鉀鎂水平對甘蔗主要礦質(zhì)營養(yǎng)吸收和分配的影響

黃瑩 周文靈 陳迪文 沈大春 方界群 凌秋平 盧穎林 江永 敖俊華

摘要：【目的】探討不同鉀鎂水平對甘蔗主要礦質(zhì)營養(yǎng)吸收和分配的影響，為甘蔗生產(chǎn)中鉀、鎂肥的合理施用提供理論依據(jù)。【方法】以粵糖09-13為供試材料，采用盆栽沙培試驗，在營養(yǎng)液不同鉀水平（K1：0.10 mmol/L、K2：3.00? mmol/L、K3：6.00 mmol/L）和鎂水平（Mg1： 0.01 mmol/L、Mg2：0.50 mmol/L、Mg3：2.00 mmol/L）條件下進(jìn)行培養(yǎng)，收獲時測定甘蔗各組織部位的干物質(zhì)量及氮、磷、鉀和鎂含量，分析植株礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收和分配特性?！窘Y(jié)果】營養(yǎng)液鉀、鎂水平顯著影響甘蔗植株葉片、莖和根中的氮、磷、鉀和鎂含量（P<0.05，下同），隨鉀、鎂水平的升高，植株干物質(zhì)量及氮、磷、鉀吸收積累量顯著增加，但K2與K3水平間、Mg2與Mg3水平間差異均不顯著（P>0.05）。鎂的吸收積累量隨鉀水平的升高而顯著降低，隨鎂水平的升高而顯著升高。鉀、鎂交互效應(yīng)對甘蔗的莖干物質(zhì)量、葉片磷吸收量和全株鉀吸收量均有顯著影響。較高的鉀、鎂水平可顯著提高干物質(zhì)及氮、磷、鉀在甘蔗莖中的分配率，低鉀水平則顯著增加干物質(zhì)在甘蔗根系中的分配?！窘Y(jié)論】鉀、鎂水平及其交互效應(yīng)可顯著影響甘蔗養(yǎng)分的吸收、轉(zhuǎn)運和分配。鉀抑制鎂向甘蔗地上部的轉(zhuǎn)運，鎂對鉀的運輸則無顯著影響。在甘蔗生產(chǎn)中施鉀肥的同時要重視鎂素營養(yǎng)的補給。

關(guān)鍵詞： 甘蔗;鉀;鎂;吸收;分配

中圖分類號： S566.106.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：2095-1191（2019）08-1695-06

Effects of potassium and magnesium supply on main mineral nutrition absorption and distribution of sugarcane

HUANG Ying， ZHOU Wen-ling， CHEN Di-wen， SHEN Da-chun， FANG Jie-qun，

LING Qiu-ping， LU Ying-lin， JIANG Yong， AO Jun-hua*

（Guangdong Provincial Bioengineering Institute（Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute）/

Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement & Biorefinery， Guangzhou? 510316， China）

Abstract：【Objective】Effects of potassium and magnesium supply on main mineral nutrition absorption and distribution of sugarcane were studied to provide theoretical basis for the rational application of potassium and magnesium fertili-zers in sugarcane production. 【Method】A spot experiment with sand culture was conducted to analyze the dry matter and nitrogen（N），phosphorus（P），potassium（K），magnesium（Mg） contents in different organs of sugarcane variety Yuetang 09-13 and investigate the effects of potassium and magnesium interaction on absorption and distribution of N，P，K and Mg nutrients in sugarcane under different K levels（K1：0.10 mmol/L， K2：3.00 mmol/L and K3：6.00 mmol/L） and Mg levels（Mg1： 0.01 mmol/L， Mg2：0.50 mmol/L and Mg3：2.00 mmol/L）. 【Result】The supply levels of K and Mg had significant influence on the N，P，K and Mg content in leaves， stems and roots of sugarcane（P<0.05， the same below）. With increases of K and Mg level in the nutrient solution，the dry matter and the uptake of N，P，K in plant were significantly raised，but there was no significant difference between K2 and? K3 levels? and between? Mg2 and? Mg3 levels（P>0.05）. The absorption of Mg decreased significantly with the increase of K level and increased significantly with the increase of Mg level. The interaction effect of K and Mg（K×Mg） had significantly affected dry matter，phosphorus uptake in leaves and potassium uptake in total plant. Higher K and Mg levels significantly increased the distribution of dry matter and N，P and K in stems，while lower K levels significantly increased the distribution of dry matter in roots. 【Conclusion】K and Mg levels and their interaction can affect nutrient uptake， transport and distribution of total plant. K inhibits the transport of Mg from root to the shoot in sugarcane，while Mg has no effect on the transport of K. It is necessary to pay attention to the supply of Mg nutrition while applying K in sugarcane production .

