不同磷濃度下馬尾松幼苗高生長和光合特征的變化

徐瑾 雷蕾 曾立雄 劉婭惠 萬一 倪妍妍 簡尊吉 鄧秀秀 張佳佳 肖文發(fā)

關(guān)鍵詞：馬尾松；磷；光合作用；生長

磷是植物生長所必需的營養(yǎng)元素之一，參與植物體內(nèi)眾多的生理生化過程，在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。光合作用是植物固定無機(jī)碳為有機(jī)碳的重要生理化學(xué)過程，是植物進(jìn)行碳吸收的基本動力。土壤磷養(yǎng)分在植物進(jìn)行光合作用過程中扮演重要角色。如，趙燕等發(fā)現(xiàn)隨著基質(zhì)磷濃度增加，毛白楊（Populus tomentosaa Carr.）幼苗的凈光合速率會先升高后下降。在熱帶和亞熱帶森林，磷限制植物生長現(xiàn)象普遍存在，且隨著工業(yè)發(fā)展和森林的演替，森林的缺磷程度不斷加劇。不同森林植被生長對土壤磷養(yǎng)分含量的響應(yīng)也存在差異。夏威夷多型鐵心木（Metrosiderospolymorpha Gaudich.）林分群落植被的生長對磷添加表現(xiàn)出積極響應(yīng)，但土壤磷的可利用性對熱帶地區(qū)森林樹木生長呈現(xiàn)抑制或不顯著作用。此外，在亞熱帶區(qū)域相同人工林樹種對磷添加的生長與光合響應(yīng)研究結(jié)果也存在一定爭議。因此，進(jìn)一步探究磷濃度對樹木光合作用和生長的影響十分必要。

馬尾松喜光、耐旱、耐貧瘠，是亞熱帶地區(qū)廣泛種植的先鋒樹種。全國馬尾松林土壤養(yǎng)分調(diào)查結(jié)果表明馬尾松林分土壤的全磷（0.320mg.kg-1）和有效磷（2.247mg.kg-1）平均含量較低，處于“極缺”水平。Huang等也發(fā)現(xiàn)在主要分布區(qū)馬尾松生長與土壤有效磷含量顯著正相關(guān)，說明在亞熱帶區(qū)域土壤磷限制了馬尾松的生長。此外，Yu等預(yù)測亞熱帶地區(qū)的土壤全磷含量隨時(shí)間演替仍有下降趨勢。因此，馬尾松林分生長可能面臨日益加劇的磷限制的問題。

目前，部分學(xué)者也通過控制試驗(yàn)開展關(guān)于馬尾松生長對磷濃度響應(yīng)方面的研究，但研究結(jié)果存在差異。如黃盛怡等和龐麗等發(fā)現(xiàn)馬尾松幼苗生長隨磷增加而顯著加快，但也有研究表明在不同濃度磷添加條件下幼苗高生長并不存在顯著的差異。除此之外，目前大多數(shù)關(guān)于磷脅迫相關(guān)研究中培養(yǎng)基質(zhì)磷添加含量普遍處于較高水平（對照組設(shè)置為8～32mg·kg-1），內(nèi)容更多局限于比較植株對高磷和低磷兩個(gè)濃度梯度的生長生理響應(yīng)差異，中間不同的低磷濃度對植物生長和光合造成的影響差異往往被忽略。同時(shí)，現(xiàn)有磷控制試驗(yàn)培養(yǎng)時(shí)間相對較短，缺少對整個(gè)生長季的研究。

因此，本研究以兩年生馬尾松幼苗為研究對象，以全國馬尾松林分表層土土壤有效磷含量為依據(jù)，培養(yǎng)基質(zhì)設(shè)置7個(gè)磷濃度梯度，探究不同磷濃度下馬尾松幼苗在生長季的不同時(shí)間生長參數(shù)和光合參數(shù)的差異，為馬尾松林經(jīng)營管理和更精準(zhǔn)的生長模擬預(yù)測提供試驗(yàn)依據(jù)，也有助于更好地揭示耐瘠薄樹種對低磷環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制。

