施用氯化物肥料提高玉米地上部氯化物（Cl?）水平及产量，取决于土壤水分条件

《Scientific Reports》：Chloride fertilization increased maize shoot chloride levels and yield depending on soil moisture conditions

　　

在沙土上种植作物在夏季降雨稀少时变得尤为困难，使得干旱条件更加严重。微量元素氯（Cl^?）可以在植物地上部组织中积累，达到通常大量元素才有的含量，前提是它被供应并以适当的量被吸收。当这种情况发生时，它可以作为渗透调节物质，促进地上部的水合作用，这在之前已在干旱条件下被报道过。到目前为止，这种事件级联仅在室内盆栽试验条件下被报道过，据研究人员所知，尚未在田间条件下进行过。在田间条件下，不可控的环境影响可能会限制这些积极的过程。因此，研究人员开展了一项田间试验，以调查在整个青贮玉米的生长期间，施用氯化物如何提高其抗旱性。该田间试验在德国东北部的沙土上进行，在2020年和2021年对玉米进行不同的Cl^?施肥处理（0、125和250 kg Cl^? ha^?1 a^?1；以钙作为陪伴阳离子提供）。该设置允许评估Cl^?施肥对 田间条件下水分状况（通过地上部含水量和雨水利用效率（RUE；kg FM ha^?1 mm^?1 每个植被期））和 生物量产量的影响。研究人员发现，在这两年中，Cl^?施肥（分别为125和250 kg Cl^? ha^?1）后，地上部组织中的Cl^?含量显著增加。然而，仅在2021年，较高的植物组织Cl^?含量（在250 kg Cl^? ha^?1处理下达4.6 g Cl^? kg^?1 DM）与收获时显著较高的地上部含水量和雨水利用效率相关。在2021年，春季降水足以满足作物水分需求，氯化物施肥通过作为渗透调节物质支持了地上部的水合作用。在这一年，用250 kg Cl^? ha^?1处理的植物表现出显著更高的鲜生物量产量。然而，改善的水分状况并未导致碳同化作用的刺激。但氯化物施肥降低了青贮玉米的干物质含量。本研究首次表明，Cl^?施肥有助于青贮玉米在沙土上应对水分匮乏。

研究背景：自21世纪初以来，欧洲中部和南部夏季干旱事件频发，如2003年、2018年和2022年的极端干旱。青贮玉米作为德国仅次于小麦的第二大作物，主要用于牲畜饲料和沼气生产，在遭遇干旱时会面临20%至50%的产量损失，尤其是在开花和灌浆期对水分亏缺最为敏感。勃兰登堡州等地区由于沙土保水能力差，在干旱中受影响更严重。目前存在的问题是，急需提高水分利用效率的农艺策略来帮助作物应对水分有限和干旱胁迫。氯离子（Cl^?）虽为微量元素，但能在叶片中积累至大量元素水平并发挥有益功能。作为渗透调节物质，Cl^?积累可降低渗透势，提高叶片含水量，促进细胞膨大。然而，以往关于Cl^?改善植物水分状况和抗旱性的研究主要局限于室内盆栽或水培等受控环境。由于田间环境具有强烈的时空变异性，土壤水分、温度、养分供应及它们之间的复杂交互作用可能会掩盖或改变作物对Cl^?施肥的响应，因此尚未在田间条件下验证。为此，研究人员开展了旨在探究Cl^?施肥是否能够提高勃兰登堡沙土上雨养田间条件下青贮玉米产量的研究。假设Cl^?施肥能提高玉米水分吸收并增加鲜干物质产量。研究结论表明，Cl^?施肥提高了玉米地上部Cl^?水平和鲜生物量产量，且这一效应依赖于土壤水分条件。该研究的意义在于首次在田间条件下证实了Cl^?施肥有助于沙土上的青贮玉米应对水分匮乏，为干旱易发地区的农艺措施提供了重要依据。该论文发表在《Scientific Reports》。

技术方法：田间试验于2020年和2021年在德国东北部莱布尼茨农业景观研究中心进行，土壤为沙土。试验采用随机完全区组设计，6个重复。实验因子为播种前施入土壤的氯化钙（CaCl₂）施肥，设3个水平：0、125和250 kg ha^?1。土壤化学性质通过钙乙酸盐乳酸盐提取等方法分析。植物样本烘干粉碎后，使用凯氏定氮法和火焰光度计测定矿物养分，利用氯离子选择性电极滴定法测定植物组织Cl^?含量。计算鲜物质产量除以整个生长期降水量得到雨养水分利用效率（RUE）。使用R软件进行线性混合效应模型和方差分析（ANOVA）评估施肥、年份及交互作用。

