不同磷供应水平下小麦根系形态及根际过程的变化特征

陈 磊，王盛锋，刘荣乐，汪 洪*

(1农业部植物营养与肥料重点实验室，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081，2中国农业科学院，中国农业科学院研究生院北京100081)

上世纪80年代的第二次全国土壤普查结果表明，我国有近半数省(区)其总面积的50%以上的土壤速效磷含量在5 mg/kg以下，土壤速效磷含量在10 mg/kg以下的占到80% ～90%［1］，土壤缺磷曾是作物生产的主要限制因素之一。为了提高作物产量，缓解不断增加的人口对粮食需求的压力，磷肥施用量持续增加［2］。磷肥施入土壤，作物当季磷肥利用率较低，易被土壤固持或固定，可在土壤中积累。据鲁如坤等估算，从1954年到1992年止的近40年间，我国累计施用磷肥7880万吨(P2O5)，按平均每季磷肥利用率15%和复种指数1.5计算，土壤中的积累态磷(P2O5)可达6100万吨［3］。按鲁如坤的方法计算，在1995～2007年的13年间，我国农田土壤又有约7050万吨P2O5积累。耕地土壤长期定位监测点的数据表明，经过多年来磷肥施用和土壤培肥，我国土壤速效磷含量呈逐年上升趋势，2006年土壤速效磷含量已经达到27.4 mg/kg［4］。积累在土壤中的磷素，若不加以有效利用，既造成了磷肥资源的浪费，也会加大土壤磷素流失的风险，对环境构成一种潜在的污染威胁。

良好的根系形态和生理特性对植物高效利用土壤磷具有重要意义，为适应土壤中养分资源供应不均匀的条件，植物根系往往表现出较强的可塑性反应。研究表明，低磷条件下，植物根系构型发生改变，主根生长受抑，侧根和根毛形成增多，伸长增大［5－7］。在农业生产高度集约化的地区，磷肥过量和不合理施用的现象开始出现。在华北地区的调查结果显示，有43%的农户在小麦季磷肥施用量超过150 kg/hm2［8］。杨莉琳等［9］于 2000 ～ 2002 年在太行山山前平原高产区进行定位试验研究表明，小麦季磷肥施用为75～150 kg/hm2P2O5时对后作玉米的产量没有明显影响。集约化农业生产条件下，养分投入量较大，土壤中较高的磷素供应水平对作物根系生长发育及植株磷素吸收利用有何影响，需要深入研究。

根际是作物—土壤—微生物及环境相互作用的场所，是土壤养分、水分及有害物质从土壤进入作物系统参与食物链物质循环的必经门户。植物同化大气CO2，将部分光合产物转运至地下，促进根系生长，根系分泌物增加，激发根际土壤微生物的生长和新陈代谢，有利于土壤中养分转化，对植物高效利用土壤养分有着重要影响［10］。

缺磷胁迫下植物除了根系形态发生变化外，还可通过根际过程的改变来增强土壤磷的高效利用，如根系分泌质子和有机酸活化土壤中无机磷，磷酸酶促进土壤有机磷向无机磷转化［11］。张福锁等［12］认为，深入研究集约化农业生产体系下根际土壤中养分的动态变化及利用状况，探讨不同基因型作物根际养分形态转化及其有效性，以调节作物根际营养环境，对于提高肥料资源的高效利用、促进农业持续发展具有重要意义。

小麦为须根系植物，根系由胚根(初生根)、节根(次生根)以及侧根组成。侧根从胚根和节根上生长出来，是植物根系的重要组成部分，占到根系总长度和总面积的大部分。本研究选择河北省主推的石麦15和衡观35两个小麦品种为试验作物，进行土培试验，探讨了不同磷肥用量条件下小麦根系形态及根际过程的变化特征。

