磁化微咸水灌溉對歐美楊I(lǐng)- 107微量元素和碳氮磷養(yǎng)分特征的影響

劉秀梅, 畢思圣, 張新宇, 朱 紅, 辛顯彬, 馬風(fēng)云, 王華田,*, 仲鳳維

1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 泰安 271018 2 山東省高校森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 泰安 271018 3 泰安市泰山林業(yè)科學(xué)研究院, 泰安 271000

磁化微咸水灌溉對歐美楊I(lǐng)-107微量元素和碳氮磷養(yǎng)分特征的影響

劉秀梅1,2, 畢思圣1,2, 張新宇1,2, 朱 紅1,2, 辛顯彬1,2, 馬風(fēng)云1,2, 王華田1,2,*, 仲鳳維3

1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 泰安 271018 2 山東省高校森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 泰安 271018 3 泰安市泰山林業(yè)科學(xué)研究院, 泰安 271000

為探討鹽分環(huán)境下,磁化作用對土壤和植株養(yǎng)分特征的影響,以歐美楊I(lǐng)- 107為試材,采用磁化和非磁化微咸水灌溉處理,通過對土壤和植物組織中微量元素和碳氮磷含量的測定,以揭示土壤-植物的養(yǎng)分供求關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：(1)微咸水灌溉處理中葉片和根系Fe含量均下降；葉片Zn、Mn和Cu含量提高,根系Mn和Zn含量降低、Cu含量提高。葉片和根系中總碳含量均提高,全氮和全磷含量均降低；葉片C/N下降,根系C/N和C/P則提高。(2)磁化微咸水灌溉處理葉片和根系中Fe、Zn、Cu含量均提高,Mn含量降低；葉片C、P及C/N提高,N含量下降；根系C、C/N和C/P含量提高。(3)微咸水灌溉土壤中Fe、Mn、Zn和Cu微量元素全量均降低,有效態(tài)含量均提高；OC和N、C/P和N/P下降,全磷和C/N提高。(4)磁化微咸水灌溉中土壤Fe、Mn和Zn全量提高,Cu降低； Fe、Mn、Zn和Cu有效態(tài)含量提高；OC和N、C/P和N/P提高?？梢?磁化作用有利于調(diào)節(jié)植株對微量元素的吸收和分配,提高土壤的固氮能力以及對植株的碳供應(yīng)能力。此外,鹽分環(huán)境下,植物體通過提高元素Fe含量以及C/N比值維持光合作用的正常進(jìn)行,以滿足植株正常生長發(fā)育的需要。

磁化作用; 微咸水; 微量元素; 碳氮磷; 生態(tài)化學(xué)計(jì)量

植物和土壤是生態(tài)系統(tǒng)中主要的營養(yǎng)物質(zhì)儲存庫,營養(yǎng)元素的含量特征因土壤類型和植物種類而異,同時在一定程度上受外界環(huán)境因素影響。土壤養(yǎng)分含量及其有效性是生態(tài)系統(tǒng)中重要的化學(xué)指標(biāo),影響著植物的生長和發(fā)育,二者相互作用,構(gòu)成一個整體。

微量元素是植物體內(nèi)各種酶、生長激素及維生素等的關(guān)鍵組分,在植物生長發(fā)育過程中起重要作用[1]。參與植物體內(nèi)各種生理代謝活動所需的Fe、Mn、Zn、Cu等微量元素主要來源于土壤,土壤中微量元素的供應(yīng)水平會影響植物的代謝功能[2- 3]。碳氮磷是植物生命活動過程中的基礎(chǔ)元素,是生命體實(shí)現(xiàn)能量代謝、遺傳變異和信息表達(dá)的重要部分[4]。碳為構(gòu)成植物體的結(jié)構(gòu)性物質(zhì),氮磷為功能性物質(zhì)[5],三者是植物必需的營養(yǎng)元素和生長限制元素,在植物生長發(fā)育過程中起重要作用[6],其化學(xué)計(jì)量比則是判斷土壤對植物生長過程中養(yǎng)分供應(yīng)的重要指標(biāo)[7- 8]。因此,研究植物和土壤之間不同種類的礦質(zhì)養(yǎng)分,探討土壤生態(tài)化學(xué)循環(huán)過程中養(yǎng)分的遷移規(guī)律和植物體養(yǎng)分限制情況,對揭示植物對鹽分生境的適應(yīng)機(jī)制具有重要意義。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,淡水資源供需矛盾日益嚴(yán)重,合理開發(fā)地下微咸水資源逐漸成為各國關(guān)注的熱點(diǎn)[9]。目前,國內(nèi)外諸多學(xué)者對微咸水的灌溉方法與技術(shù)、土壤鹽分對土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量及品質(zhì)的影響等內(nèi)容進(jìn)行了研究,并取得了一定的研究成果,這為微咸水的利用提供了理論基礎(chǔ)[10]。微咸水的利用雖然滿足了作物不同時期的需水要求,但過量微咸水灌溉會引起土壤生態(tài)環(huán)境惡化、降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)。為避免長期微咸水灌溉造成的土壤鹽漬化,有必要研究微咸水的相關(guān)處理技術(shù),以降低灌溉后對土壤環(huán)境、植物生長發(fā)育等造成的不利影響。

