羊草生長和光合生理特性對不同施磷強度的響應

李會軍，胡雨彤,2，劉美君,3，盛建東,2，張文太,2，張少民，孟 捷

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052；2. 新疆土壤與植物生態(tài)過程重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052；3. 新疆草地資源與生態(tài)實驗室，新疆 烏魯木齊 830052；4. 新疆農(nóng)業(yè)科學院核技術生物技術研究所 /農(nóng)業(yè)農(nóng)村部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830091）

羊草(Leymus chinensis)是禾本科賴草屬多年生根莖型牧草，主要分布于歐亞草原帶東部和我國的松嫩平原以及內蒙古高原東部[1]，大量研究表明羊草具有適口性好、再生能力強、持綠期長、葉量多等優(yōu)點，是我國禾本科牧草中分布最廣、利用價值最高的優(yōu)良牧草資源之一[2-3]。羊草對不同生活環(huán)境也有較強的適應性，具有抗寒、抗旱、耐瘠薄、耐踐踏、耐鹽堿等特性，對治理土地荒漠化和改善我國北方草原生態(tài)環(huán)境尤為重要[4]。

磷(phosphorus, P)是植物生長發(fā)育所需的大量元素[5]，對作物生長發(fā)育及產(chǎn)量的形成有著重要的影響，此外磷還參與植物體內多種有機化合物的合成以及新陳代謝過程[6-7]。作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的生理基礎主要來自光合作用[8]，這一過程需要磷素的參與才能進行，磷不僅是核酸和磷脂的重要組成成分，也是蛋白質功能的重要調節(jié)因子，光合磷酸化作用能夠將光能轉化為化學能，并將光能以化學能的形式儲存在三磷酸腺苷(adenosine 5’-triphosphate, ATP)的高能鍵中[9-10]。植物體內葉綠素熒光的變化能夠在一定程度上反映環(huán)境因子對植物影響的大小，由于葉綠素熒光具有快速和非破壞性的特點，所以經(jīng)常被用于測定植物的光合性能[11]，一般來說磷的缺失會導致幼芽生長受到抑制以及各種代謝過程發(fā)生變化[12]。有研究表明，缺磷時會導致水稻(Oryza sativa)品種的光合速率和可溶性蛋白質含量不斷下降[13]。

土壤中磷對羊草產(chǎn)量的影響僅次于氮，缺磷時會抑制羊草的光合作用，進而降低生物量的積累和干物質的產(chǎn)量[14-15]。當前關于羊草與磷素的研究主要集中于氮磷配施對羊草生物量及其土壤理化性質的影響以及養(yǎng)分利用效率方面[16-19]。針對新疆地區(qū)不同施磷強度對羊草生長特征和光合特性的研究較少，不同施磷強度是如何影響羊草光合特性與生長特征的尚不明確。因此，本研究以羊草為研究對象，從羊草生長特征和光合特性兩個方面系統(tǒng)地探討施磷強度對羊草的影響，以期獲得有利于羊草生物量積累的最佳施磷范圍，為新疆地區(qū)栽培羊草草地建植中磷肥的合理施用提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以羊草為供試材料，播種前進行篩種，選擇較為飽滿的種子，將質量較差的種子進行剔除，以減小對試驗的影響。

1.2 試驗設計

試驗設計4 個施磷水平，CK (P0)：不施磷處理；P70：施 磷70 kg·hm?2(P2O5)；P140：施 磷140 kg·hm?2(P2O5)；P210：施 磷210 kg·hm?2(P2O5)。每 個 處理12 個重復。各處理所用氮肥一致，為保障植物對氮素營養(yǎng)的基本需求，根據(jù)羊草正常生長所需，在試驗過程中氮肥施用量為150 kg·hm?2[純氮(nitrogen,N)]，因為試驗所用土壤中鉀的含量較高，所以在試驗過程中并未添加鉀肥。由于試驗所用磷酸一銨中含有部分氮，因此缺少的氮用尿素補充，使得各施磷水平間的氮含量一致，氮肥作為底肥，試驗所用氮肥和磷肥分別為尿素(含N 46.0%)和磷酸一銨(含P2O561%，含N 12.0%)，由云南云天化股份有限公司提供。