1 材料与方法

1.1 供试作物

选择目前在河北推广种植的2个小麦品种石麦15和衡观35。石麦15属于冬性，中晚熟品种，亲本来源为GS冀麦38/92R137。衡观35为半冬性，中早熟小麦品种，亲本组合为84观749/衡87－4263。

1.2 供试土壤

供试土壤为砂质潮土，采自河北省廊坊市。土壤有机质含量为5.28 g/kg，全氮0.307 g/kg，Olsen-P 5.24 mg/kg，速效钾(NH4Ac 浸提 K)58.6 mg/kg，pH 8.42(水土比2.5∶1)。

1.3 试验设计

试验在温室进行，采用自制的PVC盆栽装置，高23.5 cm，内径15.2 cm，盆壁厚0.6 cm。在盆中间放置300目尼龙网做成的根袋，每盆装4.5 kg干土，根袋中装1.2 kg干土(图1)。

图1 盆栽示意图Fig.1 The schematic diagram of the pot trial

小麦播种前，一次性底施不同用量的磷肥(以P2O5g/kg干土计):0(不施磷)、0.1(中量)和0.3(高量)。磷肥用 KH2PO4，多余的 K+用 K2SO4平衡，同时按N 0.10 g/kg干土的用量将尿素与土壤混匀底施，补充氮肥。每个处理4次重复。

1.4 植株培养与样品采集

种子经1%(V/V)的NaClO消毒30 min后，去离子水洗净，30℃下催芽，露白后播于土壤中。植株3叶期间苗，每盆留7株。去离子水浇灌，称重法保持土壤含水量为70%的田间持水量。生长44 d后收获地上部分，将根袋取出，收集其中小麦根系样品，抖根法收集根际土，根袋外土壤作为非根际土对照，土壤过1 mm筛后置于－20℃下冷冻保存。

1.5 根系分析

将根系用清水洗净，计数初生根和节根数目。扫描根系样品获取数字化图像，利用WinRHIZO根系分析系统(Regent Instruments Inc.，Canada)对图像进行分析，获得总根长、根系平均直径及直径分别为≤0.16 mm、0.16～0.48 mm和＞0.48 mm范围内的根系长度。

1.6 植株生物量和地上部磷含量的测定

小麦地上部用去离子水洗净，105℃下杀青30 min，70℃下烘干称重。样品粉碎过筛后，用H2SO4－H2O2消煮，钒钼黄比色法测定P含量［14］。根系扫描分析结束后，把样品用去离子水清洗干净，在70℃烘干至恒重，称量得到根系干重。

1.7 土壤有关项目测定

土壤pH值以水∶土比为2.5∶1，pH计测定。土壤Olsen-P用0.5 mol/L NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定［13］。土壤有机磷总量为:550℃下灼烧土壤样品，未灼烧等量土样作对照，0.2 mol/L(1/2 H2SO4)溶液浸提，差值为土壤有机磷含量。土壤微生物量磷采用氯仿熏蒸—NaHCO3提取法测定，土壤微生物量磷Bp=Epi/Kp，其中Epi表示熏蒸和未熏蒸土壤微生物量磷的差值，转换系数Kp取值0.4［14］。土壤碱性磷酸酶采用对硝基苯磷酸盐法测定，酶活性以单位时间内单位鲜重土壤分泌磷酸酶水解底物对硝基苯磷酸二钠所产生的对硝基苯酚的量来表示，酶活单位为 g/(kg·h)［13］。

对试验数据进行方差分析(ANOVA)，采用Duncan新复极差方法检验不同处理之间的差异显著性(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 生物量

