土壤鋁離子對香蕉苗期生長及根系活性的影響

陳俊銘　張宇　陳小麗　李進(jìn)

摘 要 為研究鋁離子對香蕉生長及根系活性的影響，在6個(gè)香蕉盆栽中分別加入不同量的AlCl3·6H20進(jìn)行試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，土壤中鋁離子濃度為0～4 mg·kg-1時(shí)，對香蕉生物量累積、根系活力有一定促進(jìn)作用;當(dāng)鋁離子濃度為4～8 mg·kg-1時(shí)，土壤中的交換性鋁含量顯著上升（31～37 cmol·kg-1），土壤pH則顯著下降，香蕉受鋁害影響，其生物量累積和根系活性均被土壤中的鋁離子抑制。

關(guān)鍵詞 香蕉;根系活性;交換性鋁

中圖分類號：S156 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.12.071

目前，由于汽車尾氣排放、酸雨、長期不合理施用化肥等導(dǎo)致的土壤酸化加劇以及土壤酸化引起的植物鋁毒害問題嚴(yán)重制約著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，已成為全球性的農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，酸性土壤占據(jù)了全球耕地總面積的40%，且受害面積還在逐步增加，土壤酸化問題已經(jīng)到了必須解決的時(shí)候[1]。同樣，分布于我國南方區(qū)域15個(gè)省份的酸性土壤總面積約有203萬平方千米，占全國總耕地面積的21%左右[2]。隨著我國集約化農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，長期不合理施用化肥導(dǎo)致我國南方耕地土壤酸化及鋁毒危害加劇，這已經(jīng)成為我國南方地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素。

在自然條件下，鋁在土壤中多以難溶性的硅酸鹽或者氧化鋁的形式存在，如鋁土礦、長石、高嶺石、云母等，但隨著土壤pH的降低，土壤中的鋁則以化學(xué)形態(tài)存在。尤其當(dāng)pH<5時(shí)，土壤中的鋁主要以Al3+為主，其微克級離子濃度會(huì)對很多作物產(chǎn)生毒害作用，故此鋁脅迫是限制作物生長發(fā)育的主要障礙因子[3]。

湛江市位于粵西地區(qū)，其代表土壤為酸性較強(qiáng)的磚紅壤，是鋁毒災(zāi)害高發(fā)地區(qū)。同時(shí)，湛江又是廣東省主要的香蕉主產(chǎn)區(qū)，香蕉生產(chǎn)受土壤酸度及鋁毒害影響嚴(yán)重?；诖?，以湛江市典型磚紅壤和威廉姆8號香蕉為供試材料，研究了不同鋁離子濃度處理對香蕉生長、根系性狀以及對土壤中交換性鋁含量和pH的影響，以期為南方酸性耕地的鋁毒害防控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試作物

供試作物為威廉姆8號香蕉，在真葉期取三片長勢一致的香蕉幼苗，將其移栽于塑料盆中，每盆種植1株幼苗。

1.2 供試土壤

供試土壤為廣東湛江廣東海洋大學(xué)后山香蕉地中的磚紅壤，此香蕉地種植香蕉3年以上，土壤pH為5.3，經(jīng)測定土壤的基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1所示。采集土壤后，挑出土壤中的石塊、枯枝落葉等，磨碎，過2 mm的篩，密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年4月27日在廣東海洋大學(xué)生物技術(shù)研究所溫室大棚進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，按每千克土中加入鋁的量設(shè)置處理，分別為0 mg·kg-1、0.5 mg·kg-1、1.0 mg·kg-1、2.0 mg·kg-1、4.0 mg·kg-1、8.0 mg·kg-1共6個(gè)鋁濃度水平，依次記為A0、A1、A2、A3、A4、A5，每個(gè)處理有4個(gè)重復(fù)，共計(jì)24盆香蕉。

試驗(yàn)每盆裝有3.0 kg的供試土壤，且每盆分別添加1.02 g過氯化鉀、1.27 g過磷酸鈣、1.26 g尿素作為基肥，充分混勻。2017年4月27日移栽供試香蕉到盆栽中，待香蕉生長2個(gè)月后，開始按處理設(shè)置加入鋁離子。即分別將14.4 mg、26.8 mg、53.7 mg、107.4 mg、214.8 mg的AlCl3·6H20（鋁含量為11.18%）加入到100 mL容量瓶中，定容成100 mL的鋁溶液，并分別緩慢均勻的加入到A1、A2、A3、A4、A5處理中，對照處理則加入同樣體積的蒸餾水。培養(yǎng)香蕉8周后收獲香蕉，采集土壤樣品，并測定植株生物量、根系性狀以及土壤的交換性鋁含量和pH等相關(guān)指標(biāo)。

