低磷脅迫下不同杉木家系根系覓磷能力分析

吳文景, 汪 攀, 陳奶蓮, 馬祥慶, 林文獎(jiǎng), 吳鵬飛

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.國(guó)家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002；3.福建農(nóng)林大學(xué)海峽聯(lián)合研究院，福建 福州 350002；4.福建省漳平五一國(guó)有林場(chǎng)，福建 龍巖 364000)

磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中必需的元素，以多種途徑參與體內(nèi)各種代謝過(guò)程，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用[1].由于磷素在土壤中的移動(dòng)性較差，擴(kuò)散距離僅1～2 mm，加之南方酸性紅壤的強(qiáng)烈化學(xué)固定作用，植物可直接吸收利用的有效磷匱乏，嚴(yán)重影響了農(nóng)林植物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)生產(chǎn)[2-3].傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程主要通過(guò)施加磷肥以改良土壤營(yíng)養(yǎng)，但這將加速有限磷礦資源的耗竭，同時(shí)還引發(fā)了環(huán)境污染問(wèn)題[4].研究[5]表明，植物在長(zhǎng)期適應(yīng)過(guò)程中可最大限度獲取土壤中有限的磷資源，通過(guò)調(diào)整根系形態(tài)結(jié)構(gòu)或改變生物量分配格局等途徑來(lái)增強(qiáng)養(yǎng)分吸收和利用效率，提高其在低磷逆境中完成生命周期的機(jī)會(huì).而且，不同植物或者同一植物的不同品系對(duì)土壤有效磷的吸收和利用的效率均存在明顯差異[6-7].可見(jiàn)，若能充分挖掘植物自身遺傳潛力，篩選出對(duì)土壤有限磷資源覓養(yǎng)能力較強(qiáng)的基因型，即可保證傳統(tǒng)方法所需的磷素礦質(zhì)能源的供應(yīng)，有效減少磷肥施用量，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)林植物高效生產(chǎn)提供科學(xué)途徑[8].

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國(guó)南方重要的速生造林樹(shù)種[9].隨著杉木多代連栽及造林面積的不斷擴(kuò)大，土壤有效磷匱乏已成為杉木人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的主要限制因子之一[10].由于杉木廣泛分布于我國(guó)17個(gè)省區(qū)，其分布區(qū)生境差異大且生態(tài)遺傳隔絕，在長(zhǎng)期的系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中已形成了不同的營(yíng)養(yǎng)遺傳性狀，以適應(yīng)不同供磷水平的土壤環(huán)境，便于篩選杉木耐低磷脅迫的優(yōu)良種質(zhì)材料[11-12].研究[13-15]表明，不同杉木無(wú)性系磷素利用效率存在明顯差異，且在低磷脅迫條件下有些杉木無(wú)性系可通過(guò)提高磷素吸收和利用的效率以抵抗低磷環(huán)境.鄒顯花等[16]研究發(fā)現(xiàn)低磷環(huán)境杉木通過(guò)根系伸長(zhǎng)、表面積和體積增大或側(cè)根增加等形態(tài)指標(biāo)的變化做出響應(yīng)，也可通過(guò)根系分泌有機(jī)酸[17-18]或內(nèi)源激素[19]等生理指標(biāo)變化途徑來(lái)提高磷素利用效率.可見(jiàn)，杉木對(duì)低磷環(huán)境的適應(yīng)能力與根系活力指標(biāo)密切相關(guān)[20]，通過(guò)根系增生覓磷的能力探討不同杉木地理生態(tài)類型對(duì)低磷脅迫響應(yīng)機(jī)制的差異性，對(duì)研究可高效利用土壤有限磷資源的杉木種質(zhì)材料具有重要意義.

由于植物對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)是多個(gè)器官綜合反應(yīng)的體現(xiàn)，僅對(duì)單一指標(biāo)評(píng)價(jià)容易產(chǎn)生誤差[21-22].因此，如何基于根系增生覓磷能力從多個(gè)相關(guān)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)不同杉木類型對(duì)低磷脅迫的適應(yīng)能力顯得尤為重要.鑒于此，本文選擇福建省漳平五一國(guó)有林場(chǎng)9個(gè)半同胞家系杉木種子培育的幼苗為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)沙培模擬試驗(yàn)，以正常供磷處理為對(duì)照，分別設(shè)置輕度和重度磷脅迫處理，比較不同供磷處理?xiàng)l件下杉木根系形態(tài)指標(biāo)的變化，結(jié)合苗高、地徑和根冠比等生長(zhǎng)指標(biāo)，利用隸屬函數(shù)法對(duì)不同家系杉木根系覓磷能力的差異性進(jìn)行探討，旨在篩選出對(duì)南方林區(qū)紅壤有限磷素資源利用能力較高的杉木優(yōu)良種質(zhì)資源，為推動(dòng)杉木高效培育進(jìn)程提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