磁化水處理技術(shù)作為一種農(nóng)業(yè)新型灌溉技術(shù),具有簡便、高效及低投入等特點(diǎn)。液態(tài)水在以一定流速經(jīng)過磁場后,水分子與離子的水合作用增強(qiáng),溶解度提高,土壤離子交換能力和離子飽和度提高,可以在一定程度上避免長期微咸水灌溉導(dǎo)致的Na+過量積累。研究發(fā)現(xiàn),磁化水灌溉可以提高種子中微量元素和碳氮硫等養(yǎng)分的含量[11]、提高土壤脫鹽率[12]及節(jié)約灌溉用水量[13- 14]、提高水分利用效率[15],且與普通水相比,磁化水灌溉后土壤疏松、不板結(jié)。

本文以歐美楊I(lǐng)- 107(Populus×euramericana‘Neva’)為試材,通過對植物組織和土壤中微量元素及碳氮磷養(yǎng)分含量測定,分析植物體對各營養(yǎng)元素的吸收和利用及土壤對養(yǎng)分的固持狀況,以期闡明磁化微咸水灌溉對土壤-植物養(yǎng)分運(yùn)輸和循環(huán)的作用機(jī)理,為微咸水的開發(fā)利用及磁化水處理技術(shù)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為當(dāng)年生歐美楊I(lǐng)- 107(Populus×euramericana‘Neva’),插穗直徑(1.52±0.11)cm、長度12 cm。盆栽試驗(yàn)地點(diǎn)位于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)站內(nèi)(117°08′E, 36°11′N)。供試土壤類型以壤質(zhì)土為主,全氮、全磷、全鉀含量分別為0.80、0.53、0.70 g/kg,堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為318.50、201.30、13.50 mg/kg,有機(jī)質(zhì)含量24.03 g/kg,pH 7.0。盆栽容器為直徑25 cm、高20 cm的陶土盆,每盆裝入土壤10 kg。扦插時間為2014年3月下旬,每盆1株,自來水灌溉,前期進(jìn)行統(tǒng)一管理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模擬海水質(zhì)量比NaCl∶Na2SO4∶CaCl2∶MgCl2=4∶2∶2∶1,配制成濃度為4.0 g/kg的灌溉微咸水。磁化水處理器為Magnetic Technologies L. L. C(阿聯(lián)酋)的U050(12.7 mm),其長度160 mm,內(nèi)徑21 mm,出水量5 m3/h。

試驗(yàn)共設(shè)4個處理：磁化微咸水灌溉處理(magnetized 4 g/L saline solution irrigation, M4)、非磁化微咸水灌溉處理(non-magnetized 4 g/L saline solution irrigation, NM4)、磁化淡水灌溉處理(magnetized 0 g/L saline solution irrigation, M0)及非磁化淡水灌溉處理(non-magnetized 0 g/L saline solution irrigation, NM0)。盆栽試驗(yàn),重復(fù)6次。5月初待扦插苗30 cm以上,按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別進(jìn)行4個不同處理的灌溉試驗(yàn),每隔5 d飽和灌溉1次。

1.3 樣品采集

于同年8月10日采集栽培容器中部根際土壤(10—15 cm),實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干去除殘根及石礫,過80目篩后用于微量元素(microelements)和有機(jī)碳(OC)、全氮(TN)和全磷(TP)含量及碳氮磷化學(xué)計(jì)量比(C/N, C/P, N/P)的測定分析。同時采集扦插苗中部成熟葉片和根系,經(jīng)自來水和去離子水反復(fù)沖洗,105℃殺青后80℃烘干至恒重,粉碎后過60目篩,用于微量元素和總碳(total carbon, TC)、全氮和全磷含量測定。

1.4 測定方法

(1)植物組織礦質(zhì)元素含量測定 Fe、Mn、Zn、Cu采用原子吸收分光光度法測定；總碳采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法；全氮采用凱氏定氮法測定；全磷采用釩鉬黃比色法測定[16]。

(2)土壤礦質(zhì)元素含量測定 Fe、Mn、Zn、Cu全量(濃H2SO4-H2O2消煮)和有效態(tài)含量(ASI浸提法)采用原子吸收分光光度法測定；有機(jī)質(zhì)采用K2Cr2O7-H2SO4容量法；全氮采用凱氏定氮法；全磷采用鉬藍(lán)比色法；全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法[16]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013和SAS 9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,利用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan新復(fù)極差法(Duncan′s multiple-range)進(jìn)行差異顯著性分析(P< 0.05)；各營養(yǎng)元素之間的相關(guān)性分析采用SPSS 16.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 磁化微咸水灌溉對植株微量元素的影響

從表1中看出,不同處理之間葉片組織中Fe、Mn、Zn和Cu 4種微量元素含量差異顯著(P< 0.05)。與對照相比(M0, NM0),微咸水灌溉處理(M4, NM4)Fe含量降低,為16.6%—19.3%；Zn、Mn和Cu含量提高,分別為6.7%—17.6%、51.8%—61.7%和15.0%—29.8%,Zn含量提高幅度最大。與非磁化微咸水灌溉相比,磁化微咸水灌溉中Fe、Zn和Cu 3種元素含量提高,其中M0較NM0分別增加72.8%、4.8%和50.6%,M4較NM4分別增加78.5%、12.1%和33.4%。

微咸水灌溉根系組織中Fe、Mn、Zn含量呈降低趨勢,M4較M0分別降低3.9%、19.2%和23.4%,NM4較NM0分別降低20.5%、36.9%和25.2%,其中非磁化微咸水灌溉根系組織中Fe、Mn、Zn含量降低幅度大于磁化微咸水灌溉植株,磁化處理顯著提高了根系組織中Fe、Mn、Zn的含量(P< 0.05)。與非磁化微咸水灌溉相比,磁化微咸水灌溉Fe、Zn和Cu含量提高,M0較NM0分別提高24.5%、6.7%和4.0%,M4較NM4分別提高50.4%、9.3%和1.8%；Mn含量則降低,為13.3%和36.9%。

