不同低磷水平對山白蘭幼苗養分含量和葉綠素熒光特性的影響

劉 云，吳芳蘭，陳 凱，楊 梅

（1.廣西農業職業技術大學，廣西南寧530007；2.廣西大學 林學院，廣西南寧530004）

山白蘭（Paramichelia baillonii）為木蘭科（Magnoliaceae）合果木屬常綠喬木，具有適應性強、生長較快、樹干通直圓滿、枝葉茂密且冠形美觀等特點，是熱帶和南亞熱帶速生珍貴樹種，也是優良的城鄉園林綠化樹種[1]。其木材結構細密、耐腐抗蟲、花紋美觀，是膠合板、木地板和家具的優良用材，具有很好的發展前景[2]。

磷（P）是植物細胞重要的組成和必需元素，參與植物體內多個生理反應過程，對植物的生長發育、代謝及營養物質的產生和積存起著重要作用，在光合作用過程中起到物質轉化和運輸及促進電子傳遞等作用[3-5]。我國南方地區酸性紅壤對P元素具有強烈的化學固定作用，土壤P大多數以核酸、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，導致南方人工林產量受土壤有效P缺乏限制[6-8]。因此，開展山白蘭低P脅迫研究，對山白蘭人工林發展具有重要意義。

低P脅迫影響植物對氮（N）、P和鉀（K）大量元素及鈣（Ca）、鎂（Mg）和鐵（Fe）等中微量元素的吸收與利用[9-10]。低P脅迫下，橡膠樹（Hevea brasiliensis）幼苗N和K的吸收利用會受到影響[11]；香蕉植株中部分中、微量元素的吸收會受到抑制[12]。低P脅迫也影響植物葉片葉綠素熒光參數，如杉木（Cunninghamia lanceolata）幼苗的葉綠素熒光參數在不同程度P脅迫下均發生變化[13]。目前，國內開展過山白蘭苗期配施磷肥的研究[14]，但并未涉及不同程度低P脅迫對其大、中及微量元素吸收、利用和葉片葉綠素熒光參數影響的研究。本研究以2年生山白蘭幼苗為材料，通過沙培試驗，研究不同低P水平對山白蘭幼苗各器官中養分含量和葉綠素熒光特性的影響，探究低P脅迫下山白蘭養分吸收的適應機制和光反應系統效率，為我國南方山白蘭栽培管理提供科學的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西壯族自治區南寧市西鄉塘區廣西大學苗圃（108°22'E，22°48'N），屬亞熱帶季風氣候，陽光充足，雨量充沛，霜少無雪；夏長冬短，夏季潮濕，冬季稍干燥。年均氣溫21.6℃，年均降水量1 304.2 mm，年均相對濕度79%。

1.2 試驗材料

供試材料為2年生山白蘭幼苗，由廣西壯族自治區國有七坡林場提供。培養基質為河沙，使用前先用自來水沖洗，再用3%的鹽酸溶液浸泡1周，除去其中的碳酸鈣等物質；1周后用自來水沖洗，并用去離子水沖洗3遍后備用。培養液為改良后的Hoagland營養液，全營養液pH值用Ca（OH）2與稀H2SO4調整到5.5左右，低P處理營養液則用KCl代替KH2PO4。

1.3 試驗設計

采用完全隨機試驗設計，設置5個P水平處理，每處理設置3個重復，每重復10株苗。P水平分別為31、10、5、1和0 mg/L；其中，31 mg/L為正常供P水平[11]。2019年4月1日，用自來水將山白蘭幼苗沖洗干凈后，挑選出長勢一致、健康的植株移入裝有3 kg河沙的育苗盆（上口徑15 cm、下口徑8 cm、高10 cm，帶托盤）中，每盆定植1株。定植后，用正常P水平營養液每2天澆灌1次，每盆200 mL。正常P水平營養液澆灌1周后，于2019年4月8日開始進行不同水平P處理。利用不同濃度營養液對各處理的培養沙進行沖洗，使原來濃度營養液全部替換為處理營養液，隨后每周澆1次營養液，每盆500 mL。2019年9月30日處理結束，收獲山白蘭幼苗植株各部分，帶回實驗室。

