指數(shù)施磷模式對閩楠幼苗生長及光合生理特性的影響

龍大鑫，文仕知，李 晶，彭鐵雙，何功秀

（中南林業(yè)科技大學 水土保持與荒漠化防治湖南省高校重點實驗室，湖南 長沙 410004）

磷是植物生長所需的大量元素之一，參與組成植物體內(nèi)的核酸和磷脂，是影響植物的新陳代謝和生長發(fā)育的重要因子[1]。研究發(fā)現(xiàn)，缺磷會使黑木相思Acacia melanoxylon苗木的葉片葉綠素含量和光合速率降低，苗木的苗高、地徑和葉片數(shù)量顯著下降[2]；適當?shù)氖┝啄軌虼龠M核桃Juglans regia苗木地上和地下部分的生長，提高葉綠素含量和光合性能，而低磷或者高磷時其地上和地下部分的生物量累積均會減少，進而抑制苗木的生長和光合作用[3-4]。茅蒼術(shù)Atractylodes lancea在供磷15 g·m-2時，葉片的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均達到最大值，而當供磷水平過高時，其葉片的光合作用受到不同程度的抑制[5]。這些研究結(jié)果均表明，合理施加磷素能夠提高植物各器官的生物量累積，促進植物光合作用和磷素利用率的提高，當磷素過低或過高時，植物的生長受到磷限制甚至是產(chǎn)生毒害。然而這些研究的手段均局限于采用傳統(tǒng)的施磷方式上，即以相同的施磷量研究苗木對磷素的需求，忽視了苗木的異速生長特性，致使苗木生長初期供磷過度而后期供磷不足。指數(shù)施肥是基于養(yǎng)分承載理論，將營養(yǎng)的供給指數(shù)同苗木指數(shù)生長所需的營養(yǎng)量相結(jié)合，通過多次施肥和逐漸增加施肥量來維持營養(yǎng)的穩(wěn)定吸收。相比于傳統(tǒng)施肥方式，指數(shù)施肥可以降低養(yǎng)分對植物的脅迫，改善植物的生長狀況[6]。目前，指數(shù)施肥方式更多集中在氮素的施加，如赤皮青岡Cyclobalanopsis gilva、杉木Cunninghamia lanceolata、池杉Taxodium ascendens[7-9]等相關(guān)研究均表明指數(shù)施氮可促進苗木生物量的生長與積累，提高苗木質(zhì)量，同時緩解肥料施用過多而造成的浪費。

閩楠Phoebe bournei是我國特有珍貴用材樹種，主要分布在我國南方常綠闊葉林中[10]。其幼齡苗木天然更新能力弱，成為制約閩楠人工林生長的主要原因，因此培育優(yōu)質(zhì)苗木是提高閩楠人工林造林成活率的關(guān)鍵[11]。此外，我國南方土壤普遍表現(xiàn)為磷素缺乏，植物生長受到磷素限制。因此，了解磷素施加對閩楠幼苗生長和光合作用的影響對于探究閩楠人工林生長的制約因素和培育優(yōu)質(zhì)苗木具有重要意義。本文以金洞一年生閩楠容器苗為研究對象，選擇指數(shù)施磷和平均施磷兩種模式，研究磷素施加對閩楠幼苗生長和光合特性的影響，探討閩楠幼苗最佳的施磷量和施磷模式，為土壤磷背景值較低地區(qū)培育優(yōu)質(zhì)閩楠苗木提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設(shè)置在中南林業(yè)科技大學樹木樓樓頂苗圃（112°59′32″E，28°08′22″N），該苗圃通風良好，且配設(shè)有4 針遮陰網(wǎng)，試驗期間日照充足。

