不同磷浓度下马尾松幼苗高生长和光合特征的变化

徐瑾 雷蕾 曾立雄 刘娅惠 万一 倪妍妍 简尊吉 邓秀秀 张佳佳 肖文发

关键词：马尾松；磷；光合作用；生长

磷是植物生长所必需的营养元素之一，参与植物体内众多的生理生化过程，在植物生长发育过程中发挥重要作用。光合作用是植物固定无机碳为有机碳的重要生理化学过程，是植物进行碳吸收的基本动力。土壤磷养分在植物进行光合作用过程中扮演重要角色。如，赵燕等发现随着基质磷浓度增加，毛白杨（Populus tomentosaa Carr.）幼苗的净光合速率会先升高后下降。在热带和亚热带森林，磷限制植物生长现象普遍存在，且随着工业发展和森林的演替，森林的缺磷程度不断加剧。不同森林植被生长对土壤磷养分含量的响应也存在差异。夏威夷多型铁心木（Metrosiderospolymorpha Gaudich.）林分群落植被的生长对磷添加表现出积极响应，但土壤磷的可利用性对热带地区森林树木生长呈现抑制或不显著作用。此外，在亚热带区域相同人工林树种对磷添加的生长与光合响应研究结果也存在一定争议。因此，进一步探究磷浓度对树木光合作用和生长的影响十分必要。

马尾松喜光、耐旱、耐贫瘠，是亚热带地区广泛种植的先锋树种。全国马尾松林土壤养分调查结果表明马尾松林分土壤的全磷（0.320mg.kg-1）和有效磷（2.247mg.kg-1）平均含量较低，处于“极缺”水平。Huang等也发现在主要分布区马尾松生长与土壤有效磷含量显著正相关，说明在亚热带区域土壤磷限制了马尾松的生长。此外，Yu等预测亚热带地区的土壤全磷含量随时间演替仍有下降趋势。因此，马尾松林分生长可能面临日益加剧的磷限制的问题。

目前，部分学者也通过控制试验开展关于马尾松生长对磷浓度响应方面的研究，但研究结果存在差异。如黄盛怡等和庞丽等发现马尾松幼苗生长随磷增加而显著加快，但也有研究表明在不同浓度磷添加条件下幼苗高生长并不存在显著的差异。除此之外，目前大多数关于磷胁迫相关研究中培养基质磷添加含量普遍处于较高水平（对照组设置为8～32mg·kg-1），内容更多局限于比较植株对高磷和低磷两个浓度梯度的生长生理响应差异，中间不同的低磷浓度对植物生长和光合造成的影响差异往往被忽略。同时，现有磷控制试验培养时间相对较短，缺少对整个生长季的研究。

因此，本研究以两年生马尾松幼苗为研究对象，以全国马尾松林分表层土土壤有效磷含量为依据，培养基质设置7个磷浓度梯度，探究不同磷浓度下马尾松幼苗在生长季的不同时间生长参数和光合参数的差异，为马尾松林经营管理和更精准的生长模拟预测提供试验依据，也有助于更好地揭示耐瘠薄树种对低磷环境的适应机制。

1材料和方法

1.1试验材料

本研究以贵州省都匀市马鞍山林场种子园的两年生马尾松良种幼苗为试验材料。2020年12月将马尾松幼苗移栽至湖北秭归三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站（110°54'E，30°53' N，海拔296m）进行练苗。2021年5月初将个体大小一致、长势均匀的幼苗移栽到花盆（高17cm，直径16.5cm）中进行养分控制培养，每盆一株。培养基质是以石英砂：蛭石：珍珠岩=7：2：1的混合基质。移栽前，培养基质用3%稀盐酸进行酸洗，浸泡1周去除杂质后倒入营养液平衡离子。所有幼苗植株置于定位站露天培养苗床上进行试验培养及后期观测。