1.4 指標測定

1.4.1 生長指標測定

采用卷尺與數顯游標卡尺（精確至0.01 mm）測量P處理前后的幼苗苗高和地徑。利用P處理前后的苗高、地徑測量值，計算苗高增長率（%）與地徑增長率（%）。計算公式為：

1.4.2 養分含量測定

分別將植株的根、莖和葉烘干并粉碎，過80目篩，每處理精確稱取3份平行樣品各0.5 g，測定全N、全P、全K、Ca、Mg和Fe的含量。采用H2SO4-H2O2-溴酚藍比色法測定全N含量，采用鉬銻抗比色法測定全P含量，采用原子吸收分光光度法測定全K、Ca、Mg和Fe含量[15]。

1.4.3 葉綠素熒光參數測定

試驗結束前，在每個處理中選擇3株（每個重復選1株）生長勢一致、葉片完好的苗木，選擇其頂葉起第3張成熟完好葉片，測定葉綠素熒光參數，測定儀器為PAM 2000便攜式熒光成像系統（德國WALZ產）。測定前將葉片暗適應處理30 min，測定參數包括初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、最大光化學速率（Fv/Fm）、實際光化學量子效率（Y（II））、非光化學淬滅系數（qN）及光化學淬滅系數（qP）。

1.5 數據處理

采用Excel 2019和SPSS軟件進行數據處理及圖表繪制，采用Duncan法進行多重比較，數據為平均數±標準差。

2 結果與分析

2.1 不同低P水平下山白蘭幼苗生長特征

隨P水平降低，山白蘭幼苗苗高增長率和地徑增長率均呈下降趨勢（圖1a～b）。31、10及5 mg/L處理間的苗高增長率差異不顯著；當P水平由5 mg/L降至1 mg/L時，苗高增長率顯著降低（P＜0.05）；地徑增長率在31 mg/L處理最高，顯著高于其他處理（P＜0.05），其他處理間差異不顯著。

圖1 不同低P水平下山白蘭幼苗苗高與地徑增長率Fig.1 Growth rates of height and ground diameter of P.baillonii seedlings under different low P levels

2.2 不同低P水平下山白蘭幼苗養分吸收特征

2.2.1 不同低P水平下山白蘭幼苗大量元素N、P和K的含量

山白蘭幼苗各器官的N、P及K含量均隨P水平降低呈下降趨勢（表1）。各器官中的N含量表現為葉＞莖＞根。10、5、1和0 mg/L處理下，葉和莖的N含量均顯著低于31 mg/L處理（P＜0.05）；其中，5、0 mg/L處理均與1 mg/L處理的葉N含量差異不顯著；10、1 mg/L處理均與5 mg/L處理的莖N含量差異不顯著。1和0 mg/L處理的根N含量均顯著低于31 mg/L處理（P＜0.05），31、10和5 mg/L處理間根N含量差異不顯著。

表1 不同低P水平下山白蘭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

當P水平為5 mg/L時，各器官的P含量表現為根＞葉＞莖；其他處理的根和莖P含量接近，均低于葉P含量。10、5、1和0 mg/L處理的根、莖及葉P含量均顯著低于31 mg/L處理（P＜0.05）；當P水平為0 mg/L時，根、莖和葉P含量均最低。

當P水平為0 mg/L時，各器官的K含量表現為葉＞莖＞根；其他處理各器官的K含量表現為莖＞葉＞根。31 mg/L處理的根K含量顯著高于0 mg/L處理（P＜0.05）；其他處理間差異不顯著；31 mg/L處理的莖和葉K含量均顯著高于其他處理（P＜0.05）；0 mg/L處理均最低。