表1磁化微咸水灌溉條件下楊樹葉片和根系組織中Fe、Mn、Zn和Cu四種微量元素含量

Table1ThecontentofFe,Mn,ZnandCuinleavesandrootsofPopulus×euramericana‘Neva’undermagnetizedbrackishwaterirrigation

處理Treatment葉片Leaf根系RootFe(μg/g)Mn(μg/g)Zn(μg/g)Cu(μg/g)Fe(μg/g)Mn(μg/g)Zn(μg/g)Cu(μg/g)M065．79±1．11a17．01±0．28b12．02±0．31c3．99±0．08b927．05±12．89a49．16±0．60b15．70±0．59a7．37±0．23aNM038．07±2．66c20．39±0．10ab11．47±0．16c2．65±0．29d744．43±9．21b55．69±0．35a14．71±0．12a7．09±0．22aM454．84±0．80b20．01±0．31c19．44±0．27a4．59±0．08a890．62±16．99a39．72±0．71c12．03±0．14b7．46±0．12aNM430．73±0．97d21．84±0．82a17．34±0．45b3．44±0．08c592．13±9．73c54．39±1．18a11．01±0．25b7．33±0．64a

M4：磁化微咸水灌溉magnetized 4 g/L saline solution irrigation,NM4：非磁化微咸水灌溉處理non-magnetized 4 g/L saline solution irrigation,M0：磁化淡水灌溉處理magnetized 0 g/L saline solution irrigation,NM0：非磁化淡水灌溉處理non-magnetized 0 g/L saline solution irrigation;表中數(shù)據(jù)為3次測定的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,同行中不同小寫字母表示處理間的差異達(dá)到顯著水平(P< 0.05)

2.2 磁化微咸水灌溉對植株碳氮磷養(yǎng)分含量的影響

葉片組織中總碳、全氮和全磷含量(表2)依次為：總碳>全氮>全磷?？偺己孔罡?達(dá)246.6—559.80mg/kg,較全氮和全磷含量分別高472.2%和207.7%。與對照相比(M0, NM0),微咸水灌溉處理葉片組織中總碳、全氮和全磷含量降低,其中總碳含量下降幅度最大,為28.9%—39.7%；M4較M0分別降低39.7%、4.3%和0.1%,NM4較NM0分別降低28.9%、8.1%和25.9%；C/N降低21.7%—36.9%,而對C/P和N/P比值無顯著影響。與非磁化微咸水灌溉相比,磁化微咸水灌溉提高了總碳和全磷含量及C/N比值,其中M0較NM0分別提高61.3%、65.5%和90.0%,M4較NM4分別提高37.0%、123.2%和53.1%。由此看出,磁化微咸水灌溉對葉片總碳有明顯的提高作用；全氮則降低10.5%—14.0%。

表2磁化微咸水灌溉條件下葉片和根系碳氮磷含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量比

Table2Thecontentoftotalcarbon,totalnitrogen,totalphosphorusandecologicalstoichiometryinleavesandrootsundermagnetizedbrackishwaterirrigation

處理Treatment葉片Leaf根系RootM0NM0M4NM4M0NM0M4NM4總碳(TC)/(mg/kg)Totalcarbon559．80±61．68a347．00±18．03b337．80±18．81b246．60±19．80b253．80±24．68c189．80±20．76c517．00±5．00a424．80±38．78b全氮(TN)/(mg/kg)Totalnitrogen65．15±0．99ab75．79±2．09a62．36±5．87b69．68±4．10ab100．10±5．64b174．88±35．40a86．24±4．31b156．66±24．10ab全磷(TP)/(mg/kg)Totalphosphorus287．01±16．82a173．41±10．44b286．75±41．18a128．45±9．70b59．34±12．84a49．96±9．82b40．40±3．63b46．49±1．96bC/N8．59±1．09a4．52±0．12b5．42±0．67b3．54±0．06b2．54±0．31bc1．09±0．42a5．99±0．68a2．71±0．65abC/P1．95±0．84ab2．00±0．24a1．18±0．13b1．92±1．35ab4．27±0．51c3．80±0．12d12．80±0．36a9．14±0．17bN/P0．23±0．08ab0．44±0．07b0．22±0．21ab0．54±0．13a1．69±0．21c3．50±0．08ab2．13±0．04b3．37±0．16a

根系組織中,與對照相比(M0, NM0),微咸水灌溉中總碳含量升高為103.7%—123.8%,C/N和C/P比值提高,M4較M0分別增加135.8%和201.4%,NM4較NM0分別提高148.6%和140.5%,但對N/P沒有明顯影響,由此看出,微咸水灌溉條件下,促進(jìn)了碳在根系中的積累；全氮和全磷含量則降低,M4較M0降低13.6%和31.9%,NM4較NM0降低10.4%和6.95%。與非磁化微咸水灌溉相比,磁化微咸水灌溉中,總碳含量、C/N和C/P比值提高,其中M0較NM0分別提高33.7%、133.0%和12.4%,M4較NM4分別提高21.7%、121.0%和40.0%；全氮含量和N/P比值降低,M0較NM0分別降低42.8%和45.0%,M4較NM4分別降低51.7%和36.8%；對全磷含量沒有顯著影響。

葉片和根系組織中,與葉片相比,根系中總碳、全氮、C/P 和 N/P比值略高于葉片,且磁化微咸水灌溉植株高于非磁化微咸水灌溉植株；全磷及C/N比值則略低,但磁化微咸水灌溉植株中全磷和C/N高于非磁化微咸水灌溉的植株。可見,磁化作用下植株葉片和根系組織中富碳能力提高。

