紫花苜蓿個體性狀對土壤磷素供給能力的響應(yīng)研究

郭豐輝，丁勇，馬文靜，李西良，張勇，師尚禮，侯向陽

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州 730070；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3.內(nèi)蒙古民族大學(xué)，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

紫花苜蓿(Medicagosativa)作為豆科植物，其根系可與固氮菌共生形成根瘤，具有較強的固氮能力。苜蓿每年固氮量為220～670 kg/hm2，相當于470～1 450 kg的尿素[1]。而磷元素作為植物生長所必需的大量元素之一，由于其移動性差，易被固定，有效性低，往往成為制約植物生長的主要因素[2]。有研究表明，相對于氮鉀元素，我國苜蓿生產(chǎn)更易受到土壤磷元素匱乏的限制[3-5]。磷素限制不僅影響了苜蓿干草生產(chǎn)量及種子產(chǎn)量[6-8]，而且降低了苜蓿養(yǎng)分、粗蛋白含量，降低了苜蓿草產(chǎn)品的品質(zhì)及適口性[9]。土壤磷素的供給能力直接關(guān)系到苜蓿的越冬率及抗逆性，施用磷肥可以明顯提高苜蓿春季返青率，增加鹽漬苜蓿田的幼苗建植率及產(chǎn)量[10-11]。苜蓿根系與固氮菌的共生關(guān)系受到土壤磷素供給能力的影響，磷素限制會減少有效根瘤數(shù)量，進而減小單位面積苜蓿的固氮量，最終降低苜蓿固氮能力[12-13]。鑒于土壤磷素在苜蓿生產(chǎn)中的重要作用及我國苜蓿主產(chǎn)區(qū)土壤磷元素可利用性低的特點，有關(guān)磷素與苜蓿生長及生產(chǎn)的相關(guān)性研究一直是草學(xué)研究領(lǐng)域的熱點之一。

苜蓿生物量的形成與其形態(tài)發(fā)育密切相關(guān)，影響苜蓿產(chǎn)草量的主要形態(tài)性狀有單莖重、莖長、莖粗、側(cè)枝數(shù)、葉片數(shù)等[14]。據(jù)報道苜蓿葉片性狀及分枝，包括葉面積指數(shù)(LAI)、冠層結(jié)構(gòu)、葉長、葉寬、葉角度、堅挺小葉、分枝數(shù)目(株數(shù))等與植株的光攔截有關(guān)，是影響苜蓿產(chǎn)量及質(zhì)量的主要形態(tài)性狀[15]。不同基因型苜蓿單株間生物量的差異受到其形態(tài)及側(cè)枝性狀的調(diào)控，在此調(diào)控過程中，側(cè)枝數(shù)量大于單個側(cè)枝重量的貢獻，而葉長的貢獻大于葉寬[16]。磷肥的施用可以通過增大苜蓿株高、增加側(cè)枝數(shù)量提高苜蓿單株生物量，進而提高苜蓿產(chǎn)量[17-18]；但是有研究表明磷肥添加并沒有改變苜蓿的植株密度和側(cè)枝數(shù)量，其通過提高單個側(cè)枝重量對苜蓿生物量產(chǎn)生影響[19-20]。因此，改變單株生物量是土壤磷素供給能力改變苜蓿生產(chǎn)力的重要途徑，但是有關(guān)土壤磷素供給能力通過改變苜蓿形態(tài)性狀(葉片性狀、側(cè)枝性狀等)影響苜蓿單株生物量尚存在爭議。盡管國內(nèi)外針對苜蓿形態(tài)特征開展了大量研究，但土壤磷素供給能力通過改變苜蓿形態(tài)特征進而影響其單株生物量的途徑尚缺乏足夠的研究。

