供磷水平對棕櫚幼苗生長及根系形態的影響1)

邵暢暢 韋小麗 周紫晶 劉盈盈

(貴州大學，貴陽，550025)

棕櫚(Trachycarpusfortunei)是喀斯特石山地、半石山地區廣泛生長的經濟植物，其棕纖維是制作繩索、棕床墊的優質原料，且其種子、花具有較高的食用、藥用價值。此外，棕櫚還具有良好的水土保持功能，因此，是巖溶石質山地生態脆弱地區植被恢復的優選樹種。磷素是植物細胞生長分化、蛋白質合成、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元素之一，在土壤中多以難溶態存在[2]，陳萍等[3]研究表明，喀斯特地區林地中的土壤全磷含量為Ⅵ級，速效磷含量為Ⅲ級，林地土壤磷素含量接近缺磷土壤，遠小于磷豐富土壤，因此認為，磷是限制喀斯特地區植物生長的主要影響因子之一。探討磷素供應水平對喀斯特森林樹種棕櫚生長及根系發育的影響，找出適宜的磷供應水平，對確定棕櫚磷肥需要量、調控棕櫚根系生長并促進其對磷的吸收，從而對喀斯特地區缺磷環境棕櫚的育苗及人工栽培技術措施的制定提供理論支撐和技術指導具有重要意義。

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分的重要器官。根系形態是評價植物對營養物質吸收效果的重要參數[5]。已有研究表明，供磷水平與植物生長及根系形態均有較好的相關性[6]。低磷條件下，植物根系會形成一系列復雜的養分獲取策略，但不同樹種間存在差異，杉木(Cunninghamialanceolata)[7]、宜昌橙(Citrusichangensis)和白黎檬(Citruslimonia)會通過增大根總長、總表面積、總體積、比表面積或根尖數來應對低磷脅迫，而酸橙(Citrusaurantium)和枳(Poncirustrifoliata)不具有這種特性[8]。根毛也會啟動一系列響應，研究表明，在缺磷條件下，小麥幾乎不產生根毛[9]，而在高磷條件下有較高的根毛數量，然而，也有研究發現，低磷脅迫下，刺梨實生苗根毛的數量和長度會顯著增加[10]，說明磷會誘導根毛的形成與生長[11]，但具體調控機制可能與基因有關。根系的這一系列形態適應有利于其與外部環境的接觸，從而有效增強磷的吸收能力，這些均可以看作是植物對低磷脅迫采取主動適應的一種表現。當磷濃度過高時，植物的生長會受到抑制，總根長、根體積、根平均直徑等指標明顯下降[12]?？梢?，低磷脅迫會在一定程度上增加根系與土壤的接觸面積，從而增加根系對水分和養分的吸收利用[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力水平[14]。目前，關于棕櫚植物的研究主要關注于抗逆性[15-16]、生理[17-18]、種源[19]等方面，供磷水平對棕櫚生長及根形態的影響尚不清楚。因此，本研究開展不同磷素供應的棕櫚幼苗培養試驗，探討磷水平對棕櫚根系生長及形態的影響，確定棕櫚幼苗正常生長的磷供應量，揭示棕櫚對低磷脅迫的響應，以期為喀斯特地區缺磷環境棕櫚的育苗及人工栽培技術措施的制定提供理論支撐和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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，經度106°48′45″、緯度26°18′23″，海拔1 436 m，氣壓85 kPa。

1.2 試驗設計

試驗在貴陽市貴州大學林學院實驗苗圃塑料大棚中進行。培養基質為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。試驗采用營養液按霍格蘭大量元素配方和阿農微量元素配方配制(參照左永忠等[20]的研究)。供應營養液的P(KH2PO4)濃度設計為0、0.5、1.0、1.5 mmol·L-1共4個處理，用KCl平衡不同供磷處理間K+的差異，每個處理3個重復，每個重復樣本量為38株苗，共456株，移入裝有石英砂的塑料盆中進行栽培試驗，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，葉片數均為2片，每隔5 d澆1次營養液，每次50 mL，每次澆營養液的前1天，自來水淋洗石英砂，培養150 d取樣測相關指標并分析。

1.3 指標測定方法

生長指標：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：用游標卡尺測其地徑，精度為0.01 mm。

根形態指標：沙培150 d后，計算每個重復的平均地徑和平均苗高，按平均地徑和平均苗高±5%選取3株標準株，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)進行掃描分析和計算，測定棕櫚幼苗總根長、總表面積、平均根直徑、根系體積、根尖數量等。

比葉面積：將上述3株標準株的全展葉剪下來，平鋪于葉面積掃描儀內進行掃描即可得葉面積。

比葉面積=葉面積/葉片生物量。

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

根毛著生長度及數量測定：處理完成后，每個磷水平另選取3株標準株，每株選3個一級根(3級根上的一級根)，使用Leica FDM3000拍照并制作臨時切片，用于測量根毛長度和數量。根據棕櫚根毛分布情況，根毛長度和數量的測量位置為距根端0～1 cm處。

1.4 數據統計分析

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

2 結果與分析

2.1 供磷水平對棕櫚苗高、地徑增量及比葉面積的影響

本研究測得試驗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，對各處理棕櫚苗高和地徑增長量進行方差分析，并對其進行了差異顯著性比較，結果表明，供磷水平對棕櫚苗高生長的促進作用不同，苗高隨著供磷水平的增加先增高后降低，當供磷水平為1.0 mmol·L-1時，苗高達到最大且苗高增量顯著高于其他3個水平(P<0.05)(表1)，對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。試驗表明，供磷水平在1.0 mmol·L-1以內時，會促進棕櫚苗高生長，磷濃度為1.5 mmol·L-1時，苗高生長會明顯受到抑制。

