张圆圆,马金龙,管 冠,2,姚锋先,2,周高峰,2,刘桂东,2
(1.赣南师范大学生命科学学院,江西赣州 341000; 2.国家脐橙工程技术研究中心,江西赣州 341000)
钙作为植物最重要的矿质元素之一,是调节植物体内代谢系统的重要因子及体内激素和环境信号传导的第二信使,在植物生长发育和应对环境胁迫中处于中心调控地位[1-2]。钙又是细胞壁的重要成分,可以稳定生物膜、调节养分离子的平衡以及促进细胞伸长。镁是构成植物体内多种重要成分的组成元素,它不仅是植物体内叶绿素的中心原子,还是树体内重要的酶活化剂,并对核糖体的稳定与磷脂的形成都起着重要的作用[3]。土壤中的镁主要以无机离子形式存在,我国南方地区土壤中含镁矿物易风化淋失,造成土壤镁的供应能力降低。柑橘类果树对镁的需求远较其他果树大,而不同种类和品种对镁的需求量和缺镁敏感性不同[4];在脐橙类品种中,又以纽荷尔对镁最为敏感[5]。我国柑橘园施肥存在盲目性,生产上很少施用有机肥料,偏施氮磷钾复合肥,且施用过量、不足现象并存[6],造成柑橘园养分差异大、果实产量低和品质差等问题[7]。同时,随着N、P、K化肥的施用,作物产量不断提高,从土壤中带走的钙和镁数量不断增加,又因土壤钙素和镁素得不到有效补充,植物缺钙、缺镁现象在各地陆续出现。福建省漳州市平和县是我国蜜柚的主产区,该地区果园土壤交换性钙缺乏的样品占65.29%;土壤交换性镁缺乏的样品占77.1%[8]。奉节脐橙产区有效磷、有效钾含量较为丰富,而交换性镁极度缺乏,其含量100%处于缺乏范围[9]。白由路等研究表明我国有54%的土壤需要不同程度的补充镁素肥料[10]。鲁剑巍等对湖北143个柑橘园土壤进行分析发现,土壤交换性钙和镁缺乏分别占比39.1%和37.1%[11]。姚丽贤等分析广东省70个柑橘园土壤发现,土壤交换性钙含量为中等水平,交换性镁含量缺乏[12]。范玉兰等分析江西省赣南地区18个县(市)1 405份脐橙园土壤发现,土壤交换性钙缺乏的柑橘园占90.9%,土壤交换性镁缺乏的柑橘园高达97.2%[13]。
植物对钙、镁的吸收利用与其在土壤中的交换性含量有很大关系[14]。大量研究表明,外界环境镁含量低时,植株对镁的吸收和积累也会减少[15],同时还会影响其他元素的吸收和在各器官的积累[16]。植株对钙的吸收在一定范围内也随着外界钙浓度的增加呈增加趋势,同时也会影响其他元素的吸收[17],因此要注重钙镁肥的施用,同时还要注意元素之间的平衡。为了探究缺钙和缺镁对脐橙生长和矿质元素吸收及分布的影响,本试验以一年生的枳砧纽荷尔脐橙幼苗为试材,采用石英砂培的方法,探讨缺钙和缺镁对纽荷尔脐橙幼苗植株生长、矿质元素吸收和分布的影响,旨在为纽荷尔脐橙的平衡施肥矫治技术和优质高产提供理论依据。
试验地点为赣南师范大学盆栽场,以枳[Poncirustrifoliata(L.) Raf.]砧纽荷尔脐橙(CitrussinensisOsbeck ‘Newhall’)幼苗(2020年7月嫁接)为试验材料,选取砧木粗度(直径6~8 mm)及高度(14~16 cm)相对一致且生长良好的嫁接苗,洗净附土,重剪地上部和根部,地上部只留一个梢,根部稍作修剪后于2021年4月19日移栽至盛有7.5 L左右的石英砂的不透光塑料盆中,用黑色板子在盆上遮挡,防止太阳直射,在大棚中避雨栽培。
移栽后仅供应蒸馏水进行炼苗,3 d后开始进行缺素处理。试验设置3个处理:对照(CK)、缺钙(-Ca)、缺镁(-Mg),每个处理4个重复,每个重复2株。对照和缺素的营养液参考Hoagland等确定的配方[18],用1/4浓度的大量元素和1/2浓度的微量元素培养3周后,用1/2浓度的大量元素和全浓度微量元素营养液培养。
