鋁脅迫下鈣對油茶營養元素吸收積累的影響

黃麗媛，胡光偉，王 瓊，劉 珍

（湖南工業大學城市與環境學院農牧業廢棄物資源化綜合利用湖南省重點實驗室，湖南 株洲 412007）

鋁是土壤中比較豐富的金屬元素，當其以鋁硅酸鹽和鋁氧化物等形式存在時對植物和土壤無毒害。隨著全球范圍內酸雨危害的加重，大量可溶性鋁積累增多，并轉變為對植物有毒的Al3+形態［1］。植物通過土壤吸收水和養分的同時，大量Al3+也被吸收，并富集在體內。植株體內的Al3+通過競爭陽離子結合位點，阻塞離子通道等方式抑制礦質元素的吸收，導致植株營養元素的缺乏，影響其正常生長發育［2，3］。已有不少研究表明，鋁脅迫下植物對Ca2＋和Mg2＋等營養元素的吸收積累量迅速下降，尤其是Ca2＋含量降低是鋁毒害的重要原因［4，5］。同時，隨著土壤酸化日益嚴重，土壤中鉀、鈣、鎂等營養物質逐漸被淋失［6，7］，造成養分有效性低，繼而導致植株生長不良，產量下降。鋁毒害也被認為是限制酸性土壤中植物生長的主要因素之一，眾多學者認為，其原因是鋁嚴重影響了植物對養分的吸收和運輸，導致植物營養虧缺或失衡［8］。

鈣是植物必需的礦質營養元素，在維持細胞壁、細胞膜和膜結合蛋白的穩定性，調節無機離子運輸，調控酶活性等方面具有重要作用［9］。土壤中過量鋁的累積會減少植株對鈣的吸收［10］，施鈣可以增強Ca2+與Al3+的拮抗作用，減少水合Al3+與磷脂結合，降低羧基與膜蛋白的結合，從而起到緩解鋁毒的作用［11］。Chibiliti 等［12］認為高濃度鋁使奈馬格桃枝梢Ca、Zn、Cu、Fe 等含量降低，外源施入鈣可以減少桃枝梢中鋁的積累，減輕鋁毒。在對小麥、苜蓿和大豆的鋁毒研究中，均表明外源鈣可以緩解鋁毒［13-15］。由此可見，鈣在緩解植物鋁脅迫方面具有重要作用，但鈣在緩解油茶鋁脅迫方面的研究尚未見報道。

油茶（Camellia oleiferaL.）是中國重要的木本油料樹種，其主要產品茶油被認為是健康優質的食用油，提高油茶產量和品質，能有效緩解油料供需矛盾和進口壓力，增強中國糧食保障能力。目前，油茶在中國種植面積廣泛，并主要分布在長江以南的酸性紅壤區［16］，該區域是典型的富鋁化環境。雖然油茶是鋁富集植物，但是前期研究表明，高濃度鋁也會顯著限制油茶正常生長發育［17］。因此，本研究通過在鋁脅迫條件下提高油茶根際環境鈣的濃度，比較施鈣與不施鈣油茶體內鋁及營養元素含量的變化，探討不同濃度鈣對油茶鋁脅迫的緩解作用，為揭示鈣緩解鋁脅迫的生理機制提供理論依據，也為采用農藝措施緩解鋁毒提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料與處理

