湿地松半同胞家系磷素利用效率的研究

童方平，刘振华，吴际友，李 贵

（湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004）

湿地松半同胞家系磷素利用效率的研究

童方平，刘振华，吴际友，李 贵

（湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004）

采用离子消耗曲线方法，研究不同湿地松半同胞家系根系吸收磷离子动力学特性，探讨湿地松的不同半同胞家系吸收磷素营养的差异性。实验结果表明，不同家系的磷离子动力学特性差异性较大，最大吸收速率Vmax与各半同胞家系树高生长高度相关，其大小顺序为0-1027＞0-609＞0-1077＞0-508＞CK。4个湿地松半同胞家系相对于普通品种属于磷营养高效型和耐磷瘠薄能力强的品种，其中0-1027吸收磷离子能力最强，0-609耐低磷能力最强。研究结果为筛选湿地松耐低磷和磷高效利用型湿地松种质资源和新品种培育提供理论依据。

湿地松；半同胞家系；磷离子；吸收动力学

湿地松Pinus elliottii原产美国东南部，在我国已有70多年的栽培历史，其适应性强、树干通直、生长迅速、木材纤维较长，是优良的纸浆材与建筑材树种[1]。磷是植物生长和发育的必需元素之一，在土壤中很容易被化学固定，使其有效性下降，土壤缺磷是植物生长普遍存在的限制性因索。传统的农业技术中，通过大量施用磷肥来促进植物的生长，但是大量施用磷肥带来了一系列问题，严重浪费资源，还造成环境污染。因此选择、培育和利用营养高效型和低磷胁迫能力强的新品种是解决上述问题和促进林木高产、高效的有效途径。不同植物或同一植物不同品种对包括营养环境在内的各种环境的适应能力不同，植物磷营养效率存在着基因型差异。1952年，Epstein等将酶促反应动力学方程（米氏方程）应用于植物对离子的吸收[2]，开创了植物吸收养分离子动力学研究的先河。1984年，Tanaka等对6种大田作物和7种饲料作物对低磷胁迫的反应进行了研究，红顶草、红三叶草和苜蓿对低磷敏感，而大豆较耐低磷[3]。秦晓佳等研究了磷素缺乏对马尾松氮、钾吸收利用特性的影响发现随磷浓度的增加，不同种源马尾松各器官氮、钾的吸收效率均显著升高,各种源各器官的利用效率随磷水平的增加而显著下降[4]。1978年，Nielsen等对玉米的研究表明，不同磷营养效率的基因型植物的Km和Cmin不同，磷营养效率高的基因型有Vmax大，Km和Cmin小的特点[5]。

选择湿地松半同胞家系为对象，研究其根系对磷素吸收的动力学特性并结合试验林生长状况与动力学参数的相关性分析，以揭示不同湿地松基因型磷素营养利用效率的差异性，为湿地松新品种的选育和高产培育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采用湖南省林业科学院选育的4个湿地松半同胞家系0-1027、0-1077、0-508、0-609和普通品种（为对照CK）5个不同基因型材料的幼苗。

1.2 试验方法

1.2.1 培养阶段

选取长势一致的湿地松幼苗，将幼苗固定在泡沫板上放入盛有2 L营养液的培养桶中，每桶2株。实验营养液根据Claassen等(1974)和林翠兰等（1992）的配方，并适当修改为：CaSO40. 5 mmol·L-1，KNO30.75 mmol·L-1，Mg(NO3)20.35 mmol·L-1， KH2PO40.5 mmol·L-1，Fe-EDTA 1×10-4mmol·L-1，H3BO48×10-6mmol·L-1，CuSO41×10-6mmol·L-1，ZnSO42×10-7mmol·L-1，(NH4)6MoO242×10-7mmol·L-1,MnSO42×10-7mmol·L-1[6-7]。培养液的 pH 值调节至6.0±0.1，（光照为20 klx，光照时间为8:00～18:00），培养温度为25±2℃，3 次重复。每2 d换一次培养液并连续通气。培养时间为30 d。培养液为2 L，培养试验在人工气候箱中完成。

1.2.2 吸收试验阶段

采用Claassen 等(1974)的离子消耗曲线方法研究湿地松半同胞家系根系对磷离子的吸收与外界离子浓度的关系。将培养阶段的湿地松幼苗材料转入去离子水中，让植株处于无营养状态48 h，然后转入2 L含有0.05 mmol/L KH2PO4的营养液中（其它营养成分的浓度均为原培养阶段组分的1/10）。从培养开始，在14 h培养过程中每隔1 h取样测定吸收液中的磷浓度。各处理每次取样2 mL，同时补充2 mL去离子水。吸收试验期间温度为25℃，光照为20 klx，保持吸收液pH值在6.0±0.1。最后一次取液样结束后，取出苗木，用滤纸吸干根系表面水分，测量根系长度，将根与茎分离，称取根系鲜重，80℃恒温下将根系烘至恒重时称干重。

