不同低磷水平对山白兰幼苗养分含量和叶绿素荧光特性的影响

刘 云，吴芳兰，陈 凯，杨 梅

（1.广西农业职业技术大学，广西南宁530007；2.广西大学 林学院，广西南宁530004）

山白兰（Paramichelia baillonii）为木兰科（Magnoliaceae）合果木属常绿乔木，具有适应性强、生长较快、树干通直圆满、枝叶茂密且冠形美观等特点，是热带和南亚热带速生珍贵树种，也是优良的城乡园林绿化树种[1]。其木材结构细密、耐腐抗虫、花纹美观，是胶合板、木地板和家具的优良用材，具有很好的发展前景[2]。

磷（P）是植物细胞重要的组成和必需元素，参与植物体内多个生理反应过程，对植物的生长发育、代谢及营养物质的产生和积存起着重要作用，在光合作用过程中起到物质转化和运输及促进电子传递等作用[3-5]。我国南方地区酸性红壤对P元素具有强烈的化学固定作用，土壤P大多数以核酸、卵磷脂和磷灰石等形式存在，能被植物吸收利用的有效P含量少，导致南方人工林产量受土壤有效P缺乏限制[6-8]。因此，开展山白兰低P胁迫研究，对山白兰人工林发展具有重要意义。

低P胁迫影响植物对氮（N）、P和钾（K）大量元素及钙（Ca）、镁（Mg）和铁（Fe）等中微量元素的吸收与利用[9-10]。低P胁迫下，橡胶树（Hevea brasiliensis）幼苗N和K的吸收利用会受到影响[11]；香蕉植株中部分中、微量元素的吸收会受到抑制[12]。低P胁迫也影响植物叶片叶绿素荧光参数，如杉木（Cunninghamia lanceolata）幼苗的叶绿素荧光参数在不同程度P胁迫下均发生变化[13]。目前，国内开展过山白兰苗期配施磷肥的研究[14]，但并未涉及不同程度低P胁迫对其大、中及微量元素吸收、利用和叶片叶绿素荧光参数影响的研究。本研究以2年生山白兰幼苗为材料，通过沙培试验，研究不同低P水平对山白兰幼苗各器官中养分含量和叶绿素荧光特性的影响，探究低P胁迫下山白兰养分吸收的适应机制和光反应系统效率，为我国南方山白兰栽培管理提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广西壮族自治区南宁市西乡塘区广西大学苗圃（108°22'E，22°48'N），属亚热带季风气候，阳光充足，雨量充沛，霜少无雪；夏长冬短，夏季潮湿，冬季稍干燥。年均气温21.6℃，年均降水量1 304.2 mm，年均相对湿度79%。

1.2 试验材料

供试材料为2年生山白兰幼苗，由广西壮族自治区国有七坡林场提供。培养基质为河沙，使用前先用自来水冲洗，再用3%的盐酸溶液浸泡1周，除去其中的碳酸钙等物质；1周后用自来水冲洗，并用去离子水冲洗3遍后备用。培养液为改良后的Hoagland营养液，全营养液pH值用Ca（OH）2与稀H2SO4调整到5.5左右，低P处理营养液则用KCl代替KH2PO4。

1.3 试验设计

采用完全随机试验设计，设置5个P水平处理，每处理设置3个重复，每重复10株苗。P水平分别为31、10、5、1和0 mg/L；其中，31 mg/L为正常供P水平[11]。2019年4月1日，用自来水将山白兰幼苗冲洗干净后，挑选出长势一致、健康的植株移入装有3 kg河沙的育苗盆（上口径15 cm、下口径8 cm、高10 cm，带托盘）中，每盆定植1株。定植后，用正常P水平营养液每2天浇灌1次，每盆200 mL。正常P水平营养液浇灌1周后，于2019年4月8日开始进行不同水平P处理。利用不同浓度营养液对各处理的培养沙进行冲洗，使原来浓度营养液全部替换为处理营养液，随后每周浇1次营养液，每盆500 mL。2019年9月30日处理结束，收获山白兰幼苗植株各部分，带回实验室。