選取福建省漳平五一國(guó)有林場(chǎng)1.5代杉木種子園結(jié)實(shí)情況較好的9個(gè)半同胞家系種子培育的6個(gè)月生且長(zhǎng)勢(shì)均一的健壯幼苗[23]，分別為15號(hào)、20號(hào)、23號(hào)、25號(hào)、28號(hào)、36號(hào)、38號(hào)、40號(hào)和41號(hào)，平均苗高和地徑分別為(12.5±1.2)cm和(0.21±0.02 cm)(表1).該種子園(117°29′E， 25°02′N)海拔400～500 m，山地紅壤，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均溫度20.3 ℃，年降水量1 508.8 mm，年蒸發(fā)量1 170 mm，相對(duì)濕度80%，年無(wú)霜期300 d，年日照數(shù)1 889 h以上.

表1 不同家系杉木幼苗試驗(yàn)前的初始苗高與地徑1)Table 1 Height and root collar diameter of Chinese fir seedlings from different families before P stress

1)小寫(xiě)字母表示不同家系杉木間差異未達(dá)顯著水平(P<0.05).

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院溫室大棚進(jìn)行沙培盆栽模擬試驗(yàn)，根據(jù)參試苗木地上部及根系大小，選用盆口直徑18 cm、盆底直徑9 cm、高32 cm的聚乙烯花盆為培育容器，每個(gè)容器栽植1株杉木.培養(yǎng)基質(zhì)為洗凈河沙[全磷含量(0.110±0.004)mg·kg-1，有效磷為痕量]，每盆裝河沙干質(zhì)3.5 kg.根據(jù)南方紅壤有效磷平均含量[3]設(shè)置3個(gè)供磷濃度：正常供磷(1.0 mmol·L-1KH2PO4)、輕度磷脅迫(0.5 mmol·L-1KH2PO4)和重度磷脅迫(0 mmol·L-1KH2PO4)，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù).為滿足試驗(yàn)期間苗木對(duì)其它養(yǎng)分的需求，根據(jù)改良的1/3 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液配方[3]進(jìn)行補(bǔ)充，低磷脅迫處理中不足的鉀素用等量KCl代替.利用NaOH和稀HCl溶液調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液pH，pH達(dá)到5.8.每7 d澆1次配置的營(yíng)養(yǎng)液，每盆每次澆30 mL，每天17:00澆純水100 mL.溫室大棚室溫18～28 ℃，光照10 h·d-1，相對(duì)濕度>80%.試驗(yàn)盆栽3個(gè)月后，于2014年6月30日進(jìn)行苗木收獲.

1.3 試驗(yàn)方法

分別于盆栽前和收獲后，將每一株參試杉木幼苗根系用純水洗凈，利用根系掃描系統(tǒng)(WinRHizo，version 4.0B)進(jìn)行根系長(zhǎng)度、表面積和體積等形態(tài)指標(biāo)的掃描與定量分析；同時(shí)測(cè)定其苗高和地徑.

由于盆栽前杉木苗木根系與地上部無(wú)法分別測(cè)定，本文隨機(jī)選擇20株參試苗木分別將其根系與地上部分離，置105 ℃烘箱內(nèi)殺青30 min后，調(diào)至80 ℃烘干至恒重(精確到0.001 g)，測(cè)定參試苗木盆栽前的干物質(zhì)質(zhì)量.對(duì)收獲后的每一株參試苗木分別測(cè)定根系和地上部干物質(zhì)質(zhì)量.

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

為分析不同供磷處理對(duì)參試苗木的苗高、地徑、根系形態(tài)指標(biāo)及生物分配量影響的差異性，采用不同測(cè)定指標(biāo)的增量(E)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即盆栽前和收獲后的測(cè)定指標(biāo)分別記為E0和E1，E=E1-E0.