从表1可以看出，与中量施磷(P2O50.1 g/kg)处理相比，不施磷处理明显降低了两个品种小麦地上部生物量，石麦15和衡观35分别降低48.7%和42.4%。不施磷小麦植株生长表现出典型的缺磷症状，生长矮小，叶色黄化。与施P2O50.1 g/kg处理相比，高量施磷(P2O50.3 g/kg)处理显著增加了地上部生物量，石麦15和衡观35分别增加30.1%和18.2%。不施磷处理下，石麦15根系干重比中量施磷处理明显较低，降低了26.0%;而衡观35根系生物量下降不明显。高量磷处理未明显增加两个品种小麦根系生物量。在中量和高量磷供应下，石麦15根系干重显著大于衡观35。与中量供磷相比，土壤供磷不足(不施磷)时两个品种小麦的根冠比明显增大，石麦15和衡观35分别增加了47.8%和41.2%;高磷处理下石麦15根冠比显著降低，降低了19.1%;衡观35也呈降低趋势。在相同磷供应水平下，石麦15的根冠比显著大于衡观35。

表1 不同磷供应下小麦生物量Table 1 Biomass of two wheat genotypes under different phosphate(Pi)supply

2.2 地上部磷浓度与累积量

表2显示，小麦地上部磷浓度在不同磷处理间差异不明显。在中量和高量磷供应条件下，衡观35地上部磷浓度显著高于石麦15。与中量磷处理相比，不施磷条件下小麦地上部磷累积量明显降低，石麦15和衡观35分别降低了50.0%和49.2%;高磷处理小麦地上部磷累积量增多，石麦15和衡观35分别比不施磷增加了28.0%和15.4%。在相同磷供应水平下，衡观35地上部磷累积量明显高于石麦15。

表2 不同磷供应下小麦地上部磷浓度与累积量Table 2 P concentration and P accumulation in shoots of wheat plants under different Pi supply

2.3 根系形态

与中量施磷(P2O50.1 g/kg)处理相比，不施磷处理的小麦节根数较少，石麦15和衡观35的节根数分别减少了37.1%和40.2%;高磷处理没有明显增加小麦节根数(表3)。相同磷处理的两个小麦品种节根数无差异。不施磷处理小麦总根长石麦15和衡观35分别比中量磷处理降低了12.8%和34.2%。相比中量磷处理，高磷处理明显增加了石麦15的总根长，增加幅度为36.4%，但衡观35的总根长没有明显增加。石麦15的根系平均直径在不同磷处理间差异不明显;高磷供应显著增加了衡观35小麦根系平均直径。不施磷时衡观35根系平均直径较石麦15小。

2.4 不同直径范围内根系长度分布

与中量磷处理相比，不施磷处理显著降低直径≤0.16 mm的根系长度，石麦15和衡观35分别降低了30.7%和54.5%(表4);而在高磷处理下石麦15直径≤0.16 mm的根系长度显著增加，增加幅度达到72.7%。但对于石麦15，相比中量磷处理，不施磷处理并没有明显降低直径在0.16～0.48 mm范围内的根系长度;而对衡观35，则显著降低了直径在0.16～0.48 mm范围内的根系长度，降低幅度为15.4%;高磷供应下石麦15直径在0.16～0.48 mm范围内根系长度比中量磷处理增加了17.4%，而衡观35的变化不明显。直径＞0.48 mm的小麦根系长度在不施磷处理比中量磷处理明显降低，石麦15和衡观35分别降低了14.7%和28.1%，但高磷处理比中量磷处理明显增加了直径＞0.48 mm的根系长度，石麦15和衡观35的根系长度(＞0.48 mm)分别增加25.8%和50.3%。

表3 不同磷供应下小麦根系形态Table 3 Effects of Pi rates on root morphological characteristics of two wheat genotypes

表4 不同直径范围内根系长度分布Table 4 Root length distribution of wheat classified by various diameters as influenced by different Pi supply

不施磷处理下，直径≤0.16 mm的细根比例在总根长中所占比例较低，而直径在0.16～0.48 mm的根系所占比例较高，随施磷量增加，石麦15根系中细根比例增多，而衡观35根系中细根比例下降。不施磷处理衡观35的直径≤0.16 mm的根系比例较石麦15高，根系相对较细。

