铝胁迫下钙对油茶营养元素吸收积累的影响

黄丽媛，胡光伟，王 琼，刘 珍

（湖南工业大学城市与环境学院农牧业废弃物资源化综合利用湖南省重点实验室，湖南 株洲 412007）

铝是土壤中比较丰富的金属元素，当其以铝硅酸盐和铝氧化物等形式存在时对植物和土壤无毒害。随着全球范围内酸雨危害的加重，大量可溶性铝积累增多，并转变为对植物有毒的Al3+形态［1］。植物通过土壤吸收水和养分的同时，大量Al3+也被吸收，并富集在体内。植株体内的Al3+通过竞争阳离子结合位点，阻塞离子通道等方式抑制矿质元素的吸收，导致植株营养元素的缺乏，影响其正常生长发育［2，3］。已有不少研究表明，铝胁迫下植物对Ca2＋和Mg2＋等营养元素的吸收积累量迅速下降，尤其是Ca2＋含量降低是铝毒害的重要原因［4，5］。同时，随着土壤酸化日益严重，土壤中钾、钙、镁等营养物质逐渐被淋失［6，7］，造成养分有效性低，继而导致植株生长不良，产量下降。铝毒害也被认为是限制酸性土壤中植物生长的主要因素之一，众多学者认为，其原因是铝严重影响了植物对养分的吸收和运输，导致植物营养亏缺或失衡［8］。

钙是植物必需的矿质营养元素，在维持细胞壁、细胞膜和膜结合蛋白的稳定性，调节无机离子运输，调控酶活性等方面具有重要作用［9］。土壤中过量铝的累积会减少植株对钙的吸收［10］，施钙可以增强Ca2+与Al3+的拮抗作用，减少水合Al3+与磷脂结合，降低羧基与膜蛋白的结合，从而起到缓解铝毒的作用［11］。Chibiliti 等［12］认为高浓度铝使奈马格桃枝梢Ca、Zn、Cu、Fe 等含量降低，外源施入钙可以减少桃枝梢中铝的积累，减轻铝毒。在对小麦、苜蓿和大豆的铝毒研究中，均表明外源钙可以缓解铝毒［13-15］。由此可见，钙在缓解植物铝胁迫方面具有重要作用，但钙在缓解油茶铝胁迫方面的研究尚未见报道。

油茶（Camellia oleiferaL.）是中国重要的木本油料树种，其主要产品茶油被认为是健康优质的食用油，提高油茶产量和品质，能有效缓解油料供需矛盾和进口压力，增强中国粮食保障能力。目前，油茶在中国种植面积广泛，并主要分布在长江以南的酸性红壤区［16］，该区域是典型的富铝化环境。虽然油茶是铝富集植物，但是前期研究表明，高浓度铝也会显著限制油茶正常生长发育［17］。因此，本研究通过在铝胁迫条件下提高油茶根际环境钙的浓度，比较施钙与不施钙油茶体内铝及营养元素含量的变化，探讨不同浓度钙对油茶铝胁迫的缓解作用，为揭示钙缓解铝胁迫的生理机制提供理论依据，也为采用农艺措施缓解铝毒提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料与处理

以普通油茶品种湘林XCL 15 扦插苗为试验材料。选取健康粗壮的穗条，将其修剪为约10 cm 长的插穗，扦插于河沙苗床上，进行常规管理。90 d后，挑选长势基本一致、根系良好的扦插苗，将根系用清水冲洗干净，移植到塑料盆中，每盆装细沙3 kg，移植后置于大棚中，保持通风状态，白天气温高时适当遮阴处理。在试验开始前进行14 d 的预培养，每3 d 浇1 次营养液，每盆400 mL，营养液采用Hoagland 配方（pH=4.2）［18］。待油茶幼苗适应14 d后，在Hoagland 营养液基础上加入AlCl3作为Al 源，加入CaO 作为Ca 源，进行不同的钙铝组合处理。根据前期试验结果，油茶幼苗在4 mmol/L 的铝处理下，受到铝毒害，因此，本试验铝浓度设置为4 mmol/L，钙的浓度设置为0.5 mmol/L（低钙）、3.0 mmol/L（中钙）、5.0 mmol/L（高钙）3 个水平，组合成为6 个处理：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），每个处理15 盆，每盆2 株。钙、铝处理60 d 后，开始进行油茶植株养分元素的测定。

1.2 测定方法

处理结束后，每个处理选取8 株幼苗，用清水冲洗干净，将根系、茎和叶片分别置于烘箱中，105 ℃下杀青30 min，70 ℃烘干至恒质量备用。参照史晓龙等［19］的方法将各器官干样分别粉碎后用H2SO4-H2O2消煮，采用火焰光度计法测定全钾含量，铝试剂比色法测定Al 含量，凯氏定氮法测定全氮含量，钒钼黄比色法测定全磷含量，原子吸收法测定铁、锌、钙、镁和铜含量。

