低磷脅迫對毛竹幼苗生長和養(yǎng)分生理的影響

周建菲，史文輝，潘凱婷，應(yīng)葉青，孫 翠

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江 杭州 311300；2. 平度市自然資源局，山東平度 266700）

毛竹Phyllostachys edulis是中國面積最廣、經(jīng)濟價值最高的竹種[1]，但其主要分布區(qū)土壤有效磷含量偏低[2]，嚴(yán)重影響毛竹的生長和產(chǎn)量。研究表明：低磷脅迫降低了毛竹葉片葉綠素和金屬含量[3]，導(dǎo)致磷組分[4]和內(nèi)源激素含量[5]等也發(fā)生變化，進(jìn)而降低了整體生物量。常用施磷肥來增加土壤磷有效性，但過度施磷會引起水體富營養(yǎng)化、磷礦資源枯竭等問題[6]。因此，為應(yīng)對缺磷帶來的生產(chǎn)危機，研究植物對低磷脅迫的響應(yīng)機制顯得尤為重要[7]。低磷脅迫下，植物根系會分泌化學(xué)物質(zhì)，影響根際土壤養(yǎng)分有效性[8]；同時毛竹等植物會調(diào)整根冠比[5,9]等生物量分配格局來適應(yīng)低磷環(huán)境。低磷脅迫還會促使植物改變自身對養(yǎng)分的需求，協(xié)調(diào)植物體內(nèi)養(yǎng)分平衡[10]。但不同生長時期植物對養(yǎng)分的需求和獲取存在差異[11]?？焖偕L時期，植物對養(yǎng)分需求較大，土壤供應(yīng)可能不足，會促使植物發(fā)揮養(yǎng)分重吸收作用[12]。LU等[13]研究表明：低磷脅迫使紫花苜蓿Medicago sativa的磷素利用效率增強，但其效率隨育苗時間延長而降低。張文元[14]研究表明：不同生長階段毛竹對養(yǎng)分的需求及所處根際土壤化學(xué)性質(zhì)存在差異。低磷脅迫會打破土壤原有的養(yǎng)分平衡，使植物體內(nèi)養(yǎng)分調(diào)控機制發(fā)生變化。但施磷肥后不同生長時期土壤養(yǎng)分動態(tài)變化及毛竹實生苗適應(yīng)性響應(yīng)的研究尚無報道。綜上，本研究模擬不同土壤磷環(huán)境，旨在探究低磷脅迫對不同生長時期根際土壤養(yǎng)分環(huán)境、毛竹幼苗生長和養(yǎng)分生理的影響及其持續(xù)效應(yīng)，為植物對低磷環(huán)境的適應(yīng)機制提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗地設(shè)在浙江農(nóng)林大學(xué)果木園大棚。毛竹種子采自廣西桂林靈川縣，用質(zhì)量濃度為0.3%高錳酸鉀消毒和無菌水沖洗并浸種24 h后催芽。供試土壤挖取于浙江省杭州市臨安區(qū)青山湖仙人洞毛竹林地1 m以下土層，自然風(fēng)干過20目篩后，以V(土壤)∶V(珍珠巖)=3∶1混勻成育苗基質(zhì)。土壤理化性質(zhì)：有機質(zhì)5.02 g·kg-1，總氮0.46 g·kg-1，全磷0.24 g·kg-1，全鉀13.01 g·kg-1，堿解氮93.63 mg·kg-1，有效磷2.58 mg·kg-1，速效鉀54.99 mg·kg-1，pH 4.83。育苗容器采用高14.0 cm、底徑11.8 cm、上口徑14.0 cm的BN170型PP5塑料育苗軟盆，盆底有16個透水孔，且各配套1個塑料托盤。

1.2 方法

以毛朝明等[2]對松陽縣毛竹林土壤養(yǎng)分分級為依據(jù)，采用單因素隨機區(qū)組試驗設(shè)計，共設(shè)4個初始土壤有效磷水平，分別模擬極低磷(2.5 mg·kg-1，P1)、低磷(5.0 mg·kg-1，P2)、中磷(10.0 mg·kg-1，P3)和適磷(20.0 mg·kg-1，P4)土壤環(huán)境。每盆裝基質(zhì)1.4 kg，磷肥采用磷酸二氫鉀(分析純)，溶解于水后施入基質(zhì)并均勻攪拌，每盆澆施100 mL，其質(zhì)量濃度分別為0、153.5、460.6和1 074.8 mg·L-1，折合每盆分別添加磷為0、3.5、10.5和24.5 mg。本底氮肥已足夠支撐幼苗生長所需，不再額外施加氮肥。對于低磷土壤，施加分析純硫酸鉀以補齊鉀元素，保證單一磷變量。2019年6月14日，每盆播8粒飽滿健康的毛竹種子，長出4片真葉后間苗，留2株健壯且長勢一致的幼苗，每處理設(shè)4個重復(fù)，每重復(fù)150株苗木，共2 400株。進(jìn)行常規(guī)栽培管理，為減少邊緣效應(yīng)，隔半月隨機移動苗木1次，并在培育過程中摒棄異常植株。

