指数施磷模式对闽楠幼苗生长及光合生理特性的影响

龙大鑫，文仕知，李 晶，彭铁双，何功秀

（中南林业科技大学 水土保持与荒漠化防治湖南省高校重点实验室，湖南 长沙 410004）

磷是植物生长所需的大量元素之一，参与组成植物体内的核酸和磷脂，是影响植物的新陈代谢和生长发育的重要因子[1]。研究发现，缺磷会使黑木相思Acacia melanoxylon苗木的叶片叶绿素含量和光合速率降低，苗木的苗高、地径和叶片数量显著下降[2]；适当的施磷能够促进核桃Juglans regia苗木地上和地下部分的生长，提高叶绿素含量和光合性能，而低磷或者高磷时其地上和地下部分的生物量累积均会减少，进而抑制苗木的生长和光合作用[3-4]。茅苍术Atractylodes lancea在供磷15 g·m-2时，叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均达到最大值，而当供磷水平过高时，其叶片的光合作用受到不同程度的抑制[5]。这些研究结果均表明，合理施加磷素能够提高植物各器官的生物量累积，促进植物光合作用和磷素利用率的提高，当磷素过低或过高时，植物的生长受到磷限制甚至是产生毒害。然而这些研究的手段均局限于采用传统的施磷方式上，即以相同的施磷量研究苗木对磷素的需求，忽视了苗木的异速生长特性，致使苗木生长初期供磷过度而后期供磷不足。指数施肥是基于养分承载理论，将营养的供给指数同苗木指数生长所需的营养量相结合，通过多次施肥和逐渐增加施肥量来维持营养的稳定吸收。相比于传统施肥方式，指数施肥可以降低养分对植物的胁迫，改善植物的生长状况[6]。目前，指数施肥方式更多集中在氮素的施加，如赤皮青冈Cyclobalanopsis gilva、杉木Cunninghamia lanceolata、池杉Taxodium ascendens[7-9]等相关研究均表明指数施氮可促进苗木生物量的生长与积累，提高苗木质量，同时缓解肥料施用过多而造成的浪费。

闽楠Phoebe bournei是我国特有珍贵用材树种，主要分布在我国南方常绿阔叶林中[10]。其幼龄苗木天然更新能力弱，成为制约闽楠人工林生长的主要原因，因此培育优质苗木是提高闽楠人工林造林成活率的关键[11]。此外，我国南方土壤普遍表现为磷素缺乏，植物生长受到磷素限制。因此，了解磷素施加对闽楠幼苗生长和光合作用的影响对于探究闽楠人工林生长的制约因素和培育优质苗木具有重要意义。本文以金洞一年生闽楠容器苗为研究对象，选择指数施磷和平均施磷两种模式，研究磷素施加对闽楠幼苗生长和光合特性的影响，探讨闽楠幼苗最佳的施磷量和施磷模式，为土壤磷背景值较低地区培育优质闽楠苗木提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设置在中南林业科技大学树木楼楼顶苗圃（112°59′32″E，28°08′22″N），该苗圃通风良好，且配设有4 针遮阴网，试验期间日照充足。

1.2 供试材料

供试苗木为湖南省金洞林场生长正常且均匀一致的1年生闽楠容器苗。试验开始前，随机选取30 株苗木，苗木初始平均苗高（7.33±1.40）cm，平均地径（1.21±0.18）mm。2020年3月中旬移栽至外径19 cm，深17 cm 的塑料花盆中，每盆栽1 株，共288 株。盆底配有塑料托盘，盆栽基质为黄心土、泥炭土、珍珠岩（3∶1∶1）；基质pH 值为4.68，速效氮为41.6 mg/kg，速效磷为44.8 mg/kg，速效钾为18.1 mg/kg。每盆装基质干重1.85 kg，苗木初始P 质量分数1.658 g/kg、单株生物量0.209 g、单株含磷量0.347 mg。为减少边缘效应，研究期间每隔2 周移动一次花盆。

1.3 试验设计

试验共设置9 个处理组，即对照组CK（不施磷）、7 组不同指数施磷水平和1 组平均施磷，每株施磷量为0、400、800、1 200、1 600、2 000、2 400、2 800 mg/株（分别以P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7表示），P8表示平均施磷1 600 mg/株。每组处理12 株，3 次重复，共36 株。供试肥料为尿素（46.5%）、过磷酸钙（12%）、氯化钾（60%）。