鑒于土壤磷素供給能力對苜蓿生產(chǎn)的重要性及我國苜蓿主產(chǎn)區(qū)土壤磷素現(xiàn)狀，結(jié)合前人有關(guān)土壤磷素供給能力改變苜蓿生產(chǎn)力途徑的研究，采用室內(nèi)盆栽試驗方法研究了苜蓿個體性狀對土壤磷素供給能力的響應(yīng)，擬解決以下科學(xué)問題：1)苜蓿單株性狀對土壤磷素供給能力具有什么響應(yīng)；2)土壤磷素供給能力如何通過莖葉及側(cè)枝性狀影響苜蓿單株生物量。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年5月初～7月初在農(nóng)業(yè)部科爾沁牧草資源重點野外科學(xué)觀測試驗站溫室進行。為了有效研究土壤中磷元素對天然草原植物所起的作用，避免其他營養(yǎng)成分偏離正常水平而對試驗造成影響，試驗所用土壤采自于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院廊坊試驗基地，該土壤有效磷含量長期嚴重缺乏(土壤有效磷(P2O5)含量為3.00 mg/kg，據(jù)徐明崗等[21]研究當土壤有效磷(P2O5)含量低于5 mg/kg時即為磷素嚴重匱缺狀態(tài))，而其他養(yǎng)分水平相對正常。土壤的基本理化性質(zhì)為：全磷0.56 g/kg、全氮0.66 g/kg、有效磷(P2O5)3.00 mg/kg、堿解氮51.36 mg/kg、有機質(zhì)1.11%、pH 7.50。將所有土壤充分混勻、過篩、風干，然后裝入直徑為18 cm的花盆，每盆2.25 kg風干土。供試紫花苜蓿品種為中苜2號，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所牧草栽培研究室提供。

1.2 試驗方法

周德超[22]對京郊土壤磷肥添加后固定速率的研究表明，磷肥在添加后一晝夜的固定速率為34%～58%，2～30 d的固定速率為65%～76%。依據(jù)該固定速率、本土壤有效磷含量及全國養(yǎng)分含量分級標準[21]，所用土壤設(shè)置(P2O5)0，30，90，180 mg P2O5/kg 4個磷添加梯度(P0、P1、P2、P3)，分別代表很缺乏、中等、豐富、很豐富四個等級，每個處理6個重復(fù)，磷肥選用過磷酸鈣。將裝好土的花盆按照其施磷梯度計算好施磷量(每盆含風干土2.25 kg)，然后將每盆所添加的磷肥與土壤充分混勻(一次性添足)，最后給每盆澆同等量的水(澆透為止)。待土壤潮濕松軟后，每盆挖4個洞穴，每洞穴放3粒種子。出苗15 d后間苗，每盆保留長勢基本相同的幼苗4株，生長期間定期對每盆澆水，保證其水分的充足并及時拔除花盆里生長的雜草幼苗。

1.3 樣品采集與數(shù)據(jù)測定

待苜蓿生長到65 d時收獲，此時苜蓿生長速度明顯減慢。收獲時將花盆打破，輕輕抖掉根系上面的土壤，然后將每株的根系分開，并洗凈。首先對各苜蓿個體形態(tài)指標進行測定，利用游標卡尺測量主葉葉寬及節(jié)間粗，利用鋼尺對植物的株高、側(cè)枝總長、節(jié)間長、葉長進行測定。葉長、葉寬、節(jié)間長、節(jié)間粗測量每一主葉及每一節(jié)間后取平均值，側(cè)枝總長測量每一側(cè)枝長后取總和。待所有形態(tài)指標測量結(jié)束后，對每個單株進行根、莖、葉的分離，并置于60 ℃溫度烘箱烘干，然后稱重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

各個性狀的可塑性指數(shù)PI參考Valladares等[23]的方法計算求得，為各處理間的最大值、最小值之差與最大值的比值，表示為PI=[max(i)-min(i) ] / max(i)。運用偏最小二乘回歸法建立個體地上生物量與各形態(tài)指標的回歸方程,并根據(jù)回歸方程的變量投影重要性指標(VIP),經(jīng)計算可得各種影響要素的貢獻率(ω)[24]。計算方法：