于2020 年5 月7 日在新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院進行，供試土壤為新疆農(nóng)業(yè)大學三坪農(nóng)場試驗基地未經(jīng)施肥處理的石灰性土壤，其耕作層土壤有機質含量為14.6 g·kg?1，堿解氮含量為45.14 mg·kg?1，全磷含量為0.60 g·kg?1，速效磷含量為13.3 mg·kg?1，速效鉀含量為188 mg·kg?1。在盆栽試驗之前對土壤進行預處理，即風干、除雜、過篩，風干土壤稱重裝入花盆(直徑20 cm、高15 cm)中，每盆約4.2 kg。將稱好的肥料與土壤充分混勻后加入花盆內，然后每個花盆內加入等量的水，使其保持田間最大持水量，24 h 后播種，每個花盆的播種量一致，播種深度為2 cm，出苗10 d 后進行間苗使每盆的株數(shù)保持在30 株，用于相關指標的測定。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生長指標的測定

2020 年6 月19 日，每個處理各選擇3 盆，每盆各選取10 株具有代表性的植株，用于測定株高。測定完畢后采集整盆樣品，并迅速放于保溫箱中帶回實驗室將地下部根系與地上部齊地面分開后，將羊草根系用蒸餾水沖洗干凈后用濾紙吸干水分，然后在105 ℃殺青0.5 h，最后在75 ℃下烘干24 h 后，分別稱取地上部與地下部生物量的干重。

1.3.2 光合生理特性的測定

播種后45 d，選擇晴朗天氣(2020 年7 月9 日)，采用便攜式光合儀(CIRAS-2 PP system, Hansha, UK)于09:00 - 11:00 測定生長健康、長勢一致的旗葉的氣孔交換指標，每30 min 測定一次，重復4 次。各處理分別測定3 株取平均值，測定時避開光合午休，并盡可能避開葉脈，空氣瓶置于測試點2 m 外。測定時葉溫設為25 ℃，記錄凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、氣孔導度(stomatal conductance, Gs)、蒸騰速率(transpiration rate, Tr)、胞間二氧化碳濃度(intercellular CO2concentration, Ci)。在測定光合作用時，同時利用便攜式手持式葉綠素熒光儀(FluorPen FP 110,CR)測定葉綠素熒光參數(shù)，事先經(jīng)過30 min 的暗適應，獲取初始熒光(Fo)、最大光化學效率(Fv/ Fm)以及PSⅡ活性。選擇羊草最上部完全展開、長勢一致的旗葉，用SPAD-502 葉綠素儀直接測定相對葉綠素含量(用SPAD 值表示)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007 整理，使用Origin 2019軟件繪制圖表，用SPSS 19.0 進行顯著性檢驗。為了解不同施磷處理間是否存在顯著差異，對各施磷強度處理的地上生物量、株高、Pn、Gs、Ci、Tr以及熒光參數(shù)等進行單因素方差分析，采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進行多重比較，顯著水平P< 0.05，利用羊草生物量與施磷強度進行擬合，求出理論最大施磷強度。所有數(shù)據(jù)用平均值 ± 標準誤來表示。

2 結果與分析

2.1 不同施磷強度對羊草生長特征及相對葉綠素含量的影響

羊草的株高隨施磷量的增加呈先增加后降低的趨勢，不同處理間差異顯著(P< 0.05) (表1)。在P140處理下的株高最高，顯著高于其他處理(P<0.05)；P140處理與不施磷(CK) 和低磷處理(P70)相比，株高分別增加了111.57%和39.19%；P140處理與最大施磷量(P210)相比，株高增加了8.28%。低磷處理(P70) 的株高與CK 間差異顯著(P< 0.05)，P70處理比CK 株高增加了52.00%。因此，增加施磷強度，在一定范圍內有利于羊草株高的增加。SPAD 值隨著施磷強度的增加而增加，在施磷強最大(P210)時達到最大值，P140和P210處理的SPAD 值顯著大于CK(P< 0.05)，各施磷處理(P70、P140和P210)下SPAD 值較CK 分別上升了2.28%、10.04%和19.68%。

