供磷水平對(duì)棕櫚幼苗生長及根系形態(tài)的影響1)

邵暢暢 韋小麗 周紫晶 劉盈盈

(貴州大學(xué)，貴陽，550025)

棕櫚(Trachycarpusfortunei)是喀斯特石山地、半石山地區(qū)廣泛生長的經(jīng)濟(jì)植物，其棕纖維是制作繩索、棕床墊的優(yōu)質(zhì)原料，且其種子、花具有較高的食用、藥用價(jià)值。此外，棕櫚還具有良好的水土保持功能，因此，是巖溶石質(zhì)山地生態(tài)脆弱地區(qū)植被恢復(fù)的優(yōu)選樹種。磷素是植物細(xì)胞生長分化、蛋白質(zhì)合成、植物光合作用等生理生化過程的重要參與者[1]，是植物生長的限制性營養(yǎng)元素之一，在土壤中多以難溶態(tài)存在[2]，陳萍等[3]研究表明，喀斯特地區(qū)林地中的土壤全磷含量為Ⅵ級(jí)，速效磷含量為Ⅲ級(jí)，林地土壤磷素含量接近缺磷土壤，遠(yuǎn)小于磷豐富土壤，因此認(rèn)為，磷是限制喀斯特地區(qū)植物生長的主要影響因子之一。探討磷素供應(yīng)水平對(duì)喀斯特森林樹種棕櫚生長及根系發(fā)育的影響，找出適宜的磷供應(yīng)水平，對(duì)確定棕櫚磷肥需要量、調(diào)控棕櫚根系生長并促進(jìn)其對(duì)磷的吸收，從而對(duì)喀斯特地區(qū)缺磷環(huán)境棕櫚的育苗及人工栽培技術(shù)措施的制定提供理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)具有重要意義。

根系是植物連接土壤與植物地上部分的橋梁[4]，是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官。根系形態(tài)是評(píng)價(jià)植物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)吸收效果的重要參數(shù)[5]。已有研究表明，供磷水平與植物生長及根系形態(tài)均有較好的相關(guān)性[6]。低磷條件下，植物根系會(huì)形成一系列復(fù)雜的養(yǎng)分獲取策略，但不同樹種間存在差異，杉木(Cunninghamialanceolata)[7]、宜昌橙(Citrusichangensis)和白黎檬(Citruslimonia)會(huì)通過增大根總長、總表面積、總體積、比表面積或根尖數(shù)來應(yīng)對(duì)低磷脅迫，而酸橙(Citrusaurantium)和枳(Poncirustrifoliata)不具有這種特性[8]。根毛也會(huì)啟動(dòng)一系列響應(yīng)，研究表明，在缺磷條件下，小麥幾乎不產(chǎn)生根毛[9]，而在高磷條件下有較高的根毛數(shù)量，然而，也有研究發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫下，刺梨實(shí)生苗根毛的數(shù)量和長度會(huì)顯著增加[10]，說明磷會(huì)誘導(dǎo)根毛的形成與生長[11]，但具體調(diào)控機(jī)制可能與基因有關(guān)。根系的這一系列形態(tài)適應(yīng)有利于其與外部環(huán)境的接觸，從而有效增強(qiáng)磷的吸收能力，這些均可以看作是植物對(duì)低磷脅迫采取主動(dòng)適應(yīng)的一種表現(xiàn)。當(dāng)磷濃度過高時(shí)，植物的生長會(huì)受到抑制，總根長、根體積、根平均直徑等指標(biāo)明顯下降[12]?？梢?，低磷脅迫會(huì)在一定程度上增加根系與土壤的接觸面積，從而增加根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收利用[13]，極大程度上決定了植物獲取水肥資源的能力，從根本上影響著植物生產(chǎn)力水平[14]。目前，關(guān)于棕櫚植物的研究主要關(guān)注于抗逆性[15-16]、生理[17-18]、種源[19]等方面，供磷水平對(duì)棕櫚生長及根形態(tài)的影響尚不清楚。因此，本研究開展不同磷素供應(yīng)的棕櫚幼苗培養(yǎng)試驗(yàn)，探討磷水平對(duì)棕櫚根系生長及形態(tài)的影響，確定棕櫚幼苗正常生長的磷供應(yīng)量，揭示棕櫚對(duì)低磷脅迫的響應(yīng)，以期為喀斯特地區(qū)缺磷環(huán)境棕櫚的育苗及人工栽培技術(shù)措施的制定提供理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以同一母株采種培育的、生長勢一致的1年生棕櫚苗為材料，種源為貴州省花溪高坡，經(jīng)度106°48′45″、緯度26°18′23″，海拔1 436 m，氣壓85 kPa。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在貴陽市貴州大學(xué)林學(xué)院實(shí)驗(yàn)苗圃塑料大棚中進(jìn)行。培養(yǎng)基質(zhì)為20～40目的石英砂，用清水洗凈晾干，裝入底部直徑22 cm，高30 cm塑料盆，每盆裝干沙4 kg待用。試驗(yàn)采用營養(yǎng)液按霍格蘭大量元素配方和阿農(nóng)微量元素配方配制(參照左永忠等[20]的研究)。供應(yīng)營養(yǎng)液的P(KH2PO4)濃度設(shè)計(jì)為0、0.5、1.0、1.5 mmol·L-1共4個(gè)處理，用KCl平衡不同供磷處理間K+的差異，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)樣本量為38株苗，共456株，移入裝有石英砂的塑料盆中進(jìn)行栽培試驗(yàn)，每盆1株，處理前測得棕櫚平均苗高為(17.45±0.61)cm，平均地徑(3.13±0.15)mm，葉片數(shù)均為2片，每隔5 d澆1次營養(yǎng)液，每次50 mL，每次澆營養(yǎng)液的前1天，自來水淋洗石英砂，培養(yǎng)150 d取樣測相關(guān)指標(biāo)并分析。

