干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯根系形态及生理特征的影响

王 天，张舒涵，闫士朋，张俊莲，李朝周

(1.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省作物遗传改良和种质创新重点实验室，甘肃 兰州 730070； 3.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)是位列于水稻、小麦以及玉米之后的世界第四大粮食作物，并且因其全面的营养成分备受世界各地消费者的喜爱，成为亚洲、欧美、非洲等许多国家和地区的主要粮食作物[1]。在我国，马铃薯大部分作为蔬菜或主食，还有一部分用于淀粉加工、饲料原料等。与其他的粮食作物相比，马铃薯适应性极强，分布区域仅次于玉米，能够广泛种植，因而成为贫困地区促进粮食生产和脱贫致富的优势农作物。甘肃省的马铃薯种植面积占全国总种植面积的14%，是全国重要的马铃薯种薯和商品薯生产基地，也是重要的淀粉加工基地[2-3]。而甘肃省长期面临水资源短缺的问题，水分不足严重影响马铃薯产业的发展，为了马铃薯产业在甘肃能够持续稳定的发展，就要做好节水灌溉工作，所以高效的水分管理在马铃薯生产上势在必行[4-5]。

干旱胁迫是农业生产中的常见问题，由于自然环境的影响，绝大部分作物都经受着不同程度水分亏缺所带来的逆境胁迫[6]。受干旱胁迫后，植物体活性氧含量增加，细胞内抗氧化酶系统和渗透调节物质发生变化，水分利用效率受到影响，植物光合作用受到抑制，同化物积累量减少，最终植物个体和群体生长发育受到抑制，形态发生改变，生物量和产量受到影响[7-13]。磷在植物的生命活动中起着至关重要的作用，它能够增强细胞结构的水合作用，增加结合水含量，减少细胞水分的流失，增强原生质对局部脱水的抵御能力，促进根系发育，使根伸入较深土层吸收水分，进而增强植物的抗旱性[14]。

增施磷肥对于作物优质高产有显著的作用[15]。赵海霞等[16]研究表明，增施磷肥可以促进苦荞根系生长发育，提高抗氧化酶活性，增加渗透调节物质含量。有研究表明，磷素营养能显著改善干旱胁迫对大豆的不利影响，增加根干重、根长、根表面积，进而减少大豆产量损失[17]。合理地补施磷肥有利于提高马铃薯产量和改善薯块品质，但施磷量过高会降低马铃薯的抗旱性[18-19]。 但目前，关于干旱胁迫和磷肥施用量对马铃薯根系生理、根系形态及农艺性状相互影响的研究鲜见报道，故本研究通过控制土壤含水量及磷肥施用量，对马铃薯苗期根系形态指标、抗性生理指标以及成熟期农艺性状指标进行测定，探究磷肥不同增施量对马铃薯根系形态、抗性生理和生长发育的影响，旨在确定干旱胁迫下提高马铃薯产量及抗旱性的最佳磷肥施用量，为提高水分亏缺下的马铃薯产量提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年4—10月在甘肃省白银市景泰县条山集团马铃薯种植基地(37°11′ N，104°03′ E)进行。基地年均降水量为193.72 mm，供试土壤属灰钙土，0～30 cm土层土壤田间持水量为42.48%，有机质含量13.06 g·kg-1，全氮含量 0.54 g·kg-1、碱解氮17.6 mg·kg-1、速效磷41.34 mg·kg-1、速效钾272.0 mg·kg-1，pH值8.03，土壤含水量为13.68%。

1.2 试验材料

供试马铃薯品种为大西洋；使用的磷肥为过磷酸钙(Ca(H2PO4)2，分析纯)，天津市光复科技发展有限公司生产。

1.3 试验设计

2016年4月16日种植，进入幼苗期20 d后，通过滴灌及土壤水分实时监测系统，进行自动检测、补水，将土壤水分含量严格控制在设定范围；并采用常规大田管理方法，试验区上方加盖防雨棚，避免自然降雨影响。试验设2个干旱胁迫处理和1个充分灌溉处理(对照)，其中中度干旱胁迫表示为“W1”(土壤含水量保持在9.5%左右)，轻度干旱胁迫表示为“W2”(土壤含水量保持在14.0%左右)，充分灌溉表示为“W3”(土壤含水量保持在32.0%左右)，直到生长发育周期结束。所施磷肥为过磷酸钙(Ca(H2PO4)2)，用量(以P2O5计)分别为：T1(27.3 kg·hm-2)、T2(54.5 kg·hm-2)、T3(81.8 kg·hm-2)、T4(109.1 kg·hm-2)、T5(136.3 kg·hm-2)，另设不施肥处理为对照(T0)(见表1)。采用区组设计，全膜覆盖单垄双行定植，种植小区面积4 m×8 m=32 m2，株距35 cm，每垄行距40 cm，垄宽20 cm，播种密度约为3 750株·667 m-2，于4月14日覆膜，4月16日种植。