1.2 供試材料

供試苗木為湖南省金洞林場生長正常且均勻一致的1年生閩楠容器苗。試驗開始前，隨機選取30 株苗木，苗木初始平均苗高（7.33±1.40）cm，平均地徑（1.21±0.18）mm。2020年3月中旬移栽至外徑19 cm，深17 cm 的塑料花盆中，每盆栽1 株，共288 株。盆底配有塑料托盤，盆栽基質(zhì)為黃心土、泥炭土、珍珠巖（3∶1∶1）；基質(zhì)pH 值為4.68，速效氮為41.6 mg/kg，速效磷為44.8 mg/kg，速效鉀為18.1 mg/kg。每盆裝基質(zhì)干重1.85 kg，苗木初始P 質(zhì)量分數(shù)1.658 g/kg、單株生物量0.209 g、單株含磷量0.347 mg。為減少邊緣效應(yīng)，研究期間每隔2 周移動一次花盆。

1.3 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置9 個處理組，即對照組CK（不施磷）、7 組不同指數(shù)施磷水平和1 組平均施磷，每株施磷量為0、400、800、1 200、1 600、2 000、2 400、2 800 mg/株（分別以P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7表示），P8表示平均施磷1 600 mg/株。每組處理12 株，3 次重復，共36 株。供試肥料為尿素（46.5%）、過磷酸鈣（12%）、氯化鉀（60%）。

指數(shù)施肥模型[12]：

式中：NT為總施磷量，NS為施肥處理前幼苗整株含磷量，r為相對添加速率，Nt為第t次施磷量，t為施磷總次數(shù)，Nt-1為施肥第（t-1）次時的磷素施入量。

幼苗植苗時間為2020年3月中旬，移栽前先用濃度1 g/L的多菌靈溶液對基質(zhì)土進行滅菌處理。2020年4月15日采用環(huán)施法開始第1 次施肥，指數(shù)施磷組施肥間隔設(shè)為14 d，總施肥次數(shù)12 次，平均施磷組施肥間隔設(shè)為56 d，總施肥次數(shù)3 次。氮、鉀肥按平均施磷組施肥時間分3 次等量施入，每次各施1 000 mg 和300 mg，共施3 000 mg 和900 mg。研究期間無磷的滲漏損失。

表1 閩楠幼苗施肥方案Table 1 Schedule of fertilizer additions seedlings for Phoebe bournei

1.4 指標測定

施肥結(jié)束后一周開始測定閩楠幼苗苗高、地徑，葉生物量、莖生物量、根生物量，葉綠素質(zhì)量分數(shù)，光響應(yīng)曲線和根系形態(tài)等指標。

生物量及根系形態(tài)的測定：用游標卡尺（精度0.01 mm），卷尺（精度0.1 cm）對每個處理所有幼苗地徑，苗高進行測定。選擇3 株長勢中等葉片完整且無病蟲害的幼苗，全株收獲后置于80目篩中用自來水洗凈晾干后將幼苗按根、莖、葉依次分開，莖、葉分別放入信封中置于烘箱內(nèi)先105℃殺青30 min 后在75℃下烘至恒質(zhì)量，取出用電子天平（精度0.000 1 g）分別稱重記錄葉、莖干質(zhì)量，即為葉、莖生物量。用WinRHIZO 植物根系掃描系統(tǒng)對根系進行掃描分析苗木根系總根長、總根面積、總根體積、根平均直徑，后放入信封置于烘箱中75℃烘干至恒質(zhì)量，即為根系生物量。

葉綠素質(zhì)量分數(shù)的測定：每個處理選擇3 株長勢中等葉片完整且無病蟲害的幼苗，每株摘取3～4片初展葉片，用去離子水洗凈后用丙酮-乙醇混合液法[13]測定葉片葉綠素a、葉綠素b 質(zhì)量分數(shù)。

光響應(yīng)曲線的測定：在晴朗且陽光充足的天氣，選取3株長勢中等葉片完整且無病蟲害的幼苗，用Li-6400XT 便攜式光合儀（LI-COR，USA）測定光響應(yīng)曲線，設(shè)定14 個光合有效輻射梯度：2 000、1 800、1 500、1 200、900、600、500、400、300、200、100、50、25 和0 μmol·m-2·s-1。直角雙曲線修正模型擬合[14]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016 軟件進行數(shù)據(jù)整理，SPSS 24.0軟件進行數(shù)據(jù)分析和檢驗，GraphPad Prism 8 軟件繪圖。采用R 中nlme 包的princomp 函數(shù)進行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施磷對閩楠幼苗生長的影響

