鹽堿條件下施磷對柳枝稷生長發育及耐鹽性的影響

何海鋒，吳娜，劉吉利，2，3*，許興

（1.寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學生態環境學院，寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室，寧夏 銀川 750021）

磷是植物生長發育必不可少的營養元素之一，在植物生長發育、高產優質等方面具有不可替代的作用［1-2］。與此同時，磷不僅是構成植物有機化合物的重要成分，還參與氮磷化合物的合成代謝、糖代謝、碳水有機物的轉運以及作物的光合調節、信息傳導等［3-4］，對作物的生長發育、抗逆性和產量品質都有重要影響［5］。缺磷會顯著降低植株對氮、鉀的吸收效率［6］，適量施用磷肥能提高植物各器官的干物質積累，有利于產量的形成［7］。研究發現，適當增施磷肥可促進小麥（Triticum aestivum）生長，增加分蘗，提高分蘗成穗率［8］；可促進小麥根系下扎，增強對深層土壤水分的吸收能力，提高耐鹽性，進而提高產量［9］，但過量施磷反而造成減產。因此，適當增施磷肥是實現作物高產、穩產的重要措施，同時有利于增強植株耐鹽性［10］。植物在受到脅迫后，通過主動積累有機或無機物來增加細胞液濃度，從而降低滲透勢來更好地適應逆境脅迫［11］。低磷脅迫下番茄（Lycopersicon eseulentum）根系和葉片中可溶性蛋白、可溶性糖及脯氨酸含量均顯著升高［12］。馮固等［13］研究發現，在土壤供磷量充分的條件下，可以提高玉米（Zea mays）的耐鹽性。

柳枝稷（Panicum virgatum）是一種多年生禾本科C4草本植物，在美國南部大面積種植，株高可達250 cm，根深可達300 cm，生物產量可達20 t·hm-2［14-15］，具有適應性強、抗寒能力強、光能利用率高和耐鹽堿［16-17］等優點，能夠適應多種土壤環境，在各種類型土壤中均可種植，其莖葉既可作為飼草，又可用于生產燃料乙醇，被譽為“能源草”。柳枝稷已在我國部分地區進行了大面積種植［18］，作為外來物種并沒有表現出生物入侵特征，對周邊區域沒有影響，對干旱半干旱地區農業可持續發展和生物改良具有重要意義。目前，關于柳枝稷的研究大多集中在新品種選育、生態適應性及品質評估方面［19］，而關于施磷水平對柳枝稷生長、生理特性及耐鹽性的影響鮮有報道。因此，本試驗將兩種生態型柳枝稷引入寧夏銀北鹽堿地區，研究磷酸二銨的不同施用量對于柳枝稷生長、生理特性及耐鹽性的影響，以期為在寧夏銀北平原鹽堿地開發種植柳枝稷提供試驗依據，實現引種與生態修復的有效結合。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究于2020年4-11月開展，試驗地位于寧夏銀北地區平羅縣寧夏大學西大灘鹽堿地改良利用核心試驗站（38°50′23.8″N，106°23′54.1″E）。該地區處于干旱、半干旱氣候帶，1月平均氣溫最低，為-6.22℃。7月平均氣溫最高，為24.5℃，夏、秋季節太陽輻射較強。多年平均降水量為197.38 mm，多集中在7-9月，年均蒸發量1774.25 mm，集中在4-10月，富水性差，使得土壤鹽漬化面積不斷擴大。試驗地塊選擇中度鹽堿地，其中0～20 cm土 層土壤的pH值為9.01，全鹽含量為3.87 g·kg-1，有機質含量為11.83 g·kg-1，堿解 氮含量 為14.40 mg·kg-1，速效磷含量為15.13 mg·kg-1，速效鉀含量為15.13 mg·kg-1，全氮含量為0.28 g·kg-1，全磷含量為0.47 g·kg-1。試驗期間的月平均氣溫及降水量如圖1所示。