1材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

本研究以貴州省都勻市馬鞍山林場種子園的兩年生馬尾松良種幼苗為試驗(yàn)材料。2020年12月將馬尾松幼苗移栽至湖北秭歸三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站（110°54'E，30°53' N，海拔296m）進(jìn)行練苗。2021年5月初將個(gè)體大小一致、長勢均勻的幼苗移栽到花盆（高17cm，直徑16.5cm）中進(jìn)行養(yǎng)分控制培養(yǎng)，每盆一株。培養(yǎng)基質(zhì)是以石英砂：蛭石：珍珠巖=7：2：1的混合基質(zhì)。移栽前，培養(yǎng)基質(zhì)用3%稀鹽酸進(jìn)行酸洗，浸泡1周去除雜質(zhì)后倒入營養(yǎng)液平衡離子。所有幼苗植株置于定位站露天培養(yǎng)苗床上進(jìn)行試驗(yàn)培養(yǎng)及后期觀測。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以全國馬尾松林表層土（0～20cm）土壤有效磷含量（2.25mg·kg-1）為參照，設(shè)置無磷（0AP，0mg·kg-1）、1／8倍磷（1／8AP，0.291mg·kg-1）、1／4倍磷（1／4AP，0.581mg·kg-1）、1／2倍磷（1／2AP，1.162mg·kg-1）、對照組（CK，2.325 mg·kg-1）、2倍磷（2AP，4.650mg·kg-1）和4倍磷（4AP，9.299 mg·kg-1）等共7個(gè)磷濃度處理組，每個(gè)處理組預(yù)備200株幼苗。根據(jù)基質(zhì)質(zhì)量（約3kg·盆-1），計(jì)算每盆植株的養(yǎng)分需求量，為避免高濃度離子毒害作用，在栽植后的1個(gè)月內(nèi)，分5次將營養(yǎng)液均勻澆人盆中，每間隔7d添加一次，來降低介質(zhì)和植物組織中營養(yǎng)物質(zhì)濃度的波動；同時(shí)為保持離子的有效性，將大量元素和微量元素分別添加。不同濃度的營養(yǎng)液中大量元素用量詳見表1，微量元素營養(yǎng)液由改良的Hoagland營養(yǎng)液提供，其中Fe3+、Zn2+、Mn2+、Cu2+、M06+、B4+的含量分別為7.149mg·kg-1、0.131mg·kg-1、0.110mg·kg-1、0.032mg·kg-1、0.048mg·kg-1和0.270mg·kg-1；營養(yǎng)液pH值在5.3～6.0之間。由于石英砂基質(zhì)保水性差，需每日日落后用霧化噴灌裝置進(jìn)行灌溉降溫并提供充足的水分，同時(shí)用遮蔭網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)遮蔭來減少基質(zhì)水分蒸發(fā)。養(yǎng)分控制試驗(yàn)從2021年5月初開始，到2021年11月末結(jié)束，生長周期試驗(yàn)持續(xù)7個(gè)月。

1.3高生長及光合特征參數(shù)的測定

1.3.1高生長指標(biāo)的計(jì)算在5月初養(yǎng)分處理前，用鋼直尺（精度0.1cm）測量所有幼苗初始株高值（cm）；養(yǎng)分處理后分別在7月、9月和11月初再次測量所有待測植株的株高（cm）。兩次連續(xù)測量的馬尾松幼苗株高之差記為幼苗株高在此期間的相對生長增量（ReIatiVe height increment，RHI）：

將不同磷濃度處理下幼苗株高數(shù)據(jù)與生長時(shí)間（月）分別進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)方程R2的范圍在0.935～0.979（表2），表明擬合方程的斜率能夠表征馬尾松幼苗高生長速率的大小。因此，本研究中將該斜率記為馬尾松幼苗的相對生長速率（Relative growth rate，RGR）.