指数施肥模型[12]：

式中：NT为总施磷量，NS为施肥处理前幼苗整株含磷量，r为相对添加速率，Nt为第t次施磷量，t为施磷总次数，Nt-1为施肥第（t-1）次时的磷素施入量。

幼苗植苗时间为2020年3月中旬，移栽前先用浓度1 g/L的多菌灵溶液对基质土进行灭菌处理。2020年4月15日采用环施法开始第1 次施肥，指数施磷组施肥间隔设为14 d，总施肥次数12 次，平均施磷组施肥间隔设为56 d，总施肥次数3 次。氮、钾肥按平均施磷组施肥时间分3 次等量施入，每次各施1 000 mg 和300 mg，共施3 000 mg 和900 mg。研究期间无磷的渗漏损失。

表1 闽楠幼苗施肥方案Table 1 Schedule of fertilizer additions seedlings for Phoebe bournei

1.4 指标测定

施肥结束后一周开始测定闽楠幼苗苗高、地径，叶生物量、茎生物量、根生物量，叶绿素质量分数，光响应曲线和根系形态等指标。

生物量及根系形态的测定：用游标卡尺（精度0.01 mm），卷尺（精度0.1 cm）对每个处理所有幼苗地径，苗高进行测定。选择3 株长势中等叶片完整且无病虫害的幼苗，全株收获后置于80目筛中用自来水洗净晾干后将幼苗按根、茎、叶依次分开，茎、叶分别放入信封中置于烘箱内先105℃杀青30 min 后在75℃下烘至恒质量，取出用电子天平（精度0.000 1 g）分别称重记录叶、茎干质量，即为叶、茎生物量。用WinRHIZO 植物根系扫描系统对根系进行扫描分析苗木根系总根长、总根面积、总根体积、根平均直径，后放入信封置于烘箱中75℃烘干至恒质量，即为根系生物量。

叶绿素质量分数的测定：每个处理选择3 株长势中等叶片完整且无病虫害的幼苗，每株摘取3～4片初展叶片，用去离子水洗净后用丙酮-乙醇混合液法[13]测定叶片叶绿素a、叶绿素b 质量分数。

光响应曲线的测定：在晴朗且阳光充足的天气，选取3株长势中等叶片完整且无病虫害的幼苗，用Li-6400XT 便携式光合仪（LI-COR，USA）测定光响应曲线，设定14 个光合有效辐射梯度：2 000、1 800、1 500、1 200、900、600、500、400、300、200、100、50、25 和0 μmol·m-2·s-1。直角双曲线修正模型拟合[14]。

1.5 数据分析

采用Excel 2016 软件进行数据整理，SPSS 24.0软件进行数据分析和检验，GraphPad Prism 8 软件绘图。采用R 中nlme 包的princomp 函数进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 施磷对闽楠幼苗生长的影响

由表2可知，施磷显著影响了闽楠幼苗的地径、苗高和生物量（P＜0.05）。随着施磷水平的提高，闽楠幼苗地径、苗高和生物量均为先增加后降低的趋势，且均高于CK。在P5处理时达到最高（3.33 mm、17.43 cm、2.29 g），其次是P4处理（3.03 mm、15.87 cm、1.71 g），两个处理与其他处理间差异显著，地径、苗高和生物量分别 较CK 提高了60.87%、70.36%、139.33% 和46.38%、55.06%、104.49%。在同等施磷水平下，指数施磷处理的幼苗地径、苗高和生物量显著高于平均施磷处理，分别提高了16.65%、26.26%、27.27%。

表2 施磷对闽楠幼苗生长及生物量分配的影响†Table 2 Effects of phosphorus application on Phoebe bournei seedling growth and biomass allocation

施磷显著影响了闽楠单株幼苗的生物量分配（P＜0.05）。随着指数施磷水平的提高，闽楠幼苗的叶、茎、根生物量表现为先提高后降低的趋势，且均高于CK。在P5处理时，叶、茎、根生物量表现最优，其次是P4处理，两种处理的叶、茎、根生物量分别比CK 提高了122.22%、175.00%、157.89%和68.52%、68.75%、126.32%。不同施磷水平下闽楠幼苗各器官的生物量分配存在差异，表现为叶生物量＞根生物量＞茎生物量，随着施磷水平的提高，叶、茎、根生物量呈现先升高和降低的趋势，在施磷2 000 mg/株时表现高于其他处理组。在同等施磷水平下，指数施磷相比平均施磷的叶、茎、根生物量提高了3.41%、12.5%、34.38%。

