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

關鍵詞：馬尾松；磷；光合作用；生長

磷是植物生長所必需的營養元素之一，參與植物體內眾多的生理生化過程，在植物生長發育過程中發揮重要作用。光合作用是植物固定無機碳為有機碳的重要生理化學過程，是植物進行碳吸收的基本動力。土壤磷養分在植物進行光合作用過程中扮演重要角色。如，趙燕等發現隨著基質磷濃度增加，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，磷限制植物生長現象普遍存在，且隨著工業發展和森林的演替，森林的缺磷程度不斷加劇。不同森林植被生長對土壤磷養分含量的響應也存在差異。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出積極響應，但土壤磷的可利用性對熱帶地區森林樹木生長呈現抑制或不顯著作用。此外，在亞熱帶區域相同人工林樹種對磷添加的生長與光合響應研究結果也存在一定爭議。因此，進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，是亞熱帶地區廣泛種植的先鋒樹種。全國馬尾松林土壤養分調查結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等也發現在主要分布區馬尾松生長與土壤有效磷含量顯著正相關，說明在亞熱帶區域土壤磷限制了馬尾松的生長。此外，Yu等預測亞熱帶地區的土壤全磷含量隨時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，部分學者也通過控制試驗開展關于馬尾松生長對磷濃度響應方面的研究，但研究結果存在差異。如黃盛怡等和龐麗等發現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，目前大多數關于磷脅迫相關研究中培養基質磷添加含量普遍處于較高水平（對照組設置為8～32mg·kg-1），內容更多局限于比較植株對高磷和低磷兩個濃度梯度的生長生理響應差異，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，現有磷控制試驗培養時間相對較短，缺少對整個生長季的研究。

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，培養基質設置7個磷濃度梯度，探究不同磷濃度下馬尾松幼苗在生長季的不同時間生長參數和光合參數的差異，為馬尾松林經營管理和更精準的生長模擬預測提供試驗依據，也有助于更好地揭示耐瘠薄樹種對低磷環境的適應機制。

1材料和方法

1.1試驗材料

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材料。2020年12月將馬尾松幼苗移栽至湖北秭歸三峽庫區森林生態系統國家定位觀測研究站（110°54'E，30°53' N，海拔296m）進行練苗。2021年5月初將個體大小一致、長勢均勻的幼苗移栽到花盆（高17cm，直徑16.5cm）中進行養分控制培養，每盆一株。培養基質是以石英砂：蛭石：珍珠巖=7：2：1的混合基質。移栽前，培養基質用3%稀鹽酸進行酸洗，浸泡1周去除雜質后倒入營養液平衡離子。所有幼苗植株置于定位站露天培養苗床上進行試驗培養及后期觀測。

1.2試驗設計

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個磷濃度處理組，每個處理組預備200株幼苗。根據基質質量（約3kg·盆-1），計算每盆植株的養分需求量，為避免高濃度離子毒害作用，在栽植后的1個月內，分5次將營養液均勻澆人盆中，每間隔7d添加一次，來降低介質和植物組織中營養物質濃度的波動；同時為保持離子的有效性，將大量元素和微量元素分別添加。不同濃度的營養液中大量元素用量詳見表1，微量元素營養液由改良的Hoagland營養液提供，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；營養液pH值在5.3～6.0之間。由于石英砂基質保水性差，需每日日落后用霧化噴灌裝置進行灌溉降溫并提供充足的水分，同時用遮蔭網進行適當遮蔭來減少基質水分蒸發。養分控制試驗從2021年5月初開始，到2021年11月末結束，生長周期試驗持續7個月。

1.3高生長及光合特征參數的測定

1.3.1高生長指標的計算在5月初養分處理前，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據與生長時間（月）分別進行線性擬合，發現方程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葉片光合參數的測定用Li-6400XT便攜式光合作用測量系統（Li-Cor，Lincoln，USA）測定針葉氣體交換參數。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。測定過程中設置葉室溫度為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行光誘導，待數值穩定后記錄數據。

1.4數據處理

所有數據的數理統計分析和繪圖均由SPSSv23.0和R4.1.2軟件（http：//www.r-project.org/）完成。

本研究所有數據通過正態分布（Shapiro-Wilk檢驗）和方差齊次性檢驗（Bartlett檢驗），滿足數據進一步分析條件。利用R語言“Ime4”程序包完成線性混合效應模型（Linear mixed-effectsmodel）的分析，其中將重復作為隨機因子，分別分析生長時間、磷濃度及二者間的交互作用對馬尾松幼苗的高生長參數。

RHl和光合參數指標（凈光合速率（Netphotosynthetic rate，Pn）、氣孔導度（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檢驗方法比較不同生長時間和磷濃度梯度下高生長和光合參數指標的差異。用學生檢驗（Student's t test）和簡單線性回歸方法確定基質磷濃度與幼苗相對生長速率的關系。通過相關分析和偏相關分析（Partialcorrelation analysis）描述生長時間、磷濃度及其交互作用與高生長和光合參數之間的相關性。