1.3 樣品采集和測定

根據(jù)毛竹幼苗苗高增長變化及普遍生長節(jié)律[15]，于2019年12月中旬(當(dāng)年生長季末，T1)和2020年6月中旬(翌年快速生長期，T2)進(jìn)行破壞性取樣，分為根、莖、葉3個部分在105 ℃烘箱中殺青30 min后，70 ℃烘至恒量，測定生物量后，粉碎并過100目篩，用于測定養(yǎng)分。測試樣品采用H2SO4-H2O2消煮[16]，分別采用凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度法測定全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并計算毛竹幼苗根冠比、養(yǎng)分積累量、養(yǎng)分分配比例和磷素利用效率[17]。每個指標(biāo)重復(fù)測定4次，每次重復(fù)分別隨機取6株均勻混合樣。

同時將附著在根系上的土壤作為根際土壤。采用pH計電位法測定根際土壤pH，高溫外熱重鉻酸鉀-容量法測定有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，H2SO4消煮-凱氏定氮法測定全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，乙酸銨浸提法測定速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)，鹽酸-氟化銨-鉬銻抗比色法測定有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)[16]，并計算土壤有效磷變化幅度。有效磷變化幅度=(某時期有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)-初始有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù))/初始有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù)，SigmaPlot 12.5作圖。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，Duncan法在α=0.05水平上進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 低磷脅迫對根際土壤養(yǎng)分環(huán)境的影響

表1所示：T1時期，與初始有效磷水平相比，P3和P4處理下的根際土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，但低磷處理組(P1和P2)處理下反而增加；此時低磷處理組的根際土壤pH分別較P4顯著降低了10.60%和8.55% (P＜0.05)；但根際土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨初始有效磷水平降低而增加，其中P1較P4顯著提高了19.23% (P＜0.05)；此時根際土壤有機質(zhì)和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同土壤有效磷水平間均無顯著差異(P＞0.05)。T2時期，根際土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與初始設(shè)置水平相比均降低，但低磷處理組降幅較P4顯著減小(P＜0.05)；此時根際土壤pH僅在P1下較P4顯著降低3.53% (P＜0.05)；而低磷處理組的根際土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別較P4顯著增加了30.76%和11.82% (P＜0.05)；此時根際土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同有效磷水平間仍無顯著差異(P＞0.05)，但低磷處理組的根際土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別較P4均顯著增加了10.70% (P＜0.05)。

2.2 低磷脅迫對毛竹幼苗生物量及共分配的影響

表2所示：T1時，低磷處理組(P1和P2)的毛竹幼苗單株生物量分別較P4顯著降低了27.09%和15.93% (P＜0.05)；根冠比較P4分別顯著降低22.22%和14.29% (P＜0.05)；但各土壤有效磷水平下的毛竹幼苗生物量分配率從大到小均依次為根、葉、莖。T2時，低磷處理組的單株生物量較P4分別顯著降低了48.96%和43.40% (P＜0.05)；但根冠比較P4分別顯著增加了44.30%和37.97% (P＜0.05)；此時毛竹幼苗生物量分配率在各土壤有效磷水平下均從大到小依次為根、莖、葉。

表 1 初始土壤有效磷水平對根際土壤養(yǎng)分環(huán)境的影響Table 1 Effects of initial soil available phosphorus level on soil nutrient environment in rhizosphere

表 2 初始土壤有效磷水平對毛竹幼苗生物量及分配的影響Table 2 Effects of initial soil available phosphorus level on biomass and allocation of Ph. edulis seedlings