Key words： sugarcane; potassium; magnesium; absorption; distribution

0 引言

【研究意義】鎂是植物生長發(fā)育所必需的中量元素，是葉綠素的組成成分，也是很多酶的活化劑，參與能量代謝，對提高作物產(chǎn)量具有重要作用（汪洪和褚天鐸，1999）。甘蔗是我國南方最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，主要種植在海南、廣西、廣東和云南等南方酸性土壤地區(qū)，由于土壤淋溶作用強烈，導(dǎo)致這些地區(qū)的土壤有效鎂含量嚴(yán)重不足，同時因大量偏施氮、磷、鉀肥，鎂肥補充不足，加劇了土壤中鎂的虧缺。甘蔗缺鎂可導(dǎo)致葉綠素含量下降，顯著降低光合產(chǎn)物從“源”到“庫”的運輸速率，影響甘蔗糖分的轉(zhuǎn)運和積累，限制甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。增施鎂肥可促進(jìn)甘蔗生長、提高甘蔗產(chǎn)量和糖分（劉少春等，2009;王亞彪等，2016）。鉀是植物生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素之一，在植物體中參與多種代謝活動（Ahmad and Maathuis，2014）。研究表明，甘蔗需鉀量最大，鉀有利于提高甘蔗產(chǎn)量和增強甘蔗抗逆性（陳迪文等，2017）。但植物體內(nèi)的鉀和鎂具有拮抗作用，二者比例合適才有利于促進(jìn)植物生長，提高作物產(chǎn)量及改善其品質(zhì)。因此，探討鉀和鎂對甘蔗生長及礦質(zhì)營養(yǎng)狀況的影響，對實際生產(chǎn)中鉀、鎂肥的合理施用及促進(jìn)甘蔗生長并提高品質(zhì)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】鉀、鎂水平及二者互作效應(yīng)在作物生長發(fā)育和養(yǎng)分吸收利用方面發(fā)揮重要作用。李永忠等（2002）研究發(fā)現(xiàn)，供鎂能促進(jìn)煙株對氮的吸收，有助于K/（Ca+Mg）值的提高，提升煙葉品質(zhì)。李雪梅和楊修立（2004）研究表明，在缺鉀、缺鎂的酸性紅壤上合理配施鉀、鎂肥，可促進(jìn)玉米對鉀的吸收，玉米增產(chǎn)效果明顯。何盈和李延（2005）研究發(fā)現(xiàn)，鉀和鎂的互作效應(yīng)明顯，鎂供應(yīng)濃度較低時，適量施鉀可提高龍眼的生物量，但施鉀過多導(dǎo)致生物量降低。姚麗賢等（2005）研究表明，當(dāng)土壤鎂素營養(yǎng)充足時，在香蕉種植生產(chǎn)中即使大量施鉀也無需配施鎂肥。張麗等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，越冬期大量施鉀可顯著增加油菜對鉀的吸收而抑制對鎂和鈣的吸收。馬曉麗等（2017）研究表明，施鎂促進(jìn)了缺鎂葡萄的生長，顯著增加葉片和果實的鎂含量，并促進(jìn)葉片和果實中鈣、鉀和錳的吸收積累。張森等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，烤煙品質(zhì)受土壤有效鎂、速效鉀交互作用影響較大，應(yīng)以鉀定鎂，使用不同施肥措施避免造成兩者發(fā)生拮抗作用?！颈狙芯壳腥朦c】目前，關(guān)于鉀、鎂及其交互效應(yīng)對甘蔗植株礦質(zhì)營養(yǎng)狀況影響的研究尚無報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】采用盆栽沙培試驗，分析甘蔗在不同鉀、鎂水平營養(yǎng)液處理下的干物質(zhì)積累和各組織養(yǎng)分吸收差異，探討甘蔗植株對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收和分配特性，為甘蔗生產(chǎn)中鉀、鎂肥的科學(xué)配合施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試甘蔗品種為粵糖09-13，由廣州甘蔗糖業(yè)研究所海南甘蔗育種場育成。供試化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純，購自廣州化學(xué)試劑廠和天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1. 2 試驗方法

