供磷水平及方式對(duì)杉木幼苗根系生長和磷利用效率的影響

吳文景,梅輝堅(jiān),許靜靜,馬祥慶,鄒顯花,吳鵬飛,*

1 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福州 350002 2 福建省杉木種質(zhì)創(chuàng)新工程研究中心,福州 350002 3 撫州市林業(yè)局森林資源監(jiān)測中心,撫州 344000

自然生態(tài)系統(tǒng)中,植物生長所需的磷素資源在土壤中往往呈斑塊狀分布,存在明顯的空間異質(zhì)性[1- 2]。由于磷素在土壤中移動(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,土壤中有效磷素分布的異質(zhì)性表現(xiàn)顯得尤為明顯[3- 4]。然而,磷素是植物生長發(fā)育過程中必需的營養(yǎng)元素,以多種途徑參與體內(nèi)各種代謝過程,對(duì)植物生長發(fā)育具有重要作用[5]。植物為提高其在低磷逆境中完成生命周期的機(jī)會(huì),往往可通過根系不斷生長從土壤磷素富集區(qū)捕獲足夠的磷素來滿足自身生長發(fā)育的需求[6]。關(guān)于植物根系在磷素富養(yǎng)區(qū)域內(nèi)大量增生已得到普遍證實(shí),包括根系分配比例增加[7]、根系伸長和表面積增大[8- 9]等一系列反應(yīng)。然而,異質(zhì)供磷條件下不同植物根系對(duì)同一濃度磷素斑塊或同一植物對(duì)不同濃度磷素斑塊的響應(yīng)策略均有所差異[10- 11]。近年來,植物根系對(duì)土壤有效磷素資源空間異質(zhì)性的反應(yīng)與覓食機(jī)制研究已逐步成為研究熱點(diǎn)[12- 14]。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國南方重要的速生造林樹種[15]。隨著多代連栽及造林面積不斷擴(kuò)大,土壤有效磷匱乏已成為杉木人工林可持續(xù)經(jīng)營的主要限制因子[16]。當(dāng)前研究已初步揭示出低磷脅迫對(duì)杉木生長影響的生物學(xué)機(jī)制,包括通過根系長度、平均直徑增生明顯等形態(tài)可塑性以增強(qiáng)覓磷能力,或通過根系“細(xì)根化”、分泌有機(jī)酸和皮層溶解等生理可塑性來提高其磷素利用效率[17- 20]。但研究發(fā)現(xiàn),磷素供應(yīng)量較大時(shí),杉木根系對(duì)土壤磷素豐缺狀況的敏感度下降,這時(shí)生長不受土壤磷素濃度的影響；相反,則影響顯著[11]。說明杉木根系可根據(jù)土壤磷素豐缺情況來調(diào)整其形態(tài)、生理可塑性,以滿足自身的磷素需求。然而,土壤質(zhì)地、氣候條件等自然因素及不恰當(dāng)?shù)氖┓史绞?極大加劇了土壤中磷素分布的異質(zhì)性,這無疑增加了杉木根系覓磷的難度；而且,根系形態(tài)增生的結(jié)果必然導(dǎo)致體內(nèi)貯存養(yǎng)分的快速消耗,影響整體植株正常生長[8]?？梢?土壤磷素的空間分布及其濃度的異質(zhì)性對(duì)杉木植株生長均具有顯著影響,這在馬尾松(Pinusmassoniana)、木荷(Schimasuperba)等南方紅壤區(qū)其他主要造林樹種的研究中也有同樣發(fā)現(xiàn),但目前多數(shù)相關(guān)研究并未考慮二者的交互作用[21- 22]。深入開展有關(guān)磷素異質(zhì)土壤中杉木根系形態(tài)及磷素利用情況的研究,對(duì)于充分挖掘利用南方紅壤林區(qū)磷素斑塊營養(yǎng)以維持杉木人工林長期生產(chǎn)力具重要意義。

