氮磷肥對茶樹鋅硒等中微量元素吸收與分配的影響

劉 俏,林 勇,胡小飛,吳安琪,葉學敏,陳伏生,*

1 江西農業大學林學院江西省森林培育重點實驗室,南昌 330045 2 江西農業大學鄱陽湖流域森林生態系統保護與修復國家林業和草原局重點實驗室,南昌 330045 3 南昌大學管理學院,南昌 330031

鋅(Zn)和硒(Se)是人體必不可少的元素[1-2],具有保護心臟、提高免疫力、抗腫瘤和衰老等作用[3-5]。調查研究表明,我國大部分人口對Zn和Se這兩種元素攝取不足[6-7]。為緩解人體Zn和Se缺乏的癥狀,可種植從自然土壤中吸收富集Zn和Se的作物,通過直接食用(如大米和茶籽油)或浸泡飲用(如茶葉)等方式供人體吸收利用,從而有效補充[3,6]。與此同時,Zn和Se在植物體的含量雖然不高,但參與植物許多重要的生理代謝過程,在植物生長發育過程中也有著不可或缺的作用[8- 9]。Zn和Se如何被作物吸收、利用一直受到關注,但其在作物體內吸收與分配過程還有待研究。

氮(N)、磷(P)是作物生長所需要的礦質營養元素[10],對作物生理功能和生長發育具有重要影響。N添加可促進根系活力、增加葉綠素含量；P添加有利于多發新根,提高作物抗寒、抗旱能力[11]。同時,N、P易與Zn、Se等中微量元素發生耦合作用[12],進而影響作物對礦質營養的吸收。研究表明,N和/或P添加將增加或減少作物Zn、Se、鋁(Al)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、銅(Cu)和錳(Mn)等元素的含量[12-14]；而Zn、Se等中微量元素的有效性增加會對作物N、P利用起催化或抑制作用。礦質元素此消彼長的關系不僅影響作物品質和產量,且與作物主要生化成分密切相關。植物體不同器官對礦質元素的吸收利用具有選擇性[15],故各器官對N、P與中微量元素調控的吸收積累存在差異,但有關N、P與Zn、Se等中微量元素耦合在植物體不同器官的元素分配機制尚不明確[16]。因此,探討N、P對中微量元素吸收積累的調控,可揭示常規施肥對中微量元素遷移和富集的潛在影響,為食品安全和農業生產提供參考。

茶樹(Camelliasinensis)是亞熱帶重要的經濟作物,喜生于光熱條件好、空氣濕度大的酸性丘陵地帶；江西獨特的地質地貌,使其成為我國重要的茶樹種植區。微量元素對飲茶者健康有益,是茶葉自然品質的重要指標[17],而茶樹又具有吸收和富集Zn、Se等中微量元素的潛能。基于此,本研究以福鼎大白茶樹為對象,通過往土壤中添加Zn、Se并進行N、P調控,探討不同施肥處理對茶樹不同器官Zn、Se、Al、Ca、Fe、Cu和Mn含量的影響,擬重點回答以下問題：(1)外源Zn+Se添加是否提高茶樹體,特別是茶葉Zn和Se含量；(2)N、P肥是否影響茶樹對Zn、Se的吸收及其分配,從而改變茶葉Zn和Se含量；(3)Zn、Se、N和/或P肥添加如何交互作用于茶樹其他中微量元素的吸收和分配。研究結果為栽培含Zn富Se茶提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于江西省南昌縣黃馬鄉(28°20′ N,116°01′ E),平均海拔約30 m。該區為亞熱帶季風氣候區,氣候溫和、降雨充沛,年均氣溫17.5℃左右,年降雨量1700 mm左右,年平均相對濕度為78.5%。研究樣地處于典型的紅壤丘陵區,保水保肥效果較好。茶樹種植土壤有機質為19.90 g/kg、全氮為1.50 g/kg、全磷為0.87 g/kg、礦質氮為8.43 mg/kg、有效磷為15.80 mg/kg、pH為4.05[12],適合茶樹生長。