于2016年5月24日早晨在马铃薯植株根际周围土壤均匀撒施磷肥。氮肥和钾肥已于播种前一次性施入，所用氮肥为尿素(CO(NH2)2)，用量(N含量46%)为210 kg·hm-2，钾肥为硫酸钾(K2SO4)，用量(K2O含量约51%)为105 kg·hm-2，各处理用量一致。

表1 土壤水分和磷肥用量的试验设计

1.4 测定指标及方法

1.4.1 根系含水量和根系活力 根系含水量采用称重法[20]，计算公式为：

RM=(Wf-Wd)/Wf×100%

式中，RM为根系含水量(%)，Wf为根鲜重，Wd为根干重；根系活力采用TTC法[21]。

1.4.2 超氧阴离子(O—·2)产生速率、丙二醛(MDA)含量及抗氧化酶系统 增施不同量磷肥20 d时于上午10∶00—10∶50取马铃薯根系作为试验材料。测定以下各项生理指标：超氧阴离子产生速率、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性，均参考邹琦等方法[20]。

1.4.3 根系形态特征 于收获前15 d测定根系形态指标。使用扫描仪Espon scanner和Win-RHIZO 2008a根系图像分析软件对各处理的根系分别进行扫描和形态指标的分析[21]。

1.4.4 生长发育指标 在收获时进行以下指标测定[22]：株高、茎粗、匍匐茎数量、地上部及根干重(以单株计算)、块茎产量。

1.5 数据处理

采用Excel 2013软件对数据进行处理和绘图，数据用平均值±标准误表示，采用SPSS 19.0统计分析软件对数据进行差异显著性分析，取P<0.05为显著相关，各项指标测定重复3～5次。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯幼苗根系含水量及根系活力的影响

马铃薯幼苗根系含水量在整体上呈现出随土壤含水量降低而降低的趋势(图1A)。W2和W3各组磷肥增施处理的根系含水量差异不明显，但W1整体水平均低于W2和W3，且W1组中，T5处理显著低于其他处理，可能与土壤中磷肥施用过多导致土壤溶液浓度升高，土壤水势降低而引起水分反渗透的“烧苗”现象有关。

根系活力在整体上呈现低水平磷肥增施量下随土壤含水量的升高先升后降的趋势(图1B)。各水分含量处理下根系活力均表现为随磷肥增施量的增加而先升高后降低的变化趋势，说明在一定范围内增施磷肥有效提高了根系活力。在W1水分处理中，T3处理根系活力达到最大值，比T0提高57.94%；在W2水分处理中，T2处理达到最大值，比T0提高36.28%，T1和T2处理显著高于T0，T2效果最佳；在磷肥增施量较低(T1，T2)时，W2的根系活力高于W3，可能与轻度干旱刺激根系的生理活性有关。在正常灌溉的W3条件下，增施较低量磷肥(T1，T2)时，根系活力较T0没有显著差异，随着磷肥增施量的升高，根系活力在T4达到峰值，且明显高于T1、T2、T3处理，比T0提高了98.41%。

2.2 干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯幼苗根系O—·2产生速率和丙二醛(MDA)含量的影响

如图2A所示，在W1和W2处理下，O—·2产生速率总体呈现随磷肥增施量的增加先降低后升高的趋势。在W1水分处理下，T3处理的马铃薯根系O—·2产生速率达到最低，比T0降低了44.82%；而在W2时，T2比T0处理降低了40.62%。而且可以看出，W3各组处理下的O—·2产生速率整体低于W1和W2，说明干旱胁迫使马铃薯根系O—·2产生速率升高。如图2B所示，MDA含量在整体上呈现W1和W2高于W3的趋势，即与对照相比，干旱胁迫使马铃薯根系MDA含量升高。在W1和W2处理下MDA含量随磷肥增施量的增加呈先降低后升高的变化趋势，MDA含量在W1和W2时，T2比T0处理分别降低了36.19%和32.45%。增施磷肥在一定范围内有效缓解了O—·2产生和MDA积累，说明适宜的磷肥用量能减轻干旱胁迫下活性氧积累和膜脂过氧化伤害。