1.3 指標(biāo)測定方法

生長指標(biāo)：處理前和收獲后分別測定棕櫚幼苗的苗高、地徑。苗高：用卷尺測其自然高度，精度為0.1 cm；地徑：用游標(biāo)卡尺測其地徑，精度為0.01 mm。

根形態(tài)指標(biāo)：沙培150 d后，計(jì)算每個(gè)重復(fù)的平均地徑和平均苗高，按平均地徑和平均苗高±5%選取3株標(biāo)準(zhǔn)株，將全株洗凈后，用濾紙吸去表面水分，用剪刀將根系剪下來，用根系掃描儀(萬深LA-S植物根系分析系統(tǒng))進(jìn)行掃描分析和計(jì)算，測定棕櫚幼苗總根長、總表面積、平均根直徑、根系體積、根尖數(shù)量等。

比葉面積：將上述3株標(biāo)準(zhǔn)株的全展葉剪下來，平鋪于葉面積掃描儀內(nèi)進(jìn)行掃描即可得葉面積。

比葉面積=葉面積/葉片生物量。

生物量：把以上標(biāo)準(zhǔn)株的根、莖、葉分別裝入紙袋，放入烘箱中，105 ℃殺青30 min，65 ℃烘至恒質(zhì)量后，測定植株各器官的干質(zhì)量。

根毛著生長度及數(shù)量測定：處理完成后，每個(gè)磷水平另選取3株標(biāo)準(zhǔn)株，每株選3個(gè)一級(jí)根(3級(jí)根上的一級(jí)根)，使用Leica FDM3000拍照并制作臨時(shí)切片，用于測量根毛長度和數(shù)量。根據(jù)棕櫚根毛分布情況，根毛長度和數(shù)量的測量位置為距根端0～1 cm處。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用SPSS18.0進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，且采用Duncan檢測法(P<0.05)比較各指標(biāo)在不同處理下的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 供磷水平對(duì)棕櫚苗高、地徑增量及比葉面積的影響

本研究測得試驗(yàn)前各處理的平均苗高分別為17.5、17.2、17.8、17.2 cm，平均地徑分別為3.14、3.09、3.22、3.07 mm，對(duì)各處理棕櫚苗高和地徑增長量進(jìn)行方差分析，并對(duì)其進(jìn)行了差異顯著性比較，結(jié)果表明，供磷水平對(duì)棕櫚苗高生長的促進(jìn)作用不同，苗高隨著供磷水平的增加先增高后降低，當(dāng)供磷水平為1.0 mmol·L-1時(shí)，苗高達(dá)到最大且苗高增量顯著高于其他3個(gè)水平(P<0.05)(表1)，對(duì)棕櫚幼苗地徑增量的影響差異不顯著，地徑在供磷水平為0 mmol·L-1時(shí)最小，其增量的變化隨磷濃度增加呈升高—降低—升高的趨勢。試驗(yàn)表明，供磷水平在1.0 mmol·L-1以內(nèi)時(shí)，會(huì)促進(jìn)棕櫚苗高生長，磷濃度為1.5 mmol·L-1時(shí)，苗高生長會(huì)明顯受到抑制。

