钙、硅对酸雨胁迫下小麦生长及养分吸收影响.doc

钙、硅对酸雨胁迫下小麦生长和养分吸收的影响*
应用生态学报
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY
1999年 第10卷 第5期 Vol.10 No.5 1999

梁永超　沈其荣　张爱国　沈振国
【摘要】　采用盆栽试验方法研究了在模拟酸雨胁迫下施用碳酸钙和硅酸钠对红壤酸化、土壤活性铝和速效养分含量以及小麦生长、养分吸收与积累的影响.结果表明，短期内(2个月）喷施pH3.0的酸雨对红壤酸化有一定的促进作用，但对小麦生长无显著不良影响，反而因酸雨中含有N、S、K等营养元素，可起到一定的促进作用.施用碳酸钙和硅酸钠具有抑制土壤酸化、降低活性铝的作用，但碳酸钙用量应控制在2.0g.kg-1以下，否则将降低土壤磷的生物有效性，抑制小麦生长.与此相反，硅酸钠的施用则大幅度提高土壤有效磷含量，促进小麦对P的吸收和利用，同时也有利于N、K等元素的利用，从而显著促进作物生长.此外，Si还具有显著提高作物抗麦蚜危害的能力.
关键词　铝毒　钙　硅　酸雨　小麦
Effect of calcium and silicon on growth of and nutrient uptake by wheat exposed to simulated acid rain.
Liang Yongchao, Shen Qirong, Zhang Aiguo and Shen Zhenguo
(College of Natural Resources，Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095).
-Chin.J.Appl.Ecol.,1999,10(5):589～592.
Pot experiments were conducted to study the effect of calcium carbonate and sodium silicate on the acidification of red soil, and on the growth of and nutrient uptake by wheat (Tritum aestivum cv. Yangmai No.5) exposed to simulated acid rain. The result indicated that the deposition of simulated pH3.0 acid rain onto the foliage of wheat decreased soil pH to some degree, which had no inhibitory, but promotion effect on wheat growth, due to its contained N, S, and K elements. Applying calcium carbonate and sodium silicate to the soil before exposure, inhibited soil acidification and aluminum activation. However, the application rate of carbonate should be no more than 2.0g.kg-1, otherwise, it would considerably decrease the bio-availability of soil phosphorus, and inhibited plant growth. In contrast, adding silicate significantly increased soil available phosphorus content, and enhanced the uptake of phosphorus　as well as nitrogen and potassium by wheat. Additionally, the Si-fed wheat plants were found to be more resistant to wheat aphid.
Key words　Aluminum toxicity, Calcium, Silicon, Simulated acid rain, Wheat.
1　引　　言