表1 不同施磷強度對羊草株高及相對葉綠素含量的影響Table 1 Effects of phosphorus treatments of different intensities on height and relative chlorophyll content in Leymus chinensis plants

羊草地上部生物量、地下部生物量與總生物量的變化趨勢一致，均隨著施磷強度的增加而呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在P140下生物量含量達到最大(圖1)。各施磷處理(P70、P140和P210)的地上部生物量與CK 間差異顯著(P< 0.05)，相比于CK 地上部生物量分別增加了13.81%、35.31%和21.85%，地下部生物量分別增加了8.22%、19.63% 和15.53%；在70～140 kg·hm?2，羊草總生物量的增加與施磷量呈正相關關系，各施磷處理(P70、P140和P210)與不施磷相比，總生物量分別增加了12.26%、31.10%和20.10%。羊草的根冠比在P140處理下最小，相比于CK、P70和P210差異顯著(P< 0.05)，隨著施磷強度的增加，羊草的根冠比呈先下降后上升的趨勢，與CK 相比，施磷條件(P70、P140和P210)下羊草的根冠比分別下降了5.22%、10.53%和5.26%。

圖1 不同施磷強度對羊草地上生物量、地下生物量、根冠比和總生物量的影響Figure 1 Effects of phosphorus treatments of different intensities on the aboveground biomass,underground biomass, root-cap ratio, and total biomass of Leymus chinensis

為進一步研究羊草生物量與不同磷素之間的關系，對羊草生物量和施磷量進行擬合(圖2)，通過擬合曲線方程計算得出，羊草總生物量、地上生物量和地下生物量與施磷量擬合曲線的R2分別為0.871 7、0.861 3 和0.921 6，說明該擬合曲線方程可較準確的估算最佳磷肥施用量，通過估算，當理論最大施磷量達到148.75 kg·hm?2時，羊草地上部生物量達到最大(7.37 g·盆?1)，而總生物量在施磷量為158.89 kg·hm?2時達到10.04 g·盆?1。

圖2 不同施磷強度對羊草生物量的影響Figure 2 Effects of applying phosphorus at different intensities on the biomass of Leymus chinensis plants

2.2 不同施磷強度對羊草光合特性的影響

Pn隨著施磷強度的增加呈先升高后降低的趨勢，在P140時達到最大(圖3)。P140和P210處理的Pn與CK 和P70處理之間存在顯著性差異(P< 0.05)，相比于CK，各施磷處理(P70、P140和P210)的凈光合速率增加了1.81%、8.79%和7.81%。Ci雖然隨著施磷強度的增加而增加，但各處理間差異并不顯著(P>0.05)。不同施磷量下，羊草葉片的Tr隨著施磷量的增加而增加，在施磷量P210時達到最大，相比于CK，各施磷處理(P70、P140和P210)的Tr分別增加了5.00%、7.69% 和16.54%。羊草葉片的Gs在各處理之間無顯著差異(P> 0.05)，隨施磷量的增加呈先降低后升高再降低的趨勢，在P140時達到最大值，各施 磷 處 理(P70、P140和P210) 與CK 相 比，P70和P210處理的Gs分別下降了5.29% 和5.89%，而在P140處理時增加了14.12%。

圖3 不同施磷強度對羊草Pn、Ci、Tr 和Gs 的影響Figure 3 Effects of phosphorus treatments of different intensities on Pn, Ci, Tr, and Gs of Leymus chinensis plants

2.3 不同施磷強度對羊草葉綠素熒光的影響

羊草的光化學效率(Fv/ Fm)、Fo隨著施磷量的增加呈先增加后下降的趨勢，在P140時達到最大值，且在P140處理下Fv/ Fm與CK 差異顯著(P< 0.05)，相比于CK，不同施磷強度(P70、P140和P210) 下羊草葉片的Fv/ Fm分別增加了1.25%、3.75%和2.50%(圖4)。羊草Fo/ Fm隨著施磷量的增加呈先降低后升高的趨勢，在P140時Fo/ Fm最小，P210處理的Fo/ Fm與P140之 間 差 異 顯 著(P< 0.05)，與CK 相 比，P70、P140處理的Fo/ Fm分別下降了1.28%和7.14%，而P210處理的Fo/ Fm上升了6.03%。PSⅡ活性隨著施磷量的增加呈先增加后降低的趨勢，在P70下達到最大值，顯著大于CK (P< 0.05)，各施磷處理(P70、P140和P210) 下PSⅡ活性分別增加了56.41%、38.46%和38.46%。