研究结果：

地上部氯化物浓度和地上部含水量：通过测定不同施肥水平下玉米地上部Cl^?浓度和含水量发现，两年中Cl^?施肥均导致玉米地上部Cl^?含量显著增加。125 kg Cl^? ha^?1施肥使2020年Cl^?含量翻倍，2021年增加两倍；250 kg Cl^? ha^?1处理较125 kg ha^?1进一步增加了三分之一的积累量。在2021年收获时，Cl^?施肥显著提高了地上部含水量，且2021年各处理的含水量均显著高于2020年。

产量和雨养水分利用效率：通过测定鲜物质和干物质产量并计算RUE发现，2021年施用250 kg Cl^? ha^?1的植物鲜物质产量显著高于对照组。2020年整体鲜物质产量高于2021年，但施肥无显著影响。RUE在2021年施用125和250 kg Cl^? ha^?1时显著提高。干物质产量在两年中均未受施肥影响，2020年整体高于2021年。

青贮玉米的矿物养分含量：通过分析矿物离子含量发现，阳离子含量随Cl^?施肥增加而增加。2020年，125 kg Cl^? ha^?1施肥下钾(K)、钙和钠含量显著高于对照；2021年，250 kg Cl^? ha^?1施肥下镁和钙含量显著增加。这表明Cl^?施肥持续增加了阳离子含量，且呈现出年份依赖性的阳离子响应模式。

讨论部分总结：研究人员在讨论中指出，大多数作物对Cl^?的需求量为0.2至2.0 g kg^?1 DM，但Cl^?能在植物组织中积累至大量元素水平而不引起盐害。本研究中250 kg Cl^? ha^?1施肥在2021年达到4.6 g Cl^? kg^?1 DM，并未造成视觉可见的盐害或生长限制症状。Cl^?作为渗透调节物质，其高积累在维持细胞水分平衡和促进地上部水合作用方面具有生理作用。Cl^?对植物水分状况的有益影响不仅取决于施用量，还取决于促进Cl^?吸收的环境条件。Cl^?主要通过质流被吸收，需要充足的土壤水分和蒸腾作用。2021年春季较高的降水可能促进了质流对Cl^?的有效吸收，使其在组织水合中发挥渗透功能；而2020年春季较干燥的条件限制了这一作用。这强调了季节早期充足的水分对Cl^?在后续干旱胁迫中发挥渗透调节作用的重要性。较高的地上部水合作用在干旱和热胁迫期间具有优势，较高的植物含水量可能提供了用于降温和维持代谢的水分库。此外，Cl^?施肥改善了水分利用效率。然而，改善的水分状况并未转化为干物质产量的增加，这可能是因为增加的含水量主要促进了组织水合，而没有刺激碳同化。同时，土壤中氮(N)和钾(K)等大量元素水平偏低，限制了干物质的形成。尽管如此，Cl^?施肥提高了鲜物质产量，并使干物质含量下降至接近青贮发酵的最佳范围，有助于改善青贮玉米质量。此外，Cl^?积累影响了其他矿物养分的平衡。作为带负电的离子，Cl^?吸收需要阳离子平衡以维持电中性，因此Ca、Mg或K在不同年份作为陪伴离子被吸收增加。

结论翻译：研究人员的试验表明，在田间条件下，Cl^?施肥（250 kg Cl^? ha^?1）提高了玉米地上部的Cl^?水平，并在春季降雨充足的2021年增加了鲜生物量产量。研究人员认为，这种效应可能源于Cl^?诱导的植物水分关系的改善，可能得益于充足的地下水可用性，并反映在较高的地上部含水量和升高的地上部Cl^?水平下增强的雨水利用效率。因此，本研究支持了Cl^?在植物中作为渗透调节物质的作用，证明了其在大量元素浓度范围内的渗透调节功能。2020年较干燥的春季可能限制了这些效应，因为土壤水分可用性不足，尽管植物仍然积累了Cl^?。研究人员认为，要让Cl^?在夏季干旱条件下支持植物水分状况和产量，季节早期必须有足够的湿度以允许充分的Cl^?吸收。