以普通油茶品種湘林XCL 15 扦插苗為試驗材料。選取健康粗壯的穗條，將其修剪為約10 cm 長的插穗，扦插于河沙苗床上，進行常規管理。90 d后，挑選長勢基本一致、根系良好的扦插苗，將根系用清水沖洗干凈，移植到塑料盆中，每盆裝細沙3 kg，移植后置于大棚中，保持通風狀態，白天氣溫高時適當遮陰處理。在試驗開始前進行14 d 的預培養，每3 d 澆1 次營養液，每盆400 mL，營養液采用Hoagland 配方（pH=4.2）［18］。待油茶幼苗適應14 d后，在Hoagland 營養液基礎上加入AlCl3作為Al 源，加入CaO 作為Ca 源，進行不同的鈣鋁組合處理。根據前期試驗結果，油茶幼苗在4 mmol/L 的鋁處理下，受到鋁毒害，因此，本試驗鋁濃度設置為4 mmol/L，鈣的濃度設置為0.5 mmol/L（低鈣）、3.0 mmol/L（中鈣）、5.0 mmol/L（高鈣）3 個水平，組合成為6 個處理：CK（0 mmol/L AlCl3+ 0 mmol/L CaO）、T1（0 mmol/L AlCl3+0.5 mmol/L CaO）、T2（4 mmol/L AlCl3+0 mmol/L CaO）、T3（4 mmol/L AlCl3+ 0.5 mmol/L CaO）、T4（4 mmol/L AlCl3+ 3.0 mmol/L CaO）、T5（4 mmol/L AlCl3+5.0 mmol/L CaO），每個處理15 盆，每盆2 株。鈣、鋁處理60 d 后，開始進行油茶植株養分元素的測定。

1.2 測定方法

處理結束后，每個處理選取8 株幼苗，用清水沖洗干凈，將根系、莖和葉片分別置于烘箱中，105 ℃下殺青30 min，70 ℃烘干至恒質量備用。參照史曉龍等［19］的方法將各器官干樣分別粉碎后用H2SO4-H2O2消煮，采用火焰光度計法測定全鉀含量，鋁試劑比色法測定Al 含量，凱氏定氮法測定全氮含量，釩鉬黃比色法測定全磷含量，原子吸收法測定鐵、鋅、鈣、鎂和銅含量。

1.3 數據處理

采用Excel 2013 軟件記錄數據和制圖，采用SPSS 22.0 軟件進行均值、標準差計算及方差分析，其中方差分析采用Duncan 法。

2 結果與分析

2.1 鈣對鋁脅迫下油茶鋁吸收積累的影響

從圖1 可知，在鋁脅迫處理（T2）下，油茶根、莖、葉的鋁含量顯著升高，分別是CK 處理的4.51、4.75、6.15 倍，其中葉片鋁的積累量最高。在鋁脅迫下增加營養液中鈣的濃度，油茶植株鋁含量逐漸下降，當鈣的濃度達到5.0 mmol/L 時，油茶植株鋁含量顯著下降，根、莖、葉的鋁含量較鋁脅迫處理（T2）分別下降了47.75%、45.77%和28.30%，下降幅度最大的是油茶根系鋁含量。此外，低鈣處理（T3）對油茶體內鋁含量影響較小，與鋁脅迫相比無顯著差異。

圖1 鋁脅迫下施鈣對油茶鋁含量的影響

2.2 鈣對鋁脅迫下油茶鈣吸收積累的影響

鋁脅迫（T2）下，油茶根、莖、葉鈣含量顯著降低，與對照相比分別下降了54.93%、24.05% 和48.15%，說明鋁脅迫抑制了油茶對鈣的吸收（圖2）。隨著營養液中鈣濃度的提高，油茶植株鈣含量逐漸上升，低鈣處理（T3）下油茶樹體各部分鈣含量雖略微升高，但與T2 處理相比差異不顯著，中鈣（T4）和高鈣（T5）處理下油茶植株鈣含量顯著升高，當鈣濃度達到5.0 mmol/L 時，根、莖、葉鈣含量分別是T2 處理的2.45、1.52 和1.97 倍，其中根系鈣含量上升幅度最大。在低鈣無鋁處理（T1）時，油茶植株的鈣含量與CK 相比也顯著升高。

圖2 鋁脅迫下施鈣對油茶鈣含量的影響

2.3 鈣對鋁脅迫下油茶氮吸收積累的影響

從圖3 可知，T2 處理油茶根、莖、葉中氮素含量較CK 處理分別降低了42.5%、30.2%和47.0%，處理間差異極顯著，說明鋁脅迫抑制了油茶對氮的吸收。當營養液中鈣濃度升高時，能夠顯著恢復油茶的氮素含量，尤其是在中鈣濃度（T4）處理下，油茶根、莖、葉的氮素含量是T2 處理的1.75、1.45 和1.53 倍。與中鈣濃度處理相比，高鈣濃度處理（T5）下油茶植株氮含量略有下降。

