土壤鹽分對烤煙各器官干物質(zhì)重及礦質(zhì)元素吸收分配的影響

馬靜 ，李雪利，王鵬，孫曙光，馬君紅，潘昊東，姚鵬偉，王靜，葉協(xié)鋒*

1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，國家煙草栽培生理生化研究基地，煙草行業(yè)煙草栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450002；2 商洛市煙草公司洛南分公司，商洛 726000；3 中國煙草總公司職工進(jìn)修學(xué)院，鄭州 450002；4 湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，武漢 430000；5 洛陽市煙草公司，洛陽 471000

土壤鹽分是影響植物生長和產(chǎn)量的重要環(huán)境因子之一，高鹽會(huì)造成植物減產(chǎn)或死亡[1]。研究表明，我國有各類鹽漬土總面積約9.9×107hm2，約占國土總面積的10.3%[2]。目前，受全球氣候變暖、環(huán)境污染、灌溉方式不合理以及農(nóng)藥、化肥濫用等的影響，土壤鹽漬化日趨嚴(yán)重，是威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的因素之一[1]。

土壤鹽分對植物的傷害主要表現(xiàn)在滲透脅迫[3]、離子毒害[4-6]、營養(yǎng)失衡[7]等方面。高鹽幾乎會(huì)影響植物所有的重要生命過程，如生長、光合、蛋白合成、能量和脂類代謝[1]。研究證明，鹽脅迫不僅抑制植物對K、Ca 等大量元素的吸收，同時(shí)限制了對Na、Cu、Fe、Mn 等微量元素的吸收，導(dǎo)致植物體內(nèi)營養(yǎng)元素缺乏以及細(xì)胞內(nèi)代謝紊亂[8-10]。對于烤煙來說，礦質(zhì)元素是其重要組成成分和生理調(diào)節(jié)物質(zhì)[11]，對烤煙的生命活動(dòng)和生理代謝影響極大，并且對烤后煙葉的品質(zhì)影響非常顯著[12-13]。目前，對于植物在單一鹽分脅迫條件下，尤其是在NaCl 脅迫下植物礦質(zhì)元素含量的變化研究較多[14]，但對多種鹽離子復(fù)合脅迫條件下植物礦質(zhì)元素含量變化的相關(guān)研究較少，關(guān)于鹽分對煙草體內(nèi)礦質(zhì)元素在各器官中的積累和分配影響更是鮮見報(bào)道。本研究通過模擬生產(chǎn)中實(shí)際鹽分組成，探究鹽分對烤煙干物質(zhì)重及K、Ca、Na 等六種礦質(zhì)元素吸收與分配的影響，以期為煙草合理施肥和土壤改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

移栽前將土壤、肥料和鹽混合均勻，一次性施入，在煙株周圍設(shè)置高1.5 m 的防蟲網(wǎng)。試驗(yàn)無防雨措施，試驗(yàn)期間降雨量除5 月份較大（81 mm）外其余各月較均勻（53 mm～69 mm）。澆水前先測定每盆土壤含水率，根據(jù)優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)要求，計(jì)算需澆水量，保證每盆土壤含水量基本一致。精細(xì)管理下盆中未出現(xiàn)積水現(xiàn)象。供試烤煙于2017 年5 月28 日移栽，其他管理措施按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)措施執(zhí)行。

表1 土壤鹽分對烤煙不同器官干物質(zhì)重的影響Tab. 1 Effect of soil salinity on dry matter weight of different organs of flue-cured tobacco g

1.2 測定項(xiàng)目與方法

移栽后30 d、45 d、60 d、75 d、90 d、105 d 分別測定根、莖、葉的干物質(zhì)重及礦質(zhì)元素含量。每處理選擇生長均勻一致的烤煙3 株，將其按根、莖、葉分開，采后迅速帶回實(shí)驗(yàn)室用自來水沖洗，再用去離子水沖洗，紗布吸干水分，置于烘箱中105℃殺青30 min 后，于60℃烘干至恒重，然后分別稱根、莖、葉的質(zhì)量。

