馮 琳，顧惠敏，葉祖鵬，魏廣東，黃國平，白旭明，韓 偉，候銀瑩，陳波浪

（農業部西北綠洲農業環境重點實驗室/新疆農業大學草業與環境科學學院，烏魯木齊 830052）

自然或農田土壤中常出現養分異質性分布，主要由于耕作、施肥、淋洗、固定、土壤生化過程等因素，植物通常在異質性環境中獲取更多的養分資源[1–4]。根系作為“隱藏一半的植物”是植物吸收水分和養分的主要器官，將主導“第二次綠色革命”[5]。植物感應土壤生物和非生物信號時能及時調整根系對其做出響應[6–7]。根系對局部養分供應或非生物脅迫的形態和生理反應 (即可塑性) 的能力被認為是土壤養分吸收的一個重要特征[8–10]。磷是植物生長所必需的養分，但在土壤中的移動性較差，特別是在旱地石灰性土壤中，磷會通過化學沉淀或物理吸附過程，與鈣、鎂等陽離子及其氧化物結合[11–12]。為了減少土壤中磷的固定，在實踐中常用局部施磷的方法 (如條施或撒施)[13]。因此，探討局部養分對作物根系形態和生理的調控是解析其機理以及提高養分效率的關鍵。

以往的研究表明，植物根系對磷的反應具有很大的可塑性，土壤中磷的缺乏可誘導植物各種根系形態的變化。當局部供磷時，根系在局部供磷區較易生長[14]。白羽扇豆的研究表明局部磷供應能夠調節排根的構成和分散，增加排根在富磷區的生長[15]。以往對小麥、玉米和大豆的研究發現，植物為了從土壤富磷區吸收充足的磷來滿足生長需求，通常會增加根系在富磷區域內的生長[16–19]。Yano等的研究顯示，磷的富集面積越大，地上部磷的吸收量越大，說明磷富集區的根系效率進一步加強[3]。當供磷范圍縮小時，集中供磷部分的植株轉移到無磷根區域的光合產物顯著小于供磷根區域[20]。為此，磷的局部供應能明顯改變根系形態以及生理吸收能力，進而增加植物地上生物量的積累和磷吸收。

棉花的根系具有可塑性，水分和養分的供應強度對根系具有顯著刺激效應。一般的溝灌方法下，在土壤中棉花根系呈平面幾何構型，而膜下滴灌則誘導棉花根系呈極不對稱構型，在滴灌帶和膜內側方向密集[21–22]。缺磷和低磷條件下，棉花會生長出更多的中、細根，以促進植株對磷素的吸收[23–24]，供磷后棉花根密度、根長度、根表面積和磷吸收量均會增加[25]，而過量供磷后棉花根系吸收效率會下降[26]。不同棉花品種間存在顯著差異，低磷脅迫磷高效基因型棉花可較大幅度增加細根比例，降低根系總體細度，促使比根長增加，提高根系的構建效率[27]。然而，關于不同品種棉花根系對土壤局部磷供應的反應研究還少有報道。

棉花膜下滴灌是干旱區一種節水高效抑鹽的生產技術，也是影響土壤養分異質性的一個重要原因，促使有效養分在表層聚集，但不利于棉花后期對養分的需求而致使棉花早衰[28]。本研究選取兩個基因型棉花品種，通過根箱試驗模擬磷局部供應，探討棉花根系對局部供磷的響應，分析比較不同基因型棉花對局部供磷的差異，為通過營養調控增加植物根系對土壤磷的利用和緩解膜下滴灌早衰提供依據。

1 材料與方法

1.1 土壤準備

供試土壤為瑪納斯棉田土壤，土壤的基礎肥力如下：有機質 10.77 g/kg、Olsen-P 6.7 mg/kg、總鹽8.200 g/kg、土壤pH 8.07、土壤電導 1855 μS/cm。當棉田土風干后，過2 mm篩并去除植物殘體，土壤容重為 1.20 g/cm3。將養分按照以下兩種方式裝入縱向拆卸自制根箱 (長30 cm、寬5 cm、高為60 cm，材質為PVC，其中一面為透明有機玻璃)，每個根箱所裝土的重量為6 kg。氮肥用尿素，磷肥用過磷酸鈣，鉀肥用硫酸鉀。設磷均質供應和磷局部供應兩種供磷方式，根箱自上而下分為三層 (上層0—20 cm、中層20—40 cm、下層40—60 cm)，磷均質供應方式下根箱每一層的磷肥用量均為P2O5100 mg/kg，磷局部供應方式下磷肥用量為P2O5300 mg/kg，全部集中施在中層 (20—40 cm)，上下兩層均不施磷，兩種供磷方式下氮鉀肥均按N 150 mg/kg和K2O 5 mg/kg均勻加入至根箱各層 (施鉀肥按75 kg/hm2計算)，其中磷鉀肥在裝土時一次性施入，氮肥基施60%，剩余按20%追施兩次，試驗共設四個處理，每處理6個重復。中層為局部供磷區，相應對照為均質供磷區。其對照可參考圖1。