1.3.2葉片光合參數(shù)的測定用Li-6400XT便攜式光合作用測量系統(tǒng)（Li-Cor，Lincoln，USA）測定針葉氣體交換參數(shù)。選擇大小相似，生長勢良好的不同處理植株各4株，分別在5月、6月、7月、8月、9月、10月的連續(xù)晴朗的上午9：00-11：30，選擇植株中上部的成熟葉測定氣體交換參數(shù)。測定過程中設(shè)置葉室溫度為25℃，光合有效輻射為1000Umol.m-2.s-1，氣體流速500Umol.s-1。測量前對馬尾松針葉進(jìn)行光誘導(dǎo)，待數(shù)值穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。

1.4數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析和繪圖均由SPSSv23.0和R4.1.2軟件（http：//www.r-project.org/）完成。

本研究所有數(shù)據(jù)通過正態(tài)分布（Shapiro-Wilk檢驗(yàn)）和方差齊次性檢驗(yàn)（Bartlett檢驗(yàn)），滿足數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析條件。利用R語言“Ime4”程序包完成線性混合效應(yīng)模型（Linear mixed-effectsmodel）的分析，其中將重復(fù)作為隨機(jī)因子，分別分析生長時(shí)間、磷濃度及二者間的交互作用對馬尾松幼苗的高生長參數(shù)。

RHl和光合參數(shù)指標(biāo)（凈光合速率（Netphotosynthetic rate，Pn）、氣孔導(dǎo)度（Conductance to H20，Gs）、胞間C02濃度（Intercellular C02 concentration，Ci）和蒸騰速率（Transpiration rate，）的影響。用單因素方差分析（One-way ANOVA）和LSD檢驗(yàn)方法比較不同生長時(shí)間和磷濃度梯度下高生長和光合參數(shù)指標(biāo)的差異。用學(xué)生檢驗(yàn)（Student's t test）和簡單線性回歸方法確定基質(zhì)磷濃度與幼苗相對生長速率的關(guān)系。通過相關(guān)分析和偏相關(guān)分析（Partialcorrelation analysis）描述生長時(shí)間、磷濃度及其交互作用與高生長和光合參數(shù)之間的相關(guān)性。

2結(jié)果與分析

2.1不同生長時(shí)間及磷濃度條件下幼苗高生長變化

生長時(shí)間和磷濃度對馬尾松幼苗的RHl影響顯著（表3，P<0.01）。如圖1所示，在不同的磷濃度條件下，幼苗RHl均隨生長時(shí)間的延長而減小，且RH/5～6顯著高于RH/g～10（P<0.05）。同一生長時(shí)間段內(nèi)，僅4AP生長條件下的RH/5～6顯著高于1/8AP（圖1，P<0.05）。此外，馬尾松幼苗的RGR受基質(zhì)磷濃度影響顯著（t-Value=29.113，P=0.000），且RGR隨基質(zhì)磷濃度的升高而線性增高（圖2）。

2.2不同磷濃度條件下馬尾松幼苗光合參數(shù)比較

磷濃度、生長時(shí)間以及二者間的交互作用對馬尾松幼苗的Pn、Gs、Ci和Tr等光合參數(shù)均有顯著影響（表3，P<0.01）。如表4所示，在相同磷濃度條件下，Pn在不同生長時(shí)間段內(nèi)存在顯著差異（P<0.05），除CK處理，Pr7均在8月達(dá)到最大值；在4AP條件下，Pn在7月、8月和9月顯著高于10月。Gs、Ci、Tr與Pn表現(xiàn)出相似的時(shí)間變化趨勢，即隨生長時(shí)間先增長后下降（表4）；相同磷濃度條件下，在不同生長時(shí)間的Gs、Ci、Tr差異顯著（P<0.05），7-9月值最高（表4）。在8月和9月，Ci、Tr在4AP條件下顯著高于低磷條件（OAP、1/8AP和1/4AP）；在5月和6月，低磷條件下的Ci、Tr顯著高于高磷處理組（2AP和4AP）（表4，P<0.05）。