2.3 磁化微咸水灌溉對土壤微量元素全量和有效態(tài)含量的影響

土壤微量元素全量的測定分析發(fā)現(xiàn),與對照相比(M0, NM0),微咸水灌溉土壤中Fe、Mn和Zn全量降低,其中M4較M0降低6.1%、13.8%和9.5%,NM4較NM0降低21.9%、7.2%和23.8%；Cu全量提高,分別為11.0%和19.6%,且各處理間呈顯著差異水平(P< 0.05)；與非磁化微咸水灌溉相比(NM0, NM4),磁化微咸水灌溉土壤中Fe、Mn和Zn含量提高,其中M0較NM0分別增加22.4%、28.3%和25.5%,M4較NM4分別提高47.0%、19.2%和49.1%,Cu全量則降低,分別為0.7%和8.1%,且各處理間總體呈顯著差異水平(P< 0.05)。

土壤微量元素有效態(tài)含量的測定分析發(fā)現(xiàn),與對照相比(M0, NM0),微咸水灌溉土壤中Fe、Mn和Zn含量提高,其中M4較M0分別提高49.7%、12.4%和18.9%,NM4較NM0分別提高3.6%、8.2%和8.6%,Cu有效態(tài)含量則降低,分別為12.6%和5.0%,且各處理間總體呈顯著差異水平(P< 0.05)；與非磁化微咸水灌溉相比,磁化微咸水灌溉土壤中有效態(tài)Fe、Mn、Zn和Cu含量均降低,M0較NM0分別降低43.3%、43.1%、20.0%和16.8%,M4較NM4分別降低18.1%、40.9%、12.4%和23.4%。

表3 磁化微咸水灌溉對土壤微量元素全量含量和有效態(tài)含量的影響

2.4 磁化微咸水灌溉對土壤碳氮磷養(yǎng)分特征的影響

碳氮磷是土壤養(yǎng)分的重要組成部分,是影響土壤養(yǎng)分循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因子,其含量多少,會影響土壤微生物活動、凋落物分解速率和有機(jī)碳的累積。通過對有機(jī)碳、全氮、全磷的測定發(fā)現(xiàn)(表 4),3種營養(yǎng)元素在土壤中的含量大小依次為有機(jī)碳>全氮>全磷,與對照相比(M0, NM0),微咸水灌溉中土壤有機(jī)碳和全氮含量降低,其中M4較M0降低4.9%和31.9%,NM4較NM0降低24.3%和28.1%；全磷提高22.4%和38.0%。與非磁化微咸水灌溉相比,磁化微咸水灌溉土壤中有機(jī)碳和全氮含量提高,其中M0較NM0提高15.9%和61.8%,M4較NM4提高45.7%和53.1%；全磷降低,為25.0%和19.9%。

表4磁化微咸水灌溉土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量比

Table4Thecontentoforganiccarbon,totalnitrogen,totalphosphorusandecologicalstoichiometryinsoilundermagnetizedsalinewaterirrigation

處理Treatment有機(jī)碳(OC)Organiccarbon/(mg/kg)全氮(TN)Totalnitrogen/(mg/kg)全磷(TP)Totalphosphorus/(mg/kg)有機(jī)碳/全氮(C/N)Organiccarbonandtotalphosphorusratio有機(jī)碳/全磷(C/P)Organiccarbonandtotalphosphorusratio全氮/全磷(N/P)OrganiccarbonandtotalphosphorusratioM05570．99±59．18a3108．34±41．73a93．00±0．21d1．79±0．03b60．01±1．79a33．49±1．14aNM04807．02±132．59c1921．30±20．12c124．00±0．11b2．50±0．07a38．80±1．39c15．50±1．33cM45299．67±13．96b2117．09±26．85b113．80±0．14c2．47±0．03a45．96±1．11b18．60±1．16bNM43638．21±128．88d1382．47±5．35d142．00±0．10a2．63±0．10a25．62±1．65d9．74±0．94d

碳氮磷化學(xué)計(jì)量比(C/N/P)是土壤中碳素、氮素與磷素之間總質(zhì)量的比值,也是土壤生態(tài)計(jì)量學(xué)中的重要指標(biāo)。與對照相比(M0, NM0),微咸水灌溉土壤中C/P和N/P比值下降,其中M4較M0降低23.4%和44.5%,NM4較NM0降低34.0%和37.2%；C/N提高4.5%和5.2%, N/P下降幅度最大37.2%—44.5%。與非磁化微咸水灌溉相比,磁化微咸水灌溉土壤中C/P和N/P比值提高,M0較NM0提高54.7%和116.1%,M4較NM4提高79.4%和91.0%,磁化微咸水灌溉土壤中N/P提高幅度最大為91.0%—116.1%；C/N降低分別為28.4%和6.1%。