1.2 試驗設計

采用大田試驗，試驗材料選擇2種不同生態型的柳枝稷品種，分別為：低地型品種Alamo（A）和高地型品種Pathfinder（P）。其中Alamo染色體倍性為四倍體，原產地為得克薩斯州南部（28° N）；Pathfinder染色體倍性為八倍體，原產地為內布拉斯加州/堪薩斯州（40°N），種子由北京市農林科學院草業與環境發展研究中心提供。分別設置3個磷素水平：不施磷（0）、施低磷（30 kg·hm-2P2O5）和施高磷（90 kg·hm-2P2O5），A0、A30和A90代表Alamo品種柳枝稷的3個施磷水平，P0、P30和P90代表Pathfinder品種柳枝 稷 的3個施磷水平。試驗采用裂區試驗設計，主區為磷素水平，副區為生態型，小區面積為5 m×6 m=30 m2，行距為50 cm，株距為25 cm，重復3次。所有品種柳枝稷均于2019年3月底在溫室內育苗，每個品種60盤，共計120盤（72穴·盤-1）。4月中旬安排整地工作，并提前做好試驗小區設置。5月初待幼苗長至5葉期，挑選植株健壯、長勢一致的秧苗進行移栽，并適量灌水，確保其正常生長，移栽成功。移栽前施入底肥N 60 kg·hm-2（尿素N：46.00%）、K2O 50 kg·hm-2（硫酸鉀中K2O：50.00%）。其中磷肥為磷酸二銨，只在柳枝稷種植當年作底肥施用。待建植成功后每年返青期僅僅施用60 kg·hm-2氮肥（尿素）即可。

1.3 測定指標與方法

在柳枝稷開花期測定兩種生態型柳枝稷的株高、分蘗數、干物質積累、葉面積及葉面積指數，收獲后測定其生物產量并計算其產量構成。株高：在小區內隨機選取10株植株測定其高度，平均值為群體高度。從地面量至各葉尖頂部的高度為植株生理株高。分蘗數：在小區內隨機選取10株，記錄其分蘗數，測定結果取其平均值，共取3次重復。干物質積累：分別在每小區隨機選取3株，對柳枝稷莖、葉和穗進行分離，在105℃下殺青30 min后，調至75℃，烘干至恒重，用天平分別稱量各部分干物質，計算莖、葉、穗比。葉面積及葉面積指數：通過便攜式葉面積儀（YMJ-B，中國浙江）直接測定不同冠層10片柳枝稷葉片，記錄葉面積大小，并計算平均值和葉面積指數（leaf area index，LAI），葉面積指數=葉片總面積/土地面積。生物產量：待柳枝稷成熟后，每個小區選取1 m×1 m的樣方，收割其地上部，留茬5 cm在105℃下殺青30 min后，調至75℃，烘干至恒重，用天平稱量其干物質量，最后換算成每公頃土地上柳枝稷的生物產量。

在柳枝稷開花期，每個小區選擇長勢均勻一致的柳枝稷，手工采摘30～50片植株葉片，裝入放有冰袋的聚乙烯盒內，防止擠壓葉片，帶回實驗室，用于植株逆境生理指標的測定。相對葉綠素（relative chlorophyll，SPAD）含量采用便攜式葉綠素儀（SPAD-502PLUS，中國浙江）測定；脯氨酸（proline，Pro）含量通過3%磺基水楊酸提取，采用分光光度法測定；丙二醛（malonaldehyde，MDA）和可溶性糖（soluble sugar，SS）含量通過10%三氯乙酸（trichloroacetic acid，TCA）提取，采用雙組分分光光度法測定；采用愈創木酚法測定過氧化物酶（peroxidase，POD）活性；采用氮藍四唑法測定超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性；采用紫外吸收法測定過氧化氫酶（catalase，CAT）活性。具體測定方法參考高志良［20］主編的《植物生理學實驗技術》的方法。

1.4 耐鹽性綜合評價

參考張朝陽等［21］和石永紅等［22］的方法，采用模糊數學隸屬函數法，利用各抗鹽指標對開花期柳枝稷材料進行隸屬函數平均值的計算，對其耐鹽性進行評價。該平均值代表柳枝稷的耐鹽性，數值越大表示耐鹽性越強［23］。隸屬函數的具體計算方法如下：

