羊草生长和光合生理特性对不同施磷强度的响应

李会军，胡雨彤,2，刘美君,3，盛建东,2，张文太,2，张少民，孟 捷

（1. 新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2. 新疆土壤与植物生态过程重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052；3. 新疆草地资源与生态实验室，新疆 乌鲁木齐 830052；4. 新疆农业科学院核技术生物技术研究所 /农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830091）

羊草(Leymus chinensis)是禾本科赖草属多年生根茎型牧草，主要分布于欧亚草原带东部和我国的松嫩平原以及内蒙古高原东部[1]，大量研究表明羊草具有适口性好、再生能力强、持绿期长、叶量多等优点，是我国禾本科牧草中分布最广、利用价值最高的优良牧草资源之一[2-3]。羊草对不同生活环境也有较强的适应性，具有抗寒、抗旱、耐瘠薄、耐践踏、耐盐碱等特性，对治理土地荒漠化和改善我国北方草原生态环境尤为重要[4]。

磷(phosphorus, P)是植物生长发育所需的大量元素[5]，对作物生长发育及产量的形成有着重要的影响，此外磷还参与植物体内多种有机化合物的合成以及新陈代谢过程[6-7]。作物生长发育和产量形成的生理基础主要来自光合作用[8]，这一过程需要磷素的参与才能进行，磷不仅是核酸和磷脂的重要组成成分，也是蛋白质功能的重要调节因子，光合磷酸化作用能够将光能转化为化学能，并将光能以化学能的形式储存在三磷酸腺苷(adenosine 5’-triphosphate, ATP)的高能键中[9-10]。植物体内叶绿素荧光的变化能够在一定程度上反映环境因子对植物影响的大小，由于叶绿素荧光具有快速和非破坏性的特点，所以经常被用于测定植物的光合性能[11]，一般来说磷的缺失会导致幼芽生长受到抑制以及各种代谢过程发生变化[12]。有研究表明，缺磷时会导致水稻(Oryza sativa)品种的光合速率和可溶性蛋白质含量不断下降[13]。

土壤中磷对羊草产量的影响仅次于氮，缺磷时会抑制羊草的光合作用，进而降低生物量的积累和干物质的产量[14-15]。当前关于羊草与磷素的研究主要集中于氮磷配施对羊草生物量及其土壤理化性质的影响以及养分利用效率方面[16-19]。针对新疆地区不同施磷强度对羊草生长特征和光合特性的研究较少，不同施磷强度是如何影响羊草光合特性与生长特征的尚不明确。因此，本研究以羊草为研究对象，从羊草生长特征和光合特性两个方面系统地探讨施磷强度对羊草的影响，以期获得有利于羊草生物量积累的最佳施磷范围，为新疆地区栽培羊草草地建植中磷肥的合理施用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以羊草为供试材料，播种前进行筛种，选择较为饱满的种子，将质量较差的种子进行剔除，以减小对试验的影响。

1.2 试验设计

试验设计4 个施磷水平，CK (P0)：不施磷处理；P70：施 磷70 kg·hm−2(P2O5)；P140：施 磷140 kg·hm−2(P2O5)；P210：施 磷210 kg·hm−2(P2O5)。每 个 处理12 个重复。各处理所用氮肥一致，为保障植物对氮素营养的基本需求，根据羊草正常生长所需，在试验过程中氮肥施用量为150 kg·hm−2[纯氮(nitrogen,N)]，因为试验所用土壤中钾的含量较高，所以在试验过程中并未添加钾肥。由于试验所用磷酸一铵中含有部分氮，因此缺少的氮用尿素补充，使得各施磷水平间的氮含量一致，氮肥作为底肥，试验所用氮肥和磷肥分别为尿素(含N 46.0%)和磷酸一铵(含P2O561%，含N 12.0%)，由云南云天化股份有限公司提供。

于2020 年5 月7 日在新疆农业大学草业与环境科学学院进行，供试土壤为新疆农业大学三坪农场试验基地未经施肥处理的石灰性土壤，其耕作层土壤有机质含量为14.6 g·kg−1，碱解氮含量为45.14 mg·kg−1，全磷含量为0.60 g·kg−1，速效磷含量为13.3 mg·kg−1，速效钾含量为188 mg·kg−1。在盆栽试验之前对土壤进行预处理，即风干、除杂、过筛，风干土壤称重装入花盆(直径20 cm、高15 cm)中，每盆约4.2 kg。将称好的肥料与土壤充分混匀后加入花盆内，然后每个花盆内加入等量的水，使其保持田间最大持水量，24 h 后播种，每个花盆的播种量一致，播种深度为2 cm，出苗10 d 后进行间苗使每盆的株数保持在30 株，用于相关指标的测定。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 生长指标的测定

2020 年6 月19 日，每个处理各选择3 盆，每盆各选取10 株具有代表性的植株，用于测定株高。测定完毕后采集整盆样品，并迅速放于保温箱中带回实验室将地下部根系与地上部齐地面分开后，将羊草根系用蒸馏水冲洗干净后用滤纸吸干水分，然后在105 ℃杀青0.5 h，最后在75 ℃下烘干24 h 后，分别称取地上部与地下部生物量的干重。

