養分缺乏對紫云英苗期生長及氮磷鉀吸收的影響

李崠輝，朱 強，郭再華，曹衛東，耿明建*

（1.華中農業大學微量元素研究中心/農業農村部長江中下游耕地保育重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部植物營養與肥料重點實驗室，北京 100081）

紫云英（Astragalus sinicusL.）原產于我國，栽培歷史悠久，是最常見的稻田冬季綠肥作物［1］。利用冬閑田種植紫云英，能夠部分替代化肥，改善土壤肥力，穩定和提升糧食產量，保護生態環境［2-4］，促進農業綠色發展。開展必要的養分管理，促進綠肥作物健康生長，“以小肥換大肥”［1］，可提高綠肥在農業生產中的貢獻力度。已有研究表明，適量施用氮、磷、鉀肥或硼、鉬等微肥以及前茬水稻施肥的殘效均有利于紫云英生長，且極顯著地提高了綠肥產量、養分積累和種子產量［5-7］，同時增加了后季水稻養分供應和土壤培肥效率，施肥配合土壤水分管理、稻秸還田、接種根瘤菌等措施增效更加顯著，低肥力土壤表現更明顯［8-10］。然而，以往的紫云英營養研究多集中在施肥對綠肥生物量、種子產量及綠肥利用后服務功能改善等方面，缺少對紫云英本身養分吸收利用、營養失調等植物營養特征的探究。為此，采用溶液培養試驗，觀測主要大量礦質元素缺乏對紫云英苗期外部形態、生長發育、養分吸收的影響及其差異，以期為紫云英礦質營養診斷與高效養分管理技術構建提供依據，同時提升綠肥服務農業綠色生產的水平。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

溶液培養試驗于2018年3～5月在華中農業大學教學實踐基地盆栽場進行，自然氣候下培養。供試紫云英品種為弋江種。經0.1% HgCl2消毒后的紫云英種子平鋪在漂浮于水面的紗布上育苗，每天更換蒸餾水，待根系長至約2 cm后移栽于裝有12 L 1/4濃度Hoagland營養液的塑料盆中，每升營養液加入Arnon微量混合液1 mL，以EDTA-Fe做Fe源，培養2周后，更換為完全濃度的營養液，并進行缺素處理。試驗設7個處理，分別為全營養（CK）、缺氮（-N）、缺磷（-P）、缺鉀（-K）、缺鈣（-Ca）、缺鎂（-Mg）和缺硫（-S）處理。CK為正常營養的對照，采用完全營養液培養，缺素處理采用不完全的Hoagland營養液培養［11］。每個處理4次重復，每個重復1盆，每盆定植14株。培養容器外涂黑色油漆，以防光線射入。培養期間每天通氣，每周更換1次營養液。處理4周后，觀察記錄紫云英生長發育狀況及缺素癥狀，收獲樣品。

1.2 測定指標及方法

樣品收獲時，先用CCM-200型葉綠素儀測定紫云英第3片葉的SPAD值，測定株高和根長后將植株按照地上部和根系分開，用蒸餾水清洗干凈、烘干、稱重，磨碎后測定地上部養分含量。植物樣品用H2SO4-H2O2消煮，半微量凱氏法測定全氮含量，鉬銻抗比色法測定全磷含量，火焰光度法測定全鉀含量［12］。

1.3 數據處理

利用SPSS 20.0進行單因素方差分析，不同處理間的差異進行Duncan多重比較，采用聚類分析綜合比較不同缺素脅迫對紫云英的傷害程度。

2 結果與分析

2.1 養分缺乏對紫云英生長的影響

從外部形態來看，氮和鈣缺乏對紫云英苗期傷害最嚴重，表現為植株矮小瘦弱，根系衰老變褐，缺氮紫云英葉片薄而小，老葉失綠黃化、直至干枯，缺鈣紫云英生長點焦枯，幼葉卷曲畸形并逐漸壞死。缺磷紫云英葉片暗綠，根系細而長。缺鉀后幼苗葉片暗綠無光澤，部分老葉失綠。缺鎂紫云英幼苗老葉脈間失綠黃化，部分葉片壞死，根系變短變黃。紫云英缺硫后幼葉失綠黃化，莖細弱，根細長（圖1）。