鑒于此,本文選擇福建省漳平五一國有林場培育的半同胞家系杉木當(dāng)年生3個(gè)月幼苗為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)3個(gè)供磷水平：低濃度供磷(8 mg/kg KH2PO4)、正常供磷(16 mg/kg KH2PO4)和高濃度供磷(32 mg/kg KH2PO4),采用自主研制的試驗(yàn)裝置構(gòu)建2種供磷方式(局部和均勻供磷),分別進(jìn)行處理6個(gè)月后,測定比較不同供磷處理下杉木幼苗苗高、根系形態(tài)、生物量及磷素利用效率等指標(biāo)變化的差異,有助于提高其對(duì)異質(zhì)性土壤有限磷素資源的利用效率,為進(jìn)一步揭示杉木根系對(duì)異質(zhì)分布不同濃度磷養(yǎng)分的覓養(yǎng)能力及內(nèi)在機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取福建省漳平五一國有林場1.5代杉木種子園按單系采種的半同胞1號(hào)家系苗為研究對(duì)象[23]。將當(dāng)年采收的杉木種子播種于漳平五一國有林場溫室大棚內(nèi),待其出苗后在室溫23℃、濕度75%及均勻噴灌條件下培育3個(gè)月后,挑選健壯、長勢均一且無病蟲害的幼苗為參試材料,其苗高和地徑分別(4.5±0.1)cm和(0.11±0.01)cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院溫室大棚內(nèi)進(jìn)行磷素控制模擬的盆栽試驗(yàn)。根據(jù)參試苗木地上部及根系大小,選用盆直徑32 cm、高23 cm的聚乙烯花盆為培育容器(盆栽容器由緩沖層和供磷處理層組成)。在盆栽容器上端填充8 cm厚的洗凈河沙作為緩沖層,使得栽植苗木根系不超過緩沖土壤區(qū),用以模擬自然環(huán)境中杉木根系對(duì)該緩沖區(qū)以下土壤區(qū)域異質(zhì)(或均勻)供磷的主動(dòng)響應(yīng)過程。盆栽容器緩沖區(qū)以下的空間為“供磷處理層”,該區(qū)域的培養(yǎng)基質(zhì)用瓊脂玻璃纖維網(wǎng)(土壤溶液不能通過,但植物根系可正常穿透,且該纖維網(wǎng)不含磷養(yǎng)分)等分成兩部分,分別為根室Ⅰ和根室Ⅱ,每個(gè)容器栽植1株杉木幼苗。

選擇以5%洗凈礬土(利于養(yǎng)分緩慢釋放)和95%洗凈河沙均勻混合作為培養(yǎng)基質(zhì)(全磷含量(0.11±0.004)mg/kg,有效磷為痕量),每盆裝有培養(yǎng)基質(zhì)干重(3.5 kg)。根據(jù)南方紅壤有效磷的平均含量設(shè)置3個(gè)供磷水平[24]：低濃度供磷(8 mg/kg)、正常供磷(16 mg/kg)和高濃度供磷(32 mg/kg)。每個(gè)供磷水平分別構(gòu)建局部供磷和均勻供磷2種供磷方式,共6個(gè)供磷處理(表1),每個(gè)處理重復(fù)3個(gè)。其中局部供磷方式下根室Ⅰ不供磷,而根室Ⅱ分別將8、16和32 mg/kg的KH2PO4與上述培養(yǎng)基質(zhì)混合均勻；均勻供磷方式則是：同一供磷水平下KH2PO4總量保持一致且均勻分布,即根室Ⅰ和根室Ⅱ的KH2PO4均分別為4、8和16 mg/kg(表1)。

為滿足試驗(yàn)期間苗木對(duì)其他養(yǎng)分的需求,根據(jù)改良的1/3 Hoagland不完全營養(yǎng)液配方[4]進(jìn)行補(bǔ)充,不供磷和低濃度供磷水平下不足的鉀素用等量KCl代替。利用0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH為5.8,營養(yǎng)液7 d澆1次,每盆每次澆30 mL,每天17:00澆純水100 mL。溫室大棚室溫18—28°C,光照10 h/d,相對(duì)濕度>80%,盆栽6個(gè)月于杉木生長高峰結(jié)束后進(jìn)行苗木收獲。