　　酸雨是重要的生态环境问题之一.我国自80年代以来，酸雨现象日趋严重，造成了对森林、水体和农田生态系统的直接或间接危害.据报道，仅两广地区耕地受酸性沉降污染影响面积约为5.07×106hm2，减产损失估计为3亿多元［4 ］.刘燕云等［1］的研究则表明，pH 2.8的酸雨外加SO2处理对白菜、油菜生长有明显的抑制作用，可使蔬菜减产8%～29%.不同作物对大气酸沉降的敏感性差异较大，蔬菜属敏感型作物，小麦、玉米、薯类为中等抗性型作物，而大豆、水稻、花生为抗性作物［1］.
　　防治土壤酸化常用的有效措施是施用Ca质碱性物质.此类物质除了能中和土壤酸度外，其中的Ca具有提高作物抗性的功效.据报道［2］，在酸雨胁迫下加Ca可稳定甜瓜幼苗叶片的质膜结构，降低膜透性，强化对酸雨胁迫的抗衡能力.但是，若用量不当会产生如养分不平衡等不良反应，影响作物的生长.Si对水稻、小麦等禾本科作物的健康生长具有显著促进作用［5，11，13］.据报道［7，9］，在水培条件下Si对减轻作物铝胁迫程度、促进作物生长具有显著作用.但是，土培条件下尚少见报道.本文采用盆栽法研究硅、钙肥对酸雨胁迫下土壤酸化、速效养分变化、小麦生长、养分吸收与积累的影响及其作用机制，为防治土壤酸化、减轻酸雨对作物的危害性提供理论基础和实用方法.
2　材料与方法
2.1　试验设计与生长条件
　　本研究采用盆栽试验法，供试土壤为红壤，采自江西铅山，母质为玄武岩.土壤pH为5.44，有机质含量为22.70g.kg-1，土壤全氮1.35g.kg-1，速效氮151.0mg.kg-1，速效磷10.4mg.kg-1，速效钾70.5mg.kg-1，活性铝1058.8mg Al.kg-1.每钵装风干土3kg.氮肥(硫铵)、磷肥(磷酸二氢钾)和钾肥(磷酸二氢钾+硝酸钾)一次性以基肥施入，施入量为0.3gN、0.2g P2O5、0.3g K2O.kg-1土.
　　试验Ⅰ：设对照Ⅰ(不喷酸雨)、对照Ⅱ(喷酸雨)、加Ca(施碳酸钙的土壤喷酸雨)、加Si(施硅酸钠的土壤喷酸雨) 4个处理.每个处理3次重复.碳酸钙和硅酸钠作基肥施入，用量分别为3.5和4.0g.kg-1土.模拟酸雨按修改的青长乐(1988)［3］的配方配制，每升水加入KNO3 1.52mg，NaNO3 0.51mg，(NH4)2SO4 5.35mg，H2SO4 3.58mg.pH 调至3.0. 挑选匀称小麦种子(扬麦5号)用1.0gHgCl2 L-1消毒10min、蒸馏水冲洗干净后置于铺有滤纸的瓷盆上，然后放在25℃的恒温箱内催芽.待种子萌发后播入盆钵中，每钵播15粒.当麦苗出现一叶一心时，进行间苗，每钵留10苗.除对照Ⅰ外，出苗后第5天起不定期每钵浇施pH3.0的酸雨50ml，共施用12次，总计600ml.生长8周后收获麦苗，小心洗净根际土后分成根和茎叶，分别置于烘箱中烘干、称重并磨细用于N、P、K的测定.同时采集0～15cm土层土样，经风干、磨细过60目筛后用于测定土壤pH、有效硅、活性铝和水溶性Ca2+、Mg2+和SO42-.
　　试验Ⅱ：设对照(喷酸雨)、Ca1(施用碳酸钙1.0g.kg-1的土壤喷酸雨)，Ca2(施用碳酸钙2.0g.kg-1的土壤喷酸雨)和Ca3(施用碳酸钙3.0g.kg-1的土壤喷酸雨)4个处理，每个处理3次重复，其它试验条件同试验Ⅰ.生长8周后收获麦苗，经烘干、称重、磨细后供N、P、K分析用.同时采集土样用于土壤pH、速效氮、磷、钾和活性铝的测定.
2.2　分析方法
　　土壤有机质，用重铬酸钾容量法-外加热法测定，速效磷用0.5mol.L-1 NaHCO3浸提，磷钼兰比色法测定，速效钾用1.0mol.L-1 NH4OAC浸提火焰光度计法测定.pH用Beckman酸度计测定(水土比为1∶1)，有效硅用1.0mol.L-1 HOAC-NaOAC缓冲液浸提，硅钼兰比色法测定.活性铝用0.2mol.L-1草酸铵浸提，KF取代EDTA容量法测定.水溶性SO42-、Ca2+和Mg2+用EDTA滴定法测定，植株样品用H2SO4-H2O2消煮制成待测液后，N用半微量蒸馏法，P用钒钼黄比色法，K用火焰光度计法测定.
3　结　　果
3.1　喷施模拟酸雨条件下Ca、Si对小麦生长的影响
　　从表1可以看出，喷施酸雨处理(对照Ⅱ)、Ca处理和Si处理的根系干物质重与对照Ⅰ相比均无显著差异.但是，对照Ⅱ的地上部和生物量均显著大于对照Ⅰ；Si处理的地上部干重和生物量为最高，而Ca处理的为最低.由表2可知，与对照相比，喷酸雨条件下施不同量的碳酸钙对小麦根系干物质产量无显著差异，但对地上部干物质量影响较为显著.Ca1和Ca2处理地上部干重显著高于对照, 但Ca3处理则比对照低12%.生物量与地上部表现出相似趋势.
表1　硅肥、碳酸钙对酸雨胁迫下小麦干物质积累的影响*
Table 1 Effects of sodium silicate and calcium carbonate on dry weight of wheat exposed to simulated acid rain(g.pot-1)