3 結(jié)論與討論

3.1 磁化微咸水灌溉影響植物養(yǎng)分特征和碳氮磷化學(xué)計(jì)量

葉片和根系組織中,磁化微咸水灌溉后植株Fe、Zn和Cu含量均高于非磁化微咸水灌溉植株,與王俊花等[17]對黃瓜、Harsharn 等[18]對雪豆和鷹嘴豆中微量元素含量的研究結(jié)果相似,這是由于植株體內(nèi)長期磁場效應(yīng)作用于養(yǎng)分的遷移所致。磁場的存在會使某些激素含量增加,如Turker等[19]發(fā)現(xiàn),磁場作用下提高了向日葵中赤霉素、吲哚乙酸、玉米素的含量,這可以刺激植物增強(qiáng)對營養(yǎng)元素的吸收。鐵在植物體內(nèi)的運(yùn)輸一般是通過木質(zhì)部,且與質(zhì)外體pH大小相關(guān),葉片中Fe含量降低,說明鐵由根系向葉片的運(yùn)輸能力較弱,這與韓振海等[20]對高pH抑制鐵吸收和運(yùn)輸?shù)难芯拷Y(jié)果一致,主要因?yàn)槲挥谫|(zhì)膜上的鐵還原酶活性受質(zhì)外體pH調(diào)控；根系和葉片F(xiàn)e含量提高,葉片顏色較深,這是由于磁化作用可以通過質(zhì)外體pH的調(diào)節(jié)影響鐵的跨膜運(yùn)輸和質(zhì)外體中鐵的活化,使被活化的鐵一部分通過跨原生質(zhì)膜運(yùn)輸至葉片參與葉綠素合成,另一部分釋放到介質(zhì)中[21]。元素Zn在葉片中累積量較高,這說明鹽分環(huán)境下受磁化作用影響,植株根部對Zn吸收能力較強(qiáng)、根部到葉片的傳輸能力較快,葉片對Zn的解毒和儲存能力增強(qiáng)[22]。Cu含量的多少對氮代謝、蛋白合成及光合作用產(chǎn)生影響,磁化作用維持了相對較高水平的Cu,這不僅可以增強(qiáng)蛋白的活性,還可以維持光合作用的正常進(jìn)行。

氮和磷是構(gòu)成各種蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)的重要元素,光合作用同化的碳是植物生理生化過程中的底物和能量的來源[23],其分配特征在養(yǎng)分循環(huán)過程中占據(jù)重要地位。微咸水灌溉后,葉片和根系中C含量最高但低于對照水平,這表示鹽分環(huán)境下,植株可以維持一定水平的C含量；葉片中P含量次之、N含量最少,即葉片中P累積量增加,而N富集量則降低,這與任書杰等[24]的研究結(jié)果略有差異；葉片中N含量的多少可以直接決定植物光合能力的強(qiáng)弱,N含量下降則說明光合能力降低。根系N含量低于C含量、P含量最低,這是由于土壤中大量可溶性P隨鹽分淋溶,導(dǎo)致耕層中P含量降低,同時鹽分離子的攝入,會影響有效態(tài)氮的含量水平以及植物對有效態(tài)氮的直接吸收利用。與非磁化微咸水灌溉相比,磁化微咸水灌溉后,葉片和根系均維持了相對較高水平的總碳和全磷含量,且葉片中累積量高于根系；全氮含量降低,且葉片中累積量低于根系；這說明磁化作用改變了植物碳氮磷三種營養(yǎng)元素的分布格局,并有利于C、P在植株體內(nèi)的富集。

C/N和C/P表示植物的生長速度與N、P利用效率之間的相關(guān)性,N/P比值反映植物生長受N或者P的限制情況[6,25]。磁化作用下,葉片中C/N比值提高、C/P和N/P比值下降,根系中C/N和C/P比值提高、N/P比值下降,另外,葉片和根系中C/N比值較非磁化灌溉中提高,且根系低于葉片,這說明根系是光合產(chǎn)物的暫時儲存和運(yùn)輸器官,適度較低的C/N比值則表示光合產(chǎn)物向外運(yùn)輸?shù)母咝?；N/P較低,維持在0.23—3.37,加之較低的N含量,說明在鹽分環(huán)境下,植株受N、P共同作用的同時更容易受N的影響,這與張珂等[26]的研究結(jié)果相似。相關(guān)性分析結(jié)果表明,根系中N含量均與葉片和根系中C、N、P含量呈負(fù)相關(guān),這體現(xiàn)了葉片-根系間養(yǎng)分吸收和分配的經(jīng)濟(jì)策略[27]。

植物微量元素與碳氮磷之間存在一定的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn),葉片和根系中C與Fe的相關(guān)系數(shù)最高。Fe在植物細(xì)胞呼吸、光合作用以及金屬蛋白的催化反應(yīng)等生理過程中發(fā)揮著重要作用,是關(guān)鍵的電子傳遞體,在植物生命活動中是不可或缺的[28]；Fe是葉綠體的主要構(gòu)成元素,葉綠體是進(jìn)行光合作用的重要場所,植物對光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化均是通過葉綠體上的類囊體膜實(shí)現(xiàn)的,是利用光能將CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物,釋放能量的過程,而CO2的同化循環(huán)過程的部位則是葉綠體基質(zhì)。因此,元素Fe的吸收和分配對調(diào)節(jié)碳循環(huán)來改善植物的光合效率具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn),Mn和Zn的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)與N的吸收和分配呈負(fù)相關(guān),這說明N與Mn、Zn之間存在拮抗作用,即隨著Mn和Zn在葉片和根系中的富集,降低了對N的積累,對于其作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

3.2 磁化微咸水灌溉促進(jìn)全量養(yǎng)分的積累和有效態(tài)養(yǎng)分的利用

土壤養(yǎng)分全量在一定程度上代表著土壤養(yǎng)分的源與庫以及某種養(yǎng)分的潛在供應(yīng)水平,有效態(tài)養(yǎng)分則是反映養(yǎng)分被植物吸收利用的有效性,二者綜合反映土壤養(yǎng)分狀況。研究發(fā)現(xiàn),微咸水灌溉后土壤微量元素全量較對照相比降低,微量元素有效態(tài)含量提高；磁化微咸水灌溉較非磁化微咸水灌溉維持了相對較高水平的全量養(yǎng)分和較低水平的有效態(tài)養(yǎng)分,對植物體內(nèi)養(yǎng)分含量的測定發(fā)現(xiàn),磁化微咸水灌溉提高了微量元素積累量。這說明,磁化作用下土壤在維持相對較高水平微量元素全量的同時,又促進(jìn)了植物體對有效態(tài)養(yǎng)分的吸收和利用。