1.4 樣品分析

參考《土壤農(nóng)化分析》（魯如坤，1999），采用pH計(jì)電位法測定土壤pH（按2.5∶1的水土體積質(zhì)量比），采用氯化鉀淋洗-堿滴定法測定交換性Al3+，采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，采用堿解擴(kuò)散法測定土壤中堿解氮的含量，用Olsen法測定土壤中速效磷的含量，采用乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測定土壤中的速效鉀含量[4]。

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)采集植株根部和地上部，根部鮮樣用于測定根系活性和丙二醛，剩余樣品用烘箱在105 ℃下殺青，最后在75 ℃下烘干至恒重，分別稱量地上部和根部干重，并計(jì)算根冠比;采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測定香蕉的根系活力[5];采用硫代巴比妥酸（TBA）法測定根系的丙二醛（MDA）含量[6]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法：

利用SPSS 18.0、Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度鋁對香蕉植株的生物量和根冠比的影響

生物量是描述植物生長狀況的最直接指標(biāo)。不同濃度鋁對香蕉植株的生物量和根冠比的影響見表2，隨著鋁濃度的上升，植株的地上部、根重、整株重、根冠比均呈先升高后降低趨勢。生物量最高的處理為A1，其根干重和整株干重分別比對照處理A0增加了23.7%和27.0%;而A5處理的根系干重及整株干重均顯著下降，相較對照A0分別下降了14.0%、7.9%;但A4處理的生物量與對照A0的差異不顯著，說明加入的鋁溶液濃度小于A4處理時(shí)，鋁離子對香蕉的生長無明顯的影響，甚至有一定的促進(jìn)作用。而當(dāng)加入的鋁溶液濃度大于A4處理時(shí)，過高濃度的鋁離子會(huì)對香蕉的根系造成毒害，抑制香蕉根系和整株增重。

根冠比是指植物根部與地上部的干重比值。在植物苗期，較高的根冠比能夠給植物提供良好的營養(yǎng)生長條件，會(huì)增加根系營養(yǎng)物質(zhì)的吸收面積和能力[7]，因此，植物根冠比的增加是對植物有利的。如表2所示，香蕉的根冠比隨鋁濃度水平的增加呈先增大后減小的趨勢，A3處理的根冠比顯著大于其他處理。

2.2 不同濃度鋁對香蕉根系活力及丙二醛含量的影響

在逆境條件下，植物的根系會(huì)受到損傷，致使根系活力下降，從而導(dǎo)致根系對水分和無機(jī)鹽的吸收能力下降，最終使整個(gè)植株的生長發(fā)育受到抑制。如表3所示，香蕉的根系活力變化隨土壤中鋁濃度的增加呈先上升后又下降趨勢。處理A2和A3香蕉的根系活力比對照香蕉的根系活力分別增長了21.0%、20.2%，而處理A5香蕉的根系活力比對照香蕉的根系活力降低了25.5%。

植物在逆境脅迫或衰老過程中、在細(xì)胞內(nèi)活性氧代謝的平衡被破壞的情況下，對植株活性氧的積累十分有利。活性氧大量累積，膜脂的過氧化作用就會(huì)有所加強(qiáng)，進(jìn)而會(huì)損壞細(xì)胞膜系統(tǒng)，最終導(dǎo)致植物無法生長而死亡。丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，其產(chǎn)生之后會(huì)加劇對細(xì)胞膜的損害，使細(xì)胞膜降低甚至失去選擇透過性，進(jìn)而引起細(xì)胞內(nèi)的電解質(zhì)外滲，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)環(huán)境遭到破壞[8]，因此，丙二醛含量經(jīng)常被用于植物衰老生理和抗性生理的研究中。如表3所示，隨著鋁含量的增加，香蕉根系中的MDA含量呈降低趨勢，從A0到A4均有小幅度下降，但處理間差異不顯著;當(dāng)鋁的加入量為A5時(shí)，香蕉根系的MDA含量較對照A0上升了104.0%，且A5處理香蕉根系中的MDA含量顯著大于其他處理。

2.3 不同濃度鋁對土壤中交換性鋁含量和pH的影響

從表4可以看出，隨著鋁濃度的增加，土壤中的交換性鋁含量也顯著增加，相對于對照組土壤中的交換性鋁，A5處理的交換性鋁含量增加了134.9%。相反，土壤pH隨著鋁濃度的增加有所下降，高鋁濃度A5和A6處理的土壤pH下降明顯，顯著小于A0、A1、A2、A3處理。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