采用隸屬函數(shù)法[24]結(jié)合權(quán)重對(duì)不同家系杉木根系覓磷能力進(jìn)行排序.以正常供磷處理為對(duì)照，選取輕度與重度磷脅迫處理?xiàng)l件下參試杉木的苗高增量、地徑增量、根系形態(tài)指標(biāo)變化和根冠比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用式(1)和式(2)分別計(jì)算各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；結(jié)合權(quán)重，利用式(3)～式(5)分別得到輕度與重度磷脅迫下不同家系杉木幼苗根系覓磷能力的綜合評(píng)價(jià)值，取其平均值(T).T值越高，表明該家系根系覓磷能力越強(qiáng).

若某一指標(biāo)與覓磷能力呈正相關(guān)，則用式(1)計(jì)算隸屬函數(shù)值；若某一指標(biāo)與覓磷能力呈負(fù)相關(guān)(即不良指標(biāo))，則用式(2)計(jì)算隸屬函數(shù)值.

μXab=Xab-XbminXbmax-Xbmin

(1)

μXab=1-Xab-XbminXbmax-Xbmin

(2)

式中:μ(Xab)為a家系b指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Xab為a家系b指標(biāo)V,Vb=∑na=1Xab-XbXb的值，Xbmax為各家系b指標(biāo)值中的最大值，Xbmin為各家系b指標(biāo)值中的最小值.

為確定不同指標(biāo)的權(quán)重，采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)法，先計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vb，再求各指標(biāo)的權(quán)重Wb.

Vb=∑na=1Xab-XbXb

(3)

wb=vb∑ma=1vb

(4)

式中:Xab為a家系b指標(biāo)的值，Xb為b指標(biāo)的平均值.

D=∑na=1uXb×Wb

(5)

式中:μXb為某一家系b指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Wb為b指標(biāo)權(quán)重，D為綜合評(píng)價(jià)值.

采用SPSS(20.0)對(duì)家系和供磷處理的影響效應(yīng)進(jìn)行雙因素方差分析.若2個(gè)因素對(duì)杉木生長(zhǎng)指標(biāo)的影響無(wú)顯著交互作用(P>0.05)，則進(jìn)行單因素方差分析，利用LSD多重比較方法進(jìn)行檢驗(yàn)(P=0.05).如果2個(gè)因素存在顯著交互作用(P<0.05)，則分析2個(gè)因素對(duì)測(cè)定指標(biāo)的疊加影響效應(yīng).研究結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，不同小寫(xiě)字母表示同一家系在不同供磷處理間的差異達(dá)顯著水平(P<0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 供磷處理和家系差異對(duì)杉木幼苗測(cè)定指標(biāo)的雙重影響

雙因素方差分析結(jié)果(表2)表明，供磷處理和家系對(duì)杉木幼苗根體積、根生物量和根冠比的影響均存在明顯的交互作用(P<0.05)，而對(duì)苗高、地徑、根長(zhǎng)和根表面積的影響無(wú)明顯交互作用(P>0.05).從單個(gè)因素來(lái)看，供磷處理對(duì)根系指標(biāo)和地徑的影響均達(dá)顯著水平(P<0.05)，而對(duì)苗高的影響不明顯(P>0.05)；家系對(duì)杉木苗高、地徑和根系形態(tài)指標(biāo)的影響均達(dá)顯著水平(P<0.05).

表2 供磷處理和家系差異對(duì)杉木幼苗測(cè)定指標(biāo)的雙重影響Table 2 Interactive effect of phosphorus supply and family on the growth indexes of Chinese fir seedlings

2.2 低磷脅迫對(duì)不同家系杉木根系形態(tài)指標(biāo)增量的影響

輕度與重度磷脅迫下，杉木根系形態(tài)指標(biāo)增量明顯提高(表3).與正常供磷相比，25號(hào)和38號(hào)家系在輕度與重度磷脅迫下，根系形態(tài)指標(biāo)增量均顯著增大；20號(hào)和41號(hào)家系在輕度磷脅迫下根系指標(biāo)增量無(wú)顯著變化，但隨磷脅迫的加劇，根系形態(tài)指標(biāo)增量均顯著增大.其余家系杉木根系形態(tài)指標(biāo)在低磷脅迫下雖有所增大，但均未達(dá)顯著水平(P>0.05).