1.2试验设计

以全国马尾松林表层土（0～20cm）土壤有效磷含量（2.25mg·kg-1）为参照，设置无磷（0AP，0mg·kg-1）、1／8倍磷（1／8AP，0.291mg·kg-1）、1／4倍磷（1／4AP，0.581mg·kg-1）、1／2倍磷（1／2AP，1.162mg·kg-1）、对照组（CK，2.325 mg·kg-1）、2倍磷（2AP，4.650mg·kg-1）和4倍磷（4AP，9.299 mg·kg-1）等共7个磷浓度处理组，每个处理组预备200株幼苗。根据基质质量（约3kg·盆-1），计算每盆植株的养分需求量，为避免高浓度离子毒害作用，在栽植后的1个月内，分5次将营养液均匀浇人盆中，每间隔7d添加一次，来降低介质和植物组织中营养物质浓度的波动；同时为保持离子的有效性，将大量元素和微量元素分别添加。不同浓度的营养液中大量元素用量详见表1，微量元素营养液由改良的Hoagland营养液提供，其中Fe3+、Zn2+、Mn2+、Cu2+、M06+、B4+的含量分别为7.149mg·kg-1、0.131mg·kg-1、0.110mg·kg-1、0.032mg·kg-1、0.048mg·kg-1和0.270mg·kg-1；营养液pH值在5.3～6.0之间。由于石英砂基质保水性差，需每日日落后用雾化喷灌装置进行灌溉降温并提供充足的水分，同时用遮荫网进行适当遮荫来减少基质水分蒸发。养分控制试验从2021年5月初开始，到2021年11月末结束，生长周期试验持续7个月。

1.3高生长及光合特征参数的测定

1.3.1高生长指标的计算在5月初养分处理前，用钢直尺（精度0.1cm）测量所有幼苗初始株高值（cm）；养分处理后分别在7月、9月和11月初再次测量所有待测植株的株高（cm）。两次连续测量的马尾松幼苗株高之差记为幼苗株高在此期间的相对生长增量（ReIatiVe height increment，RHI）：

将不同磷浓度处理下幼苗株高数据与生长时间（月）分别进行线性拟合，发现方程R2的范围在0.935～0.979（表2），表明拟合方程的斜率能够表征马尾松幼苗高生长速率的大小。因此，本研究中将该斜率记为马尾松幼苗的相对生长速率（Relative growth rate，RGR）.

1.3.2叶片光合参数的测定用Li-6400XT便携式光合作用测量系统（Li-Cor，Lincoln，USA）测定针叶气体交换参数。选择大小相似，生长势良好的不同处理植株各4株，分别在5月、6月、7月、8月、9月、10月的连续晴朗的上午9：00-11：30，选择植株中上部的成熟叶测定气体交换参数。测定过程中设置叶室温度为25℃，光合有效辐射为1000Umol.m-2.s-1，气体流速500Umol.s-1。测量前对马尾松针叶进行光诱导，待数值稳定后记录数据。

1.4数据处理

所有数据的数理统计分析和绘图均由SPSSv23.0和R4.1.2软件（http：//www.r-project.org/）完成。

本研究所有数据通过正态分布（Shapiro-Wilk检验）和方差齐次性检验（Bartlett检验），满足数据进一步分析条件。利用R语言“Ime4”程序包完成线性混合效应模型（Linear mixed-effectsmodel）的分析，其中将重复作为随机因子，分别分析生长时间、磷浓度及二者间的交互作用对马尾松幼苗的高生长参数。

RHl和光合参数指标（净光合速率（Netphotosynthetic rate，Pn）、气孔导度（Conductance to H20，Gs）、胞间C02浓度（Intercellular C02 concentration，Ci）和蒸腾速率（Transpiration rate，）的影响。用单因素方差分析（One-way ANOVA）和LSD检验方法比较不同生长时间和磷浓度梯度下高生长和光合参数指标的差异。用学生检验（Student's t test）和简单线性回归方法确定基质磷浓度与幼苗相对生长速率的关系。通过相关分析和偏相关分析（Partialcorrelation analysis）描述生长时间、磷浓度及其交互作用与高生长和光合参数之间的相关性。