2結果與分析

2.1不同生長時間及磷濃度條件下幼苗高生長變化

生長時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）。同一生長時間段內，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受基質磷濃度影響顯著（t-Value=29.113，P=0.000），且RGR隨基質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比較

磷濃度、生長時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在不同生長時間段內存在顯著差異（P<0.05），除CK處理，Pr7均在8月達到最大值；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表現出相似的時間變化趨勢，即隨生長時間先增長后下降（表4）；相同磷濃度條件下，在不同生長時間的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的相關分析

如表5所示，Pn和Ci與RHI顯著正相關（P<0.05）；生長時間與RHI顯著正相關（P<0.01），與Pn、Gs、Ci也有表現出一定的正相關關系（0.05

3討論

3.1馬尾松幼苗光合參數對不同磷濃度的響應

磷與光合作用之間的關系可以用某些光合指標chlorostachys （F.Muell.） Baill.）、金合歡（Acaciaauriculiformis Benth.）和澳洲藍柏（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個站點不同植物光合作用的研究發現光合作用與土壤養分含量無關。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持續時間更長。高磷處理（2AP、4AP）和Ci從6月開始迅速升高，7-9月達到最大值，且該生長時間段的Ci均顯著大于低磷處理（OAP、1/8AP和1/4AP）（表4，P<0.05）。Pn、Ci表現出的這種時間變化可能是馬尾松幼苗為適應低磷環境產生的光合適應對策：縮短最大光合作用持續時間，提高光合作用強度，進而減少磷在高強度光合中轉換產生的耗能和傷害，提高光合作用磷利用效率。這結果一定程度上符合最低消耗理論（Theleast-cost hypothesis），即當蒸散能力和羧化能力達到平衡時，光合作用就能以總的最低消耗來維持植物的正常活動。Gs在不同磷濃度條件下，均在8-9月達到最高值，與其他生長時間的Gs差異顯著（表4）；但相同生長時間不同處理間Gs差異不顯著，表明氣孔調節的蒸散和氣體進出過程達到對應磷濃度條件下的平衡狀態。在低磷條件下，馬尾松幼苗可能采取集中高強度的產能方式減少長期高強度轉換帶來的能量損失，產生了對低磷環境的適應；當磷含量相對充足時，植株能夠獲取更多的可利用磷，保證自身長時間有效進行光合作用，促進生長。

3.2馬尾松幼苗高生長對不同磷濃度的響應

光合作用生產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形式。簡尊吉等對馬尾松主要分布區土壤養分進行調查，馬尾松林嚴重缺磷（0.02-78.65mg·kg-1）。在整個苗期，馬尾松幼苗株高相對生長速率受基質建立線性或對數函數來表示，但在不同研究中磷與光合作用的關系并未達成統一。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，磷限制馬尾松幼苗的生長。這一結果與Huang等一致，符合并驗證了生長在熱帶亞熱帶高度風化土壤地區的森林受到磷限制的假說。

然而，在生長季的不同生長時間段，不同磷濃度處理條件下幼苗高生長對磷的響應存在差異（圖1，P<0.01）。我們發現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作用具有時效性，隨時間的延長以及生長季的發展，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月高生長量最大導致。黃盛怡等對馬尾松容器幼苗進行磷添加發現高生長差異顯著，但也有研究表明不同濃度磷添加導致的馬尾松高生長差異不顯著。本研究結果與前者一致。

3.3不同磷濃度下馬尾松幼苗相對生長增量和光合參數的相關關系

光合作用是植物合成促進自身生長所需要的碳水化合物的重要生化過程。本研究發現RHI與Pn和Ci正相關（表5，P<0.05）。胞間C02是植物進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，就能產生更多的碳水化合物，促進株高生長。在Crous等對細葉桉（Eucalyptus tereticornis Smith）進行的為期3年的施肥試驗中發現施磷顯著促進了干的徑向生長，Jiang等的研究也表明施磷增強了植物的光合作用。但光合作用的增強并不一定伴隨著生物量的增加，磷的增加還可能會增強呼吸作用，增加了消耗；在低磷條件下，光合作用提高并不一定導致生產力的提高。本研究中磷濃度顯著影響了馬尾松幼苗的光合產能過程，但在生長表現上沒有顯著差異（表5）。這可能是因為在低磷條件下，光合作用生產的有機物可能優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。本研究試驗控制時間為7個月，較短的觀測時間也可能是不同磷濃度條件下幼苗生長沒有表現出顯著差異的原因。

4結論

本研究以兩年生馬尾松幼苗為對象，設置不同磷濃度梯度，探究馬尾松幼苗高生長和光合特征對磷的響應。結果表明，馬尾松幼苗的光合參數受到不同磷濃度、生長時間及其交互作用的顯著影響，低磷處理的馬尾松幼苗的Pn在整個生長季表現先增高后下降趨勢。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。馬尾松幼苗在低磷環境下通過調節光合作用和高生長動態變化，對低磷環境產生了一定適應機制。