黃麗媛，胡光偉，王 瓊，劉 珍

（湖南工業(yè)大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院農(nóng)牧業(yè)廢棄物資源化綜合利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412007）

鋁是土壤中比較豐富的金屬元素，當(dāng)其以鋁硅酸鹽和鋁氧化物等形式存在時(shí)對(duì)植物和土壤無毒害。隨著全球范圍內(nèi)酸雨危害的加重，大量可溶性鋁積累增多，并轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)植物有毒的Al3+形態(tài)［1］。植物通過土壤吸收水和養(yǎng)分的同時(shí)，大量Al3+也被吸收，并富集在體內(nèi)。植株體內(nèi)的Al3+通過競(jìng)爭(zhēng)陽(yáng)離子結(jié)合位點(diǎn)，阻塞離子通道等方式抑制礦質(zhì)元素的吸收，導(dǎo)致植株?duì)I養(yǎng)元素的缺乏，影響其正常生長(zhǎng)發(fā)育［2，3］。已有不少研究表明，鋁脅迫下植物對(duì)Ca2＋和Mg2＋等營(yíng)養(yǎng)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(shí)，隨著土壤酸化日益嚴(yán)重，土壤中鉀、鈣、鎂等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸被淋失［6，7］，造成養(yǎng)分有效性低，繼而導(dǎo)致植株生長(zhǎng)不良，產(chǎn)量下降。鋁毒害也被認(rèn)為是限制酸性土壤中植物生長(zhǎng)的主要因素之一，眾多學(xué)者認(rèn)為，其原因是鋁嚴(yán)重影響了植物對(duì)養(yǎng)分的吸收和運(yùn)輸，導(dǎo)致植物營(yíng)養(yǎng)虧缺或失衡［8］。

鈣是植物必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，在維持細(xì)胞壁、細(xì)胞膜和膜結(jié)合蛋白的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)無機(jī)離子運(yùn)輸，調(diào)控酶活性等方面具有重要作用［9］。土壤中過量鋁的累積會(huì)減少植株對(duì)鈣的吸收［10］，施鈣可以增強(qiáng)Ca2+與Al3+的拮抗作用，減少水合Al3+與磷脂結(jié)合，降低羧基與膜蛋白的結(jié)合，從而起到緩解鋁毒的作用［11］。Chibiliti 等［12］認(rèn)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(duì)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(bào)道。

油茶（Camellia oleiferaL.）是中國(guó)重要的木本油料樹種，其主要產(chǎn)品茶油被認(rèn)為是健康優(yōu)質(zhì)的食用油，提高油茶產(chǎn)量和品質(zhì)，能有效緩解油料供需矛盾和進(jìn)口壓力，增強(qiáng)中國(guó)糧食保障能力。目前，油茶在中國(guó)種植面積廣泛，并主要分布在長(zhǎng)江以南的酸性紅壤區(qū)［16］，該區(qū)域是典型的富鋁化環(huán)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(huì)顯著限制油茶正常生長(zhǎng)發(fā)育［17］。因此，本研究通過在鋁脅迫條件下提高油茶根際環(huán)境鈣的濃度，比較施鈣與不施鈣油茶體內(nèi)鋁及營(yíng)養(yǎng)元素含量的變化，探討不同濃度鈣對(duì)油茶鋁脅迫的緩解作用，為揭示鈣緩解鋁脅迫的生理機(jī)制提供理論依據(jù)，也為采用農(nóng)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(yàn)材料。選取健康粗壯的穗條，將其修剪為約10 cm 長(zhǎng)的插穗，扦插于河沙苗床上，進(jìn)行常規(guī)管理。90 d后，挑選長(zhǎng)勢(shì)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(xì)沙3 kg，移植后置于大棚中，保持通風(fēng)狀態(tài)，白天氣溫高時(shí)適當(dāng)遮陰處理。在試驗(yàn)開始前進(jìn)行14 d 的預(yù)培養(yǎng)，每3 d 澆1 次營(yíng)養(yǎng)液，每盆400 mL，營(yíng)養(yǎng)液采用Hoagland 配方（pH=4.2）［18］。待油茶幼苗適應(yīng)14 d后，在Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液基礎(chǔ)上加入AlCl3作為Al 源，加入CaO 作為Ca 源，進(jìn)行不同的鈣鋁組合處理。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，油茶幼苗在4 mmol/L 的鋁處理下，受到鋁毒害，因此，本試驗(yàn)鋁濃度設(shè)置為4 mmol/L，鈣的濃度設(shè)置為0.5 mmol/L（低鈣）、3.0 mmol/L（中鈣）、5.0 mmol/L（高鈣）3 個(gè)水平，組合成為6 個(gè)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(gè)處理15 盆，每盆2 株。鈣、鋁處理60 d 后，開始進(jìn)行油茶植株養(yǎng)分元素的測(cè)定。