2结果与分析

2.1不同生长时间及磷浓度条件下幼苗高生长变化

生长时间和磷浓度对马尾松幼苗的RHl影响显著（表3，P<0.01）。如图1所示，在不同的磷浓度条件下，幼苗RHl均随生长时间的延长而减小，且RH/5～6显著高于RH/g～10（P<0.05）。同一生长时间段内，仅4AP生长条件下的RH/5～6显著高于1/8AP（图1，P<0.05）。此外，马尾松幼苗的RGR受基质磷浓度影响显著（t-Value=29.113，P=0.000），且RGR随基质磷浓度的升高而线性增高（图2）。

2.2不同磷浓度条件下马尾松幼苗光合参数比较

磷浓度、生长时间以及二者间的交互作用对马尾松幼苗的Pn、Gs、Ci和Tr等光合参数均有显著影响（表3，P<0.01）。如表4所示，在相同磷浓度条件下，Pn在不同生长时间段内存在显著差异（P<0.05），除CK处理，Pr7均在8月达到最大值；在4AP条件下，Pn在7月、8月和9月显著高于10月。Gs、Ci、Tr与Pn表现出相似的时间变化趋势，即随生长时间先增长后下降（表4）；相同磷浓度条件下，在不同生长时间的Gs、Ci、Tr差异显著（P<0.05），7-9月值最高（表4）。在8月和9月，Ci、Tr在4AP条件下显著高于低磷条件（OAP、1/8AP和1/4AP）；在5月和6月，低磷条件下的Ci、Tr显著高于高磷处理组（2AP和4AP）（表4，P<0.05）。

2.3不同磷浓度条件下马尾松幼苗相对生长增量与光合参数的相关分析

如表5所示，Pn和Ci与RHI显著正相关（P<0.05）；生长时间与RHI显著正相关（P<0.01），与Pn、Gs、Ci也有表现出一定的正相关关系（0.05

3讨论

3.1马尾松幼苗光合参数对不同磷浓度的响应

磷与光合作用之间的关系可以用某些光合指标chlorostachys （F.Muell.） Baill.）、金合欢（Acaciaauriculiformis Benth.）和澳洲蓝柏（Callitrisintratropica R.T.Baker＆H.G.Sm.）等植被的光合作用研究表明光合作用受到磷的制约，而Smith等对全球201个站点不同植物光合作用的研究发现光合作用与土壤养分含量无关。在本研究中，马尾松幼苗的Pn、Gs、Ci和Tr均受到不同磷浓度的显著影响（表3，P<0.001）。在低磷条件（OAP、1/8AP和1/4AP）下，Pn在7-9月迅速提高，最大Pn显著大于高磷处理（表4，P<0.05）；而高磷条件（1/2AP、CK、2AP和4AP）下，Pn从6月开始迅速提高，最大Pn持续时间更长。高磷处理（2AP、4AP）和Ci从6月开始迅速升高，7-9月达到最大值，且该生长时间段的Ci均显著大于低磷处理（OAP、1/8AP和1/4AP）（表4，P<0.05）。Pn、Ci表现出的这种时间变化可能是马尾松幼苗为适应低磷环境产生的光合适应对策：缩短最大光合作用持续时间，提高光合作用强度，进而减少磷在高强度光合中转换产生的耗能和伤害，提高光合作用磷利用效率。这结果一定程度上符合最低消耗理论（Theleast-cost hypothesis），即当蒸散能力和羧化能力达到平衡时，光合作用就能以总的最低消耗来维持植物的正常活动。Gs在不同磷浓度条件下，均在8-9月达到最高值，与其他生长时间的Gs差异显著（表4）；但相同生长时间不同处理间Gs差异不显著，表明气孔调节的蒸散和气体进出过程达到对应磷浓度条件下的平衡状态。在低磷条件下，马尾松幼苗可能采取集中高强度的产能方式减少长期高强度转换带来的能量损失，产生了对低磷环境的适应；当磷含量相对充足时，植株能够获取更多的可利用磷，保证自身长时间有效进行光合作用，促进生长。