圖3 鋁脅迫下施鈣對油茶氮含量的影響

2.4 鈣對鋁脅迫下油茶磷吸收積累的影響

鋁脅迫下油茶磷含量與對照相比無顯著差異，說明鋁脅迫并未抑制油茶對磷素的吸收（圖4）。鋁脅迫下施入不同濃度的外源鈣，油茶根系磷含量略微升高，莖和葉片磷含量出現波動，但各處理間無顯著差異。從油茶各器官磷含量的變化來看，變化幅度均較小，說明鈣、鋁處理對油茶磷素的吸收積累無明顯的促進或抑制作用。

圖4 鋁脅迫下施鈣對油茶磷含量的影響

2.5 鈣對鋁脅迫下油茶鉀吸收積累的影響

由圖5 可知，油茶根系和葉片鉀含量受到鋁脅迫（T2）時顯著下降，與對照相比分別下降了30.05%和28.10%，但是油茶莖的鉀含量僅下降6.70%，與CK 相比無顯著差異。隨著營養液中鈣濃度的提高，油茶根系和葉片的鉀含量逐漸上升，低鈣處理（T3）對油茶樹體鉀含量影響較小，與T2 處理相比差異不顯著，中鈣（T4）和高鈣（T5）處理下，油茶根系和葉片的鉀含量顯著升高，尤其當鈣濃度達到5.0 mmol/L時，根系和葉片中鈣含量分別較T2 處理提高了40.17%和52.51%。此外，各處理間油茶莖的鉀含量無顯著差異。

圖5 鋁脅迫下施鈣對油茶鉀含量的影響

2.6 鈣對鋁脅迫下油茶鎂吸收積累的影響

與CK 處理相比，鋁脅迫（T2）下油茶對鎂的吸收積累明顯受到抑制，根、莖、葉中鎂含量分別降低了47.70%、39.87%和34.15%（圖6）。鈣的施入促進了油茶對鎂元素的吸收積累，其中，低鈣（T3）處理下油茶鎂含量增加幅度較小，與T2 處理相比無顯著差異，而中鈣（T4）和高鈣（T5）處理顯著提高了油茶的鎂含量，當營養液中鈣的濃度達到5.0 mmol/L 時，與T2 處理相比，根、莖、葉的鎂含量分別提高了59.34%、56.84%和46.59%。從油茶不同器官來看，施鈣處理對莖的緩解作用最大，當鈣濃度達到3.0 mmol/L 和5.0 mmol/L 時，莖的鎂含量要高于根系和葉片。

圖6 鋁脅迫下施鈣對油茶鎂含量的影響

2.7 鈣對鋁脅迫下油茶鐵吸收積累的影響

油茶根系鐵的積累量在鋁脅迫（T2）下明顯受到抑制（圖7），與CK 處理相比，下降了41%。油茶莖和葉片鐵積累量受鋁脅迫影響較小，與CK 處理相比無顯著差異。隨著營養液中鈣濃度的增加，油茶根系鐵含量明顯增加，與T2 處理相比，T3、T4 和T5 處理下根系鐵含量分別提高了28.10%、47.11%和50.41%。低鈣（T3）和中鈣（T4）處理對油茶莖和葉片鐵含量影響較小，與T2 處理相比無顯著差異，只有在高鈣（T5）處理下，油茶莖和葉片鐵的積累量才顯著升高。

圖7 鋁脅迫下施鈣對油茶鐵含量的影響

2.8 鈣對鋁脅迫下油茶鋅吸收積累的影響

由圖8 可知，鋁脅迫（T2）明顯抑制了油茶對鋅的吸收積累，與CK 處理相比，根、莖、葉鋅含量分別下降了31.48%、55.93%和32.14%，其中油茶莖部受到的抑制作用最大。當外源鈣的濃度達到3.0 mmol/L 時，根系和莖部鋅積累量逐漸恢復到CK處理水平，葉片鋅含量是對照處理的1.39 倍，說明中鈣處理顯著促進了油茶葉片對鋅的積累。但是當鈣濃度升高到5 mmol/L時，根系鋅含量較中鈣處理（T4）顯著下降。