若該指標與耐鹽性呈正相關關系，則：

若該指標與耐鹽性呈負相關關系，則：

然后求各抗鹽指標隸屬函數值的平均值，并排序

式中：i表示柳枝稷施磷水平，j表示抗鹽指標，Zij為供試柳枝稷材料的耐鹽性隸屬函數值，Xij為各抗鹽指標的實際測量值，Ximax為各抗鹽指標實際測定的最大值，Ximin為各抗鹽指標實際測定的最小值，n為指標數，-Z為隸屬函數值的平均值。

1.5 數據統計與分析

采用Excel 2010進行數據整理和簡單圖表繪制，運用SPSS 23.0對數據進行描述性統計、單因素方差分析及雙因素方差分析，利用Pearson相關法對各指標和磷吸收利用指標之間進行相關性分析，采用Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同施磷水平對柳枝稷株高及分蘗數的影響

隨著施磷水平的提高，兩種生態型柳枝稷的株高和分蘗數均逐漸增加。其中Alamo的株高整體高于Pathfinder，而Alamo的分蘗數整體少于Pathfinder（圖2）。與A0相比，A30和A90處 理 下 柳 枝 稷 株 高 分 別 提 升 了3.39%和13.28%，A0和A30間無顯著差異（P＞0.05），均顯著低于A90（P＜0.05）。與P0相比，P30和P90處理下柳枝稷株高分別提升了6.87%和7.30%，P30和P90間無顯著差異（P＞0.05），均顯著高于P0處理（P＜0.05）。

與A0處理相比，A30和A90處理下柳枝稷分蘗數分別增加了2.99%和7.46%，三者無顯著差異（P＞0.05）。與P0相比，P30和P90處理下柳枝稷分蘗數分別增加了13.12%和19.86%，且P30和P90間無顯著差異（P＞0.05），但均顯著高于P0處理（P＜0.05）。

2.2 不同施磷水平對柳枝稷葉面積指數及干物質積累的影響

隨著施磷水平的提高，兩種生態型柳枝稷的葉面積指數和干物質積累逐漸增加。其中Alamo的葉面積指數和干物質積累整體高于Pathfinder（圖3）。與A0處理相比，A30和A90處理下葉面積指數分別增加了6.87%和21.69%，A0和A30處理無顯著差異（P＞0.05），均顯著低于A90處理（P＜0.05）。與P0處理相比，P30和P90處理下柳枝稷葉面積指數分別增加了4.75%和25.62%，P0和P30處理無顯著差異（P＞0.05），但均顯著低于P90處理（P＜0.05）。

與A0處理相比，A30和A90處理下柳枝稷干物質積累分別顯著提高了13.58%和22.89%（P＜0.05）。與P0處理相比，P30和P90處理下干物質積累分別增加了4.18%和6.92%。

2.3 不同施磷水平對柳枝稷生物產量及產量構成比例的影響

由圖4a可知，隨著施磷水平的提高，兩種生態型柳枝稷的生物產量逐漸增加。其中Alamo的生物產量整體高于Pathfinder品種。與A0處理相比，A30和A90處理下柳枝稷生物產量分別顯著增加了14.89%和23.06%（P＜0.05），A30和A90處理無顯著差異（P＞0.05）。與P0處理相比，P30和P90處理下柳枝稷生物產量分別顯著增加9.75%和20.00%（P＜0.05）。

由圖4b可知，施磷處理對Alamo品種產量構成比例無顯著影響（P＞0.05），莖、葉、穗平均占比為65.57%、29.44%和4.99%；隨著施磷水平的提高，Pathfinder品種柳枝稷莖占生物產量的百分比整體呈先逐漸升高后逐漸降低的總趨勢，在P30處理下最高（P＜0.05），占比為64.04%；葉占生物產量的百分比整體呈先逐漸降低后逐漸升高的總趨勢，在P30處理下最低（P＜0.05），占比為28.99%；穗占生物產量的百分比整體呈逐漸降低的總趨勢，在P0處理下最高（P＜0.05），占比為8.70%。