1.2 試驗設計

本實驗以種植于紅壤丘陵區30 a生福鼎大白茶樹為研究對象,平均株高1.2 m,平均主干基徑3—5 cm。按5種處理3次重復完全隨機化區組進行試驗設計。每個區組選取5個大小為3 m×4 m樣方且間距不小于3 m,每個樣方種植30株(3行×10株)福鼎大白茶樹,樣方內設2空白條帶之間夾著1樣地條帶,隨機布設5種施肥處理,每個處理之間有間隔。5種處理每塊樣方施肥種類及1月的劑量分別為：Zn+Se(2.53 g ZnSO4·7H2O +21.9 mg Na2SeO3)；Zn+Se+N(2.53 g ZnSO4·7H2O +21.9 mg Na2SeO3+14.29 g NH4NO3)；Zn+Se+P(2.53 g ZnSO4·7H2O +21.9 mg Na2SeO3+9.68 g NaH2PO4)；Zn+Se+N+P(2.53 g ZnSO4·7H2O +21.9 mg Na2SeO3+14.29 g NH4NO3+9.68 g NaH2PO4)和對照(CK,僅灌水)。5種施肥處理每次均按照對應的化學試劑(均為分析純)和施肥量溶解于12 L水中,均勻的灌溉12 m2土壤(距離根莖30 cm的地方)。土壤中Zn、Se、N和P每次添加量分別相當于33.3 mg/m2、0.833 mg/m2、0.417 g/m2和0.208 g/m2。2011年3月開始進行施肥(選擇連續3天以上天晴)處理,且每月進行一次施肥,共24次,期間樣地內進行合理的經營管理措施。

1.3 樣品采集與測定

于2013年3月(當月不施肥)進行取樣。在每個樣方內隨機選取3株具有代表性的茶樹,采用挖掘法把茶樹全株取出,盡量避免損害根系,保存茶樹的完整性。地下器官根據根系根序分級理論將收集到的根系分為吸收根(即頂端的1—3級)、運輸根(4—5級)、儲藏根(5級以上,且直徑<8 mm)[18]；地上器官根據年齡分為茶葉(一芽兩葉)和成熟葉。將植物樣品先用清水洗凈,再用去離子水沖洗,將同一樣方內的3株植物樣品進行混合,晾干,置于烘箱中105℃殺青30 min后,65℃烘至恒重,粉碎,過0.25 mm篩,測定各元素含量。樣品Al含量測定參照肖樂勤[19]改良后石墨爐原子吸收光譜法；Ca、Fe、Mn、Cu、Zn含量采用HNO3-HC1O4消煮ICP-AES測定[20]；Se含量采用原子熒光測定[21]。

1.4 數據處理

采用Excel 2017和SPSS 17.0軟件對數據進行處理和統計分析。采用雙因素(施肥處理和不同功能根或不同年齡葉)和最小顯著性差異(LSD)法進行5種施肥處理、3種不同功能根系和2種不同年齡葉片的方差分析及多重比較(α=0.05)。茶樹體不同器官Zn、Se含量采用Pearson法進行相關性分析。利用SigmaPlot 10.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 茶樹體Zn、Se元素對外源N、P、Zn、Se添加的響應

雙因素方差分析結果表明,施肥處理顯著影響茶樹地下和地上器官Zn和Se含量(P<0.05)；地下不同功能根之間Zn含量差異顯著,而Se含量差異不顯著,但地上不同年齡葉片Zn和Se含量均差異顯著；施肥處理與地下或地上器官對Zn和Se含量的交互作用均不顯著(表1)。外源養分添加后,茶樹吸收根、運輸根、茶葉、成熟葉的Zn含量顯著高于CK；施肥處理中,地下不同功能根系Se含量均表現為Zn+Se+N+P處理下最高,Zn+Se+P處理次之,Zn+Se+N處理最低,而地上茶葉和成熟葉Se含量均表現為Zn+Se+N、Zn+Se+P、Zn+Se+N+P處理顯著高于CK、Zn+Se處理(圖1)。此外,Zn含量總體表現為吸收根>運輸根>儲藏根,茶葉高于成熟葉；Se含量為成熟葉高于茶葉(圖1)。

圖1 茶樹地下和地上器官中Zn、Se含量對外源N、P、Zn、Se添加的響應Fig.1 The responses of Zn and Se in belowground and aboveground organs of tea plant to the additions of N,P,Zn and Se不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)不同大寫字母表示器官間差異顯著(P<0.05)

表1 N、P、Zn、Se添加和地下、地上器官及交互作用對茶樹Zn、Se及其他中微量元素影響的方差分析

2.2 茶樹體Al、Ca元素對外源N、P、Zn、Se添加的響應

雙因素方差分析結果表明,施肥處理、地下器官及其交互作用對Al含量均影響顯著,而地上器官Al含量僅表現為不同年齡葉片之間差異顯著,施肥處理及交互作用的影響均不顯著；茶樹Ca含量僅表現為地下不同功能根系之間和地上不同年齡葉片之間差異顯著,施肥處理及交互作用的影響均不顯著(表1)。外源養分添加后,茶樹吸收根和運輸根Al含量顯著高于CK(圖2),其中Zn+Se、Zn+Se+N、Zn+Se+P、Zn+Se+N+P處理吸收根的增幅為55.00%、56.00%、63.17%、60.50%；運輸根的增幅分別為52.22%、56.11%、51.29%、59.84%。Al含量總體表現為吸收根>運輸根>儲藏根,成熟葉高于茶葉；Ca含量為成熟葉高于茶葉(圖2)。

