氮磷肥對(duì)茶樹鋅硒等中微量元素吸收與分配的影響

劉 俏,林 勇,胡小飛,吳安琪,葉學(xué)敏,陳伏生,*

1 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院江西省森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330045 2 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)鄱陽湖流域森林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330045 3 南昌大學(xué)管理學(xué)院,南昌 330031

鋅(Zn)和硒(Se)是人體必不可少的元素[1-2],具有保護(hù)心臟、提高免疫力、抗腫瘤和衰老等作用[3-5]。調(diào)查研究表明,我國大部分人口對(duì)Zn和Se這兩種元素?cái)z取不足[6-7]。為緩解人體Zn和Se缺乏的癥狀,可種植從自然土壤中吸收富集Zn和Se的作物,通過直接食用(如大米和茶籽油)或浸泡飲用(如茶葉)等方式供人體吸收利用,從而有效補(bǔ)充[3,6]。與此同時(shí),Zn和Se在植物體的含量雖然不高,但參與植物許多重要的生理代謝過程,在植物生長發(fā)育過程中也有著不可或缺的作用[8- 9]。Zn和Se如何被作物吸收、利用一直受到關(guān)注,但其在作物體內(nèi)吸收與分配過程還有待研究。

氮(N)、磷(P)是作物生長所需要的礦質(zhì)營養(yǎng)元素[10],對(duì)作物生理功能和生長發(fā)育具有重要影響。N添加可促進(jìn)根系活力、增加葉綠素含量；P添加有利于多發(fā)新根,提高作物抗寒、抗旱能力[11]。同時(shí),N、P易與Zn、Se等中微量元素發(fā)生耦合作用[12],進(jìn)而影響作物對(duì)礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收。研究表明,N和/或P添加將增加或減少作物Zn、Se、鋁(Al)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、銅(Cu)和錳(Mn)等元素的含量[12-14]；而Zn、Se等中微量元素的有效性增加會(huì)對(duì)作物N、P利用起催化或抑制作用。礦質(zhì)元素此消彼長的關(guān)系不僅影響作物品質(zhì)和產(chǎn)量,且與作物主要生化成分密切相關(guān)。植物體不同器官對(duì)礦質(zhì)元素的吸收利用具有選擇性[15],故各器官對(duì)N、P與中微量元素調(diào)控的吸收積累存在差異,但有關(guān)N、P與Zn、Se等中微量元素耦合在植物體不同器官的元素分配機(jī)制尚不明確[16]。因此,探討N、P對(duì)中微量元素吸收積累的調(diào)控,可揭示常規(guī)施肥對(duì)中微量元素遷移和富集的潛在影響,為食品安全和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

