李崠輝，朱 強(qiáng)，郭再華，曹衛(wèi)東，耿明建*

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)微量元素研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

紫云英（Astragalus sinicusL.）原產(chǎn)于我國(guó)，栽培歷史悠久，是最常見(jiàn)的稻田冬季綠肥作物［1］。利用冬閑田種植紫云英，能夠部分替代化肥，改善土壤肥力，穩(wěn)定和提升糧食產(chǎn)量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境［2-4］，促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。開(kāi)展必要的養(yǎng)分管理，促進(jìn)綠肥作物健康生長(zhǎng)，“以小肥換大肥”［1］，可提高綠肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的貢獻(xiàn)力度。已有研究表明，適量施用氮、磷、鉀肥或硼、鉬等微肥以及前茬水稻施肥的殘效均有利于紫云英生長(zhǎng)，且極顯著地提高了綠肥產(chǎn)量、養(yǎng)分積累和種子產(chǎn)量［5-7］，同時(shí)增加了后季水稻養(yǎng)分供應(yīng)和土壤培肥效率，施肥配合土壤水分管理、稻秸還田、接種根瘤菌等措施增效更加顯著，低肥力土壤表現(xiàn)更明顯［8-10］。然而，以往的紫云英營(yíng)養(yǎng)研究多集中在施肥對(duì)綠肥生物量、種子產(chǎn)量及綠肥利用后服務(wù)功能改善等方面，缺少對(duì)紫云英本身養(yǎng)分吸收利用、營(yíng)養(yǎng)失調(diào)等植物營(yíng)養(yǎng)特征的探究。為此，采用溶液培養(yǎng)試驗(yàn)，觀測(cè)主要大量礦質(zhì)元素缺乏對(duì)紫云英苗期外部形態(tài)、生長(zhǎng)發(fā)育、養(yǎng)分吸收的影響及其差異，以期為紫云英礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)診斷與高效養(yǎng)分管理技術(shù)構(gòu)建提供依據(jù)，同時(shí)提升綠肥服務(wù)農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)的水平。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

溶液培養(yǎng)試驗(yàn)于2018年3～5月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)踐基地盆栽場(chǎng)進(jìn)行，自然氣候下培養(yǎng)。供試紫云英品種為弋江種。經(jīng)0.1% HgCl2消毒后的紫云英種子平鋪在漂浮于水面的紗布上育苗，每天更換蒸餾水，待根系長(zhǎng)至約2 cm后移栽于裝有12 L 1/4濃度Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的塑料盆中，每升營(yíng)養(yǎng)液加入Arnon微量混合液1 mL，以EDTA-Fe做Fe源，培養(yǎng)2周后，更換為完全濃度的營(yíng)養(yǎng)液，并進(jìn)行缺素處理。試驗(yàn)設(shè)7個(gè)處理，分別為全營(yíng)養(yǎng)（CK）、缺氮（-N）、缺磷（-P）、缺鉀（-K）、缺鈣（-Ca）、缺鎂（-Mg）和缺硫（-S）處理。CK為正常營(yíng)養(yǎng)的對(duì)照，采用完全營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)，缺素處理采用不完全的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)［11］。每個(gè)處理4次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)1盆，每盆定植14株。培養(yǎng)容器外涂黑色油漆，以防光線射入。培養(yǎng)期間每天通氣，每周更換1次營(yíng)養(yǎng)液。處理4周后，觀察記錄紫云英生長(zhǎng)發(fā)育狀況及缺素癥狀，收獲樣品。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

樣品收獲時(shí)，先用CCM-200型葉綠素儀測(cè)定紫云英第3片葉的SPAD值，測(cè)定株高和根長(zhǎng)后將植株按照地上部和根系分開(kāi)，用蒸餾水清洗干凈、烘干、稱(chēng)重，磨碎后測(cè)定地上部養(yǎng)分含量。植物樣品用H2SO4-H2O2消煮，半微量凱氏法測(cè)定全氮含量，鉬銻抗比色法測(cè)定全磷含量，火焰光度法測(cè)定全鉀含量［12］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 20.0進(jìn)行單因素方差分析，不同處理間的差異進(jìn)行Duncan多重比較，采用聚類(lèi)分析綜合比較不同缺素脅迫對(duì)紫云英的傷害程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)分缺乏對(duì)紫云英生長(zhǎng)的影響