1.3 数据处理

采用Excel 2013 软件记录数据和制图，采用SPSS 22.0 软件进行均值、标准差计算及方差分析，其中方差分析采用Duncan 法。

2 结果与分析

2.1 钙对铝胁迫下油茶铝吸收积累的影响

从图1 可知，在铝胁迫处理（T2）下，油茶根、茎、叶的铝含量显著升高，分别是CK 处理的4.51、4.75、6.15 倍，其中叶片铝的积累量最高。在铝胁迫下增加营养液中钙的浓度，油茶植株铝含量逐渐下降，当钙的浓度达到5.0 mmol/L 时，油茶植株铝含量显著下降，根、茎、叶的铝含量较铝胁迫处理（T2）分别下降了47.75%、45.77%和28.30%，下降幅度最大的是油茶根系铝含量。此外，低钙处理（T3）对油茶体内铝含量影响较小，与铝胁迫相比无显著差异。

图1 铝胁迫下施钙对油茶铝含量的影响

2.2 钙对铝胁迫下油茶钙吸收积累的影响

铝胁迫（T2）下，油茶根、茎、叶钙含量显著降低，与对照相比分别下降了54.93%、24.05% 和48.15%，说明铝胁迫抑制了油茶对钙的吸收（图2）。随着营养液中钙浓度的提高，油茶植株钙含量逐渐上升，低钙处理（T3）下油茶树体各部分钙含量虽略微升高，但与T2 处理相比差异不显著，中钙（T4）和高钙（T5）处理下油茶植株钙含量显著升高，当钙浓度达到5.0 mmol/L 时，根、茎、叶钙含量分别是T2 处理的2.45、1.52 和1.97 倍，其中根系钙含量上升幅度最大。在低钙无铝处理（T1）时，油茶植株的钙含量与CK 相比也显著升高。

图2 铝胁迫下施钙对油茶钙含量的影响

2.3 钙对铝胁迫下油茶氮吸收积累的影响

从图3 可知，T2 处理油茶根、茎、叶中氮素含量较CK 处理分别降低了42.5%、30.2%和47.0%，处理间差异极显著，说明铝胁迫抑制了油茶对氮的吸收。当营养液中钙浓度升高时，能够显著恢复油茶的氮素含量，尤其是在中钙浓度（T4）处理下，油茶根、茎、叶的氮素含量是T2 处理的1.75、1.45 和1.53 倍。与中钙浓度处理相比，高钙浓度处理（T5）下油茶植株氮含量略有下降。

图3 铝胁迫下施钙对油茶氮含量的影响

2.4 钙对铝胁迫下油茶磷吸收积累的影响

铝胁迫下油茶磷含量与对照相比无显著差异，说明铝胁迫并未抑制油茶对磷素的吸收（图4）。铝胁迫下施入不同浓度的外源钙，油茶根系磷含量略微升高，茎和叶片磷含量出现波动，但各处理间无显著差异。从油茶各器官磷含量的变化来看，变化幅度均较小，说明钙、铝处理对油茶磷素的吸收积累无明显的促进或抑制作用。

图4 铝胁迫下施钙对油茶磷含量的影响

2.5 钙对铝胁迫下油茶钾吸收积累的影响

由图5 可知，油茶根系和叶片钾含量受到铝胁迫（T2）时显著下降，与对照相比分别下降了30.05%和28.10%，但是油茶茎的钾含量仅下降6.70%，与CK 相比无显著差异。随着营养液中钙浓度的提高，油茶根系和叶片的钾含量逐渐上升，低钙处理（T3）对油茶树体钾含量影响较小，与T2 处理相比差异不显著，中钙（T4）和高钙（T5）处理下，油茶根系和叶片的钾含量显著升高，尤其当钙浓度达到5.0 mmol/L时，根系和叶片中钙含量分别较T2 处理提高了40.17%和52.51%。此外，各处理间油茶茎的钾含量无显著差异。

图5 铝胁迫下施钙对油茶钾含量的影响

2.6 钙对铝胁迫下油茶镁吸收积累的影响

与CK 处理相比，铝胁迫（T2）下油茶对镁的吸收积累明显受到抑制，根、茎、叶中镁含量分别降低了47.70%、39.87%和34.15%（图6）。钙的施入促进了油茶对镁元素的吸收积累，其中，低钙（T3）处理下油茶镁含量增加幅度较小，与T2 处理相比无显著差异，而中钙（T4）和高钙（T5）处理显著提高了油茶的镁含量，当营养液中钙的浓度达到5.0 mmol/L 时，与T2 处理相比，根、茎、叶的镁含量分别提高了59.34%、56.84%和46.59%。从油茶不同器官来看，施钙处理对茎的缓解作用最大，当钙浓度达到3.0 mmol/L 和5.0 mmol/L 时，茎的镁含量要高于根系和叶片。