植株體內(nèi)和土壤中,元素Fe含量最高,元素Cu含量最低,Kopittke等[29]發(fā)現(xiàn),土壤中有效態(tài)元素Cu與植物的生理特性密切相關(guān),含量過高會阻礙植物生長,長期鹽分環(huán)境植物可通過沉淀、絡(luò)合、降解等調(diào)節(jié)作用降低對Cu的吸收利用。因此,Cu含量降低而Fe含量升高是植物對環(huán)境的一種積極適應(yīng)方式,同時也說明磁化作用對土壤微量元素的改善狀況是一個長期而緩慢的過程。

3.3 磁化微咸水灌溉對碳氮磷養(yǎng)分特征的影響

有機(jī)碳是土壤不可或缺的肥力指標(biāo),參與全球碳循環(huán),其在土壤剖面中的垂直分布格局的差異是影響土壤碳動態(tài)的重要因素,也是土壤碳循環(huán)的重要研究內(nèi)容。研究發(fā)現(xiàn),土壤有機(jī)碳含量高于氮磷,且磁化微咸水灌溉維持了相對較高水平的有機(jī)碳含量,說明磁化作用有利于提高土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量和腐殖化系數(shù),改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤的固碳能力。土壤氮和磷是重要的營養(yǎng)元素,可直接反映生態(tài)系統(tǒng)中土壤的營養(yǎng)狀況。土壤氮含量是氮素礦化與積累平衡的結(jié)果[30],有機(jī)質(zhì)含量對氮的貢獻(xiàn)率最大,二者密切相關(guān)[31],有機(jī)質(zhì)在微生物作用下對礦質(zhì)碳的分解釋放,是作物可直接利用的土壤中有效氮的主要來源,也是影響土壤氮素礦化過程的主要因素[32]。研究發(fā)現(xiàn),土壤氮磷含量低于有機(jī)碳含量,磁化微咸水灌溉維持了相對較高水平的氮含量和較低水平的磷含量,說明磁化作用可以影響氮的礦化,并維持一定水平的有效氮供應(yīng)；土壤中磷含量降低,但植物體內(nèi)磷含量提高,表示磁化作用有利于有效化磷由土壤固相向土壤液相的釋放,水溶態(tài)磷含量及礦質(zhì)元素遷移速率提高,加速了植物體對磷的吸收利用。相關(guān)性分析表明二者與有機(jī)碳呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,這表示土壤本身對碳氮磷的固定具有一定的調(diào)節(jié)作用。

土壤碳氮磷比值是有機(jī)質(zhì)或其他成分中碳素、氮素與磷素的比值,是衡量土壤有機(jī)質(zhì)組成和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。C/N與土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率呈負(fù)相關(guān),C/N較低則礦化作用較強(qiáng),反之則較弱；C/P的降低則有利于土壤中微生物的活動以及對有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分的釋放,同時對有效態(tài)磷有一定的提高作用。磁化微咸水灌溉中,土壤有機(jī)碳含量提高,C/N則降低,說明鹽漬化生境中,磁化作用在促進(jìn)有機(jī)質(zhì)、有機(jī)氮分解和礦化的同時,也提高了土壤固定有機(jī)碳的能力。磁化微咸水灌溉中C/N比值降低,則表示氮超過微生物生長所需要的部分可以釋放到凋落物或土壤中,有機(jī)質(zhì)C/N比值與其分解速度成反比[34],說明鹽分環(huán)境下,受磁化作用影響有機(jī)質(zhì)的分解速度減緩,這不僅可以維持土壤微生物在生命活動過程中所需的碳素,也保證了微生物構(gòu)成自己身體所需的碳素來源[35],同時增強(qiáng)了土壤的固碳能力和氮的循環(huán)。微咸水灌溉中C/P和N/P比值降低,研究發(fā)現(xiàn) P屬空間變異性較小且易沉積的元素,變化較穩(wěn)定[36],其含量水平在90—140 mg/kg,低于我國土壤含磷量的平均水平(0.56 g/kg),這說明鹽漬化土壤中表現(xiàn)為磷缺乏現(xiàn)象；磁化作用下,土壤維持了相對較高水平C/P和N/P比值,這可以在一定程度上補(bǔ)充鹽分環(huán)境下氮素的不足,增強(qiáng)磷素的遷移速率,維持植株對氮磷的吸收。

[1] Alvarenga I C A, Boldrin P F, Pacheco F V, Silva S T, Bertolucci S K V, Pinto J E B P. Effects on growth, essential oil content and composition of the volatile fraction ofAchilleamillefoliumL. cultivated in hydroponic systems deficient in macro- and microelements. Scientia Horticulturae, 2015, 197: 329- 338.

[2] Wang S Y, Yu T Q, Wang J L, Yang L, Yang K, Lu P. Preliminary study on spatial variability and distribution of soil available microelements in Pinggu County, Beijing, China. Agricultural Sciences in China, 2008, 7(10): 1235- 1244.

[3] Rengel Z. Cycling of micronutrients in terrestrial eco-systems// Marschner P, Rengel Z, Eds. Nutrient cycling in terrestrial ecosystems. Berlin: Springer, 2007: 93- 121.

[4] Zeng W J, Wang W. Combination of nitrogen and phosphorus fertilization enhance ecosystem carbon sequestration in a nitrogen-limited temperate plantation of Northern China. Forest Ecology and Management, 2015, 341: 59- 66.

