不同水平供钙量对木本观赏植物生长发育的影响

董文彩，刘宪斌,2，李红梅,2，赵双梅，包金美，沈健萍，梁 芳，鲁 美

（1玉溪师范学院化学生物与环境学院，云南 玉溪 653100；2玉溪师范学院生物与环境工程研究院，云南 玉溪 653100）

0 引言

园林绿化面积、景观美化设计、物种形态选择、植物物候调控、栽培技术优化等方面所达到的水平是衡量一个现代化城市社会经济发展和生态宜居程度的重要指标，而这些都与城市绿化、观赏植物的栽培和花期调控有关，尤其是生长周期较长、生态功能多样、经济价值较高、后期管理技术要求较低的木本观赏植物，已经成为城市园林绿化的主角和相关科研工作者关注和研究的重点[1-3]。除原有野生木本观赏植物的引种驯化和采用先进育种技术培育出的新品种外，园林绿化研究人员和管理者通常采用的措施是在人工设施内通过调控温度、光照、湿度、养分、pH、CO2浓度等环境条件，增加现在正大面积栽培和批量应用的观赏植物生长速度，缩短其营养生长时间，延长其植物花期，增加植物花量，从而提高其植物观赏价值、经济潜能和生态效益[1,3-5]。繁殖器官的分化和发育不仅是高等植物从前期营养生长时期向后期生殖生长时期转变的分水岭，也是高等植物产生种子、繁衍后代、实现种内和种群世代交替的关键环节[4,6-7]。对于城市园林绿化植物种类来说，其繁殖器官除具备上述绝大多数高等植物繁殖器官普遍具有的特征和功能之外，还需要具有较高的观赏价值和社会经济效益，用以满足城市环境美化和生态效益增加的需求。作为大多数城市园林绿化植物的主要观赏器官，植物花就成为城市园林绿化植物研究人员和管理者重点关注的对象，对于如何更加有效地缩短植物前期营养生长时间、增加植物花量、延长植物花期、提高植物花观赏品质等问题，也成为相关研究人员一直想要解决的问题。

从20世纪80年代至今，国内外大量关于证明钙矿质营养元素在植物生长发育过程中发挥的重要生理功能的科学研究成果证明：作为第二信使，钙元素在植物体内的信号转导作用已经成为植物生理学、细胞生物学和植物发育生物学等领域的研究重点，也发表了很多相关科研成果[8-10]。作为胞外作用的4个主要方面之一，钙元素除了组成植物细胞壁的主要结构，还通过影响细胞质膜外表面的膜磷脂和蛋白的排列结构来维持植物细胞膜的正常生理结构和生物学功能，从而实现在植物细胞正常分裂过程中特殊阶段细胞极性的形成，调节植物器官生长、分化、衰老和凋亡等重要生命过程[8-10]。已经有大量研究结果证明，钙矿质营养元素不仅通过参与植物的光周期诱导和植物花芽分化过程来影响植物花期诱导和完成繁殖器官的分化和发育，而且还与植物的初级生长量有关[9-11]。然而，这些研究大多数采用一年生草本或者组织培养技术条件下木本植物离体组织为研究对象，比如‘牵牛花’(Pharbitis nil(L.)Choisy)、‘ 矮 牵 牛 ’(Petunia hybrid(J.D.Hooker)Vilmorin)、‘ 白 芥 ’(Sinapis albaL.)、‘ 拟 南 芥 ’(Arabidopsis thaliana(L.)Heynh.)、‘ 遏 蓝 菜 ’(Thlaspi arvenseL.)、‘紫花苜蓿 ’(Medicago sativaL.)和‘梨 ’(Pyrus sorotinaRehder)的短枝等，其特点是试验周期较短，人工可操控性较强，效果比较明显，但是相关研究结果和理论对实地多年生乔木植物的适用性到底有多强还需要更多研究结果来证明[8-10]。本研究结合目前国内外植物生理学方面关于钙矿质营养元素的研究热点领域和城市园林绿化树种栽培与管理措施方面的最新发展方向，以观赏、生态、经济和药用价值较高的木本植物‘桐棉’(Thespesia populnea(Linn.)Soland.ex Corr.)为研究对象，采用Hoagland植物营养液配方，在保证营养液中其他养分组成和浓度不变的情况下，设置7个不同水平钙浓度处理，用营养液水培的方式栽培‘桐棉’植株，观察其在近6个月的试验周期内相关植株外部形态指标（株高、根长、直径、叶间距、叶片厚度、叶片面积）和生长量数据（总生物量、叶干重、茎干重、根干重、花干重），以及植株出现首个花蕾之前的营养生长的时间，以期调查适合‘桐棉’生长发育的最适钙矿质营养元素浓度，为探讨城市园林绿化植物的实际栽培和应用过程中通过调整钙肥施用量的措施来调控木本观赏植物营养生长和生殖生长的可能性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料选用‘桐棉’(Thespesia populnea(Linn.)Soland.ex Corr.)，锦葵科，桐棉属，常绿乔木，别称为恒春黄槿、杨叶肖槿。分布范围较广，集中在东南亚和非洲等热带地区，中国境内集中分布在广东、海南和台湾等地。‘桐棉’是优良的半红树植物，集绿化观赏、生态优化、经济药用等作用为一体，在沿海城市园林绿化和海浪冲刷灾害严重地区的防护林建设中具有较大的开发价值和应用潜力。