处 理
Treatment
根 系
Root dry weight
地上部
Shoot dry weight
生物量
Biomass
对照ⅠNo acid rain
0.90(0.11)
3.13(0.23)
4.03(0.13)
对照Ⅱ Acid rain
1.15(0.11)
3.75(0.22)
4.90(0.12)
Ca+acid rain
0.85(0.51)
2.39(0.39)
3.24(0.81)
Si+acid rain
1.11(0.20)
4.67(0.21)
5.79(0.37)

*表中数据为平均值，括弧内数据为标准差 The data in table are means of three replicates, and those in parentheses are SD.下同The same below.
表2　酸雨胁迫下施用不同量碳酸钙对小麦干物质量的影响
Table 2 Effects of varied levels of calcium carbonate added on dry weight of wheat exposed to simulated acid rain(g.pot-1)

处 理
Treatment
根 系
Root dry weight
地上部
Shoot dry weight
生物量
Biomass
对照 Acid rain
1.04(0.13)
3.45(0.16)
4.49(0.14)
Ca1+acid rain
1.12(0.083)
4.25(0.09)
5.37(0.10)
Ca2+acid rain
1.13(0.10)
3.78(0.20)
4.91(0.11)
Ca3+acid rain
0.91(0.12)
3.05(0.10)
3.96(0.15)

3.2　喷施酸雨条件下施用钙、硅肥对小麦养分吸收与积累的影响
　　从表3可知，与对照Ⅰ相比，所有处理根系中N含量均显著提高，这是酸雨中的NO-3进入土壤后被作物吸收所致.因此酸雨具有危害性的一面，也具有营养性的一面. 喷酸雨条件下，施用碳酸钙和硅肥的处理间根系中含N量无显著差异.与对照Ⅱ相比，施用硅肥的处理根系中含N量较高.但从根系中N积累量来看，处理间变异较大，只有对照Ⅱ和Si处理高于对照Ⅰ(表4).从地上部含N量来看，对照Ⅱ、Ca处理、Si处理均显著高于对照Ⅰ；Ca处理比对照Ⅱ低13%(表3).Si处理地上部N积累显著高于所有其它处理，分别是Ca处理、对照Ⅱ和对照Ⅰ的347%、117%和195%.从P含量来看(表3)，Ca处理的根系和地上部含P量显著低于其它处理；其P积累量也最低，Si处理根系P积累量与其它处理无差异，但地上部显著高于其它处理，分别是Ca处理、对照Ⅱ和对照Ⅰ的3.13、1.31和1.48倍(表4).各处理根系和地上部含K量和K积累量与P有相似变化趋势.Si处理地上部K积累量分别是Ca处理、对照Ⅱ和对照Ⅰ的3.04、1.20和1.45倍(表4). 从不同碳酸钙用量的试验结果来看(表5)， Ca1和Ca2水平下小麦植株体内N、P、K含量显著高于Ca3水平.Ca3处理小麦体内N含量与对照无显著差异，而P、K含量则显著低于对照(表5).
表3　硅肥、碳酸钙对酸雨胁迫下小麦根系、地上部N、P、K含量的影响
Table 3 Effects of sodium silicate and calcium carbonate on nitrogen, phosphorus and potassium contents in roots and shoots of wheat exposed to simulated acid rain (g.kg-1)