1.2 植物培養

試驗在新疆農業大學農科樓于2016年6—9月進行。供試材料為磷低效基因型棉花品種‘新陸早13號’ (XLZ13) 和磷高效基因型棉花品種‘新陸早19號’ (XLZ19)[29]。在培養種子之前，將種子用雙氧水浸泡數分鐘，再用蒸餾水反復沖洗，以除去附著在種子表面的雜質。將處理過的種子放入恒溫培養箱中，以25℃恒溫培養，期間不間斷補充水分以滿足種子萌發所需的水分，直至種子萌發出1 cm左右細芽。挑選萌發一致的種子，在每個根箱播種兩粒，待幼苗出土后，保留一株長勢良好的幼苗直至收獲，試驗結果按照一株的統計數據來表示。

1.3 根系形態參數的確定

圖1 磷局部供應對棉花根形態的影響Fig. 1 Effect of phosphorus localized supply on root morphology of cotton

播種100 d后，將根箱縱向拆開，按刻度尺將土壤切分為上、中、下三層，分別過2 mm、0.25 mm篩。篩分并收集各土層根系，沖洗干凈裝入自封袋帶回實驗室。在根系形態計算機掃描獲得根系生長系統圖像，掃描得到的圖像直接通過圖像分析系統(LA-S全能型植物圖像分析儀系統) 定量測定根系形態構型參數。獲得總根長、根系表面積、根系總體積、根直徑等參數 (根徑分級 ≤ 0.4 mm為細根)[23]。比根長等于總根長除以根干重。

1.4 生物量及植株磷含量的測定

植物收獲后，莖和葉在105℃殺青0.5 h，再在70℃烘干48 h至恒重后稱重。地下部分則在根系掃描結束后，烘干至恒重后稱重。將烘干的地上和地下部分研磨成粉末后，用98%的濃硫酸–雙氧水消煮，采用鉬銻抗比色法測定植株磷含量[30]。

1.5 數據分析

植株磷吸收量 (mg/株) = 根干質量 × 根含磷量 +莖干質量 × 莖含磷量 + 葉干質量 × 葉含磷量[31]

用Microsoft Excel對試驗數據進行初步處理后，用IBM SPSS 20.0對數據進行單變量和多變量統計分析，用Tukey法進行差異顯著性分析 (P = 0.05)；主成分分析用于研究供磷方式和品種差異對根系形態變異的影響；用SigmaPlot 10.0對磷吸收和根系參數進行一元線性回歸擬合；磷吸收和根形態指標之間的關系采用Simca-P 11.5軟件進行偏最小二乘法回歸分析。

2 結果與分析

2.1 不同供磷方式對不同基因型棉花生物量的影響

圖2表明，局部施磷能增加棉花各器官生物量，局部與均質相比，磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19根、莖、葉生物量分別顯著增加了25.7%、38.8%、47.1%和18.2%、28.3%、15.9%。相同磷處理下 (局部和均質)，磷高效基因型XLZ19棉花各器官生物量均高于磷低效基因型XLZ13，分別是磷低效基因型XLZ13的1.13、1.24、1.17倍和1.21、1.34、1.28。棉花各器官的生物量均在不同供磷方式和不同品種間存在顯著差異，但沒有顯著的供磷方式與品種間的交互作用。

2.2 不同供磷方式對不同基因型棉花磷含量和磷吸收量的影響

局部施磷能增加棉花根、莖、葉的磷含量 (圖3)，與均質相比，磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19根、莖、葉的磷含量分別增加了34.7%、19.8%、6.6% 和49.0%、15.6%、8.4%。相同磷處理下 (局部和均質)，磷高效基因型XLZ19棉花各器官的磷含量均明顯高于磷低效基因型XLZ13，分別是磷低效基因型XLZ13的1.54、1.25、1.28倍和1.39、1.30、1.25倍，且兩種基因型棉花根和莖的磷含量差異顯著。棉花根和莖的磷含量在不同供磷方式和不同品種間均存在顯著差異。