茶樹(Camelliasinensis)是亞熱帶重要的經(jīng)濟(jì)作物,喜生于光熱條件好、空氣濕度大的酸性丘陵地帶；江西獨(dú)特的地質(zhì)地貌,使其成為我國重要的茶樹種植區(qū)。微量元素對(duì)飲茶者健康有益,是茶葉自然品質(zhì)的重要指標(biāo)[17],而茶樹又具有吸收和富集Zn、Se等中微量元素的潛能。基于此,本研究以福鼎大白茶樹為對(duì)象,通過往土壤中添加Zn、Se并進(jìn)行N、P調(diào)控,探討不同施肥處理對(duì)茶樹不同器官Zn、Se、Al、Ca、Fe、Cu和Mn含量的影響,擬重點(diǎn)回答以下問題：(1)外源Zn+Se添加是否提高茶樹體,特別是茶葉Zn和Se含量；(2)N、P肥是否影響茶樹對(duì)Zn、Se的吸收及其分配,從而改變茶葉Zn和Se含量；(3)Zn、Se、N和/或P肥添加如何交互作用于茶樹其他中微量元素的吸收和分配。研究結(jié)果為栽培含Zn富Se茶提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省南昌縣黃馬鄉(xiāng)(28°20′ N,116°01′ E),平均海拔約30 m。該區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫和、降雨充沛,年均氣溫17.5℃左右,年降雨量1700 mm左右,年平均相對(duì)濕度為78.5%。研究樣地處于典型的紅壤丘陵區(qū),保水保肥效果較好。茶樹種植土壤有機(jī)質(zhì)為19.90 g/kg、全氮為1.50 g/kg、全磷為0.87 g/kg、礦質(zhì)氮為8.43 mg/kg、有效磷為15.80 mg/kg、pH為4.05[12],適合茶樹生長。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)以種植于紅壤丘陵區(qū)30 a生福鼎大白茶樹為研究對(duì)象,平均株高1.2 m,平均主干基徑3—5 cm。按5種處理3次重復(fù)完全隨機(jī)化區(qū)組進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。每個(gè)區(qū)組選取5個(gè)大小為3 m×4 m樣方且間距不小于3 m,每個(gè)樣方種植30株(3行×10株)福鼎大白茶樹,樣方內(nèi)設(shè)2空白條帶之間夾著1樣地條帶,隨機(jī)布設(shè)5種施肥處理,每個(gè)處理之間有間隔。5種處理每塊樣方施肥種類及1月的劑量分別為：Zn+Se(2.53 g ZnSO4·7H2O +21.9 mg Na2SeO3)；Zn+Se+N(2.53 g ZnSO4·7H2O +21.9 mg Na2SeO3+14.29 g NH4NO3)；Zn+Se+P(2.53 g ZnSO4·7H2O +21.9 mg Na2SeO3+9.68 g NaH2PO4)；Zn+Se+N+P(2.53 g ZnSO4·7H2O +21.9 mg Na2SeO3+14.29 g NH4NO3+9.68 g NaH2PO4)和對(duì)照(CK,僅灌水)。5種施肥處理每次均按照對(duì)應(yīng)的化學(xué)試劑(均為分析純)和施肥量溶解于12 L水中,均勻的灌溉12 m2土壤(距離根莖30 cm的地方)。土壤中Zn、Se、N和P每次添加量分別相當(dāng)于33.3 mg/m2、0.833 mg/m2、0.417 g/m2和0.208 g/m2。2011年3月開始進(jìn)行施肥(選擇連續(xù)3天以上天晴)處理,且每月進(jìn)行一次施肥,共24次,期間樣地內(nèi)進(jìn)行合理的經(jīng)營管理措施。

1.3 樣品采集與測定

于2013年3月(當(dāng)月不施肥)進(jìn)行取樣。在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選取3株具有代表性的茶樹,采用挖掘法把茶樹全株取出,盡量避免損害根系,保存茶樹的完整性。地下器官根據(jù)根系根序分級(jí)理論將收集到的根系分為吸收根(即頂端的1—3級(jí))、運(yùn)輸根(4—5級(jí))、儲(chǔ)藏根(5級(jí)以上,且直徑<8 mm)[18]；地上器官根據(jù)年齡分為茶葉(一芽兩葉)和成熟葉。將植物樣品先用清水洗凈,再用去離子水沖洗,將同一樣方內(nèi)的3株植物樣品進(jìn)行混合,晾干,置于烘箱中105℃殺青30 min后,65℃烘至恒重,粉碎,過0.25 mm篩,測定各元素含量。樣品Al含量測定參照肖樂勤[19]改良后石墨爐原子吸收光譜法；Ca、Fe、Mn、Cu、Zn含量采用HNO3-HC1O4消煮ICP-AES測定[20]；Se含量采用原子熒光測定[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2017和SPSS 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。采用雙因素(施肥處理和不同功能根或不同年齡葉)和最小顯著性差異(LSD)法進(jìn)行5種施肥處理、3種不同功能根系和2種不同年齡葉片的方差分析及多重比較(α=0.05)。茶樹體不同器官Zn、Se含量采用Pearson法進(jìn)行相關(guān)性分析。利用SigmaPlot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶樹體Zn、Se元素對(duì)外源N、P、Zn、Se添加的響應(yīng)

雙因素方差分析結(jié)果表明,施肥處理顯著影響茶樹地下和地上器官Zn和Se含量(P<0.05)；地下不同功能根之間Zn含量差異顯著,而Se含量差異不顯著,但地上不同年齡葉片Zn和Se含量均差異顯著；施肥處理與地下或地上器官對(duì)Zn和Se含量的交互作用均不顯著(表1)。外源養(yǎng)分添加后,茶樹吸收根、運(yùn)輸根、茶葉、成熟葉的Zn含量顯著高于CK；施肥處理中,地下不同功能根系Se含量均表現(xiàn)為Zn+Se+N+P處理下最高,Zn+Se+P處理次之,Zn+Se+N處理最低,而地上茶葉和成熟葉Se含量均表現(xiàn)為Zn+Se+N、Zn+Se+P、Zn+Se+N+P處理顯著高于CK、Zn+Se處理(圖1)。此外,Zn含量總體表現(xiàn)為吸收根>運(yùn)輸根>儲(chǔ)藏根,茶葉高于成熟葉；Se含量為成熟葉高于茶葉(圖1)。

