混播牧草根系和根際特征對磷素利用效率的影響

朱亞瓊，陳 雪，鄭 偉,，祁 軍，竇梓鐿，王寧欣

（1.新疆農業(yè)大學草業(yè)學院, 新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆維吾爾自治區(qū)草地資源與生態(tài)重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆生產建設兵團第四師農科所, 新疆 伊寧 836600）

磷素是植物經過生長、繁殖直至衰老和死亡完成個體生長發(fā)育所必需的大量元素之一，同時也被認為是限制生態(tài)系統(tǒng)生產力的主要因素[1-3]。地殼中磷的含量平均為0.28%左右(以P2O5計)，我國大多數土壤的含磷量(0－20 cm 表層土)在0.04%～0.25%，不同土壤類型變幅很大，從總體看，我國自北往南或自西向東土壤含磷量呈遞減趨勢。土壤中磷的形態(tài)分為有機態(tài)磷和無機態(tài)磷兩大類：有機態(tài)磷占全磷的10%～30%，以磷脂、核酸、核蛋白等形式存在，主要來源于有機肥和生物的殘體，需要經過土壤微生物的分解后，才能被作物吸收利用；無機態(tài)磷以磷酸鹽形式存在，占全磷的70%～90%，無機態(tài)磷含量多少與土壤母質關系密切；不同的形態(tài)成分對應著不同的生物有效性[4]。由于磷素在土壤中一般是被吸附或固定狀態(tài)，以難溶性磷存在，在實際生產中大大降低了土壤磷素的利用效率，故此，探究植物自身高效利用土壤磷的潛力，提高磷吸收利用效率已成為當前植物營養(yǎng)學研究的熱點。

已有研究表明，牧草的生長發(fā)育與草地土壤中磷素含量及其可利用程度關系密切[5]，可利用不同作物間(套)作、連作和輪作等不同的耕作方式充分發(fā)揮不同作物高效利用磷的生物學潛力和提高磷肥利用效率；李隆等[6]在田間試驗中得出，蠶豆(Vicia faba)和玉米(Zea may)間作系統(tǒng)中，間作顯著促進了磷素吸收，間作體系群體中處于成熟期的蠶豆植株地上部磷素含量比其單作高37.3%，間作玉米比其單作提高23.9%；在土壤磷含量水平較低的情況下，間(混)作可以使玉米產量提高43%，蠶豆產量提高26%；另一方面，豆科作物與禾本科作物的根際微環(huán)境不同，不同的根際過程吸收利用根際土壤中不同的磷源[7]，在一定范圍內弱化了對土壤中同一形態(tài)磷源的競爭，促進了土壤中各種形態(tài)磷源的利用，提高了磷素利用效率[8]，而且植物還可通過提高根部酸性磷酸酶的活性來適應低磷土壤[9]。

栽培草地建植過程中通過不同的栽培措施來實現其適應種內競爭和克服不利環(huán)境的制約[10]，由于植物地下根系表型特征具有環(huán)境異質性，可以決定根系在土層中的分布狀況和根系可以發(fā)揮的空間占有能力以及資源獲取方式[11]，不同植株根系存在種間相互作用，因此，想要提高牧草環(huán)境適合度，則需要不斷對生態(tài)適應對策的動態(tài)發(fā)展和變化過程進行調節(jié)來維持其正常生長和發(fā)育[12-15]?；诖?，為探究草地土壤中磷素含量及可利用程度與牧草根系和根際微環(huán)境特征以及植物磷利用效率的內在聯系，本研究假設豆禾混播牧草的磷利用效率與其根系形態(tài)、構型以及根際微環(huán)境特征存在一定的內在聯系，土壤低磷環(huán)境能夠激發(fā)植株更高的磷利用效率，而這種激發(fā)是來源于根系表型的改變，以箭筈豌豆(Vicia sativa)和燕麥(Avena sativa)兩種一年生牧草為研究材料，將土壤不同供磷水平作為競爭環(huán)境的變化因素，利用土壤磷的富集率、磷酸酶活性、植株含磷量和磷利用效率等指標，分析不同供磷水平下豆禾混播體系中牧草的磷養(yǎng)分競爭和利用優(yōu)勢，為更好地建植高質量豆禾栽培草地提供理論和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