试验过程采用营养液水培方式，营养液以Hoagland营养液配方为标准，在保持其他营养元素配比和含量不变的情况下，设置7个不同水平钙浓度处理[11-12]。把Hoagland营养液配方中的钙元素浓度设置为100%，依次增加或减少营养液中钙矿质营养元素水平，分别为：1%、10%、50%、100%、150%、200%、300%。营养液配制过程中各营养元素的少量差别由其氯化物补齐。各处理营养液的pH 5.5 ～6.0，用HCl调控。

1.2 试验设计

本试验所涉及营养液前期配制工作和后期植物样品采集后烘干处理等工作在化学分析实验室内进行，所涉及植物营养液无土栽培过程在日光温室内进行。共设置7个不同水平钙矿质营养元素浓度处理，其Ca2+浓度分别为：0.1、1、5、10、15、20、30 mmol/L。每个处理设置3个重复。

植物营养液栽培方式采用深液流和充气泵充气相结合的方式[13-14]。用尺寸为1.5 m×1.0 m×0.3 m的塑料泡沫容器盛放营养液，液面固定在0.25 m深度左右。每个容器内放置一个充气泵，在本研究进行的近6个月的‘桐棉’植株栽培期内，每天早上7:00—8:00、中午1:30—2:30、下午6:00—7:00分别向营养液内充气，以满足营养液内有足够的溶解氧供‘桐棉’植物根系呼吸利用。每个容器上覆盖与容器口等面积的塑料泡沫板，上固定塑料网状定植杯，定植杯内放置岩棉填充物以固定‘桐棉’植株。覆盖塑料泡沫板和容器内营养液液面之间有5 cm的空隙，以保证营养液液面与空气的接触面积，定植杯的下半部1/5浸泡在营养液液面下，利于‘桐棉’植株根系接触营养液。

成熟‘桐棉’的干质果实2018年秋天从野外收集，2019年4月塑料培养盘中岩棉育苗，长出2片真叶、12 ～15 cm高的时候定植于7个不同水平钙浓度处理的营养液中，栽培、管理170天，调查株高、根长、直径、叶间距、叶片厚度、叶片面积等植株外部形态生长指标之后收获，测定每株植物的生长量。植株营养液栽培期间，每天下午6:00左右检查营养液液面下降情况，及时补充营养液和调整营养液pH。每周全面更换一次营养液，废弃营养液在温室内及时无害化处理。每个不同水平钙矿质营养元素处理均设置3个重复。

1.3 指标测定

本研究进行过程中测定每株‘桐棉’植物的外部形态生长指标（株高、根长、直径、叶间距、叶片厚度、叶片面积）和生长量指标（总生物量、叶干重、茎干重、根干重、花干重）。此外，还调查了每株桐棉植物花蕾的数目和出现第一朵花蕾的时间。

1.4 数据处理

本研究中所有数据用Excel 2017软件进行前期分析和预处理，用SPSS 20.0软件单因素方差分析方法进行各处理之间所测‘桐棉’植株外部形态指标和生长量数据的统计学分析，用Excel 2003软件作图。

2 结果与分析

2.1 植株外部形态指标

在所设置的7个不同水平钙矿质营养元素浓度处理中，100%钙含量的Hoagland营养液处理中‘桐棉’植株的平均高度达到最高，为(126.67±4.81)cm；50%和150%2个不同水平钙浓度处理中的‘桐棉’植株高度次之，约为105 cm左右；而1%钙浓度处理中的‘桐棉’植株平均高度最低，为(10.67±1.20)cm（图1-1）。

图1 不同水平供钙量对‘桐棉’树种植株高度(1)、根系长度(2)、植株茎基部直径(3)、平均叶间距(4)、平均叶片厚度(5)和平均叶片面积(6)等植株外部形态指标的影响

