解磷菌肥不同施用方式對馬尾松家系苗木根系生長及磷素營養的影響

龐 麗, 李家鑫, 田永琳, 喬志偉, 王云鵬, 張明豪

(1. 安順學院 農學院, 貴州 安順 561000; 2. 安順學院 資源與環境工程學院, 貴州 安順 561000; 3. 中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所, 浙江省林木育種技術研究重點實驗室, 國家林業和草原局馬尾松工程技術研究中心, 杭州 311400 )

馬尾松(Pinusmassoniana)是我國亞熱帶地區最重要、分布最廣的速生用材樹種之一。根據第九次森林資源清查結果顯示,我國馬尾松人工林種植面積已達804萬公頃,支撐著我國造紙、木材加工、林產化工等眾多產業的發展。然而,由于我國南方地區主要分布著酸性土壤,土壤中超過90% 的磷素被吸附固定,導致其有效磷含量較低(張福鎖等, 2007; 張一等,2010)。與其他速生用材樹種相比,馬尾松對土壤磷素匱乏更加敏感,因此磷成為限制馬尾松人工林生產力的主要因素(Zhang et al., 2013; 張東北等,2019)。

解磷菌肥(phosphorus-solubilizing bacteria fertilizer,簡稱PSB fertilizer)是一種微生物菌肥,其富含的解磷微生物能夠通過酸解作用和/或酶解作用,將土壤中固定磷轉化為有效磷供植物吸收利用(Bergkemper et al., 2016; Adnane et al., 2021)。研究表明,從植物根際土壤中篩選出的解磷微生物,通過溶解土壤中不同形態的磷,加速磷組分的轉化,提高土壤速效磷含量(黃鵬飛等,2012; 呂俊等,2020; 劉耀輝等,2022)。施加解磷菌肥不僅能夠改善土壤理化性質、提高土壤有效磷含量,還能夠促進植物根系的生長發育,增加植物對土壤磷素的吸收,進而改善植物生長和磷營養狀況(李巧玲等,2022)。呂俊等(2020)將1株伯克霍爾德菌(Burkholderiasp.)WJ27接種于馬尾松盆栽苗木中,研究表明馬尾松幼苗主根長、苗高及磷素含量等顯著增加。喬歡等(2016)將2株高效解磷真菌PenicilliumguanacastenseJP-NJ2和P.pinophilumJPNJ4接種于馬尾松盆栽苗木中,發現其對馬尾松苗高和地徑具有良好的促生作用。

研究接種解磷菌肥對植物的促生效果及其影響因素,有助于合理地開發及廣泛地應用解磷菌肥。眾多研究表明,植物對土壤養分均勻和局部供應的響應存在顯著差異(Zhang &Forder, 2000; 李翠紅等,2016)。目前大多數盆栽和大田試驗均是將解磷菌肥與基質或土壤混勻后施用,或直接施于播種層(郜春花等,2003; 吳文麗等,2016; 鄭淇元等,2022),對解磷菌肥分區施用形成的磷素異質性分布如何影響植物的生長發育及其磷素吸收尚不清楚。在生物菌肥已成為我國肥料產業中重要組成部分的情況下(徐子恒等,2021; Chen et al., 2021),植物對生物菌肥不同施用方式的響應必將對其廣泛應用具有重要意義。鑒于此,本研究利用WinRHIZO Pro STD1600+ 根系圖像分析軟件,通過盆栽接種試驗研究了馬尾松不同家系根系形態參數和苗木磷素吸收量對解磷菌肥均勻和局部施用的響應,以期為應用微生物解磷菌肥改良馬尾松苗木生長和磷素營養,以及提高馬尾松人工林生產力提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以馬尾松二代育種群體內控制授粉產生的優良子代10號(No.10) [7750(湖南)× 1126(廣西)]、22號(No.22) [6627(江西)× 5907(浙江)]和50號(No.50) [6610(江西)× 3412(安徽)]作為試驗材料。盆栽容器采用上部內徑為24 cm、下部內徑15 cm、高16 cm的塑料盆。試驗所用基質為貴州省黔中地區貧瘠的酸性黃壤,其有機質含量為6.42 g·kg-1,全N和全P含量分別為(0.38±0.10)g·kg-1和(0.31±0.06)g·kg-1,水解N、有效P和速效K含量分別為(25.2±2.20)mg·kg-1、(0. 81±0.15)mg·kg-1和(43.7±5.50)mg·kg-1,pH為(4.85±0.12)。解磷菌肥為將熒光假單胞菌、假單胞菌1、假單胞菌2在高密度發酵罐中混合發酵,發酵好的細菌菌液與有機營養土按1∶9的比例在攪拌機中混勻而制成,其有效活菌數≥0.5×107CFU·g-1,有機質含量≥50%。