[5] 董曉玉, 傅華, 李旭東, 牛得草, 郭丁, 李曉東. 放牧與圍封對黃土高原典型草原植物生物量及其碳氮磷貯量的影響. 草業(yè)學(xué)報, 2010, 19(2):175- 182.

[6] Ren C J, Zhao F Z, Kang D, Yang G H, Han X H, Tong X G, Feng Y Z, Ren G X. Linkages of C:N:P stoichiometry and bacterial community in soil following afforestation of former farmland. Forest Ecology and Management, 2016, 376: 659- 66.

[7] Deng J, Sun P S, Zhao F Z, Han X H, Yang G H, Feng Y Z, Ren G X. Soil C, N, P and its stratification ratio affected by artificial vegetation in subsoil, Loess Plateau China. PloS One, 2016, 11 (3): e0151446.

[8] Zechmeister-Boltenstern S, Keiblinger K M, Mooshammer M, Peuelas J, Richter A, Sardans J, Wanek W. The application of ecological stoichiometry to plant-microbial-soil organic matter transformations. Ecological Monographs, 2015, 85(2): 133- 155.

[9] Carol E, García L, Borzi G. Hydrogeochemistry and sustainability of freshwater lenses in the Samborombón Bay wetland, Argentina. Journal of South American Earth Sciences, 2015, 60: 21- 30.

[10] Ahmed B A O, Inoue M, Moritani S．Effect of saline water irrigation and manure application on the available water content, soil salinity, and growth of wheat．Agricultural Water Management, 2010, 97(1): 165- 170．

[11] Hozayn M, Mohamed S A Q A. Magnetic water application for improving wheat (TriticumaestivumL.) crop production. Agriculture & Biology Journal of North America, 2010, 1(4): 677- 682.

[12] Constable S. Marine electromagnetic methods-a new tool for offshore exploration. The Leading Edge, 2006, 25(4): 438- 444.

[13] Khoshravesh M, Mostafazadeh-Fard B, Mousavi S F, Kiani A R. Effects of magnetized water on the distribution pattern of soil water with respect to time in trickle irrigation. Soil Use and Management, 2011, 27(4): 515- 522.

[14] Mostafazadeh-Fard B, Khoshravesh M, Mousavi S F, Kiani A R. Effects of magnetized water and irrigation water salinity on soil moisture distribution in trickle irrigation. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, American Society of Civil Engineering, 2011, 137(6): 398- 402.

[15] Maheshwari B L, Grewal H S. Magnetic treatment of irrigation water: Its effects on vegetable crop yield and water productivity. Agricultural Water Management, 2009, 96(8): 1229- 1236.

[16] 章家恩. 生態(tài)學(xué)常用實(shí)驗(yàn)研究方法與技術(shù). 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

[17] 王俊花, 樊敬前, 邵林生, 王瑞剛, 白玉林, 郭瑞萍, 閆建賓. 磁化水對黃瓜葉片微量元素含量的影響. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2006, 22(7): 290- 293.

[18] Grewal H S, Maheshwari B L. Magnetic treatment of irrigation water and snow pea and chickpea seeds enhances early growth and nutrient contents of seedlings. Bioelectromagnetics, 2011, 32(1): 58- 65.

[19] Turker M, Temirci C, Battal P, Erez M E. The effects of an artificial and static magnetic field on plant growth, chlorophyll and phytohormone levels in maize and sunflower plants. Phyton- Annales Rei Botanicae, 2007, 46: 271- 284.

[20] 韓振海, 許雪峰. 不同鐵效率果樹基因型研究的現(xiàn)狀和前景[J]. 園藝學(xué)年評. 北京:科學(xué)技術(shù)出版社, 1995: 1- 16.

[21] Briat J F, Dubos C, Gaymard F. Iron nutrition, biomass production, and plant product quality. Trends in Plant Science, 2015, 20(1): 33- 40.

[22] Tang L, Yao A J, Yuan M, Tang Y T, Liu J, Liu X, Qiu R L. Transcriptional up-regulation of genes involved in photosynthesis of the Zn/Cd hyperaccumulatorSedumalfrediiin response to zinc and cadmium. Chemosphere, 2016, 164: 190- 200.

[23] 楊慧敏, 王冬梅. 草-環(huán)境系統(tǒng)植物碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)及其對環(huán)境因子的影響研究進(jìn)展. 草業(yè)學(xué)報, 2011, 20(2): 244- 252.

[24] 任書杰, 于貴瑞, 陶波, 王紹強(qiáng). 中國東部南北樣帶654種植物葉片氮和磷的化學(xué)計(jì)量學(xué)特征研究. 環(huán)境科學(xué), 2007, 28(12): 2665- 2673.

[25] Khan K S, Mack R, Castillo X, Kaiser M, Joergensen R G. Microbial biomass, fungal and bacterial residues, and their relationships to the soil organic matter C/N/P/S ratios. Geoderma, 2016, 271: 115- 123.

[26] 張珂, 何明珠, 李新榮, 譚會娟, 高艷紅, 李剛, 韓國君, 吳楊楊. 阿拉善荒漠典型植物葉片碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量特征. 生態(tài)學(xué)報, 2014, 34(22): 6538- 6547.

[27] Sterner R W, Elser J J, Vitousek P. Ecological stoichiometry: the biology of elements from molecules to the biosphere. Princeton: Princeton University Press, 2002: 87- 104.

[28] Colangelo E P, Guerinot M L. Put the metal to the petal: metal uptake and transport throughout plants. Current Opinion in Plant Biology, 2006, 9(3): 322- 330.