2.3 干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯幼苗根系抗氧化酶活性的影响

由图3A可知，除T5处理外SOD活性呈现W1和W2高于W3的趋势，即与对照相比，干旱胁迫使马铃薯根系SOD活性升高。在W1和W2下SOD活性均为随磷肥增施量的增加呈现先升高后降低的变化趋势，SOD活性在W2时，T3比T0处理分别高1.78倍和1.29倍，即T3显著高于T0，效果最佳，说明在一定范围内增施磷肥提高了SOD活性。由图3B、C可知，POD、CAT活性在整体上呈现出W1和W2在磷肥增施量较低时高于W3的趋势，即与对照相比，在一定的磷肥增施量范围内，干旱胁迫使马铃薯根系POD、CAT活性升高。在W1和W2下POD和CAT活性均为随磷肥增施量的增加呈先升高后降低的变化趋势，POD活性在W1和W2时T2比T0处理分别提高了125.50%和46.27%；CAT活性在W2水分处理下，T2比T0提高了114.53%，达显著水平，效果最佳；在一定范围内增施磷肥提高了POD和CAT活性。W3水分处理下，SOD,POD,CAT活性在磷肥增施量增加的情况下变化幅度均较小。T3、T4、T5处理的CAT活性均为W1、W2低于W3，可能是过量磷肥增施减弱了干旱下抗氧化酶活性，但对W3过量磷肥增施并未对抗氧化酶系统造成显著影响。

注：不同字母表示相同水分条件下各磷肥用量处理间差异显著性达P<0.05水平。下同。Note：Different letters indicate significant difference of phosphorus fertilizer application amount under the same water treatment at P<0.05 level. The same below.图1 干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯幼苗根系含水量及根系活力的影响Fig.1 Effects of drought stress and phosphorus fertilizer application amount on potato seedling root water content and root vigor

图2 干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯幼苗根系O—·2产生速率和丙二醛(MDA)含量的影响Fig.2 Effects of drought stress and phosphorus fertilizer application amount on the super oxygen anion producing rate and MDA content of potato seedling root

综上所述，说明增施适宜的磷肥用量能增强干旱胁迫下马铃薯根系抗氧化酶活性，提高活性氧产生—清除平衡的能力，从而提高马铃薯幼苗的抗旱能力。

2.4 干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯根系形态特征的影响

马铃薯根系总长度在整体上呈现出轻度干旱处理高于对照(图4A)，这可能是马铃薯为了响应水分亏缺信号，吸收更多的养分供地上部生长而做出的响应，从而刺激了根长的延伸，向着深层潮湿的土壤生长，有利于利用深层土壤中的水分。W2和W3处理根系总长度随磷肥增施量的增加呈先升后降的趋势，W2和W3处理下T3分别比T0增加了104.20%和94.90%。W1根系总长度总体呈现随磷肥增施量的增加而升高趋势，T2比T0处理增加了83.54%。马铃薯根系总表面积在整体上表现为干旱处理高于对照(图4B)，在增施磷肥量较高时表现明显，结合根长变化趋势看，干旱胁迫下表面积和根长之间存在互补的关系，可能与植株根系针对逆境进行不同方向的能量投入以抵御干旱胁迫有关。根系总表面积随磷肥增施水平呈先升后降的变化，W1、W2水分处理下的峰值分别出现在T3和T2磷肥处理。

马铃薯根系平均直径整体呈现随着水分胁迫程度的加重而变细的趋势(图4C)，说明缺水状态促进了马铃薯细根的发育，有利于根系向深层土壤延伸，并增加吸收面积。根系平均直径随磷肥增施水平呈现与根表面积一致的变化趋势，即较低的磷肥用量使根直径变粗，增加吸收面积，较高的磷肥用量使根直径变小，促进了细根的发育。W1、W2水分处理下的峰值分出现在T2和T3磷肥处理，分别比T0增加了27.24%、24.28%。由图4D可知，马铃薯根系体积呈现出水分胁迫处理>对照，即低土壤含水量促进了根系的发育。根系总体积随磷肥增施水平呈先升后降的变化，W1、W2处理下T2比T0增加了57.17%、21.06%，说明在一定范围内增施磷肥促进了水分胁迫下根体积的增加。

在磷肥施用量较低(T0、T1、T2)的情况下，马铃薯根尖数呈现W2>W1的趋势(图4E)。即轻度干旱促进了侧根分支，因而其数量相对较多，根系结构相对复杂;在中度干旱条件下根系分生能力相对较弱，侧根数量少，根系更可能主要通过侧根的伸长促进其对土壤水分的吸收，以适应干旱环境。根系总长度随磷肥增施水平呈先升后降的变化，在T2处理时出现根长峰值，在W1、W2和W3水分状况下比T0增加了21.51%、9.94%和59.91%。

