低磷脅迫對(duì)赤皮青岡幼苗生長(zhǎng)及生物量的影響

陳雯彬， 歐陽(yáng)澤怡， 歐陽(yáng)碩龍， 李志輝， 何友軍

(1.湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究總院， 湖南 長(zhǎng)沙 410007； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410004；3.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 4. 湖南省森林植物園， 湖南 長(zhǎng)沙 410116)

赤皮青岡Cyclobalanopsisgilva又名紅椆[1]，在我國(guó)的貴州、湖南、廣東等省份都能生長(zhǎng)；適應(yīng)環(huán)境的能力較強(qiáng)，在涵養(yǎng)水源、保持水土方面也有較好表現(xiàn)；是兼具園林觀賞、生態(tài)綠化與工業(yè)用材等多功能的珍貴硬木鄉(xiāng)土樹種[2]。赤皮青岡成片天然林稀少，進(jìn)行科學(xué)繁育擴(kuò)大人工造林規(guī)模以滿足市場(chǎng)需求顯得十分必要[3]。

我國(guó)土壤普遍存在缺磷的狀況，特別是南部省份的土壤類型絕大多數(shù)為典型缺磷紅壤[4]，赤皮青岡這一樹種在推廣栽培過程中必定面臨缺磷的問題。針對(duì)這一問題，傳統(tǒng)應(yīng)對(duì)措施是加大林地養(yǎng)分用量和改善營(yíng)林方法[5]。然而這些應(yīng)對(duì)措施大多只是從改善林地土壤條件出發(fā)，沒有深入研究樹種個(gè)性化的生理特點(diǎn)，所以并沒有收到理想效果。

眾多研究表明，不同樹種的磷素利用效率存在較大差異，并且能夠在自身的生理生化過程中表現(xiàn)出來[6-10]。植物生長(zhǎng)特征的變化是各植物適應(yīng)逆境脅迫的最顯著表現(xiàn)和重要方式，而生物量在各器官間的分配變化能全面體現(xiàn)植物對(duì)各種逆境脅迫的適應(yīng)能力的強(qiáng)弱。低磷脅迫還造成植株生物量在不同部位的分配發(fā)生改變，從而造成植株根冠比發(fā)生變化，而植物的生產(chǎn)力與生物量在各部位的分配有密切聯(lián)系[11-12]。所以，研究低磷脅迫下赤皮青岡生長(zhǎng)及生物量響應(yīng)有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究選取1、2年生赤皮青岡幼苗，對(duì)其進(jìn)行模擬低磷脅迫處理，并對(duì)各脅迫程度下植株的生長(zhǎng)、生物量分配、根冠比等進(jìn)行測(cè)量，探討1、2年生赤皮青岡對(duì)不同濃度低磷脅迫的響應(yīng)，可為赤皮青岡人工林施肥研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以湖南省通道侗族自治縣的1、2年生赤皮青岡家系幼苗為試材布置試驗(yàn)。1年生赤皮青岡苗高為(15.0±0.5)cm，地徑為(1.9±0.1)cm，2年生苗高為(37.0±0.2)cm，地徑為(3.5±0.2)cm。該種源地地理位置109°36′29″E，26°16′45″N。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在湖南省天際嶺國(guó)家森林公園內(nèi)，該地位于長(zhǎng)沙市區(qū)南部，與種源地同屬亞熱帶季風(fēng)氣候。春秋季短，春季氣溫起伏大，夏季炎熱而漫長(zhǎng)，冬季結(jié)冰少但體感較冷。年平均降水量為1 361.6 mm，年平均溫度為17.2 ℃，無霜期275 d[13]。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和處理

試驗(yàn)采用水培法，營(yíng)養(yǎng)液按照霍格蘭配方用去離子水配置[14]。試驗(yàn)前，設(shè)置5個(gè)磷素水平即0.100、0.500、1.000、2.000、5.000 mM(mM=mmol·L-1)的磷濃度試驗(yàn)，結(jié)果顯示1 mM濃度時(shí)植株生長(zhǎng)良好，無脅迫響應(yīng)癥狀，于是確定該濃度為本研究的對(duì)照濃度。本試驗(yàn)設(shè)置8個(gè)磷素處理，處理1至處理8分別為1.000、0.500、0.100、0.050、0.010、0.005、0.001、0 mM(CK)。每個(gè)培養(yǎng)穴內(nèi)分別放置1株1年生或2年生赤皮青岡幼苗，每個(gè)磷素水平3株，重復(fù)3次，共144株，其中1、2年生苗各72株。將KH2PO4配置成不同磷濃度水平的溶液，在改變磷濃度時(shí)用KCl來調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液中K+濃度的平衡，其他營(yíng)養(yǎng)元素濃度保持不變。在脅迫試驗(yàn)過程中保證全天候不間斷通氣，及時(shí)使用0.1 mol·L-1的HCl溶液和0.1 mol·L-1的NaOH溶液調(diào)整營(yíng)養(yǎng)液的pH值至5.8。為確保營(yíng)養(yǎng)充足，每3 d要倒掉使用過的營(yíng)養(yǎng)液，注入新配置的營(yíng)養(yǎng)液，每30 d測(cè)定一次相關(guān)指標(biāo)。