1.4 指标测定

1.4.1 生长指标测定

采用卷尺与数显游标卡尺（精确至0.01 mm）测量P处理前后的幼苗苗高和地径。利用P处理前后的苗高、地径测量值，计算苗高增长率（%）与地径增长率（%）。计算公式为：

1.4.2 养分含量测定

分别将植株的根、茎和叶烘干并粉碎，过80目筛，每处理精确称取3份平行样品各0.5 g，测定全N、全P、全K、Ca、Mg和Fe的含量。采用H2SO4-H2O2-溴酚蓝比色法测定全N含量，采用钼锑抗比色法测定全P含量，采用原子吸收分光光度法测定全K、Ca、Mg和Fe含量[15]。

1.4.3 叶绿素荧光参数测定

试验结束前，在每个处理中选择3株（每个重复选1株）生长势一致、叶片完好的苗木，选择其顶叶起第3张成熟完好叶片，测定叶绿素荧光参数，测定仪器为PAM 2000便携式荧光成像系统（德国WALZ产）。测定前将叶片暗适应处理30 min，测定参数包括初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、最大光化学速率（Fv/Fm）、实际光化学量子效率（Y（II））、非光化学淬灭系数（qN）及光化学淬灭系数（qP）。

1.5 数据处理

采用Excel 2019和SPSS软件进行数据处理及图表绘制，采用Duncan法进行多重比较，数据为平均数±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同低P水平下山白兰幼苗生长特征

随P水平降低，山白兰幼苗苗高增长率和地径增长率均呈下降趋势（图1a～b）。31、10及5 mg/L处理间的苗高增长率差异不显著；当P水平由5 mg/L降至1 mg/L时，苗高增长率显著降低（P＜0.05）；地径增长率在31 mg/L处理最高，显著高于其他处理（P＜0.05），其他处理间差异不显著。

图1 不同低P水平下山白兰幼苗苗高与地径增长率Fig.1 Growth rates of height and ground diameter of P.baillonii seedlings under different low P levels

2.2 不同低P水平下山白兰幼苗养分吸收特征

2.2.1 不同低P水平下山白兰幼苗大量元素N、P和K的含量

山白兰幼苗各器官的N、P及K含量均随P水平降低呈下降趋势（表1）。各器官中的N含量表现为叶＞茎＞根。10、5、1和0 mg/L处理下，叶和茎的N含量均显著低于31 mg/L处理（P＜0.05）；其中，5、0 mg/L处理均与1 mg/L处理的叶N含量差异不显著；10、1 mg/L处理均与5 mg/L处理的茎N含量差异不显著。1和0 mg/L处理的根N含量均显著低于31 mg/L处理（P＜0.05），31、10和5 mg/L处理间根N含量差异不显著。

表1 不同低P水平下山白兰幼苗各器官大量元素N、P和K的含量Tab.1 Contents of large elements N,P and K in different organs of P.baillonii seedlings under different low P levels

当P水平为5 mg/L时，各器官的P含量表现为根＞叶＞茎；其他处理的根和茎P含量接近，均低于叶P含量。10、5、1和0 mg/L处理的根、茎及叶P含量均显著低于31 mg/L处理（P＜0.05）；当P水平为0 mg/L时，根、茎和叶P含量均最低。

当P水平为0 mg/L时，各器官的K含量表现为叶＞茎＞根；其他处理各器官的K含量表现为茎＞叶＞根。31 mg/L处理的根K含量显著高于0 mg/L处理（P＜0.05）；其他处理间差异不显著；31 mg/L处理的茎和叶K含量均显著高于其他处理（P＜0.05）；0 mg/L处理均最低。

