供磷水平对棕榈幼苗生长及根系形态的影响1)

邵畅畅 韦小丽 周紫晶 刘盈盈

(贵州大学，贵阳，550025)

棕榈(Trachycarpusfortunei)是喀斯特石山地、半石山地区广泛生长的经济植物，其棕纤维是制作绳索、棕床垫的优质原料，且其种子、花具有较高的食用、药用价值。此外，棕榈还具有良好的水土保持功能，因此，是岩溶石质山地生态脆弱地区植被恢复的优选树种。磷素是植物细胞生长分化、蛋白质合成、植物光合作用等生理生化过程的重要参与者[1]，是植物生长的限制性营养元素之一，在土壤中多以难溶态存在[2]，陈萍等[3]研究表明，喀斯特地区林地中的土壤全磷含量为Ⅵ级，速效磷含量为Ⅲ级，林地土壤磷素含量接近缺磷土壤，远小于磷丰富土壤，因此认为，磷是限制喀斯特地区植物生长的主要影响因子之一。探讨磷素供应水平对喀斯特森林树种棕榈生长及根系发育的影响，找出适宜的磷供应水平，对确定棕榈磷肥需要量、调控棕榈根系生长并促进其对磷的吸收，从而对喀斯特地区缺磷环境棕榈的育苗及人工栽培技术措施的制定提供理论支撑和技术指导具有重要意义。

根系是植物连接土壤与植物地上部分的桥梁[4]，是植物吸收水分和养分的重要器官。根系形态是评价植物对营养物质吸收效果的重要参数[5]。已有研究表明，供磷水平与植物生长及根系形态均有较好的相关性[6]。低磷条件下，植物根系会形成一系列复杂的养分获取策略，但不同树种间存在差异，杉木(Cunninghamialanceolata)[7]、宜昌橙(Citrusichangensis)和白黎檬(Citruslimonia)会通过增大根总长、总表面积、总体积、比表面积或根尖数来应对低磷胁迫，而酸橙(Citrusaurantium)和枳(Poncirustrifoliata)不具有这种特性[8]。根毛也会启动一系列响应，研究表明，在缺磷条件下，小麦几乎不产生根毛[9]，而在高磷条件下有较高的根毛数量，然而，也有研究发现，低磷胁迫下，刺梨实生苗根毛的数量和长度会显著增加[10]，说明磷会诱导根毛的形成与生长[11]，但具体调控机制可能与基因有关。根系的这一系列形态适应有利于其与外部环境的接触，从而有效增强磷的吸收能力，这些均可以看作是植物对低磷胁迫采取主动适应的一种表现。当磷浓度过高时，植物的生长会受到抑制，总根长、根体积、根平均直径等指标明显下降[12]。可见，低磷胁迫会在一定程度上增加根系与土壤的接触面积，从而增加根系对水分和养分的吸收利用[13]，极大程度上决定了植物获取水肥资源的能力，从根本上影响着植物生产力水平[14]。目前，关于棕榈植物的研究主要关注于抗逆性[15-16]、生理[17-18]、种源[19]等方面，供磷水平对棕榈生长及根形态的影响尚不清楚。因此，本研究开展不同磷素供应的棕榈幼苗培养试验，探讨磷水平对棕榈根系生长及形态的影响，确定棕榈幼苗正常生长的磷供应量，揭示棕榈对低磷胁迫的响应，以期为喀斯特地区缺磷环境棕榈的育苗及人工栽培技术措施的制定提供理论支撑和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以同一母株采种培育的、生长势一致的1年生棕榈苗为材料，种源为贵州省花溪高坡，经度106°48′45″、纬度26°18′23″，海拔1 436 m，气压85 kPa。

1.2 试验设计

试验在贵阳市贵州大学林学院实验苗圃塑料大棚中进行。培养基质为20～40目的石英砂，用清水洗净晾干，装入底部直径22 cm，高30 cm塑料盆，每盆装干沙4 kg待用。试验采用营养液按霍格兰大量元素配方和阿农微量元素配方配制(参照左永忠等[20]的研究)。供应营养液的P(KH2PO4)浓度设计为0、0.5、1.0、1.5 mmol·L-1共4个处理，用KCl平衡不同供磷处理间K+的差异，每个处理3个重复，每个重复样本量为38株苗，共456株，移入装有石英砂的塑料盆中进行栽培试验，每盆1株，处理前测得棕榈平均苗高为(17.45±0.61)cm，平均地径(3.13±0.15)mm，叶片数均为2片，每隔5 d浇1次营养液，每次50 mL，每次浇营养液的前1天，自来水淋洗石英砂，培养150 d取样测相关指标并分析。

