酸、堿脅迫對HB柚生長、光合特性及礦質營養的影響

周高峰 李碧嫻 管冠 姚鋒先 劉桂東

摘要本研究以HB柚（Citrus grandis）實生幼苗為試材，利用盆栽砂培試驗進行不同pH處理，研究酸、堿脅迫對其生長、光合特性和礦質營養吸收的影響。結果表明，酸性（pH 4.0）或堿性（pH 8.0）脅迫處理150 d后，HB柚植株的生長受到了顯著的抑制，株高、葉面積和生物量均顯著低于對照（pH 6.0）。通過根系形態分析，其主根長、總根長、根表面積和根尖數在酸性或堿性條件下均受到顯著抑制。同時進行了葉片光合特性分析，發現在酸性或堿性條件下，葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）均受到顯著抑制，而胞間二氧化碳濃度（Ci）卻顯著上升。進一步礦質營養分析顯示，酸性脅迫主要抑制了Ca和Mg吸收，而堿性脅迫則主要抑制了Fe、Mn和Zn的吸收;表明葉片光合性能的減弱可能是酸、堿脅迫降低了葉片中與光合作用相關的礦質元素的含量導致的。

關鍵詞? 柑橘 ;pH值 ;根系形態 ;光合特性 ;礦質營養

中圖分類號? S666.4? ? 文獻標識碼? A? ? Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2018.11.006

Effects of Acid and Alkaline Stresses on the Growth，

Photosynthetic Characteristics and Mineral Nutrition of Pummelo‘HB

ZHOU Gaofeng? LI Bixian? GUAN Guan? YAO Fengxian? LIU Guidong

（College of Life and Environmental Sciences， National Navel Orange Engineering Research Center， Gannan Normal University， Ganzhou Jiangxi 341000）

Abstract? Pummelo‘HB[Citrus grandis （L.） Osbeck] was pot cultured under different pH treatments to analyze the acid and alkaline stresses on its growth， photosynthetic characteristics and mineral nutrition. The results showed that the growth of Pummelo ‘HBwas inhibited significantly after 150 days under acid （pH 4.0） and alkaline （pH 8.0） stresses. The treated Pummelo‘HBwas lower in height， leaf area and biomass than the control （pH 6.0）. The root morphological analysis showed that the taproot length， root total length， root surface and root number were inhibited significantly by acid and alkaline stresses. The photosynthetic characteristics analysis showed that the Pn， Gs and Tr were decreased dramatically， but the Ci increased. The mineral nutrition analysis showed that the absorption of Ca and Mg was mainly inhibited by acid stress， while the absorption of Fe， Mn and Zn was mainly inhibited by alkaline stress. The reduced photosynthetic performance was due to the decrease of mineral nutrition under the acid and alkaline stresses.

Key words? citrus; pH; root-morphological trait; photosynthetic characteristics; mineral nutrition

土壤酸化和鹽堿化是全球環境變化的主要問題之一，它使土壤生態系統內發生改變，從而影響植物的生長發育。土壤的酸化和鹽堿化不僅會降低礦質營養的有效性，同時也會使土壤礦質營養易于淋失，降低土壤保持養分的能力[1]。作為世界上最重要的水果之一的柑橘，其主要產區同樣遭受土壤酸化或鹽堿化的影響。柑橘最適宜生長在pH 5.5～6.5的弱酸性土壤中，過酸（pH<5.0）或過堿（pH>7.5）都會影響柑橘的正常生長發育[2-3]。中國柑橘種植分布廣泛，土壤類型多種多樣，其酸堿度也各不相同。含有高量的碳酸鈣的紫色沙、頁巖和紫色土，其pH值普遍偏高，屬于中性或堿性土壤，如四川盆地;若紅壤為主，土壤pH值則偏低，屬于酸性土壤，如贛南地區。近年來關于柑橘受土壤酸化和鹽堿化影響的報道不斷增多，酸化的有江西省贛州市臍橙產區[4]、湖南省湘西自治州椪柑產區[5]、湖北省宜昌市寬皮柑橘產區[6]、廣西省柑橘產區等[7]、福建省永春等10縣柑桔示范園和琯溪蜜柚產區[8-9];鹽堿化的有四川省柑橘產區[10]，東南沿海地區柑橘產區[11]。