3.2马尾松幼苗高生长对不同磷浓度的响应

光合作用生产的化合物为植物生长提供能量，在幼苗期，高生长是植物生长的重要表现形式。简尊吉等对马尾松主要分布区土壤养分进行调查，马尾松林严重缺磷（0.02-78.65mg·kg-1）。在整个苗期，马尾松幼苗株高相对生长速率受基质建立线性或对数函数来表示，但在不同研究中磷与光合作用的关系并未达成统一。例如，Prior等对热带稀树草原的红穗花（Erythrophleum磷浓度影响显著，且随磷浓度增加相对生长速率线性增加（表2，图2，P<0.05），表明在0～9.299mg.kg-1有效磷浓度范围内，磷限制马尾松幼苗的生长。这一结果与Huang等一致，符合并验证了生长在热带亚热带高度风化土壤地区的森林受到磷限制的假说。

然而，在生长季的不同生长时间段，不同磷浓度处理条件下幼苗高生长对磷的响应存在差异（图1，P<0.01）。我们发现5-6月是高的迅速生长阶段，高磷处理组幼苗的RHI显著大于低磷处理组，7-8月高生长减缓，到9-10月，高磷处理组的RHI与低磷组无显著差异（图1）。这表明磷对马尾松幼苗高生长的促进作用具有时效性，随时间的延长以及生长季的发展，效果减弱。马尾松幼苗株高RGR随磷浓度增加而增加（图2），这主要是由高磷处理组幼苗在5-6月高生长量最大导致。黄盛怡等对马尾松容器幼苗进行磷添加发现高生长差异显著，但也有研究表明不同浓度磷添加导致的马尾松高生长差异不显著。本研究结果与前者一致。

3.3不同磷浓度下马尾松幼苗相对生长增量和光合参数的相关关系

光合作用是植物合成促进自身生长所需要的碳水化合物的重要生化过程。本研究发现RHI与Pn和Ci正相关（表5，P<0.05）。胞间C02是植物进行光合作用的直接原料，Ci越大，光合过程的原料供给越充足；Pn越高，就能产生更多的碳水化合物，促进株高生长。在Crous等对细叶桉（Eucalyptus tereticornis Smith）进行的为期3年的施肥试验中发现施磷显著促进了干的径向生长，Jiang等的研究也表明施磷增强了植物的光合作用。但光合作用的增强并不一定伴随着生物量的增加，磷的增加还可能会增强呼吸作用，增加了消耗；在低磷条件下，光合作用提高并不一定导致生产力的提高。本研究中磷浓度显著影响了马尾松幼苗的光合产能过程，但在生长表现上没有显著差异（表5）。这可能是因为在低磷条件下，光合作用生产的有机物可能优先分配到根系增加吸收面积或者分配到茎干作为储能物质。本研究试验控制时间为7个月，较短的观测时间也可能是不同磷浓度条件下幼苗生长没有表现出显著差异的原因。

4结论

本研究以两年生马尾松幼苗为对象，设置不同磷浓度梯度，探究马尾松幼苗高生长和光合特征对磷的响应。结果表明，马尾松幼苗的光合参数受到不同磷浓度、生长时间及其交互作用的显著影响，低磷处理的马尾松幼苗的Pn在整个生长季表现先增高后下降趋势。不同磷浓度对马尾松幼苗株高的相对生长增量影响显著，株高相对生长速率随磷浓度升高而提高。Pn和Ci与RHI显著正相关。马尾松幼苗在低磷环境下通过调节光合作用和高生长动态变化，对低磷环境产生了一定适应机制。