表1 不同供磷處理的設(shè)計(jì)

1.3 測定方法

收獲時(shí)測定每株參試杉木幼苗苗高,并將植株分成地上部分與根系。清洗完整根系后,通過數(shù)字化掃描儀(STD1600 Epson USA)對(duì)參試杉木幼苗的全株根系進(jìn)行掃描,利用根系分析系統(tǒng)軟件(Regent Insrtruments Inc, Canada)對(duì)根系總長度、總表面積和平均直徑等形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行定量測定。將地上與根系部分別經(jīng)105℃殺青30 min,80℃下烘干至恒重,進(jìn)行生物量測定之后,粉碎、過篩,采用用濃硫酸-高氯酸消煮和鉬銻抗比色法測定樣品的磷含量[25]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 20.0對(duì)供磷水平與供磷方式的影響效應(yīng)進(jìn)行雙因素方差分析。當(dāng)2個(gè)因素存在顯著交互作用(P<0.05),則分析2個(gè)因素之間對(duì)測定指標(biāo)的疊加影響效應(yīng)；若2個(gè)因素對(duì)杉木幼苗測定指標(biāo)的影響無顯著交互作用(P>0.05),則進(jìn)行單因素方差分析,分別利用雙側(cè)T檢驗(yàn)對(duì)2個(gè)供磷方式之間,以及利用LSD多重比較對(duì)3個(gè)供磷水平之間的差異顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)(P=0.05)。

分別計(jì)算根冠比及比根長,其中比根長作為單位質(zhì)量根系的長度,可以表征根系生理與形態(tài)功能的一個(gè)重要指標(biāo)[26]。比根長=根系總根長/根系干重；根冠比=根系干重/地上部分干重；根系磷利用效率=根系干重/(根系干重×根系磷含量)；全株磷利用效率=全株干重/(根系干重*根系磷含量+地上部干重×地上部磷含量)。研究結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,不同小寫字母表示杉木幼苗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 供磷水平及方式對(duì)杉木幼苗生長和磷素利用效率的雙因素影響分析

供磷水平及方式這2個(gè)因素對(duì)杉木幼苗測定指標(biāo)均無顯著交互作用(P>0.05,表2)。從單個(gè)因素來看,供磷水平對(duì)杉木苗高、根表面積和地上部生物量的影響未達(dá)顯著水平,而對(duì)其余指標(biāo)均有顯著影響(P<0.05)；除根生物量外,供磷方式對(duì)杉木其余測定指標(biāo)的影響均達(dá)顯著水平。

表2 供磷水平及方式對(duì)杉木幼苗各測定指標(biāo)的雙因素方差分析結(jié)果

*:P<0.05；ns:P>0.05

2.2 供磷水平及方式對(duì)杉木幼苗生長指標(biāo)的影響

不同供磷水平對(duì)杉木幼苗的苗高和根系總表面積的影響未達(dá)顯著水平(P>0.05,圖1),低濃度供磷(8 mg/kg)下,杉木幼苗根系總根長顯著大于正常(16 mg/kg)和高濃度供磷(32 mg/kg,P<0.05),但根平均直徑顯著降低,且正常與高濃度供磷水平間無顯著差異；而局部供磷方式下,杉木幼苗苗高、根系總根長和總表面積均顯著大于均勻供磷方式,而根平均直徑相則反。

圖1 不同供磷水平及方式對(duì)杉木幼苗生長指標(biāo)的影響Fig.1 Effects of different P supply levels and methods on growth indicators of Chinese fir seedlings

2.3 供磷水平及方式對(duì)杉木幼苗生物量積累及分配的影響

不同供磷水平對(duì)杉木幼苗地上部生物量的影響未達(dá)顯著水平(P>0.05,圖2),而對(duì)根系生物量、根冠比和比根長的影響差異顯著(P<0.05)。低濃度供磷(8 mg/kg)下,杉木幼苗根系生物量和根冠比顯著大于正常和高濃度供磷且二者無顯著差異。隨著供磷水平的提高,杉木幼苗根系比根長在高濃度供磷(32 mg/kg)時(shí)顯著降低；局部供磷方式下,杉木幼苗地上部生物量和比根長均顯著大于均勻供磷方式,而根冠比則顯著降低。