随着施磷水平的提高根冠比呈先降低后升高的趋势。在不施磷时，根冠比最大（0.54），其次是P1处理（0.44），而在P5处理时根冠比最低（0.27）。同等施磷水平下，两种施磷模式的根冠比无显著差异。

2.2 施磷对闽楠幼苗根系生长的影响

由图1可知，施磷显著影响了闽楠根系的根长、根表面积和根体积（P＜0.05），对根系平均直径无显著影响（P＞0.05）。随着施磷量的加大，闽楠根系总根长、总表面积和总体积均表现为先升高后降低的趋势，且相对于对照组均有所增加。指数施磷组在P4和P5处理时根系总根长、总根表面积和总根体积最大，分别为398.46 cm、86.77 cm2、1.85 cm3和450.55 cm、84.92 cm2、1.42 cm3。两组处理的总根长、总根表面积和总根体积分别比CK 组提高了112.69%、179.05%、349.55%和140.49%、173.10%、244.39%。在同施磷水平下，指数施磷组相比平均施磷组的闽楠根系总根长、根表面积和根体积分别提高了8.69%、36.28%、109.67%。

图1 施磷对闽楠幼苗根系形态的影响Fig.1 Effect of phosphorus application on the root morphology of Phoebe bournei seedlings

2.3 施磷对闽楠幼苗光合生理特性的影响

2.3.1 施磷对闽楠幼苗叶绿素质量分数的影响

由表3可知，施磷对闽楠幼苗的叶绿素质量分数影响显著（P＜0.05）。叶绿素a、叶绿素b 和总叶绿素质量分数先随着施磷水平的提高而提高，当施磷达到2 000 mg/株时达到最高,后呈下降趋势，三者的大小排序均为P5＞P6＞P4＞P8＞P7＞P3＞P2＞P1＞CK。P5处理闽楠幼苗的叶绿素a、b 及总叶绿素质量分数显著高于其他处理组（P＜0.05），分别为3.26、1.19 和4.46 mg/g，CK 时最低，分别为2.32、0.72 和3.04 mg/g。在同等施磷水平下，指数施磷时，叶绿素a、b 及总叶绿素质量分数与平均施磷时差异不显著（P＞0.05）。

表3 施磷对闽楠幼苗叶绿素质量分数的影响Table 3 Effect of phosphorus application on photosynthetic parameters of Phoebe bournei seedlings

2.3.2 施磷对闽楠幼苗光合速率的影响

由图2可知，当PAR ≤200 μmol/(m2·s)时，不同施磷水平闽楠幼苗叶片的Pn随PAR 的增强呈线性上升，超过200 μmol/(m2·s)后，Pn上升趋势逐渐变缓，当PAR 达到1 200 μmol/(m2·s)时，Pn不再增加，之后保持平缓下降趋势。各施磷处理均不同程度地提高了闽楠幼苗叶片Pn，PAR≥600 μmol/(m2·s)时，闽楠幼苗叶片在P5处理下明显高于其他处理，其次是P4处理，CK 处理时最低。

图2 不同施磷水平闽楠幼苗净光合速率的光响应曲线Fig.2 Light response curves of net photosynthetic rate of Phoebe bourne seedlings at different phosphorus application levels

由表4可知，不同施磷水平下，闽楠幼苗叶片的表观电子效率（α）和最大净光合速率（Pnmax）均高于CK 处理。随着施磷水平的提高，α 和Pnmax呈先上升后降低的趋势，在P5处理时，叶片的α 和Pnmax达到最高值，分别为0.10 μmol/mol 和5.95 μmol/(m2·s)，分别比CK 提高了77.61% 和54.09%。随着磷水平的增加，闽楠幼苗的光饱和点（LSP）趋于先增加后有所降低，在P5处理时最高，为1 798 μmol/(m2·s)，CK 处理时最低，为835.02 μmol/(m2·s)，P5处理相比CK 提高了115.33%。而各处理间的光补偿点（LCP）各有差异，在CK 处理时最高，为7.35 μmol/(m2·s)，P5处理时最低，为2.03 μmol/(m2·s)。在同等施磷水平下，指数施磷时，闽楠幼苗的α、Pnmax和LCP与平均施磷时无显著差异，但仍高于平均施磷，分别提高了14.81%、1.74%和39.44%，LSP则相比平均施磷低了27.33%。