圖4 不同施磷強度對羊草Fv / Fm、Fo、Fo / Fm 和PSⅡ活性的影響Figure 4 Effects of phosphorus treatments of different intensities on the photochemical efficiency (Fv / Fm),initial fluorescence (Fo), Fo / Fm, and PSⅡ activity of Leymus chinensis plants

3 討論

3.1 不同施磷強度對羊草生長特征的影響

本研究表明，在一定施磷范圍內，施磷量的增加對羊草的株高以及地上部和地下部生物量的積累具有促進作用，在P140處理下增產(chǎn)效果最為明顯。這與代景忠等[17]和宋彥濤等[20]在氮磷配施下對羊草生物量的研究結果相似，李瑾等[18]和甄莉娜等[21]的研究中也表明增施磷肥能夠對羊草生物量的積累有促進作用，這是由于在低磷條件下增施磷肥有助于促進羊草對土壤中養(yǎng)分的吸收，進而促進了干物質的積累。地下部生物量的多少可以反映羊草在不同施磷強度下對養(yǎng)分的吸收利用情況，有研究表明，高氮水平下磷的添加對羊草地下生物量無明顯促進作用，甚至地下生物量明顯受到磷素的抑制[16]。而本研究中各處理的施氮量均為150 kg·hm?2，施磷量在0～140 kg·hm?2，羊草地下生物量隨著施磷強度的增加，并未出現(xiàn)抑制作用，而繼續(xù)增加施磷強度，在P210處理時地下生物量相比于P140處理會有所降低，但降低并不明顯，說明在優(yōu)化氮肥的基礎上，增加施磷強度會在一定范圍內對羊草生物量的積累起到促進作用，這可能是因為土壤中氮、磷、鉀共同作用促進了羊草干物質的積累，磷素與氮素一起施用時二者的協(xié)同效果明顯，進而增加了土壤中有效養(yǎng)分的含量，有利于羊草生物量的積累。羊草的根冠比在不同施磷條件下具有顯著性差異，隨著施磷強度的增加羊草的根冠比呈下降的趨勢，這與詹書俠等[16]關于羊草的地上-地下功能性狀對氮、磷施肥梯度的響應及關聯(lián)的研究結果一致；黃菊瑩等[22]研究也表明隨著施磷量的增加，磷素對羊草的根冠比有抑制作用，這可能是由于物質分配時，磷素促進地上部生長及干物質合成，導致根冠比降低，使得根冠比隨著施磷強度的增加而降低，此外N、P 養(yǎng)分的添加會打破土壤中原有養(yǎng)分的平衡，會使土壤中的限制性養(yǎng)分發(fā)生轉移，對羊草干物質的積累具有促進作用。

3.2 不同施磷強度對羊草光合特性的影響

光合作用是植物體內一個重要的代謝過程，對外界環(huán)境的變化較為敏感[23]。外界環(huán)境的改變可以間接地影響植物的光合特性，而合理的施肥對作物的各生長指標均具有促進作用[24]。有研究表明，適宜的施磷量對羊草的光合特性有顯著影響，并具有一定的促進作用[25]。本研究表明，在一定的施磷范圍內，羊草的Pn、Ci、Tr均隨著施磷量的增加而增加，但超過P140時，繼續(xù)施磷則會對光合特性產(chǎn)生抑制作用，可見在P140時對羊草光合特性有利，也有研究表明施磷可顯著提高作物的光合作用[10]。磷素在三磷酸腺苷(ATP)的合成中起關鍵作用，在一定施磷范圍內，增施磷肥可以有效改善ATP 酶的磷酸化過程，進而對植物的光合作用起到促進作用。植物的蒸騰主要通過調節(jié)Gs的大小來進行[26]，本研究中各施磷處理間羊草的Tr和Gs差異并不顯著，有研究表明，施磷能夠顯著影響荊條 (Vitex negundo)的Tr[27]，這可能是因為新疆地區(qū)夏季氣溫高，Tr較大，導致施磷處理對其Tr的影響并不大。有研究表明，在植物生長過程中，影響植物生長的因素除了植物自身因素外，還與植物所處的氣象環(huán)境因子也有較大的關系[28]。因為本研究是在6 月 - 7月進行，此時新疆地區(qū)光照充足，日蒸騰速率較高，外界氣象因子成為影響植物生長的主導因子。盡管在試驗過程中，已經(jīng)將外在影響因素降到了最低，各處理的外在環(huán)境基本一致，但由于新疆地區(qū)夏季氣溫高，在一定程度上也會對光合作用產(chǎn)生影響。