2.4 不同施磷水平對柳枝稷SPAD值及脯氨酸含量的影響

隨著施磷水平的提高，兩種生態型柳枝稷的SPAD值逐漸增加。與A0處理相比，A30和A90處理下柳枝稷SPAD值分別增加了0.26%和1.77%。與P0處理相比，P30和P90處理下柳枝稷SPAD值分別顯著增加了4.52%和9.06%（P＜0.05），但P30和P90處理無顯著差異（P＞0.05）。

隨著施磷水平的提高，Alamo品種的脯氨酸（Pro）含量逐漸增加（圖5），而Pathfinder品種逐漸降低。與A0處理相比，A30和A90處理下柳枝稷脯氨酸含量分別顯著增加了24.29%和65.93%（P＜0.05）。與P0處理相比，P30和P90處理下柳枝稷脯氨酸含量分別顯著降低了22.60%和35.37%（P＜0.05）。

2.5 不同施磷水平對柳枝稷丙二醛及可溶性糖含量的影響

隨著施磷水平的提高，兩種生態型柳枝稷的丙二醛（MDA）和可溶性糖（SS）含量逐漸增加。其中Alamo品種柳枝稷的丙二醛含量整體高于Pathfinder品種，而Alamo品種柳枝稷的可溶性糖含量整體少于Pathfinder品種（圖6）。與A0處理相比，A30和A90處理下柳枝稷丙二醛含量分別顯著增加了55.35%和76.56%（P＜0.05）。與P0處理相比，P30和P90處理下柳枝稷丙二醛含量分別顯著增加了81.48%和87.01%（P＜0.05），但P30和P90處理無顯著差異（P＞0.05）。

與A0處理相比，A30和A90處理下柳枝稷可溶性糖含量分別增加了3.87%和35.81%，A0和A30處理無顯著差異（P＞0.05），均顯著低于A90處理（P＜0.05）；與P0處理相比，P30和P90處理下柳枝稷可溶性糖含量分別提升了4.83%和15.34%，P0和P30處理無顯著差異（P＞0.05），均顯著低于P90處理（P＜0.05）。

2.6 不同施磷水平對柳枝稷抗氧化酶活性的影響

如表1所示，隨著施磷水平的提高，兩種生態型柳枝稷的過氧化物酶（POD）活性逐漸提高。其中Alamo品種的過氧化物酶活性整體低于Pathfinder品種。與A0處理相比，A30和A90處理下柳枝稷過氧化物酶活性分別顯著增加了53.01%和98.90%（P＜0.05）。與P0處理相比，P30和P90處理下柳枝稷過氧化物酶活性分別顯著增加了33.70%和58.72%（P＜0.05）。

表1 不同施磷水平對柳枝稷抗氧化酶活性的影響Table 1 Effect of different phosphorus application levels on the antioxidant enzyme activity of switchgrass

Alamo品種柳枝稷的過氧化氫酶（CAT）活性隨著施磷水平的提高逐漸提高，與A0處理相比，A30和A90處理下柳枝稷過氧化氫酶活性分別提高了33.74%和150.50%，A0和A30處理無差異顯著（P＞0.05），但均顯著低于A90處理（P＜0.05）。Pathfinder品種柳枝稷過氧化氫酶活性隨著施磷水平的提高呈先逐漸升高后逐漸降低的趨勢，在P30處理下過氧化氫酶活性最高。P0和P90處理較P30處理降低了36.35%和38.67%。

Alamo品種的超氧化物歧化酶（SOD）活性隨著施磷水平的提高逐漸提高，與A0處理相比，A30和A90處理下超氧化物歧化酶活性分別提高了11.88%和19.08%，但A0、A30和A90處理之間無差異顯著（P＞0.05）。Pathfinder品種柳枝稷超氧化物歧化酶活性隨著施磷水平的提高呈先逐漸升高后逐漸降低的趨勢，在P30處理下超氧化物歧化酶活性最高。P0和P90處理較P30處理降低了8.24%和10.55%，P0、P30和P90處理無顯著差異（P＞0.05）。