圖1 茶樹地下和地上器官中Zn、Se含量對(duì)外源N、P、Zn、Se添加的響應(yīng)Fig.1 The responses of Zn and Se in belowground and aboveground organs of tea plant to the additions of N,P,Zn and Se不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)不同大寫字母表示器官間差異顯著(P<0.05)

表1 N、P、Zn、Se添加和地下、地上器官及交互作用對(duì)茶樹Zn、Se及其他中微量元素影響的方差分析

2.2 茶樹體Al、Ca元素對(duì)外源N、P、Zn、Se添加的響應(yīng)

雙因素方差分析結(jié)果表明,施肥處理、地下器官及其交互作用對(duì)Al含量均影響顯著,而地上器官Al含量僅表現(xiàn)為不同年齡葉片之間差異顯著,施肥處理及交互作用的影響均不顯著；茶樹Ca含量僅表現(xiàn)為地下不同功能根系之間和地上不同年齡葉片之間差異顯著,施肥處理及交互作用的影響均不顯著(表1)。外源養(yǎng)分添加后,茶樹吸收根和運(yùn)輸根Al含量顯著高于CK(圖2),其中Zn+Se、Zn+Se+N、Zn+Se+P、Zn+Se+N+P處理吸收根的增幅為55.00%、56.00%、63.17%、60.50%；運(yùn)輸根的增幅分別為52.22%、56.11%、51.29%、59.84%。Al含量總體表現(xiàn)為吸收根>運(yùn)輸根>儲(chǔ)藏根,成熟葉高于茶葉；Ca含量為成熟葉高于茶葉(圖2)。

圖2 茶樹地下和地上器官中Al、Ca含量對(duì)外源N、P、Zn、Se添加的響應(yīng)Fig.2 The responses of Al and Ca in belowground and aboveground organs of tea plant to the additions of N,P,Zn and Se

2.3 茶樹體Fe、Cu、Mn元素對(duì)外源N、P、Zn、Se添加的響應(yīng)

雙因素方差分析結(jié)果表明,施肥處理對(duì)地下器官Fe、Cu、Mn含量影響顯著,而對(duì)地上器官Fe、Cu、Mn含量影響均不顯著；地下不同功能根系之間僅Fe、Cu含量差異顯著,而地上不同年齡葉片之間Fe、Cu、Mn含量均差異顯著；施肥處理和地下器官的交互作用僅表現(xiàn)為對(duì)Fe的影響(表1)。與CK相比,施肥處理顯著提高吸收根和運(yùn)輸根Fe含量,Zn+Se、Zn+Se+N處理顯著提高儲(chǔ)藏根Fe含量；以及施肥處理顯著提高儲(chǔ)藏根Cu含量；運(yùn)輸根Mn含量為Zn+Se+N、Zn+Se+P、Zn+Se+N+P處理顯著高于CK和Zn+Se處理,儲(chǔ)藏根Mn含量為Zn+Se+N+P處理顯著高于其他處理(圖3)。此外,Fe含量總體為吸收根高于運(yùn)輸根和儲(chǔ)藏根,成熟葉高于茶葉；Cu含量為吸收根高于運(yùn)輸根和儲(chǔ)藏根,茶葉高于成熟葉；Mn含量為成熟葉顯著高于茶葉(圖3)。

圖3 茶樹地下和地上器官中Fe、Cu、Mn含量對(duì)外源N、P、Zn、Se添加的響應(yīng)Fig.3 The responses of Fe,Cu,Mn in belowground and aboveground organs of tea plant to the additions of N,P,Zn and Se