表1 供磷水平對(duì)棕櫚苗木生長的影響

供磷水平對(duì)棕櫚苗的比葉面積有顯著影響(P<0.05，表1)，在磷水平為1.0 mmol·L-1時(shí)比葉面積最大，且磷濃度為0.5、1.0 mmol·L-1時(shí)的比葉面積顯著高于其他兩個(gè)處理，說明磷濃度過高過低都會(huì)抑制棕櫚幼苗生長。

2.2 供磷水平對(duì)棕櫚生物量的影響

在不同供磷水平下的棕櫚幼苗總生物量、莖葉生物量、根系生物量差異顯著(P<0.05)(表2)，且均在1.0 mmol·L-1供磷水平下達(dá)到最大。說明適當(dāng)?shù)牧诐舛瓤梢源龠M(jìn)棕櫚生物量的積累，濃度過高過低都會(huì)有抑制作用。不同磷水平處理下棕櫚差異不顯著，表明供磷水平不同對(duì)根生物量的影響不大。棕櫚根冠比在供磷水平為1.0 mmol·L-1時(shí)最大、1.5 mmol·L-1時(shí)最小，處理間差異不顯著。

表2 供磷水平對(duì)棕櫚總生物量、莖葉生物量、根系生物量和根冠比的影響

2.3 供磷水平對(duì)棕櫚苗根系形態(tài)指標(biāo)的影響

不同供磷處理下棕櫚根系總根長度、總表面積、組織密度、根尖數(shù)差異顯著(P<0.05)(表3)，1.0 mmol·L-1供磷水平的棕櫚根系總根長、總表面積、根尖數(shù)、組織密度顯著高于其他3個(gè)供磷水平(P<0.05)。棕櫚幼苗平均根直徑差異不顯著(P>0.05)，但以供磷水平為0.5 mmol·L-1時(shí)最大。在一定磷濃度范圍內(nèi)，棕櫚根系總根長、總表面積、根尖數(shù)量均隨著磷濃度的增加而增加，但高磷濃度會(huì)受到抑制。為了適應(yīng)環(huán)境的變化，棕櫚的根系形態(tài)會(huì)發(fā)生不同程度的變化，最終目的都是為了增加根系—土壤的接觸面積。

表3 供磷水平對(duì)棕櫚根系形態(tài)特性的影響

2.4 供磷水平對(duì)棕櫚根毛的影響

根毛是由成熟區(qū)的表皮細(xì)胞向外突起形成的，是吸收水分和無機(jī)鹽的主要部位。根毛的存在一定程度上增加了根的吸收面積，因此，根毛的總長度反映了根毛吸收面積的多少。本試驗(yàn)將4個(gè)供磷水平下棕櫚根毛長度進(jìn)行了比較，且對(duì)其根毛總長、平均長度及數(shù)量進(jìn)行了差異顯著性分析，結(jié)果表明，不同供磷水平對(duì)棕櫚根毛形態(tài)的影響程度存在差異，無磷水平(0 mmol·L-1)的根毛數(shù)量和長度都比其他3個(gè)供磷水平的大，但其他3個(gè)供磷水平之間根毛形態(tài)變化不大(圖1)。

a．0 mmol·L-1P；b.0.5 mmol·L-1P；c.1.0 mmol·L-1P；d.1.5 mmol·L-1P。

未進(jìn)行施磷處理的棕櫚平均根毛長顯著大于其他3個(gè)處理(P<0.05)，其他3個(gè)供磷水平的平均根毛長差異不顯著，無磷處理下根毛數(shù)量及根毛總長度均顯著大于其他3個(gè)供磷水平(P<0.05)(表4)。說明棕櫚幼苗在無磷環(huán)境下，會(huì)改變根系的生存策略，通過增加根毛密度和長度來增強(qiáng)對(duì)養(yǎng)分的吸收。

表4 供磷水平對(duì)棕櫚根毛平均長度、總長度及數(shù)量的影響

3 結(jié)論與討論

磷對(duì)棕櫚幼苗生長有顯著影響，濃度過高過低都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生抑制作用。供磷水平在1.0 mmol·L-1時(shí)能夠較好滿足棕櫚幼苗生長對(duì)磷的需求，根毛是棕櫚響應(yīng)低磷脅迫最快的指標(biāo)，無磷處理下，棕櫚根毛的平均長度、數(shù)量及總長度均達(dá)到最大值，棕櫚通過增加根毛長度、數(shù)量來擴(kuò)大與土壤的接觸面積，吸收更多的水分及養(yǎng)分，從而適應(yīng)低磷環(huán)境。