培养过程中,用便携式叶绿素测定仪(SPAD-502Plus,日本)1周测量1次叶片(分为老叶和新叶)相对叶绿素含量。每处理测量8株,每株随机测量老叶、新叶各2张,每张测4个点,最后取平均值。培养12周后收样,测量株高(植株平放后,用卷尺测量植株最顶端到砧木茎底端的距离)和砧木茎粗(距根1 cm处)以后,将植株分为老叶(移栽时保留的叶片)、新叶(移栽后抽出的叶)、新梢、接穗茎、砧木茎和根6个部分,用超纯水洗净擦干后称取鲜质量,放入信封中置于105 ℃烘箱中杀青15 min,75 ℃ 烘干至恒质量,称取干质量。将烘干后的样品磨碎成粉,贮藏于密封袋备用。每份粉碎干样称取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,用10 mL 5% HNO3溶解,用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,Agilent 7900,美国)测定 P、K、Ca、Mg、B、Mn、Fe、Cu、Zn、Mo 等元素的含量。采用H2SO4-H2O2消煮,全自动智能化学分析仪(Smartchem200,法国)测定全氮含量。
采用Excel 2019软件对数据进行处理和绘图,采用SPSS 21统计分析软件对数据进行差异显著性检验(最小显著差异法)和相关性分析(皮尔逊相关系数法),用Origin 2019将脐橙幼苗离子组元素含量绘制热图。
2.1.1 缺钙和缺镁对植株生长发育的影响 由表1可知,不同处理幼苗生长情况有所差异,与对照相比,缺钙使幼苗株高降低12.5%,叶片数量降低14.7%;缺镁使幼苗株高降低6.0%,叶片数量降低17.6%。而幼苗砧木茎粗、新梢数及抽梢次数在本试验结束时无显著差异。缺钙处理的老叶、新叶、新梢、砧木茎和根的干物质质量较对照显著降低(表2),降幅分别为21.4%、35.6%、38.3%、24.8%、23.1%,其中新叶和新梢降幅最大,可见缺钙抑制了幼苗新稍抽出及新叶萌发;还造成植株总生物量较CK减少26.7%,根冠比较CK增加7.9%。缺镁处理的新叶和新梢干物质质量各降低28.4%和36.9%;总生物量减少15.7%,根冠比增加15.9%。
表1 缺钙和缺镁对纽荷尔脐橙株高、砧木茎粗、
2.1.2 缺钙和缺镁对植株干物质分配的影响 由图1所示,与对照相比,缺钙处理增加了茎的干物质占比,增加了3百分点,新叶干物质占比降低了4百分点;缺镁处理根和茎干物质量占比增加,各增加了3百分点,新叶、新梢干物质量占比分别降低了5、2百分点。由此可知,缺钙、缺镁处理对幼苗各器官干物质量分配均会产生影响,其中对新叶影响较大,是抑制植物生长的主要原因。
表2 缺钙和缺镁对纽荷尔脐橙各器官干物质量的影响
不同处理老叶相对叶绿素含量随处理时间延长而降低,缺钙、缺镁老叶相对叶绿素含量从试验开始到结束分别下降了6.8%和10.3%(图2),缺镁处理下降最为严重。同时,缺镁处理在试验结束时,部分老叶呈倒“V”形黄化。不同处理新叶相对叶绿素含量随处理时间的延长呈上升趋势,缺镁新叶相对叶绿素含量一直高于缺钙处理(图2),推测缺镁处理中老叶的镁转移到新叶中,以供新叶生长所需,但两者相对叶绿素含量在各个生长时期均低于对照处理。综上,缺钙、缺镁均会对幼苗老叶和新叶相对叶绿素含量产生一定影响,对老叶的影响程度为缺镁>缺钙,对新叶的影响程度为缺钙>缺镁。
2.3.1 缺钙和缺镁对各器官大量元素含量的影响 缺钙处理与对照相比,新叶、新梢、接穗茎和砧木茎钙含量有显著变化(表3),新叶、新梢和砧木茎钙含量分别降低26.8%、26.7%和31.2%;而接穗茎钙含量增加16.5%;对老叶和根钙含量没有造成显著影响。缺镁使各器官镁含量显著降低,老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根分别降低54.6%、61.4%、70.3%、50.5%、60.6%和67.4%。