圖1 養分缺乏對紫云英外部形態的影響

除了鉀和硫外，氮、磷、鈣、鎂缺乏使紫云英株高顯著降低，與對照相比分別下降了50.2%、19.9%、54.0%、16.4%。根長與株高變化有所不同，只有氮、鈣缺乏使之顯著降低（分別下降31.9%、22.5%），而其他養分缺乏對根長無顯著影響（表1）。不同養分缺乏均不同程度地降低紫云英地上部干重，降低幅度為10.3%～60.7%，除了硫缺乏影響不顯著外，其他養分缺乏效應均達到P＜0.05顯著水平，其中鈣、氮缺乏影響明顯較強。缺氮、缺鈣、缺鎂對根干重影響與地上部相似，使其分別顯著降低46.9%、51.6%、23.4%，其他養分缺乏效應有所不同，缺鉀對紫云英根干重無顯著影響，磷、硫缺乏反而使其分別升高40.6%、18.8%。單株干重（地上部+根）隨養分缺乏變化規律與其地上部干重類似。除鎂外，養分缺乏可顯著提高紫云英的根冠比，缺磷使根冠比的增加幅度（106.0%）顯著高于氮、鉀、鈣、硫等養分缺乏（15.4%～32.4%）。

表1 養分缺乏對紫云英生長的影響

2.2 養分缺乏對紫云英葉綠素含量的影響

SPAD值常用來衡量葉綠素相對含量。圖2顯示，苗期氮、鈣、鎂和硫缺乏顯著降低紫云英葉綠素含量，其SPAD值較對照分別降低了53.4%、23.2%、34.0%和25.4%，而缺磷和缺鉀處理的葉片SPAD值無顯著變化。

圖2 養分缺乏對紫云英葉綠素含量的影響

2.3 養分缺乏對紫云英養分吸收的影響

缺氮、缺磷、缺鉀分別對紫云英的氮、磷、鉀含量及累積量的影響最為顯著，鈣、鎂、硫缺乏對紫云英氮、磷、鉀含量和累積量均有不同程度的影響（表2）。與對照相比，氮、磷、鈣、鎂缺乏分別導致紫云英氮含量顯著降低64.4%、9.7%、30.5%、13.9%，鉀和硫缺乏無顯著影響。紫云英磷含量受養分缺乏的影響與氮顯著不同，除了缺磷處理使紫云英磷含量顯著降低73.1%之外，缺氮、缺鉀使紫云英磷含量顯著升高62.7%、16.4%，而鈣、鎂和硫缺乏處理下磷含量無顯著變化。對鉀含量而言，磷和鎂缺乏對紫云英鉀含量影響不顯著，而氮、鉀、鈣、硫缺乏時，紫云英鉀含量較對照分別顯著降低36.2%、71.5%、12.2%、11.35%。

除缺硫處理紫云英氮累積量與對照無顯著差異外，其他養分缺乏均顯著降低紫云英氮累積量，降幅為23.0%～83.7%。紫云英磷累積量受鉀、硫缺乏影響不顯著，氮、磷、鈣及鎂缺乏使其降低27.1%～81.9%。各養分缺乏均使紫云英鉀累積量顯著降低，降幅為20.3%～78.7%。

表2 養分缺乏對紫云英氮磷鉀吸收積累的影響

2.4 不同養分缺乏對紫云英生長及養分吸收脅迫程度的比較

采用歐氏距離法對7個處理的13個觀測指標進行系統聚類分析（圖3），本試驗中采用不完全Hoagland營養液培養4周后，紫云英對6種必需大量礦質營養元素缺乏的脅迫響應程度可分為4類。第一類為缺鈣和缺氮處理，對紫云英生長和養分積累抑制最嚴重；第二類為缺磷處理；第三類為鉀素缺乏處理；第四類為缺鎂和缺硫處理，其對紫云英的傷害程度相對較小，長勢更接近于完全營養供應的對照處理。