礦質(zhì)元素含量采用干灰化法[16]—電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定。

不同器官對礦質(zhì)元素吸收和運(yùn)輸選擇性系數(shù)（SX,Na）根據(jù)鄭青松等[6]的方法計(jì)算：SX,Na=庫器官[X/Na]/源器官[X/Na]，其中X 代表K 和Ca。SX,Na值越大表示庫器官選擇性運(yùn)輸能力越強(qiáng)[2]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)的基本處理，SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分對烤煙不同器官干物質(zhì)重的影響

從表1 可以看出，移栽后各個(gè)時(shí)期，烤煙根、莖、葉及整株的干物質(zhì)重都隨鹽濃度的升高先升后降，且都以處理T1 的干物質(zhì)重最大；處理T4 的根、莖、葉及整株干物質(zhì)重均顯著低于CK，其中處理T4 的整株干物質(zhì)重較CK 降低了30.90%～45.03%。對于整株干物質(zhì)重來說，移栽后30 d，加鹽處理整株干物質(zhì)重與CK 相比變化最大，其中處理T1 較CK 增加42.23%，其他三個(gè)處理較CK 分別減少17.81%、29.79%和45.03%，處理T1 的根、莖、葉干物質(zhì)重分別較CK 增加了29.49%、17.02%和49.92%，表明鹽分在烤煙生育前期已經(jīng)對煙株生長產(chǎn)生了顯著影響。

圖1 土壤鹽分對烤煙不同器官K、Ca 含量的影響Fig. 1 Effects of soil salinity on K and Ca contents in different organs of flue-cured tobacco

2.2 土壤鹽分對烤煙不同器官主要礦質(zhì)元素含量的影響

2.2.1 土壤鹽分對烤煙不同器官K、Ca 含量的影響

土壤鹽分對烤煙不同器官K、Ca 含量的影響如圖1所示，與移栽后30 d相比，移栽后105 d各處理葉、莖（除T4）、根中的K都有所減少。在煙株生長過程中，K 主要集中在葉和莖中，在根中含量較低。在移栽后各個(gè)時(shí)期，葉片中的K 含量都以處理T1 最高，處理T4 最低，高鹽降低了葉片中的K 含量。莖中的K 含量在移栽后30 d～90 d 多隨鹽濃度的升高先升后降，以處理T1 的K 含量最高，而移栽后105 d 莖中的K含量則表現(xiàn)為T3 ＞T4 ＞T2 ＞T1 ＞CK。對于根中的K 含量來說，移栽后30 d 和105 d，根中的K 含量隨鹽濃度升高逐漸降低。移栽后45 d～60 d，根中的K 含量則先升后降，以處理T1 的含量最高。移栽后75 d～90 d 根中的K 含量表現(xiàn)為T4 ＞T3 ＞T2 ＞T1 ＞CK。

移栽后各個(gè)時(shí)期，根中的Ca 含量明顯高于葉和莖。移栽30 d～90 d（除移栽后60 d），隨鹽濃度的升高，葉片Ca 含量均表現(xiàn)為CK ＞T1 ＞T2 ＞T3 ＞T4，而移栽后105 d，處理T3、T4 葉片Ca 含量有所升高，表現(xiàn)為CK ＞T4 ＞T1 ＞T3 ＞T2。移栽后30 d～90 d，烤煙莖中Ca 含量在移栽后各個(gè)時(shí)期隨鹽濃度的升高逐漸降低。根中的Ca 含量在移栽后30 d～45 d、105 d 隨鹽濃度升高先升后降，以處理T1 的Ca 含量最高。

2.2.2 土壤鹽分對烤煙不同器官Na、Cu 含量的影響

隨鹽濃度增加，烤煙各器官Na 含量逐漸增加（見圖2）。移栽后30 d，各處理不同器官Na 含量較CK明顯增加，處理T4 葉、莖、根中Na 含量分別為CK的4.41、8.98和3.26倍；隨生育期延長，不同處理間葉、莖、根的Na 含量差異減小。根和莖中的Na 含量隨生育期延長呈降低趨勢，而葉片中，處理T3 和T4的Na 含量隨生育期延長有所下降，CK 和處理T1 的Na 含量隨生育期延長有所增加。