圖2 不同供磷水平及方式對(duì)杉木幼苗生物量積累及分配的影響Fig.2 Effects of different P supply levels and methods on biomass accumulation and distribution of Chinese fir seedlings

2.4 供磷水平及方式對(duì)杉木幼苗磷素利用效率的影響

不同供磷水平下,根系和全株磷素利用效率則隨著磷素供給的增多而顯著下降(P<0.05,圖3)；局部供磷方式下,杉木幼苗根系及全株磷素利用效率均顯著大于均勻供磷。

圖3 不同供磷水平及方式對(duì)杉木幼苗磷素利用效率的影響Fig.3 Effects of different P supply levels and treatments on P use efficiency of Chinese fir seedlings

3 討論

土壤磷素在空間分布上多呈異質(zhì)性分布,而植物根系形態(tài)可塑性可促進(jìn)其提高對(duì)磷素養(yǎng)分的獲取和利用能力[14]。本文研究發(fā)現(xiàn),局部供磷處理下,杉木幼苗根系根長、根表面積和比根長均顯著增加,根平均直徑與根冠比減少,即細(xì)根比例增多,根系形態(tài)趨向于“高效吸收”的根構(gòu)型轉(zhuǎn)變,有效促進(jìn)地上部生物量與苗高增加。這與鄒顯花[8]和馬雪紅[11]等研究結(jié)果一致,即杉木幼苗能夠通過根系“細(xì)根化”優(yōu)化根系空間分布和改變形態(tài)來占據(jù)更多的土壤體積,增加與移動(dòng)性較差的土壤磷素的接觸面積,以補(bǔ)償其余根系由于無法獲取磷素對(duì)植物生長造成的消耗,提高自身根系與全株磷素利用效率從而維持地上部分的正常生長。

另一方面,杉木幼苗根系也可顯著提高細(xì)根的周轉(zhuǎn)率,在減少留存細(xì)根基礎(chǔ)代謝能量消耗的同時(shí),通過死亡細(xì)根的分解,將大量磷素歸還土壤以維持新生根系生長和生命活動(dòng)的繼續(xù)[27]。然而,另有一些植物,包括紫草茅(Arnebiaeuchroma)、甘松茅(Nardostachys)和蠶豆(Viciafaba)等,卻表現(xiàn)出較弱的可塑性反應(yīng)[13]；多年生植物絨毛草(Holcuslanatus)僅僅在短期內(nèi)出現(xiàn)根系大量增生和地上部生長的現(xiàn)象[28]；Einsmann等[29]所研究的4種木本植物地上部的生物量在異質(zhì)供磷條件下顯著提高,而在對(duì)同種木本植物的不同研究中,Bliss等[30]并未發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律?？梢?不同或同一植物間根系的形態(tài)特性、對(duì)磷素的敏感性以及發(fā)育時(shí)間長短等本身屬性均會(huì)對(duì)其適應(yīng)逆境能力產(chǎn)生較大的影響[1]。由于本研究對(duì)象為6個(gè)月生的杉木幼苗,且試驗(yàn)脅迫周期較短,有關(guān)不同杉木家系之間根系可塑性的差異及其對(duì)脅迫試驗(yàn)時(shí)間的長期變化仍有待今后進(jìn)一步研究。