2.2.2 不同低P水平下山白兰幼苗中量元素Ca、Mg及微量元素Fe的含量

各器官的Ca含量均表现为叶＞根＞茎（表2）。根Ca含量在10 mg/L处理下最高，显著高于5和0 mg/L处理（P＜0.05），与31和1 mg/L处理差异不显著；在5 mg/L处理下最低。茎Ca含量在1 mg/L处理下最高，显著高于31、10和5 mg/L处理（P＜0.05），与0 mg/L处理差异不显著；；在5 mg/L处理下最低。叶Ca含量在5 mg/L处理下最高，显著高于10、5、1和0 mg/L处理（P＜0.05）；在10 mg/L处理下最低。

表2 不同低P水平下山白兰幼苗各器官中量元素Ca、Mg及微量元素Fe的含量Tab.2 Contents of medium elements Ca and Mg,and trace element Fe in different organs of P.baillonii seedlings under different low P levels

当P水平高于或等于5 mg/L时，各器官的Mg含量均表现为根＞茎＞叶；当P水平低于5 mg/L时，表现为根＞叶＞茎。各器官的Mg含量均随P水平降低呈先升后降的趋势。根和茎Mg含量均在5 mg/L处理下最高，显著高于其他处理（P＜0.05）；分别在0和1 mg/L处理下最低。叶Mg含量在1 mg/L处理下最高，显著高于其他处理（P＜0.05）；在10 mg/L处理下最低。

各器官的Fe含量均表现为根＞茎＞叶，均随P水平降低呈先降后升再降的趋势。根Fe含量在31 mg/L处理下最高，显著高于其他处理（P＜0.05）；在0 mg/L处理下最低。茎和叶Fe含量均在1 mg/L处理下最高，显著高于其他处理（P＜0.05）；均在5 mg/L处理下最低。

2.3 P水平与山白兰幼苗根、茎和叶养分含量间的相关性分析

对P水平与山白兰幼苗不同器官中的养分含量进行Pearson相关分析。结果显示，P水平与根P、K含量均呈显著或极显著正相关（P＜0.05，P＜0.01），与茎P含量呈显著正相关（P＜0.05），与叶N、P和K含量均呈显著或极显著正相关（P＜0.05，P＜0.01）（表3～5）。山白兰幼苗各器官中营养元素间的相关性表现为根P含量与K含量呈极显著正相关（P＜0.01）；茎中的N、P与K含量两两间呈显著或极显著正相关（P＜0.05，P＜0.01），Mg含量与Ca、Fe含量均呈显著负相关（P＜0.05）；叶N、P和K含量两两间呈极显著正相关（P＜0.01）。

表3 P水平与山白兰幼苗根中各养分含量之间的相关系数Tab.3 Correlation coefficients among P level and nutrient contents in roots of P.baillonii seedlings

2.4 不同低P水平下山白兰幼苗叶片的叶绿素荧光特性

随P水平降低，Fm、Fv/Fm和Y（Ⅱ）呈降低趋势，Fo呈先升后降的趋势，qN呈上升趋势，qP变化不明显（图2a～f）。31和10 mg/L处理的Fm、Fv/Fm和Y（Ⅱ）均较高，显著高于其他处理（P＜0.05）。1 mg/L处理的Fm、Fv/Fm、Y（Ⅱ）和qP均最小，均与5 mg/L处理差异不显著，均显著低于其他处理（P＜0.05）。31与10 mg/L处理的qN均较低，当P水平低至5 mg/L时，qN显著提高（P＜0.05），其最高值出现在0 mg/L处理。1 mg/L处理的Fo最大，其次为5 mg/L处理，两 者均显著高于其他处理（P＜0.05）；10 mg/L处理的Fo最小，与31 mg/L处理差异不显著。

图2 不同低P水平下山白兰幼苗叶片的叶绿素荧光特性Fig.2 Chlorophyll fluorescence characteristics of leaves of P.baillonii seedlings under different low P levels

表4 P水平与山白兰幼苗茎中各养分含量之间的相关系数Tab.4 Correlation coefficients among P level and nutrient contents in stems of P.baillonii seedlings