2.7 柳枝稷開花期各生長指標與生理指標的相關性分析

柳枝稷株高與葉面積指數、干物質積累、生物產量和過氧化氫酶活性呈極顯著正相關（P＜0.01），與丙二醛含量呈顯著正相關（P＜0.05），與分蘗數呈極顯著負相關（P＜0.01）；柳枝稷分蘗數與過氧化物酶活性呈顯著正相關（P＜0.05），與葉面積指數呈極顯著負相關（P＜0.01），與生物產量呈顯著負相關（P＜0.05）；柳枝稷葉面積指數與干物質積累和生物產量呈極顯著正相關（P＜0.01），與過氧化氫酶活性呈顯著正相關（P＜0.05）；柳枝稷干物質積累與生物產量、丙二醛含量和過氧化氫酶活性呈極顯著正相關（P＜0.01），與可溶性糖含量呈顯著正相關（P＜0.05）；柳枝稷生物產量與脯氨酸含量呈顯著負相關（P＜0.05），與丙二醛含量呈極顯著正相關（P＜0.01）；柳枝稷丙二醛含量與可溶性糖含量、過氧化物酶活性和過氧化氫酶活性呈顯著正相關（P＜0.05）；柳枝稷可溶性糖含量與過氧化物酶活性呈極顯著正相關（P＜0.01），與過氧化氫酶活性呈顯著正相關（P＜0.05）；其余各指標之間的相關關系未達到顯著水平（P＞0.05）（表2）。

表2 柳枝稷開花期各生長指標與生理指標之間的相關系數矩陣Table 2 Correlation coefficient matrix between growth indexes and physiological indexes at flowering stage of switchgrass

2.8 隸屬函數法綜合評價柳枝稷開花期的耐鹽性

隨著施磷水平的提高，兩種生態型柳枝稷各抗鹽指標隸屬函數值的平均值整體呈先逐漸遞增后逐漸遞減的趨勢（表3），與不施磷處理相比，施磷處理整體增強了柳枝稷的耐鹽性，均在施磷水平為30 kg·hm-2處理下柳枝稷各抗鹽指標隸屬函數值的平均值最大，分別為0.471和0.619。不同施磷水平下，鹽堿地柳枝稷各抗鹽指標隸屬函數值的平均值從大到小依次為：P30＞P0＞A30＞A90＞P90＞A0，即適當增施磷肥能在一定程度上提高鹽堿地柳枝稷的耐鹽性。

表3 鹽堿脅迫下柳枝稷各抗鹽指標隸屬函數值Table 3 Membership function values of each drought resistance index under saline alkali stress in switchgrass

3 討論

鹽堿脅迫在一定程度上能影響植物的生長與發育，且對其有整體性反應［24］。而磷素作為植物生長所必需的大量營養元素，是構成各種重要有機化合物不可缺少的組成部分。不同施磷水平對植物的生長、生理特性均有較大影響［25］。葛選良等［26］研究不同施磷水平對紫花苜蓿（Medicago sativa）農藝性狀的影響時發現，在4茬紫花苜蓿中，株高、I級分枝數和草產量均隨著施磷量的增加而提高，整體在施磷量為120 kg·hm-2時株高達到最大值，說明適當的增施磷肥能提高紫花苜蓿的干物質積累及生物產量。本研究結果表明，不同施磷處理時，兩種生態型柳枝稷的株高、分蘗數、葉面積指數（LAI）、干物質積累及生物產量隨著施磷量的增加逐漸升高，以施高磷處理下達到最大值。同時發現，施磷處理對Alamo品種產量構成比例無顯著影響，而施低磷處理對Pathfinder品種產量構成比例影響顯著，這與上述結果及陳遠學等［27］的研究結果基本一致。

