刘 俏,林 勇,胡小飞,吴安琪,叶学敏,陈伏生,*

1 江西农业大学林学院江西省森林培育重点实验室,南昌 330045 2 江西农业大学鄱阳湖流域森林生态系统保护与修复国家林业和草原局重点实验室,南昌 330045 3 南昌大学管理学院,南昌 330031

锌(Zn)和硒(Se)是人体必不可少的元素[1-2],具有保护心脏、提高免疫力、抗肿瘤和衰老等作用[3-5]。调查研究表明,我国大部分人口对Zn和Se这两种元素摄取不足[6-7]。为缓解人体Zn和Se缺乏的症状,可种植从自然土壤中吸收富集Zn和Se的作物,通过直接食用(如大米和茶籽油)或浸泡饮用(如茶叶)等方式供人体吸收利用,从而有效补充[3,6]。与此同时,Zn和Se在植物体的含量虽然不高,但参与植物许多重要的生理代谢过程,在植物生长发育过程中也有着不可或缺的作用[8- 9]。Zn和Se如何被作物吸收、利用一直受到关注,但其在作物体内吸收与分配过程还有待研究。

氮(N)、磷(P)是作物生长所需要的矿质营养元素[10],对作物生理功能和生长发育具有重要影响。N添加可促进根系活力、增加叶绿素含量；P添加有利于多发新根,提高作物抗寒、抗旱能力[11]。同时,N、P易与Zn、Se等中微量元素发生耦合作用[12],进而影响作物对矿质营养的吸收。研究表明,N和/或P添加将增加或减少作物Zn、Se、铝(Al)、钙(Ca)、铁(Fe)、铜(Cu)和锰(Mn)等元素的含量[12-14]；而Zn、Se等中微量元素的有效性增加会对作物N、P利用起催化或抑制作用。矿质元素此消彼长的关系不仅影响作物品质和产量,且与作物主要生化成分密切相关。植物体不同器官对矿质元素的吸收利用具有选择性[15],故各器官对N、P与中微量元素调控的吸收积累存在差异,但有关N、P与Zn、Se等中微量元素耦合在植物体不同器官的元素分配机制尚不明确[16]。因此,探讨N、P对中微量元素吸收积累的调控,可揭示常规施肥对中微量元素迁移和富集的潜在影响,为食品安全和农业生产提供参考。

茶树(Camelliasinensis)是亚热带重要的经济作物,喜生于光热条件好、空气湿度大的酸性丘陵地带；江西独特的地质地貌,使其成为我国重要的茶树种植区。微量元素对饮茶者健康有益,是茶叶自然品质的重要指标[17],而茶树又具有吸收和富集Zn、Se等中微量元素的潜能。基于此,本研究以福鼎大白茶树为对象,通过往土壤中添加Zn、Se并进行N、P调控,探讨不同施肥处理对茶树不同器官Zn、Se、Al、Ca、Fe、Cu和Mn含量的影响,拟重点回答以下问题：(1)外源Zn+Se添加是否提高茶树体,特别是茶叶Zn和Se含量；(2)N、P肥是否影响茶树对Zn、Se的吸收及其分配,从而改变茶叶Zn和Se含量；(3)Zn、Se、N和/或P肥添加如何交互作用于茶树其他中微量元素的吸收和分配。研究结果为栽培含Zn富Se茶提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江西省南昌县黄马乡(28°20′ N,116°01′ E),平均海拔约30 m。该区为亚热带季风气候区,气候温和、降雨充沛,年均气温17.5℃左右,年降雨量1700 mm左右,年平均相对湿度为78.5%。研究样地处于典型的红壤丘陵区,保水保肥效果较好。茶树种植土壤有机质为19.90 g/kg、全氮为1.50 g/kg、全磷为0.87 g/kg、矿质氮为8.43 mg/kg、有效磷为15.80 mg/kg、pH为4.05[12],适合茶树生长。