表3 不同家系杉木在不同供磷處理下根系生長(zhǎng)指標(biāo)增量的比較1)Table 3 Comparisons on increments of root morphological indexes among different P supplies for different families of Chinese fir seedlings

1)不同小寫(xiě)字母表示同一杉木家系不同供磷處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05).

2.3 低磷脅迫對(duì)不同家系杉木生物分配量的影響

表4 不同供磷處理下杉木幼苗根系生物量增量與根冠比的比較Table 4 Comparisons on root biomass increments and root to shoot ratio of different families of Chinese fir seedlings under different P supplies

從表4可知：輕度與重度磷脅迫下不同家系杉木根系平均生物量增量和根冠比明顯提高(P<0.05)；隨著低磷脅迫程度的加劇，20號(hào)、25號(hào)、28號(hào)和41號(hào)家系杉木根系生物量的積累顯著增大，而40號(hào)家系呈先降低后上升的趨勢(shì)(P<0.05)；23號(hào)家系杉木在輕度磷脅迫下無(wú)顯著變化，隨著磷脅迫的加劇，根系生物量顯著降低；從根冠比來(lái)看，20號(hào)、25號(hào)和41號(hào)家系杉木顯著增大，而28號(hào)和36號(hào)家系明顯減??；38號(hào)和40號(hào)家系杉木在輕度磷脅迫下無(wú)顯著變化，但重度磷脅迫使得根冠比顯著增大；其余家系杉木根系生物量和根冠比在不同供磷處理下差異均未達(dá)顯著水平(P>0.05).

2.4 低磷脅迫對(duì)不同家系杉木苗高和地徑的影響

從圖1可知，輕度與重度磷脅迫下，不同家系杉木平均地徑增量明顯降低(P<0.05)，而平均苗高生長(zhǎng)量下降不明顯(P>0.05).從圖2可知：23號(hào)家系的苗高生長(zhǎng)量下降19.4%和40.1%，其他家系苗高增量無(wú)顯著差異(P>0.05)；其中，23號(hào)、28號(hào)和36號(hào)家系地徑生長(zhǎng)受低磷脅迫的抑制，其增量均顯著下降(P<0.05).

2.5 低磷脅迫下不同杉木家系根系覓磷能力的綜合評(píng)價(jià)

以正常供磷處理為對(duì)照，運(yùn)用隸屬函數(shù)法結(jié)合權(quán)重，分別選用輕、重度磷脅迫下苗高、地徑、根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根生物量等增量指標(biāo)和根冠比對(duì)9個(gè)家系杉木根系覓磷能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(表5).從表5可知：輕度磷脅迫時(shí)，排名前三的杉木家系分別為25號(hào)、36號(hào)和23號(hào)，其綜合評(píng)價(jià)值分別為0.719、0.579和0.55；重度磷脅迫時(shí)，排名前三的杉木家系分別為20號(hào)、25號(hào)和41號(hào)，其綜合評(píng)價(jià)值分別為0.744、0.665和0.644.當(dāng)選取輕、重度磷脅迫下的綜合評(píng)價(jià)值的平均值進(jìn)行排序時(shí)，綜合評(píng)價(jià)值表現(xiàn)為25號(hào)>20號(hào)>41號(hào)>36號(hào)>38號(hào)>23號(hào)>28號(hào)>40號(hào)>15號(hào)(表5)，表明20號(hào)、25號(hào)和41號(hào)杉木具有較強(qiáng)的綜合評(píng)價(jià)值.

不同小寫(xiě)字母表示不同供磷水平處理間差異顯著(P<0.05).圖1 不同供磷處理下杉木平均苗高和地徑增量的比較(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.1 Comparisons on average increments of height and root collar diameter for Chinese fir seedlings under different P supplies (mean±SE)

不同小寫(xiě)字母表示不同供磷水平處理間差異顯著(P<0.05).圖2 不同供磷處理下不同家系杉木苗高和地徑增量的比較(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.2 Comparisons on increments of height (A) and root collar diameter (B) for different families of Chinese fir seedlings under different P supplies (mean±SE)

表5 輕度和重度磷脅迫下不同杉木家系生長(zhǎng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)與綜合排序Table 5 Comprehensive evaluation and ranking on growth indexes of Chinese fir seedlings from different families under mild and severe P stress conditions