不良的土壤pH值已經成為影響柑橘生產的一個重要環境因素。因此，了解不良土壤pH值對柑橘生長及礦質營養吸收的影響具有十分重要的意義。但土壤酸堿性對土壤微生物的活性、礦物質的有效性和有機質的分解起到重要作用，因而影響土壤養分釋放、固定和遷移等。本研究通過珍珠巖和石英砂的介質和不同pH值營養液澆灌，可以排除土壤微生物的活性、礦物質的有效性和有機質的分解等影響因素，而能單從植物吸收角度解析不同pH值對植物生長發育、礦質營養吸收等的影響。本研究以HB柚試驗材料，該品種1995年開始在贛南地區的安遠縣種植[12]，但近年來贛南地區柑橘園土壤酸化嚴重，據梁梅清等對贛南地區臍橙園的調查顯示，在1 405個土壤樣品中有45.7%的樣品pH低于4.5，屬于強酸性土壤[4]。因此，本研究能為進一步通過土壤改良提高柑橘對土壤酸化和鹽堿化的耐受能力提供參考。

1材料與方法

1.1材料

試驗于2017年5～11月在國家臍橙工程技術研究中心基地溫室進行。以HB柚[Citrus grandis （L.） Osbeck]實生幼苗為材料。選取生長在相同育苗基質中的相對一致的HB柚實生幼苗（實生苗從2016年11月開始催芽，并在育苗基質中生長到翌年5月），然后用自來水清洗苗木除去根表面的污漬，將植株移栽至裝有6 L左右石英砂和珍珠巖（1∶1， V∶V）的黑色塑料盆中，每盆1棵。用略有修改的Hoagland's No.2營養液[13]澆灌。營養液的配方如下：6 mmol/L KNO3，4 mmol/L Ca（NO3）2，1 mmol/L NH4H2PO4，2 mmol/L MgSO4，25 μmol/L H3BO3，9 μmol/L MnCl2，0.8 μmol/L ZnSO4，0.3 μmol/L CuSO4，0.01 μmol/L H2MoO4和50 μmol/L Fe-EDTA。溫室的溫度控制在22～28℃，相對濕度為50%～75%。每2 d澆灌1次營養液，每次均澆透，即營養液有約500 mL從盆底流出。

1.2? 方法

1.2.1? 試驗處理

試驗設置3個處理。以pH（4.0±0.1），pH（6.0±0.1）和pH（8.0±0.1）的營養液澆灌HB柚實生幼苗，分別定義為酸性條件，對照和堿性條件。每個處理12個重復（盆）共36株。試驗持續150 d。為了防止鹽分在基質中累積，每周用10 L去離子水澆灌植株，而后用3 L營養液澆灌，確保有過量溶液從盆底淋出[14]。

1.2.2取樣及指標測定

試驗處理150 d后，將每個處理12個重復（盆）共36株采樣，用于生長指標和礦質營養含量測定。將每個處理的樣品用去離子水洗凈。主根長度用刻度尺測量后，將各根系樣本用Epson digital scanner（Expression 10000XL 1.0， Epson Inc.Japan）進行掃描，然后用WinRhizo Pro （S） v. 2004b software（Regent Instruments Inc.， Canada）軟件進行根系形態的分析以獲得總根長、平均直徑、根總表面積和側根數量數據。用Li-3100C（LI-COR Biosciences Inc， Lincoln， United States）葉面積儀測定。

將上述指標測定完成的植株分為根、莖和葉3部分，用去離子水清洗，擦干稱取鮮重，然后在70℃烘箱中烘干并稱干重，粉碎，貯藏于密封袋用于礦質元素含量的分析。每份樣品稱取粉碎的干樣0.30 g左右，先在電爐上碳化直至無黑煙，隨后放入馬弗爐中500℃灰化6 h。然后，用10 mL 5%的HNO3溶解，用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS， Agilent 7900， United States）測定礦質營養元素的含量。

葉片光合特性的測定在采樣前完成，采用便攜式光合測定系統（LI-6400XT， LI-COR， United States）測定。葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、胞間二氧化碳濃度（Ci）及氣孔導度（Gs）參數由光合儀同步測定并記錄，所測定的葉片每株選取成熟葉片5片，每個處理每盆隨機選取1棵，即每個處理6棵，30片葉。待LI-6400XT的系統穩定之后，每片葉讀取5個瞬時各參數值，取平均值。

