元谋干热河谷区椰枣不同器官及土壤中矿质元素特征分析

袁建民,何 璐,史亮涛,杨晓琼,许智萍,孔维喜

(云南省农业科学院 热区生态农业研究所/云南元谋干热河谷植物园,云南 元谋 651300)

椰枣树(PhoenixdactyliferaL.)属棕榈科刺葵属,是一种雌雄异株的单子叶植物[1]。其果实椰枣又名波斯枣、伊拉克枣、番枣等,《本草纲目》称无漏子,另有“圣树”、“生命之树”、“沙漠面包”之称[2]。椰枣是人类培育的最古老树木之一,是阿拉伯半岛的社会文化象征,广泛分布于中东、北非以及我国福建、广东、广西、海南、云南等热带或亚热带地区[3]。椰枣树具有耐旱、耐热、耐碱而又喜湿的特点。椰枣用途广泛,具有较高的营养、药用、经济和生态价值[3-4]。椰枣产业在我国还处于起步阶段,其生产技术、管理措施、产量质量有待提高。

矿质元素是植物生长发育、产量形成和品质提升的物质基础。研究植物不同器官中矿质元素的分布特征和富集能力对于平衡施肥和养分调控具有重要意义。叶片中矿质元素含量可反映树体的营养状况,也可表征相应土壤的供肥能力,是养分管理的重要依据[5]。根是吸收营养元素的主要器官,与土壤营养元素含量密切相关[6]。气生根、茎、叶柄等器官也都与植物生长发育密切相关。根据不同器官矿质元素及土壤养分的分析结果来指导施肥是园艺作物生产的重要手段之一。目前,关于椰枣的研究主要集中于种子萌发[7]、组织培养[8]、栽培技术[9]、性别鉴定[10]、遗传多样性[11]等方面,而对椰枣矿质元素分布规律方面的研究较少。对椰枣果实的矿质营养组成及评价[12-13]的研究已有报道,但对椰枣其他器官如根、气生根、茎、叶柄、叶片中矿质元素分布特征及富集能力的研究尚未见报道。因此,本研究对云南元谋干热河谷区椰枣不同器官及其根际土壤矿质元素的特征及分布规律进行了初步探索,以期为椰枣在云南干热河谷地区的引种栽培、合理施肥及开发利用等提供参考。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

本研究于2019年11月至2020年3月在云南省农业科学院热区生态农业研究所进行。研究区位于云南省元谋县元马镇,属南亚热带干热季风气候,平均海拔1350 m,年均温度21.5 ℃,年均降雨量611.3 mm。该区光热资源充足,年均日照时数为7.3 h/d,年均相对湿度为53%。供试土壤为砂壤土,其pH值为6.5,有机碳含量为0.60%,全氮0.05%,碱解氮38.5 mg/kg,全磷0.185 mg/kg,有效磷30.25 mg/kg,全钾7.35 mg/kg,速效钾125 mg/kg。该区域良好的地理、气候和土壤条件适于椰枣的生长和生产[14]。

1.2 研究方法

1.2.1 采样方法 选取3个采样点,于2019年12月17日采集椰枣树(树龄约20年,雄性,长势良好)的根、气生根、茎、叶柄、叶及根际土壤样品,采样点范围在500 m×500 m内,每个采样点采集1株,每株在东、南、西、北四个方向共采集4个重复样品,最终分器官各组合混合成一个分析样。根及土壤采集深度为0～20 cm,土样重量1 kg,其他采集样品的重量均保持基本一致。叶片主要采集靠中下部健康完好的成熟叶片。在野外采样后带回实验室，立即用清水和洗涤剂冲洗干净,再用蒸馏水冲洗,室温晾干。

1.2.2 样品处理及分析 将不同器官样品切成小块,装入纸袋,在70～80 ℃鼓风干燥箱中烘干,用粉碎机研磨,过0.25 mm筛后进行元素含量测定。各元素含量的测定参照袁建民等[15]的方法(略作修改)。称取样品0.2000 g(干样),置于微波消解罐中,加入6 mL 65%浓硝酸和2 mL 30%双氧水,使用Milestone Ethos up(maxi-44)微波消解仪进行微波消解,在消解完毕后,在160 ℃下赶酸3～4 h,再将消解液定容至50 mL,经0.45 μm滤膜过滤,最后使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES,PQ-9000)测定各元素的含量。