2.3不同磷濃度條件下馬尾松幼苗相對生長增量與光合參數(shù)的相關(guān)分析

如表5所示，Pn和Ci與RHI顯著正相關(guān)（P<0.05）；生長時(shí)間與RHI顯著正相關(guān)（P<0.01），與Pn、Gs、Ci也有表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系（0.05

3討論

3.1馬尾松幼苗光合參數(shù)對不同磷濃度的響應(yīng)

磷與光合作用之間的關(guān)系可以用某些光合指標(biāo)chlorostachys （F.Muell.） Baill.）、金合歡（Acaciaauriculiformis Benth.）和澳洲藍(lán)柏（Callitrisintratropica R.T.Baker＆H.G.Sm.）等植被的光合作用研究表明光合作用受到磷的制約，而Smith等對全球201個(gè)站點(diǎn)不同植物光合作用的研究發(fā)現(xiàn)光合作用與土壤養(yǎng)分含量無關(guān)。在本研究中，馬尾松幼苗的Pn、Gs、Ci和Tr均受到不同磷濃度的顯著影響（表3，P<0.001）。在低磷條件（OAP、1/8AP和1/4AP）下，Pn在7-9月迅速提高，最大Pn顯著大于高磷處理（表4，P<0.05）；而高磷條件（1/2AP、CK、2AP和4AP）下，Pn從6月開始迅速提高，最大Pn持續(xù)時(shí)間更長。高磷處理（2AP、4AP）和Ci從6月開始迅速升高，7-9月達(dá)到最大值，且該生長時(shí)間段的Ci均顯著大于低磷處理（OAP、1/8AP和1/4AP）（表4，P<0.05）。Pn、Ci表現(xiàn)出的這種時(shí)間變化可能是馬尾松幼苗為適應(yīng)低磷環(huán)境產(chǎn)生的光合適應(yīng)對策：縮短最大光合作用持續(xù)時(shí)間，提高光合作用強(qiáng)度，進(jìn)而減少磷在高強(qiáng)度光合中轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的耗能和傷害，提高光合作用磷利用效率。這結(jié)果一定程度上符合最低消耗理論（Theleast-cost hypothesis），即當(dāng)蒸散能力和羧化能力達(dá)到平衡時(shí)，光合作用就能以總的最低消耗來維持植物的正?；顒?。Gs在不同磷濃度條件下，均在8-9月達(dá)到最高值，與其他生長時(shí)間的Gs差異顯著（表4）；但相同生長時(shí)間不同處理間Gs差異不顯著，表明氣孔調(diào)節(jié)的蒸散和氣體進(jìn)出過程達(dá)到對應(yīng)磷濃度條件下的平衡狀態(tài)。在低磷條件下，馬尾松幼苗可能采取集中高強(qiáng)度的產(chǎn)能方式減少長期高強(qiáng)度轉(zhuǎn)換帶來的能量損失，產(chǎn)生了對低磷環(huán)境的適應(yīng)；當(dāng)磷含量相對充足時(shí)，植株能夠獲取更多的可利用磷，保證自身長時(shí)間有效進(jìn)行光合作用，促進(jìn)生長。

3.2馬尾松幼苗高生長對不同磷濃度的響應(yīng)

光合作用生產(chǎn)的化合物為植物生長提供能量，在幼苗期，高生長是植物生長的重要表現(xiàn)形式。簡尊吉等對馬尾松主要分布區(qū)土壤養(yǎng)分進(jìn)行調(diào)查，馬尾松林嚴(yán)重缺磷（0.02-78.65mg·kg-1）。在整個(gè)苗期，馬尾松幼苗株高相對生長速率受基質(zhì)建立線性或?qū)?shù)函數(shù)來表示，但在不同研究中磷與光合作用的關(guān)系并未達(dá)成統(tǒng)一。例如，Prior等對熱帶稀樹草原的紅穗花（Erythrophleum磷濃度影響顯著，且隨磷濃度增加相對生長速率線性增加（表2，圖2，P<0.05），表明在0～9.299mg.kg-1有效磷濃度范圍內(nèi)，磷限制馬尾松幼苗的生長。這一結(jié)果與Huang等一致，符合并驗(yàn)證了生長在熱帶亞熱帶高度風(fēng)化土壤地區(qū)的森林受到磷限制的假說。