ωXj=VIPj/∑VIPj

式中：q為自變量的個數(shù)，r(Y,th)為2各變量的協(xié)方差，Whj是軸Wh的第j個分量，ωX j為影響要素Xj的權(quán)重。

利用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理及簡單的數(shù)據(jù)分析，利用SPSS 19.0進行方差分析和相關(guān)分析，利用Sigmaplot 12.0作圖。方差分析法分析苜蓿各性狀在不同處理間的差異，Duncun方法進行多重比較；相關(guān)分析采用Pearson相關(guān)分析方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 個體形態(tài)

苜蓿個體株高、節(jié)間數(shù)、節(jié)間粗、葉長均表現(xiàn)為P0處理顯著小于P1，P2，P3處理(P<0.05)，而P1、P2、P3處理之間差異性不顯著(P>0.05)；側(cè)枝總長表現(xiàn)為P3處理顯著大于P0，P1，P2處理，同時P0處理顯著小于P2處理，P0與P1處理間及P1與P2處理間差異不顯著；葉寬在P0處理下最小，但是P0與P3處理間差異不顯著，P0處理顯著小于P1，P2處理；P3處理具有最大的葉長與葉寬比值(葉長/葉寬)，顯著大于P0，P1，P2處理，P0處理顯著小于P1，P2處理，P1與P2處理間無顯著差異；苜蓿個體節(jié)間長、節(jié)間長/節(jié)間粗在各個處理間均無顯著性差異(圖1)。

圖1 苜蓿個體形態(tài)對土壤磷元素供給能力的響應(yīng)Fig.1 Responses of alfalfa individual traits to soil phosphorus supply capacity注：P0、P1、P2、P3分別代表P2O5 0、30、90、180 mg/kg磷肥添加量；不同小寫字母代表苜蓿個體形態(tài)性狀在處理間存在顯著差異(P<0.05)；PH：株高；BL：側(cè)枝總長；SN：節(jié)間數(shù)；SL：節(jié)間長；SD：節(jié)間粗；LL：葉長；LW：葉寬；SLD：節(jié)間長/節(jié)間粗；LL/LW:葉長/葉寬。以下圖表符號含義與本圖相同

2.2 個體生物量及其分配

苜蓿個體各構(gòu)件鮮重，包括葉鮮重、莖鮮重、根鮮重、地上鮮重及總鮮重均隨著土壤磷素供給能力的增強而呈增加趨勢(圖2A)；在最小磷素供給水平P0處理下最小，顯著低于其他處理(P<0.05)；在最大磷素供給水平P3處理下達到最大值，但P3處理與P1，P2處理差異未達到顯著水平(圖2A)。苜蓿個體各構(gòu)件干重，包括葉干重、莖干重、根干重、地上干重及總干重對土壤磷素供給能力的響應(yīng)趨勢與鮮重基本相同，在P0處理下最小，且顯著低于其他處理(圖2B)；在P3處理下達到最大值，顯著高于P0，P1處理，但與P2處理差異不顯著(圖2B)。

苜蓿個體生物量分配對土壤供磷能力的響應(yīng)不敏感，根冠比、根莖比、根葉比及莖葉比在處理間均無顯著差異(P>0.05)(圖3)。相關(guān)分析表明苜蓿個體生物量分配受莖干重、根干重調(diào)控，莖干重與根冠比、根莖比呈顯著相關(guān)(P<0.05)，與莖葉比呈極顯著相關(guān)(P<0.01)；根干重與根冠比、根莖比、根葉比呈顯著相關(guān)；葉干重、地上干重及總干重與各分配指標無顯著相關(guān)(表1)。