图3 干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯幼苗根系抗氧化酶活性的影响Fig.3 Effects of drought stress and phosphorus fertilizer application amount on the antioxidant enzyme activity of potato seedling root

图4 干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯根系形态特征的影响Fig.4 Effects of drought stress and phosphorus fertilizer application amount on the potato root morphology

当磷肥施用量过高表现出各指标下降趋势，可以考虑存在一定的“烧苗”现象，导致部分根系活性降低甚至衰亡。

2.5 马铃薯根系各形态指标相关性分析

由表2可知，在W1下，根直径与根尖数呈极显著性正相关，而总根长与根直径、根尖数呈负相关，说明中度干旱条件下根系通过改变自身构型来适应干旱环境。在W2下，总根长与根体积呈显著性正相关，而根尖数与根体积、根长呈负相关，轻度干旱区根系主要通过侧根数目和根体积的增加生长来适应胁迫的发生。在W3下，根表面积与根体积、根尖数呈现显著正相关，总根长与根体积呈现负相关，由此可见，正常灌水区根系表面积和根体积的增加，扩大了浅层根系与土壤的接触面积以促进生长。可以说明马铃薯根系形态分别对不同程度的干旱胁迫做出了响应。

2.6 干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯植株生长发育的影响

由表3可知，随土壤水分含量的减少，马铃薯株高、茎粗、匍匐茎数均有不同程度的降低，由此可认为W1和W2皆对马铃薯造成了一定程度的干旱胁迫。

增施不同量的磷肥，马铃薯株高、茎粗、匍匐茎数呈现先升高后降低的趋势。W1水分处理下，T1处理植株的株高达到最大值，比T0处理升高了21.93%，W2和W3水分处理下，均为T2处理的株高达到最大值，分别比T0处理升高了36.08%和27.80%；W1和W2水分处理下均为T2处理的茎粗达到最大值，比T0处理升高了6.45%和32.52%，W3水分处理下，T3处理的茎粗达到最大值，比T0处理升高了48.73%；W1、W2和W3三种水分条件下马铃薯的匍匐茎数均在T2处理达到最大，分别比T0处理升高了66.67%、69.23%和71.43%。由此可见干旱胁迫下增施适量磷肥可以对马铃薯的生长发育起到促进作用。

2.7 干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯植株生物量和产量的影响

由表4可知，不同程度的干旱胁迫均导致马铃薯薯重、根重、地上部分重下降，通过增施磷肥，上述三个指标较未增施磷肥的植株有不同程度的变化，随磷肥增施量的增加，各指标均呈先上升后下降的趋势。

W1、W2水分处理下地上部分重均在T2处理达到最大，分别较T0处理升高了5.43%和28.30%，W3水分处理下为T3处理下达到最大，较T0处理升高了27.90%；根重在W1、W2和W3水分处理下依次为T2、T3、T4处理达到最大，其最大值分别较T0处理升高了29.34%、39.26%和71.32%；W1、W2、W3三种水分条件下马铃薯的块茎产量在T2达到最大，分别较T0处理升高了25.83%、39.75%和46.03%。说明干旱胁迫下增施适量的磷肥能改善马铃薯根系生长发育、块茎营养品质，从而增加马铃薯产量，随着干旱胁迫的加重，各指标达到最大值时所需的磷肥量逐渐增加。

表2 马铃薯根系各形态指标相关性分析

注：*，**分别表示在0.05和0.01水平下相关性显著。

Note: *,** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 level, respectively.