相关分析表明，两个小麦品种总根长和直径≤0.16 mm的细根长度与地上部磷浓度之间相关性不明显，而与植株地上部磷累积量之间呈显著正相关关系，相关系数分别达到了0.65和0.53(P＜0.01)。

2.5 根际土壤不同形态磷素含量

表5看出，不施磷条件下根际和非根际土壤中速效磷含量均较低;高磷处理显著增加土壤速效磷含量。不施磷处理的根际土壤速效磷含量显著低于非根际土壤。高磷处理，石麦15的根际和非根际土壤中速效磷含量高于衡观35。

与中量施磷处理相比，不施磷处理根际土壤微生物量磷较高，高磷供应并未明显增加根际土壤微生物量磷;高磷处理衡观35非根际土壤中微生物量磷较高。不施磷时，石麦15根际土壤中微生物量磷含量大于衡观35。不施磷处理下，石麦15根际土壤中微生物量磷含量与非根际土壤差异不明显，衡观35根际土壤中微生物量磷低于非根际土壤;在中量和高量磷供应下小麦的根际土壤中微生物量磷含量均明显低于非根际土壤。不施磷处理小麦非根际土壤中有机磷含量比中量磷处理高;高磷处理非根际土壤中有机磷含量显著降低，石麦15的根际土壤中有机磷含量也较低。

表5 不同磷供应下小麦根际和非根际土壤不同形态磷素含量变化Table 5 Effects of Pi rates on concentrations of various Pi forms in rhizosphere and non-rhizosphere soils

土壤供磷不足(不施磷)时，根际土壤有机磷含量显著低于非根际土壤，而高磷处理，根际土壤中有机磷含量显著大于非根际土壤。不施磷处理，石麦15根际和非根际土壤的有机磷含量均明显高于衡观35。

2.6 根际土壤碱性磷酸酶活性和pH值的变化

与高磷处理相比，不施磷和中量磷处理的根际土壤碱性磷酸酶的活性显著增加，而非根际土壤碱性磷酸酶活性没有变化。在不施磷和中量施磷条件下，根际土壤碱性磷酸酶活性显著高于非根际土壤。相同磷处理条件下，土壤碱性磷酸酶活性在两个小麦品种之间没有明显差异(表6)。

与中量施磷相比，不施磷时小麦根际与非根际土壤pH均较低，而高磷处理两个品种小麦的根际土壤pH明显升高。不同供磷条件对衡观35的非根际土壤pH影响不明显。不施磷时，小麦根际土壤pH略低于非根际土壤;而高磷供应下，根际土壤pH显著高于非根际土壤。在磷供应不足(不施磷)时，衡观35根际和非根际土壤的pH高于石麦15(表6)。

表6 不同磷供应下小麦根际和非根际土壤中碱性磷酸酶活性与土壤pH值的变化Table 6 Effects of Pi rates on alkaline phosphatase activity and soil pH values in rhizosphere and non-rhizosphere soils

3 讨论

本试验显示，两个小麦品种对不施磷和施磷的反应呈现明显差异，与中量磷处理相比，不施磷时衡观35的生物量降低幅度小于石麦15(表1)，但地上部磷含量和累积量(表2)明显高于石麦15，这表明衡观35耐低磷胁迫的能力明显比石麦15强;但在高磷处理下石麦15生物量(表1)和磷累积量(表2)增加幅度明显高于衡观35，表明石麦15对高量磷肥供应的反应强于衡观35。究其原因，可能与根系形态变化有密切关系。适应土壤中养分资源供应不均匀条件，植物根系及根际过程往往表现出较强的可塑性反应。小麦根系总根长以及直径≤0.16 mm的细根长度与植株磷累积量之间呈极显著正相关关系。在不供磷条件下，衡观35根系中直径≤0.16 mm细根长度所占比例比石麦15明显多(表4)，根系平均直径较小(表3)。而在高磷条件下，石麦15根系中直径≤0.16 mm的细根长度较衡观35大，细根在总根长中的比例较高(表4)。土壤供磷不足或高量供磷条件下，小麦根系中直径≤0.16 mm的细根对提高植株吸收土壤磷具有重要的意义。本实验直径≤0.16 mm细根中很大程度上是侧根部分。侧根的发生发育与作物磷营养之间关系密切［15－16］。缺磷和低磷(0.01 mmol/L P)处理下，小麦侧根数明显高于正常或高磷处理，侧根密度也显著增加，侧根数量和侧根总长度与植株吸磷量间呈显著正相关关系［17］。