2.4 茶樹不同器官中Zn、Se含量的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明,茶葉和成熟葉Zn含量均與吸收根呈顯著正相關(guān),成熟葉Zn含量僅與運(yùn)輸根呈顯著正相關(guān)；而茶葉和成熟葉Se含量僅與儲(chǔ)藏根呈顯著正相關(guān)(表2)?？梢?Zn、Se元素在茶樹中的遷移途徑有別。

表2 茶樹不同器官中Zn、Se含量的相關(guān)性分析

3 討論

茶樹是一種富含多種中微量元素的作物,其生長發(fā)育往往會(huì)受到外界環(huán)境和土壤狀況等多種因素的影響[12,22]。外源養(yǎng)分添加至土壤,會(huì)打破其原本的元素分配狀況,進(jìn)而改變茶樹各器官對(duì)元素的吸收和分配,最終影響茶樹生長及茶葉自然品質(zhì)[12]。本研究表明,Zn+Se處理顯著提高了茶樹器官Zn、Se含量,較好地回答了科學(xué)問題一,即茶樹具有較強(qiáng)吸收和積累Zn和Se的能力。可能原因包括：茶樹可通過根系從土壤中吸收Zn來活化體內(nèi)一些酶促反應(yīng),增強(qiáng)光合作用,促進(jìn)葉片對(duì)CO2的同化[23]；吸收Se可增強(qiáng)根系養(yǎng)分吸收和轉(zhuǎn)化速度,進(jìn)而提高茶樹體內(nèi)過氧化物酶活性,增加其抗逆性[3]。顯然,茶樹可通過吸收和累積Zn、Se來維持和促進(jìn)其正常生長。正如Yang等[12]研究發(fā)現(xiàn),富Zn和富Se土壤可以釋放更多的Zn、Se離子,這些離子通過根系被茶樹吸收、積累,進(jìn)而增加其器官中Zn、Se含量,提高茶葉的自然品質(zhì)。同時(shí)Dai等[8]在研究大白菜時(shí)也發(fā)現(xiàn),土壤中添加Zn、Se可以提高根葉抗氧化酶、葉綠素和脂質(zhì)過氧化物的含量,進(jìn)而提高作物的耐受性和生理狀態(tài),促進(jìn)器官對(duì)Zn、Se的吸收。段曉琴和趙永亮[24]發(fā)現(xiàn)在土壤中施用Zn和Se后,油菜莖葉中的Zn和Se濃度較對(duì)照顯著升高。多數(shù)研究也表明,植物組織Zn和Se含量與土壤Zn、Se含量呈正相關(guān)[25-26]。以上研究結(jié)果都證實(shí),向土壤中添加Zn、Se不失為提高茶樹器官,特別是茶葉Zn、Se含量的有效措施之一,這為培育高品質(zhì)鋅硒茶提供了數(shù)據(jù)支持。

N和P均是生態(tài)系統(tǒng)中重要的營養(yǎng)元素和限制性養(yǎng)分,故土壤中添加N、P往往可促進(jìn)作物的生長[11]；同時(shí)N、P也易與Zn、Se等中微量元素發(fā)生耦合互作,進(jìn)而改變作物的吸收與分配[12]。本研究發(fā)現(xiàn),N和/或P肥調(diào)控Zn和Se肥后僅會(huì)顯著增加茶樹地上器官的Se含量,回答了科學(xué)問題二,即N、P顯著增加了茶葉Se的累積。劉世亮等[27]研究發(fā)現(xiàn)N、P、K和Zn、Se處理顯著增加紫花苜蓿Se含量和有機(jī)Se轉(zhuǎn)化率。龍世方等[28]也發(fā)現(xiàn)N、P、K和Se配施可達(dá)到水稻富硒、高產(chǎn)的目標(biāo)。而造成本研究N、P顯著增加茶葉Se的累積可能原因包括：N肥施入促進(jìn)茶樹生長發(fā)育,增加茶葉對(duì)Se的吸收和積累[29]；而P肥則通過對(duì)土壤Se進(jìn)行內(nèi)源調(diào)控,改善茶樹根際微生物群落結(jié)構(gòu),為有機(jī)肥的分解提供更適宜的土壤環(huán)境,而土壤有機(jī)質(zhì)增加可通過微生物的礦化分解釋放出Se[30]。為此,N和/或P肥與Zn和Se肥配施可以增加茶葉中的酶活性,增加其抗氧化活性[12],從而提高Se的利用率及茶葉中Se含量[31]。同時(shí),本研究發(fā)現(xiàn),Zn含量并未因N和P添加與否而顯著變化。推斷估計(jì)與施用P肥有關(guān),P肥引起作物根系形態(tài)改變,導(dǎo)致與植物根系共生的菌根數(shù)量減少,在一定程度上抑制N的作用,進(jìn)而限制了茶樹對(duì)Zn的吸收能力[12,13,3-2]。此外,有研究發(fā)現(xiàn)施P可降低根系分泌活化土壤Zn的低分子有機(jī)酸,從而減少植物對(duì)Zn的吸收[33]。可見,N、P添加是促進(jìn)茶葉富Se的有效措施之一,但對(duì)Zn的吸收積累未見顯著效應(yīng)。