圖2 土壤鹽分對烤煙不同器官Na、Cu 含量的影響Fig. 2 Effects of soil salinity on Na and Cu contents in different organs of flue-cured tobacco

從Cu 含量分布情況（見圖2）來看，與移栽后30 d 相比，移栽后105 d 各部位Cu 含量都有所增多，且在葉片中增多更明顯。在不同生育期，各部位Cu 含量均表現(xiàn)為CK ＞T1 ＞T2 ＞T3 ＞T4。移栽后60 d，各處理葉和根中的Cu 含量差異最大，其中處理T4 葉和根中的Cu 含量分別為CK 的43.29%和40.94%。各處理莖中的Cu 含量在移栽后60 d 的差異最小。

2.2.3 土壤鹽分對烤煙不同器官M(fèi)n、Fe 含量的影響

如圖3 所示，在移栽后各個(gè)時(shí)期，F(xiàn)e 在不同器官中的分布表現(xiàn)為根＞莖＞葉。與移栽后30 d 相比，移栽后105 d 烤煙葉片中的Fe 含量稍有降低，莖和根中的Fe 含量明顯降低。移栽后60 d，烤煙葉片中的Fe 含量隨鹽濃度的升高逐漸增多，而在其他生育期則隨鹽濃度的升高逐漸減少。除移栽后75 d～90 d，處理T1 莖中的Fe 含量有所增多，各處理莖中的Fe含量在不同時(shí)期的變化趨勢與葉片中Fe 含量的變化趨勢大致相同。根中的Fe 含量在移栽后各時(shí)期都隨鹽濃度升高逐漸減少。

對于煙株中的Mn 含量，根系中含量明顯高于葉片和莖。葉片和莖中的Mn 含量與Fe 含量的表現(xiàn)大體相同，在移栽后各時(shí)期，隨鹽濃度升高逐漸降低（除移栽后45 d，處理T1 葉片中的Mn 含量最多）。移栽后30 d～75 d，烤煙根中的Mn 含量表現(xiàn)為CK ＞T1 ＞T2 ＞T3 ＞T4，尤其在移栽后30 d，處理T4 根系中的Mn 含量是CK 的35.57%；移栽90 d 后，根系中的Mn 含量隨鹽分增多逐漸增加。

圖3 土壤鹽分對烤煙不同器官Fe、Mn 含量的影響Fig. 3 Effects of soil salinity on Fe and Mn contents in different organs of flue-cured tobacco

2.2.4 土壤鹽分對烤煙不同器官礦質(zhì)元素的選擇性運(yùn)輸與平衡的影響

從圖4 可以看出，除處理T1 葉中K/Na 在移栽后60 d 最大以及根中的Ca/Na 在移栽后105 d 最大外，烤煙各器官K/Na 與Ca/Na 大體都表現(xiàn)出隨鹽濃度升高逐漸降低的趨勢。移栽后30 d，隨鹽濃度增加葉片的K/Na 和Ca/Na 分別降為CK 的86.85%、63.53%、39.72%、17.41% 和51.16%、32.42%、22.61%、9.92%；移栽后105 d，隨鹽濃度增加葉片的K/Na 和Ca/Na，分別降為對照的90.84%、96.66%、77.52%、62.20%和81.13%、58.68%、66.64%、67.83%。在莖和根中，除CK 外，隨移栽天數(shù)的增加，K/Na 和Ca/Na 表現(xiàn)出波浪上升的變化趨勢。在不同器官中，莖中的K/Na 最大，根中的Ca/Na 最大，且隨鹽濃度升高，兩個(gè)比值在莖中降低趨勢最為明顯。

圖4 土壤鹽分對烤煙葉片（A、B）、莖（C、D）、根（E、F）的K/Na、Ca/Na 的影響Fig. 4 Effects of soil salinity on K/Na and Ca/Na in leaves (A, B), stems (C, D), roots (E, F) of flue-cured tobacco