1.3 指标测定方法

生长指标：处理前和收获后分别测定棕榈幼苗的苗高、地径。苗高：用卷尺测其自然高度，精度为0.1 cm；地径：用游标卡尺测其地径，精度为0.01 mm。

根形态指标：沙培150 d后，计算每个重复的平均地径和平均苗高，按平均地径和平均苗高±5%选取3株标准株，将全株洗净后，用滤纸吸去表面水分，用剪刀将根系剪下来，用根系扫描仪(万深LA-S植物根系分析系统)进行扫描分析和计算，测定棕榈幼苗总根长、总表面积、平均根直径、根系体积、根尖数量等。

比叶面积：将上述3株标准株的全展叶剪下来，平铺于叶面积扫描仪内进行扫描即可得叶面积。

比叶面积=叶面积/叶片生物量。

生物量：把以上标准株的根、茎、叶分别装入纸袋，放入烘箱中，105 ℃杀青30 min，65 ℃烘至恒质量后，测定植株各器官的干质量。

根毛着生长度及数量测定：处理完成后，每个磷水平另选取3株标准株，每株选3个一级根(3级根上的一级根)，使用Leica FDM3000拍照并制作临时切片，用于测量根毛长度和数量。根据棕榈根毛分布情况，根毛长度和数量的测量位置为距根端0～1 cm处。

1.4 数据统计分析

用SPSS18.0进行单因素方差分析(ANOVA)，且采用Duncan检测法(P<0.05)比较各指标在不同处理下的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 供磷水平对棕榈苗高、地径增量及比叶面积的影响

本研究测得试验前各处理的平均苗高分别为17.5、17.2、17.8、17.2 cm，平均地径分别为3.14、3.09、3.22、3.07 mm，对各处理棕榈苗高和地径增长量进行方差分析，并对其进行了差异显著性比较，结果表明，供磷水平对棕榈苗高生长的促进作用不同，苗高随着供磷水平的增加先增高后降低，当供磷水平为1.0 mmol·L-1时，苗高达到最大且苗高增量显著高于其他3个水平(P<0.05)(表1)，对棕榈幼苗地径增量的影响差异不显著，地径在供磷水平为0 mmol·L-1时最小，其增量的变化随磷浓度增加呈升高—降低—升高的趋势。试验表明，供磷水平在1.0 mmol·L-1以内时，会促进棕榈苗高生长，磷浓度为1.5 mmol·L-1时，苗高生长会明显受到抑制。

表1 供磷水平对棕榈苗木生长的影响

供磷水平对棕榈苗的比叶面积有显著影响(P<0.05，表1)，在磷水平为1.0 mmol·L-1时比叶面积最大，且磷浓度为0.5、1.0 mmol·L-1时的比叶面积显著高于其他两个处理，说明磷浓度过高过低都会抑制棕榈幼苗生长。

2.2 供磷水平对棕榈生物量的影响

在不同供磷水平下的棕榈幼苗总生物量、茎叶生物量、根系生物量差异显著(P<0.05)(表2)，且均在1.0 mmol·L-1供磷水平下达到最大。说明适当的磷浓度可以促进棕榈生物量的积累，浓度过高过低都会有抑制作用。不同磷水平处理下棕榈差异不显著，表明供磷水平不同对根生物量的影响不大。棕榈根冠比在供磷水平为1.0 mmol·L-1时最大、1.5 mmol·L-1时最小，处理间差异不显著。

表2 供磷水平对棕榈总生物量、茎叶生物量、根系生物量和根冠比的影响

2.3 供磷水平对棕榈苗根系形态指标的影响

不同供磷处理下棕榈根系总根长度、总表面积、组织密度、根尖数差异显著(P<0.05)(表3)，1.0 mmol·L-1供磷水平的棕榈根系总根长、总表面积、根尖数、组织密度显著高于其他3个供磷水平(P<0.05)。棕榈幼苗平均根直径差异不显著(P>0.05)，但以供磷水平为0.5 mmol·L-1时最大。在一定磷浓度范围内，棕榈根系总根长、总表面积、根尖数量均随着磷浓度的增加而增加，但高磷浓度会受到抑制。为了适应环境的变化，棕榈的根系形态会发生不同程度的变化，最终目的都是为了增加根系—土壤的接触面积。