表5 P水平与山白兰幼苗叶中各养分含量之间的相关系数Tab.5 Correlation coefficients among P level and nutrient contents in leaves of P.baillonii seedlings

2.5 山白兰幼苗叶片养分含量与叶绿素荧光参数的相关性分析

N和P含量与qN均呈显著负相关（P＜0.05）；K含量与Fm呈显著正相关（P＜0.05），与qN呈显著负相关（P＜0.05）；Mg含量与Fo和qN均呈显著正相关（P＜0.05），与Fv/Fm和Y（II）均呈显著负相关（P＜0.05）；Ca和Fe含量与叶绿素荧光参数均无显著相关性（表6）。

表6 山白兰幼苗叶片养分含量与叶绿素荧光参数的相关系数Tab.6 Correlation coefficients among nutrition contents of leaves and chlorophyll fluorescence parameters of P.baillonii seedlings

3 讨论与结论

3.1 不同低P水平对山白兰幼苗生长与养分吸收的影响

供P水平影响植物生长。本研究中，山白兰幼苗苗高与地径生长均受到供P水平影响。在低P胁迫下，为维持正常的代谢活动，植物可通过改变自身对养分的需求和其他生理机制增强养分吸收强度[16]。黑木相思（Acacia melanoxylon）在缺P胁迫下，叶P积累量最高，其次为茎，最低为根[17]。本研究中，当P水平为5 mg/L时，根P含量最高，其次为叶；当P水平为31、10、1及0 mg/L时，叶P含量最高，根和茎P含量接近。其原因可能是一定的低P胁迫使山白兰幼苗根部活力增加，有利于山白兰幼苗对P的吸收；当P水平高于5 mg/L时，根系正常吸收的P可满足山白兰幼苗营养需求，P主要被运输至叶片参与各项代谢活动，有利于地上部分生长；P水平低于5 mg/L时，为维持光合作用的正常进行，当P主要被运输至叶片。

低P胁迫不仅会使植物中P元素含量降低，同时还会干扰其他元素的吸收[18]。本研究中，低P胁迫下，山白兰幼苗各器官的N和K含量均不同程度降低，与棉花[19]的研究相似。有研究表明，P和N在低P胁迫下存在互作效应，如低P胁迫下，雷竹（Phyllostachys praecox）竹片和竹秆的N和P含量呈显著或极显著正相关[20]。本研究中，山白兰根的P与K含量呈极显著正相关，茎和叶N、P及K含量两两间均呈极显著或显著正相关，说明山白兰植株中P含量与N、K含量均存在互作效应。

低P胁迫下，植物根系对Ca、Mg、Fe、Mn、Cu和Zn等中、微量元素的吸收、运输和利用也会受到影响[9-10]。本研究中，山白兰幼苗根、茎及叶Ca、Mg和Fe含量与P水平均无显著相关性，说明山白兰幼苗对中、微量元素的吸收利用不易受外界不利因素影响。当P水平低于5 mg/L时，山白兰幼苗的根Mg含量随P水平降低而降低，说明P浓度低于一定水平时不利于山白兰幼苗根系对Mg元素的吸收利用。本研究中，随P水平降低，山白兰幼苗叶Ca含量呈先降后升再降的趋势，Mg含量呈先升后降的趋势。于姣妲等[21]研究发现，低P胁迫下，杉木（Cunninghamia lanceolata）幼苗叶片Mg含量随P水平增加呈先升后降的趋势，Ca含量的变化趋势相反；臧成凤等[22]研究发现铁核桃（Juglans sigillata）叶Ca和Mg含量均随P水平上升而增加。可能是由于供P水平对植株不同部位Ca和Mg含量的影响具有植物种类特异性。本研究中，1 mg/L处理的山白兰幼苗茎和叶Fe含量显著高于31 mg/L处理，与小麦[23]在低P胁迫下其种子Fe含量高于对照的研究结果相似，说明一定程度的P胁迫能提高山白兰幼苗地上部分Fe元素的积累。本研究中，山白兰幼苗茎中的Mg含量与Ca、Fe含量均呈显著负相关。这可能是由于Mg元素在植物体内为可参与循环的元素，Ca和Fe元素为植物体内不能参与循环的元素[24]，随P胁迫加重，为维持植株体内代谢平衡，Mg元素转移至代谢旺盛的部位，Ca、Fe元素被吸收后不移动。