局部施磷能增加棉花根、莖、葉磷吸收量，局部與均質相比，磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19根、莖、葉磷吸收量分別增加了69.2%、67.7%、34.7%和76.3%、48.4%、25.5%。相同磷處理下 (局部和均質)，磷高效基因型XLZ19棉花根、莖、葉磷吸收量均明顯高于磷低效基因型XLZ13，分別是磷低效基因型XLZ13的1.75、1.54、1.50倍和1.68、1.75、1.61倍，且兩種基因型棉花各器官的磷吸收量差異顯著。棉花各器官磷吸收量在不同供磷方式和不同品種間均存在顯著差異，根的磷吸收量存在顯著的供磷方式和品種交互作用。

圖2 局部和均質供磷棉花不同部位的生物量干重Fig. 2 Effects of different phosphorus supply on cotton biomass of different genotypes

2.3 不同供磷方式對不同基因型棉花根系參數的影響

由表1可知，局部施磷能增加棉花總根長、根系表面積、根系總體積、比根長、中層細根長度。局部與均質相比，磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19的總根長、根系表面積、根系總體積、比根長、中層細根長度分別增加了38.0%、41.9%、97.6%、27.3%、35.9%和34.5%、21.7%、39.0%、22.5%、42.8%。相同磷處理下 (局部和均質)，磷高效基因型XLZ19棉花的各根系參數均顯著高于磷低效基因型XLZ13，分別是磷低效基因型XLZ13的1.23、1.31、1.73、1.07、1.30 和 1.27、1.53、2.45、1.11、1.24倍。棉花各根系參數在供磷方式和品種間均存在顯著差異。

在畢業典禮上，時任北大黨委書記閔維方教授專門發來賀信表示祝福。我知道閔書記早年有當“礦工”的經歷，我知道他理解我們求學的艱辛，我曾經聽過他講述自己的成長經歷，鼓勵我們不要怕吃苦，要能在艱苦的環境中成就自己的人生，要勤奮學習、努力拼搏，早日將自己塑造成棟梁之才。

2.4 不同供磷方式對不同基因型棉花根系形態變異的影響

采用主成分分析方法對總根長、根系總體積、根系表面積、比根長、中層細根長度、細根比例6個根形態參數進行了主成分提取。從圖4可以看出，前兩個提取的主成分累積貢獻率為91.395%，其中主成分1 (PC1) 的貢獻率是46.571%，主成分2(PC2) 的貢獻率是44.824%。

因為各根系形態參數的權重不同，其提取主成分中的載荷量也是不同的。由表2可以看出，在第一主成分中，中層細根長度、細根比例和比根長有較高的載荷量 (權重在0.892～0.965之間)，根系表面積、總根長、根系總體積有較低的載荷量 (權重在0.128～0.318之間)；在第二主成分中，根系表面積、總根長、根系總體積有較高載荷量 (權重在0.897～0.961)，中層細根長度、細根比例和比根長有較低的載荷量 (權重在0.048～0.232之間)。圖4顯示主成分一可以將磷局部供應和磷均質供應這兩種供磷方式分開，主成分二可以將磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19這兩種基因型棉花分開，因此可以說明棉花根系的可塑性 (細根比例、比根長等根系參數) 主要受養分供應方式影響，而根系的基本構架 (總根長、總體積等根系參數) 主要受基因型控制。

2.5 棉花根系形態與植株磷吸收量的關系

上述研究結果表明，棉花根系在磷富集區大量增生 (圖1)。為了研究根形態參數與磷吸收的關系，對總根長、根系總體積、根系表面積、中層細根長度與磷吸收之間進行了回歸分析。由圖5可以看出，根長、根系總體積、根系表面積、20—40 cm細根長分別解釋了78.8%、85.0%、86.3%、74.0%的地上磷吸收，與磷吸收呈現明顯的正相關關系 (P ＜0.05)。根系對磷的吸收隨著根系的伸長而增加，磷局部供應區根系形態的改變對棉花磷吸收有重要影響。由于根系形態參數之間存在多重共線性問題，所以遮蓋了根系形態參數 (解釋變量) 對因變量 (磷吸收) 的解釋。

[注（Note）：P—磷處理 Phosphorus；G—基因型 Genotype；柱上不同小寫字母表示兩個磷基因型間差異達到 5% 顯著水平Different letters above the bars show significantly different at the 5% level among two genotypes. * —0.05; ** — P ＜ 0.01; *** —P ＜ 0.001.]