2.3 低磷脅迫對毛竹幼苗養(yǎng)分生理的影響

2.3.1 毛竹幼苗養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 由圖1可見：T1時，低磷處理組(P1和P2)較P4均顯著降低了毛竹各組織氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P＜0.05)，也顯著降低了莖和葉的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P＜0.05)，但根的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅在P1處理下較P4顯著降低了17.01% (P＜0.05)；此時P1和P4處理的毛竹各組織鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均無顯著差異(P＞0.05)，但P2處理根和葉的鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)較P4顯著降低了6.18%和8.05% (P＜0.05)。T2時，毛竹各組織氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)也均隨土壤有效磷水平降低而減小，其中低磷處理顯著降低了根和莖的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P＜0.05)，但葉的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同土壤有效磷水平間無顯著差異(P＞0.05)；此時低磷處理顯著降低了根磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P＜0.05)，葉中則顯著增加(P＜0.05)，但莖上無顯著差異(P＞0.05)；而低磷處理組較P4均顯著降低了該時期各組織鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P＜0.05)。

2.3.2 毛竹幼苗養(yǎng)分積累和分配 由表3顯示：無論T1還是T2時期，低磷處理(P1和P2)均顯著降低了毛竹幼苗各組織和整株氮、磷、鉀積累量(P＜0.05)。其中T1時，P1和P2處理的氮積累量較P4分別顯著降低了50.28%和38.74% (P＜0.05)，磷積累量則分別顯著降低了42.59%和28.70% (P＜0.05)，鉀積累量則分別顯著減小了27.10%和21.55% (P＜0.05)；T2時，P1和P2處理的氮、磷、鉀養(yǎng)分積累量分別依次較P4顯著降低了66.86%和57.03%、57.11%和43.16%、60.94%和60.42% (P＜0.05)。

由圖2顯示：T1時期，氮養(yǎng)分主要分配在根和葉上，分別占40%，且低磷處理組(P1和P2)較P3顯著降低了氮在根的分配比例(P＜0.05)；此時磷養(yǎng)分在各組織分配比例從大到小均依次為根、葉、莖，且低磷處理組也較P3顯著降低了磷分配在根的比例(P＜0.05)；鉀養(yǎng)分與磷相似，分配比例從大到小均依次為根、葉、莖，此時低磷處理組較P3和P4均顯著降低了其在根的分配比例(P＜0.05)。T2時期，氮分配在各組織比例相當(dāng)，且低磷處理組的氮分配在根的比例較P4均分別顯著增加了41.05%和28.85%(P＜0.05)；鉀養(yǎng)分分配比例因土壤有效磷水平不同而異，其中低磷處理組的鉀分配比例從大到小依次為根、莖、葉，但中適磷則為根、葉、莖，此時低磷處理組的鉀養(yǎng)分分配在根的比例較P4分別顯著增加了31.79%和30.86% (P＜0.05)。

圖 1 初始土壤有效磷水平對毛竹幼苗養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Figure 1 Effects of initial soil available phosphorus level on nutrient concentrations of Ph. edulis seedlings

圖 2 初始土壤有效磷水平對毛竹幼苗養(yǎng)分分配的影響Figure 2 Effects of initial soil available phosphorus level on nutrient allocation of Ph. edulis seedlings

2.3.3 毛竹幼苗磷素利用效率 由表4可見：T1時期，低磷處理(P1和P2)顯著增加了毛竹莖、葉及整株磷素利用效率，但根的磷素利用效率僅在P1下較P4顯著增加了20.31%(P＜0.05)。T2時期，低磷處理顯著增加了根的磷素利用效率(P＜0.05)，葉中則顯著降低(P＜0.05)，莖上無顯著差異(P＞0.05)；此時僅P1的整株磷素利用效率較P4顯著增加了19.05%，P2與P4間無顯著差異(P＞0.05)。

3 討論

3.1 低磷脅迫對毛竹幼苗根際土壤的影響機制

根際土壤環(huán)境直接影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、遷移及被植物吸收的能力[18]，根際土壤有效磷作為表征土壤供磷能力的重要指標(biāo)，是植物吸收磷素的直接形態(tài)[19]。本研究中，低磷脅迫顯著降低了當(dāng)年生長季末根際土壤pH，但其有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較初始設(shè)置水平增加，這可能是磷素缺乏時，毛竹根系會分泌蘋果酸、草酸等有機酸物質(zhì)進(jìn)入土壤[20]，增強根際酸化能力，并與土壤中磷酸鐵、磷酸鋁等難溶性磷酸鹽作用，釋放出磷酸鹽，可相對提高磷的有效性；此時根際土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨有效磷水平降低而增加，但有機質(zhì)和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異，這表明當(dāng)年生長季末時，極低磷脅迫會相對更阻礙毛竹幼苗吸收根際土壤氮素，抑制幼苗生長發(fā)育。隨育苗時間推移，低磷脅迫顯著增加了翌年快速生長期的根際土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但有效磷降幅較小，這可能是由于低磷脅迫下的毛竹根系會隨著生長分泌更多有機物質(zhì)，緩解難溶性磷酸鹽在土壤中的沉積，維持土壤磷肥力。此時，低磷環(huán)境均會顯著限制毛竹幼苗吸收土壤氮素。