由表2可知，施磷顯著影響了閩楠幼苗的地徑、苗高和生物量（P＜0.05）。隨著施磷水平的提高，閩楠幼苗地徑、苗高和生物量均為先增加后降低的趨勢，且均高于CK。在P5處理時達到最高（3.33 mm、17.43 cm、2.29 g），其次是P4處理（3.03 mm、15.87 cm、1.71 g），兩個處理與其他處理間差異顯著，地徑、苗高和生物量分別 較CK 提高了60.87%、70.36%、139.33% 和46.38%、55.06%、104.49%。在同等施磷水平下，指數(shù)施磷處理的幼苗地徑、苗高和生物量顯著高于平均施磷處理，分別提高了16.65%、26.26%、27.27%。

表2 施磷對閩楠幼苗生長及生物量分配的影響?Table 2 Effects of phosphorus application on Phoebe bournei seedling growth and biomass allocation

施磷顯著影響了閩楠單株幼苗的生物量分配（P＜0.05）。隨著指數(shù)施磷水平的提高，閩楠幼苗的葉、莖、根生物量表現(xiàn)為先提高后降低的趨勢，且均高于CK。在P5處理時，葉、莖、根生物量表現(xiàn)最優(yōu)，其次是P4處理，兩種處理的葉、莖、根生物量分別比CK 提高了122.22%、175.00%、157.89%和68.52%、68.75%、126.32%。不同施磷水平下閩楠幼苗各器官的生物量分配存在差異，表現(xiàn)為葉生物量＞根生物量＞莖生物量，隨著施磷水平的提高，葉、莖、根生物量呈現(xiàn)先升高和降低的趨勢，在施磷2 000 mg/株時表現(xiàn)高于其他處理組。在同等施磷水平下，指數(shù)施磷相比平均施磷的葉、莖、根生物量提高了3.41%、12.5%、34.38%。

隨著施磷水平的提高根冠比呈先降低后升高的趨勢。在不施磷時，根冠比最大（0.54），其次是P1處理（0.44），而在P5處理時根冠比最低（0.27）。同等施磷水平下，兩種施磷模式的根冠比無顯著差異。

2.2 施磷對閩楠幼苗根系生長的影響

由圖1可知，施磷顯著影響了閩楠根系的根長、根表面積和根體積（P＜0.05），對根系平均直徑無顯著影響（P＞0.05）。隨著施磷量的加大，閩楠根系總根長、總表面積和總體積均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，且相對于對照組均有所增加。指數(shù)施磷組在P4和P5處理時根系總根長、總根表面積和總根體積最大，分別為398.46 cm、86.77 cm2、1.85 cm3和450.55 cm、84.92 cm2、1.42 cm3。兩組處理的總根長、總根表面積和總根體積分別比CK 組提高了112.69%、179.05%、349.55%和140.49%、173.10%、244.39%。在同施磷水平下，指數(shù)施磷組相比平均施磷組的閩楠根系總根長、根表面積和根體積分別提高了8.69%、36.28%、109.67%。

圖1 施磷對閩楠幼苗根系形態(tài)的影響Fig.1 Effect of phosphorus application on the root morphology of Phoebe bournei seedlings

2.3 施磷對閩楠幼苗光合生理特性的影響

2.3.1 施磷對閩楠幼苗葉綠素質(zhì)量分數(shù)的影響

由表3可知，施磷對閩楠幼苗的葉綠素質(zhì)量分數(shù)影響顯著（P＜0.05）。葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素質(zhì)量分數(shù)先隨著施磷水平的提高而提高，當施磷達到2 000 mg/株時達到最高,后呈下降趨勢，三者的大小排序均為P5＞P6＞P4＞P8＞P7＞P3＞P2＞P1＞CK。P5處理閩楠幼苗的葉綠素a、b 及總?cè)~綠素質(zhì)量分數(shù)顯著高于其他處理組（P＜0.05），分別為3.26、1.19 和4.46 mg/g，CK 時最低，分別為2.32、0.72 和3.04 mg/g。在同等施磷水平下，指數(shù)施磷時，葉綠素a、b 及總?cè)~綠素質(zhì)量分數(shù)與平均施磷時差異不顯著（P＞0.05）。