新疆伊犁哈薩克自治州昭蘇縣(43°07′33.12″N，80°59′56.18″ E，海拔1 895 m)，該區(qū)屬溫帶山區(qū)半濕潤易旱冷涼氣候類型，年均溫4.28 ℃，年均降水量535.24 mm，生長季(5 月－10 月)降水量均值為413.09 mm，占年降水量的77.18%。全年積雪期158 d，積雪厚度20～60 cm，無霜期85～100 d，全年日照時數2 499.53 h。

1.2 盆栽試驗設計

本研究于2018 年選擇適宜當地生長的一年生豆科牧草箭筈豌豆和禾本科牧草燕麥為試驗材料，在自然環(huán)境條件下連續(xù)開展盆栽試驗兩年，試驗設置3 個磷肥梯度處理，即低磷水平處理(LP)以當地上層0－30 cm 耕層土中按比例混入河沙，不添加磷肥，控制土壤全磷含量為0.837 g·kg-1，速效磷含量6.219 mg·kg-1；中磷水平處理(NP)在低磷水平基礎上添加磷肥(KH2PO4，以P2O5計) 45 kg·hm-2，全磷含量為1.598 g·kg-1，速效磷含量16.700 mg·kg-1；高磷水平處理(HP)在低磷水平基礎上添加磷肥(KH2PO4，以P2O5計) 90 kg·hm-2；箭筈豌豆播量為120 kg·hm-2，燕麥播量為90 kg·hm-2，將試驗材料按處理種植于花盆中，花盆大小均為70 cm (長) × 45 cm (寬) × 35 cm (高)，每個花盆分別條播一行箭筈豌豆和一行燕麥，同播兩行，均沿花盆中心位置開展播種，距花盆兩側邊緣位置留余足夠空間，播種深度為3 cm，播種行距均為15 cm。試驗設置所有肥料均在牧草播種時一次施入基肥，每個處理設5 盆重復，所有花盆選取平坦開闊、無遮陽位置間距0.5 m 同向整齊擺放，定期進行除雜、花盆擺放方向調整等相關工作，將牧草生長環(huán)境盡量保持一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 牧草磷利用率的測定

植株磷濃度測定：于牧草結實期將整盆牧草全部齊地面刈割收獲，分種稱取牧草鮮重，及時置于65 ℃烘箱烘干。采用H2SO4H-H2O2消煮-釩鉬黃比色法測定植株磷濃度[10]，計算植株含磷量和植株磷利用效率[11]。

式中：P%為分種植株含磷量；C%為植株含磷量，Pc%為群體含磷量，C1%為種1 的植株含磷量，C2%為種2 的植株含磷量；M為干物質質量，M1為種1 的干物質質量，M2為種2 的干物質質量；PUE為分種磷利用效率，PUEc為群體磷利用效率。營養(yǎng)競爭比率(competition ratio, CRpm)計算如下。

式中：Ui1和Ui2分別為混播禾草和豆科牧草的養(yǎng)分吸收量，Us1和Us2分別為單播禾草和豆科牧草的養(yǎng)分吸收量，F2和Fl分別為混播中禾草和豆科牧草所占比例。本研究中用箭筈豌豆相對燕麥對養(yǎng)分的競爭比率來衡量養(yǎng)分競爭能力。

1.3.2 土壤磷、pH 及酸性磷酸酶活性的測定

以作物為中心，用鐵鏟松動地塊土壤，將土與植物取出，置于牛皮紙上，盡量使土體松散，根系從土壤中取出后，輕輕抖動去掉松散的土壤，這些土壤被認為是土體土，緊緊地粘附在根系的土壤被定義為根際土壤[16]。

土壤全磷含量采用HClO4-H2SO4消煮-鉬銻抗比色法測定，速效磷含量用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定[12]，土壤磷酸酶活性用Tabatabai(Bremner)[17]方法測定。

根際富集率(enrichment ratio, E)計算[13]如下：

1.3.3 牧草根系形態(tài)特征的測定

將植株根系取出并沖洗干凈，利用萬深LA-S植物根系分析系統(tǒng)(杭州萬深檢測科技有限公司)進行根系掃描分析，獲得單株平均根長(root length)、根表面積(root surface area)和根系直徑(root diameter)等數據。每株牧草根系掃描完成后，80 ℃烘干至恒重稱量，得到根系生物量(root biomass)，利用根系總根長與根系生物量計算比根長(special root length)[8]。