2017年5—10月，在湖南省天際嶺國(guó)家森林公園的玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行水培試驗(yàn)。5月初，在試驗(yàn)苗圃內(nèi)將赤皮青岡進(jìn)行移植。選擇大小分別基本一致的1、2年生赤皮青岡幼苗，先用自來水再用重蒸水將幼苗根系輕柔地沖洗干凈，并對(duì)幼苗進(jìn)行一定的修剪，然后移栽到黑色塑料培養(yǎng)槽里。培養(yǎng)槽內(nèi)需提前注入正常培養(yǎng)液，培養(yǎng)1周后進(jìn)行低磷脅迫處理。6月初(30 d后)開始測(cè)定相關(guān)指標(biāo)，每30 d測(cè)量一次。9月底完成試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定方法

1.4.1 株高和地徑 用皮尺測(cè)量赤皮青岡幼苗株高，用游標(biāo)卡尺測(cè)量地徑。株高和地徑均以cm為單位，保留兩位小數(shù)。低磷脅迫第1天和第120天(試驗(yàn)結(jié)束后)分別測(cè)量1、2年生赤皮青岡幼苗的株高和地徑。第1天的數(shù)據(jù)為初始值，第120天的數(shù)據(jù)是最終值，計(jì)算見式(1)、式(2)。

株高生長(zhǎng)量=最終株高-株高初始值

(1)

地徑生長(zhǎng)量=最終地徑-地徑初始值

(2)

1.4.2 生物量和根冠比 低磷脅迫前，選取與試驗(yàn)幼苗大小基本一致的1、2年生赤皮青岡幼苗各9株，用純化水或重蒸水把根部洗凈。晾干后用枝剪將幼苗根、莖、葉分開，放進(jìn)紗布袋置于烘箱中，保持105 ℃運(yùn)轉(zhuǎn)30 min后，再調(diào)節(jié)至75 ℃，持續(xù)24 h。然后每2 h稱量干重一次，直到重量不再變輕。用千分位實(shí)驗(yàn)天平稱量，保留三位小數(shù)，取其平均值作為根、莖、葉的生物量初始值。脅迫120 d后，將最后剩下的植株，照前述的同樣方法晾干，將根、莖、葉分開，烘干水分，稱量干重，計(jì)算見式(3)、式(4)、式(5)和式(6)。

地上部分生物量=最終葉生物量+最終枝生物量

(3)

生物量增量=最終生物量-生物量初始值

(4)

生物量積累=根部生物量增量+地上部分生物量增量

(5)

根冠比=地下部分干重÷地上部分干重

(6)

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

運(yùn)用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖，采用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，運(yùn)用單因素方差分析方法(ANOVA)進(jìn)行方差分析，運(yùn)用鄧肯法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長(zhǎng)對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)

從表1可以看出，隨著磷元素濃度降低，1、2年生赤皮青岡幼苗株高生長(zhǎng)量也隨之減少。除了處理2外，1、2年生赤皮青岡幼苗株高生長(zhǎng)量和地徑生長(zhǎng)量與對(duì)照組都存在顯著差異(P<0.05)。與對(duì)照相比，處理3、處理4、處理5、處理6和處理7的1年生苗株高生長(zhǎng)量分別降低了15.32%、19.79%、33.86%、36.55和38.89%，2年生株高生長(zhǎng)量分別降低了12.82%、16.67%、25.53%、28.50%和30.25%。在處理8的磷濃度下株高生長(zhǎng)量降低幅度最大，植株生長(zhǎng)緩慢，1年生赤皮青岡幼苗株高生長(zhǎng)量減少了39.98%，2年生赤皮青岡幼苗株高生長(zhǎng)量減少了31.32%，與對(duì)照組存在顯著差異(P<0.05)。