1.2.3 测定的元素 本研究对大量元素(Ca、K、Mg、P、S)、微量元素(Fe、Mn、B、Zn、Cu、Ni、Mo)、有益元素(Na、Sr、Al、Ti、V、Co、Si)及有毒有害元素(Cr、Cd、Pb、As、Ba、Li、Sn、Ga、Sb、Bi、Be)共4类元素进行测定分析。

1.3 数据处理

富集系数(Enrichment coefficient, EC)用以下公式计算:EC=植物各器官中元素含量/土壤中元素含量[16]。所有数据均为3次重复的平均值±标准差。采用Excel 2003软件对数据进行初步整理,采用SPSS 20.0进行单因素方差分析,采用LSD法进行多重比较(P<0.05),采用Pearson进行双变量相关性分析。

2 结果与分析

2.1 大量元素含量的分布特征

椰枣不同器官及土壤中大量元素含量的测定结果(表1)表明,不同器官及土壤中各大量元素含量差异显著。Ca含量表现为茎>叶柄≈叶片>根>气生根>土壤;K含量表现为气生根>根>茎>土壤≈叶柄>叶片;Mg含量表现为根≈气生根≈茎≈叶柄≈叶片>土壤;P含量表现为气生根>叶柄>茎≈叶片>根>土壤;S含量表现为根>茎>叶片≈叶柄≈气生根>土壤。总体来看,不同器官中Ca、K、S含量较高,Mg和P含量较低,其均值排序为K>Ca>S>Mg>P;根和气生根对K元素的吸收最多,而茎、叶柄、叶片对Ca元素的吸收最多;土壤中K含量最高,P、Ca、S元素含量偏低,其平均含量排序为K>Mg>S>P>Ca。

表1 元谋椰枣不同器官及土壤中大量元素的分布特征 mg/kg

2.2 微量元素含量的分布特征

椰枣不同器官及土壤中微量元素含量的测定结果(表2)表明,不同器官及土壤中各微量元素含量具有一定规律性。Fe含量表现为土壤>茎≈根≈叶片≈叶柄≈气生根;Mn含量表现为土壤>叶片≈茎≈叶柄≈气生根≈根;B含量表现为土壤>茎>叶片>气生根>叶柄;Zn含量表现为土壤>叶柄≈叶片>气生根>茎≈根;Cu含量表现为土壤>气生根>茎>根≈叶片≈叶柄;Ni含量表现为土壤>根≈气生根≈茎≈叶柄≈叶片;Mo元素在各样品中均未检出,说明其含量极低,差异不显著。总体而言,土壤中各微量元素的含量均高于各器官中微量元素的含量。Mn主要在叶片中积累,B主要在茎中积累,Zn主要在叶片和叶柄中积累,Cu主要在气生根中积累。各器官中微量元素的平均含量表现为Fe>Mn>Zn>B>Cu>Ni>Mo；土壤中微量元素的平均含量表现为Fe>Mn>Zn>B>Ni>Cu>Mo；各器官与土壤中微量元素含量的排序基本一致,提示各器官对微量元素的吸收积累与根际土壤微量元素含量有很大的关联性。

表2 元谋椰枣不同器官及土壤中微量元素的分布特征 mg/kg

2.3 有益元素含量的分布特征

从表3可以看出，椰枣不同器官及土壤中各有益元素含量差异较大。Na:土壤>根≈叶柄>气生根≈茎>叶片;Al:土壤>茎>根≈叶片≈叶柄≈气生根;Sr:根>茎>叶柄>叶片>气生根>土壤;Ti在根、茎和土壤中积累,且土壤中含量较高,达2260.08 mg/kg;V在根、茎、叶柄和叶片中积累;Co:土壤>根≈气生根≈茎≈叶柄≈叶片;Si元素均未检出。总体而言,Na主要在根和叶柄中积累,Al、Sr、Ti主要在根和茎中积累。各器官有益元素含量的均值排序为Na>Al>Sr>V>Co>Ti>Si；土壤中有益元素含量的均值排序为Ti>Al>Na>Co>Sr>V≈Si；各器官与土壤中有益元素含量均值的排序不完全一致,提示椰枣对有益元素的吸收能力更多地与其对该有益元素的需求量和吸收特点有关。