表3 施磷對閩楠幼苗葉綠素質(zhì)量分數(shù)的影響Table 3 Effect of phosphorus application on photosynthetic parameters of Phoebe bournei seedlings

2.3.2 施磷對閩楠幼苗光合速率的影響

由圖2可知，當PAR ≤200 μmol/(m2·s)時，不同施磷水平閩楠幼苗葉片的Pn隨PAR 的增強呈線性上升，超過200 μmol/(m2·s)后，Pn上升趨勢逐漸變緩，當PAR 達到1 200 μmol/(m2·s)時，Pn不再增加，之后保持平緩下降趨勢。各施磷處理均不同程度地提高了閩楠幼苗葉片Pn，PAR≥600 μmol/(m2·s)時，閩楠幼苗葉片在P5處理下明顯高于其他處理，其次是P4處理，CK 處理時最低。

圖2 不同施磷水平閩楠幼苗凈光合速率的光響應(yīng)曲線Fig.2 Light response curves of net photosynthetic rate of Phoebe bourne seedlings at different phosphorus application levels

由表4可知，不同施磷水平下，閩楠幼苗葉片的表觀電子效率（α）和最大凈光合速率（Pnmax）均高于CK 處理。隨著施磷水平的提高，α 和Pnmax呈先上升后降低的趨勢，在P5處理時，葉片的α 和Pnmax達到最高值，分別為0.10 μmol/mol 和5.95 μmol/(m2·s)，分別比CK 提高了77.61% 和54.09%。隨著磷水平的增加，閩楠幼苗的光飽和點（LSP）趨于先增加后有所降低，在P5處理時最高，為1 798 μmol/(m2·s)，CK 處理時最低，為835.02 μmol/(m2·s)，P5處理相比CK 提高了115.33%。而各處理間的光補償點（LCP）各有差異，在CK 處理時最高，為7.35 μmol/(m2·s)，P5處理時最低，為2.03 μmol/(m2·s)。在同等施磷水平下，指數(shù)施磷時，閩楠幼苗的α、Pnmax和LCP與平均施磷時無顯著差異，但仍高于平均施磷，分別提高了14.81%、1.74%和39.44%，LSP則相比平均施磷低了27.33%。

表4 不同施磷水平閩楠幼苗光響應(yīng)曲線特征參數(shù)Table 4 Characteristic parameters of light response curve of Phoebe bournei seedlings at different phosphorus levels

2.4 指數(shù)施磷效果分析

對不同施磷水平下閩楠幼苗生長、生物量分配、根系形態(tài)和光合生理特性指標進行主成分分析（表5）。先通過scale 函數(shù)進行數(shù)據(jù)標準化，再利用princomp 函數(shù)進行主成分分析，提取了4個主成分，4 個主成分累積方差貢獻率分別達到了58.28%、74.12%、82.03%、87.60%（＞85%），第1、第2 主成分中各生長、生物量分配、根系形態(tài)和光合生理指標主成分載荷相對較高，基本可以代表不同施磷處理下閩楠幼苗生長和光合特性的綜合變異信息。因此選擇前4 個主成分作為綜合評價指標。由表6可知，施磷綜合效果排序為P5＞P4＞P6＞P3＞P8＞P2＞P1＞P7＞CK?？芍?，指數(shù)施磷在1 600～2 000 mg/株時效果最好，而在同施磷水平下，指數(shù)施磷要優(yōu)于平均施磷。

表5 主成分特征向量及累計貢獻Table 5 Eigenvectors and cumulative contribution rates of principal components