SX,Na是植物對離子運(yùn)輸能力的體現(xiàn)，SX,Na值越大時(shí)說明植物抑制Na 的運(yùn)輸及促進(jìn)營養(yǎng)元素運(yùn)輸能力越強(qiáng)[6]。圖5 顯示了不同鹽濃度對烤煙K 和Ca 的選擇性運(yùn)輸能力的影響。其中，在移栽后45 d～105 d，K 由根到莖的運(yùn)輸能力大于由莖到葉的運(yùn)輸能力，而Ca 由莖到葉的運(yùn)輸能力大于由根到莖的運(yùn)輸能力。對于SK,Na，除移栽后45 d，添加鹽分能夠提高K 由莖到葉的運(yùn)輸能力；而對于SCa,Na，在整個(gè)生育期，Ca 由莖到葉的運(yùn)輸能力都以處理T3、T4 最強(qiáng)。移栽后30 d，加鹽能顯著降低K 和Ca 由根到莖的運(yùn)輸能力；移栽后90 d，Ca 由根到莖的運(yùn)輸能力隨鹽濃度的升高逐漸降低。

圖5 土壤鹽分對烤煙K 和Ca 選擇性運(yùn)輸?shù)挠绊懀ˋ、C：由根到莖；B、D：由莖到葉）Fig. 5 Effects of soil salinity on selective transport of K and Ca in flue-cured tobacco (A, C: from root to stem; B, D: from stem to leaf)

3 討論

干物質(zhì)重變化是植物對鹽脅迫響應(yīng)的綜合體現(xiàn)及對鹽脅迫的綜合反映[17]。研究表明，高鹽濃度會(huì)對番茄[18]、水稻[19]和黃瓜[20]等作物的生長產(chǎn)生抑制作用。本研究結(jié)果表明，在低鹽濃度下，烤煙葉、莖、根的干物質(zhì)重都有顯著增加，隨著鹽濃度的升高，各部位干物質(zhì)重呈下降趨勢。卞阿娜[21]等研究表明，無論對于鹽生植物還是非鹽生植物來說，鹽分對其的影響均表現(xiàn)出低鹽促進(jìn)高鹽抑制的作用。對于烤煙來說，高鹽一方面會(huì)使根系吸水困難，造成生理干旱[22]；另一方面會(huì)使烤煙體內(nèi)營養(yǎng)元素平衡被打破，從而影響烤煙生長發(fā)育[23]，最終導(dǎo)致烤煙生長緩慢，發(fā)育不良。

礦質(zhì)元素以單個(gè)離子、鹽離子、螯合劑等多種形式廣泛參與植物體的各項(xiàng)生命活動(dòng)，如K、Ca、Na、Cu、Mn 等以離子形式存在于細(xì)胞質(zhì)或液泡中，并作為眾多酶的輔助因子、細(xì)胞壁中間層和葉綠素分子的組分等[13]。高鹽濃度會(huì)破壞植物體內(nèi)離子平衡，而Na 在植物液泡內(nèi)區(qū)隔化是維持離子平衡的重要途徑之一[24]。在本研究中，鹽脅迫烤煙較對照烤煙，吸收了大量的Na。其中，不加鹽處理Na 主要在葉片中聚集，而加鹽處理在移栽前期Na 主要在莖中聚集，有研究發(fā)現(xiàn)，植物的莖是貯存Na 的主要器官[25]，無論是鹽生植物還是非鹽生植物，根系吸收的鹽分都傾向于貯存在對鹽分不敏感的部位，這可能是植物在長期進(jìn)化過程中所形成的適應(yīng)機(jī)制[26]。隨著烤煙生育期的延長，Na 由主要在莖中聚集逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛉~片轉(zhuǎn)移，這可能是由于在移栽前期，烤煙對外界變化比較敏感，為減輕鹽分對烤煙的傷害，根系吸收的Na向莖部轉(zhuǎn)移積累，使莖中Na 含量增加，從而使葉片保持相對較低的Na 含量，有利于烤煙的生長發(fā)育。隨生育期延長，鹽分對烤煙的傷害程度加大，莖中累積的Na 可能超出了其有效控制范圍，烤煙被迫將更多的Na 轉(zhuǎn)移至葉片，從而使葉片最終成為貯藏Na的次要組織，以致Na 累積到毒害水平，影響烤煙的正常生長。這與Jaarsma[27]等的研究結(jié)論相同。