從外部形態(tài)來(lái)看，氮和鈣缺乏對(duì)紫云英苗期傷害最嚴(yán)重，表現(xiàn)為植株矮小瘦弱，根系衰老變褐，缺氮紫云英葉片薄而小，老葉失綠黃化、直至干枯，缺鈣紫云英生長(zhǎng)點(diǎn)焦枯，幼葉卷曲畸形并逐漸壞死。缺磷紫云英葉片暗綠，根系細(xì)而長(zhǎng)。缺鉀后幼苗葉片暗綠無(wú)光澤，部分老葉失綠。缺鎂紫云英幼苗老葉脈間失綠黃化，部分葉片壞死，根系變短變黃。紫云英缺硫后幼葉失綠黃化，莖細(xì)弱，根細(xì)長(zhǎng)（圖1）。

圖1 養(yǎng)分缺乏對(duì)紫云英外部形態(tài)的影響

除了鉀和硫外，氮、磷、鈣、鎂缺乏使紫云英株高顯著降低，與對(duì)照相比分別下降了50.2%、19.9%、54.0%、16.4%。根長(zhǎng)與株高變化有所不同，只有氮、鈣缺乏使之顯著降低（分別下降31.9%、22.5%），而其他養(yǎng)分缺乏對(duì)根長(zhǎng)無(wú)顯著影響（表1）。不同養(yǎng)分缺乏均不同程度地降低紫云英地上部干重，降低幅度為10.3%～60.7%，除了硫缺乏影響不顯著外，其他養(yǎng)分缺乏效應(yīng)均達(dá)到P＜0.05顯著水平，其中鈣、氮缺乏影響明顯較強(qiáng)。缺氮、缺鈣、缺鎂對(duì)根干重影響與地上部相似，使其分別顯著降低46.9%、51.6%、23.4%，其他養(yǎng)分缺乏效應(yīng)有所不同，缺鉀對(duì)紫云英根干重?zé)o顯著影響，磷、硫缺乏反而使其分別升高40.6%、18.8%。單株干重（地上部+根）隨養(yǎng)分缺乏變化規(guī)律與其地上部干重類(lèi)似。除鎂外，養(yǎng)分缺乏可顯著提高紫云英的根冠比，缺磷使根冠比的增加幅度（106.0%）顯著高于氮、鉀、鈣、硫等養(yǎng)分缺乏（15.4%～32.4%）。

表1 養(yǎng)分缺乏對(duì)紫云英生長(zhǎng)的影響

2.2 養(yǎng)分缺乏對(duì)紫云英葉綠素含量的影響

SPAD值常用來(lái)衡量葉綠素相對(duì)含量。圖2顯示，苗期氮、鈣、鎂和硫缺乏顯著降低紫云英葉綠素含量，其SPAD值較對(duì)照分別降低了53.4%、23.2%、34.0%和25.4%，而缺磷和缺鉀處理的葉片SPAD值無(wú)顯著變化。

圖2 養(yǎng)分缺乏對(duì)紫云英葉綠素含量的影響

2.3 養(yǎng)分缺乏對(duì)紫云英養(yǎng)分吸收的影響

缺氮、缺磷、缺鉀分別對(duì)紫云英的氮、磷、鉀含量及累積量的影響最為顯著，鈣、鎂、硫缺乏對(duì)紫云英氮、磷、鉀含量和累積量均有不同程度的影響（表2）。與對(duì)照相比，氮、磷、鈣、鎂缺乏分別導(dǎo)致紫云英氮含量顯著降低64.4%、9.7%、30.5%、13.9%，鉀和硫缺乏無(wú)顯著影響。紫云英磷含量受養(yǎng)分缺乏的影響與氮顯著不同，除了缺磷處理使紫云英磷含量顯著降低73.1%之外，缺氮、缺鉀使紫云英磷含量顯著升高62.7%、16.4%，而鈣、鎂和硫缺乏處理下磷含量無(wú)顯著變化。對(duì)鉀含量而言，磷和鎂缺乏對(duì)紫云英鉀含量影響不顯著，而氮、鉀、鈣、硫缺乏時(shí)，紫云英鉀含量較對(duì)照分別顯著降低36.2%、71.5%、12.2%、11.35%。