1.2.3? 統計分析

圖表中的數據均代表12個單獨植株（重復）的平均值。所有數據采用SAS軟件進行分析，運用ANOVA和DONCAN程序進行不同品種和不同處理之間的差異顯著性分析（SAS 8.1， SAS Institute Inc.， Cary， NC， United States），顯著水平為p<0.05。所有數據使用sigmaplot 12.0軟件進行作圖。

2結果與分析

2.1酸、堿脅迫對HB柚生長的影響

圖1結果顯示，在酸性（pH 4.0）或堿性（pH 8.0）脅迫下，HB柚實生幼苗植株的高度和葉面積均顯著低于對照（pH 6.0），但對莖粗沒有顯著影響。

HB柚植株的生物量分析結果表明，HB柚植株各部位的干重及總干重在酸性（pH 4.0）或堿性（pH 8.0）脅迫下顯著低于對照（pH 6.0）。HB柚植株的根冠比則只是在堿性（pH 8.0）脅迫下顯著上升，在酸性（pH 4.0）脅迫下無顯著變化。

2.2酸、堿脅迫對HB柚根系生長發育的影響

由圖3-A、3-B和3-C可知，在酸性（pH 4.0）或堿性（pH 8.0）條件下HB柚實生苗根系，均受到了不同程度的抑制。通過根系形態掃描分析顯示，主根長、總根長、根表面積和根尖數在酸性或堿性條件下均顯著低于對照（圖3-D、3-E、3-F和3-H），但根系總體積卻顯著高于對照，且酸性條件下根系體積顯著高于堿性（圖3-G）。根系密度在處理和對照之間則無顯著差異。

2.3酸、堿脅迫對HB柚葉片光合特性的影響

在酸性（pH 4.0）或堿性（pH 8.0）條件下，與對照相比葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）均受到顯著抑制（圖4-A，4-B，4-D），而葉片的胞間二氧化碳濃度（Ci）卻在酸性和堿性條件下顯著上升（圖4-C）。

2.4酸、堿脅迫對HB柚礦質營養的影響

圖5結果顯示，在酸性（pH 4.0）或堿性（pH 8.0）條件下，HB柚實生苗各部位的礦質元素含量均受到了不同程度的影響。P含量在酸性條件下僅莖中表現顯著下降，堿性條件下根和莖均表現顯著下降，但在葉中卻顯著上升（圖5-A）。K含量在根和莖、葉中表現相反的規律，在根中，酸性或堿性脅迫均導致了K的顯著積累，而在莖、葉則表現顯著抑制（圖5-B）。Ca和Mg表現為相同規律，與對照相比酸性或堿性脅迫均導致根中含量的降低，但對莖、葉中的含量沒有影響（圖5-C、5-D）。微量元素Fe、Mn和Zn葉片中的含量均在堿性脅迫下顯著下降，在酸性條件下，則促進Fe和Mn吸收;根中Fe、Mn和Zn同樣也是在堿性脅迫下顯著下降，但在酸性條件下影響不大（圖5-E、5-F、5-H）。B在酸性或堿性脅迫均導致根和葉中含量的降低，但對莖沒有影響（圖5-G）。

3討論

眾所周知，柑橘最適宜生長在微酸性（pH 5.5～6.5）土壤中。雖然也可以在酸性、中性、微堿性及中度鹽堿化的土壤中生長，但是長時間生長在這種不良pH值的土壤中，對柑橘的生長十分不利。本研究的結果表明，酸性（pH 4.0）或堿性（pH 8.0）脅迫顯著抑制了HB柚實生苗株高、葉面積、生物量以及根系的生長發育（圖1～3）。這與在模式植物擬南芥上的研究結果一致，其根系與株高在高pH值和低pH值均會受到顯著抑制[15]，也與在其他柑橘上的研究結果一致[3，16-19]。