表1 供磷水平對棕櫚苗木生長的影響

供磷水平對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時比葉面積最大，且磷濃度為0.5、1.0 mmol·L-1時的比葉面積顯著高于其他兩個處理，說明磷濃度過高過低都會抑制棕櫚幼苗生長。

2.2 供磷水平對棕櫚生物量的影響

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供磷水平下達到最大。說明適當的磷濃度可以促進棕櫚生物量的積累，濃度過高過低都會有抑制作用。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時最大、1.5 mmol·L-1時最小，處理間差異不顯著。

表2 供磷水平對棕櫚總生物量、莖葉生物量、根系生物量和根冠比的影響

2.3 供磷水平對棕櫚苗根系形態指標的影響

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、組織密度顯著高于其他3個供磷水平(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時最大。在一定磷濃度范圍內，棕櫚根系總根長、總表面積、根尖數量均隨著磷濃度的增加而增加，但高磷濃度會受到抑制。為了適應環境的變化，棕櫚的根系形態會發生不同程度的變化，最終目的都是為了增加根系—土壤的接觸面積。

表3 供磷水平對棕櫚根系形態特性的影響

2.4 供磷水平對棕櫚根毛的影響

根毛是由成熟區的表皮細胞向外突起形成的，是吸收水分和無機鹽的主要部位。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。本試驗將4個供磷水平下棕櫚根毛長度進行了比較，且對其根毛總長、平均長度及數量進行了差異顯著性分析，結果表明，不同供磷水平對棕櫚根毛形態的影響程度存在差異，無磷水平(0 mmol·L-1)的根毛數量和長度都比其他3個供磷水平的大，但其他3個供磷水平之間根毛形態變化不大(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。

未進行施磷處理的棕櫚平均根毛長顯著大于其他3個處理(P<0.05)，其他3個供磷水平的平均根毛長差異不顯著，無磷處理下根毛數量及根毛總長度均顯著大于其他3個供磷水平(P<0.05)(表4)。說明棕櫚幼苗在無磷環境下，會改變根系的生存策略，通過增加根毛密度和長度來增強對養分的吸收。

表4 供磷水平對棕櫚根毛平均長度、總長度及數量的影響

3 結論與討論

磷對棕櫚幼苗生長有顯著影響，濃度過高過低都會對其產生抑制作用。供磷水平在1.0 mmol·L-1時能夠較好滿足棕櫚幼苗生長對磷的需求，根毛是棕櫚響應低磷脅迫最快的指標，無磷處理下，棕櫚根毛的平均長度、數量及總長度均達到最大值，棕櫚通過增加根毛長度、數量來擴大與土壤的接觸面積，吸收更多的水分及養分，從而適應低磷環境。

陸地生態系統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的營養成分[21]。磷作為限制性營養元素之一，對植物的生長發育有很大影響，官紀元等[22]研究發現，刺梨(Rosaroxbunghii)的苗高、生物量在營養液磷濃度為0.315 mmol·L-1時達到最大值，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，隨著磷素供應水平的升高，閩楠(Phoebebournei)苗高及總生物量呈先升高后穩定的趨勢。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，對養分的需求較大，如果不能得到充足的養分供應，植物的生長會明顯受到抑制。本研究表明，供應營養液的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，從而抑制RuBPCase活性和RuBP的再生速率，進而降低了棕櫚幼苗光合速率所致。

根系是植物進行養分和水分運輸的主要器官。當土壤中養分供應充足時，植物根系生長比較旺盛，在土壤養分缺乏時，根系會及時啟動覓磷策略[24]，吳文景等[25]發現，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、根尖數及根冠比均顯著高于正常供磷及高磷處理。本研究表明，當供磷水平為1.0 mmol·L-1時，棕櫚根系生物量、總根長、總表面積、根尖數、組織密度最大，且顯著大于其他3個供磷水平，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境下，對磷素的需求量較杉木小。磷素供應充足的情況下，植物根系會迅速生長，從而增強植物對養分的吸收能力，促進植物的生長。當土壤中磷供應不足時，根系會及時啟動覓磷策略，通過增加根系—土壤的接觸面積來增強水分養分的可用性，如形成“排根”或“根毛”等特殊結構[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構，但觀察到根毛數量和總長度均在無磷水平下達到最大值，且顯著大于其他3個供磷水平，說明缺磷處理誘導了棕櫚根毛的形成和生長。這可能是植物為彌補根系生長較差的缺陷，應對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，植物會通過增加植物根毛的總根長來增強對養分的吸收，曹秀等[28]研究發現，缺P會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]，本研究結果與其類似，均表明低磷處理能誘導根毛的生長。

棕櫚根毛是響應磷脅迫最敏感的指標，當植株受到無磷脅迫時，根毛最先作出響應，通過增加根毛數量和長度適應磷脅迫。同時，棕櫚根系的其他指標沒有作出相應響應，可能與棕櫚是典型的須根系植物有關；也可能是由于本研究處理時間較短，植物性狀隨著資源水平的改變，首先調整了生理性狀，而形態性狀相對滯后，需要更長的時間才能發生顯著變化所致，但具體原因有待進一步研究。