1.2 測(cè)定方法

處理結(jié)束后，每個(gè)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(zhì)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(jì)法測(cè)定全鉀含量，鋁試劑比色法測(cè)定Al 含量，凱氏定氮法測(cè)定全氮含量，釩鉬黃比色法測(cè)定全磷含量，原子吸收法測(cè)定鐵、鋅、鈣、鎂和銅含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013 軟件記錄數(shù)據(jù)和制圖，采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行均值、標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算及方差分析，其中方差分析采用Duncan 法。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈣對(duì)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(yíng)養(yǎng)液中鈣的濃度，油茶植株鋁含量逐漸下降，當(dāng)鈣的濃度達(dá)到5.0 mmol/L 時(shí)，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(duì)油茶體內(nèi)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(duì)油茶鋁含量的影響

2.2 鈣對(duì)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(duì)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(duì)鈣的吸收（圖2）。隨著營(yíng)養(yǎng)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(dāng)鈣濃度達(dá)到5.0 mmol/L 時(shí)，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(shí)，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(duì)油茶鈣含量的影響

2.3 鈣對(duì)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(duì)氮的吸收。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液中鈣濃度升高時(shí)，能夠顯著恢復(fù)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(duì)油茶氮含量的影響

2.4 鈣對(duì)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(duì)照相比無顯著差異，說明鋁脅迫并未抑制油茶對(duì)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(xiàn)波動(dòng)，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(duì)油茶磷素的吸收積累無明顯的促進(jìn)或抑制作用。

圖4 鋁脅迫下施鈣對(duì)油茶磷含量的影響

2.5 鈣對(duì)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(shí)顯著下降，與對(duì)照相比分別下降了30.05%和28.10%，但是油茶莖的鉀含量?jī)H下降6.70%，與CK 相比無顯著差異。隨著營(yíng)養(yǎng)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(duì)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(dāng)鈣濃度達(dá)到5.0 mmol/L時(shí)，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(duì)油茶鉀含量的影響

2.6 鈣對(duì)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(duì)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(jìn)了油茶對(duì)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(dāng)營(yíng)養(yǎng)液中鈣的濃度達(dá)到5.0 mmol/L 時(shí)，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(duì)莖的緩解作用最大，當(dāng)鈣濃度達(dá)到3.0 mmol/L 和5.0 mmol/L 時(shí)，莖的鎂含量要高于根系和葉片。

圖6 鋁脅迫下施鈣對(duì)油茶鎂含量的影響

2.7 鈣對(duì)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(yíng)養(yǎng)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(duì)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(duì)油茶鐵含量的影響

2.8 鈣對(duì)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(duì)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(dāng)外源鈣的濃度達(dá)到3.0 mmol/L 時(shí)，根系和莖部鋅積累量逐漸恢復(fù)到CK處理水平，葉片鋅含量是對(duì)照處理的1.39 倍，說明中鈣處理顯著促進(jìn)了油茶葉片對(duì)鋅的積累。但是當(dāng)鈣濃度升高到5 mmol/L時(shí)，根系鋅含量較中鈣處理（T4）顯著下降。

圖8 鋁脅迫下施鈣對(duì)油茶鋅含量的影響

2.9 鈣對(duì)鋁脅迫下油茶銅吸收積累的影響

鋁脅迫（T2）促進(jìn)了油茶根系對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)銅的吸收積累。