試驗于2017年2—10月在廣東省生物工程研究所（廣州甘蔗糖業(yè)研究所）溫室內(nèi)進(jìn)行。采用沙培方式，基質(zhì)為經(jīng)高壓滅菌后的潔凈河沙。將甘蔗種莖砍成長短一致的單芽莖段，擺放于已裝有河沙的育苗盤內(nèi)進(jìn)行育苗，待出苗長至4～5片葉時移栽至盛有潔凈河沙的塑料盆缽中，每個塑料盆（高25 cm、直徑22 cm）裝河沙5 kg（干重），每盆定植1株。采用改進(jìn)的1/2霍格蘭營養(yǎng)液配方，其中含NH4NO3 0.280 g/L、NH4H2PO4 0.057 g/L、CaCl2 0.227 g/L、Na2SiO3·9H2O 0.057 g/L、 MnCl2·4H2O 1.81 mg/L、ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L、CuSO4·5H2O 0.08 mg/L、H3BO3 2.86 mg/L、（NH4）6Mo7O24·4H2O 0.20 mg/L。保持原配方中其他元素含量一致，用硫酸鉀、硫酸鎂調(diào)整營養(yǎng)液中鉀和鎂元素水平。根據(jù)本課題組前期試驗結(jié)果，將鉀元素設(shè)3個水平，分別為K1（0.10 mmol/L）、 K2（3.00 mmol/L）和K3（6.00 mmol/L）;鎂元素設(shè)3個水平，分別為Mg1（0.01 mmol/L）、Mg2（0.50 mmol/L）和Mg3（2.00 mmol/L），其中K1、Mg1分別為低鉀、低鎂水平， K2、Mg2為1/2霍格蘭營養(yǎng)液配方標(biāo)準(zhǔn)鉀、鎂水平，K3、Mg3分別為高鉀、高鎂水平。試驗共9個處理，4次重復(fù)。于2017年4月10日開始試驗，先用1/4濃度的營養(yǎng)液預(yù)培養(yǎng)一周，再用1/2濃度的營養(yǎng)液預(yù)培養(yǎng)一周，第3周開始進(jìn)行各處理全量濃度相應(yīng)營養(yǎng)液培養(yǎng)直至10月17日收獲。培養(yǎng)期間，營養(yǎng)液蒸發(fā)后使用純水澆淋至水位線（1 L），每隔6 d更換一次營養(yǎng)液，用0.1 mol/L的NaOH和HCl調(diào)節(jié)pH至6.0。每20 d用去離子水洗鹽一次，以免鹽分積累影響試驗。

1. 3 測定項目及方法

試驗收獲時將植株鮮樣分為根、莖、葉3部分，于105 ℃烘箱殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，稱重。干樣研磨粉碎后，準(zhǔn)確稱取樣品0.2 g，以硫酸—過氧化氫消煮至澄清，采用連續(xù)流動分析儀測定全氮和全磷（黃瑩等，2017），采用火焰分光光度計測定全鉀（鮑士旦，2000）;另準(zhǔn)確稱取0.5 g樣品以硝酸—高氯酸消煮至澄清，采用原子吸收火焰分光光度計測定全鎂（李雪峰等，2015）。計算單株干物質(zhì)量、干物質(zhì)分配率及養(yǎng)分積累量。