1.2 試驗設計

設置均勻施用解磷菌肥(均勻)、局部施用解磷菌肥(局部)和不施用解磷菌肥(CK)3種處理。均勻處理為解磷菌肥與基質按1∶5混勻后施入盆栽容器。局部處理將盆栽容器分成A、B兩側,中間固定PVC隔板(高度12 cm)隔開,以避免養分在兩側間的交流(圖1)(宋平等,2017;閆小莉等,2020),將與均勻處理相同質量的解磷菌肥與A側基質混勻后施入一側,B側只施入等量的基質。對照為將等量解磷菌肥滅菌后與基質混勻施入盆栽容器。在各處理盆栽基質上部覆蓋3 cm厚的干凈河沙作為播種層。

圖1 局部處理盆栽試驗設計(側視圖)Fig. 1 Experimental design of local treatment pot application (lateral view)

將用0.4%高錳酸鉀溶液浸泡20 min的馬尾松種子,清水沖洗數次后,放入鋪有滅菌濕濾紙的培養皿中,在人工氣候箱中25 ℃下直至出芽。將出芽種子播入盆栽容器播種層正中間,每盆播種2～3粒,出苗后各處理選擇長勢一致的苗木,每盆保留1株。試驗采用完全隨機區組設計,單株小區,5個區組(以避免環境因素對試驗的影響),即每個處理每個家系5個重復。于2020年5月初播種,6—8月為馬尾松生長旺盛期,11月中旬完成一個生長周期后收獲。試驗在安順學院溫室大棚內開展,試驗期間維持盆栽土壤水分在50%～80%范圍內,以保證馬尾松苗木對水分的正常需求。

1.3 實驗方法

1.3.1 苗木生長指標和磷含量測定 用鋼卷尺、游標卡尺分別測量馬尾松苗木苗高、地徑。將收獲的苗木分成根、莖、葉3部分,于烘箱中105 ℃殺青30 min,60 ℃烘干至恒重,以獲得苗木各部分的干物質量。分別稱取適量各部分干樣,采用H2SO4-H2O2消煮、鉬銻抗比色法(NY/T 2017-2011)測定苗木不同器官的磷含量。

1.3.2 根系形態參數測定 用根系掃描儀對苗木所有根系進行掃描,利用根系圖像分析軟件WinRHIZO Pro STD1600+(加拿大Regent Instruments公司)對根系掃描圖進行分析,得到的根系形態參數包括根長、根系直徑(D)、根表面積、根體積和根尖數等。

1.4 統計分析

根冠比=地下部分干重/地上部分干重。

根系(莖或葉)磷吸收量(mg)=根系(莖或葉)磷含量(mg·g-1)×根系(莖或葉)干物質量(g)。

整株磷含量(mg·g-1)=(根系磷含量×根系干物質量+ 莖磷含量×莖干物質量+ 葉磷含量×葉干物質量)/(根系干物質量+莖干物質量+葉干物質量)。

整株磷吸收量用單位植株干物質積累量的全磷含量表示,即整株磷吸收量(mg·plant-1)=整株磷含量(mg·g-1)× 整株干物質積累量(g·plant-1)。

采用 Microsoft Office Excel 2003 軟件進行數據處理及圖表的制作,利用 IBM SPSS Statistics 19.0 軟件進行多因素方差分析和相關分析,Duncan檢驗法進行多重比較(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同解磷菌肥處理對馬尾松苗木生長的影響

由表1可知,施用解磷菌肥處理對馬尾松苗木生長影響顯著(P<0.001)。局部施用解磷菌肥較對照的苗高、地徑、根干物質量、根冠比、整株干物質量分別顯著增加了19.5%、38.5%、76.9%、20.5%、54.4%,均勻施用解磷菌肥較對照苗高、根干物質量、整株干物質量分別增加了11.4%、38.5%、34.9%。與均勻施用解磷菌肥處理相比,局部施用解磷菌肥苗高、地徑、根干物質量、根冠比、整株干物質量分別顯著增加了7.3%、29.9%、27.8%、16.4%、14.4%。這說明局部施用解磷菌肥較均勻施用顯著增加了苗木的地徑和根冠比。

