磷是植物正常生长发育和新陈代谢所必需的大量营养元素之一。植物的磷主要来自土壤,而磷在土壤中的移动性很弱,且极易固着到土壤中的阳离子或团粒结构上,形成难溶性沉淀物,这使得土壤中的磷成为植物最难获取的大量元素[1,2]。在低磷或缺磷条件下,植物将产生一系列的形态、生理、生化和遗传机制主动适应胁迫逆境,一方面可以通过降低植株生长速率[3,4]、活化利用植物体内的磷[5,6]、修饰体内碳代谢过程[5, 7]等以减少对磷的需求,另一方面还可以通过增加根冠比[8,9,10]、改变根系形态与构型[11,12,13]、增强根系向外分泌有机酸阴离子与酸性磷酸酶[3, 5, 13],提高Pi载体表达水平[13,14,15]等来增强对磷的吸收。
澳洲坚果（Macadamia spp.）系山龙眼科（Proteaceae）澳洲坚果属（Macadamia）常绿乔木果树,已在中国云南、广西与广东等省区的南亚热带地区广泛种植,成为了当地新兴的特色产业。然而,我国南亚热带地区的土壤主要为酸性红壤,有效养分贫乏,其中又以磷最为匮乏[16]。研究表明,在土壤缺磷或低磷时澳洲坚果植株易发生山龙眼状根[17],但山龙眼状根的发生程度主要取决于土壤的有效磷含量,高磷水平会抑制山龙眼状根的发生[17,18,19,20]。磷胁迫不仅影响澳洲坚果幼苗生长[21],也影响其叶片光合特性[22]与抗氧化保护酶活性[23],但有关澳洲坚果植株在低磷或高磷环境中对矿质元素的吸收与利用研究尚未见报道。因此,本文通过沙培试验研究营养液不同供磷水平对澳洲坚果植株各器官中主要矿质元素含量的影响,旨在为澳洲坚果植株确定合理的磷肥施用量和高效施肥提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料
试验于2017年在广东省湛江市中国热带农业科学院南亚热带作物研究所澳洲坚果试验基地进行,试验材料为正常生长的一年生‘HAES741’澳洲坚果嫁接苗。盆栽试验所用的基质是经去离子水清洗干净的河沙,盆栽用具为14 L棕色塑料花盆。试验所浇灌的营养液选用Yoshida配方营养液,配置营养液所用的元素化合物均为分析纯,用去离子水配置。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 试验设置6个不同供磷水平的营养液处理,磷浓度分别为0、0.01、0.1、0.5、2.5、10 mmol/L,并保证营养液的钾离子浓度均维持在10 mmol/L水平。不同供磷处理的磷浓度用KH2PO4·2H2O调配,钾离子浓度用K2SO4调整。营养液的pH用1.0% NaOH和1.0% H2SO4调整至5.8。于3月中旬,选取30株长势与大小基本一致的植株,将其根系所携带的土壤清洗干净后,分别移栽至以河沙为基质的塑料盆中,并置于避雨通风透光的大棚内培养。移栽后,先用去离子水浇灌植株5 d,然后每天施加不同供磷处理的营养液1 L,每个处理5株,单株重复。直至处理后60 d,取出植株且清洗干净,并将植株分成根、茎与叶等3部分样品,经105 ℃杀青30 min后于80 ℃烘干至恒重,再粉碎至80目后待测。
1.2.2 磷、钾元素含量的测定 称取0.2 g干样,采用浓H2SO4-H2O2消煮法消解样品,直至消煮液呈清亮透明状,冷却后用双蒸水定容至100 mL即为待测液,K含量采用火焰光度法测定,P含量采用钼锑抗显色法测定[24]。每份样品重复测定3次,计算每克干重样品中的元素含量。
1.2.3 钙、镁元素含量的测定 称取2.0 g干样,采用干灰化法-稀盐酸溶解法消解样品,经滤纸过滤后,滤液用双蒸水定容至100 mL即为待测液,再添加l mL 5%的氯化镧溶液后,应用原子吸收光谱仪（型号：PE AA-700）测定Ca与Mg的含量[24]。每份样品重复测定3次,计算每克干重样品中的元素含量。
1.3 数据处理
应用Microsoft Excel 2007软件进行数据处理,采用SPSS 16.0统计软件对数据进行One-Way ANOVA（LSD检验）分析与回归分析。
2 结果与分析
2.1 不同供磷水平下澳洲坚果幼树的钾含量
2.1.1 叶片钾含量 不同供磷水平处理植株60 d后,叶片的钾含量随着供磷水平的增加而提高（图1A）。供磷水平在0~0.1 mmol/L时,叶片的钾含量从5.03 mg/g显著增加到5.67 mg/g;而供磷水平在0.1~2.5 mmol/L时,叶片的钾含量基本上保持平稳;但当供磷水平为10 mmol/L时,叶片钾含量迅速跃升至9.27 mg/g。