單株干物質(zhì)量（g）=根干物質(zhì)量（g）+莖干物質(zhì)

量（g）+葉干物質(zhì)量（g）

干物質(zhì)分配率（%）=某部位干物質(zhì)量（g）/單株

干物質(zhì)量（g）×100

養(yǎng)分吸收量=養(yǎng)分含量×干物質(zhì)量

養(yǎng)分分配率（%）=某部位養(yǎng)分吸收量/單株養(yǎng)分

吸收量×100

1. 4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計分析和作圖，以Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2. 1 鉀鎂水平對甘蔗各部位干物質(zhì)積累和分配的影響

由表1可知，與K1相比，K2和K3處理顯著提高了甘蔗葉、莖、根的干物質(zhì)量和全株干物質(zhì)量（P<0.05，下同），但K2與K3處理間差異不顯著（P>0.05，下同）;K2和K3處理的干物質(zhì)在甘蔗莖中的分配率較K1處理分別提高25.9%和16.5%，而在根系的分配率顯著降低30.1%和29.5%。與Mg1相比，Mg2和Mg3處理也顯著提高了甘蔗葉、莖、根的干物質(zhì)量和全株干物質(zhì)量，但Mg2與Mg3處理間差異不顯著;Mg2和Mg3處理的干物質(zhì)在甘蔗莖中的分配率較Mg1處理分別顯著提高158.1%和171.8%，在葉片中的分配率則顯著降低24.5%和25.7%。方差分析結(jié)果表明，鉀鎂互作顯著影響甘蔗莖的干物質(zhì)量（P=0.020）及干物質(zhì)在葉片和根系中的分配率（P=0.018和P=0.003）。

2. 2 鉀鎂水平對甘蔗各部位氮素吸收特性的影響

由表2可知，甘蔗各部位全氮含量整體上隨鉀、鎂水平的升高而降低，但鉀對甘蔗根系、鎂對甘蔗莖的全氮含量影響均不顯著。甘蔗植株對氮的吸收量整體上隨鉀、鎂水平的升高而增加，但K2與K3處理、Mg2與Mg3處理的差異不顯著。較高的鉀、鎂水平可提高氮素在甘蔗莖中的分配率，K2、K3處理較K1處理分別提高34.1%和26.39%，Mg2、Mg3處理較Mg1處理分別提高132.0%和148.4%，而較高的鎂水平會顯著降低氮素在甘蔗葉片中的分配率。方差分析結(jié)果表明，鉀鎂互作對植株氮含量、氮吸收量和氮在各組織部位的分配率均無顯著影響。

2. 3 鉀鎂水平對甘蔗各部位磷素吸收特性的影響

由表3可知，除鉀水平對甘蔗根系全磷含量無顯著影響外，甘蔗各部位全磷含量整體上隨鉀、鎂水平的升高而降低，但K2與K3處理、Mg2與Mg3處理無顯著差異。甘蔗植株對磷的吸收量整體上隨鉀、鎂水平的升高而顯著增加，K2、K3處理植株磷吸收量分別較K1處理提高80.4%和64.9%，Mg2、Mg3處理分別較Mg1處理提高80.4%和98.2%。較高的鉀、鎂水平可提高磷素在甘蔗莖中的分配率，K2、K3處理較K1處理分別提高35.0%和31.9%，Mg2、Mg3處理較Mg1處理分別提高70.7%和86.5%。但較高的鉀、鎂水平顯著降低磷素在葉片中的分配率，對磷素在根系中的分配率無顯著影響。方差分析結(jié)果表明，鉀鎂互作顯著影響甘蔗葉的磷吸收量（P=0.005）。