1.2.3 磷离子浓度的测定

磷离子浓度的测定用钼蓝法测定。

1.2.4 动力学参数的计算方法

在离子吸收试验中，随吸收时间的延长吸收液中离子浓度逐渐降低，利用最小二乘法对此过程进行一元二次多项式回归拟合建立消耗曲线方程，相关动力学参数计算参照蒋廷惠等的方法[8]。

常用的方程是一元二次多项式：

对该方程求负导数得到浓度变化速率方程：

在式(2)中，令X趋于0，此时Y’=-b，即浓度最大变化速率，由此求得最大吸收速率：

式（3）中V为吸收试验溶液的体积，Mdr为根干重。

将Y′= -1/2b代入式(2)求出，代回到式(1)即可得到Km。

试验数据采用Excel和Spss软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同家系湿地松根系对磷的吸收能力

从培养开始，在14 h培养过程中每隔1 h不同家系材料湿地松根系对磷吸收能力列于表1，从表1可知，不同家系的湿地松在营养液中生长，随着吸收时间的延长，所有培养液中的磷浓度都在逐渐下降，但是不同家系吸收的速率和下降的幅度不一样。0-1077和0-1027在培养3 h后对磷吸收最大，之后趋于平稳，0-609在培养5 h对磷吸收最大，0-508在培养6 h对磷吸收最大，而CK则一直平稳下降。由此可知，不同家系对磷元素的反应敏感性存在差异，家系0-1027和0-1077具有较强的反应敏感性，0-609和0-508次之，CK反应能力最弱。当外界磷元素发生变化时0-1027和0-1077能够较快的适应环境，0-609和0-508次之，而CK则因为不具备这种适应性反应，最终可能导致其生长受到影响。磷浓度下降的规律为：0-1077培养液中的磷浓度从1.55 mg/L下降到0.818 42 mg/L，下降降幅为47.20%，0-609培养液中的磷浓度从1.55 mg/L降到0.694 86 mg/L，降幅为55.17%；0-1027培养液中的磷浓度从1.55 mg/L下降到0.407 55 mg/L，降幅达73.71%；0-508培养液中的磷浓度从1.55 mg/L下降到0.835 77 mg/L，降幅达46.08%；而普通品种CK培养液中的磷浓度从1.55 mg/L下降到1.139 8 mg/L，降幅仅为26.46%。由此表明不同家系的湿地松对磷吸收能力存在差异，供试的湿地松不同家系对磷吸收能力大小顺序为：0-1027＞0-609＞0-1077＞0-508＞CK。通过和普通品种磷吸收能力的对比，4个优良家系磷吸收能力均比普通品种CK高，4个优良家系属于磷营养高效型基因型，普通品种CK则属于磷营养低效型基因型。根系对磷吸收能力的大小代表着植物吸收利用土壤中磷离子的强弱，磷营养高效型的基因型在同一立地条件下磷素利用效率高，植株生长快，生物量大。

表1 不同半同胞家系湿地松根系对磷吸收能力Table 1 Ability of slash pine half-sib families roots to absorb phosphorus mg/L

2.2 不同家系湿地松根系对磷的吸收动力学特征

离子吸收动力学的研究为阐明养分的吸收特性、鉴定和筛选养分吸收高效型的植物品种提供了有利的手段[9]。湿地松5个参试基因型的磷素吸收动力学参数测定结果见表2。测定结果显示，不同基因型的湿地松根系磷吸收动力学特性方面存在较大差异。4个湿地松优良家系对磷的最大吸收速率（Vmax）为14.511 28～32.110 09，远高于CK的2.268 3，这与4个半同胞家系吸收溶液中磷的能力高于对照结果相一致。0-1027的磷最大吸收速率是CK的14.16倍，0-1077是CK的9.25倍，0-508是 CK的 7.9倍，0-609是 CK的 6.4倍，其磷的最大吸收速率顺序为0-1027＞0-1077＞0-508＞0-609＞CK。半同胞家系的吸收常数Km值明显小于CK，4个半同胞家系的Km值为0.539 069～0.928 696，均小于CK的1.546 006，其大小顺序为CK＞0-508＞0-1027＞0-1077＞0-609。吸收常数的大小反映了根系对磷亲合能力强弱，Km值越小，说明亲合能力越强，实验结果表明，选育出的半同胞家系对磷的亲合能力明显高于CK。根系对磷的Cmin值反映了基因型对低磷的耐受能力，Cmin值小代表对低磷胁迫的耐受能力强。4个半同胞家系的Cmin值为0.151 058～0.678 261，均小于CK的1.555 015，四个半同胞家系以0-609的Cmin值最小，其后递增的次序依次为0-1077、0-1027和0-508。表明0-609耐低磷胁迫的能力最强，其后依次为0-1077、0-1027和0-508，CK耐低磷胁迫的能力最差。