图6 铝胁迫下施钙对油茶镁含量的影响

2.7 钙对铝胁迫下油茶铁吸收积累的影响

油茶根系铁的积累量在铝胁迫（T2）下明显受到抑制（图7），与CK 处理相比，下降了41%。油茶茎和叶片铁积累量受铝胁迫影响较小，与CK 处理相比无显著差异。随着营养液中钙浓度的增加，油茶根系铁含量明显增加，与T2 处理相比，T3、T4 和T5 处理下根系铁含量分别提高了28.10%、47.11%和50.41%。低钙（T3）和中钙（T4）处理对油茶茎和叶片铁含量影响较小，与T2 处理相比无显著差异，只有在高钙（T5）处理下，油茶茎和叶片铁的积累量才显著升高。

图7 铝胁迫下施钙对油茶铁含量的影响

2.8 钙对铝胁迫下油茶锌吸收积累的影响

由图8 可知，铝胁迫（T2）明显抑制了油茶对锌的吸收积累，与CK 处理相比，根、茎、叶锌含量分别下降了31.48%、55.93%和32.14%，其中油茶茎部受到的抑制作用最大。当外源钙的浓度达到3.0 mmol/L 时，根系和茎部锌积累量逐渐恢复到CK处理水平，叶片锌含量是对照处理的1.39 倍，说明中钙处理显著促进了油茶叶片对锌的积累。但是当钙浓度升高到5 mmol/L时，根系锌含量较中钙处理（T4）显著下降。

图8 铝胁迫下施钙对油茶锌含量的影响

2.9 钙对铝胁迫下油茶铜吸收积累的影响

铝胁迫（T2）促进了油茶根系对铜的吸收积累（图9），与CK 处理相比，其含量提高了65.81%，但铝胁迫处理对油茶茎和叶片铜含量影响不大。在低钙（T3）和中钙（T4）处理下，均不能显著提高油茶植株铜含量，与T2 处理相比无显著差异，说明中钙、低钙浓度对油茶植株铜的吸收积累影响较小。而在高钙（T5）处理下，与T2 处理相比，油茶根系铜含量下降了28.69%，茎和叶片铜含量无明显变化，说明高钙处理抑制了油茶根系对铜的吸收积累。

图9 铝胁迫下施钙对油茶铜含量的影响

3 小结与讨论

植物的生长发育离不开对养分的吸收和积累，养分不仅是油茶植株生物量积累的基础，也是实现油茶优质、高产的关键。氮、磷、钾是保证植物正常生命活动所必需的3 种大量元素，钾元素与植物的新陈代谢有关，可增强植物的抗逆性和抗病能力［20］。氮是植物结构组分元素，不仅在茎、叶生长和果实发育方面起着重要作用，还直接关系到果实产量的高低。磷在提高植物对外界环境的适应性和抗逆性方面也起着重要作用。钙和镁是植物生长发育必需的中量元素，其中，钙具有稳定细胞膜和细胞壁的作用，并参与植物代谢和发育调控。镁是构成叶绿素的主要矿质元素之一，直接影响植物的光合作用［21］。铜、锌、铁等微量元素是植物体内许多氧化酶的重要成分，广泛参与各种生理活动，在维持细胞内物质代谢、蛋白质合成和叶绿体合成等方面具有重要作用［22，23］。前人研究表明，高浓度铝胁迫下，大量的Al3+会破坏植物体内的离子平衡，干扰营养元素的吸收和转运，造成铝毒害［24］。铝过量会在不同程度上抑制植物根系对钙、磷、钾、铁、铜和锌等营养元素的积累和转运［25，26］。郑阳霞等［27］的研究表明，豆瓣菜根系对营养元素的吸收效率会随着铝质量浓度的提高而逐渐降低。本研究表明，铝胁迫抑制了油茶植株对部分营养元素的吸收和积累，与对照处理相比，油茶植株钙含量下降了24.05%～54.93%，氮含量下降了30.2%～47.0%，镁含量下降了34.15%～47.7%，锌含量下降了31.48%～55.93%，钾含量下降了6.70%～30.05%。铝胁迫抑制油茶对钙的吸收，降低植株钙含量，是因为Al3+通过与质膜蛋白质及磷脂的结合位点结合，取代了重要点位上的Ca2+，从而与Ca2+产生竞争，抑制了对Ca2+的吸收和运输［28］。油茶植株氮含量的降低，可能是由于Al3+抑制了根际固氮微生物和酶的活性，导致土壤有效氮的供应减少［29］，进而影响植株对氮吸收。高浓度Al3+对K+的吸收有明显的拮抗作用［30］，这可能是导致钾含量下降的原因。对许多植物而言，土壤中高浓度Al3+容易导致铝磷结合，使磷变成非有效态，导致植物磷含量的下降［31］，而本试验结果显示，铝胁迫下油茶植株磷含量并未下降，这与茶树、山茶花的研究结果一致［32，33］。铝胁迫下，油茶根系铜含量与对照处理相比显著上升，说明油茶在铝胁迫下仍然可以较好地利用铜元素，但其具体机理还有待进一步研究。此外，本研究还发现，对不同养分元素而言，铝胁迫对油茶各器官的影响略有差异，钙、氮和镁等各器官含量的变化一致，而铁含量的变化不一致，根系铁含量显著下降，茎和叶片铁含量与对照相比无显著差异，这可能与养分在植株体内的转运特性有关，铁属于难移动性元素，因此茎和叶片没有明显变化。