比根長 = 根長/根系生物量；

比根面積 = 根表面積/根系生物量。拓撲指數(分為魚尾形分支和叉狀分支模式)：

式中：TI為拓撲指數，M為根系所有外部連接的總數，分支與分生組織之間為外部連接；A為最長根系通道內部連接的總數，兩個分支點之間為內部連接[14-15]。

修正拓撲指數：

式中：a為最長通道內部鏈接總數，其值與拓撲指數中A相同，b為根系平均拓撲長度(從基部到根終端連接數)，v0相當于拓撲指數的外部連接總和M，所以通過對a、b進行線性轉換得到修正值qa、qb，其范圍為0～1，魚尾形分支修正值qa=qb= 1，叉狀分支qa=qb= 0[16-17]。采用盒維數法計算根系分形維數。

1.4 數據處理與分析

采用SPSS 20.0 數據統(tǒng)計軟件對牧草根系形態(tài)特征、磷利用效率和土壤理化性質等進行單因素和多因素方差分析，Duncan 顯著性檢驗及Pearson 相關性分析、回歸分析等。利用Canoco for Windows 5.0 進行RDA 冗余分析，采用Amos 對根系形態(tài)特征、根際特征和牧草磷利用效率進行結構方程模型分析，利用Origin 8.0 進行圖形的繪制。

2 結果與分析

2.1 不同磷肥水平下牧草根系形態(tài)參數、拓撲結構與分形特征的比較

在燕麥與箭筈豌豆的混播處理中，土壤不同供磷水平下牧草根系形態(tài)特征參數具有明顯差異，兩種牧草地下根系形態(tài)參數均大部分在LP 處理中表現出突出值：其中，燕麥根系平均表面積、比根面積和根直徑在LP 處理中顯著高于NP 和HP 處理(P<0.05)；LP 處理的箭筈豌豆根系平均長度、比根長、根直徑和根表面積以及比根面積均顯著高與NP 和HP 處理 (表1)。整體表現為土壤低磷脅迫下牧草根系形態(tài)特征如根長、根表面積和根直徑等特征參數增大，根系形態(tài)趨于更長、更大和更粗，以此擴展根系與土壤的接觸面積。

表1 不同磷肥水平牧草根系形態(tài)特征的比較Table 1 Comparison of root morphology characteristics of Avena sativaand Vicia sativaunder different soil P treatments

兩種牧草在土壤不同供磷水平下根系構型特征參數TI 指數均較接近于1，修正拓撲指數qa和 qb接近 1，表明這兩種牧草地下根系構型分支結構均接近于魚尾狀分支模式，根系主要通過快速生長和延伸來擴大其有效營養(yǎng)空間，從土壤中獲得更多有效資源。經檢驗，兩種牧草根系構型特征參數TI 指數之間無顯著差異(P= 0.494)。此外，燕麥根系構型特征參數FD 的均值為1.62，大于箭筈豌豆根系構型特征參數FD 的均值(1.57)；兩種牧草根系構型特征參數FD 間無顯著差異(P= 0.36) (表2)。即同等生境條件下，混播的燕麥和箭筈豌豆牧草地下根系分支模式表現出趨同性。

2.2 不同供磷水平牧草根際特征的比較

土壤不同供磷水平處理的箭筈豌豆根際土全磷含量無顯著差異(P> 0.05)，燕麥根際土全磷含量差異明顯，其中HP 處理根際土全磷含量顯著高于LP、NP 處理(P< 0.05)；土壤不同供磷水平處理的根際土速效磷含量變化則相反，燕麥根際土速效磷含量無顯著差異，箭筈豌豆根際土速效磷含量差異明顯，其中HP 處理的根際土速效磷含量顯著高于LP、NP 處理；土壤不同供磷水平處理的土壤pH 變化表現為LP > NP > HP，即一定范圍內，隨著土壤供磷水平的增加，土壤pH 呈降低趨勢；土壤不同供磷水平處理的土壤磷酸酶活性變化表現為LP 處理最低，NP 和HP 處理間無顯著差異，即低磷脅迫環(huán)境中的土壤磷酸酶活性會顯著降低(圖1)。

圖1 不同供磷水平下牧草根際特征的比較Figure 1 Comparison of rhizosphere characteristics under different soil P treatments

2.3 不同供磷水平下牧草磷利用效率比較

土壤不同供磷水平處理的差異顯著(P< 0.05)(圖2)，隨著供磷水平的增加，箭筈豌豆植株含磷量呈顯著遞增趨勢(P< 0.05)，HP 處理最高，而燕麥植株含磷量差異并不顯著(P> 0.05)，兩種牧草混播群體的植株含磷量也呈顯著遞增趨勢；不同供磷水平下箭筈豌豆植株的磷利用效率差異明顯，其中HP 處理的磷利用效率顯著低于LP 和NP 處理，LP 處理的磷利用效率最高，燕麥植株的磷利用效率變化與箭筈豌豆相反，兩種混播牧草群體的植株磷效率則表現為土壤低磷和中磷水平下無顯著差異，高磷水平下群體植株磷效率顯著增加。在土壤不同供磷水平下，NP 處理的土壤全磷富集率顯著高于HP 處理(P< 0.05)。