圖9 鋁脅迫下施鈣對(duì)油茶銅含量的影響

3 小結(jié)與討論

植物的生長(zhǎng)發(fā)育離不開對(duì)養(yǎng)分的吸收和積累，養(yǎng)分不僅是油茶植株生物量積累的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)油茶優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的關(guān)鍵。氮、磷、鉀是保證植物正常生命活動(dòng)所必需的3 種大量元素，鉀元素與植物的新陳代謝有關(guān)，可增強(qiáng)植物的抗逆性和抗病能力［20］。氮是植物結(jié)構(gòu)組分元素，不僅在莖、葉生長(zhǎng)和果實(shí)發(fā)育方面起著重要作用，還直接關(guān)系到果實(shí)產(chǎn)量的高低。磷在提高植物對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性和抗逆性方面也起著重要作用。鈣和鎂是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的中量元素，其中，鈣具有穩(wěn)定細(xì)胞膜和細(xì)胞壁的作用，并參與植物代謝和發(fā)育調(diào)控。鎂是構(gòu)成葉綠素的主要礦質(zhì)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(nèi)許多氧化酶的重要成分，廣泛參與各種生理活動(dòng)，在維持細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)代謝、蛋白質(zhì)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(huì)破壞植物體內(nèi)的離子平衡，干擾營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，造成鋁毒害［24］。鋁過量會(huì)在不同程度上抑制植物根系對(duì)鈣、磷、鉀、鐵、銅和鋅等營(yíng)養(yǎng)元素的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)［25，26］。鄭陽(yáng)霞等［27］的研究表明，豆瓣菜根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收效率會(huì)隨著鋁質(zhì)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(duì)部分營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和積累，與對(duì)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(duì)鈣的吸收，降低植株鈣含量，是因?yàn)锳l3+通過與質(zhì)膜蛋白質(zhì)及磷脂的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，取代了重要點(diǎn)位上的Ca2+，從而與Ca2+產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，抑制了對(duì)Ca2+的吸收和運(yùn)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(dǎo)致土壤有效氮的供應(yīng)減少［29］，進(jìn)而影響植株對(duì)氮吸收。高濃度Al3+對(duì)K+的吸收有明顯的拮抗作用［30］，這可能是導(dǎo)致鉀含量下降的原因。對(duì)許多植物而言，土壤中高濃度Al3+容易導(dǎo)致鋁磷結(jié)合，使磷變成非有效態(tài)，導(dǎo)致植物磷含量的下降［31］，而本試驗(yàn)結(jié)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(jié)果一致［32，33］。鋁脅迫下，油茶根系銅含量與對(duì)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(jī)理還有待進(jìn)一步研究。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，對(duì)不同養(yǎng)分元素而言，鋁脅迫對(duì)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(duì)照相比無顯著差異，這可能與養(yǎng)分在植株體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)特性有關(guān)，鐵屬于難移動(dòng)性元素，因此莖和葉片沒有明顯變化。

細(xì)胞內(nèi)Ca2+平衡失調(diào)被認(rèn)為是鋁毒害的重要機(jī)理之一，胞內(nèi)Ca2+濃度失衡，導(dǎo)致細(xì)胞生理功能紊亂，從而產(chǎn)生毒害作用。外源Ca2+能夠重建植株體內(nèi)離子平衡，促進(jìn)Ca2+以及胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)的維持，因此施入外源鈣是緩解鋁脅迫的重要途徑。施鈣對(duì)鋁脅迫下大麥養(yǎng)分吸收的研究表明，鈣能顯著提高大麥根、莖、葉對(duì)鉀、鎂、錳和鋅養(yǎng)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(dāng)濃度的鈣能夠促進(jìn)茶樹對(duì)鎂和鉀等元素吸收，并且茶葉中的鋁含量會(huì)隨著鈣濃度的增加而下降，鈣和鋁之間呈負(fù)相關(guān)。上述研究結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)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(duì)鋁的吸收和積累，尤其是當(dāng)鈣濃度達(dá)到3 mmol/L 和5 mmol/L 時(shí)，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(duì)根細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng)的抑制作用，從而緩解鋁毒對(duì)油茶生長(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)液中Ca2+濃度的增加，提高了鈣在細(xì)胞膜結(jié)合位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)力，降低了Al3+對(duì)Ca2+通道的阻塞作用，增加了Ca2+通道的流量［37］。本研究結(jié)果表明，當(dāng)鈣濃度達(dá)到3 mmol/L 時(shí)，顯著提高了油茶對(duì)氮的吸收和積累，這是因?yàn)殁}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(zhì)中的NO3-N 保護(hù)自身免受毒害［38，39］。隨著營(yíng)養(yǎng)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(cè)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(duì)陽(yáng)離子通道的阻塞，提高了Mg2+和Zn2+在根皮層細(xì)胞質(zhì)外體的負(fù)載量，使油茶植株對(duì)這2 種離子的運(yùn)載量增加［40］，說明外源鈣能恢復(fù)植株養(yǎng)分運(yùn)輸通道，促進(jìn)養(yǎng)分吸收，從而緩解鋁毒害。而鈣濃度達(dá)到5 mmol/L 時(shí)，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(duì)植株養(yǎng)分吸收積累的影響；而當(dāng)外源鈣施用量過高，則會(huì)抑制植株對(duì)養(yǎng)分的吸收和分配。本研究結(jié)果還表明，施鈣顯著促進(jìn)油茶對(duì)鉀的吸收和積累，但是對(duì)磷沒有明顯影響。單獨(dú)0.5 mmol/L Ca 處理（T1）下，除鈣含量外，油茶植株其他養(yǎng)分含量與對(duì)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(yíng)養(yǎng)元素含量，對(duì)磷素影響較小。外源鈣的施入顯著抑制油茶植株對(duì)鋁的積累，促進(jìn)了對(duì)氮、鉀、鈣、鎂和鋅等養(yǎng)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(dǎo)致的油茶植株?duì)I養(yǎng)虧缺或失衡，促進(jìn)其對(duì)養(yǎng)分的吸收積累，從保證油茶正常的生長(zhǎng)發(fā)育所需要的養(yǎng)分平衡。