与对照相比,缺钙对各器官氮、磷、钾、镁含量有一定的影响(表3),其中各器官氮含量呈降低趋势,老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根降幅分别为19.0%、13.6%、18.3%、6.1%、19.2%、29.4%,其中以根氮含量降低的最多。缺钙使磷含量在老叶、新叶、新梢和根中显著增加,分别增加了27.7%、19.7%、14.9%、35.5%,砧木茎降低14.9%,可见缺钙对根磷含量影响最大,而对接穗茎磷含量没有造成显著影响。缺钙使钾含量在老叶和砧木茎中分别显著降低16.0%和28.1%,新梢和接穗茎分别增加了46.5%、23.0%。镁含量在新叶、接穗茎中分别显著增加了19.2%、47.5%,砧木茎中降低28.2%;其余器官镁含量没有显著变化。缺镁对氮元素含量影响较小,除了根氮含量显著降低10.6%以外,其余器官氮含量与对照相比没有显著差异;对叶片和根磷含量也没有造成显著影响,但使新梢、接穗茎和砧木茎磷含量分别显著降低32.2%、25.9%、37.2%。缺镁使钾含量在老叶、新叶、新梢和接穗茎中分别显著增加了10.7%、19.2%、27.6%和44.3%。缺镁使钙含量在新叶显著降低19.7%,新梢、接穗茎、砧木茎和根分别显著增加30.7%、60.0%、22.6%和13.4%。
表3 缺钙和缺镁处理纽荷尔脐橙植株各器官大量元素含量 %
2.3.2 缺钙和缺镁对各器官微量元素含量的影响 如表4所示,与CK对比,缺钙处理新叶、接穗茎和根硼含量分别显著增加19.7%、24.8%、12.9%,砧木茎降低27.1%;接穗茎和根锰含量分别增加76.0%、32.4%;新叶和新梢铁含量分别降低15.3%和19.8%,接穗茎和根分别增加76.3%和19.8%。缺钙使老叶、新叶、新梢、砧木茎和根铜含量分别降低31.7%、17.6%、25.0%、33.3%和13.4%,接穗茎增加43.6%;老叶、新叶、新梢、砧木茎和根中锌含量分别降低22.3%、21.8%、28.9%、43.6%、23.6%,接穗茎没有显著变化;老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根钼含量分别降低64.7%、21.4%、45.9%、41.2%、69.8%、44.1%。缺镁处理新叶、接穗茎和根硼含量分别增加20.0%、35.6%、17.7%,老叶硼含量降低9.3%;接穗茎、砧木茎和根锰含量增加72.0%、19.2%、22.3%;新梢、接穗茎、砧木茎和根铁含量分别增加16.6%、88.1%、26.1%和26.0%;新叶、新梢和砧木茎铜含量分别降低13.7%、17.3%、26.2%,接穗茎和根分别增加30.8%和11.0%;老叶、新叶和根锌含量分别降低24.1%、16.0%和18.1%,接穗茎增加16.7%;老叶、新叶、新梢、砧木茎和根钼含量分别降低了58.8%、16.7%、19.5%、34.0%、38.1%。
表4 缺钙和缺镁纽荷尔脐橙植株各器官微量元素含量 mg/kg
2.4.1 缺钙和缺镁对各器官大量元素积累及分配的影响 缺钙处理中单株钙积累量较对照降低40.7%(图3),钙在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为20.2%、33.7%、4.9%、7.5%、3.4%和30.3%。缺镁处理中单株镁积累量较对照降低70.6%,镁在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为6.1%、45.1%、5.3%、6.0%、3.7%和33.8%。