2.2.2 不同低P水平下山白蘭幼苗中量元素Ca、Mg及微量元素Fe的含量

各器官的Ca含量均表現為葉＞根＞莖（表2）。根Ca含量在10 mg/L處理下最高，顯著高于5和0 mg/L處理（P＜0.05），與31和1 mg/L處理差異不顯著；在5 mg/L處理下最低。莖Ca含量在1 mg/L處理下最高，顯著高于31、10和5 mg/L處理（P＜0.05），與0 mg/L處理差異不顯著；；在5 mg/L處理下最低。葉Ca含量在5 mg/L處理下最高，顯著高于10、5、1和0 mg/L處理（P＜0.05）；在10 mg/L處理下最低。

表2 不同低P水平下山白蘭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

當P水平高于或等于5 mg/L時，各器官的Mg含量均表現為根＞莖＞葉；當P水平低于5 mg/L時，表現為根＞葉＞莖。各器官的Mg含量均隨P水平降低呈先升后降的趨勢。根和莖Mg含量均在5 mg/L處理下最高，顯著高于其他處理（P＜0.05）；分別在0和1 mg/L處理下最低。葉Mg含量在1 mg/L處理下最高，顯著高于其他處理（P＜0.05）；在10 mg/L處理下最低。

各器官的Fe含量均表現為根＞莖＞葉，均隨P水平降低呈先降后升再降的趨勢。根Fe含量在31 mg/L處理下最高，顯著高于其他處理（P＜0.05）；在0 mg/L處理下最低。莖和葉Fe含量均在1 mg/L處理下最高，顯著高于其他處理（P＜0.05）；均在5 mg/L處理下最低。

2.3 P水平與山白蘭幼苗根、莖和葉養分含量間的相關性分析

對P水平與山白蘭幼苗不同器官中的養分含量進行Pearson相關分析。結果顯示，P水平與根P、K含量均呈顯著或極顯著正相關（P＜0.05，P＜0.01），與莖P含量呈顯著正相關（P＜0.05），與葉N、P和K含量均呈顯著或極顯著正相關（P＜0.05，P＜0.01）（表3～5）。山白蘭幼苗各器官中營養元素間的相關性表現為根P含量與K含量呈極顯著正相關（P＜0.01）；莖中的N、P與K含量兩兩間呈顯著或極顯著正相關（P＜0.05，P＜0.01），Mg含量與Ca、Fe含量均呈顯著負相關（P＜0.05）；葉N、P和K含量兩兩間呈極顯著正相關（P＜0.01）。

表3 P水平與山白蘭幼苗根中各養分含量之間的相關系數Tab.3 Correlation coefficients among P level and nutrient contents in roots of P.baillonii seedlings

2.4 不同低P水平下山白蘭幼苗葉片的葉綠素熒光特性

隨P水平降低，Fm、Fv/Fm和Y（Ⅱ）呈降低趨勢，Fo呈先升后降的趨勢，qN呈上升趨勢，qP變化不明顯（圖2a～f）。31和10 mg/L處理的Fm、Fv/Fm和Y（Ⅱ）均較高，顯著高于其他處理（P＜0.05）。1 mg/L處理的Fm、Fv/Fm、Y（Ⅱ）和qP均最小，均與5 mg/L處理差異不顯著，均顯著低于其他處理（P＜0.05）。31與10 mg/L處理的qN均較低，當P水平低至5 mg/L時，qN顯著提高（P＜0.05），其最高值出現在0 mg/L處理。1 mg/L處理的Fo最大，其次為5 mg/L處理，兩 者均顯著高于其他處理（P＜0.05）；10 mg/L處理的Fo最小，與31 mg/L處理差異不顯著。

圖2 不同低P水平下山白蘭幼苗葉片的葉綠素熒光特性Fig.2 Chlorophyll fluorescence characteristics of leaves of P.baillonii seedlings under different low P levels

表4 P水平與山白蘭幼苗莖中各養分含量之間的相關系數Tab.4 Correlation coefficients among P level and nutrient contents in stems of P.baillonii seedlings

表5 P水平與山白蘭幼苗葉中各養分含量之間的相關系數Tab.5 Correlation coefficients among P level and nutrient contents in leaves of P.baillonii seedlings