2.1.2 茎组织钾含量 随着供磷水平的增加,茎组织的钾含量总体上为不断增加的趋势（图1B）。当供磷水平在0~0.1 mmol/L时,钾含量不发生明显变化;而供磷水平在0.1~10 mmol/L时,钾含量则从4.78 mg/g 显著增加到6.63 mg/g,但供磷水平为0.5 mmol/L与2.5 mmol/L的2个处理间钾含量不存在显著性差异。
2.1.3 根系钾含量 根系的钾含量总体上随着供磷水平的增加而逐渐增加（图1C）,但供磷水平0、0.1与0.5 mmol/L的3个处理间根系钾含量无显著性差异;供磷水平0.01 mmol/L处理的根系钾含量显著高于其不施磷处理的,但与供磷水平0.1、0.5、2.5、10 mmol/L的4个处理均差异不明显;当供磷水平在0.5~10 mmol/L时,根系的钾含量从3.85 mg/g显著增加到5.12 mg/g,而供磷水平2.5 mmol/L与10 mmol/L的2个处理间钾含量差异不显著。
2.2 不同供磷水平下澳洲坚果幼树的磷含量
2.2.1 叶片磷含量 供磷水平低于0.5 mmol/L时,叶片的磷含量变化不明显;而供磷水平在0.5~10 mmol/L时,叶片的磷含量从46.5 μg/g迅速增加到220.3 μg/g,累积增长了约3.7倍,并且3个供磷水平处理间的差异均达到显著性水平（图2A）。
2.2.2 茎组织磷含量 随着供磷水平的增加,茎组织的磷含量总体上呈不断增加的趋势（图2B）。供磷水平在0~0.5 mmol/L时,4个供磷水平处理间的磷含量差异不显著;而当供磷水平在0.5~10 mmol/L时,茎组织的磷含量则从72.1 μg/g显著增加到165.7 μg/g,累积增长了约1.3倍。
2.2.3 根系磷含量 根系的磷含量随着供磷水平的增加而明显提高（图2C）。供磷水平在0~0.5 mmol/L时,根系的磷含量从45.2 μg/g 显著增加到71.8 μg/g,累积增长了约0.6倍;而当供磷水平在0.5~10 mmol/L时,根系的磷含量从71.8 μg/g 迅速跃升至242.4 μg/g,累积增长了约2.4倍,3个供磷水平处理间的差异性十分显著。
2.3 不同供磷水平下澳洲坚果幼树的钙含量
2.3.1 叶片钙含量 缺磷条件下,叶片的钙含量显著低于供磷水平为0.01、2.5 mmol/L的2个处理,但明显高于供磷水平0.5 mmol/L处理;随着供磷水平的增加,叶片钙含量总体上呈下降的趋势（图3A）。当供磷水平在0.01~0.5 mmol/L时,叶片钙含量随供磷量的增加而明显下降,其钙含量从0.58 mg/g显著减少到0.32 mg/g;当供磷水平提高至2.5 mmol/L时,其钙含量却显著增加至0.51 mg/g,但与0.01 mmol/L与0.1 mmol/L的2个供磷处理间均无显著性差异;将供磷水平继续增加至10 mmol/L时,其钙含量则又显著下降至0.42 mg/g,但明显高于0.5 mmol/L供磷处理时的水平。
2.3.2 茎组织钙含量 茎的钙含量基本上随供磷水平的增加呈上升的趋势,但不同供磷水平处理间的钙含量差异均不显著（图3B）。
2.3.3 根系钙含量 随着供磷水平的增加,根系的钙含量呈先下降后升高的趋势（图3C）。供磷水平在0~0.1 mmol/L时,根系的钙含量从0.58 mg/g 显著降低至0.41 mg/g;而当供磷水平在0.1~10 mmol/L时,其钙含量显著增加至0.62 mg/g,4个供磷水平处理间差异十分明显。
2.4 不同供磷水平下澳洲坚果幼树的镁含量
2.4.1 叶片镁含量 随着供磷水平的增加,叶片的镁含量总体上呈不断下降的趋势（图4A）。供磷水平在0~0.5 mmol/L时,叶片镁含量从0.01 mmol/L供磷处理的最高值2.25 mg/g显著下降至供磷水平0.5 mmol/L时的1.67 mg/g,而供磷水平0~0.1 mmol/L间的3个处理无显著性差异;当供磷水平提高至2.5 mmol/L时,其镁含量却增加至2.11 mg/g,但与供磷水平0~0.5 mmol/L间的4个处理均无显著性差异;当供磷水平继续增加至10 mmol/L时,其镁含量又下降至1.35 mg/g,显著低于其他5个供磷处理。
2.4.2 茎组织镁含量 茎组织的镁含量总体上随着供磷水平的增加而逐渐减少,但6个供磷水平处理间的镁含量无显著性差异（图4B）。
2.4.3 根系镁含量 随着供磷水平的增加,根系的镁含量呈先下降后升高的趋势（图4C）。供磷水平在0~0.1 mmol/L时,根系的镁含量从1.57 mg/g显著降低至1.26 mg/g;而当供磷水平提高至0.5 mmol/L时,其镁含量显著增加至1.62 mg/g ,但与供磷水平为0、0.01、2.5、10 mmol/L的4个处理间均无显著性差异。
2.5 植株营养元素含量与不同供磷水平的相关性