陸地生態(tài)系統(tǒng)中植物的生長常常受到Liebig定律的限制，即植物的生長取決于處在最小量狀態(tài)的營養(yǎng)成分[21]。磷作為限制性營養(yǎng)元素之一，對(duì)植物的生長發(fā)育有很大影響，官紀(jì)元等[22]研究發(fā)現(xiàn)，刺梨(Rosaroxbunghii)的苗高、生物量在營養(yǎng)液磷濃度為0.315 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值，且隨供磷水平的增加或降低，刺梨苗的生長受到明顯抑制，植株的高度、基徑和生物量隨之減小。王東光等[23]研究表明，隨著磷素供應(yīng)水平的升高，閩楠(Phoebebournei)苗高及總生物量呈先升高后穩(wěn)定的趨勢。造成這些差異的原因可能是受樹種遺傳特性的影響，閩楠屬于深根性樹種，對(duì)養(yǎng)分的需求較大，如果不能得到充足的養(yǎng)分供應(yīng)，植物的生長會(huì)明顯受到抑制。本研究表明，供應(yīng)營養(yǎng)液的P濃度高于或低于1.0 mmol·L-1，棕櫚幼苗生物量、苗高增量、比葉面積都明顯降低，1.5 mmol·L-1供磷濃度對(duì)棕櫚苗生長的抑制作用更加明顯，可能是磷素冗余影響了植物葉片的正常生理活動(dòng)，從而抑制RuBPCase活性和RuBP的再生速率，進(jìn)而降低了棕櫚幼苗光合速率所致。

根系是植物進(jìn)行養(yǎng)分和水分運(yùn)輸?shù)闹饕鞴?。?dāng)土壤中養(yǎng)分供應(yīng)充足時(shí)，植物根系生長比較旺盛，在土壤養(yǎng)分缺乏時(shí)，根系會(huì)及時(shí)啟動(dòng)覓磷策略[24]，吳文景等[25]發(fā)現(xiàn)，在輕度(0.5 mmol·L-1)與重度(0 mmol·L-1)低磷處理下，杉木(Cunninghamialanceolata)的根長、根生物量、根尖數(shù)及根冠比均顯著高于正常供磷及高磷處理。本研究表明，當(dāng)供磷水平為1.0 mmol·L-1時(shí)，棕櫚根系生物量、總根長、總表面積、根尖數(shù)、組織密度最大，且顯著大于其他3個(gè)供磷水平，而根冠比在各處理間差異不顯著。造成這些差異的原因可能是，棕櫚長期生長在缺磷環(huán)境下，對(duì)磷素的需求量較杉木小。磷素供應(yīng)充足的情況下，植物根系會(huì)迅速生長，從而增強(qiáng)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收能力，促進(jìn)植物的生長。當(dāng)土壤中磷供應(yīng)不足時(shí)，根系會(huì)及時(shí)啟動(dòng)覓磷策略，通過增加根系—土壤的接觸面積來增強(qiáng)水分養(yǎng)分的可用性，如形成“排根”或“根毛”等特殊結(jié)構(gòu)[26-27]。本研究雖然未在棕櫚幼苗根系的表觀上看到類似排根的結(jié)構(gòu)，但觀察到根毛數(shù)量和總長度均在無磷水平下達(dá)到最大值，且顯著大于其他3個(gè)供磷水平，說明缺磷處理誘導(dǎo)了棕櫚根毛的形成和生長。這可能是植物為彌補(bǔ)根系生長較差的缺陷，應(yīng)對(duì)低磷脅迫的另一種策略。前人研究表明，在無磷或低磷條件下，植物會(huì)通過增加植物根毛的總根長來增強(qiáng)對(duì)養(yǎng)分的吸收，曹秀等[28]研究發(fā)現(xiàn)，缺P會(huì)顯著增加枳主根根毛的長度，擬南芥(Arabidopsisthaliana)在低磷脅迫下根毛密度比高磷高約5倍[29]，本研究結(jié)果與其類似，均表明低磷處理能誘導(dǎo)根毛的生長。

棕櫚根毛是響應(yīng)磷脅迫最敏感的指標(biāo)，當(dāng)植株受到無磷脅迫時(shí)，根毛最先作出響應(yīng)，通過增加根毛數(shù)量和長度適應(yīng)磷脅迫。同時(shí)，棕櫚根系的其他指標(biāo)沒有作出相應(yīng)響應(yīng)，可能與棕櫚是典型的須根系植物有關(guān)；也可能是由于本研究處理時(shí)間較短，植物性狀隨著資源水平的改變，首先調(diào)整了生理性狀，而形態(tài)性狀相對(duì)滯后，需要更長的時(shí)間才能發(fā)生顯著變化所致，但具體原因有待進(jìn)一步研究。