圖2 苜蓿各器官鮮重與干重對土壤磷元素供給能力的響應(yīng)Fig.2 Responses of fresh weight (A) and dry weight (B) of alfalfa organs to soil phosphorus supply capacity注：LFM：葉鮮重；SFM：莖鮮重；RFM：根鮮重；AFM：地上鮮重；TFM：總鮮重；LDM：葉干重；SDM：莖干重；RDM：根干重；ADM：地上干重；TDM：總干重

圖3 苜蓿個體生物量分配對土壤磷元素供給能力的響應(yīng)Fig.3 Responses of alfalfa individual biomass allocation to soil phosphorus supply capacity注：RAR：根冠比；RSR：根莖比；RLR：根葉比；SLR：莖葉比

表1 苜蓿個體各構(gòu)件生物量與構(gòu)件生物量分配的相關(guān)分析

2.3 個體含水量

苜蓿個體各構(gòu)件含水量對土壤供磷能力響應(yīng)敏感，均隨著土壤磷素供給能力的改善而呈降低趨勢；葉含水量、莖含水量、地上含水量、總含水量均表現(xiàn)為P0處理顯著高于其他3個磷肥添加處理(P<0.05)，P1處理顯著高于P2、P3處理，P2、P3處理間差異不顯著(P>0.05)；根含水量表現(xiàn)為P0、P1處理顯著高于P2、P3處理，P0、P1處理間及P2、P3處理間無顯著性差異(P<0.05)(圖4)。相關(guān)分析表明苜蓿含水量隨著個體株高、干重的增大而降低，苜蓿個體各構(gòu)件含水量與其株高、葉干重、莖干重、根干重、地上干重及總干重均呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)(表2)。

圖4 苜蓿個體含水量對土壤磷元素供給能力的響應(yīng)Fig.4 Responses of alfalfa individual water content to supply soil phosphorus capacity注：LMC：葉片含水量；SMC：莖含水量；RMC：根系含水量；AMC：地上含水量；TMC：總含水量.

表2 苜蓿個體構(gòu)件含水量與個體大小的相關(guān)分析

2.4 個體地上干重的構(gòu)成因素

偏最小二乘法分析表明苜蓿個體各形態(tài)指標(側(cè)枝總長、株高、節(jié)間粗、葉長、節(jié)間數(shù)、節(jié)間長及葉寬)對其地上干物質(zhì)積累量的變量投影重要性(VIP)分別為1.22，1.10，1.04，0.99，0.99，0.79，0.78(圖5A)，貢獻率分別為17.66%，15.92%，15.05%，14.33%，14.33%，11.43%，11.29%(圖5B)；結(jié)合本文2.1中苜蓿個體形態(tài)對磷處理的響應(yīng)，土壤供磷能力主要通過苜蓿側(cè)枝總長、株高、節(jié)間粗、葉長及節(jié)間數(shù)來影響其地上干重，其中側(cè)枝總長及株高的貢獻相對較大。

圖5 個體形態(tài)性狀對地上干重的投影重要性(A)和貢獻率(B)Fig.5 The importance in projection values (A) and contribution rate (B) of morphological traits

3 討論

形態(tài)性狀既可以反映苜蓿單株生物量的大小，也可以通過光攔截影響其光合能力[14-15]。形態(tài)性狀的差異是不同品種或不同環(huán)境下苜蓿單株生物量差異的主要誘導(dǎo)途徑之一，例如，側(cè)枝數(shù)量及葉長的不同導(dǎo)致了品種間苜蓿單株生物量的差異[16]。本研究表明土壤磷環(huán)境的改善可以促進苜蓿單株生長，顯著增加苜蓿個體生物量，提高株高、側(cè)枝總長、節(jié)間數(shù)、節(jié)間粗、葉長(寬)。進一步分析表明側(cè)枝總長、株高對苜蓿單株生物量構(gòu)成具有較大的貢獻，因此土壤磷環(huán)境的改善主要通過增加側(cè)枝總長和株高提高苜蓿單株生物量。