圖2 茶樹地下和地上器官中Al、Ca含量對外源N、P、Zn、Se添加的響應Fig.2 The responses of Al and Ca in belowground and aboveground organs of tea plant to the additions of N,P,Zn and Se

2.3 茶樹體Fe、Cu、Mn元素對外源N、P、Zn、Se添加的響應

雙因素方差分析結果表明,施肥處理對地下器官Fe、Cu、Mn含量影響顯著,而對地上器官Fe、Cu、Mn含量影響均不顯著；地下不同功能根系之間僅Fe、Cu含量差異顯著,而地上不同年齡葉片之間Fe、Cu、Mn含量均差異顯著；施肥處理和地下器官的交互作用僅表現為對Fe的影響(表1)。與CK相比,施肥處理顯著提高吸收根和運輸根Fe含量,Zn+Se、Zn+Se+N處理顯著提高儲藏根Fe含量；以及施肥處理顯著提高儲藏根Cu含量；運輸根Mn含量為Zn+Se+N、Zn+Se+P、Zn+Se+N+P處理顯著高于CK和Zn+Se處理,儲藏根Mn含量為Zn+Se+N+P處理顯著高于其他處理(圖3)。此外,Fe含量總體為吸收根高于運輸根和儲藏根,成熟葉高于茶葉；Cu含量為吸收根高于運輸根和儲藏根,茶葉高于成熟葉；Mn含量為成熟葉顯著高于茶葉(圖3)。

圖3 茶樹地下和地上器官中Fe、Cu、Mn含量對外源N、P、Zn、Se添加的響應Fig.3 The responses of Fe,Cu,Mn in belowground and aboveground organs of tea plant to the additions of N,P,Zn and Se

2.4 茶樹不同器官中Zn、Se含量的相關性分析

相關性分析表明,茶葉和成熟葉Zn含量均與吸收根呈顯著正相關,成熟葉Zn含量僅與運輸根呈顯著正相關；而茶葉和成熟葉Se含量僅與儲藏根呈顯著正相關(表2)。可見,Zn、Se元素在茶樹中的遷移途徑有別。

表2 茶樹不同器官中Zn、Se含量的相關性分析

3 討論

茶樹是一種富含多種中微量元素的作物,其生長發育往往會受到外界環境和土壤狀況等多種因素的影響[12,22]。外源養分添加至土壤,會打破其原本的元素分配狀況,進而改變茶樹各器官對元素的吸收和分配,最終影響茶樹生長及茶葉自然品質[12]。本研究表明,Zn+Se處理顯著提高了茶樹器官Zn、Se含量,較好地回答了科學問題一,即茶樹具有較強吸收和積累Zn和Se的能力。可能原因包括：茶樹可通過根系從土壤中吸收Zn來活化體內一些酶促反應,增強光合作用,促進葉片對CO2的同化[23]；吸收Se可增強根系養分吸收和轉化速度,進而提高茶樹體內過氧化物酶活性,增加其抗逆性[3]。顯然,茶樹可通過吸收和累積Zn、Se來維持和促進其正常生長。正如Yang等[12]研究發現,富Zn和富Se土壤可以釋放更多的Zn、Se離子,這些離子通過根系被茶樹吸收、積累,進而增加其器官中Zn、Se含量,提高茶葉的自然品質。同時Dai等[8]在研究大白菜時也發現,土壤中添加Zn、Se可以提高根葉抗氧化酶、葉綠素和脂質過氧化物的含量,進而提高作物的耐受性和生理狀態,促進器官對Zn、Se的吸收。段曉琴和趙永亮[24]發現在土壤中施用Zn和Se后,油菜莖葉中的Zn和Se濃度較對照顯著升高。多數研究也表明,植物組織Zn和Se含量與土壤Zn、Se含量呈正相關[25-26]。以上研究結果都證實,向土壤中添加Zn、Se不失為提高茶樹器官,特別是茶葉Zn、Se含量的有效措施之一,這為培育高品質鋅硒茶提供了數據支持。