在所设置的7个不同水平钙矿质营养元素浓度处理中，‘桐棉’植株根系长度的变化与植株高度测定的结果保持一致：100%钙含量的Hoagland营养液处理中‘桐棉’植株的根系平均长度达到最长，为(105.00±4.04)cm；50%和150%2个不同钙浓度处理中的‘桐棉’植株根系长度次之，约为83 cm左右；而1%钙含量水平处理中的‘桐棉’植株根系平均长度最短，为(19.33±2.96)cm（图1-2）。

‘桐棉’植株的茎基部直径在100%钙含量的Hoagland营养液处理中达到最大值，为(24.07±0.84)mm；50%和150%2个不同钙含量水平处理中的‘桐棉’植株茎基部直径值次之，约为15 mm左右；而1%钙含量水平处理中的‘桐棉’植株茎基部直径最小，为(2.20±0.12)mm（图1-3）。

‘桐棉’植株平均叶间距在本研究中所设置的7个不同水平钙矿质营养元素浓度处理之间差异不如植株高度、根系长度和茎基部直径3个指标测定的结果明显：100%和150%2个不同钙含量水平处理中的‘桐棉’植株平均叶间距最大，约为6.80 cm左右；1%钙含量水平处理中的‘桐棉’植株平均叶间距最小，为(2.77±0.26)cm；其他4个不同水平钙含量处理中的‘桐棉’植株平均叶间距差异不显著，约为5.30 cm左右（图1-4）。

在所设置的7个不同水平钙矿质营养元素浓度处理中，100%和150%2个不同钙含量的Hoagland营养液处理中‘桐棉’植株的平均叶片厚度达到最大值，约为1.20 mm左右；50%和200%2个不同钙含量水平处理中的‘桐棉’植株叶片厚度次之，约为1.00 mm左右；而1%钙含量水平处理中的‘桐棉’植株平均叶片厚度最低，为(0.47±0.03)mm（图1-5）

50%、100%、150%和200%4个不同钙含量的Hoagland营养液处理中‘桐棉’植株的平均叶片面积达到最大值，约为120 cm2左右；10%钙含量水平处理中的‘桐棉’植株的平均叶片面积次之，为(92.00±5.03)cm2；而1%钙含量水平处理中的‘桐棉’植株平均叶片面积最小，为(17.33±1.33)cm2（图1-6）。

2.2 植株生长量数据

除10%和200%2个不同钙含量处理中的‘桐棉’植株总生物量没有显著差异之外，其他5个不同水平钙含量处理中的‘桐棉’植株总生物量差异显著：100%钙含量的Hoagland营养液处理中达到最大值，为(348.02±12.01)g；150%钙含量水平处理中的‘桐棉’植株总生物量次之，为(272.52±3.82)g；而1%钙含量水平处理中的‘桐棉’植株总生物量最少，为(10.24±0.81)g（图2-1）。

除50%和150%2个不同钙含量处理中的‘桐棉’植株叶片生物量没有显著差异之外，其他5个不同钙含量处理中的‘桐棉’植株叶片生物量差异显著：100%钙含量的Hoagland营养液处理中达到最大值，为(119.85±5.68)g；50%和150 2个不同水平钙含量处理中的‘桐棉’植株叶片生物量次之，约为88 g左右；而1%钙含量水平处理中的‘桐棉’植株叶片生物量最少，为(3.92±0.39)g（图2-2）。

与‘桐棉’植株的总生物量和叶片生物量不同，在7个不同水平钙含量处理中，各处理之间的‘桐棉’植株茎生物量差异均显著，顺序依次为：100%(157.29±6.39)g＞150%(125.36±5.89)g＞50%(83.76±1.94)g＞200%(57.32±0.97)g＞10%(38.12±2.13)g＞300%(23.69±0.52)g＞1%(3.05±0.39)g。1%钙含量水平处理中的‘桐棉’植株茎生物量比100%钙含量水平处理中的‘桐棉’植株茎生物量减少了98.06%±0.10%，差距明显（图2-3）。

‘桐棉’植株根生物量在100%水平钙含量处理中达到最大值，为(50.89±0.94)g；在10%、50%和150%3个不同水平钙浓度处理中次之，约为38 g左右；在1%钙含量处理中的值最小，为(3.28±0.13)g（图2-4）。

