不同供磷水平對辣椒根系形態和根際特征的影響

張育文 范子晗 陳新平 楊懷玉 吳 玥 張 偉*

（1 西南大學資源環境學院，重慶 400716；2 西南大學農業科學研究院，重慶 400716）

西南地區是我國辣椒主產區，辣椒產值和效益居蔬菜作物之首，是僅次于大白菜的第二大經濟作物（杜磊 等，2018）。磷是植物生長發育必不可少的大量元素之一，但當前蔬菜生產中普遍存在磷肥過量施用的問題。研究表明，設施和露地蔬菜系統中平均磷肥投入量分別為571 kg·hm-2和117 kg·hm-2，而作物吸收的磷素只有44 kg·hm-2和25 kg·hm-2，導致了兩種系統中磷素盈余分別達527 kg·hm-2和92 kg·hm-2（Yan et al.，2013）。過高的土壤磷素盈余導致水體富營養化指數增加（Fischer et al.，2018），潛在威脅水體環境。因此合理的蔬菜施磷量對提高磷肥利用效率、增加農業經濟效益具有重要意義（馮武煥 等，2016；朱占玲 等，2017）。

根系的良好生長有助于作物養分的高效吸收（公華銳 等，2018），植物根形態具有可塑性，可通過調節自身形態適應外界環境（劉靈 等，2008）。研究發現，低磷脅迫導致番茄的總根長、根表面積、根體積和根尖數等生長指標顯著下降（李榮坦，2016）。隨辣椒供磷水平的增加，總根長、根表面積、根體積、根平均直徑、側根數目均呈先增后降的趨勢，且地上部吸磷量與根長等指標顯著相關。除根系形態的適應性變化外，共生菌根真菌的作用也是提高植物磷營養高效利用的重要機制之一。研究表明，土壤磷含量顯著影響根外菌絲的生長、共生狀態及菌根效應的發揮（鄒碧瑩和張云翼，2008）。對番茄（Douds，2009）、辣椒（Xu et al.，2007）接種AM 真菌后，在低磷條件下根系具有較高的菌根侵染水平，但菌根侵染率隨施磷水平的增加呈下降趨勢。此外，一定條件下植物根系或菌根會分泌一定量的酸性磷酸酶，增加土壤有效磷濃度，進而增加植物的磷吸收效率（王兵爽 等，2019）。缺磷條件下，黃瓜、辣椒根系分泌酸性磷酸酶的活性顯著增加，但隨供磷水平增加，根系酸性磷酸酶的分泌顯著降低（Dong et al.，2004；胡華群，2009）。

前人對禾本科作物（如小麥、玉米）的根系形態及根際特征的研究已較多，但針對茄果類蔬菜的根際特征研究目前仍缺乏。與禾本科作物相比，辣椒根系分布較淺，磷高效利用的途徑可能是綜合根系形態和根際生理特征兩方面。本試驗研究不同供磷水平下辣椒根系形態和根際特征的變化，以期為優化磷肥在農業生產過程中的投入量，增加農業經濟效益提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

盆栽試驗土壤為冷砂黃泥土，2017年10月取自重慶市涪陵區馬武鎮大坪村（東經29°36′4″，北緯107°14′35″）。土壤pH 為4.26，有機質含量8.87 g·kg-1，堿 解氮41.9 mg·kg-1、速 效 磷7.85 mg ·kg-1、速效鉀84 mg·kg-1。將土壤取回后自然風干，過2 mm 的篩子，儲存備用。

試驗所用辣椒品種為線椒王，由重慶市北碚區綠橋蔬菜種植場育苗，待幼苗生長至六葉期進行定植。2018年3月10日，選擇長勢均勻的辣椒苗定植于盆中，生長期間土壤含水量控制在田間持水量的70%左右。

1.2 試驗方法

試驗于2018年3～5月在西南大學資源環境學院日光溫室內進行。試驗用盆為塑料材質，內徑22 cm，高16 cm，每盆裝土4 kg。共設計8個供磷水平，分別為土壤含P 0、120、240、360、480、720、960、1 440 mg·kg-1，所有處理均施純氮（以N 計）200 mg·kg-1，鉀（以K2O 計）150 mg·kg-1。每個處理4次重復，共計32盆，每盆3株。試驗肥料所需的氮、磷、鉀分別由尿素（含N 46.0%）、磷酸二氫鈣（含P2O543.7%）和硫酸鉀（含K2O 54.1%）提供。