2. 4 鉀鎂水平對甘蔗各部位鉀素吸收特性的影響

由表4可知，甘蔗各部位鉀含量隨鉀水平的升高而顯著增加;葉片和甘蔗莖的鉀含量整體上隨鎂水平的升高而降低，但根系鉀含量的變化趨勢相反。除鎂水平對葉片的鉀吸收量無顯著影響外，甘蔗各部位鉀吸收量均隨鉀、鎂水平的升高而顯著增加。此外，較高的鉀、鎂水平可顯著提高鉀素在甘蔗莖中的分配率，K2、K3處理較K1處理分別提高38.7%和37.5%，Mg2、Mg3處理較Mg1處理分別提高166.3%和197.8%;但較高的鉀、鎂水平顯著降低了鉀素在葉片中的分配率，對根系中鉀素的分配率無顯著影響。方差分析結(jié)果表明，鉀鎂互作顯著影響甘蔗莖的鉀吸收量和全株鉀吸收量（P<0.001和P=0.042）。

2. 5 鉀鎂水平對甘蔗各部位鎂素吸收特性的影響

由表5可知，除鉀水平對甘蔗根系鎂含量無顯著影響外，甘蔗各部位鎂含量均隨鉀水平的升高而降低，隨鎂水平的升高而顯著升高。甘蔗根系對鎂的吸收量整體上隨鉀水平的升高而升高，而甘蔗葉片和全株的鎂吸收量隨鉀水平的升高而降低。甘蔗各部位的鎂吸收量隨鎂水平的升高而顯著增加。鉀水平對鎂素在甘蔗各部位的分配率均無顯著影響，而較高的鎂水平可顯著提高鎂素在甘蔗莖中的分配率，Mg2、Mg3處理分別較Mg1處理提高87.9%和94.1%，但顯著降低鎂素在根系中的分配率。方差分析結(jié)果表明，鉀鎂互作顯著影響甘蔗葉和莖的鎂含量（P<0.001和P=0.001）。

3 討論

鎂對維持葉綠體結(jié)構(gòu)有重要作用，可參與光合作用、酶的活化、蛋白質(zhì)合成及活性氧代謝等一系列生理過程（李娟，2007），因此，充足的鎂素供應(yīng)有利于甘蔗增加光合產(chǎn)物積累，促進(jìn)植株生長，進(jìn)而促進(jìn)對氮、磷、鉀、鎂元素的吸收。本研究發(fā)現(xiàn)，不同鉀、鎂水平顯著影響甘蔗對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收和積累，較高的鉀、鎂水平可顯著促進(jìn)甘蔗各部位干物質(zhì)量的積累，且鉀、鎂間存在顯著交互效應(yīng)，但當(dāng)鉀水平由3.00 mmol/L升高至6.00 mmol/L、鎂水平由0.50 mmol/L升高至2.00 mmol/L時，甘蔗植株的干物質(zhì)重差異并不顯著，說明甘蔗對鉀、鎂可能存在奢侈吸收，過高的鉀、鎂水平并不會持續(xù)增加甘蔗的干物質(zhì)積累。因此，甘蔗生產(chǎn)中應(yīng)合理施用鉀肥和鎂肥，并重視鉀、鎂肥的互作效應(yīng)，以減少資源浪費。

本研究結(jié)果表明，較高的鉀、鎂水平顯著提高甘蔗干物質(zhì)和氮、磷、鉀在莖中的分配率，較高的鎂水平還提高鎂素在莖中的分配率。究其原因可能與鉀、鎂營養(yǎng)直接參與光合作用，促進(jìn)光合同化物的運輸和分配有關(guān)（袁劍龍等，2018）。營養(yǎng)光合器官向貯藏器官的輸出對作物產(chǎn)量和品質(zhì)有重要作用（李俊等，2012）。蔗莖具有輸導(dǎo)水分、養(yǎng)分及貯藏蔗糖分的作用，蔗莖生長量的增加是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。當(dāng)鎂、鉀供應(yīng)不足時，甘蔗氮、磷、鉀元素則優(yōu)先轉(zhuǎn)運到葉片中，特別是在甘蔗生長前期，葉片養(yǎng)分最多，有利于葉片生長以增加光合面積，進(jìn)而促進(jìn)甘蔗生長（李奇?zhèn)ィ?000），本研究也證實了這一結(jié)論。同時，本研究發(fā)現(xiàn)鉀、鎂水平對氮、磷、鉀元素在根系中的分配率無明顯影響，但低鉀（K1）處理增加了干物質(zhì)在根系中的分配，表明甘蔗在低鉀脅迫時，植株生長雖受到抑制，但根系受影響程度較小，可能是植株對低鉀脅迫的一種適應(yīng)性反應(yīng)，通過促進(jìn)根系的生長以保障營養(yǎng)物質(zhì)的積累和養(yǎng)分的運輸（袁劍龍等，2018）。