表6 施磷效果綜合排序Table 6 Comprehensive ranking of phosphorus application effects

3 結(jié)論與討論

3.1 討 論

1）施肥是提高苗木體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)，改善苗木質(zhì)量的手段之一，其供養(yǎng)水平和供應(yīng)方式對苗木的生理形態(tài)及其養(yǎng)分積累有著重要的影響。苗木處于貧養(yǎng)范圍內(nèi)時，肥料的施入為苗木提供養(yǎng)分，促進了苗木生物量的生長和體內(nèi)養(yǎng)分的積累，當養(yǎng)分供給達到充足水平時，苗木表現(xiàn)為體內(nèi)養(yǎng)分含量隨養(yǎng)分供給而繼續(xù)增加，而生物量積累則表現(xiàn)為停滯，即苗木進入奢侈消耗，再給予過高的養(yǎng)分水平，會對苗木造成養(yǎng)分毒害以及肥料的浪費和污染[15]。本研究中，發(fā)現(xiàn)磷素施加有助于閩楠幼苗地徑、苗高、葉、莖、根生物量的生長，但當施磷量超過2 000 mg/株時，閩楠幼苗的各生長指標均表現(xiàn)出下降趨勢，這一生長規(guī)律同鄭家[16]等對黑木相思的研究結(jié)果一致，由此可以說明施加磷肥促進閩楠幼苗地徑、苗高及各器官的生長發(fā)育，當施磷量達到2 000 mg/株時，幼苗進入奢侈消耗狀態(tài)，施磷超過2 000 mg/株時會對幼苗生長發(fā)育產(chǎn)生抑制。

2）生物量分配是植物對環(huán)境適應(yīng)程度的響應(yīng)，與植物的生長發(fā)育密切相關(guān)[17]。磷素添加影響了水曲柳Fraxinus mandchurica各器官生物量的分配比例[18]，降低了紫穗槐Amorpha fruticosa[19]的根冠比。本研究中，閩楠幼苗葉、莖、根生物量呈現(xiàn)先升高和降低的趨勢，在施磷2 000 mg/株時表現(xiàn)高于其他處理組；而根冠比則表現(xiàn)為隨著施磷水平的提高先降低后升高，在不施磷時呈最高，這與陳琳[20]和王力朋[21]等的研究結(jié)果相似。根系作為植物獲取養(yǎng)分和水分的重要器官，與植物的生長發(fā)育密切相關(guān)[22]，單從生物量分配的角度來看，難以反映磷素對根系生長的影響。因此，通過其根系形態(tài)的變化特征更有利于探究根系的生命活動以及植物對環(huán)境的響應(yīng)。施磷促進了閩楠幼苗根系根長，根面積，根體積的增長，隨著施磷水平的提高，根長、根表面積、根體積表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，這同管紀元[23]、徐靜靜等[24]的研究結(jié)果一致。綜上，表明適當?shù)牧姿厥┘涌梢源龠M閩楠幼苗葉莖根等器官的生長發(fā)育；在磷素缺乏時，根系的根長、表面積和體積減小，根系向地上部分輸送磷素的能力減弱，使得地上部分生長受阻而表現(xiàn)為將更多的光合產(chǎn)物分配到地上，導致根冠比較大；當磷素施加過高時，會對葉、莖、根生物量的積累和根系的生長發(fā)育形成抑制，而此時根冠比的提高有助于調(diào)節(jié)閩楠幼苗內(nèi)部的磷素利用和養(yǎng)分平衡[25]。研究還發(fā)現(xiàn)，同等施磷水平下，指數(shù)施肥對于閩楠幼苗生長、生物量分配、根系生長發(fā)育的促進作用都要優(yōu)于平均施肥，表明指數(shù)施肥模式同傳統(tǒng)的施肥方式相比，能夠維持苗木體內(nèi)養(yǎng)分的穩(wěn)態(tài)，有助于苗木的生長和質(zhì)量的提高[26]，這同歐洲云杉Picea abies、馬來沉香Aquilaria malaccensis、土沉香Aquilaria sinensis和北美短葉松Pinus banksiana[27-29]等樹種在氮素指數(shù)施肥模式上的研究結(jié)果一致。