3.2 低磷脅迫對毛竹幼苗生長和養(yǎng)分生理的影響機制

低磷脅迫顯著抑制了當(dāng)年生長季末毛竹幼苗生物量的積累，這可能是由于磷素不足會導(dǎo)致植物體內(nèi)核酸、核蛋白合成受阻，抑制細(xì)胞形成和分裂[21]。植物養(yǎng)分平衡作為生物量積累的基礎(chǔ)，其養(yǎng)分濃度和積累量受土壤養(yǎng)分有效性影響[22]。本研究中，養(yǎng)分濃度與積累量隨土壤磷水平降低變化規(guī)律并不完全一致，主要原因是各組織養(yǎng)分積累量和生物量均隨土壤磷水平降低而減小，但兩者降幅不完全同步，從而對某些養(yǎng)分濃度造成相對稀釋或濃縮[23]，這是植物養(yǎng)分協(xié)調(diào)供應(yīng)的表現(xiàn)形式之一。養(yǎng)分利用效率反映了植物對養(yǎng)分的利用和適應(yīng)情況，本研究表明：低磷脅迫顯著提高了當(dāng)年生長季末毛竹整體磷素利用效率，與目前主流觀點一致：缺磷素環(huán)境下的植物養(yǎng)分利用效率高于富態(tài)營養(yǎng)環(huán)境[23]。低磷脅迫顯著降低了當(dāng)年生長季末毛竹幼苗根冠比，也相對減少了氮、磷、鉀養(yǎng)分在根系的分配比例，這表明生長季末時，低磷脅迫會提高毛竹葉片儲存養(yǎng)分的比例，增強光合作用，并盡可能多的制造有機物質(zhì)，在來年春季新生長時，作為源將養(yǎng)分輸送到其他組織促進(jìn)生長發(fā)育。

表 3 初始土壤有效磷水平對毛竹幼苗養(yǎng)分積累量的影響Table 3 Effects of initial soil available phosphorus level on nutrient accumulation of Ph. edulis seedlings

表 4 初始土壤有效磷水平對毛竹幼苗磷素利用效率的影響Table 4 Effects of initial soil available phosphorus level on phosphorus utilization efficiency of Ph. edulis seedlings

3.3 低磷脅迫對毛竹幼苗生長和養(yǎng)分影響的持續(xù)效應(yīng)

低磷脅迫顯著降低毛竹生物量和養(yǎng)分積累量的作用持續(xù)到翌年快速生長期，且降幅較當(dāng)年生長季末更高，這表明了低磷脅迫對毛竹幼苗吸收根際土壤養(yǎng)分的抑制作用隨育苗時間延長有所增強，并進(jìn)一步抑制了生物量的積累。在翌年快速生長期，低磷脅迫顯著降低了根的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但葉相反，這可能是毛竹幼苗為應(yīng)對低磷脅迫采用的“被動”策略，即通過活化細(xì)胞壁中所儲存的磷素[24]，促進(jìn)磷素內(nèi)循環(huán)，從而提高葉片光合效率[25]，以維持正常生理生化活動所需。毛竹整體磷素利用效率至翌年快速生長期時僅在極低磷脅迫下顯著增加，這表明毛竹幼苗對低磷脅迫的適應(yīng)性隨育苗時間延長而增強。此外，至翌年快速生長期，低磷脅迫顯著提高了毛竹幼苗根冠比和氮、鉀養(yǎng)分分配到根系的比例，這可能是由于低磷土壤迫使快速生長期的毛竹幼苗分配更多養(yǎng)分用于支持根系生長，提高根系活力；也可能是當(dāng)年生長季末儲存在葉片中的養(yǎng)分被更多地轉(zhuǎn)運到根系，以維持苗木正常生長發(fā)育。

4 結(jié)論

低磷脅迫降低了當(dāng)年生長季末毛竹幼苗根際土壤pH，但維持了根際土壤高氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這種作用持續(xù)到了翌年快速生長期，此時低磷脅迫還顯著增加了根際土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。此外，低磷脅迫顯著抑制了毛竹生物量和養(yǎng)分的積累，但提高了整株磷素利用效率；低磷抑制作用隨育苗時間推移增強，但毛竹幼苗會通過提高根冠比、根系養(yǎng)分分配比例來提高對低磷脅迫的適應(yīng)性。