表3 供磷水平对棕榈根系形态特性的影响

2.4 供磷水平对棕榈根毛的影响

根毛是由成熟区的表皮细胞向外突起形成的，是吸收水分和无机盐的主要部位。根毛的存在一定程度上增加了根的吸收面积，因此，根毛的总长度反映了根毛吸收面积的多少。本试验将4个供磷水平下棕榈根毛长度进行了比较，且对其根毛总长、平均长度及数量进行了差异显著性分析，结果表明，不同供磷水平对棕榈根毛形态的影响程度存在差异，无磷水平(0 mmol·L-1)的根毛数量和长度都比其他3个供磷水平的大，但其他3个供磷水平之间根毛形态变化不大(图1)。

a．0 mmol·L-1P；b.0.5 mmol·L-1P；c.1.0 mmol·L-1P；d.1.5 mmol·L-1P。

未进行施磷处理的棕榈平均根毛长显著大于其他3个处理(P<0.05)，其他3个供磷水平的平均根毛长差异不显著，无磷处理下根毛数量及根毛总长度均显著大于其他3个供磷水平(P<0.05)(表4)。说明棕榈幼苗在无磷环境下，会改变根系的生存策略，通过增加根毛密度和长度来增强对养分的吸收。

表4 供磷水平对棕榈根毛平均长度、总长度及数量的影响

3 结论与讨论

磷对棕榈幼苗生长有显著影响，浓度过高过低都会对其产生抑制作用。供磷水平在1.0 mmol·L-1时能够较好满足棕榈幼苗生长对磷的需求，根毛是棕榈响应低磷胁迫最快的指标，无磷处理下，棕榈根毛的平均长度、数量及总长度均达到最大值，棕榈通过增加根毛长度、数量来扩大与土壤的接触面积，吸收更多的水分及养分，从而适应低磷环境。

陆地生态系统中植物的生长常常受到Liebig定律的限制，即植物的生长取决于处在最小量状态的营养成分[21]。磷作为限制性营养元素之一，对植物的生长发育有很大影响，官纪元等[22]研究发现，刺梨(Rosaroxbunghii)的苗高、生物量在营养液磷浓度为0.315 mmol·L-1时达到最大值，且随供磷水平的增加或降低，刺梨苗的生长受到明显抑制，植株的高度、基径和生物量随之减小。王东光等[23]研究表明，随着磷素供应水平的升高，闽楠(Phoebebournei)苗高及总生物量呈先升高后稳定的趋势。造成这些差异的原因可能是受树种遗传特性的影响，闽楠属于深根性树种，对养分的需求较大，如果不能得到充足的养分供应，植物的生长会明显受到抑制。本研究表明，供应营养液的P浓度高于或低于1.0 mmol·L-1，棕榈幼苗生物量、苗高增量、比叶面积都明显降低，1.5 mmol·L-1供磷浓度对棕榈苗生长的抑制作用更加明显，可能是磷素冗余影响了植物叶片的正常生理活动，从而抑制RuBPCase活性和RuBP的再生速率，进而降低了棕榈幼苗光合速率所致。

根系是植物进行养分和水分运输的主要器官。当土壤中养分供应充足时，植物根系生长比较旺盛，在土壤养分缺乏时，根系会及时启动觅磷策略[24]，吴文景等[25]发现，在轻度(0.5 mmol·L-1)与重度(0 mmol·L-1)低磷处理下，杉木(Cunninghamialanceolata)的根长、根生物量、根尖数及根冠比均显著高于正常供磷及高磷处理。本研究表明，当供磷水平为1.0 mmol·L-1时，棕榈根系生物量、总根长、总表面积、根尖数、组织密度最大，且显著大于其他3个供磷水平，而根冠比在各处理间差异不显著。造成这些差异的原因可能是，棕榈长期生长在缺磷环境下，对磷素的需求量较杉木小。磷素供应充足的情况下，植物根系会迅速生长，从而增强植物对养分的吸收能力，促进植物的生长。当土壤中磷供应不足时，根系会及时启动觅磷策略，通过增加根系—土壤的接触面积来增强水分养分的可用性，如形成“排根”或“根毛”等特殊结构[26-27]。本研究虽然未在棕榈幼苗根系的表观上看到类似排根的结构，但观察到根毛数量和总长度均在无磷水平下达到最大值，且显著大于其他3个供磷水平，说明缺磷处理诱导了棕榈根毛的形成和生长。这可能是植物为弥补根系生长较差的缺陷，应对低磷胁迫的另一种策略。前人研究表明，在无磷或低磷条件下，植物会通过增加植物根毛的总根长来增强对养分的吸收，曹秀等[28]研究发现，缺P会显著增加枳主根根毛的长度，拟南芥(Arabidopsisthaliana)在低磷胁迫下根毛密度比高磷高约5倍[29]，本研究结果与其类似，均表明低磷处理能诱导根毛的生长。

棕榈根毛是响应磷胁迫最敏感的指标，当植株受到无磷胁迫时，根毛最先作出响应，通过增加根毛数量和长度适应磷胁迫。同时，棕榈根系的其他指标没有作出相应响应，可能与棕榈是典型的须根系植物有关；也可能是由于本研究处理时间较短，植物性状随着资源水平的改变，首先调整了生理性状，而形态性状相对滞后，需要更长的时间才能发生显著变化所致，但具体原因有待进一步研究。