為了探明酸、堿脅迫抑制HB柚實生苗生長發育的成因，本研究進行了葉片光合特性的分析。結果表明，在酸性（pH 4.0）或堿性（pH 8.0）條件下，HB柚實生苗的葉片光合特性受到了顯著抑制，其中葉片凈光合速率（Pn）在酸性（pH 4.0）或堿性（pH 8.0）條件下分別下降了25.1%和26.8%（圖4）。植物光合性能受到抑制時會直接影響植物的生長發育。因此，本研究HB柚實生苗生長受到抑制的主要因素可以認定為是其葉片光合性能的減弱。但是HB柚實生苗葉片光合性能的減弱又是什么原因引起的呢？楊翼飛等[20]的研究同樣表明，6份枳種質的葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和葉綠素含量在酸性（pH 3.5）或堿性（pH 9.0）脅迫下均顯著下降。在模式植物擬南芥上其葉綠素含量也隨pH梯度（pH 6.5～10.0）的增加而逐漸降低[15]。在其他物種如牡丹[21]、烤煙[22]、藍莓[23-24]等也有同樣的報道。但到目前為止，尚沒有報道表明，土壤pH值能夠直接影響植物的光合性能。本研究在對酸性（pH 4.0）或堿性（pH 8.0）條件下HB柚實生苗的葉片礦質營養進行分析時發現，其葉片Fe、Mn和Zn等與光合作用相關的元素含量與對照（pH 6.0）相比有不同程度的下降，但是葉片Mg的含量并沒有受到顯著抑制（圖5-D、5-E、5-F、5-H）。Fe在植物光合作用中起著重要作用，在缺鐵脅迫下，葉綠體形態結構異常，葉綠體含量減少，光合速率降低;Mn在植物體內則直接參與光合作用，在光合作用中參與水的光解并給光系統Ⅱ提供電子[25]。以藍莓扦插苗為研究對象的酸堿脅迫研究同樣認為，在pH 5.8和pH 7.0生境下葉片中Mg和Fe元素含量水平的顯著降低可能是其葉片光合性能降低的成因[24]。另外有研究表明，植物葉片P、B等礦質元素含量的降低也可以導致葉片光合性能以及葉綠素含量的降低[26-31]。因此，堿脅迫條件下的HB柚實生苗的葉片光合性能減弱可能是由于葉片Fe、Mn等光合相關元素含量下降導致的。

根際pH在植物吸收礦質營養中發揮著重要的作用，自然條件下根際pH受土壤本體養分供應、供應養分的有效性和不同植物對元素吸收差異的影響。本研究通過砂培和不同pH值營養液澆灌的方式進行試驗，可以有效排除上述影響，從而建立一個因素單一的試驗條件。Ca和Mg均為堿性元素，其吸收隨土壤pH值的升高而增加。前人在茶樹上的研究表明，植株Ca的吸收與土壤pH值呈顯著正相關，即pH值越大茶樹對Ca的吸收越多[32]。本研究的結果顯示，在酸性（pH 4.0）條件下，HB柚實生苗根中的Ca和Mg含量顯著下降，但在堿性（pH 8.0）條件也顯著下降，這與前人的研究不符，其原因尚需要進一步研究，HB柚實生苗根系在堿性（pH 8.0）條件下的形態改變或許是其中的原因之一（圖3）。

植物對Fe的活化、吸收受根際酸化和根系三價鐵螯合物還原酶（FCR）活性的影響[33]?？晒┲参镂盏挠行e所需土壤pH 5.5～6.5，在石灰含量和pH值過高的土壤中，Fe主要以Fe（OH）3和Fe（OH）-4形態存在，而植物對這兩種形態吸收效率很差，因此土壤pH值決定了植物對Fe的吸收效率。當pH>8.5時，太多數果樹就易表現缺Fe[34]，如卡里佐枳橙砧甜橙植株在土壤pH值高于7.5時，容易出現肉眼可見的缺Fe癥狀;當土壤pH值高于7.9時，容易出現嚴重缺Fe癥狀[35]。本研究同樣表明，HB柚實生苗在堿性（pH 8.0）脅迫下其葉和根中Fe含量均顯著下降（圖5-E）。另外，前人的研究表明，隨著土壤pH值的升高，植物對B的吸收效率反而隨之顯著下降，尤其是在pH超過8.0時[36-38]。本研究的結果與前人研究一致（圖5-G）。

綜上所述，本研究試驗結果表明，酸性（pH 4.0）或堿性（pH 8.0）脅迫均抑制HB柚實生苗的生長發育，其主要原因是酸性或堿性脅迫減弱了葉片的光合性能，而葉片光合性能的減弱則可能是葉片光合作用相關礦質營養的含量降低導致的。因此，生產上首先應該對酸化或鹽堿化的土壤進行改良;其次應該選擇適宜的耐酸或耐鹽堿的砧木進行生產，如選用強耐酸性枳或強耐堿性的資陽香橙做為砧木[10，17-19];另外，在生產過程中應該合理施肥與灌溉防治土壤的酸化或鹽堿化。

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