表3 元谋椰枣不同器官及土壤中有益元素的分布特征 mg/kg

2.4 有毒有害元素含量的分布特征

由表4可知，椰枣不同器官中各有毒有害元素含量总体较低,土壤中存在一定的有毒有害元素。其中,As、Cd、Pb、Sb、Sn、Ba、Li、Ga、Bi、Be在各器官中大部分未检出,Ba和As在个别器官中检出,说明有毒有害元素在不同器官中含量极低。Cr含量表现为土壤>根>茎>气生根≈叶柄≈叶片,Cr在各器官中均有分布,且根中积累较多,说明其分配受地球化学行为控制。土壤中各有毒有害元素的含量顺序为Ba>Cr>Li>As>Pb>Sn>Ga>Sb>Cd≈Bi≈Be,与各器官中有害元素含量的排序并不一致,说明各器官中有毒有害元素含量与土壤中有毒有害元素含量的相关性不大,可能受人类活动的影响。

表4 元谋椰枣不同器官及土壤中有毒有害元素的分布特征 mg/kg

2.5 不同器官中各元素含量的Pearson相关性分析

椰枣不同器官中Ca、K、Mg、P、S、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Na、Ni、Al、Sr、Cr共15种元素含量的Pearson相关性分析结果(表5)表明：Mg与K间,Fe与S、Al间,Sr与S间,Cr与S、Fe、Sr间均存在显著或极显著正相关,说明这些元素之间在不同器官中可能有协同促进作用；Mg与Ca间,Cr与Zn间均呈显著负相关,说明这些元素之间在不同器官中可能存在相互拮抗作用。

表5 椰枣不同器官中各元素含量的相关性分析结果

2.6 椰枣不同器官中各元素的富集特征

因少数元素在土壤样品中未检出,故不对其进行富集系数的分析。椰枣不同器官24种元素的富集特征结果(表6)表明,不同器官对同一元素的富集能力存在显著差异,同一器官对不同元素的富集能力也存在显著差异。不同器官各元素富集系数的平均值顺序为Ca>S>Sr>P>K>Mg>Na>Cu>Zn>Cr>Co>B>Al>Mn>Ni>Ba>Fe>As>Ti≈Pb≈Sb≈Sn≈Li≈Ga。大量元素的富集系数基本上都大于1,其中Ca、S的富集系数较高,达9.622～74.106;K、Mg、P的富集系数较低,只有0.551～4.031。微量元素的富集系数均小于1,说明不同器官对各微量元素的富集能力均较弱。有益元素Na、Al、Ti、Co的富集系数均小于1,Sr的富集系数均大于1。有毒有害元素的富集系数均小于1,大部分的富集系数为0,仅Cr、Ba、As有微量富集。

表6 元谋椰枣不同器官对各元素的富集系数(EC)

3 结论与讨论

3.1 椰枣不同器官中矿质元素特征分析

为了提高自身适应性,植物会对不同器官中矿质养分进行权衡并进行合理分配[17]。本研究结果表明,椰枣不同器官中各元素含量表现出较大差异。各器官矿质元素平均值顺序为K>Ca>S>Mg>P>Na>Al>Fe>Sr>Mn>Zn>Cr>B>Cu>Ni>Ba>V>Co>Ti>Ni>As。这与不同器官的光合速率、蒸腾速率、酶活性、元素移动性、土壤等因素有关[18]。本研究K含量分布表现为气生根>根>茎>叶柄>叶片,椰枣树对K(11173.50 mg/kg)的需求量最高,且气生根K含量(23920.00 mg/kg)是叶片K含量的2.7倍,是叶柄K含量的3.3倍,这可能与椰枣作为单子叶棕榈科植物具有喜K的特性[19]有关。有关研究表明，K是干热气候条件下植物抵抗高温、干旱等逆境的重要营养元素,K能显著提高叶片的光合速率,增强酶活性,促进蔗糖积累,增强对病害的抵抗力[20-21],故椰枣施肥中应重视钾肥的施用。Ca含量分布表现为茎>叶柄≈叶片>根>气生根,说明Ca主要在高蒸腾速率的茎、叶柄、叶片中分布,茎Ca含量是根Ca含量的3.6倍,是气生根Ca含量的7.7倍,这与前人的研究结果“Ca在作物器官中的分布与蒸腾速率有关”[18]一致。Ca作为胞内第二信使,它是植物应对逆境胁迫的关键信号,Ca能提高钙调蛋白水平,提高作物的抗逆性[22]。对椰子、董棕等棕榈植物的研究表明,Ca在不同器官内的区域性分布与其抗寒性密切相关[23-24]。本研究发现，S主要在根(8998.33 mg/kg)中分布,在其他器官中积累较少。有研究表明,S有助于促进“源”端光合产物及时向“库”端器官运输[25],因而作为“库”器官的根中S含量较高。在本研究中，Mg在各器官中含量差异不显著。在山核桃[26]等木本植物中也有类似的规律,这与Mg是构成叶绿素的核心元素有关[27]。各器官中P含量(631.28 mg/kg)普遍较低,低于全国陆生植物P含量(0.12%),这可能与根际土壤P含量(220.71 mg/kg)较低、采样时间较晚(12月中旬)等因素有关；根据最小因子定理[17]推测,在干热河谷地区,椰枣更易受到P元素的限制。因此,在生产中可适当增加P肥的施用。