圖2 不同供磷水平下牧草磷利用效率比較Figure 2 Comparison of phosphatase use efficiency under different soil P treatments

2.4 不同供磷水平對牧草產量和營養(yǎng)競爭比率的影響

從土壤不同供磷水平看，NP 和HP 處理的箭筈豌豆和燕麥產草量和牧草總產量均顯著高于LP 處理(P< 0.05)，HP 處理的牧草總產量最高(1.19 kg·m-2)；在土壤不同供磷水平下，LP 處理的牧草營養(yǎng)競爭比率最高，達到2.26，與NP 和HP 處理之間差異顯著，這表明在LP 處理中箭筈豌豆的磷素營養(yǎng)競爭力比燕麥強，而在NP 和HP 處理中箭筈豌豆的磷素營養(yǎng)競爭力則比燕麥弱(圖3)。

圖3 不同供磷水平對牧草產量和營養(yǎng)競爭比率的影響Figure 3 Effects of different plant mixing patterns and soil P treatment on forage yield

2.5 牧草地下根系與根際特征和牧草磷利用效率的RDA 分析

對牧草地下根系形態(tài)構型與根際特征和磷利用效率進行RDA 分析(圖4)，得到兩種牧草地下根系形態(tài)構型與根際特征對磷利用效率的解釋量，其中，燕麥地下根系形態(tài)構型特征參數在第1 軸解釋了96.82%，第2 軸解釋了66.08%，磷利用效率與牧草根系平均根長和比根長正相關，牧草磷富集率與平均根表面積、比根面積和分型維數正相關，植株磷含量則與平均根體積正相關；在箭筈豌豆中，第1 軸解釋率為91.20%，第2 軸解釋率為67.70%，牧草磷利用效率與牧草根系平均根表面積、體積、直徑和拓撲指數均正相關，牧草磷富集率與根系平均根長、比根長和比根面積正相關，植株磷含量則與分型維數正相關。

圖4 牧草地下根系形態(tài)構型分型特征與根際特征和牧草磷利用效率的RDA 分析Figure 4 Redundancy analysis of root morphological characteristics, rhizosphere characteristics, and phosphatase use efficiency

通過RDA 解析牧草地下根系根際特征和磷利用效率的關系，燕麥地下根系根際特征參數在第1 軸解釋了57.10%，第2 軸解釋了42.90%，在箭筈豌豆中，第1 軸解釋率為67.40%，第2 軸解釋率為48.70%，燕麥磷利用效率與其根際土全磷含量和土壤磷酸酶活性正相關，箭筈豌豆則表現為磷利用效率主要與其土壤pH 正相關(圖4)。

牧草根系形態(tài)和根際特征與植株磷利用效率之間擬合的結構方程模型有較好的擬合度(χ2= 2.871；P= 0.486) (圖5)，表明牧草地下根系形態(tài)和構型特征、根際特征與牧草磷利用效率之間存在較強的相關性，二者對牧草磷利用效率均具有顯著的直接影響，二者之間的路徑系數分別為0.73 (P< 0.05)和0.55 (P< 0.1)，牧草地下根系形態(tài)構型特征和根際特征還通過影響土壤磷富集率和植株磷含量對牧草磷利用效率產生間接影響。

圖5 根系形態(tài)特征、根際特征與牧草磷利用效率之間擬合的結構方程模型Figure 5 SEM fitted to connections among root morphological characteristics, rhizosphere characteristics,and plant phosphorus use efficiency