有研究表明,植物根系形態(tài)可塑性對(duì)空間異質(zhì)性反應(yīng)的差異除了受本身生物學(xué)特性的制約之外,還受到養(yǎng)分濃度及營養(yǎng)元素組成狀況的影響[31]。本文研究發(fā)現(xiàn),低濃度供磷(8 mg/kg)下的杉木根系總根長、比根長根生物量和根冠比均較高,而根系平均直徑顯著下降,使得單位根長所構(gòu)建的碳源減少,同時(shí)全株干物質(zhì)趨向于往地下部分配,以增加根系與土壤接觸機(jī)會(huì),有效擴(kuò)大磷素吸收范圍,提高根系磷素利用效率以維持地上部正常生長；但隨著供磷濃度的提高,地下部根系分配量與磷素利用率卻顯著下降,地上部生物量雖有所增長,但未達(dá)顯著水平,杉木植株表現(xiàn)出“奢侈”供磷的現(xiàn)象[8]。這可能由于當(dāng)杉木根系處在含磷量較高的水平時(shí),其根系主要致力于磷素養(yǎng)分的吸收而非浪費(fèi)資源用于短期的生長[8]。特別對(duì)磷素這種在土壤中有效性低,移動(dòng)性很小的營養(yǎng)元素,杉木根系對(duì)磷的獲取主要依賴于根系的生長和形態(tài)的改變,通過增加根系分配比例、根系長度、根系表面積或根體積等來占據(jù)更多的土壤體積,增加了與移動(dòng)性差的土壤磷素的接觸面積,補(bǔ)償了其余根系由于無法獲取磷對(duì)植物生長消耗的影響,從而提高對(duì)磷素的獲取能力[4,11]。

然而,根據(jù)植物“成本-收益”理論,根系增生會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)貯存養(yǎng)分的快速消耗,反而不利于對(duì)有效磷素匱乏環(huán)境的適應(yīng)[32]。但本文研究中,低磷處理對(duì)杉木苗高、地上部生物量和根表面積的影響并不顯著。這與前人研究結(jié)果一致,即當(dāng)土壤磷素養(yǎng)分濃度較低時(shí),根系增生所得到的回報(bào)相對(duì)較小,杉木幼苗為節(jié)省根系增生的能量消耗,在磷素不足條件下能啟動(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,即可主要通過溶解根系皮層細(xì)胞[33]、活化細(xì)胞壁中儲(chǔ)存的磷素[34-35]、增強(qiáng)高親和力無機(jī)磷運(yùn)轉(zhuǎn)蛋白的活性[36]或者葉片光合效率[37]提高體內(nèi)磷素利用效率來適應(yīng)低磷脅迫環(huán)境。在磷饑餓狀態(tài)下,杉木幼苗還可通過改變蔗糖等新陳代謝新的途徑避免缺磷對(duì)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[38]。

總而言之,局部低濃度供磷環(huán)境下,杉木根系可通過形態(tài)可塑性變化來提高根系及全株磷素利用效率,獲取生長所需磷素從而有效促進(jìn)地上部的生長。然而,不同基因型杉木根系形態(tài)可塑性對(duì)不同供磷處理和水平的反應(yīng)有所差異,且生理可塑性也可能會(huì)存在相應(yīng)的影響,其難以用統(tǒng)一的響應(yīng)機(jī)制對(duì)其進(jìn)行描述和預(yù)測,尤其隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長,其根系對(duì)空間異質(zhì)性反應(yīng)將會(huì)更為復(fù)雜[26]。因此在今后的研究中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)這方面的研究,以更全面闡明杉木根系對(duì)空間異質(zhì)性的響應(yīng)機(jī)制,為維持杉木人工林長期生產(chǎn)力提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

與均一性的正常供磷處理相比,局部低磷條件下杉木幼苗根系的總長度、生物量,以及根冠比和全株磷素利用效率均明顯增加,但根系的平均直徑卻顯著減小,表現(xiàn)出根系的“細(xì)根化”,以優(yōu)化根系在養(yǎng)分異質(zhì)性土壤環(huán)境中的空間分布,有利用增加根系對(duì)磷斑塊的吸收與利用效率,從而保持較高的苗高生長量。因此,杉木根系在低濃度局部供磷環(huán)境中表現(xiàn)出高度的根系形態(tài)可塑性和較強(qiáng)的磷素利用效率,可維持地上部的正常生長,生產(chǎn)實(shí)踐中可利用其優(yōu)化根系空間分布來提高對(duì)異質(zhì)性土壤磷素資源的利用潛力。