在近6个月的培养期内，在1%、10%和300%3个不同水平钙浓度处理中的‘桐棉’植株均没有出现花蕾（图2-5，2-6）。100%水平钙含量处理中‘桐棉’植株的花蕾数最多、花蕾总干重值最大，分别为(22±2)个、(19.98±1.17)g；200%水平钙含量处理中‘桐棉’植株的花蕾数最多、花蕾干重值最小，分别为(3±1)个、(4.56±0.48)g。虽然150%水平钙含量处理中的‘桐棉’植株花蕾数目比50%水平钙含量处理中的‘桐棉’植株花蕾数目多，但是2个不同水平钙含量处理中花蕾的总干重差异不显著，约为12 g左右。

2.3 植株营养生长积累时间

在所设置的7个不同水平钙矿质营养元素浓度处理中，100%和150%2个不同水平钙含量处理中的‘桐棉’植株在第65天左右出现第一个花蕾；50%和200%2个不同水平钙含量处理中的‘桐棉’植株在第85天左右出现第一个花蕾（图3）。在本研究中‘桐棉’植株移栽入7个不同水平钙含量处理营养液之后培养的近6个月时间内，1%、10%和300%3个不同水平钙含量处理中‘桐棉’植株均没有出现花蕾，所有植株一直处于营养生长阶段。

图3 不同水平供钙量对‘桐棉’树种现蕾前植株营养生长时间的影响

3 结论

（1）除平均叶间距、平均叶片厚度和平均叶片面积3个‘桐棉’植株外部形态指标外，本研究中所测其他‘桐棉’植株形态学和生物量等数据，包括：株高、根长、茎基直径、总生物量、叶干重、茎干重、根干重、花干重、花蕾数目，均在100%钙含量的Hoagland营养液处理中达到最大值。100%和150%2个不同水平钙含量处理中‘桐棉’植株在培养第65天左右开始出现第一个花蕾。上述试验结果说明在本研究所设置的7个不同水平钙处理中，100%钙含量的Hoagland营养液处理最适合‘桐棉’植株的生长和发育。1%钙含量处理中测定的10个‘桐棉’植株外部形态指标和生物量数据中，包括：株高、根长、茎基直径、叶间距、叶片厚度、叶片面积、总生物量、叶干重、茎干重和根干重，数值均达到本研究实施过程中所设置的7个不同水平钙处理中‘桐棉’植株的最小值，说明超低钙供应量不利于‘桐棉’植株的生长和发育。虽然300%钙含量处理中各测定指标和数据优于1%钙含量处理，但是比其他5个不同水平钙含量处理中‘桐棉’植株的生长情况均显著较差，说明超高钙供应量也不利于‘桐棉’植株的生长和发育。

（2）本研究采用集绿化观赏、生态优化、经济药用为一体的乔木树种‘桐棉’为研究对象，株高可达6 m以上，除种子育苗在塑料育苗盘中进行以外，植株后期栽培过程中，全程采用营养液深液流栽培方式，便于人工调控营养液中不同水平钙含量处理的同时，也方便于后期‘桐棉’植株根系生长情况的调查和样品采集。这种不借助于无土栽培基质的辅助、营养液栽培乔木的试验方法在国内外相关研究领域比较少见，为木本植物营养研究领域采用营养液研究方式提供前期技术经验和理论基础知识。

（3）由于受到研究经费少和项目周期短的限制，本研究实施过程中只选用了‘桐棉’一种乔木植物、7个不同水平钙含量营养液处理、近6个月后期栽培时间，研究结果具有一定的局限性。针对不同水平钙供应量对园林绿化乔木植物的开花期和花朵品质的研究在本研究中没有涉及到，而且，不同水平钙供应量是否对园林绿化乔木植物的花朵中各种结构，比如：雄蕊、雌蕊、花柱、花冠、花托，以及后期果实和种子存在影响；不同水平钙供应量在园林绿化乔木植物不同器官之间的分布有什么规律，这些分布规律是否一致；这些问题和工作应该成为相关研究领域下一步关注和研究的重点。

4 讨论

近年来，国外关于‘桐棉’植物的研究报道主要集中在其病虫害感染和药用方面，如：库兰达钩端螺旋体‘Leptoxyphium kurandaeCrous&R.G.Shivas’侵染‘桐棉’植物体，从‘桐棉’植物叶子和根系内提取出诸如生物碱、单宁、萜类和类固醇等一些医学上重要的生物活性化合物，‘桐棉’种子提取物影响糖尿病老鼠体内的血糖状态等[15-17]；国内关于‘桐棉’植物的研究报道主要集中在其环境保护和生态效益方面，如：对比广西沿海真红树种和半红树种生理特征和功能性状的差异，珠海淇澳岛红树林主要组成树种的抗寒性研究，‘桐棉’植物不同生境中的适应性研究等[18-20]。本研究以‘桐棉’树种为研究对象，主要是因为其在城市园林绿化、生态环境保护、经济药用开发等方面的潜力较大，国内外在利用营养液栽培‘桐棉’植物的相关研究领域公开报到成果较少，而且，在‘桐棉’集中分布的热带地区，‘桐棉’植物全年开花，温室内开展关于‘桐棉’植物栽培相关的科学研究不受其物候期的限制。