[29] Kopittke P M, Menzies N W. Effect of Mn deficiency and legume inoculation on rhizosphere pH in highly alkaline soils. Plant and Soil, 2004, 262(1/2): 13- 21.

[30] Jian S Y, Li J W, Chen J, Wang G S, Mayes M A, Dzantor K E, Hui D F, Luo Y Q. Soil extracellular enzyme activities, soil carbon and nitrogen storage under nitrogen fertilization: A meta-analysis. Soil Biology and Biochemistry, 2016, 101: 32- 43.

[31] Koikkalainen R K, Dawson L A, Mayes R W, Smith J U. Effect of plant species, nitrogen fertilizer and grass age on the dynamics of intra-aggregate SOM. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(5): 1104- 1107.

[32] Antisari L V, Marinari S, Dell′Abate M T, Baffi C, Vianello G. Plant cover and epipedon SOM stability as factors affecting brown soil profile development and microbial activity. Geoderma, 2011(3/4), 161: 212- 224.

[33] Zhang L, Sun X Y, Tian Y, Gong X Q. Biochar and humic acid amendments improve the quality of composted green waste as a growth medium for the ornamental plantCalatheainsignis. Scientia Horticulturae, 2014, 176: 70- 78.

[34] Sorrenti G, Toselli M, Marangoni B. Use of compost to manage Fe nutrition of pear trees grown in calcareous soil. Scientia Horticulturae, 2012, 136: 87- 94.

[35] Don A, R?denbeck C, Gleixner G, Unexpected control of soil carbon turnover by soil carbon concentration. Environmental Chemistry Letters, 2013, 11(4): 407- 413.

[36] 張立華, 陳小兵. 鹽堿地檉柳“鹽島”和“肥島”效應(yīng)及其碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2015, 26(3): 653- 658.

Effectsofmagnetizedbrackishwaterontheabsorptionanddistributionofmicroelements,carbon,nitrogenandphosphorusinPopulus×euramericana‘Neva’

LIU Xiumei1,2, BI Sisheng1,2, ZHANG Xinyu1,2, ZHU Hong1,2, XIN Xianbin1,2, MA Fengyun1,2, WANG Huatian1,2,*, ZHONG Fengwei3

1CollegeofForestry,ShandongAgriculturalUniversity,Tai′an271018,China2KeyLaboratoryofSilvicultureinUniversitiesofShandong(ShandongAgriculturalUniversity),Tai′an271018,China3TaishanResearchInstituteofForestryScience,Tai′an271000,China

Soil salinity can affect the absorption and transportation of mineral nutrition of plants, and the nutritional retaining of the soil. To investigate the nutritional supply-demand relationship between soil and plants under soil salinity conditions, we performed irrigation experiments using one-year old ofPopulus×euramericana‘Neva’ seedlings, and the contents of microelements, carbon, nitrogen and phosphorus and ecological stoichiometry were analyzed. The results showed that: (1) Under non-magnetized brackish water (NMBW) irrigation, the Fe content in both leaves and roots was decreased, whereas the Cu content was increased, and the Zn and Mn contents were increased in leaves and decreased in roots. The total carbon content of leaves and roots was promoted by NMBW irrigation, whereas the total nitrogen and phosphorus contents were reduced; the C/N ratio decreased in leaves was decreased, while the C/N and C/P ratios were elevated in roots. (2) Under magnetized brackish water (MBW) irrigation, the contents of Fe, Zn and Cu were improved in both leaves and roots, and Mn contents was decreased. The total carbon and phosphorus contents and C/N ratio of leaves were increased, while the N content was decreased; and the total carbon content, and C/N and C/P ratios of roots were promoted. (3) Under NMBW irrigation, the Fe, Mn, Zn and Cu contents of the soil were decreased, whereas the content of available microelements were increased; and the organic carbon and total nitrogen contents, and the C/P and N/P ratios were decreased, but the total phosphorus content and the C/N ratio were increased. (4) The total content of Fe, Mn and Zn of the soil were improved by MBW irrigation, as were the available content of Fe, Mn, Zn and Cu, whereas the total Cu content decreased. The organic carbon and total nitrogen contents, and the C/P and N/P ratios in soil were all increased. Therefore, the magnetization improved the absorption and distribution of microelements in plants and could also improve the N sequestration capacity of soil and the C supply of plants. Moreover, the magnetization could increase the Fe content and C/N ratio of plants under salinity conditions, which could maintain normal photosynthesis rates and improve plant growth and development under salt-stress.

magnetization; brackish water; microelements; carbon; nitrogen; phosphorus; ecological stoichiometry

國家引進(jìn)國際先進(jìn)林業(yè)科學(xué)技術(shù)計(jì)劃(2011- 4- 60);山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新資助項(xiàng)目(魯財(cái)農(nóng)指〔2016〕36號)

2016- 07- 29; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 06- 01

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wanght@sdau.edu.cn

10.5846/stxb201607291556

劉秀梅, 畢思圣, 張新宇, 朱紅, 辛顯彬, 馬風(fēng)云, 王華田, 仲鳳維.磁化微咸水灌溉對歐美楊I(lǐng)- 107微量元素和碳氮磷養(yǎng)分特征的影響.生態(tài)學(xué)報,2017,37(20):6691- 6699.

Liu X M, Bi S S, Zhang X Y, Zhu H, Xin X B, Ma F Y, Wang H T, Zhong F W.Effects of magnetized brackish water on the absorption and distribution of microelements, carbon, nitrogen and phosphorus inPopulus×euramericana‘Neva’.Acta Ecologica Sinica,2017,37(20):6691- 6699.