在鹽堿脅迫下，植物體內Pro、MDA、SS含量及POD、CAT、SOD等保護酶活性會發生相應變化，這些變化量目前已被作為評價逆境傷害程度和植物適應性的指標［28］。葉綠素作為光合色素中的重要色素分子，參與光合作用中光能的吸收、傳遞和轉換等過程，在光合作用中占有重要地位［29］。本試驗表明，隨著施磷水平的提高，兩種生態型柳枝稷的SPAD值、MDA、SS含量及POD活性逐漸提高，以施高磷處理下達到最大值。同時發現，Alamo品種柳枝稷的Pro含量、CAT和SOD活性隨著施磷水平的提高逐漸提高。這說明在低磷、高磷濃度時，Alamo品種柳枝稷的Pro、MDA、SS含量及POD、CAT、SOD等保護酶活性提高，生理代謝增強，引起了體內活性氧的積累，顯著加劇了根系膜脂過氧化作用。整個保護酶系統和鹽堿及磷脅迫之間構成1個動態平衡系統，是柳枝稷適應逆境脅迫的主動適應性機制之一［30］。而Pathfinder品種柳枝稷的Pro含量逐漸降低、CAT和SOD活性先升高后降低，以施低磷處理下達到最大值。這說明在高磷脅迫下，Pathfinder品種柳枝稷的生理代謝受到抑制，CAT、SOD活性無法保持在較高水平上，這與龐春花等［31］研究不同磷水平對藜麥（Chenopodium quinoa）生理特性的影響結果類似。

研究表明，柳枝稷的株高與葉面積指數、干物質積累、生物產量、丙二醛含量和過氧化氫酶活性呈顯著正相關，與分蘗數呈顯著負相關；分蘗數與過氧化物酶活性呈顯著正相關，與葉面積指數和生物產量呈顯著負相關；葉面積指數與干物質積累、生物產量和過氧化氫酶活性呈顯著正相關，干物質積累與生物產量、丙二醛含量、可溶性糖含量和過氧化氫酶活性呈顯著正相關；生物產量與脯氨酸含量呈顯著負相關，與丙二醛含量呈顯著正相關；丙二醛含量與可溶性糖含量、過氧化物酶和過氧化氫酶活性呈顯著正相關；可溶性糖含量與過氧化物酶和過氧化氫酶活性呈顯著正相關。這與張永乾［32］在寧夏銀北地區研究柳枝稷生態適應性的結果不一致，可能是由于不同的生態型品種和施磷水平引起的差異變化。適當地追肥不僅能夠顯著提高作物的生物產量，而且可以提高植株對逆境脅迫的適應能力，同時降低鹽堿地植物對逆境脅迫的敏感程度［33］。施肥對植物耐鹽性影響的研究結果各異，有研究認為施肥可顯著提高小麥葉片在干旱環境中的保水能力，從而提高其對干旱的適應能力［34-35］；本研究結果表明，施磷處理整體增強了柳枝稷的耐鹽性，兩種生態型柳枝稷均在施磷水平為30 kg·hm-2（A30和P30）時各抗鹽指標隸屬函數值的平均值最大，即適當增施磷肥能在一定程度上提高鹽堿地柳枝稷的耐鹽性。這與張歲歧等［36］認為施肥能有效提高春小麥的抗鹽能力基本一致。

4 結論

適當的增施磷肥不僅能提高兩種生態型柳枝稷開花期的株高、分蘗數、葉面積指數、干物質積累和生物產量等農藝性狀，也能提高其SPAD值、丙二醛、可溶性糖含量、過氧化物酶活性等生理特性，還能在一定程度上提高其耐鹽性。隨著施磷水平的提高，兩種生態型柳枝稷開花期的生長、生理特性及耐鹽性整體呈上升趨勢，但過量施磷會導致Pathfinder品種的過氧化氫酶、超氧化物歧化酶活性等生理特性和耐鹽性相對下降。本試驗范圍內，施磷量為30 kg·hm-2處理時，既可以提高兩種生態型柳枝稷的生理特性及生物產量，又能在一定程度上提高其耐鹽性，是較為理想的施磷水平。因此，應進一步探討在堿化土壤缺磷的情況下，對柳枝稷植株的生長發育、生物產量及耐鹽性的影響，從而篩選出磷高效品種，用于指導柳枝稷的引種與栽培。