目前，關(guān)于鎂對鉀的作用存在不同看法。丁玉川等（1998）在水稻上的研究發(fā)現(xiàn)，在高鎂濃度下，植株對鉀元素的吸收有促進(jìn)作用。李永忠等（2002）在烤煙上的研究結(jié)果表明，在不同供鎂水平下，鉀與鎂之間存在拮抗作用。Swift等（2007）、王千等（2012）研究認(rèn)為，營養(yǎng)液中鎂水平較低時，適當(dāng)提高M(jìn)g2+濃度對鉀元素的吸收表現(xiàn)為促進(jìn)作用，當(dāng)Mg2+濃度過高時，則抑制鉀的吸收。Hermans等（2010）研究表明，擬南芥缺鎂時，植株根系和幼嫩葉片的鉀濃度降低。本研究發(fā)現(xiàn)，提高供鎂水平，雖降低了甘蔗葉片和莖中的鉀濃度，但甘蔗植株對鉀元素的吸收顯著增加。說明鎂對鉀的運輸幾乎無影響，甘蔗植株地上部鉀濃度的降低可能是由稀釋效應(yīng)所引起。當(dāng)提高介質(zhì)中某一營養(yǎng)元素供應(yīng)濃度時，會使該元素含量增加且促進(jìn)植物生長，但對其他穩(wěn)定供應(yīng)營養(yǎng)元素的含量產(chǎn)生相對稀釋作用，使其在植物體內(nèi)的濃度降低（彭少麟，2003）。植物對鉀元素的吸收在不同供鎂水平下存在差異，可能是植物種類或生長條件的不同所致。

前人研究表明，介質(zhì)中鉀濃度的增加對鎂元素從介質(zhì)進(jìn)入植物根系無顯著影響，卻顯著抑制植株地上部對鎂元素的吸收，故認(rèn)為鉀和鎂拮抗的作用機制在根系向地上部轉(zhuǎn)運階段（張竹青和魯劍巍，2003）。本研究也發(fā)現(xiàn)，鉀抑制了鎂向甘蔗地上部的運輸，因為提高營養(yǎng)液的供鉀水平，甘蔗植株地上部鎂含量和鎂吸收量顯著下降，而對根系鎂的濃度和吸收無明顯影響，究其原因可能是鎂元素主要參與光合作用（Hermans et al.，2013），根系中的Mg2+濃度相對穩(wěn)定。而離子間的這種競爭行為，除了競爭質(zhì)外體結(jié)合位點外（Grauer et al.，1992），還可能與競爭某些轉(zhuǎn)運體有關(guān)（Horie et al.，2011）。

4 結(jié)論

鉀、鎂水平及其交互效應(yīng)可顯著影響甘蔗養(yǎng)分的吸收、轉(zhuǎn)運和分配。從鉀、鎂相互關(guān)系來看，鉀抑制鎂向甘蔗地上部的轉(zhuǎn)運，鎂對鉀的運輸則無顯著影響。在甘蔗實際生產(chǎn)中要注重鉀和鎂的科學(xué)配施，施鉀肥的同時要重視鎂素營養(yǎng)的補給。

致謝：感謝鎂素營養(yǎng)研究中心和國際鎂營養(yǎng)研究所對本研究工作的資助和支持！

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（責(zé)任編輯 王 暉）