Zn、Se、N和/或P肥添加除直接影響茶樹各器官Zn、Se的含量外,其耦合作用還改變茶樹體相關(guān)中微量元素在各器官的分配。本研究發(fā)現(xiàn),在Zn、Se、N和/或P肥添加下,各元素在茶樹各器官的響應(yīng)是不同的,地下器官的響應(yīng)比地上器官強(qiáng),可能主要源于根系可吸收積累較多中微量元素(Al、Fe、Zn和Cu等)[16],且一些元素與根的結(jié)合方式往往較地上枝和葉更多。本研究中,茶樹吸收根和運(yùn)輸根Fe含量顯著增加,可能是因?yàn)楦狄追置跈幟仕岬男》肿佑袡C(jī)酸,增強(qiáng)根部對(duì)Fe的吸收和利用,且Fe的活性較低,向上運(yùn)輸能力較弱[34],所以大部分Fe累積在吸收根和運(yùn)輸根中。而根系A(chǔ)l含量顯著增加,可能主要緣于土壤Al易與P在根系表面發(fā)生吸附-沉淀反應(yīng),且N添加增加了根系活性[35],導(dǎo)致Al向上運(yùn)輸?shù)牧繙p少,在吸收根和運(yùn)輸根富集。同時(shí),茶樹體內(nèi)各元素在一定程度上存在競爭抑制的效應(yīng),例如：Al含量過多會(huì)抑制茶樹對(duì)Cu的吸收,本研究中Al多積累于吸收根與運(yùn)輸根,這在一定程度上會(huì)抑制Cu的累積,但Cu與根細(xì)胞的結(jié)合性較強(qiáng),故導(dǎo)致施肥后儲(chǔ)藏根Cu含量顯著增加。此外,土壤Mn有效性因外源養(yǎng)分添加驅(qū)動(dòng)根系向土壤分泌大量有機(jī)酸而增加[36],根系從土壤中吸收Mn2+及其他形態(tài)的Mn來滿足生長,但多集中于年老器官,如運(yùn)輸根和儲(chǔ)藏根,而在幼嫩器官分配較少。Ca為難以移動(dòng)的元素,易形成不溶性Ca鹽沉淀而固定,不易受其他元素耦合的影響[37]。可見,與未添加相比,外源養(yǎng)分添加下中微量元素在各器官的耦合效應(yīng)各異,但地上器官,特別茶葉中未添加的中微量元素含量維持基本不變,這可較好地保障茶葉的食用安全性。

4 結(jié)論

土壤外源Zn、Se供應(yīng)可提高茶樹組織中Zn和Se含量,且施N和/或P肥有助于提高Se利用率,增加茶葉Se含量；其Zn和Se含量與國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相一致(國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,Se含量為0.25—4.00 mg/kg(NY/T600- 2002),Zn含量為35.00±2.00 mg/kg(GSB- 30)),處于食品安全及人體健康的范圍之內(nèi)。Al、Ca、Cu、Fe和Mn的響應(yīng)規(guī)律不一致,但主要集中在地下器官,地上器官并未有顯著增加或降低,可規(guī)避Al、Ca、Cu、Fe和Mn等5種金屬元素通過飲茶造成的毒害風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果為紅壤丘陵區(qū)栽培高品質(zhì)鋅硒茶提供了新的證據(jù),或許是人體補(bǔ)充Zn和Se有效便捷的途徑之一。

致謝：江西省蠶桑茶葉研究所提供研究基地,陳希和李敬等完成野外試驗(yàn)及采樣工作,特此致謝。