表2 不同半同胞家系湿地松根系磷离子吸收动力学参数†Table 2 Dynamical parameters of slash pine half-sib families roots to absorb phosphorus ions

磷离子吸收动力实验表明：湿地松营养高效基因型具有Vmax大，Km和Cmin小的特点，4个优良家系湿地松的Vmax均比CK大，而Km和Cmin都比CK小，由此说明4个优良家系湿地松的磷营养利用效率高于对照。

2.3 磷离子动力学参数与湿地松半同胞家系生长量的相关性分析

本研究对5个湿地松半同胞家系材料在湖南汨罗17年生试验林进行了生长量的测定，相关性状见表3，年平均树高生长量以0-1027最大为0.741 2 m，最小为CK为0.654 1 m，0-1027大于对照13.32%，0-1077大于对照8.99%，0-508大于对照8.64%，0-609大于对照6.74%，5湿地松基因型年平均树高生长量大小为0-1027＞0-1077＞0-508、0-609＞CK。年平均单株材积以0-1027的0.025 5 m3为最大，CK的0.162 0 m3为最小，其从大致小顺序为0-1027＞0-508＞0-609＞0-1077＞CK。

将离子动力学参数Vmax、Km、Cmin与湿地松年均树高生长量、年均单株材积进行相关分析，分析结果列于表4。根据表4分析，Vmax与年均树高生长量的相关性达0.988，存在极显著正相关关系，Vmax与年均单株材积的相关性达0.943，存在显著正相关。Km与年均树高生长量、年均单株材积的相关性分别达-0.763、-0.682，经检验相关性均不显著；Cmin与年均树高生长量、年均单株材积的相关性分别达-0.780、-0.704，经检验相关性均不显著。相关分析表明，湿地松树高生长与磷的最大吸收速率Vmax呈正线性相关关系，符合度最高。

表3 湿地松半同胞家系测定林分的生长（汨罗17a）Table 3 Growth of tested forests of slash pine half-sib families

表4 离子动力学参数与湿地松年均生长量的相关性Table 4 Correlation between ion dynamical parameters and average annual growth of slash pine

3 结论与讨论

不同基因型的湿地松半同胞家系在根系吸收磷离子动力学特性方面存在较大的差异。磷离子动力学试验结果和动力学参数与生长性状相关性分析表明4个优良家系相对于普通品种而言都属于磷营养高效型，磷营养效率高的基因型有Vmax大，Km和Cmin小的特点。湿地松半同胞家系最大吸收速率Vmax其顺序是1027＞0-1077＞0-508＞0-609＞CK，与各半同胞家系树高生长相一致。

家系1027、0-1077、0-508、0-609具有对磷亲合能力强，耐磷瘠薄能力强的特点，表现在它们比普通品种CK具有较小的Km和Cmin值。一般而言，Km较小、Vmax较大的植物，可以在较大的介质离子浓度范围内进行吸收[10-12]，4个优良家系都具有比普通品种CK较小的Km值和较大的Vmax值，这说明优良家系比普通品种具有更好的适应性，适宜种植的范围更广。Vmax数值越大表示植物吸收离子的内在潜力越大。在磷营养较为丰富的条件下，家系1027吸收磷离子能力最强，其次为0-1077、0-508、0-609，CK吸收能力最弱。在低磷胁迫的环境下，Cmin值反映了基因型对低磷的耐受能力，Cmin值小代表植物对低养分的耐受力强，植物耐瘠薄能力越强。基因型0-609根系对磷吸收的Cmin值最小，说明其耐磷瘠薄能力是所试家系中最强的，其次为0-1077、1027和0-508，对照的耐磷瘠薄能力最差。土壤有效磷的缺乏已成为影响植物生长和产量的一个限制性因子。我国亚热带地区作为重要商品材产区虽然水热资源丰富，但森林土壤严重缺磷。据报道，长江以南的2亿多公顷红壤系列土壤其全磷含量为0.35～0.52 g·kg-1，并多以难溶性闭蓄态的磷酸铁铝存在，有效磷含量极低[13]。Cmin小的基因型有利于从有效磷低的土壤中吸收磷素；而Vmax大的基因型在高磷供应时能获得较显著的磷效率。湿地松作为低山丘陵及沿海地区重要的造林树种之一[14]，利用耐低磷能力强和营养高效型的品种能够提高造林成活率和增加林木生长量和木材产量。离子动力学特性研究为减少磷素过量引起的土壤污染、筛选湿地松耐低磷和磷高效利用型种质资源以及新品种培育提供理论依据。