1.3 樣品采集

于辣椒開花期（5月初）進行取樣，先取3株辣椒的地上部，將莖葉分離后用去離子水清洗干凈，置于75 ℃烘箱中烘干稱量干質量，粉碎用作元素分析測試。根系取樣采用整盆取樣法，將土壤全部倒于牛皮紙上，把土體內的所有根系撿出裝入自封袋中，同時將土壤充分混勻后留取部分土樣用作土壤有效磷濃度測定。取出的根系用去離子水清洗后，吸去多余水分，稱量根系鮮質量，再剪取0.5 g 粗細均一的根系用作菌根侵染率的測定，稱量剩下根系鮮質量，置于75 ℃烘箱中烘干、稱重、粉碎，用作磷濃度分析。

1.4 樣品分析

辣椒生物量的測定采用稱重法；土壤有效磷濃度的測定采用鉬藍比色法（0.5 mol·L-1NaHCO3浸提）；地上部及根系磷濃度的測定采用釩鉬黃比色法（H2SO4-H2O2消煮）；菌根侵染率測定方法：取0.5 g 洗凈的0～20 cm 長的根系切成1 cm 左右的根段，浸泡在10%的氫氧化鉀溶液中，然后90 ℃水浴60 min，冷卻后用2%的鹽酸溶液浸泡5 min，洗凈后用臺盼藍進行染色。每個載玻片上選取15條染色的根系，在光學顯微鏡下觀察侵染程度（0～100%）（Giovannetti &Mosse，1980）；土 壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定（關松蔭，1986）；根系形態的測定：先用根系掃描儀（Epson perfection V850 PRO，Japan）將根系掃描成圖，再采用WinRHIZO 軟件對圖片進行數據分析，用于獲取辣椒總根長、根系平均直徑等根系形態參數。

1.5 數據處理

采用Excel 2010、SPSS 17.0軟件進行圖表繪制，SAS 8.0軟件用于數據統計分析。

整株生物量=地上部生物量+根系生物量

整株磷累積量=根系生物量×根系磷濃度+地上部生物量×地上部磷濃度

2 結果與分析

2.1 供磷水平對開花期辣椒生物量及整株磷累積量的影響

從表1可以看出，隨供磷水平的增加，土壤有效磷濃度呈顯著增加趨勢，地上部生物量、根系生物量和整株生物量均隨供磷水平的增加呈先增加后降低的趨勢，根冠比整體呈降低趨勢。地上部及根系的磷濃度均隨供磷水平的增加而增加，整株磷濃度及整株磷累積量也呈現逐漸增加的趨勢。

2.2 供磷水平對開花期辣椒根際特征的影響

如表2所示，隨供磷水平的增加，辣椒總根長呈先增加后降低的趨勢，在供磷水平為720 mg ·kg-1時達到最大；根系平均直徑整體呈降低趨勢；土壤酸性磷酸酶活性呈先增加后降低的趨勢，在供磷水平為360 mg·kg-1時最高。菌根侵染率隨供磷水平的增加呈現先增加后逐漸下降的趨勢，供磷水平為120 mg·kg-1時最大。

表1 供磷水平對土壤有效磷濃度、辣椒生物量和植株磷累積量的影響

表2 供磷水平對辣椒根系形態、生理及菌根侵染率的影響

2.3 土壤有效磷濃度及整株磷濃度與整株生物量和整株磷累積量的相關分析

相關分析結果表明（圖1），土壤有效磷濃度、整株磷濃度與整株生物量均具有極顯著相關關系（P＜0.001），總體呈先增加后降低的趨勢，且兩者的關系均可以用一元二次方程擬合，說明不同磷素水平可顯著影響辣椒的生長，且存在植株生物量最高值。土壤有效磷濃度與整株磷累積量具有極顯著正相關關系（P＜0.001），即隨土壤有效磷濃度的增加，整株磷累積量呈逐漸增加趨勢，但后期增加程度逐漸減弱，可能與植株生物量的增加減緩有關。整株磷累積量隨整株磷濃度的增加呈現顯著增加的趨勢（P＜0.001），變化趨勢與土壤有效磷濃度相似。

2.4 土壤有效磷濃度及整株磷濃度與根際特征的相關分析

相關分析結果表明（圖2），隨土壤有效磷及整株磷濃度的增加，根系總根長呈先增加后降低的趨勢，且均可以用一元二次方程擬合，說明辣椒根系總根長受不同土壤有效磷濃度及整株磷濃度的影響較大；而根系平均直徑逐漸降低，且與土壤有效磷濃度和整株磷濃度具有極顯著的負相關關系（P＜0.001），說明辣椒可通過降低根系直徑提高對磷的吸收。土壤有效磷濃度及整株磷濃度均與菌根侵染率有極顯著的負相關關系（P＜0.001），隨土壤有效磷濃度的增加菌根侵染率逐漸下降。土壤有效磷濃度和整株磷濃度與土壤酸性磷酸酶活性均存在極顯著相關關系（P＜0.001），總體呈先增加后降低的趨勢，可以用一元二次方程擬合。