氮、磷、钾积累量及分配情况如图3所示。各处理中,氮、钾、镁积累量在新叶中较其他器官高;而磷在根中的分配比例较其他器官高。缺钙处理中单株氮、磷、钾和镁积累量较对照分别降低43.1%、11.8%、25.7%和22.6%;其中氮在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为8.7%、41.8%、5.8%、5.2%、4.1%和34.4%,磷在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为5.7%、32.7%、8.0%、5.2%、4.1%和44.2%,钾在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为7.3%、40.4%、7.7%、3.9%、2.0%和38.8%,镁在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为4.1%、47.8%、6.9%、6.4%、2.1%和32.7%。
缺镁处理中氮、磷、钾和钙单株积累量与对照比分别降低23.6%、30.6%、11.5%和17.1%;其中氮在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为9.3%、38.3%、4.7%、4.8%、4.1%和38.7%,磷在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为7.1%、36.0%、6.2%、4.8%、4.7%和41.3%,钾在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为9.8%、42.4%、5.7%、4.1%、3.0%和35.0%,钙在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为16.5%、29.3%、6.4%、8.0%、5.3%和34.4%。
由此可知,缺钙、缺镁均显著降低了单株氮磷钾积累量,其中缺钙对氮和钙积累量影响最大,其次是钾积累量,影响最小的是磷积累量;而缺镁对幼苗镁积累量影响最大,其次是磷和氮,对钾积累量影响最小。
2.4.2 缺钙和缺镁对各器官微量元素积累及分配的影响 从图4可看出,各处理中硼在叶片中积累较多,而锰、铁、铜、锌、钼在根中积累较多。缺钙较对照显著降低单株硼、锰、铁、铜、锌、钼积累量,分别降低20.5%、11.1%、11.4%、36.6%、42.7%、56.9%。缺镁能显著增加铁元素单株积累量,增加12.0%;显著降低硼、铜、锌、钼元素单株积累量,降幅分别为11.5%、13.2%、27.3%、41.8%,对单株锰积累量没有显著影响(图4)。以上结果表明,缺钙对钼单株积累量影响较大,对锰和铁单株积累量影响较小;缺镁对钼单株积累量影响较大,对硼和铜单株积累量影响较小。
缺钙处理硼在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为20.6%、61.7%、2.5%、2.1%、1.4%和11.8%,锰在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为20.1%、9.9%、1.3%、1.3%、0.8%和66.7%,铁在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为6.2%、5.8%、0.8%、2.1%、1.5%和83.6%,铜在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为3.4%、21.1%、5.6%、10.1%、4.8%和54.9%,锌在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为6.5%、19.1%、4.8%、6.7%、2.2%和60.7%,钼在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为1.1%、23.6%、7.5%、3.8%、2.0%和62.0%。