表1 馬尾松苗木生長性狀對解磷菌肥不同施用方式的響應Table 1 Responses of growth traits of Pinus massoniana seedlings to different application modes of PSB fertilizer

不同馬尾松家系對施用解磷菌肥表現不同(圖2)。與對照相比,局部施用解磷菌肥處理下3個家系各生長指標均顯著增加,其中22號家系增加幅度最大,苗高、地徑、根干物質量、根冠比、整株干物質量分別增加了30.1%、50.0%、142.8%、30.3%、100%。均勻施用解磷菌肥處理下,22號家系苗高、地徑、根干物質量、整株干物質量增加最多,分別增加了19.1%、16.7%、85.7%、72.4%;10號和50號家系苗高和整株干物質量增加顯著;3個家系根冠比較對照有所增加但差異不顯著。這說明22號家系對施用解磷菌肥處理最敏感。

不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。下同。Different small letters indicate significant differences between different treatments at 0. 05 level. The same below.圖2 解磷菌肥處理對馬尾松不同家系生長性狀的影響Fig. 2 Effects of PSB fertilizer treatments on growth traits of Pinus massoniana different families

2.2 根系形態特征及不同徑階根系根長對解磷菌肥處理的響應

由表2可知,施用解磷菌肥顯著增加了馬尾松苗木的根長、根表面積、根體積、根尖數,與對照相比,局部施用解磷菌肥處理分別增加了21.4%、19.7%、20.0%、37.9%,均勻施用解磷菌肥處理分別增加了10.6%、9.8%、4.3%、14.2%。

表2 施用解磷菌肥對馬尾松根系性狀的影響及方差分析Table 2 Effects and variance analysis of root traits of Pinus massoniana seedlings to PSB fertilizer treatments

解磷菌肥×家系的交互作用對馬尾松苗木根長、根表面積和根尖數影響顯著(圖3)。與對照相比,22號家系局部和均勻施用解磷菌肥下根長、根表面積、根體積、根尖數分別增加了42.3%和30.6%、30.2%和23.7%、34.7%和20.0%、47.4%和19.8%;10號家系局部處理下根系各性狀差異明顯,分別增加了18.3%、16.9%、15.4%、24.0%;50號家系局部處理下根表面積、根體積、根尖數分別增加了13.2%、11.3%、23.6%。說明22號家系對施用解磷菌肥較敏感,局部和均勻處理均能夠顯著誘導其苗木根系生長。

圖3 解磷菌肥處理對馬尾松不同家系根系形態特征的影響Fig. 3 Effects of PSB fertilizer treatments on root morphological characters of Pinus massoniana different families

由圖4可知,施用解磷菌肥處理增加了根系直徑(D)范圍為02.0 mm的根長增加不明顯。由此可見,局部較均勻施用顯著促進了0

圖4 馬尾松不同徑級根系根長對解磷菌肥不同施加方式的響應Fig. 4 Response of length of root with different diameters of Pinus massoniana to different application modes of PSB fertilizer

2.3 不同解磷菌肥處理對馬尾松磷素吸收量的影響

由表3可知,施用解磷菌肥對馬尾松苗木各器官和整株磷素吸收量影響顯著。局部和均勻施用解磷菌肥處理下,苗木根系磷吸收量分別較對照顯著增加了109.9%和46.1%,莖磷吸收量分別顯著增加了51.7%和36.2%,葉磷吸收量分別顯著增加了68.8%和49.6%,整株磷吸收量分別顯著增加了71.5%和45.2%。局部施用解磷菌肥處理下,苗木各部分磷吸收量增加幅度為根>葉>莖;均勻施用解磷菌肥處理為葉>根>莖。

施用解磷菌肥處理顯著增加了馬尾松3個家系不同器官和整株的磷素吸收量(圖5)。局部和均勻施用解磷菌肥處理下,馬尾松22號家系根系、整株磷素吸收量增加幅度最大,根系磷素吸收量分別增加了163.4%和83.6%,整株磷素吸收量分別增加了114.2%和76.1%。10號家系較22號家系根系、整株磷素吸收量增加幅度減小。局部施用解磷菌肥處理下,22號家系和10號家系葉磷素吸收量增加幅度較大,分別增加了120.5%和74.9%,50號家系和22號家系莖磷素吸收量增加幅度較大,分別增加了81.2%和80.3%。