3 討論

3.1 牧草根系特征對磷利用效率的影響

自然環(huán)境狀況在草地生產力中起著決定性作用，而人工干預措施(如栽培和管理)決定著草地的競爭能力[18]。植物在長期的生長、發(fā)育和繁殖進化過程中，自身為了最大限度地獲取土壤中所需的生存資源，已對土壤養(yǎng)分的空間異質性產生了各種應對策略，例如調整根系的根長、密度和空間構型等來實現斑塊養(yǎng)分的高效利用[19]。盛亞萍等[18]研究認為，燕麥＋毛苕子混播系統(tǒng)中，牧草根系表現為燕麥主根強迫式占據土壤空間位置，擴展其側根在底層土壤吸收能力的潛力，而毛苕子作為直根系植物，其主側根的根長密度構建直接決定著混播草地根系功能的轉化。也有研究指出土壤供磷水平對植株根系總根長、根表面積和根體積的影響較顯著[20]；土壤低磷脅迫下植物會改變根系可塑性，調整根系表形及構型特征如增加側根與根毛數量，增大根冠比，以擴大根系與土壤的接觸面積，從而提高對土壤中磷的獲取能力以滿足自身的生存需求[20-21]；根系吸磷量隨著根系長度的變化而變化，二者之間呈正相關關系，磷的吸收效率隨著根系直徑的變化而變化，二者之間呈負相關關系，低磷條件相較于高磷更有助于根毛的形成，根毛長度提高磷利用效率的能力顯著高于根系密度[22-25]。本研究中，土壤供磷水平較低時牧草根系平均長度和根表面積均顯著增大，根系長得越大扎根越深，兩種牧草的根系分支模式均接近魚尾形分支，次級根的分支較少，根系重疊較少，其內部競爭便會隨之減少，驗證了土壤低磷環(huán)境能夠激發(fā)植株根系表型的改變；對牧草地下根系形態(tài)構型特征和磷利用效率進行相關性分析發(fā)現，牧草地下根系形態(tài)特征對牧草磷利用效率均具有顯著的直接影響。

3.2 牧草根系的根際特征對磷利用效率的影響

植物根系根際區(qū)域是作物、土壤、微生物以及環(huán)境之間相互作用發(fā)生的重要場所，是養(yǎng)分從土壤進入作物系統(tǒng)參與植物體內物質循環(huán)的必經之處，而根際微環(huán)境極易受到多種因素的干擾[26]。植物根際供磷水平的變化，可以刺激磷高效植物活化土壤中難溶性的磷源，進而促進整個間混作系統(tǒng)磷吸收總量的增加；根際土壤環(huán)境中酸性磷酸酶的活性直接影響了有機磷的活化效率，是影響間(混)作體系中磷利用效率的重要因素，土壤酸性磷酸酶活性的提高，可以增加植物對土壤中有機磷的多次重復利用；另一方面，植株地下根系的分泌物可以提高土壤中有機磷的礦化分解效率，從而增加植物對磷的吸收。本研究中，隨著土壤供磷水平的增加，土壤pH 呈降低趨勢，低磷脅迫環(huán)境中的土壤磷酸酶活性則明顯較低。在不同的間(混)作系統(tǒng)中，由于不同種類作物組合中植物自身生理特性、根系形態(tài)構型特征、根際特征及酶生物學等特征均有所不同，通過物種合理搭配組合可提高植株磷肥利用效率[27-30]。本研究中兩種牧草對磷肥的吸收和利用效率與牧草根際土壤有效磷的富集密切相關，土壤磷素的富集作用受土壤供磷水平、酸堿水平和土壤磷酸酶活性影響，牧草根際特征是通過影響土壤磷富集率和植株磷含量對牧草磷利用效率產生間接影響。牧草在群落中動態(tài)發(fā)展、變化過程中，往往需要適時調整其生態(tài)適應對策，以提高其適合度，其中根系形態(tài)構型和根際特征表現出可塑性，會隨著環(huán)境變化進行適應性調整，從而構建與環(huán)境相適應的根系水分、養(yǎng)分吸收和傳輸體系。

4 結論

土壤不同供磷水平顯著影響牧草地下根系形態(tài)和構型特征，土壤供磷水平越低牧草根系表現為向周圍空間伸展得越大，牧草磷利用效率主要表現為與其根際土全磷含量和土壤磷酸酶活性以及土壤pH 顯著正相關；牧草地下根系形態(tài)、構型特征、根際特征與牧草磷利用效率之間存在較強的相關性，對牧草磷利用效率均具有顯著的直接影響；土壤低磷環(huán)境激發(fā)了植株獲得更高的磷利用效率，而這種激發(fā)主要來源于牧草地下根系表型特征的改變；上述結果較好地反映了土壤不同供磷水平下豆禾牧草混播體系磷的利用效率，為豆禾牧草混播體系磷高效利用提供了科學指導，進一步提升豆禾牧草混播體系生態(tài)功能的探究提供了基礎，也為更好地建植高質量豆禾栽培草地提供理論和技術指導。