[1] 徐有明, 沈明璋, 文家友,等. 湿地松纸浆材材性变异的研究[ J] . 华中农业大学学报, 1993, 12( 2) : 147-153.

[2] Epstein E. A kinetic study of the absorption of alkali cations by barley roots[J].Plant Physiol.,1952,27:457-474.

[3] Tanaka A, Hitsuda K, Tsuchihashi Y. Tolerance to low pH and low available phosphorus of various field and forage crops[J].Soil Sci. Plant Nutr., 1984,30(1):39-49.

[4] 秦晓佳，丁贵杰.低磷胁迫对不同种源马尾松幼苗氮钾吸收与利用的影响[J]. 中南林 业科技大学学报,2012,32(4):32-36.

[5] Nielsen N E, Barber S A. Differences among genotypes of corn in the kinetics of P uptake[J]. Agronomy Journal,1978,70:695-698.

[6] Claassen N, Barber S A. A method for characterizing the relation between nutrient concentration and flux into roots of intact plants[J]. Plant Physiol, 1974,54: 564-568.

[7] 张福锁. 土壤与植物营养新动态(第一卷)[M]. 北京：北京农业大学出版社，1992：120-124.

[8] 蒋廷惠, 郑绍建, 石锦琴,等. 植物吸收养分动力学研究的几个问题[J] . 植物营养与肥料学报, 1995, 1(2): 11-17.

[9] 余 勤，邝炎华. 根系养分吸收动力学研究及应用[J]．华南农业大学学报，1997，18(2)：105-110.

[10] Lee R B. Selectively and kinetics of ion uptake by barley plants following nutrient def i ciency[J]. Ann. Bot., 1982,50:429-449.

[11] Nielsen N E. Barber S A. Difference among genotype of corn in the kinetics of P uptake[J]. Agron. J.,1978, 70:695-698.

[12] Teo Y H, Beyrouty C A, Gbur E E. Nitrogen, phosphorous and potassium inf l ux kinetic parameters of three rice cultivars[J]. J Plant. Nutri., 1992,15:435-444.

[13] 鲁如坤，谢建昌，蔡贵信，等．土壤—植物营养学原理和施肥[M]．北京：化学工业出版社，1998．45- 50.

[14] 吴际友，李志辉，龙应忠，等. 湿地松全同胞家系主要经济性状的遗传变异与选择研究[J]. 中南林业科技大学学报,2010, 30(8):1-4.

Study on phosphate utilization eff i ciency of slash pine’s half-sib families

TONG Fang-ping, LIU Zhen-hua, WU Ji-you, LI Gui
(Hunan Forestry Academy, Changsha 410004, Hunan, China)

In order to explore the mechanism of absorbing phosphorus differences of different slash pine half-sib families，a hydroponic experiment was carried out to measure the uptake kinetics of phosphorus. The results show that there were greater differences of the kinetic characteristics between different families. The maximum absorption rate was in accordance with the growth height of slash pine’s half-sib families and ranked as 0-1027＞0-609＞0-1077＞0-508＞CK. Compared with the common varieties, four superior families belong to high phosphorus eff i ciency and phosphorus barren resistance genotypes. The 0-1027’s absorbed phosphorus ability was the strongest of them. But the family with strongest barren capacity was 0-609 under low phosphorus condition. The results provide a theoretical basis for selecting the phosphorus barren resistance genotypes and high phosphorus eff i ciency germplasm resources and cultivating new varieties.

slash pine; genotypes; phosphate; uptake kinetics

S791.246

A

1673-923X(2012)12-154-04

2012-06-13

湖南省自然基金重点项目‘湿地松优良家系氮磷营养吸收机理及调控机制研究’（编号10JJ2032）

童方平（1964-），男，湖南桃源人，博士，研究员，博士生导师，研究方向：工业原料林遗传改良与丰产栽培、重金属污染林地树种选择、生态修复与植被恢复技术；E-mail：tongfangping@sina.com

[本文编校：罗 列]