1.3.2 光合生理特性的测定

播种后45 d，选择晴朗天气(2020 年7 月9 日)，采用便携式光合仪(CIRAS-2 PP system, Hansha, UK)于09:00 - 11:00 测定生长健康、长势一致的旗叶的气孔交换指标，每30 min 测定一次，重复4 次。各处理分别测定3 株取平均值，测定时避开光合午休，并尽可能避开叶脉，空气瓶置于测试点2 m 外。测定时叶温设为25 ℃，记录净光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、气孔导度(stomatal conductance, Gs)、蒸腾速率(transpiration rate, Tr)、胞间二氧化碳浓度(intercellular CO2concentration, Ci)。在测定光合作用时，同时利用便携式手持式叶绿素荧光仪(FluorPen FP 110,CR)测定叶绿素荧光参数，事先经过30 min 的暗适应，获取初始荧光(Fo)、最大光化学效率(Fv/ Fm)以及PSⅡ活性。选择羊草最上部完全展开、长势一致的旗叶，用SPAD-502 叶绿素仪直接测定相对叶绿素含量(用SPAD 值表示)。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2007 整理，使用Origin 2019软件绘制图表，用SPSS 19.0 进行显著性检验。为了解不同施磷处理间是否存在显著差异，对各施磷强度处理的地上生物量、株高、Pn、Gs、Ci、Tr以及荧光参数等进行单因素方差分析，采用最小显著差数法(LSD)进行多重比较，显著水平P< 0.05，利用羊草生物量与施磷强度进行拟合，求出理论最大施磷强度。所有数据用平均值 ± 标准误来表示。

2 结果与分析

2.1 不同施磷强度对羊草生长特征及相对叶绿素含量的影响

羊草的株高随施磷量的增加呈先增加后降低的趋势，不同处理间差异显著(P< 0.05) (表1)。在P140处理下的株高最高，显著高于其他处理(P<0.05)；P140处理与不施磷(CK) 和低磷处理(P70)相比，株高分别增加了111.57%和39.19%；P140处理与最大施磷量(P210)相比，株高增加了8.28%。低磷处理(P70) 的株高与CK 间差异显著(P< 0.05)，P70处理比CK 株高增加了52.00%。因此，增加施磷强度，在一定范围内有利于羊草株高的增加。SPAD 值随着施磷强度的增加而增加，在施磷强最大(P210)时达到最大值，P140和P210处理的SPAD 值显著大于CK(P< 0.05)，各施磷处理(P70、P140和P210)下SPAD 值较CK 分别上升了2.28%、10.04%和19.68%。

表1 不同施磷强度对羊草株高及相对叶绿素含量的影响Table 1 Effects of phosphorus treatments of different intensities on height and relative chlorophyll content in Leymus chinensis plants

羊草地上部生物量、地下部生物量与总生物量的变化趋势一致，均随着施磷强度的增加而呈现先增加后降低的趋势，在P140下生物量含量达到最大(图1)。各施磷处理(P70、P140和P210)的地上部生物量与CK 间差异显著(P< 0.05)，相比于CK 地上部生物量分别增加了13.81%、35.31%和21.85%，地下部生物量分别增加了8.22%、19.63% 和15.53%；在70～140 kg·hm−2，羊草总生物量的增加与施磷量呈正相关关系，各施磷处理(P70、P140和P210)与不施磷相比，总生物量分别增加了12.26%、31.10%和20.10%。羊草的根冠比在P140处理下最小，相比于CK、P70和P210差异显著(P< 0.05)，随着施磷强度的增加，羊草的根冠比呈先下降后上升的趋势，与CK 相比，施磷条件(P70、P140和P210)下羊草的根冠比分别下降了5.22%、10.53%和5.26%。

图1 不同施磷强度对羊草地上生物量、地下生物量、根冠比和总生物量的影响Figure 1 Effects of phosphorus treatments of different intensities on the aboveground biomass,underground biomass, root-cap ratio, and total biomass of Leymus chinensis

为进一步研究羊草生物量与不同磷素之间的关系，对羊草生物量和施磷量进行拟合(图2)，通过拟合曲线方程计算得出，羊草总生物量、地上生物量和地下生物量与施磷量拟合曲线的R2分别为0.871 7、0.861 3 和0.921 6，说明该拟合曲线方程可较准确的估算最佳磷肥施用量，通过估算，当理论最大施磷量达到148.75 kg·hm−2时，羊草地上部生物量达到最大(7.37 g·盆−1)，而总生物量在施磷量为158.89 kg·hm−2时达到10.04 g·盆−1。

图2 不同施磷强度对羊草生物量的影响Figure 2 Effects of applying phosphorus at different intensities on the biomass of Leymus chinensis plants