2.4 主要生長指標與苗木磷素吸收量的相關性

由表4可知,施用解磷菌肥處理下,馬尾松根長、根表面積、根體積等根系形態參數均與苗木磷素吸收量呈顯著正相關;直徑范圍為0

表4 馬尾松苗木主要性狀與磷素吸收量間的相關系數Table 4 Correlation coefficients between main traits and P uptake of Pinus massoniana seedlings

3 討論

微生物肥料通過其所含微生物的生命活動改良土壤狀況,增加土壤中植物所需養分的供應量,從而改善植物的營養狀況并促進植物生長(Hayatr et al., 2010; He &Wan, 2022)。解磷菌肥 (PSB肥)是一類能夠將土壤中難溶態磷降解為植物可以吸收利用態磷、增加植物磷營養的微生物肥料(Kumar &Shastri, 2017; Purwaningsih et al., 2022)。俞新玲(2011)開展了解磷菌對桉樹苗生長影響的盆栽試驗,結果表明接種解磷菌處理對桉樹生長具有一定的促進作用。本研究結果表明,PSB肥不同的施用方式對馬尾松苗木生長和磷素吸收存在顯著影響。PSB肥局部施用與均勻施用比較顯著增加了苗木苗高、地徑、根冠比、根系與整株干物質量等主要生長指標,促進了根、莖、葉和整株磷素吸收,其中根系磷吸收量增加幅度最大。根冠比反映了植物對環境的響應策略,是植物光合產物在地上和地下部分分配的體現(樊勇明等,2021)。本研究結果根冠比增加說明低磷條件下局部施用PSB肥能夠顯著誘導馬尾松苗木根系的生長發育。李慧萍等(2022)研究表明接種溶磷細菌Pseudomonassp.能夠顯著提高牧草白三葉的根干重。

植物根系具有較強的可塑性,其形態及功能受土壤中營養元素水平與分布影響顯著(Li et al., 2014)。有研究表明,接種解磷菌能夠增加土壤磷素的有效性,進而改善植物根系形態(Mommer et al., 2012; 張藝燦等,2020)。本文對馬尾松根系的研究表明,施用PSB肥顯著增加了馬尾松苗木根長、根表面積、根體積和根尖數。與均勻施用相比,局部施用對馬尾松苗木根系生長的促進作用更顯著。該結果可能與局部施用解磷菌肥造成了土壤養分的異質性分布有關。Fransen和Kroon(2001)研究表明,養分異質環境下植物通過增加根系增生以獲取富養斑塊內的養分并促進地上部分的生長。富養斑塊中充足的養分供應能夠加速根系的伸長生長(Zhang &Forder, 2000; He et al., 2003; Li et al., 2014)。

另外,接種解磷菌能夠顯著影響植物不同徑級根系的生長發育。王志剛等(2015)研究表明施用解磷菌劑顯著增加了西瓜0～0.5 mm直徑范圍內根系根長所占的比例。徐子恒等(2021)研究表明施用生物菌肥能夠顯著提高青錢柳細根(D≤2 mm)表面積、體積及根系生物量。本研究結果表明,均勻和局部施用PSB肥均促進了馬尾松根系直徑D≤1.0 mm細根的生長,然而局部施用較均勻施用使0

林木不同家系在養分異質分布環境中的覓養行為以及對養分的吸收利用存在顯著的遺傳差異(周志春等,2005; 劉洪凱等,2020)。本研究表明,馬尾松3個家系生長及磷素吸收對施用PSB肥的響應存在顯著差異。母本6627(江西)和父本5907(浙江)均為耐低磷種源的22號家系,在局部施用PSB肥處理下各生長指標均顯著高于10號和50號家系。這與局部施用解磷菌肥顯著誘導了其根系的增生發育有關。

4 結論

低磷環境下馬尾松對PSB肥不同施用方式的響應存在顯著差異,局部施用較均勻施用對馬尾松苗木生長的促進效果更加明顯。局部施用顯著增加了苗木根冠比,促進了馬尾松根系的生長,誘導了根系直徑D≤1.0 mm細根的增生發育。苗木根系生長的差異是局部施用PSB肥苗木磷素吸收量及主要生長指標較均勻施用高的重要原因。另外,由于遺傳背景不同,馬尾松不同家系對施用PSB肥的表現有所差異,具有耐低磷種源背景的22號家系對施用解磷菌肥較敏感,其在局部處理下各生長指標均顯著高于另外兩個家系。該結果可能還與解磷菌和根系在根際的互作有關,有待于進一步開展施用PSB肥對馬尾松不同家系有機酸分泌及土壤微生物群落影響的研究。