表1显示了澳洲坚果幼树植株的叶片、茎及根系中钾、磷、钙与镁元素含量与不同供磷水平的相关性回归方程及相关系数。其中,叶片的磷、钾含量以及茎和根系的磷含量均与不同供磷水平呈极显著性的非线性一元二次回归关系,茎的钾含量则与供磷水平呈极显著正相关关系,而植株的钙、镁含量以及根系的钾含量随供磷水平的增加呈正相关或非线性一元二次回归关系,但其相关性均未达到显著性水平。
表1 澳洲坚果幼树营养元素含量与不同供磷水平的相关性Tab. 1 Relationship between content of nutrient elements in macadamia young trees and different phosphorus levels |
| 植物 组织 Plant tissue | 矿质 元素 Mineral element | 非线性回归方程 Equations of nonlinear regression | 相关系数及 显著性 Related coefficient and significant |
|---|---|---|---|
| 叶片 Leaf | K | y=0.0281x2+0.1053x+5.4083 | R2=0.9698** |
| P | y=-1.9852x2+37.35618x+45.4990 | R2=0.9688** | |
| Ca | y=-0.0015x2+0.0123x+0.4540 | R2=-0.6012 | |
| Mg | y=-0.0678x+2.0632 | R2=0.4899 | |
| 茎 Stem | K | y=0.2259x+4.4315 | R2=0.8317** |
| P | y=-1.5993x2+26.4911x+61.5948 | R2=0.9725** | |
| Ca | y=-0.0059x2+0.0653x+0.3229 | R2=0.6907 | |
| Mg | y=0.0047x2-0.0549x+1.4216 | R2=-0.3169 | |
| 根系 Root | K | y=-0.0307x2+0.4352x+3.8407 | R2=0.5694 |
| P | y=-3.5863x2+55.122x+49.8544 | R2=0.9971** | |
| Ca | y=0.0131x+0.4814 | R2=0.2779 | |
| Mg | y=-0.002x2+0.0137x+1.4803 | R2=-0.5808 |
Note: ** indicates extremely significant difference (P<0.01). | |
注：**表示差异极显著（P<0.01）。 |
3 讨论
植物主要通过根系吸收介质中的磷素营养,然后经木质部与韧皮部运输和分配至代谢部位[31]。就澳洲坚果植株不同器官的磷素积累而言,其根、茎、叶的磷含量均与不同供磷水平呈极显著性的非线性一元二次回归关系,各器官的磷含量在较低供磷水平（0~0.5 mmol/L）时增幅较小或者无明显变化,但在较高供磷水平（2.5~10 mmol/L）时增幅较大,说明在一定供磷量内各器官对磷的吸收具有协同作用[19],也表明澳洲坚果幼树植株在较高的供磷量下具有较强的磷素吸收效率,这可能与其根系磷动力学参数在供磷水平较高时发生改变有密切的关系[32,33,34]。本研究发现,在较高供磷水平时澳洲坚果幼树植株各器官的磷含量增幅表现为叶片>根系>茎,表明磷是向代谢活动强的器官（叶片与根系）再分配的元素[31],与磷素在器官间的高转运效率有关[25, 35-36]。然而,随着供磷水平的增加,澳洲坚果幼树植株地上部的磷含量占植株总磷量的比例变化与其根系相反,低磷使得磷素向地上部的转移分配增加,高磷则增加了磷素在根系中的积累,与吴一群等[27]在番茄上的报道类似。
磷营养对植株不同部位钙、镁元素含量的影响与植物的种类与品种有关[27, 37-38]。本研究中,不同供磷水平对澳洲坚果幼树植株茎组织的钙、镁含量影响不明显,与吴一群等[27]在番茄上的研究结果一致。研究结果表明,澳洲坚果幼树叶片的钙、镁含量总体上随供磷水平的增加而显著降低,这与樊卫国等[26]在纽荷尔脐橙幼树叶片上的研究结果相反,但与郝小雨等[40]对油菜地上部的研究结论相似。然而,在较低供磷水平（0~0.1 mmol/L）下澳洲坚果幼树根系的钙、镁含量亦随供磷量的增加而明显下降,说明低磷环境有利于植株对钙、镁元素的吸收与利用;但在较高供磷水平（0.5~10 mmol/L）下其根系的钙、镁含量明显增加,表明高磷主要影响植株钙、镁元素向地上部运输,造成根系钙、镁积累量增加[27]。