2.5 山白蘭幼苗葉片養分含量與葉綠素熒光參數的相關性分析

N和P含量與qN均呈顯著負相關（P＜0.05）；K含量與Fm呈顯著正相關（P＜0.05），與qN呈顯著負相關（P＜0.05）；Mg含量與Fo和qN均呈顯著正相關（P＜0.05），與Fv/Fm和Y（II）均呈顯著負相關（P＜0.05）；Ca和Fe含量與葉綠素熒光參數均無顯著相關性（表6）。

表6 山白蘭幼苗葉片養分含量與葉綠素熒光參數的相關系數Tab.6 Correlation coefficients among nutrition contents of leaves and chlorophyll fluorescence parameters of P.baillonii seedlings

3 討論與結論

3.1 不同低P水平對山白蘭幼苗生長與養分吸收的影響

供P水平影響植物生長。本研究中，山白蘭幼苗苗高與地徑生長均受到供P水平影響。在低P脅迫下，為維持正常的代謝活動，植物可通過改變自身對養分的需求和其他生理機制增強養分吸收強度[16]。黑木相思（Acacia melanoxylon）在缺P脅迫下，葉P積累量最高，其次為莖，最低為根[17]。本研究中，當P水平為5 mg/L時，根P含量最高，其次為葉；當P水平為31、10、1及0 mg/L時，葉P含量最高，根和莖P含量接近。其原因可能是一定的低P脅迫使山白蘭幼苗根部活力增加，有利于山白蘭幼苗對P的吸收；當P水平高于5 mg/L時，根系正常吸收的P可滿足山白蘭幼苗營養需求，P主要被運輸至葉片參與各項代謝活動，有利于地上部分生長；P水平低于5 mg/L時，為維持光合作用的正常進行，當P主要被運輸至葉片。

低P脅迫不僅會使植物中P元素含量降低，同時還會干擾其他元素的吸收[18]。本研究中，低P脅迫下，山白蘭幼苗各器官的N和K含量均不同程度降低，與棉花[19]的研究相似。有研究表明，P和N在低P脅迫下存在互作效應，如低P脅迫下，雷竹（Phyllostachys praecox）竹片和竹稈的N和P含量呈顯著或極顯著正相關[20]。本研究中，山白蘭根的P與K含量呈極顯著正相關，莖和葉N、P及K含量兩兩間均呈極顯著或顯著正相關，說明山白蘭植株中P含量與N、K含量均存在互作效應。

低P脅迫下，植物根系對Ca、Mg、Fe、Mn、Cu和Zn等中、微量元素的吸收、運輸和利用也會受到影響[9-10]。本研究中，山白蘭幼苗根、莖及葉Ca、Mg和Fe含量與P水平均無顯著相關性，說明山白蘭幼苗對中、微量元素的吸收利用不易受外界不利因素影響。當P水平低于5 mg/L時，山白蘭幼苗的根Mg含量隨P水平降低而降低，說明P濃度低于一定水平時不利于山白蘭幼苗根系對Mg元素的吸收利用。本研究中，隨P水平降低，山白蘭幼苗葉Ca含量呈先降后升再降的趨勢，Mg含量呈先升后降的趨勢。于姣妲等[21]研究發現，低P脅迫下，杉木（Cunninghamia lanceolata）幼苗葉片Mg含量隨P水平增加呈先升后降的趨勢，Ca含量的變化趨勢相反；臧成鳳等[22]研究發現鐵核桃（Juglans sigillata）葉Ca和Mg含量均隨P水平上升而增加。可能是由于供P水平對植株不同部位Ca和Mg含量的影響具有植物種類特異性。本研究中，1 mg/L處理的山白蘭幼苗莖和葉Fe含量顯著高于31 mg/L處理，與小麥[23]在低P脅迫下其種子Fe含量高于對照的研究結果相似，說明一定程度的P脅迫能提高山白蘭幼苗地上部分Fe元素的積累。本研究中，山白蘭幼苗莖中的Mg含量與Ca、Fe含量均呈顯著負相關。這可能是由于Mg元素在植物體內為可參與循環的元素，Ca和Fe元素為植物體內不能參與循環的元素[24]，隨P脅迫加重，為維持植株體內代謝平衡，Mg元素轉移至代謝旺盛的部位，Ca、Fe元素被吸收后不移動。