圖1 土壤有效磷濃度及整株磷濃度與整株生物量和整株磷累積量的相關分析

3 討論

3.1 磷對辣椒生物量及吸磷量的影響

本試驗中，隨供磷水平的增加，根系生物量及地上部生物量均呈先增加后下降的趨勢，與賈可（2004）在辣椒上的研究結果一致。隨供磷水平的增加，根冠比整體呈下降趨勢，與朱向明和韓秉進（2014）的研究結果一致。隨供磷水平的增加，整株磷累積量呈逐漸增加的趨勢，與胡華群（2009）的研究結果不同，其原因是在高磷條件下，整株磷濃度的增加程度大于整株生物量的下降程度，故整株磷累積量無下降趨勢。所以適宜的供磷條件是辣椒生長發育、正常吸收磷素的基礎。

3.2 磷對辣椒根際過程的影響

本試驗中，隨供磷水平的增加，辣椒總根長呈先增加后降低的趨勢，與前人的研究結果一致（胡華群，2009；Wen et al.，2017）。隨供磷水平的增加，根系平均直徑呈下降趨勢，與胡華群（2009）在高磷抑制條件下，辣椒根系平均直徑降低的結果一致，但其研究發現隨磷脅迫作用的減弱，根系平均直徑逐漸增加，與本試驗相反，本試驗中根系平均直徑的降低主要因為總根長的增加，而在胡華群（2009）的試驗中辣椒植株生長時間短，根系發育程度低，故總根長短，根系平均直徑變幅小。以上研究表明磷養分供應可顯著影響辣椒根系形態，隨供磷水平增加對辣椒根系形態的影響主要是增加總根長，降系低根平均直徑。

磷素水平會顯著影響植物根系菌根侵染率。研究表明，蔬菜生長過程中養分投入和菌根侵染率呈負相關關系（吳亞勝 等，2018）。對番茄（Douds，2009）、辣椒（Xu et al.，2007）接種AM 真菌后，低磷條件下根系具有較高的菌根侵染率，隨施磷量的增加而下降，本試驗結果與之一致，說明少量施磷可提高辣椒根系菌根侵染水平。研究表明，當根系中AM 真菌結構形成的強度低于17.2%時，對植株吸磷量的貢獻接近于0（馮海艷 等，2003），本試驗中菌根侵染水平較低，最高為16.29%。因此，菌根侵染率對辣椒磷累積量的作用仍需要進一步探究。

圖2 土壤有效磷濃度及整株磷濃度與總根長、根系平均直徑、菌根侵染率、土壤酸性磷酸酶活性的相關分析

研究表明，低磷條件下甜菜（周建朝 等，2006）、燕麥（王偉偉，2017）、番茄（李榮坦，2016）、黃瓜（Dong et al.，2004）等植物的根表可產生酸性磷酸酶，在高磷條件下分泌量顯著下降，而Wen 等（2017）在玉米上的研究結果則相反。雖然本試驗酸性磷酸酶活性結果在統計學上有顯著差異，但其酶活絕對值之間的差異較小。當供磷水平為360 mg·kg-1時，酸性磷酸酶活性最高，可能的原因是總根長的增加導致根系產生了較多的酸性磷酸酶。由根系產生的酸性磷酸酶對辣椒磷累積量的直接貢獻仍需要進一步研究。

本試驗通過定量化研究不同供磷水平下辣椒根系形態和根際特征的變化，表明適宜的磷素供應利于辣椒根系形態和根際特征的更好發揮，為提高辣椒磷素吸收利用率，減少磷肥的過量施用，優化磷肥在農業生產過程中的投入量，增加農業經濟效益提供理論依據。

4 結論

本試驗中，隨供磷水平的增加，辣椒根系生物量呈先增加后逐漸降低趨勢，根冠比呈逐漸降低趨勢，總根長呈先增加后降低趨勢，根系平均直徑呈降低趨勢。根系菌根侵染率及土壤酸性磷酸酶活性隨供磷水平的增加呈先增加后下降的趨勢。辣椒根系適應低磷的根際特征可能是通過增加根系生物量及總根長，同時降低根系平均直徑來實現的。