除缺硫處理紫云英氮累積量與對(duì)照無(wú)顯著差異外，其他養(yǎng)分缺乏均顯著降低紫云英氮累積量，降幅為23.0%～83.7%。紫云英磷累積量受鉀、硫缺乏影響不顯著，氮、磷、鈣及鎂缺乏使其降低27.1%～81.9%。各養(yǎng)分缺乏均使紫云英鉀累積量顯著降低，降幅為20.3%～78.7%。

表2 養(yǎng)分缺乏對(duì)紫云英氮磷鉀吸收積累的影響

2.4 不同養(yǎng)分缺乏對(duì)紫云英生長(zhǎng)及養(yǎng)分吸收脅迫程度的比較

采用歐氏距離法對(duì)7個(gè)處理的13個(gè)觀測(cè)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)分析（圖3），本試驗(yàn)中采用不完全Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)4周后，紫云英對(duì)6種必需大量礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素缺乏的脅迫響應(yīng)程度可分為4類(lèi)。第一類(lèi)為缺鈣和缺氮處理，對(duì)紫云英生長(zhǎng)和養(yǎng)分積累抑制最嚴(yán)重；第二類(lèi)為缺磷處理；第三類(lèi)為鉀素缺乏處理；第四類(lèi)為缺鎂和缺硫處理，其對(duì)紫云英的傷害程度相對(duì)較小，長(zhǎng)勢(shì)更接近于完全營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的對(duì)照處理。

圖3 不同養(yǎng)分缺乏對(duì)紫云英脅迫程度的聚類(lèi)分析

3 討論

綠肥作物的主要功能在于改良土壤、提供養(yǎng)分及維護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面，直接經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較低［1-2］，種植者容易忽視播種后的管理，特別是肥、水等投入。作為高等植物，綠肥作物同樣遵循植物營(yíng)養(yǎng)規(guī)律，必需營(yíng)養(yǎng)元素供應(yīng)不足會(huì)導(dǎo)致其生長(zhǎng)不良［13］。本文的溶液培養(yǎng)試驗(yàn)表明，6種必需的大量礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素缺乏，均不同程度地抑制了紫云英幼苗的生長(zhǎng)，表現(xiàn)出典型的缺素癥狀，同時(shí)降低了紫云英幼苗的生物量、株高、根長(zhǎng)、SPAD值以及氮、磷、鉀等養(yǎng)分吸收積累，必需的微量元素缺乏同樣抑制紫云英的生長(zhǎng)發(fā)育（作者待發(fā)表數(shù)據(jù)）。因此，開(kāi)展必要的養(yǎng)分管理，滿足紫云英等綠肥作物對(duì)養(yǎng)分的需求，可以增加綠肥產(chǎn)量及養(yǎng)分積累量，提高生產(chǎn)效率，強(qiáng)化其服務(wù)農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)的能力。