处 理
Treatment
N
P
K
根系
Roots
地上部
Shoots
根系
Roots
地上部
Shoots
根系
Roots
地上部
Shoots
对照Ⅰ
19.0
25.7
2.0
3.1
4.1
14.8
No acid rain
(0.3)
(1.1)
(0.2)
(0.2)
(0.5)
(0.8)
对照Ⅱ
24.5
35.8
1.8
3.3
4.6
13.3
Acid rain
(0.5)
(1.5)
(0.2)
(0.2)
(0.9)
(1.9)
Ca+acid rain
25.9
31.1
1.2
1.9
3.2
9.1
(2.2)
(0.6)
(0.3)
(0.2)
(0.5)
(1.6)
Si+acid rain
26.5
33.6
2.0
3.1
3.7
14.4
(1.3)
(4.6)
(0.1)
(0.4)
(0.6)
(2.0)

表4　硅肥、碳酸钙对酸雨胁迫下小麦根系、地上部N、P、K积累的影响
Table 4 Effects of Si and Ca on nitrogen, phosphorus and potassium accumulation in roots and shoots of wheat exposed to simulated acid rain(g.pot-1)

处 理
Treatment
N
P
K
根系
Roots
地上部
Shoots
根系
Roots
地上部
Shoots
根系
Roots
地上部
Shoots
对照Ⅰ
17.1
80.4
1.8
9.7
3.7
46.3
No acid rain
(2.1)
(5.4)
(0.1)
(0.5)
(1.4)
(3.2)
对照Ⅱ
28.8
134.4
2.0
11.0
5.2
56.2
Acid rain
(6.4)
(5.1)
(0.01)
(1.3)
(0.6)
(6.7)
Ca+acid rain
21.6
74.2
0.9
4.6
2.8
22.1
(11.0)
(11.6)
(0.3)
(1.3)
(1.9)
(7.1)
Si+acid rain
29.7
157.1
2.2
14.4
4.1
67.2
(6.7)
(13.1)
(0.4)
(1.6)
(0.4)
(9.4)

表5　酸雨胁迫下施用不同量碳酸钙对小麦植株体内N、P、K含量影响
Table 5 Effects of varied levels of calcium carbonate added on N，P and K contents in wheat exposed to simulated acid rain(g.kg-1)

处理Treatment
N
P
K
对照 Acid rain
31.4 (2.5)
3.4 (0.7)
13.5 (1.0)
Ca1+acid rain
38.6 (3.2)
3.7 (0.8)
15.3 (1.5)
Ca2+acid rain
37.4 (1.4)
3.4 (0.6)
14.7 (1.3)
Ca3+acid rain
32.1 (1.7)
2.1 (0.8)
10.5 (0.2)

3.3　喷施酸雨条件下不同Ca、Si处理对土壤pH、活性铝和速效养分含量的影响
　　从表6可以看出，红壤喷施酸雨后，pH从5.25下降至4.90，而施用碳酸钙的处理其土壤pH上升至6.35，施用硅肥的处理pH也提高至5.63.pH的变化影响了土壤中活性铝含量，喷酸雨后土壤(对照Ⅱ)活性铝从原土的1324mg.kg-1提高到1694mg.kg-1；而施用硅肥后活性铝比对照Ⅰ下降了40%，施用碳酸钙后活性铝浓度更低.从试验Ⅱ的结果来看，随着碳酸钙用量的增加，土壤pH提高幅度增加(表7).在Ca1水平下pH为5.60，比喷酸雨处理高0.85个单位，而活性铝则从对照的1741mg.kg-1下降到736mg.kg-1，下降幅度达到58%.随着碳酸钙用量增加，pH上升至6.0左右，活性铝急剧下降(表7).无论是否施用硅或钙肥，喷施酸雨均使土壤速效N含量显著增加.喷酸雨处理(对照Ⅱ)的土壤速效P与对照Ⅰ相比无显著影响(表6).Ca处理的土壤速效P显著低于其它处理;而Si处理的土壤速效P则显著高于其它处理，分别为Ca处理、对照Ⅱ和对照Ⅰ的4.32、1.99和1.81倍(表6).各处理间土壤速效K含量无显著差异(表6).
表6　酸雨胁迫下施用碳酸钙和硅肥对土壤pH、活性铝和速效养分的影响(mg.kg-1,pH除外)
Table 6 Effects of calcium carbonate and sodium silicate on pH value, amorphous aluminum and available nutrients in the soil exposed to simulated acid rain