3 討論

自然環(huán)境中，植物難免遭受土壤養(yǎng)分供應(yīng)不足、旱澇和重金屬污染等多種逆境，但有些植物基因型可通過(guò)形態(tài)生理學(xué)變化以抵抗環(huán)境脅迫[13,25].本研究發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫下不同杉木家系的苗高、地徑、根系生物量及形態(tài)指標(biāo)生長(zhǎng)的差異明顯(P<0.05)，表明不同家系對(duì)低磷逆境的響應(yīng)能力具有顯著差異.特別在不供磷處理?xiàng)l件下，25號(hào)、20號(hào)和41號(hào)家系杉木的苗高和地徑生長(zhǎng)仍可保持較高生長(zhǎng)量，同時(shí)根系的形態(tài)指標(biāo)生長(zhǎng)量和生物質(zhì)分配量顯著提高，以增加根系與土壤的接觸機(jī)會(huì)，有效擴(kuò)大磷素吸收范圍，提高磷素吸收效率，從而維持地上部正常生長(zhǎng)，其采用的是一種“主動(dòng)”適應(yīng)低磷環(huán)境的策略[26].這可能與有些杉木家系在有效磷含量極低、固定態(tài)磷豐富的生長(zhǎng)介質(zhì)中，根系釋放有機(jī)酸[18,27]、質(zhì)子或酸性磷酸酶[28]等生理指標(biāo)仍然增大有關(guān)，最終導(dǎo)致杉木根系對(duì)介質(zhì)中固定態(tài)磷的活化能力增強(qiáng)，提高了磷素生物有效性，以供自身生長(zhǎng)需求[29].研究[30]也發(fā)現(xiàn)，植物可通過(guò)保持較高細(xì)根周轉(zhuǎn)率來(lái)維持較高的養(yǎng)分吸收效率，同時(shí)通過(guò)分解死亡細(xì)根，將大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和養(yǎng)分帶入土壤中，維持自身生長(zhǎng)和生命活動(dòng).

然而，根系增生或釋放分泌物會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)貯存養(yǎng)分的快速消耗，加重植物在低磷環(huán)境的脅迫程度[31].因此，有些植物為節(jié)省根系增生的能力消耗，會(huì)在磷素不足條件下啟動(dòng)體內(nèi)化學(xué)信號(hào)的改變和轉(zhuǎn)導(dǎo)，促進(jìn)磷素內(nèi)循環(huán)，采用一種“被動(dòng)”適應(yīng)低磷環(huán)境的策略，即主要通過(guò)溶解根系皮層細(xì)胞[32]，活化細(xì)胞壁中儲(chǔ)存的磷素[33-34]，增強(qiáng)高親和力無(wú)機(jī)磷運(yùn)轉(zhuǎn)蛋白的活性[35]，以及提高葉片光合效率[36]，提高體內(nèi)磷素的利用效率，以適應(yīng)低磷脅迫環(huán)境.也有研究[37]發(fā)現(xiàn)在磷饑餓狀態(tài)下植物還可通過(guò)改變蔗糖等新陳代謝新的途徑避免缺磷對(duì)植物能量循環(huán)的破壞，與此同時(shí)，胞內(nèi)磷酸酶和核酸酶產(chǎn)生水解細(xì)胞內(nèi)的代謝物和核酸釋放出磷，促進(jìn)體內(nèi)磷素的高效利用.本研究中，36號(hào)家系杉木根系增生雖然不明顯，但在低磷環(huán)境仍能夠保持較高的地上部生長(zhǎng)，這可能與其改變體內(nèi)不同器官磷素分配的生理生化響應(yīng)過(guò)程有關(guān).

本文運(yùn)用隸屬函數(shù)法結(jié)合權(quán)重綜合評(píng)價(jià)了9個(gè)參試家系杉木幼苗根系覓磷能力，其強(qiáng)弱排序?yàn)?5號(hào)>20號(hào)>41號(hào)>36號(hào)>38號(hào)>23號(hào)>28號(hào)>40號(hào)>15號(hào).其中，低磷環(huán)境中，25號(hào)、20號(hào)和41號(hào)家系杉木根系形態(tài)指標(biāo)增大特別明顯，對(duì)土壤磷斑塊具較強(qiáng)的覓食能力，綜合評(píng)價(jià)值較高，可在土壤有效磷較低的南方林區(qū)推廣運(yùn)用.另外，36號(hào)家系杉木具有啟動(dòng)“被動(dòng)”適應(yīng)低磷環(huán)境策略的能力，也可以考慮在進(jìn)一步研究驗(yàn)證之后加以利用.