圖8 鋁脅迫下施鈣對油茶鋅含量的影響

2.9 鈣對鋁脅迫下油茶銅吸收積累的影響

鋁脅迫（T2）促進了油茶根系對銅的吸收積累（圖9），與CK 處理相比，其含量提高了65.81%，但鋁脅迫處理對油茶莖和葉片銅含量影響不大。在低鈣（T3）和中鈣（T4）處理下，均不能顯著提高油茶植株銅含量，與T2 處理相比無顯著差異，說明中鈣、低鈣濃度對油茶植株銅的吸收積累影響較小。而在高鈣（T5）處理下，與T2 處理相比，油茶根系銅含量下降了28.69%，莖和葉片銅含量無明顯變化，說明高鈣處理抑制了油茶根系對銅的吸收積累。

圖9 鋁脅迫下施鈣對油茶銅含量的影響

3 小結與討論

植物的生長發育離不開對養分的吸收和積累，養分不僅是油茶植株生物量積累的基礎，也是實現油茶優質、高產的關鍵。氮、磷、鉀是保證植物正常生命活動所必需的3 種大量元素，鉀元素與植物的新陳代謝有關，可增強植物的抗逆性和抗病能力［20］。氮是植物結構組分元素，不僅在莖、葉生長和果實發育方面起著重要作用，還直接關系到果實產量的高低。磷在提高植物對外界環境的適應性和抗逆性方面也起著重要作用。鈣和鎂是植物生長發育必需的中量元素，其中，鈣具有穩定細胞膜和細胞壁的作用，并參與植物代謝和發育調控。鎂是構成葉綠素的主要礦質元素之一，直接影響植物的光合作用［21］。銅、鋅、鐵等微量元素是植物體內許多氧化酶的重要成分，廣泛參與各種生理活動，在維持細胞內物質代謝、蛋白質合成和葉綠體合成等方面具有重要作用［22，23］。前人研究表明，高濃度鋁脅迫下，大量的Al3+會破壞植物體內的離子平衡，干擾營養元素的吸收和轉運，造成鋁毒害［24］。鋁過量會在不同程度上抑制植物根系對鈣、磷、鉀、鐵、銅和鋅等營養元素的積累和轉運［25，26］。鄭陽霞等［27］的研究表明，豆瓣菜根系對營養元素的吸收效率會隨著鋁質量濃度的提高而逐漸降低。本研究表明，鋁脅迫抑制了油茶植株對部分營養元素的吸收和積累，與對照處理相比，油茶植株鈣含量下降了24.05%～54.93%，氮含量下降了30.2%～47.0%，鎂含量下降了34.15%～47.7%，鋅含量下降了31.48%～55.93%，鉀含量下降了6.70%～30.05%。鋁脅迫抑制油茶對鈣的吸收，降低植株鈣含量，是因為Al3+通過與質膜蛋白質及磷脂的結合位點結合，取代了重要點位上的Ca2+，從而與Ca2+產生競爭，抑制了對Ca2+的吸收和運輸［28］。油茶植株氮含量的降低，可能是由于Al3+抑制了根際固氮微生物和酶的活性，導致土壤有效氮的供應減少［29］，進而影響植株對氮吸收。高濃度Al3+對K+的吸收有明顯的拮抗作用［30］，這可能是導致鉀含量下降的原因。對許多植物而言，土壤中高濃度Al3+容易導致鋁磷結合，使磷變成非有效態，導致植物磷含量的下降［31］，而本試驗結果顯示，鋁脅迫下油茶植株磷含量并未下降，這與茶樹、山茶花的研究結果一致［32，33］。鋁脅迫下，油茶根系銅含量與對照處理相比顯著上升，說明油茶在鋁脅迫下仍然可以較好地利用銅元素，但其具體機理還有待進一步研究。此外，本研究還發現，對不同養分元素而言，鋁脅迫對油茶各器官的影響略有差異，鈣、氮和鎂等各器官含量的變化一致，而鐵含量的變化不一致，根系鐵含量顯著下降，莖和葉片鐵含量與對照相比無顯著差異，這可能與養分在植株體內的轉運特性有關，鐵屬于難移動性元素，因此莖和葉片沒有明顯變化。