N和P均是生態系統中重要的營養元素和限制性養分,故土壤中添加N、P往往可促進作物的生長[11]；同時N、P也易與Zn、Se等中微量元素發生耦合互作,進而改變作物的吸收與分配[12]。本研究發現,N和/或P肥調控Zn和Se肥后僅會顯著增加茶樹地上器官的Se含量,回答了科學問題二,即N、P顯著增加了茶葉Se的累積。劉世亮等[27]研究發現N、P、K和Zn、Se處理顯著增加紫花苜蓿Se含量和有機Se轉化率。龍世方等[28]也發現N、P、K和Se配施可達到水稻富硒、高產的目標。而造成本研究N、P顯著增加茶葉Se的累積可能原因包括：N肥施入促進茶樹生長發育,增加茶葉對Se的吸收和積累[29]；而P肥則通過對土壤Se進行內源調控,改善茶樹根際微生物群落結構,為有機肥的分解提供更適宜的土壤環境,而土壤有機質增加可通過微生物的礦化分解釋放出Se[30]。為此,N和/或P肥與Zn和Se肥配施可以增加茶葉中的酶活性,增加其抗氧化活性[12],從而提高Se的利用率及茶葉中Se含量[31]。同時,本研究發現,Zn含量并未因N和P添加與否而顯著變化。推斷估計與施用P肥有關,P肥引起作物根系形態改變,導致與植物根系共生的菌根數量減少,在一定程度上抑制N的作用,進而限制了茶樹對Zn的吸收能力[12,13,3-2]。此外,有研究發現施P可降低根系分泌活化土壤Zn的低分子有機酸,從而減少植物對Zn的吸收[33]。可見,N、P添加是促進茶葉富Se的有效措施之一,但對Zn的吸收積累未見顯著效應。

Zn、Se、N和/或P肥添加除直接影響茶樹各器官Zn、Se的含量外,其耦合作用還改變茶樹體相關中微量元素在各器官的分配。本研究發現,在Zn、Se、N和/或P肥添加下,各元素在茶樹各器官的響應是不同的,地下器官的響應比地上器官強,可能主要源于根系可吸收積累較多中微量元素(Al、Fe、Zn和Cu等)[16],且一些元素與根的結合方式往往較地上枝和葉更多。本研究中,茶樹吸收根和運輸根Fe含量顯著增加,可能是因為根系易分泌檸檬酸的小分子有機酸,增強根部對Fe的吸收和利用,且Fe的活性較低,向上運輸能力較弱[34],所以大部分Fe累積在吸收根和運輸根中。而根系Al含量顯著增加,可能主要緣于土壤Al易與P在根系表面發生吸附-沉淀反應,且N添加增加了根系活性[35],導致Al向上運輸的量減少,在吸收根和運輸根富集。同時,茶樹體內各元素在一定程度上存在競爭抑制的效應,例如：Al含量過多會抑制茶樹對Cu的吸收,本研究中Al多積累于吸收根與運輸根,這在一定程度上會抑制Cu的累積,但Cu與根細胞的結合性較強,故導致施肥后儲藏根Cu含量顯著增加。此外,土壤Mn有效性因外源養分添加驅動根系向土壤分泌大量有機酸而增加[36],根系從土壤中吸收Mn2+及其他形態的Mn來滿足生長,但多集中于年老器官,如運輸根和儲藏根,而在幼嫩器官分配較少。Ca為難以移動的元素,易形成不溶性Ca鹽沉淀而固定,不易受其他元素耦合的影響[37]。可見,與未添加相比,外源養分添加下中微量元素在各器官的耦合效應各異,但地上器官,特別茶葉中未添加的中微量元素含量維持基本不變,這可較好地保障茶葉的食用安全性。

4 結論

土壤外源Zn、Se供應可提高茶樹組織中Zn和Se含量,且施N和/或P肥有助于提高Se利用率,增加茶葉Se含量；其Zn和Se含量與國家標準規定相一致(國家標準規定,Se含量為0.25—4.00 mg/kg(NY/T600- 2002),Zn含量為35.00±2.00 mg/kg(GSB- 30)),處于食品安全及人體健康的范圍之內。Al、Ca、Cu、Fe和Mn的響應規律不一致,但主要集中在地下器官,地上器官并未有顯著增加或降低,可規避Al、Ca、Cu、Fe和Mn等5種金屬元素通過飲茶造成的毒害風險。研究結果為紅壤丘陵區栽培高品質鋅硒茶提供了新的證據,或許是人體補充Zn和Se有效便捷的途徑之一。

致謝：江西省蠶桑茶葉研究所提供研究基地,陳希和李敬等完成野外試驗及采樣工作,特此致謝。