然而，在生長季的不同生長時(shí)間段，不同磷濃度處理?xiàng)l件下幼苗高生長對磷的響應(yīng)存在差異（圖1，P<0.01）。我們發(fā)現(xiàn)5-6月是高的迅速生長階段，高磷處理組幼苗的RHI顯著大于低磷處理組，7-8月高生長減緩，到9-10月，高磷處理組的RHI與低磷組無顯著差異（圖1）。這表明磷對馬尾松幼苗高生長的促進(jìn)作用具有時(shí)效性，隨時(shí)間的延長以及生長季的發(fā)展，效果減弱。馬尾松幼苗株高RGR隨磷濃度增加而增加（圖2），這主要是由高磷處理組幼苗在5-6月高生長量最大導(dǎo)致。黃盛怡等對馬尾松容器幼苗進(jìn)行磷添加發(fā)現(xiàn)高生長差異顯著，但也有研究表明不同濃度磷添加導(dǎo)致的馬尾松高生長差異不顯著。本研究結(jié)果與前者一致。

3.3不同磷濃度下馬尾松幼苗相對生長增量和光合參數(shù)的相關(guān)關(guān)系

光合作用是植物合成促進(jìn)自身生長所需要的碳水化合物的重要生化過程。本研究發(fā)現(xiàn)RHI與Pn和Ci正相關(guān)（表5，P<0.05）。胞間C02是植物進(jìn)行光合作用的直接原料，Ci越大，光合過程的原料供給越充足；Pn越高，就能產(chǎn)生更多的碳水化合物，促進(jìn)株高生長。在Crous等對細(xì)葉桉（Eucalyptus tereticornis Smith）進(jìn)行的為期3年的施肥試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)施磷顯著促進(jìn)了干的徑向生長，Jiang等的研究也表明施磷增強(qiáng)了植物的光合作用。但光合作用的增強(qiáng)并不一定伴隨著生物量的增加，磷的增加還可能會增強(qiáng)呼吸作用，增加了消耗；在低磷條件下，光合作用提高并不一定導(dǎo)致生產(chǎn)力的提高。本研究中磷濃度顯著影響了馬尾松幼苗的光合產(chǎn)能過程，但在生長表現(xiàn)上沒有顯著差異（表5）。這可能是因?yàn)樵诘土讞l件下，光合作用生產(chǎn)的有機(jī)物可能優(yōu)先分配到根系增加吸收面積或者分配到莖干作為儲能物質(zhì)。本研究試驗(yàn)控制時(shí)間為7個(gè)月，較短的觀測時(shí)間也可能是不同磷濃度條件下幼苗生長沒有表現(xiàn)出顯著差異的原因。

4結(jié)論

本研究以兩年生馬尾松幼苗為對象，設(shè)置不同磷濃度梯度，探究馬尾松幼苗高生長和光合特征對磷的響應(yīng)。結(jié)果表明，馬尾松幼苗的光合參數(shù)受到不同磷濃度、生長時(shí)間及其交互作用的顯著影響，低磷處理的馬尾松幼苗的Pn在整個(gè)生長季表現(xiàn)先增高后下降趨勢。不同磷濃度對馬尾松幼苗株高的相對生長增量影響顯著，株高相對生長速率隨磷濃度升高而提高。Pn和Ci與RHI顯著正相關(guān)。馬尾松幼苗在低磷環(huán)境下通過調(diào)節(jié)光合作用和高生長動態(tài)變化，對低磷環(huán)境產(chǎn)生了一定適應(yīng)機(jī)制。