表4 不同施磷水平闽楠幼苗光响应曲线特征参数Table 4 Characteristic parameters of light response curve of Phoebe bournei seedlings at different phosphorus levels

2.4 指数施磷效果分析

对不同施磷水平下闽楠幼苗生长、生物量分配、根系形态和光合生理特性指标进行主成分分析（表5）。先通过scale 函数进行数据标准化，再利用princomp 函数进行主成分分析，提取了4个主成分，4 个主成分累积方差贡献率分别达到了58.28%、74.12%、82.03%、87.60%（＞85%），第1、第2 主成分中各生长、生物量分配、根系形态和光合生理指标主成分载荷相对较高，基本可以代表不同施磷处理下闽楠幼苗生长和光合特性的综合变异信息。因此选择前4 个主成分作为综合评价指标。由表6可知，施磷综合效果排序为P5＞P4＞P6＞P3＞P8＞P2＞P1＞P7＞CK。可知，指数施磷在1 600～2 000 mg/株时效果最好，而在同施磷水平下，指数施磷要优于平均施磷。

表5 主成分特征向量及累计贡献Table 5 Eigenvectors and cumulative contribution rates of principal components

表6 施磷效果综合排序Table 6 Comprehensive ranking of phosphorus application effects

3 结论与讨论

3.1 讨 论

1）施肥是提高苗木体内营养物质，改善苗木质量的手段之一，其供养水平和供应方式对苗木的生理形态及其养分积累有着重要的影响。苗木处于贫养范围内时，肥料的施入为苗木提供养分，促进了苗木生物量的生长和体内养分的积累，当养分供给达到充足水平时，苗木表现为体内养分含量随养分供给而继续增加，而生物量积累则表现为停滞，即苗木进入奢侈消耗，再给予过高的养分水平，会对苗木造成养分毒害以及肥料的浪费和污染[15]。本研究中，发现磷素施加有助于闽楠幼苗地径、苗高、叶、茎、根生物量的生长，但当施磷量超过2 000 mg/株时，闽楠幼苗的各生长指标均表现出下降趋势，这一生长规律同郑家[16]等对黑木相思的研究结果一致，由此可以说明施加磷肥促进闽楠幼苗地径、苗高及各器官的生长发育，当施磷量达到2 000 mg/株时，幼苗进入奢侈消耗状态，施磷超过2 000 mg/株时会对幼苗生长发育产生抑制。

2）生物量分配是植物对环境适应程度的响应，与植物的生长发育密切相关[17]。磷素添加影响了水曲柳Fraxinus mandchurica各器官生物量的分配比例[18]，降低了紫穗槐Amorpha fruticosa[19]的根冠比。本研究中，闽楠幼苗叶、茎、根生物量呈现先升高和降低的趋势，在施磷2 000 mg/株时表现高于其他处理组；而根冠比则表现为随着施磷水平的提高先降低后升高，在不施磷时呈最高，这与陈琳[20]和王力朋[21]等的研究结果相似。根系作为植物获取养分和水分的重要器官，与植物的生长发育密切相关[22]，单从生物量分配的角度来看，难以反映磷素对根系生长的影响。因此，通过其根系形态的变化特征更有利于探究根系的生命活动以及植物对环境的响应。施磷促进了闽楠幼苗根系根长，根面积，根体积的增长，随着施磷水平的提高，根长、根表面积、根体积表现为先上升后下降的趋势，这同管纪元[23]、徐静静等[24]的研究结果一致。综上，表明适当的磷素施加可以促进闽楠幼苗叶茎根等器官的生长发育；在磷素缺乏时，根系的根长、表面积和体积减小，根系向地上部分输送磷素的能力减弱，使得地上部分生长受阻而表现为将更多的光合产物分配到地上，导致根冠比较大；当磷素施加过高时，会对叶、茎、根生物量的积累和根系的生长发育形成抑制，而此时根冠比的提高有助于调节闽楠幼苗内部的磷素利用和养分平衡[25]。研究还发现，同等施磷水平下，指数施肥对于闽楠幼苗生长、生物量分配、根系生长发育的促进作用都要优于平均施肥，表明指数施肥模式同传统的施肥方式相比，能够维持苗木体内养分的稳态，有助于苗木的生长和质量的提高[26]，这同欧洲云杉Picea abies、马来沉香Aquilaria malaccensis、土沉香Aquilaria sinensis和北美短叶松Pinus banksiana[27-29]等树种在氮素指数施肥模式上的研究结果一致。