缺镁处理硼在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为18.9%、61.3%、2.3%、2.2%、2.1%和13.1%,锰在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为21.1%、9.9%、1.1%、1.2%、0.9%和65.8%,铁在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为6.1%、6.1%、1.0%、1.9%、1.8%和83.1%,铜在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为4.2%、17.8%、4.6%、7.4%、4.8%和61.2%,锌在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为6.1%、17.8%、4.7%、6.1%、3.8%和61.4%,钼在老叶、新叶、新梢、接穗茎、砧木茎和根中分配比例分别为1.1%、20.6%、8.4%、5.6%、3.9%和60.4%。
为了进一步表征钙镁缺乏对脐橙幼苗离子组整体的影响,将各处理元素含量进行聚类分析。结果(图5)显示,聚类1包含5种大量元素N、P、K、Ca、Mg和2种微量元素B和Mn,聚类2包含4种微量元素Fe、Zn、Cu、Mo;聚类1元素在叶片中积累较多,聚类2元素在根中积累较多,这与前面分析的大量元素较多积累在叶片,微量元素除硼以外较多积累在根中的研究结果一致。各处理间以及各器官的分离在热图上也很明显,各器官被分为地上部和根2个部分,地上部又分为老叶、新叶、新梢、接穗茎和砧木;老叶中K、N、Ca、B含量较高,新叶中P、K、N、B含量较高;新梢中Mo含量较高,Mg和P只在对照和缺钙处理中较高;砧木茎中Cu含量较高。
通过皮尔逊相关性分析表明,株高、砧木茎粗、叶片数、新梢数、抽梢次数与幼苗生物量呈极显著相关,这些因素共同决定了幼苗生物量。缺钙使脐橙幼苗株高和叶片数显著降低,根、茎、叶干物质质量降低,最终导致其总生物量降低,这与前人在烟草[17]、艾纳香[19]上的研究结果一致,缺钙降低了烟草和艾纳香生物量。大量研究表明,缺镁会引起植株叶片黄化、植株矮小。本试验中,与对照相比,缺镁处理株高和叶片数量降低,前人研究缺镁显著降低了橘橙春见的株高[16]。但是这与杜玉霞等在柠檬上的研究结果[20]不太一致,缺镁时柠檬费米耐劳株高显著增加,这可能与不同品种表现出的耐镁特性有关。而砧木茎粗、新梢数和抽梢次数与对照相比无显著差异,这可能与培养时间较短有关且有研究指出镁对柑橘叶片影响最大[21],韩佳等研究表明,在缺镁处理下,红橘主根、根数、根表面积以及根体积等各根系指标,均无显著变化[22]。元素胁迫条件下,不同品种表现出不同的差异水平,这与品种自身遗传学特性有关,其机制有待进一步深入研究。缺镁导致纽荷尔脐橙植株生物量显著降低,这与前人在不知火和椪柑[23]上的研究结果一致。可能是植物受到胁迫时,脂肪、蛋白质和碳水化合物合成受阻,导致植物不能正常发育,生物量降低,这与Yang等的研究结果[24]一致。其中根干物质质量在缺镁时没有显著变化,在缺钙时显著降低,得出缺钙影响植物根系发育,原因可能在于缺钙时因无法形成细胞壁而抑制细胞的分裂和形成,进而影响根尖、茎尖分生组织的生长,影响根长生长、木质坚固。缺钾和缺镁处理不仅各器官的生物量显著降低,干物质在各器官的分配比例也发生改变,干物质在地上部的分配比例减少,在根部分配比例增加,导致根冠比增加,这可能是脐橙植株应对外界矿质养分胁迫做出的应对适应机制之一。