表1 低磷脅迫下1、2年生赤皮青岡幼苗株高生長(zhǎng)量Tab.1 Height increment of annual and biennial seedlings of Cyclobalanopsis gilva under low phosphorus stress處理磷濃度/ mM 株高生長(zhǎng)量/cm1年生2年生11.00020.11±0.68 a25.19±0.68 a20.50019.42±0.72 a24.16±0.72 a30.10017.03±0.62 b21.96±0.81 b40.05016.13±0.51 b20.99±0.82 b50.01013.30±0.43 c18.76±0.71 c60.00512.76±0.36 cd18.01±0.70 cd70.00112.29±0.40 d17.57±0.69 cd8012.07±0.39 d17.30±0.71 d 注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;表中同列不同小寫字母表示處理之間差異顯著(P<0.05)。下同。

從表2可以看出，隨著磷元素濃度降低，1、2年生赤皮青岡幼苗的地徑生長(zhǎng)量都隨之減少。除了處理2外，其他濃度下1、2年生赤皮青岡幼苗的地徑生長(zhǎng)量與對(duì)照組都存在顯著差異(P<0.05)。與對(duì)照相比，處理3、處理4、處理5、處理6和處理7的1年生苗地徑生長(zhǎng)量分別減少了13.25%、16.57%、28.61%、30.72%和32.23%，2年生苗地徑生長(zhǎng)量分別減少了10.51%、14.87%、23.85%、26.67%和28.46%。在處理8的磷濃度下地徑生長(zhǎng)量降低程度最大，與對(duì)照組相比較，1年生赤皮青岡幼苗地徑生長(zhǎng)量減少了34.04%，2年生赤皮青岡幼苗地徑生長(zhǎng)量減少了29.49%。

表2 低磷脅迫下1、2年生赤皮青岡幼苗地徑生長(zhǎng)量Tab.2 DBH increment of annual and biennial seedlings of Cy-clobalanopsis gilva under low phosphorus stress處理磷濃度/ mM 地徑生長(zhǎng)量/cm1年生2年生11.0000.33±0.02 a0.39±0.02 a20.5000.32±0.02 a0.38±0.02 a30.1000.29±0.02 b0.35±0.01 b40.0500.28±0.02 b0.33±0.01 b50.0100.24±0.01 c0.30±0.01 c60.0050.23±0.01 c0.29±0.01 c70.0010.23±0.01 c0.28±0.01 c800.22±0.01 c0.28±0.01 c

2.2 生物量分配對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)

從表3可以看出，在低磷脅迫試驗(yàn)中，1、2年生赤皮青岡幼苗的根部生物量增量和地上部分生物量增量隨低磷脅迫程度增加而減少。在處理2、處理3和處理4的磷濃度下，與對(duì)照組相比，1、2年生赤皮青岡幼苗根部生物量增量差異不顯著，根部的生物量增量的減少程度不大；在處理5、處理6、處理7和處理8的磷濃度下，與對(duì)照組相比，1、2年生赤皮青岡幼苗根部生物量增量存在顯著差異(P<0.05)，根部生物量增量的減少較明顯，在處理8的磷濃度下，根部生物量增量減少幅度達(dá)到最大，與對(duì)照組相比較，1年生赤皮青岡幼苗根部生物量增量減少了21.09%，2年生赤皮青岡幼苗根部生物量增量減少了20.68%。在處理2的磷濃度下，1、2年生赤皮青岡幼苗地上部分生物量增量與對(duì)照組差異不顯著，地上部分生物量增量減少幅度較小，地上部分生物量增量變化不大；在處理3、處理4、處理5、處理6、處理7和處理8的磷濃度下，1、2年生赤皮青岡幼苗地上部分生物量增量與對(duì)照組存在顯著差異(P<0.05)，地上部分生物量增量減少幅度增大；在0 mM的磷濃度下，地上部分生物量增量減少的程度達(dá)到頂峰，與對(duì)照組差異顯著(P<0.05)，1年生赤皮青岡幼苗地上部分生物量增量減少了80.91%，2年生赤皮青岡幼苗地上部分生物量增量減少了79.23%。