土壤中的钙矿质营养元素主要是以Ca2+的形式被植物根系所吸收[21-23]。虽然有相关研究报道植物体内的钙含量一般占其植物总干物质量的0.1% ～5%，而且，现有的研究成果证明不同植物种类之间、同一植物种类不同地区之间、同一植物种类不同部位和器官之间、同一植物种类同一器官不同生长和发育时期之间的含钙量变化很大[24-26]。郭世荣和孙锦在《无土栽培学（第三版）》一书中将钙矿质营养元素在植物体内的生理生化功能归结为4类：作为细胞结构组分；参与第二信使传递；调节细胞渗透作用；具有酶促作用[24]。在把植物体内钙矿质营养元素根据其发挥的不同功能分为胞外钙作用和胞内钙作用的基础上，Ferguson和Drobak把钙矿质营养元素的胞外钙作用主要概括为4个方面：参与组成细胞壁结构；通过影响质膜外表面的膜磷脂和蛋白排列，维持细胞膜的结构与功能；提供胞外钙，以补充胞内钙；调节质膜与细胞壁内表面的离子环境[8,27]。钙矿质营养元素对植物营养生长的作用不仅表现在维持叶片正常的生理活动进行、促进叶片生长，而且还能调控植物茎秆的生长、根毛的极性生长和叶片腺毛的发育；同时，过量的钙吸收也会造成植物叶片气孔关闭，从而抑制植物的生长[28-30]。本研究的试验结果也直接证明了前人的研究成果，无论钙供应量过高或过低，在所测定的6个植物外部形态指标（株高、根长、茎基直径、叶间距、叶片厚度、叶片面积）和6个生长量指标（总生物量、叶干重、茎干重、根干重、花蕾数、花干重）均低于Hoagland营养液配方中的标准钙含量，尤其是在两个极端钙含量处理中：1%和300%钙含量的Hoagland营养液处理（图1和图2）。这说明，‘桐棉’植物虽然集中分布在海边向阳的地方，受海水中高浓度盐分含量和强光照、高温度、强蒸腾的影响，在0.1 ～30 mmol/L的钙含量范围内均能生存，但是其最适生长发育钙含量为10 mmol/L，属于对钙浓度含量范围要求较为严格的植物种类。

目前，城市园林绿化过程中，相关研究和管理人员常用的栽培措施是通过调控植物生长环境的光照强度和温度来调控植物的花期，对于其中真正涉及到的植物生理和开花机制方面的理论知识掌握并不多[1,5,31]。现有的研究结果证明，钙矿质营养元素通过参与和影响植物的光周期诱导和钙调素变化，从而影响植物的花芽分化和繁殖器官结构发育[8-9]。本研究中，从花蕾数量和花蕾总干重2组数据可以看出，100%钙含量的Hoagland营养液处理中‘桐棉’植株的生殖生长状态最好，低于或高于这个处理的‘桐棉’植株生殖生长均受到不同程度的消极影响，尤其是在2个极端钙含量处理中：1%和300%钙含量的Hoagland营养液处理中，在本研究进行的近6个月的植株培养期内，均没有出现花蕾（图2和图3）。这说明，‘桐棉’植株开花的最适宜钙含量为10 mmol/L，与最适营养生长钙含量一致。从土壤钙矿质营养元素含量角度分析，比较适合‘桐棉’植物生长的地区为土壤养分中钙养分含量在10 mmol/L左右的地区。结合‘桐棉’植物集中分布在热带沿海向阳的地方，中国东南沿海热带地区的城市园林绿化过程中可以选用‘桐棉’植物作为主要栽培树种，可以通过增施钙肥或增施其他矿质养分降低土壤中过多钙矿质养分的配比以满足‘桐棉’植物的生长发育，促进其营养生长和生殖生长，调控植物的花期和花量，增加‘桐棉’植株在城市园林绿化中的效果。本研究开展过程中所涉及到的营养液栽培方式和钙养分调控方式可以推广到其他城市园林绿化木本植物开发和利用的过程当中。在城市园林绿化植物后期土壤栽培期间，针对不同植物的生理特性和开花需求，制定相应的最适施肥方案，提高城市园林绿化管理水平，改善现有调控植物花期和花量的技术。