3.1.1 不同濃度鋁對香蕉植株生物量的影響

低濃度（0～4 mg·kg-1）的鋁處理對于香蕉幼苗的根系生長具有一定程度的促進(jìn)作用（表2），在此濃度內(nèi)，可能造成香蕉根系的質(zhì)膜透性增加但不會(huì)致其完全失去生物活性，從而使得各種物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的能力增加，使根系對水分和各種營養(yǎng)物質(zhì)吸收的能力增強(qiáng)[9];但也有可能是由于低濃度的鋁促進(jìn)了根系細(xì)胞的分裂分化[10]，從而促進(jìn)了根系生物量的增加。

3.1.2 不同濃度鋁對香蕉根系活力及丙二醛含量的影響

研究結(jié)果（表3）顯示，在A2～A4可能存在1個(gè)鋁濃度臨界值，小于此臨界值，香蕉的根系活力會(huì)隨著鋁濃度的上升而上升;而當(dāng)超過這個(gè)臨界值時(shí)，香蕉根系的抗逆性到達(dá)極限，鋁脅迫開始對香蕉造成傷害，進(jìn)而導(dǎo)致了根系活力的下降。劉鵬等[11]在相關(guān)研究中也發(fā)現(xiàn)大豆、木豆等植物存在類似的鋁濃度與根系活力的關(guān)系。

試驗(yàn)表明（表3），在低濃度鋁條件下（0～4 mg·kg-1），MDA的積累量相對較低，不會(huì)對香蕉根系的質(zhì)膜有太大影響，此時(shí)香蕉根系的細(xì)胞膜能夠維持正常的選擇透過性，使膜脂過氧化作用處于較低水平。但隨著鋁濃度的增大，香蕉根系產(chǎn)生了大量的MDA，對根系質(zhì)膜損傷加大，使膜脂過氧化作用增強(qiáng)，導(dǎo)致質(zhì)膜透性增大，使香蕉的各項(xiàng)生長指標(biāo)（如生物量、根系活力等）受到嚴(yán)重抑制。紀(jì)雨薇[12]的相關(guān)研究也表明，馬尾松在較高鋁濃度時(shí)，其根系MDA含量達(dá)到最高值，此時(shí)馬尾松的根系結(jié)構(gòu)會(huì)遭到嚴(yán)重破壞，引起根系活力下降。

3.1.3 不同濃度鋁對土壤中交換性鋁含量和pH的影響

土壤中的交換性鋁含量與所加入鋁溶液的濃度呈正相關(guān)性，當(dāng)鋁的加入量達(dá)到A4水平，即土壤交換性鋁含量為31 cmol·kg-1時(shí)，香蕉的生物量和根系活力均開始顯著降低。因此，建議通過測定土壤中的交換性鋁含量來確定某地區(qū)的鋁毒危害的臨界濃度，當(dāng)鋁離子含量達(dá)到臨界水平時(shí)，才會(huì)對作物生長產(chǎn)生鋁毒危害，這時(shí)才是改良土壤酸度，減輕作物鋁毒危害的最佳時(shí)機(jī)，避免了大量或不合理施用石灰類土壤調(diào)理劑所引起的土壤板結(jié)、復(fù)酸化、重金屬污染等一系列問題。

3.1.4 土壤中交換性鋁含量和pH與香蕉生物量的關(guān)系

由表2和表4可以看出，在較低pH和較高交換性鋁含量的情況下，香蕉植株的生物量顯著降低。梁文君等[13]也發(fā)現(xiàn)在土壤pH低于5.5時(shí)，玉米的生物量明顯降低。因此，在酸性土壤中，植株生長會(huì)受制于土壤pH、交換性鋁等致酸離子[14]

3.2 結(jié)論與討論

鋁離子的加入量在0～4 mg·kg-1時(shí)，即土壤交換性鋁含量為15～31 cmol·kg-1時(shí)，其對香蕉苗的生物量、根系活力無明顯影響，或有一定促進(jìn)作用。鋁離子的加入量在4～8 mg·kg-1時(shí)，其土壤中的交換性鋁含量顯著上升（31～37 cmol·kg-1），土壤pH則顯著下降，且香蕉苗受鋁脅迫，生物量和根系活性均顯著降低。說明當(dāng)鋁離子的加入量超過4 mg·kg-1時(shí)，即土壤交換性鋁含量大于31 cmol·kg-1時(shí)，香蕉苗生長開始受到鋁離子的抑制，建議施用適量的石灰類酸性土壤調(diào)理劑來減少土壤鋁毒危害。

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（責(zé)任編輯：趙中正）