3）叶绿素含量的高低影响着植物的光合速率，而磷素能通过影响植物中叶绿素的含量和根、冠的生物量分配和结构功能，进而影响植物的光合作用[30-31]。本研究中，施磷提高了闽楠幼苗叶片的叶绿素质量分数。随着施磷水平的提高，闽楠幼苗叶片的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素质量分数呈先上升后降低的趋势，这与杨晴[32]等的研究结果相似。表明磷素可以调节植物中叶绿素含量，适宜的磷浓度有利于促进植物叶绿素的合成，过高或过低并不利于植物中的叶绿素的合成和光合作用的正常进行。这可能是因为在低磷或高磷的环境时，植物的生长和生物量分配受到影响。低磷时养分成为植物生长限制因子，而高磷会形成磷饱和状态，对植物的生长发育的促进作用减小甚至产生毒害，导致叶片叶绿素含量的下降和气孔的关闭，光合作用中磷酸化活力和希尔反应减弱；另外，植物叶绿体基质pH 值和ATP 酶活性受到影响，使得参与卡尔文循环中的多种相关光合酶活性降低，Rubisco 的活性和RuBP 再生受阻[33]，进而共同影响了植物叶片光合作用的进行。

4）光合-光响应曲线能够直观地反映植物光合速率随光强增减的变化规律，揭示植物光合效率对环境变化的响应程度[34]。本研究发现，施磷可以提高闽楠幼苗的最大净光合速率（Pnmax），随着施磷水平的提高而呈先升高后降低的趋势，说明合理的磷素输入可以有助于闽楠幼苗光合潜力的提高，这同骆畅[35]等的研究结果一致。施磷提高了闽楠幼苗的表观量子效率（α）和光饱和点（LSP），表观量子效率（α）随着磷素水平的提高呈先上升后降低的趋势，而光饱和点（LSP）则表现为随着磷素水平的提高而提高。说明适宜的磷浓度有助于提高闽楠幼苗叶片的表观量子效率，拉伸闽楠幼苗光饱和点的范围，提高弱光下闽楠幼苗的净光合速率和叶片适应光环境变化及将光能转化为净能量的能力[36]，这同罗杰[37]等研究施不同肥料种类对桢楠幼苗光合生理影响的结果相似。同等施磷水平下，指数施磷时，闽楠幼苗的叶绿素质量分数、表观量子效率（α）、最大净光合速率（Pnmax）、光饱和点（LSP）均表现高于平均施磷时，表明指数施磷对闽楠幼苗光合作用的促进作用要优于平均施磷，这同前面的研究结果相呼应。

本研究只探讨了磷单因素处理对闽楠幼苗生长和光合生理方面的影响，未考察其对氮、钾的响应及其机理。下一步研究中，应探讨氮、钾元素对闽楠幼苗生长生理和养分承载方面的影响。此外，施磷模式只设置了一组磷水平对比，探讨不够全面，应增加多种施磷方式和施磷水平上的对比研究，获得更加科学的施磷方案，为闽楠的培育栽植提供更多的科学管理依据。

3.2 结 论

适宜的磷素施加促进了闽楠幼苗苗高、地径，各器官生物量的增长和根系的发育，有利于闽楠幼苗叶片叶绿素的合成和光合作用的正常进行，低磷时，幼苗生长发育和光合生理受到养分限制，而高磷时则会造成抑制，均不利于幼苗的生长和光合作用的进行。主成分分析表明，闽楠幼苗的最佳指数施磷水平在1 600～2 000 mg/株，同等施磷水平下，指数施肥模式对于闽楠幼苗的生长和光合生理特性的促进作用要优于平均施肥。