处 理
Treat-
ment
pH
活性铝
Amorphous
Al
速效氮
Available
N
速效磷
Available
P
速效钾
Available
K
对照Ⅰ
No acid
rain
5.25
1324(43)
145.0(2.0)
8.1(0.8)
75.4(5.4)
对照Ⅱ
Acid rain
4.90
1694(61)
167.2(6.1)
7.4(1.2)
85.4(2.1)
Ca+acid
rain
6.35
250(65)
164.2(9.8)
3.4(2.1)
80.4(3.7)
Si+acid
rain
5.63
794(70)
169.6(8.4)
14.7(2.4)
84.5(3.5)

表7　酸雨胁迫下施用不同量碳酸钙对土壤pH、活性铝和速效养分的影响(mg.kg-1,pH除外)
Table 7 Effects of calcium carbonate on pH, amorphous aluminum and available nutrients in the soil exposed to simulated acid rain

处 理
Treatment
pH
活性铝
Amorphous
Al
速效氮
Available
N
速效磷
Available
P
速效钾
Available
K
对照No
acid rain
4.75
1741(78)
159.4(11.0)
12.5(1.2)
78.2(2.1)
Ca1+acid
rain
5.60
736(40)
165.7(7.1)
11.3(2.1)
81.3(4.5)
Ca2+acid
rain
5.96
532(58)
160.2(5.5)
7.8(1.4)
85.4(5.6)
Ca3+acid
rain
6.25
212(23)
155.4(3.4)
3.7(2.0)
76.2(2.1)

　　从不同碳酸钙用量的试验来看，碳酸钙对土壤速效N、K的影响不大，但对速效P的影响非常明显(表7).在Ca1水平下，土壤速效P与对照无明显差异，但Ca2水平下有下降趋势，而Ca3水平下速效P仅为对照的30%左右(表7).从表8可以看出，Si处理和Ca处理的有效硅含量均大幅度高于对照Ⅰ和对照Ⅱ.对照Ⅱ的土壤水溶性Ca2+几乎是对照Ⅰ的2倍，Ca处理的水溶性Ca2+约为对照Ⅰ的4倍；而Si处理的水溶性Ca2+与对照Ⅰ无差异.对照Ⅱ的土壤水溶性Mg2+含量高于对照Ⅰ；而其它处理间无差异.不管是否加硅或钙肥，喷施酸雨后其水溶性SO42-含量均为对照Ⅰ的12倍以上(表8).
表8　酸雨胁迫下Ca和Si对土壤有效硅、水溶性Ca2+、Mg2+和SO2-4含量的影响(mg.kg-1)
Table 8 Effects of Ca and Si on available silicon and soluble Ca2+, Mg2+and SO2-4concentrations in the soil exposed to simulated acid rain

处 理
Treatment
有效硅
Available Si
水溶性Ca2+
Soluble Ca
水溶性Mg2+
Soluble Mg2+
水溶性SO2-4
Soluble SO2-4
对照Ⅰ
No acid rain
77.2(1.8)
220(29.2)
29.8(2.3)
6.1(1.0)
对照Ⅱ
Acid rain
74.1(4.3)
430.3(20.6)
38.8(3.8)
79.7(7.2)
Ca+acid rain
108.9(1.9)
860.0(72.3)
34.4(14.9)
85.0(13.0)
Si+acid rain
171.9(8.7)
264.0(55.7)
26.4(1.4)
76.8(8.3)