1.2 试验设计

本实验以种植于红壤丘陵区30 a生福鼎大白茶树为研究对象,平均株高1.2 m,平均主干基径3—5 cm。按5种处理3次重复完全随机化区组进行试验设计。每个区组选取5个大小为3 m×4 m样方且间距不小于3 m,每个样方种植30株(3行×10株)福鼎大白茶树,样方内设2空白条带之间夹着1样地条带,随机布设5种施肥处理,每个处理之间有间隔。5种处理每块样方施肥种类及1月的剂量分别为：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)和对照(CK,仅灌水)。5种施肥处理每次均按照对应的化学试剂(均为分析纯)和施肥量溶解于12 L水中,均匀的灌溉12 m2土壤(距离根茎30 cm的地方)。土壤中Zn、Se、N和P每次添加量分别相当于33.3 mg/m2、0.833 mg/m2、0.417 g/m2和0.208 g/m2。2011年3月开始进行施肥(选择连续3天以上天晴)处理,且每月进行一次施肥,共24次,期间样地内进行合理的经营管理措施。

1.3 样品采集与测定

于2013年3月(当月不施肥)进行取样。在每个样方内随机选取3株具有代表性的茶树,采用挖掘法把茶树全株取出,尽量避免损害根系,保存茶树的完整性。地下器官根据根系根序分级理论将收集到的根系分为吸收根(即顶端的1—3级)、运输根(4—5级)、储藏根(5级以上,且直径<8 mm)[18]；地上器官根据年龄分为茶叶(一芽两叶)和成熟叶。将植物样品先用清水洗净,再用去离子水冲洗,将同一样方内的3株植物样品进行混合,晾干,置于烘箱中105℃杀青30 min后,65℃烘至恒重,粉碎,过0.25 mm筛,测定各元素含量。样品Al含量测定参照肖乐勤[19]改良后石墨炉原子吸收光谱法；Ca、Fe、Mn、Cu、Zn含量采用HNO3-HC1O4消煮ICP-AES测定[20]；Se含量采用原子荧光测定[21]。

1.4 数据处理

采用Excel 2017和SPSS 17.0软件对数据进行处理和统计分析。采用双因素(施肥处理和不同功能根或不同年龄叶)和最小显著性差异(LSD)法进行5种施肥处理、3种不同功能根系和2种不同年龄叶片的方差分析及多重比较(α=0.05)。茶树体不同器官Zn、Se含量采用Pearson法进行相关性分析。利用SigmaPlot 10.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 茶树体Zn、Se元素对外源N、P、Zn、Se添加的响应

双因素方差分析结果表明,施肥处理显著影响茶树地下和地上器官Zn和Se含量(P<0.05)；地下不同功能根之间Zn含量差异显著,而Se含量差异不显著,但地上不同年龄叶片Zn和Se含量均差异显著；施肥处理与地下或地上器官对Zn和Se含量的交互作用均不显著(表1)。外源养分添加后,茶树吸收根、运输根、茶叶、成熟叶的Zn含量显著高于CK；施肥处理中,地下不同功能根系Se含量均表现为Zn+Se+N+P处理下最高,Zn+Se+P处理次之,Zn+Se+N处理最低,而地上茶叶和成熟叶Se含量均表现为Zn+Se+N、Zn+Se+P、Zn+Se+N+P处理显著高于CK、Zn+Se处理(图1)。此外,Zn含量总体表现为吸收根>运输根>储藏根,茶叶高于成熟叶；Se含量为成熟叶高于茶叶(图1)。

图1 茶树地下和地上器官中Zn、Se含量对外源N、P、Zn、Se添加的响应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不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)不同大写字母表示器官间差异显著(P<0.05)

表1 N、P、Zn、Se添加和地下、地上器官及交互作用对茶树Zn、Se及其他中微量元素影响的方差分析

2.2 茶树体Al、Ca元素对外源N、P、Zn、Se添加的响应

双因素方差分析结果表明,施肥处理、地下器官及其交互作用对Al含量均影响显著,而地上器官Al含量仅表现为不同年龄叶片之间差异显著,施肥处理及交互作用的影响均不显著；茶树Ca含量仅表现为地下不同功能根系之间和地上不同年龄叶片之间差异显著,施肥处理及交互作用的影响均不显著(表1)。外源养分添加后,茶树吸收根和运输根Al含量显著高于CK(图2),其中Zn+Se、Zn+Se+N、Zn+Se+P、Zn+Se+N+P处理吸收根的增幅为55.00%、56.00%、63.17%、60.50%；运输根的增幅分别为52.22%、56.11%、51.29%、59.84%。Al含量总体表现为吸收根>运输根>储藏根,成熟叶高于茶叶；Ca含量为成熟叶高于茶叶(图2)。