3.3 不同施磷強度對葉綠素熒光的影響

葉綠素熒光淬滅過程的變化主要取決于熱耗散以及光化學反應的變化，熱耗散消耗的能量越少，光化學效率越高，說明植物受到的脅迫越小，有利于植物的生長[29]。Li 等[14]在磷脅迫對羊草生長特征和光合特性影響的研究表明，缺磷能夠顯著影響羊草的葉綠素熒光，抑制效果特別明顯，通過增施磷肥在一定程度上能夠提高羊草對外界不良環(huán)境的適應能力。本研究結果表明，羊草葉片整體的光化學效率分布在0.80～0.83，在正常葉片的光化學水平之內(0.80～0.85)[30]。光化學效率的增加是促進光合作用的表現(xiàn)之一，光合作用的正常進行有利于羊草生物量的積累，表明在一定的施磷范圍內，通過施磷可有效提高羊草的光化學效率，進而加快葉綠素熒光淬滅過程。

葉綠素熒光的大小隨著外界環(huán)境條件的變化而變化，在一定程度上葉綠素熒光的大小可以反映植物應對環(huán)境因子變化的水平[12]。PSⅡ活性的大小可以反映植物的生長能力，PSⅡ活性越高，說明植物的生長越好。本研究結果表明，隨著施磷量的增加羊草的PSⅡ活性呈先增加后減小的趨勢，整體而言，在施磷條件下羊草的PSⅡ活性高于CK。李玲玉等[31]研究表明，低磷脅迫下羊草的PSⅡ活性明顯受到抑制，通過施磷可顯著提高羊草PSⅡ活性，從而對羊草的生長起到促進作用。本研究發(fā)現(xiàn)，在P210處理下PSⅡ活性變化并不大，可見在最大施磷量時并不會對羊草的PSⅡ活性產(chǎn)生促進作用，說明在一定的施磷范圍內增施磷肥能夠提高羊草PSⅡ活性，超過該施磷閾值時不僅不會提高PSⅡ活性，反而會浪費資源。光化學效率的高低可以反映PSⅡ分配于熱耗散能量的大小，熱耗散能量越小，說明植物受到的限制性因素越小，對植物生長起到一定的促進作用。本研究結果表明，在P70和P140處理下，熱耗散值相對較低，說明施磷量在70～140 kg·hm?2時有利于羊草的生長。陳屏昭等[32]研究結果表明，缺磷加劇了植物光合作用的光抑制，進而啟動了多種能量耗散機制，而本研究主要從增施磷肥的角度出發(fā)，施磷量的增加促進了羊草的光合作用，進而減少了能量的耗散。熱耗散值在P140處理與P210處理之間存在顯著差異，且在P140下熱耗散值最低，繼續(xù)增施磷肥熱耗散值反而會上升，說明適量的施磷有助于提高植物對環(huán)境的耐受力。

4 結論

在羊草的生長過程中，通過增施磷肥可有效改善羊草的生長指標和光合特性，并在一定程度上提高羊草對外界環(huán)境的適應能力和對不良環(huán)境的耐受性。在不同施磷條件下羊草的生長特征和光合特性因施磷強度的不同也有所差異，其中羊草的生長特征和光合特性在P140處理下整體表現(xiàn)較好，磷添加對羊草生長特征和光合特性的影響總體表現(xiàn)為“適量促進，過量抑制”，在指導該地區(qū)栽培羊草草地的建植上，推薦施磷量為148.75 kg·hm?2。