因此，本研究進一步對根系形態參數與磷吸收(y) 的關系進行偏最小二乘 (PLS) 回歸分析，并對各個指標的相對重要性進行了評價。結果表明，偏最小二乘回歸自變量和因變量之間的交叉有效性為0.862 (Q2)，進行相關預測，磷吸收回歸方程為:

表1 不同供磷方式下棉花根系生長狀況Table 1 Root development of cottons under different phosphorus supply methods

表2 主成分載荷量Table 2 Principal component loading matrix

圖4 磷局部供應對棉花根形態影響的主成分分析Fig. 4 Principal component analysis of root morphological parameters as affected by the localized phosphorus supply in cotton

偏最小二乘回歸在預測磷吸收的同時，也給出了根系形態各參數對磷吸收作用力大小的變量投影重要性 (VIP) 評價。

3 討論

圖5 總根長、根系總體積、根系表面積和中層細根長度與磷吸收量的一元線性回歸Fig. 5 Linear regressions between total root length, total volume, surface area and fine root length in middle layer and P uptake

圖6 棉花根系形態參數對磷吸收量影響的重要性Fig. 6 Importance (VIP) of root morphological parameters for phosphorus uptake in cotton

表3 棉花根形態參數增加10%對磷吸收的相對貢獻Table 3 Relative contribution of root morphological parameters to P uptake

在實際生產中，農業活動和土壤生物化學過程導致土壤磷素分布不均勻。為了得到土壤異質性養分資源，植物根系的形態和生理響應表現出高度的可塑性。根系形態可塑性提供了捕獲養分資源的載體，而根系生理可塑性提供了吸收養分資源的保障[32]。在本研究中，磷低效基因型XLZ13和磷高效基因型XLZ19在局部施磷區的總根長、根系表面積、根系總體積、比根長、中層細根長度與均質施磷區相比分別增加了38.0%、41.9%、97.6%、27.3%、35.9%和34.5%、21.7%、39.0%、22.5%、42.8% (表1)，表明棉花具有根系形態可塑性。需注意的是，在本研究中磷局部供應以及磷均質供應的養分總量相同，僅改變養分施入的方式。磷的供應量在均質施磷的區域為P2O5100 mg/kg，而在局部施磷的區域則達到P2O5300 mg/kg。由此可以看出，在磷濃度較高的局部供應區棉花表現出較高的可塑性，這是導致棉花根系在局部供應區大量增生的原因。但與此同時，棉花根系在局部供應方式下磷濃度達到多少時能夠誘導其增生到最大效果，這還需進一步通過實驗研究來確定。

在本試驗中，棉花在養分供應方式改變下，通過誘導根系分布，拓展根系生長空間和根系形態參數，以此高效率地利用養分資源，這與陳哲等[33]的研究結果一致。同時也表明局部供磷下的棉花根系具有較強的根系形態可塑性，究其原因，可以認為是植物根系在局部供磷區的富集，增強了植物對養分離子的吸收能力，這與林雅茹等[32]的研究結果一致。植物對局部養分響應的生理形態變化有種間差異[34–36]，在棉花中同樣也有差異[37]，但很少有研究報道養分特性不同的基因型棉花對養分局部供應的響應能力是否有所不同。本研究比較了不同磷效率棉花對局部供磷的反應，發現相同磷處理下 (局部和均質)，磷高效品種具有更高的環境適應能力。在磷脅迫的條件下，磷高效基因型根系形態學表現為根系發達、細長、根毛多、根/冠比大等特點。

植物根系在對養分進行吸收時，通常依賴擴散及質流，通過截獲獲得的養分較少。提高植物對磷的吸收是一個非常重要的問題，土壤中磷的遷移速度非常慢，主要取決于磷的擴散，約為10～30 μm/h，其擴散距離只有1～2 mm。在本試驗中，棉花在局部磷素供應量增加，根系和土壤接觸面積擴大，從而使移動性差的磷素與土壤有更多的結合空間，并減輕其他根系無法利用磷素而減小植物生物量等因素的影響，最終提高根系對磷的吸收。結果表明根系增殖對局部磷供應區的磷吸收有重要影響，其中局部供磷區細根長度的貢獻最大。這一結果與He等[13]的一致，其在水稻上進行了研究，發現局部磷供應誘導了細根的形成，提高了磷的吸收效率。而林雅茹等[32]的研究結果不太一樣，在野生大豆作物上，對植株磷吸收影響最大的是比根長。廖晗茹等[38]在蠶豆上也做了此類研究，發現蠶豆通過中等根系 (0.3～0.7 mm)的增生來增強根系吸收養分的能力。這些差異可能由其研究的作物本身根系特征不同引起的，其原因還有待進一步分析。

4 結論

在局部供磷區，磷高效基因型棉花具有更高的環境適應能力。對于高效和低效基因型，都應采取局部供磷的方式，優化根系分布和生長，提高棉花獲取異質性磷養分的能力，以發揮棉花的最大生物學潛力，提高養分利用率，減少肥料用量，保護生態環境。