生物量分配的改變是植物響應(yīng)環(huán)境變化的適應(yīng)策略之一，在土壤養(yǎng)分或水分限制下，植物會加大根系分配以獲取較大的根系吸收面積[25-26]。研究表明苜蓿通過增加根系分配適應(yīng)水分限制[27-28]。但是，也有研究發(fā)現(xiàn)苜蓿生物量分配并不隨環(huán)境因子的變化(氮、磷、水分、二氧化碳等)而改變[19，29-30]。本研究表明苜蓿生物量分配在各處理間無顯著差異，磷素在苜蓿生物量分配過程中無調(diào)控作用。因此，根系生物量分配的增加不是苜蓿適應(yīng)低磷環(huán)境的策略之一，其可能通過其他策略適應(yīng)低磷環(huán)境，如根際酸化、改變根系形態(tài)等[31-32]。眾多研究中所出現(xiàn)的差異性結(jié)果表明植物(苜蓿)生物量分配的調(diào)控是一個非常復(fù)雜的過程，其不僅與植物類型有關(guān)，還受到植物生長階段、環(huán)境因子脅迫強度及多因子間交互作用等因素的影響[13，33-37]。本研究表明苜蓿生物量分配與生物量多少有關(guān)，主要受根、莖干重的調(diào)控。為了充分厘清苜蓿生物量分配對環(huán)境因子的響應(yīng)機制，不同苜蓿品種、不同生長階段的多因子交互試驗還有待進一步開展。

本研究表明，隨著土壤供磷能力的改善，苜蓿植株含水量顯著下降，且同干重呈顯著負相關(guān)關(guān)系，這與李星月等[38]、劉雪云等[39]、李玉娥等[40]、劉芳等[41]針對植物含水量的研究結(jié)果一致。一般來說，組織含水量越大，光合速率越快，干物質(zhì)積累越多，但這與本研究結(jié)果中土壤磷素供給能力的改善能夠提高苜蓿生物量不一致。植物組織含水量代表了其幼嫩程度，與植物發(fā)育階段(物候期)有關(guān)，植物發(fā)育越成熟，含水量越低[42-44]。因此，本研究結(jié)果中苜蓿植株含水量在磷素營養(yǎng)改善條件下顯著降低可能與磷素營養(yǎng)改變了苜蓿植株的物候期有關(guān)。磷對植物物候期的影響與氮、水分等其他非生物因素相反，在磷缺乏時，植物趨向于推遲發(fā)育，延遲其物候期[45-47]；而在其他非生物環(huán)境因子脅迫下，植物趨向于提前其物候期，加速完成生命周期[48]。關(guān)于苜蓿物候期對土壤供磷能力的響應(yīng)在國內(nèi)外鮮見報道，杜文華[49]研究表明施肥對紫花苜蓿的物候期無影響，但是總體而言，苜蓿作為多年生植物，其物候期對磷環(huán)境的響應(yīng)及響應(yīng)機理缺乏足夠的研究。本研究認為苜蓿物候期對土壤磷素供給能力的響應(yīng)與擬南芥、玉米等一年生植物具有相同的響應(yīng)趨勢，即在磷缺乏時，苜蓿趨向于推遲其發(fā)育，延遲物候期[48]。

4 結(jié)論

土壤磷素供給能力的改善可以通過改變苜蓿側(cè)枝總長、株高、節(jié)間粗、節(jié)間數(shù)及葉長提高苜蓿生物量，其中側(cè)枝總長和株高是其最主要途徑；苜蓿單株生物量分配對土壤供磷能力響應(yīng)不敏感，其受苜蓿生物量的調(diào)控，相對于葉干重來說，根、莖干重是苜蓿單株生物量分配的調(diào)控因子；苜蓿單株含水量隨土壤供磷能力的增強而顯著下降，這可能與磷缺乏延遲苜蓿物候期有關(guān)。