3.2 不同低P水平對山白蘭幼苗葉片葉綠素熒光參數的影響

P主要通過調節光合反應中的磷酸化、能量利用及RuBP的再生和活性限制植物的光合作用[25]。葉綠素熒光作為光合探針，能快速反映葉片PSⅡ反應中心的變化，其中ΦPSⅡ、qP、qN和ETR等熒光參數對光合作用影響較大，可實現對植株P脅迫的無損檢測[17，26-27]。本研究中，隨P水平降低，山白蘭幼苗Fm、Fv/Fm和Y（Ⅱ）呈降低趨勢，Fo和qN呈上升趨勢，這與大花序桉（Eucalyptus cloeziana）[28]的研究結果相似。有研究表明，P元素缺乏對臺灣相思（Acacia confusa）葉綠素熒光參數的影響不大[29]。說明不同樹種在缺P環境中調節代謝的能力存在差異。Fm和Y（Ⅱ）反映PSⅡ系統的電子傳遞情況；Fv/Fm反映PSⅡ光化學效率大小，如果Fv/Fm大幅降低，說明反應中心遭受不可逆的破壞，植物受到光抑制；Fo表示植物葉片的PSⅡ反應中心在完全開放時的熒光產量，PSⅡ反應中心被破壞或者可逆失活時，其值會增大；qP可衡量PSⅡ反應中心的開放程度，qN可衡量植物把多余光能耗散為熱量的能力[30]。本研究中，10和31 mg/L處理的Fm、Fv/Fm、Y（Ⅱ）及qP均較高，Fo和qN均較低；當P水平降至5 mg/L時，Fm、Fv/Fm和Y（Ⅱ）顯著降低，Fo和qN顯著升高，說明山白蘭幼苗光合系統受到明顯影響。有研究發現，甜瓜（Cucumis melo）幼苗為緩解低P脅迫造成的光抑制，通過類囊體腔的酸化引發非光化學猝滅，以耗散多余的激發能[31]。本研究中，當P水平低于5 mg/L時，山白蘭葉片內PSⅡ反應中心可能遭到破壞，電子傳遞速率降低；為應對P脅迫，葉片通過提高光能耗散為熱量的能力來保護光合機構，維持植物體正常的生長。有研究發現，黑木相思葉片N、P和K含量與葉綠素熒光參數均有較強相關性[17]。本研究中，葉片中N、P、K和Mg含量與某些葉綠素熒光參數均呈顯著正相關或負相關，Ca、Fe含量與葉綠素熒光參數無顯著相關性，說明低P脅迫下N、P、K和Mg含量的變化可能對山白蘭幼苗的光合能力產生影響。

3.3 結論

山白蘭幼苗苗高與地徑增長率均隨P水平降低而降低。不同低P水平對山白蘭幼苗不同器官中的N、P和K含量有明顯影響，隨P水平降低均呈下降趨勢；對山白蘭幼苗根、莖及葉中的Ca、Mg和Fe含量影響較小，當P水平低于5 mg/L時，根Mg含量隨P水平降低而顯著降低。低P脅迫不同程度地降低葉綠素熒光參數Fm、Fv/Fm及Y（Ⅱ），提高Fo和qN，其中5 mg/L P水平是葉片光合能力受到脅迫的臨界點。低P脅迫下，葉片中N、P、K和Mg含量與葉綠素熒光參數相關性較高。植物主要通過根吸收養分，在低P脅迫下，植物可通過調節根系分泌物適應低P脅迫，但本研究未對低P脅迫下山白蘭幼苗根系分泌物進行測定。在今后的研究中，可對不同P水平下山白蘭幼苗根系和分泌物進行有機酸含量測定，并利用根系分泌物和有機酸對不同地區的土壤進行活化驗證，為山白蘭種植區土壤改良提供參考。