4　讨　　论
4.1　模拟酸雨对土壤酸化、小麦生长的影响
　　酸雨可诱发并加剧土壤酸化作用.但由于土壤具有一定的缓冲自调能力，土壤酸化又是一个缓慢的渐进性过程.本试验结果表明，短期内 (2个月) 喷施酸雨可使土壤pH有所下降(表6)，土壤活性铝也明显增加 (表6)，但对小麦生长无显著抑制作用，反而因酸雨中含有N、S、K等营养元素，促进了小麦生长(表1).Shafer［15］的试验也表明，模拟酸雨直接喷施在高粱叶面上对植物干物质量无影响，而将酸雨注入土壤中促进了植物生长.本试验中短期内酸雨对小麦生长无显著抑制作用还可能与小麦对酸雨和铝胁迫较不敏感有一定关系［4］.
4.2　Ca、Si对酸雨胁迫下小麦生长的影响及其机理
　　防治土壤酸化可施用碱性物质如碳酸钙、石灰或硅酸盐肥料，但用量过大则可能起反作用.试验Ⅰ中碳酸钙过量抑制了小麦生长和干物质积累(表1)，其主要原因是碳酸钙用量过大后使土壤有效P含量急剧下降，植株体内P浓度和吸收量下降(表3、4).尽管Ca处理使土壤活性铝急剧下降，但小麦生长仍然受到显著抑制，表明此时限制因子不是Al而是P.本试验结果表明，碳酸钙用量在盆栽条件下应控制在2.0g.kg-1以下，但田间条件下的适宜用量有待验证.施用硅酸盐肥料既能提高土壤pH，防止酸雨诱发的土壤酸化，降低活性铝含量，缓解Al毒，又能提高土壤有效P含量，促进作物对P的吸收与利用，同时也有利于N、K的吸收与积累(表3、4)，从而促进小麦生长、提高生物量.Si能提高土壤P生物有效性已被不少研究所证实［6，8，13］，其机理可能是Si对P的置换作用［12］.施用过量碳酸钙使土壤有效P、作物体内P含量和积累量下降(表3、4、7)可能是高浓度的钙离子与磷酸根离子的化学吸附沉淀作用所致，因为在喷施酸雨的过程中可使碳酸钙溶解释放出钙离子，这从碳酸钙处理土壤水溶性钙含量高达860mg.kg-1中得到佐证(表8).此外，喷施酸雨还可增加土壤固有Ca的溶解度，使水溶性钙含量成倍增加(表8)，但施用硅酸盐肥料可抑制水溶性钙浓度的提高(表8)，这可能是钙与硅酸形成难溶性CaSiO3有关.
　　由于喷施酸雨所输入的NO-3、NH+4，作物N素营养过剩，植物对病虫害的抵抗能力下降［10,14］.在试验中我们观察到喷酸雨处理和Ca处理的小麦叶片叶色深绿，呈垂柳状，而施用硅酸盐的处理则叶片较挺.此外，Si处理的小麦几乎很少受麦蚜危害，而其它处理在试验中后期麦蚜危害严重.显然，Si可显著增强作物抗虫害、抗倒伏的能力.
5　结　　论
　　喷施酸雨在短期内(2个月)对红壤酸化有一定的促进作用，但对小麦生长无明显不良作用，相反酸雨中N与S等可为土壤补充养分.碳酸钙和硅酸盐肥料的施用均可抑制酸雨对土壤的酸化作用，降低土壤活性铝含量，但硅肥的效果更好，碳酸钙用量应控制在2.0g.kg-1以下，否则易导致土壤缺P，抑制作物生长.硅肥既可抑制土壤酸化，又可提高土壤P的生物有效性，提高作物抗性，对土壤、作物体内养分平衡起积极作用.

* 国家自然科学基金资助项目(39500088).
作者简介　梁永超，男，1961年10月生，博士，副教授，主要从事植物抗逆营养生理、土壤与植物矿质营养研究.已在国内外发表论文30余篇，其中9篇用英文发表，6篇被SCI收录.1996年被授予“第二届江苏省青年科技标兵”称号、南京农业大学优秀教师.1997年获国家教委科技进步一等奖、农业部科技进步三等奖各1项、1999年获农业部科技进步二等奖1项.
作者单位:南京农业大学资源与环境科学学院，南京 210095
　　　　　梁永超　通讯联系人.
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