图2 茶树地下和地上器官中Al、Ca含量对外源N、P、Zn、Se添加的响应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 茶树体Fe、Cu、Mn元素对外源N、P、Zn、Se添加的响应

双因素方差分析结果表明,施肥处理对地下器官Fe、Cu、Mn含量影响显著,而对地上器官Fe、Cu、Mn含量影响均不显著；地下不同功能根系之间仅Fe、Cu含量差异显著,而地上不同年龄叶片之间Fe、Cu、Mn含量均差异显著；施肥处理和地下器官的交互作用仅表现为对Fe的影响(表1)。与CK相比,施肥处理显著提高吸收根和运输根Fe含量,Zn+Se、Zn+Se+N处理显著提高储藏根Fe含量；以及施肥处理显著提高储藏根Cu含量；运输根Mn含量为Zn+Se+N、Zn+Se+P、Zn+Se+N+P处理显著高于CK和Zn+Se处理,储藏根Mn含量为Zn+Se+N+P处理显著高于其他处理(图3)。此外,Fe含量总体为吸收根高于运输根和储藏根,成熟叶高于茶叶；Cu含量为吸收根高于运输根和储藏根,茶叶高于成熟叶；Mn含量为成熟叶显著高于茶叶(图3)。

图3 茶树地下和地上器官中Fe、Cu、Mn含量对外源N、P、Zn、Se添加的响应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 茶树不同器官中Zn、Se含量的相关性分析

相关性分析表明,茶叶和成熟叶Zn含量均与吸收根呈显著正相关,成熟叶Zn含量仅与运输根呈显著正相关；而茶叶和成熟叶Se含量仅与储藏根呈显著正相关(表2)。可见,Zn、Se元素在茶树中的迁移途径有别。

表2 茶树不同器官中Zn、Se含量的相关性分析

3 讨论

茶树是一种富含多种中微量元素的作物,其生长发育往往会受到外界环境和土壤状况等多种因素的影响[12,22]。外源养分添加至土壤,会打破其原本的元素分配状况,进而改变茶树各器官对元素的吸收和分配,最终影响茶树生长及茶叶自然品质[12]。本研究表明,Zn+Se处理显著提高了茶树器官Zn、Se含量,较好地回答了科学问题一,即茶树具有较强吸收和积累Zn和Se的能力。可能原因包括：茶树可通过根系从土壤中吸收Zn来活化体内一些酶促反应,增强光合作用,促进叶片对CO2的同化[23]；吸收Se可增强根系养分吸收和转化速度,进而提高茶树体内过氧化物酶活性,增加其抗逆性[3]。显然,茶树可通过吸收和累积Zn、Se来维持和促进其正常生长。正如Yang等[12]研究发现,富Zn和富Se土壤可以释放更多的Zn、Se离子,这些离子通过根系被茶树吸收、积累,进而增加其器官中Zn、Se含量,提高茶叶的自然品质。同时Dai等[8]在研究大白菜时也发现,土壤中添加Zn、Se可以提高根叶抗氧化酶、叶绿素和脂质过氧化物的含量,进而提高作物的耐受性和生理状态,促进器官对Zn、Se的吸收。段晓琴和赵永亮[24]发现在土壤中施用Zn和Se后,油菜茎叶中的Zn和Se浓度较对照显著升高。多数研究也表明,植物组织Zn和Se含量与土壤Zn、Se含量呈正相关[25-26]。以上研究结果都证实,向土壤中添加Zn、Se不失为提高茶树器官,特别是茶叶Zn、Se含量的有效措施之一,这为培育高品质锌硒茶提供了数据支持。