K、Ca 等大量元素可以維持生物膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，參與核酸、磷脂及葉綠素等有機(jī)化合物合成、光合作用和碳水化合物代謝過程，其含量平衡對保持細(xì)胞完整性及植物正常生長有重要作用[28-29]。本研究表明，在移栽初期，低鹽濃度下烤煙根中的Ca 含量有所增加，這可能是因?yàn)樵诳緹熓艿禁}分影響初期，Ca 作為抗逆信號轉(zhuǎn)導(dǎo)介質(zhì)[30]，含量增加，以應(yīng)對鹽分脅迫。在低鹽濃度下，烤煙各部位K 含量有所增多，這可能是因?yàn)樵谝欢}分濃度范圍內(nèi)，烤煙會(huì)通過調(diào)節(jié)對礦質(zhì)元素的吸收與分配，提高營養(yǎng)元素利用效率，維持自身的正常生長。在高鹽作用下，烤煙葉片和莖中的K 含量隨鹽濃度升高逐漸降低，這可能是由于Na含量的升高，競爭K 的吸收位點(diǎn)及活性位點(diǎn)，導(dǎo)致K 吸收減少[31]。植物保持較高的Ca/Na、K/Na 比有利于維持植物體對鹽分的耐受能力[32]。相關(guān)研究表明，大麥[33]、蘆薈[34]、鹽芥[35]等會(huì)通過維持不同部位細(xì)胞質(zhì)中較高的K/Na 比保證K 與Na 進(jìn)行重新分配。本研究結(jié)果表明，隨鹽濃度升高，烤煙根系K/Na 比和Ca/Na 比都呈現(xiàn)下降趨勢，這可能是因?yàn)楦啕}濃度能直接提高根系對Na 的吸收[36]，降低根系對K 和Ca 的吸收，改變根系細(xì)胞離子平衡[37]。且鹽分對由根到莖的SK，Na 和SCa，Na 有一定的抑制作用，說明鹽分主要通過抑制K、Ca 由根到莖的運(yùn)輸，進(jìn)而影響烤煙葉片的K、Ca 含量。

Cu、Fe、Mn 是為植物體生長所必需的微量元素。有研究指出，在高鹽脅迫下，蘆薈[38]莖和根中的Cu含量有所減少，葉片中的Mn 含量隨鹽分升高先減后增。本研究結(jié)果表明，鹽濃度增加會(huì)降低烤煙各部位Cu 含量，高鹽還會(huì)在某些時(shí)期降低烤煙各部位Fe、Mn 含量，這可能是因?yàn)?，高濃度、高活性的Na 競爭了Cu、Fe、Mn 等的吸收位點(diǎn)，另一方面，質(zhì)外體中高濃度的Na 直接降低了Cu、Fe、Mn 等的離子活度[14]。在烤煙生長中期，葉和莖中的Fe 和Mn 含量隨鹽濃度的升高而增加，這可能是因?yàn)樵诘望}濃度條件下，煙株干物質(zhì)重較大，對Fe、Mn 等礦質(zhì)元素有一定的“稀釋”作用，使烤煙葉片和莖中的Fe、Mn濃度降低。

4 結(jié)論

烤煙對低濃度鹽有一定的適應(yīng)能力，表現(xiàn)為各部位干物質(zhì)重增加，以及部分時(shí)期葉片K 含量的增加。隨著鹽濃度升高，烤煙各部位干物質(zhì)重逐漸降低，K、Ca、Cu、Fe、Mn 含量減少，且鹽分主要通過增加烤煙各部位的Na 含量，進(jìn)而影響烤煙對K、Ca、Cu、Fe、Mn 的吸收，并通過限制K、Ca 由根到莖的運(yùn)輸能力來影響各影響元素的分配與平衡。這從器官水平上闡明了烤煙體內(nèi)鹽離子的累積與分配特性，對于揭示烤煙對鹽脅迫的響應(yīng)具有一定的理論價(jià)值。然而，烤煙體內(nèi)鹽離子在組織、細(xì)胞和亞細(xì)胞水平上是如何區(qū)隔化的，內(nèi)在的生理生化機(jī)制又是怎樣的，均有待今后進(jìn)一步探討。