細胞內Ca2+平衡失調被認為是鋁毒害的重要機理之一，胞內Ca2+濃度失衡，導致細胞生理功能紊亂，從而產生毒害作用。外源Ca2+能夠重建植株體內離子平衡，促進Ca2+以及胞內Ca2+穩態的維持，因此施入外源鈣是緩解鋁脅迫的重要途徑。施鈣對鋁脅迫下大麥養分吸收的研究表明，鈣能顯著提高大麥根、莖、葉對鉀、鎂、錳和鋅養分元素的吸收和積累，緩解植株鋁毒害［34］。段小華等［35］的研究表明，適當濃度的鈣能夠促進茶樹對鎂和鉀等元素吸收，并且茶葉中的鋁含量會隨著鈣濃度的增加而下降，鈣和鋁之間呈負相關。上述研究結果與本試驗結果基本一致，鋁脅迫下加入鈣顯著抑制了油茶植株各器官對鋁的吸收和積累，尤其是當鈣濃度達到3 mmol/L 和5 mmol/L 時，油茶根系鋁含量分別較鋁脅迫下降了35.30%和47.75%，這可以有效減輕鋁對根細胞分裂和伸長的抑制作用，從而緩解鋁毒對油茶生長的影響［36］。隨著外源鈣的施入，油茶植株的鈣含量顯著升高，尤其是中鈣和高鈣處理，這可能是由于營養液中Ca2+濃度的增加，提高了鈣在細胞膜結合位點的競爭力，降低了Al3+對Ca2+通道的阻塞作用，增加了Ca2+通道的流量［37］。本研究結果表明，當鈣濃度達到3 mmol/L 時，顯著提高了油茶對氮的吸收和積累，這是因為鈣的施入降低了植株的鋁濃度，而油茶本身是耐鋁植物，在低濃度鋁刺激下，根系通過吸收介質中的NO3-N 保護自身免受毒害［38，39］。隨著營養液中Ca2+的增加，油茶植株鎂和鋅含量也逐漸提高，尤其是中鈣處理下，與鋁脅迫處理相比，含量均顯著升高，推測其原因可能是鈣的施入降低了溶液中Al3＋活度，從而減輕活性鋁對陽離子通道的阻塞，提高了Mg2+和Zn2+在根皮層細胞質外體的負載量，使油茶植株對這2 種離子的運載量增加［40］，說明外源鈣能恢復植株養分運輸通道，促進養分吸收，從而緩解鋁毒害。而鈣濃度達到5 mmol/L 時，油茶植株的氮和鋅含量降低，根系銅含量也顯著低于低鈣（T3）和中鈣（T4）處理。說明適量外源鈣能緩解鋁脅迫對植株養分吸收積累的影響；而當外源鈣施用量過高，則會抑制植株對養分的吸收和分配。本研究結果還表明，施鈣顯著促進油茶對鉀的吸收和積累，但是對磷沒有明顯影響。單獨0.5 mmol/L Ca 處理（T1）下，除鈣含量外，油茶植株其他養分含量與對照無顯著差異。

綜上所述，高濃度鋁處理下，顯著提高了油茶植株鋁和根系銅含量，降低了氮、鉀、鈣、鎂和鋅等營養元素含量，對磷素影響較小。外源鈣的施入顯著抑制油茶植株對鋁的積累，促進了對氮、鉀、鈣、鎂和鋅等養分元素的吸收和積累，尤其是在3.0 mmol/L 鈣處理下效果最顯著，由此說明，鈣的施入可以有效緩解由于鋁毒導致的油茶植株營養虧缺或失衡，促進其對養分的吸收積累，從保證油茶正常的生長發育所需要的養分平衡。