N和P均是生态系统中重要的营养元素和限制性养分,故土壤中添加N、P往往可促进作物的生长[11]；同时N、P也易与Zn、Se等中微量元素发生耦合互作,进而改变作物的吸收与分配[12]。本研究发现,N和/或P肥调控Zn和Se肥后仅会显著增加茶树地上器官的Se含量,回答了科学问题二,即N、P显著增加了茶叶Se的累积。刘世亮等[27]研究发现N、P、K和Zn、Se处理显著增加紫花苜蓿Se含量和有机Se转化率。龙世方等[28]也发现N、P、K和Se配施可达到水稻富硒、高产的目标。而造成本研究N、P显著增加茶叶Se的累积可能原因包括：N肥施入促进茶树生长发育,增加茶叶对Se的吸收和积累[29]；而P肥则通过对土壤Se进行内源调控,改善茶树根际微生物群落结构,为有机肥的分解提供更适宜的土壤环境,而土壤有机质增加可通过微生物的矿化分解释放出Se[30]。为此,N和/或P肥与Zn和Se肥配施可以增加茶叶中的酶活性,增加其抗氧化活性[12],从而提高Se的利用率及茶叶中Se含量[31]。同时,本研究发现,Zn含量并未因N和P添加与否而显著变化。推断估计与施用P肥有关,P肥引起作物根系形态改变,导致与植物根系共生的菌根数量减少,在一定程度上抑制N的作用,进而限制了茶树对Zn的吸收能力[12,13,3-2]。此外,有研究发现施P可降低根系分泌活化土壤Zn的低分子有机酸,从而减少植物对Zn的吸收[33]。可见,N、P添加是促进茶叶富Se的有效措施之一,但对Zn的吸收积累未见显著效应。

Zn、Se、N和/或P肥添加除直接影响茶树各器官Zn、Se的含量外,其耦合作用还改变茶树体相关中微量元素在各器官的分配。本研究发现,在Zn、Se、N和/或P肥添加下,各元素在茶树各器官的响应是不同的,地下器官的响应比地上器官强,可能主要源于根系可吸收积累较多中微量元素(Al、Fe、Zn和Cu等)[16],且一些元素与根的结合方式往往较地上枝和叶更多。本研究中,茶树吸收根和运输根Fe含量显著增加,可能是因为根系易分泌柠檬酸的小分子有机酸,增强根部对Fe的吸收和利用,且Fe的活性较低,向上运输能力较弱[34],所以大部分Fe累积在吸收根和运输根中。而根系Al含量显著增加,可能主要缘于土壤Al易与P在根系表面发生吸附-沉淀反应,且N添加增加了根系活性[35],导致Al向上运输的量减少,在吸收根和运输根富集。同时,茶树体内各元素在一定程度上存在竞争抑制的效应,例如：Al含量过多会抑制茶树对Cu的吸收,本研究中Al多积累于吸收根与运输根,这在一定程度上会抑制Cu的累积,但Cu与根细胞的结合性较强,故导致施肥后储藏根Cu含量显著增加。此外,土壤Mn有效性因外源养分添加驱动根系向土壤分泌大量有机酸而增加[36],根系从土壤中吸收Mn2+及其他形态的Mn来满足生长,但多集中于年老器官,如运输根和储藏根,而在幼嫩器官分配较少。Ca为难以移动的元素,易形成不溶性Ca盐沉淀而固定,不易受其他元素耦合的影响[37]。可见,与未添加相比,外源养分添加下中微量元素在各器官的耦合效应各异,但地上器官,特别茶叶中未添加的中微量元素含量维持基本不变,这可较好地保障茶叶的食用安全性。

4 结论

土壤外源Zn、Se供应可提高茶树组织中Zn和Se含量,且施N和/或P肥有助于提高Se利用率,增加茶叶Se含量；其Zn和Se含量与国家标准规定相一致(国家标准规定,Se含量为0.25—4.00 mg/kg(NY/T600- 2002),Zn含量为35.00±2.00 mg/kg(GSB- 30)),处于食品安全及人体健康的范围之内。Al、Ca、Cu、Fe和Mn的响应规律不一致,但主要集中在地下器官,地上器官并未有显著增加或降低,可规避Al、Ca、Cu、Fe和Mn等5种金属元素通过饮茶造成的毒害风险。研究结果为红壤丘陵区栽培高品质锌硒茶提供了新的证据,或许是人体补充Zn和Se有效便捷的途径之一。

致谢：江西省蚕桑茶叶研究所提供研究基地,陈希和李敬等完成野外试验及采样工作,特此致谢。