必需營(yíng)養(yǎng)元素同等重要，缺乏時(shí)均會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng)，但受營(yíng)養(yǎng)規(guī)律、環(huán)境條件等影響，植物遭受不同養(yǎng)分缺乏時(shí)不同觀測(cè)指標(biāo)表現(xiàn)存在差異［14］。本試驗(yàn)中，6種養(yǎng)分缺乏均導(dǎo)致紫云英株高、地上部干重、單株干重及氮、磷、鉀積累量不同程度的降低，而根長(zhǎng)、根干重、根冠比、SPAD值和氮、磷、鉀含量等指標(biāo)在部分養(yǎng)分缺乏時(shí)無(wú)顯著變化或升高，部分養(yǎng)分缺乏時(shí)降低或顯著地降低，因此，單一指標(biāo)不能很好地判斷不同養(yǎng)分缺乏對(duì)紫云英的傷害程度。本文采用聚類(lèi)分析的方法，對(duì)紫云英的形態(tài)、生物量、養(yǎng)分吸收等13個(gè)觀測(cè)指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，6種養(yǎng)分缺乏的綜合脅迫程度表現(xiàn)為：缺鈣、缺氮＞缺磷＞缺鉀＞缺鎂、缺硫。鈣在植物體內(nèi)難以移動(dòng)，停止供鈣后紫云英迅速表現(xiàn)出莖尖、根尖等分生組織生長(zhǎng)停滯、壞死，養(yǎng)分吸收受阻（氮、磷、鉀含量較正常植株降低11.9%～30.5%），生物量下降幅度（58.9%）明顯大于其他移動(dòng)性較強(qiáng)的元素（4.4%～53.2%），與曾秀成等［15］在大豆上的研究結(jié)果相似。紫云英生長(zhǎng)需氮量較高，缺氮后蛋白質(zhì)、葉綠素合成減少，植株矮小，葉片黃化、干枯，氮、磷、鉀累積量降低27.0%～83.7%。但紫云英為豆科作物，自然條件下可與土壤中的根瘤菌共生固氮，通常缺氮現(xiàn)象發(fā)生不如磷等養(yǎng)分缺乏明顯［16］，本試驗(yàn)溶液培養(yǎng)條件下缺少根瘤菌，表現(xiàn)出缺氮對(duì)紫云英生長(zhǎng)的抑制程度明顯強(qiáng)于磷、鉀等養(yǎng)分。豆科植物屬于喜磷作物，對(duì)缺磷反應(yīng)敏感［17］，本試驗(yàn)中對(duì)紫云英的綜合脅迫效應(yīng)僅次于鈣和氮，表現(xiàn)為根干重、根冠比顯著增加，葉綠素含量和根長(zhǎng)無(wú)顯著變化，單株干重和氮、磷、鉀累積量分別顯著降低17.1%和31.9%～81.9%。鎂在植物體內(nèi)含量相對(duì)較低，而硫在植物體內(nèi)移動(dòng)性雖然較低，但大氣中的SO2、H2S等可能為紫云英提供了部分營(yíng)養(yǎng)來(lái)源［15］，從而表現(xiàn)出紫云英苗期受鎂、硫缺乏傷害程度較鈣、氮、磷、鉀低。

高等植物養(yǎng)分效應(yīng)還與養(yǎng)分間相互作用及其供應(yīng)平衡狀況有關(guān)，生長(zhǎng)發(fā)育不同階段對(duì)不同養(yǎng)分脅迫的敏感性和需求量也存在顯著差異［14］。本試驗(yàn)得出的6種大量礦質(zhì)養(yǎng)分缺乏效應(yīng)，只是在紫云英苗期單一養(yǎng)分完全停止供應(yīng)條件下的結(jié)果，后期應(yīng)繼續(xù)研究紫云英不同生育時(shí)期養(yǎng)分不同缺乏程度、多種養(yǎng)分失衡等，特別是養(yǎng)分輕度缺乏情況下的營(yíng)養(yǎng)失調(diào)癥狀、營(yíng)養(yǎng)特性變化規(guī)律及其高效矯正措施，為紫云英營(yíng)養(yǎng)診斷及“以小肥換大肥”為主要內(nèi)容的養(yǎng)分管理技術(shù)構(gòu)建提供依據(jù)。

4 結(jié)論

氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫缺乏均不同程度地抑制了苗期紫云英的生長(zhǎng)發(fā)育，表現(xiàn)為地上部和單株生物量、株高及氮、磷、鉀累積量均呈顯著降低或降低的趨勢(shì)，而葉綠素含量、根長(zhǎng)、根干重、根冠比及氮、磷、鉀含量無(wú)一致變化規(guī)律，因缺乏不同的養(yǎng)分而表現(xiàn)為升高、降低或無(wú)顯著的變化。綜合觀測(cè)的生物量、形態(tài)、養(yǎng)分吸收等指標(biāo)，溶液培養(yǎng)條件下完全停止某一養(yǎng)分供應(yīng)后，紫云英苗期受氮、鈣缺乏脅迫傷害程度最大，其次為磷，再次為鉀，鎂和硫傷害相對(duì)較小。在生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際開(kāi)展綠肥作物養(yǎng)分管理，否則，養(yǎng)分缺乏將抑制紫云英的生長(zhǎng)，降低其土壤改良等綠肥功效的發(fā)揮。