表3 低磷脅迫下1、2年生赤皮青岡幼苗生物量增量Tab.3 Biomass increment of annual and biennial seedlings of Cyclobalanopsis gilva under low phosphorus stress處理磷濃度/ mM 1年生2年生根部生物量增量/g地上部分生物量增量/g根部生物量增量/g地上部分生物量增量/g11.0001.603±0.070 a3.981±0.346 a3.525±0.266 a4.579±0.820 a20.5001.567±0.073 a3.608±0.951 a3.438±0.254 a4.322±0.371 a30.1001.542±0.131 ab2.660±0.532 b3.355±0.233 ab3.168±0.387 b40.0501.501±0.118 abc2.138±0.261 b3.236±0.231 abc2.497±0.465 b50.0101.383±0.045 bcd1.206±0.468 c2.969±0.246 bc1.229±0.272 c60.0051.340±0.095 cd1.026±0.324 c2.925±0.173 bc1.086±0.523 c70.0011.314±0.067 d0.881±0.215 c2.856±0.326 c1.058±0.864 c801.265±0.122 d0.760±0.215 c2.796±0.193 c0.950±0.733 c

2.3 總生物量累積對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)

從表4可以看出，在低磷脅迫試驗(yàn)中，1、2年生赤皮青岡幼苗的總生物量累積隨低磷脅迫程度增加而減少。1、2年生赤皮青岡幼苗在處理2的磷濃度下，總生物量累積降幅比較小，與對(duì)照組差異不顯著；在處理3、處理4、處理5、處理6和處理7的磷濃度下，總生物量累積明顯降低，1年生赤皮青岡幼苗總生物量累積分別比對(duì)照組減少了24.74%、34.84%、53.63%、57.62%和60.68%。2年生赤皮青岡幼苗總生物量與對(duì)照組存在顯著差異(P<0.05)，分別比對(duì)照組減少了19.51%、29.26%、46.87%、50.51%和51.70%；在處理8的磷濃度下總生物量累積降低幅度最大，與對(duì)照組存在顯著差異(P<0.05)，1年生赤皮青岡幼苗總生物量累積比對(duì)照組減少了63.73%，2年生赤皮青岡幼苗總生物量累積減少了55.01%。

2.4 根冠比對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)

從表5可以看出，在低磷脅迫試驗(yàn)中，1、2年生赤皮青岡幼苗根冠比隨低磷脅迫程度增加而增加。在處理2、處理3的磷濃度下，1年生赤皮青岡幼苗根冠比與對(duì)照組差異不顯著;在處理2、處理3和處理4的磷濃度下，2年生赤皮青岡幼苗根冠比與對(duì)照組差異不顯著；在處理4、處理5、處理6、處理7和處理8的磷濃度下，1年生赤皮青岡幼苗根冠比與對(duì)照組存在顯著差異(P<0.05);在處理5、處理6、處理7和處理8的磷濃度下，2年生赤皮青岡幼苗根冠比與對(duì)照組存在顯著差異(P<0.05);在0 mM的磷濃度下，1、2年生赤皮青岡幼苗根冠比最大，1年生赤皮青岡幼苗根冠比相比于對(duì)照組增加了54.55%，2年生赤皮青岡幼苗根冠比相比于對(duì)照組增加了57.14%。

表4 低磷脅迫下1、2年生赤皮青岡幼苗總生物量累積Tab.4 Total accumulation of biomass of annual and biennial seedlings of Cyclobalanopsis gilva under low phos-phorus stress處理磷濃度/ mM 總生物量累積/g1年生2年生11.0005.583±0.411 a8.104±1.583 a20.5005.176±1.002 ab7.760±0.778 ab30.1004.202±0.664 bc6.523±0.612 bc40.0503.638±0.372 c5.733±1.684 c50.0102.589±0.501 d4.306±1.511 d60.0052.366±0.415 d4.011±0.685 d70.0012.195±0.277 d3.914±1.183 d802.025±0.600 d3.646±0.922 d

表5 低磷脅迫下1、2年生赤皮青岡幼苗根冠比Tab.5 Root shoot ratio of annual and biennial seedlings of Cyclobalanopsis gilva under low phosphorus stress處理磷濃度/ mM 根冠比1年生2年生11.0000.44±0.06 c0.49±0.01 c20.5000.47±0.07 c0.52±0.09 c30.1000.51±0.08 c0.57±0.14 b40.0500.55±0.11 b0.61±0.06 b50.0100.64±0.17 b0.72±0.11 a60.0050.65±0.04 ab0.74±0.12 a70.0010.67±0.12 ab0.76±0.08 a800.68±0.07 a0.77±0.04 a

3 討論

3.1 生長(zhǎng)對(duì)低磷脅迫的適應(yīng)