微量元素多数是酶的重要组分或叶绿体合成所必需物质,直接参与光合、呼吸等重要代谢过程。本研究表明,不同器官中各微量元素含量具有一定规律性,表现为Fe>Mn>Zn>B>Cu>Ni>Mo,这与对闽楠人工林不同器官微量元素含量的研究结果[28]基本一致。在本研究中，Mn主要在叶片中积累,Fe主要在根和茎中积累。叶片中Mn含量(48.64 mg/kg)显著高于在其他器官中的,在脐橙[29]中也有类似的结果。Mn是参与叶片光合作用的重要微量元素,缺锰可能破坏PSⅡ反应中心,阻断光合电子传递[30]。Fe在植物体内移动性较差,根吸收后被固定和积累,然后转运至地上部分,因而易在根和茎中积累,茎起到过渡和缓冲作用[31]。

有益元素对植物的生长发育至关重要,适宜含量会促进生长,过量则具毒害作用。本研究发现，有益元素Na、Sr、Al的含量明显高于Ti、V、Co、Si等元素的。Na在叶片中的含量显著低于在其他器官中的,与K的分布类似,可能与两者在化学和结构上相似有关[32]。Sr在各器官中均有积累,但主要在根中积累,这与蚕豆根部对Sr的富集能力最强的研究结果[33]一致。适量的铝元素能刺激植物的生长,不同植物耐受铝的能力不同[34]。在本研究中，Al主要在茎中积累,说明茎对Al具有较强的富集能力,耐受铝的能力较强。本研究中各器官有毒有害元素的含量总体上较低,仅Cr、As、Ba在少数器官中有微量分布,表明椰枣各器官的安全性较高。

3.2 椰枣不同器官间矿质元素含量的相关性

探讨椰枣不同器官中各元素含量间的相互关系,对于开展树体营养诊断、合理制定栽培措施具有重要意义。本研究结果显示：Mg与K间,Fe与S、Al间,Sr与S间,Cr与S、Fe、Sr间均存在显著或极显著正相关；Mg与Ca间,Cr与Zn间均呈显著负相关。这与前人的研究结果[35-36]一致。Ca是植物细胞壁及其膜系统的重要组分,有研究表明许多园艺作物的生理性病害都与Ca有直接关系[37-39]。因此,在椰枣施肥过程中,防治因营养元素不均衡而导致的病害时,需要考虑元素之间的相互关系,以提高管理效率。

3.3 椰枣不同器官矿质元素富集能力差异分析

富集系数可以反映植物不同器官中各元素的迁移富集能力,富集系数越大,说明其富集能力越强。椰枣不同器官对各元素的富集能力不仅与其对各元素的需求量和吸收特性有关,也与其根际土壤中各元素的含量有较大的关联性。本研究结果表明：不同器官对各元素的平均富集系数表现为Ca>S>Sr>P>K>Mg>Na>Cu>Zn>Cr>Co>B>Al>Mn>Ni>Ba>Fe>As>Ti≈Pb≈Sb≈Sn≈Li≈Ga。椰枣对Ca(43.552)的富集能力最强,而对微量元素Fe(0.018)的富集能力较弱,这是由于土壤中Ca含量(152.00 mg/kg)远低于其他大量元素的含量,而土壤中Fe含量(9605.83 mg/kg)含量远高于其他微量元素的含量。这与蓝莓叶片中矿质元素Ca富集能力最强、Fe富集能力较弱的结果[40]一致。单睿阳等[41]的研究也证实茶树各器官中Fe富集系数较低,仅为 0.002～0.225。椰枣不同器官对同一元素的富集能力也存在较大差异,如根对S、Na、Sr、Cr的富集能力显著强于其他器官的,茎对Ca、B、Fe、Al的富集能力强于其他器官的,气生根对K、Mg、P、Cu的富集能力强于其他器官的,这可作为椰枣平衡施肥时考虑的特征因素。

综上所述,不同元素在椰枣不同器官间响应不同,不同器官自身吸收和积累能力也不同。这些可能与椰枣的器官生理、发育时期、元素化学特性等因素有关,有待于进一步深入研究。