表3 干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯植株生长发育的影响

表4 干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯生物量和薯重的影响

3 讨 论

3.1 干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯根系生长发育的影响

生物或非生物胁迫都会影响植物细胞正常生理代谢，使细胞内活性氧(ROS)和过氧化产物含量升高，而植物体内的抗氧化酶如SOD、CAT和POD在清除O—·2、H2O2和过氧化物、阻止或减少羟基自由基形成、保持膜系统免受损伤等方面起着重要作用[23]。已有研究表明，磷在增强作物对干旱胁迫的适应性及提高恢复能力方面具有非常重要的作用，土壤磷素水平与农作物的生长密切相关[24-25]。郑亚萍等[26]研究表明，施磷可提高花生根系中SOD、POD、CAT活性、根系活力和可溶性蛋白含量，降低MDA含量。本研究结果与前人相似，干旱胁迫下增施适量磷肥不同程度降低了马铃薯根系O—·2产生速率和MDA含量，提高了抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性。在本试验中，较低的磷肥用量(T1、T2、T3)施用处理下的马铃薯根系O—·2产生速率、MDA含量均有不同程度的降低，随磷肥施用量的进一步增加，中度干旱处理下二者又显著升高；从整体上看，随磷肥施用量的增加，抗氧化酶活性显著增强，但过量磷肥处理会明显降低3种酶活性。这说明在水分亏缺较重的条件下，大量施用磷肥不仅不能缓解干旱胁迫对马铃薯根系造成损伤，甚至还会引起 “烧苗”，对其造成双重胁迫。王西瑶等[27]研究表明，缺磷造成的胁迫增强了马铃薯植株的耐旱能力。这可能由于缺磷造成的胁迫使得植株的生长量减小，地上部分蒸发面积下降，甚至产生了交叉抗性。

磷在土壤中流动性差，分布不匀，主要通过扩散方式迁移到植物根表面，土壤中根系的空间分布对于磷素的吸收尤为重要。而植物根系为得到充分营养资源，根系形态表现出高度的可塑性[28]。缺磷会通过改变根系数量、长度、直径等改变作物的根系形态，而改变的程度取决于养分的缺乏程度[29]。林雅茹等[30]研究指出，野生大豆可以通过优化根系空间分布来提高对土壤中磷素的吸收。也有研究指出，增施磷肥可显著增加小麦的根系活力、总根长、根体积和根表面积[31]。在本试验中，干旱胁迫降低了马铃薯根系含水量和根系活力，但随磷肥的适量施入，各处理下马铃薯的根系活力和含水量较对照均有不同程度提高。就根系形态而言，适量施磷对马铃薯根系的总根长、根表面积、根体积、根直径和根尖数均有不同程度的促进作用，但在土壤水分含量较低，即干旱胁迫的条件下，过高的磷肥用量不仅不能促进根系生长，反而使上述指标出现下降趋势，说明高磷可能对根系造成不同程度的磷胁迫，导致根系受损。由此可见，干旱条件下增施适宜磷肥，可以促进马铃薯根系生长发育，优化根系形态，减少干旱胁迫造成的损伤，增强马铃薯对逆境的抵御能力。

3.2 干旱胁迫和磷肥用量对马铃薯生长的影响

磷肥在农业生产中至关重要，增施磷肥显著提高作物产量和品质[15]。磷素供应不足会严重影响植物的生长发育，导致植株生长缓慢、个体矮小，果实和种子成熟延迟、产量和品质下降等。杨宏伟等[32]研究发现，干旱胁迫导致马铃薯植株的株高、茎粗、根长、匍匐茎数下降，增施适量磷肥后上述各指标均有提高。王炎等[33]在对甜荞的研究中发现，甜荞产量随磷肥用量的增加而提高, 当磷肥用量超过一定限度后再增施磷肥甜荞产量有所下降。本研究发现，与正常灌溉相比，马铃薯植株的株高、茎粗和匍匐茎数在干旱条件下皆有降低，而在同样条件下增施少量磷肥，上述3个指标均有不同程度的增加，与前人研究结果相似。但随干旱程度的加剧，继续增施磷肥对茎粗表现出负效应。这可能与水分供应不足，马铃薯植株光合作用减弱有关，而这种变化会直接反映在茎粗的动态变化上。适宜的磷肥处理使马铃薯的地上部分干重、根干重和块茎重较对照均有不同程度的增长，但过高的磷肥量制约了马铃薯的干物质累积，可能是因为磷肥过量, 导致土壤磷素积累, 影响对土壤中氮素和钾素的吸收, 导致植株株型矮小, 发育不好, 产量下降。由此可知，干旱胁迫下，施用适量的磷肥可以促进马铃薯植株的生长发育，提高产量。

4 结 论

1)与充分灌溉相比，干旱胁迫明显抑制了马铃薯根系生长发育，并导致马铃薯薯重、根重、地上部分重明显下降。

2)比较6种磷肥施用量，以每公顷增施54.5 kg磷肥对马铃薯抗旱性及生长发育促进效果最佳。与未施磷相比，干旱条件下增施54.5 kg磷肥使马铃薯根系中超氧阴离子产生速率和丙二醛含量分别降低了46.94%和23.41%；SOD、CAT活性分别提高了129.12%、71.23%。干旱条件下增施54.5 kg磷肥可以优化马铃薯根系形态，增强根系活力及含水量，有效缓解干旱胁迫，增强植株抗旱性，在整体上促进马铃薯植株的生长发育。