镁是植物生长必需的营养元素之一,是叶绿素的中心分子,可促进光合碳同化[25],其含量与叶绿素呈极显著相关[5]。本试验中,缺镁处理的老叶相对叶绿素含量随胁迫时间的延长呈下降趋势;新叶相对叶绿素含量虽呈上升趋势,但低于对照。这与凌丽俐等研究发现的短期缺镁对老叶光合能力的影响大于新叶的结果[26]一致。在柠檬上的研究发现,镁浓度越低,叶片失绿现象越明显,且老叶失绿比新叶严重。供镁浓度为0 mg/L时,一些品种的老叶出现倒“V”形黄化[19]。在钙胁迫条件下,老叶相对叶绿素含量在培养5~9周期间呈下降趋势,9~11周稍有回升,但整个过程中均低于对照;新叶相对叶绿素含量虽呈上升趋势,但低于缺镁处理和对照,这可能与镁有较强的移动性而钙移动性较差有关。
钙、镁缺乏条件下植株体内其他元素含量会发生变化,而前人研究表明植株矿质养分含量会影响其长势与光合作用[27],因此本研究进一步对缺钙和缺镁条件下纽荷尔脐橙幼苗对矿质养分的吸收进行了分析。研究结果表明,缺钙对大量元素中氮和磷含量影响较大,使各器官氮含量明显降低,这可能与氮-钙之间存在协同作用有关,氮-钙之间的协同关系在菠菜[28]、烤烟[29]、油桃[30]上已经证实;还使各器官磷含量明显增加。缺镁时纽荷尔脐橙各器官镁含量显著降低,但下降幅度不一样,说明各器官镁转运吸收能力不同,这与杜玉霞等在不同品种柠檬上的研究结果[31]一致;叶和茎钾含量增加,茎和根钙含量增加。因此,在实际中应重视矿质元素间的互作效应,以提高养分效率。钙胁迫和镁胁迫对各器官微量元素影响不一,但总体来看,缺镁对脐橙各器官硼和铁含量影响较大,缺钙对铜、锌、锰和钼含量影响较大。由此推测,钙胁迫或者镁胁迫会破坏植株体内离子平衡,导致离子在各器官的含量发生变化。
本研究表明,缺钙和缺镁处理单株氮、磷、钾、钙、镁积累量显著降低,其中缺钙处理以钙和氮单株积累量降低的最多,缺镁处理以镁单株积累量降低的最多。前人在水稻上研究钾镁之间关系时,证实钾镁共同存在条件下,钾对镁的吸收存在显著的拮抗作用,而镁对钾的吸收则没有拮抗作用[32],本研究在缺镁条件下钾单株积累量没有增加的结果与之一致。综合来看,二者之间的拮抗关系为钾对镁单方面的影响。缺镁时钾单株积累量同样也降低,缺钙和缺镁也造成矿质元素分配比例发生变化,与对照相比,缺钙时地上部的氮积累量增加,缺镁时地上部的钾积累量增加。上述结果说明在响应矿质营养胁迫时,植物可能会将有限的养分从根部转至地上部[33],聚类结果也显示大量元素在叶片中含量较高(图5),这可能与Mg、P、K在韧皮部有较好的流动性有关。同时也表明了元素之间存在互作效应,所以要综合考虑元素之间的互作效应,提高养分的吸收效率。而在缺钙和缺镁处理中磷在根中的分配比例高于其他器官,这与薛欣欣等在橡胶幼苗元素积累中得到的结果[34]一致。大量元素在地上部积累较多,微量元素除了硼以外,其余元素在根系积累的较多,这与在水稻上做的砷胁迫试验得到的试验结果[35]基本一致,但是这种矿质养分在各器官中的分配机制有待进一步研究。
钙胁迫和镁胁迫下,纽荷尔脐橙在生长及矿质养分吸收上有所响应。在生长上表现为缺钙和缺镁处理植株株高和叶片数显著降低,生物量减少以及叶片相对叶绿素含量降低和各器官干物质质量占比的改变;且相对短期时间内,缺钙对脐橙幼苗生长造成的影响大于缺镁。矿质元素含量在钙、镁胁迫条件下也发生变化,大量元素较多积累在地上部,微量元素除硼以外,大都积累在根部。缺钙处理单株元素积累量均降低,缺镁处理单株锰积累量没有变化,铁积累量增加,其余元素单株积累量均降低。综上所述,钙、镁缺乏均使植株对其他矿质养分的吸收产生较大影响,导致脐橙幼苗植株长势受到抑制。因此,钙、镁缺乏地区的柑橘生产中应重视钙、镁肥的合理施用。