3.2 不同低P水平对山白兰幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响

P主要通过调节光合反应中的磷酸化、能量利用及RuBP的再生和活性限制植物的光合作用[25]。叶绿素荧光作为光合探针，能快速反映叶片PSⅡ反应中心的变化，其中ΦPSⅡ、qP、qN和ETR等荧光参数对光合作用影响较大，可实现对植株P胁迫的无损检测[17，26-27]。本研究中，随P水平降低，山白兰幼苗Fm、Fv/Fm和Y（Ⅱ）呈降低趋势，Fo和qN呈上升趋势，这与大花序桉（Eucalyptus cloeziana）[28]的研究结果相似。有研究表明，P元素缺乏对台湾相思（Acacia confusa）叶绿素荧光参数的影响不大[29]。说明不同树种在缺P环境中调节代谢的能力存在差异。Fm和Y（Ⅱ）反映PSⅡ系统的电子传递情况；Fv/Fm反映PSⅡ光化学效率大小，如果Fv/Fm大幅降低，说明反应中心遭受不可逆的破坏，植物受到光抑制；Fo表示植物叶片的PSⅡ反应中心在完全开放时的荧光产量，PSⅡ反应中心被破坏或者可逆失活时，其值会增大；qP可衡量PSⅡ反应中心的开放程度，qN可衡量植物把多余光能耗散为热量的能力[30]。本研究中，10和31 mg/L处理的Fm、Fv/Fm、Y（Ⅱ）及qP均较高，Fo和qN均较低；当P水平降至5 mg/L时，Fm、Fv/Fm和Y（Ⅱ）显著降低，Fo和qN显著升高，说明山白兰幼苗光合系统受到明显影响。有研究发现，甜瓜（Cucumis melo）幼苗为缓解低P胁迫造成的光抑制，通过类囊体腔的酸化引发非光化学猝灭，以耗散多余的激发能[31]。本研究中，当P水平低于5 mg/L时，山白兰叶片内PSⅡ反应中心可能遭到破坏，电子传递速率降低；为应对P胁迫，叶片通过提高光能耗散为热量的能力来保护光合机构，维持植物体正常的生长。有研究发现，黑木相思叶片N、P和K含量与叶绿素荧光参数均有较强相关性[17]。本研究中，叶片中N、P、K和Mg含量与某些叶绿素荧光参数均呈显著正相关或负相关，Ca、Fe含量与叶绿素荧光参数无显著相关性，说明低P胁迫下N、P、K和Mg含量的变化可能对山白兰幼苗的光合能力产生影响。

3.3 结论

山白兰幼苗苗高与地径增长率均随P水平降低而降低。不同低P水平对山白兰幼苗不同器官中的N、P和K含量有明显影响，随P水平降低均呈下降趋势；对山白兰幼苗根、茎及叶中的Ca、Mg和Fe含量影响较小，当P水平低于5 mg/L时，根Mg含量随P水平降低而显著降低。低P胁迫不同程度地降低叶绿素荧光参数Fm、Fv/Fm及Y（Ⅱ），提高Fo和qN，其中5 mg/L P水平是叶片光合能力受到胁迫的临界点。低P胁迫下，叶片中N、P、K和Mg含量与叶绿素荧光参数相关性较高。植物主要通过根吸收养分，在低P胁迫下，植物可通过调节根系分泌物适应低P胁迫，但本研究未对低P胁迫下山白兰幼苗根系分泌物进行测定。在今后的研究中，可对不同P水平下山白兰幼苗根系和分泌物进行有机酸含量测定，并利用根系分泌物和有机酸对不同地区的土壤进行活化验证，为山白兰种植区土壤改良提供参考。