细胞内Ca2+平衡失调被认为是铝毒害的重要机理之一，胞内Ca2+浓度失衡，导致细胞生理功能紊乱，从而产生毒害作用。外源Ca2+能够重建植株体内离子平衡，促进Ca2+以及胞内Ca2+稳态的维持，因此施入外源钙是缓解铝胁迫的重要途径。施钙对铝胁迫下大麦养分吸收的研究表明，钙能显著提高大麦根、茎、叶对钾、镁、锰和锌养分元素的吸收和积累，缓解植株铝毒害［34］。段小华等［35］的研究表明，适当浓度的钙能够促进茶树对镁和钾等元素吸收，并且茶叶中的铝含量会随着钙浓度的增加而下降，钙和铝之间呈负相关。上述研究结果与本试验结果基本一致，铝胁迫下加入钙显著抑制了油茶植株各器官对铝的吸收和积累，尤其是当钙浓度达到3 mmol/L 和5 mmol/L 时，油茶根系铝含量分别较铝胁迫下降了35.30%和47.75%，这可以有效减轻铝对根细胞分裂和伸长的抑制作用，从而缓解铝毒对油茶生长的影响［36］。随着外源钙的施入，油茶植株的钙含量显著升高，尤其是中钙和高钙处理，这可能是由于营养液中Ca2+浓度的增加，提高了钙在细胞膜结合位点的竞争力，降低了Al3+对Ca2+通道的阻塞作用，增加了Ca2+通道的流量［37］。本研究结果表明，当钙浓度达到3 mmol/L 时，显著提高了油茶对氮的吸收和积累，这是因为钙的施入降低了植株的铝浓度，而油茶本身是耐铝植物，在低浓度铝刺激下，根系通过吸收介质中的NO3-N 保护自身免受毒害［38，39］。随着营养液中Ca2+的增加，油茶植株镁和锌含量也逐渐提高，尤其是中钙处理下，与铝胁迫处理相比，含量均显著升高，推测其原因可能是钙的施入降低了溶液中Al3＋活度，从而减轻活性铝对阳离子通道的阻塞，提高了Mg2+和Zn2+在根皮层细胞质外体的负载量，使油茶植株对这2 种离子的运载量增加［40］，说明外源钙能恢复植株养分运输通道，促进养分吸收，从而缓解铝毒害。而钙浓度达到5 mmol/L 时，油茶植株的氮和锌含量降低，根系铜含量也显著低于低钙（T3）和中钙（T4）处理。说明适量外源钙能缓解铝胁迫对植株养分吸收积累的影响；而当外源钙施用量过高，则会抑制植株对养分的吸收和分配。本研究结果还表明，施钙显著促进油茶对钾的吸收和积累，但是对磷没有明显影响。单独0.5 mmol/L Ca 处理（T1）下，除钙含量外，油茶植株其他养分含量与对照无显著差异。

综上所述，高浓度铝处理下，显著提高了油茶植株铝和根系铜含量，降低了氮、钾、钙、镁和锌等营养元素含量，对磷素影响较小。外源钙的施入显著抑制油茶植株对铝的积累，促进了对氮、钾、钙、镁和锌等养分元素的吸收和积累，尤其是在3.0 mmol/L 钙处理下效果最显著，由此说明，钙的施入可以有效缓解由于铝毒导致的油茶植株营养亏缺或失衡，促进其对养分的吸收积累，从保证油茶正常的生长发育所需要的养分平衡。