圖3 不同養分缺乏對紫云英脅迫程度的聚類分析

3 討論

綠肥作物的主要功能在于改良土壤、提供養分及維護生態環境等方面，直接經濟效益相對較低［1-2］，種植者容易忽視播種后的管理，特別是肥、水等投入。作為高等植物，綠肥作物同樣遵循植物營養規律，必需營養元素供應不足會導致其生長不良［13］。本文的溶液培養試驗表明，6種必需的大量礦質營養元素缺乏，均不同程度地抑制了紫云英幼苗的生長，表現出典型的缺素癥狀，同時降低了紫云英幼苗的生物量、株高、根長、SPAD值以及氮、磷、鉀等養分吸收積累，必需的微量元素缺乏同樣抑制紫云英的生長發育（作者待發表數據）。因此，開展必要的養分管理，滿足紫云英等綠肥作物對養分的需求，可以增加綠肥產量及養分積累量，提高生產效率，強化其服務農業綠色生產的能力。

必需營養元素同等重要，缺乏時均會影響植物的正常生長，但受營養規律、環境條件等影響，植物遭受不同養分缺乏時不同觀測指標表現存在差異［14］。本試驗中，6種養分缺乏均導致紫云英株高、地上部干重、單株干重及氮、磷、鉀積累量不同程度的降低，而根長、根干重、根冠比、SPAD值和氮、磷、鉀含量等指標在部分養分缺乏時無顯著變化或升高，部分養分缺乏時降低或顯著地降低，因此，單一指標不能很好地判斷不同養分缺乏對紫云英的傷害程度。本文采用聚類分析的方法，對紫云英的形態、生物量、養分吸收等13個觀測指標進行分析，結果顯示，6種養分缺乏的綜合脅迫程度表現為：缺鈣、缺氮＞缺磷＞缺鉀＞缺鎂、缺硫。鈣在植物體內難以移動，停止供鈣后紫云英迅速表現出莖尖、根尖等分生組織生長停滯、壞死，養分吸收受阻（氮、磷、鉀含量較正常植株降低11.9%～30.5%），生物量下降幅度（58.9%）明顯大于其他移動性較強的元素（4.4%～53.2%），與曾秀成等［15］在大豆上的研究結果相似。紫云英生長需氮量較高，缺氮后蛋白質、葉綠素合成減少，植株矮小，葉片黃化、干枯，氮、磷、鉀累積量降低27.0%～83.7%。但紫云英為豆科作物，自然條件下可與土壤中的根瘤菌共生固氮，通常缺氮現象發生不如磷等養分缺乏明顯［16］，本試驗溶液培養條件下缺少根瘤菌，表現出缺氮對紫云英生長的抑制程度明顯強于磷、鉀等養分。豆科植物屬于喜磷作物，對缺磷反應敏感［17］，本試驗中對紫云英的綜合脅迫效應僅次于鈣和氮，表現為根干重、根冠比顯著增加，葉綠素含量和根長無顯著變化，單株干重和氮、磷、鉀累積量分別顯著降低17.1%和31.9%～81.9%。鎂在植物體內含量相對較低，而硫在植物體內移動性雖然較低，但大氣中的SO2、H2S等可能為紫云英提供了部分營養來源［15］，從而表現出紫云英苗期受鎂、硫缺乏傷害程度較鈣、氮、磷、鉀低。

高等植物養分效應還與養分間相互作用及其供應平衡狀況有關，生長發育不同階段對不同養分脅迫的敏感性和需求量也存在顯著差異［14］。本試驗得出的6種大量礦質養分缺乏效應，只是在紫云英苗期單一養分完全停止供應條件下的結果，后期應繼續研究紫云英不同生育時期養分不同缺乏程度、多種養分失衡等，特別是養分輕度缺乏情況下的營養失調癥狀、營養特性變化規律及其高效矯正措施，為紫云英營養診斷及“以小肥換大肥”為主要內容的養分管理技術構建提供依據。

4 結論

氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫缺乏均不同程度地抑制了苗期紫云英的生長發育，表現為地上部和單株生物量、株高及氮、磷、鉀累積量均呈顯著降低或降低的趨勢，而葉綠素含量、根長、根干重、根冠比及氮、磷、鉀含量無一致變化規律，因缺乏不同的養分而表現為升高、降低或無顯著的變化。綜合觀測的生物量、形態、養分吸收等指標，溶液培養條件下完全停止某一養分供應后，紫云英苗期受氮、鈣缺乏脅迫傷害程度最大，其次為磷，再次為鉀，鎂和硫傷害相對較小。在生產實踐中，應結合實際開展綠肥作物養分管理，否則，養分缺乏將抑制紫云英的生長，降低其土壤改良等綠肥功效的發揮。