缺磷胁迫下植物可通过改变根际过程来增强对土壤磷的高效利用［10-11］。不施磷处理下小麦根际土壤速效磷含量明显降低，施用磷肥显著增加根际和非根际土壤磷含量(表5)。土壤磷分为有机磷和无机磷两种形态。李和生等［18］研究发现小麦根际土壤有机磷总量低于非根际土壤，认为根际土壤中活性有机磷、中度活性有机磷含量降低可能是因为降解，从而增加了土壤速效磷含量。本试验也发现在不施磷下，小麦根际土壤中有机磷含量显著低于非根际土壤，但在高磷供应下根际土壤中有机磷含量高于非根际土壤(表5)。

土壤微生物量磷是指土壤中所有活体微生物所含有的磷，是土壤有机磷中最活跃的部分，在农业土壤中微生物量磷约占有机磷总量的3%左右［19］，但土壤微生物量磷周转速率快，对土壤磷的循环转化有着重要的作用［14］。与中量磷处理相比，不施磷处理小麦根际土壤微生物量磷含量较高，高磷供应并未增加根际土壤微生物量磷;在中量和高量磷施用下的两个小麦品种根际土壤微生物量磷含量均低于非根际土壤(表5)。

缺磷条件下81(85)5-3-3-3和NC37小麦在低磷水平根系分泌酸性磷酸酶活性分别为供磷水平的1.6和1.3倍［17］。低磷胁迫下，不同玉米基因型根际磷酸酶活性增加程度不同，耐低磷基因型根际磷酸酶活性较高［20］。土壤磷酸酶可通过水解磷酸单酯除去底物分子上的磷酸基团，促进土壤有机磷向无机磷转化，生成磷酸根离子，提高土壤有机磷的作物有效性［11］。本试验发现，在不施磷和中量磷供应下，小麦根际土壤中碱性磷酸酶活性显著高于非根际土壤，但高磷供应下，根际土壤中碱性磷酸酶活性较低(表6)，根际土壤中有机磷的下降与碱性磷酸酶活性的较高相一致，表明低磷胁迫下，小麦根际土壤中碱性磷酸酶活性升高，有利于促进有机磷的分解，导致根际土壤有机磷含量下降，而高磷供应下，根际有机磷转化过程不如低磷下明显。

缺磷胁迫时植物根系分泌质子和有机酸量增加，导致根际酸化，pH降低，促进土壤磷的溶解，提高磷的有效性［11，21］。与低效型相比，低磷胁迫下磷高效菜豆不仅改变根系构型和形态，且分泌更多的质子和有机酸［22］。本研究表明与中量供磷相比，不施磷条件下小麦根际土壤pH较低，而高磷处理的根际土壤pH较高。不施磷时，小麦根际土壤pH略低于非根际土壤;在高磷条件下，根际土壤pH显著大于非根际土壤(表6)，表明小麦适应低磷胁迫时，根际pH降低，而土壤供磷充足甚至磷高量时，小麦根际酸化过程不明显。

综上所述，不同施磷水平下，小麦根系形态和根际过程产生可塑性反应。土壤供磷不足时，衡观35和石麦15两个小麦品种的根系形态和根际过程均发生了适应性变化，而高供磷条件下，小麦根系形态的改变因品种而异。

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