在自然界中，植物生長(zhǎng)特征的變化是各植物適應(yīng)逆境脅迫的最顯著表現(xiàn)和重要方式，生長(zhǎng)特征的變化帶來生物量在各器官間的分配變化[15]。這是植物在逆境脅迫下自身適應(yīng)能力的體現(xiàn)。所以，植物的株高、地徑、生物量和根冠比是評(píng)價(jià)植物抗逆性的主要方面，在耐低磷品種選育方面存在非常重要的意義[16]。通過本研究發(fā)現(xiàn)，在低磷脅迫試驗(yàn)中，1mM的磷濃度下(處理1)，1、2年生赤皮青岡幼苗的株高生長(zhǎng)量和地徑生長(zhǎng)量最大，隨著低磷脅迫的程度加大，1、2年生赤皮青岡幼苗的株高生長(zhǎng)量和地徑生長(zhǎng)量都有不同幅度的減小，可以看出赤皮青岡通過調(diào)整生長(zhǎng)速率來適應(yīng)各種程度的低磷脅迫。而且不同苗齡赤皮青岡的生長(zhǎng)變化存在一定的差異，2年生赤皮青岡株高生長(zhǎng)量和地徑生長(zhǎng)量明顯比1年生赤皮青岡幼苗降速要緩慢，在一定程度上可以說明在同等低磷處理下，2年生赤皮青岡幼苗生長(zhǎng)比1年生赤皮青岡幼苗受低磷影響較小。

3.2 生物量累積、分配和根冠比對(duì)低磷脅迫的適應(yīng)

低磷脅迫使植物的生長(zhǎng)速度滯后遲緩，植株體型孱羸，導(dǎo)致被脅迫植物的生物量累積較正常植物降低[16]。低磷脅迫還造成植株生物量在不同部位的分配發(fā)生改變，從而造成植株根冠比發(fā)生變化，而植物的生產(chǎn)力與生物量在各部位的分配具有密切聯(lián)系[17]。在本次試驗(yàn)中，隨著磷脅迫的程度加深，所有幼苗不管是根部還是地上部分的生物量增量都表現(xiàn)出一定程度的降低，總生物量增量亦然。根冠比也隨著磷元素濃度的降低而變大，根部生物量增量與地上部分生物量增量相比，根部生物量增量減少的程度較小，表明隨著低磷脅迫程度增強(qiáng)，赤皮青岡幼苗缺磷程度加大，為滿足幼苗對(duì)磷元素的需求，苗高的生長(zhǎng)速度放緩，地徑不再以之前的速度增大，而根部的生長(zhǎng)加快，這樣既能減少自身對(duì)磷的消耗，又能讓根系獲得更強(qiáng)大的吸收磷元素的能力，更加適應(yīng)低磷環(huán)境。

植物的根部是最先受到脅迫影響的器官[18]，根冠比能反映出植株根部與地上部分協(xié)調(diào)的狀態(tài)[19]。梁秀蘭等[20-23]研究證實(shí)，光合作用產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到地下部分的生物量增加，根部生物量增量占總生物量增量比例增大，這一表現(xiàn)是植株自覺適應(yīng)環(huán)境的一種反應(yīng)機(jī)制[24-25]。

在本次低磷脅迫試驗(yàn)中，1、2年生赤皮青岡幼苗根冠比變大，且隨著磷濃度的降低持續(xù)變大，由此可知，低磷脅迫的程度與光合產(chǎn)物的分配相關(guān)。低磷脅迫對(duì)赤皮青岡地上部分生長(zhǎng)的抑制相對(duì)大于其對(duì)根部生長(zhǎng)的抑制，分配到根部的比例相對(duì)于地上部分較大。

4 結(jié)論

低磷脅迫下赤皮青岡幼苗可以通過調(diào)節(jié)自身生長(zhǎng)和生物量的分配來適應(yīng)低磷脅迫[26]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著低磷脅迫程度的加強(qiáng)，赤皮青岡幼苗的株高及地徑受抑制加重，赤皮青岡幼苗的總生物量累積減少，根冠比增加，在0.01 mM、0.005 mM、0.001 mM、0 mM的磷濃度下，與對(duì)照組相比，1、2年生赤皮青岡幼苗生長(zhǎng)量、根部生物量增量、總生物量累積和根冠比均存在顯著差異(P<0.05)；赤皮青岡幼苗通過降低自身生長(zhǎng)和生物量增量來減少對(duì)磷元素的消耗，而且會(huì)將有限的資源優(yōu)先分配給根系，從而充分吸收有限的磷元素來維持自身的地上部分的生長(zhǎng)。