物吸收的有效Fe所需土壤pH 5.5～6.5，在石灰含量和pH值过高的土壤中，Fe主要以Fe（OH）3和Fe（OH）-4形态存在，而植物对这两种形态吸收效率很差，因此土壤pH值决定了植物对Fe的吸收效率。当pH>8.5时，太多数果树就易表现缺Fe[34]，如卡里佐枳橙砧甜橙植株在土壤pH值高于7.5时，容易出现肉眼可见的缺Fe症状;当土壤pH值高于7.9时，容易出现严重缺Fe症状[35]。本研究同样表明，HB柚实生苗在碱性（pH 8.0）胁迫下其叶和根中Fe含量均显著下降（图5-E）。另外，前人的研究表明，随着土壤pH值的升高，植物对B的吸收效率反而随之显著下降，尤其是在pH超过8.0时[36-38]。本研究的结果与前人研究一致（图5-G）。

综上所述，本研究试验结果表明，酸性（pH 4.0）或碱性（pH 8.0）胁迫均抑制HB柚实生苗的生长发育，其主要原因是酸性或碱性胁迫减弱了叶片的光合性能，而叶片光合性能的减弱则可能是叶片光合作用相关矿质营养的含量降低导致的。因此，生产上首先应该对酸化或盐碱化的土壤进行改良;其次应该选择适宜的耐酸或耐盐碱的砧木进行生产，如选用强耐酸性枳或强耐碱性的资阳香橙做为砧木[10，17-19];另外，在生产过程中应该合理施肥与灌溉防治土壤的酸化或盐碱化。

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