3）葉綠素含量的高低影響著植物的光合速率，而磷素能通過影響植物中葉綠素的含量和根、冠的生物量分配和結(jié)構(gòu)功能，進而影響植物的光合作用[30-31]。本研究中，施磷提高了閩楠幼苗葉片的葉綠素質(zhì)量分數(shù)。隨著施磷水平的提高，閩楠幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素質(zhì)量分數(shù)呈先上升后降低的趨勢，這與楊晴[32]等的研究結(jié)果相似。表明磷素可以調(diào)節(jié)植物中葉綠素含量，適宜的磷濃度有利于促進植物葉綠素的合成，過高或過低并不利于植物中的葉綠素的合成和光合作用的正常進行。這可能是因為在低磷或高磷的環(huán)境時，植物的生長和生物量分配受到影響。低磷時養(yǎng)分成為植物生長限制因子，而高磷會形成磷飽和狀態(tài)，對植物的生長發(fā)育的促進作用減小甚至產(chǎn)生毒害，導致葉片葉綠素含量的下降和氣孔的關(guān)閉，光合作用中磷酸化活力和希爾反應(yīng)減弱；另外，植物葉綠體基質(zhì)pH 值和ATP 酶活性受到影響，使得參與卡爾文循環(huán)中的多種相關(guān)光合酶活性降低，Rubisco 的活性和RuBP 再生受阻[33]，進而共同影響了植物葉片光合作用的進行。

4）光合-光響應(yīng)曲線能夠直觀地反映植物光合速率隨光強增減的變化規(guī)律，揭示植物光合效率對環(huán)境變化的響應(yīng)程度[34]。本研究發(fā)現(xiàn)，施磷可以提高閩楠幼苗的最大凈光合速率（Pnmax），隨著施磷水平的提高而呈先升高后降低的趨勢，說明合理的磷素輸入可以有助于閩楠幼苗光合潛力的提高，這同駱暢[35]等的研究結(jié)果一致。施磷提高了閩楠幼苗的表觀量子效率（α）和光飽和點（LSP），表觀量子效率（α）隨著磷素水平的提高呈先上升后降低的趨勢，而光飽和點（LSP）則表現(xiàn)為隨著磷素水平的提高而提高。說明適宜的磷濃度有助于提高閩楠幼苗葉片的表觀量子效率，拉伸閩楠幼苗光飽和點的范圍，提高弱光下閩楠幼苗的凈光合速率和葉片適應(yīng)光環(huán)境變化及將光能轉(zhuǎn)化為凈能量的能力[36]，這同羅杰[37]等研究施不同肥料種類對楨楠幼苗光合生理影響的結(jié)果相似。同等施磷水平下，指數(shù)施磷時，閩楠幼苗的葉綠素質(zhì)量分數(shù)、表觀量子效率（α）、最大凈光合速率（Pnmax）、光飽和點（LSP）均表現(xiàn)高于平均施磷時，表明指數(shù)施磷對閩楠幼苗光合作用的促進作用要優(yōu)于平均施磷，這同前面的研究結(jié)果相呼應(yīng)。

本研究只探討了磷單因素處理對閩楠幼苗生長和光合生理方面的影響，未考察其對氮、鉀的響應(yīng)及其機理。下一步研究中，應(yīng)探討氮、鉀元素對閩楠幼苗生長生理和養(yǎng)分承載方面的影響。此外，施磷模式只設(shè)置了一組磷水平對比，探討不夠全面，應(yīng)增加多種施磷方式和施磷水平上的對比研究，獲得更加科學的施磷方案，為閩楠的培育栽植提供更多的科學管理依據(jù)。

3.2 結(jié) 論

適宜的磷素施加促進了閩楠幼苗苗高、地徑，各器官生物量的增長和根系的發(fā)育，有利于閩楠幼苗葉片葉綠素的合成和光合作用的正常進行，低磷時，幼苗生長發(fā)育和光合生理受到養(yǎng)分限制，而高磷時則會造成抑制，均不利于幼苗的生長和光合作用的進行。主成分分析表明，閩楠幼苗的最佳指數(shù)施磷水平在1 600～2 000 mg/株，同等施磷水平下，指數(shù)施肥模式對于閩楠幼苗的生長和光合生理特性的促進作用要優(yōu)于平均施肥。