2.2 不同施磷强度对羊草光合特性的影响

Pn随着施磷强度的增加呈先升高后降低的趋势，在P140时达到最大(图3)。P140和P210处理的Pn与CK 和P70处理之间存在显著性差异(P< 0.05)，相比于CK，各施磷处理(P70、P140和P210)的净光合速率增加了1.81%、8.79%和7.81%。Ci虽然随着施磷强度的增加而增加，但各处理间差异并不显著(P>0.05)。不同施磷量下，羊草叶片的Tr随着施磷量的增加而增加，在施磷量P210时达到最大，相比于CK，各施磷处理(P70、P140和P210)的Tr分别增加了5.00%、7.69% 和16.54%。羊草叶片的Gs在各处理之间无显著差异(P> 0.05)，随施磷量的增加呈先降低后升高再降低的趋势，在P140时达到最大值，各施 磷 处 理(P70、P140和P210) 与CK 相 比，P70和P210处理的Gs分别下降了5.29% 和5.89%，而在P140处理时增加了14.12%。

图3 不同施磷强度对羊草Pn、Ci、Tr 和Gs 的影响Figure 3 Effects of phosphorus treatments of different intensities on Pn, Ci, Tr, and Gs of Leymus chinensis plants

2.3 不同施磷强度对羊草叶绿素荧光的影响

羊草的光化学效率(Fv/ Fm)、Fo随着施磷量的增加呈先增加后下降的趋势，在P140时达到最大值，且在P140处理下Fv/ Fm与CK 差异显著(P< 0.05)，相比于CK，不同施磷强度(P70、P140和P210) 下羊草叶片的Fv/ Fm分别增加了1.25%、3.75%和2.50%(图4)。羊草Fo/ Fm随着施磷量的增加呈先降低后升高的趋势，在P140时Fo/ Fm最小，P210处理的Fo/ Fm与P140之 间 差 异 显 著(P< 0.05)，与CK 相 比，P70、P140处理的Fo/ Fm分别下降了1.28%和7.14%，而P210处理的Fo/ Fm上升了6.03%。PSⅡ活性随着施磷量的增加呈先增加后降低的趋势，在P70下达到最大值，显著大于CK (P< 0.05)，各施磷处理(P70、P140和P210) 下PSⅡ活性分别增加了56.41%、38.46%和38.46%。

图4 不同施磷强度对羊草Fv / Fm、Fo、Fo / Fm 和PSⅡ活性的影响Figure 4 Effects of phosphorus treatments of different intensities on the photochemical efficiency (Fv / Fm),initial fluorescence (Fo), Fo / Fm, and PSⅡ activity of Leymus chinensis plants

3 讨论

3.1 不同施磷强度对羊草生长特征的影响

本研究表明，在一定施磷范围内，施磷量的增加对羊草的株高以及地上部和地下部生物量的积累具有促进作用，在P140处理下增产效果最为明显。这与代景忠等[17]和宋彦涛等[20]在氮磷配施下对羊草生物量的研究结果相似，李瑾等[18]和甄莉娜等[21]的研究中也表明增施磷肥能够对羊草生物量的积累有促进作用，这是由于在低磷条件下增施磷肥有助于促进羊草对土壤中养分的吸收，进而促进了干物质的积累。地下部生物量的多少可以反映羊草在不同施磷强度下对养分的吸收利用情况，有研究表明，高氮水平下磷的添加对羊草地下生物量无明显促进作用，甚至地下生物量明显受到磷素的抑制[16]。而本研究中各处理的施氮量均为150 kg·hm−2，施磷量在0～140 kg·hm−2，羊草地下生物量随着施磷强度的增加，并未出现抑制作用，而继续增加施磷强度，在P210处理时地下生物量相比于P140处理会有所降低，但降低并不明显，说明在优化氮肥的基础上，增加施磷强度会在一定范围内对羊草生物量的积累起到促进作用，这可能是因为土壤中氮、磷、钾共同作用促进了羊草干物质的积累，磷素与氮素一起施用时二者的协同效果明显，进而增加了土壤中有效养分的含量，有利于羊草生物量的积累。羊草的根冠比在不同施磷条件下具有显著性差异，随着施磷强度的增加羊草的根冠比呈下降的趋势，这与詹书侠等[16]关于羊草的地上-地下功能性状对氮、磷施肥梯度的响应及关联的研究结果一致；黄菊莹等[22]研究也表明随着施磷量的增加，磷素对羊草的根冠比有抑制作用，这可能是由于物质分配时，磷素促进地上部生长及干物质合成，导致根冠比降低，使得根冠比随着施磷强度的增加而降低，此外N、P 养分的添加会打破土壤中原有养分的平衡，会使土壤中的限制性养分发生转移，对羊草干物质的积累具有促进作用。

3.2 不同施磷强度对羊草光合特性的影响

光合作用是植物体内一个重要的代谢过程，对外界环境的变化较为敏感[23]。外界环境的改变可以间接地影响植物的光合特性，而合理的施肥对作物的各生长指标均具有促进作用[24]。有研究表明，适宜的施磷量对羊草的光合特性有显著影响，并具有一定的促进作用[25]。本研究表明，在一定的施磷范围内，羊草的Pn、Ci、Tr均随着施磷量的增加而增加，但超过P140时，继续施磷则会对光合特性产生抑制作用，可见在P140时对羊草光合特性有利，也有研究表明施磷可显著提高作物的光合作用[10]。磷素在三磷酸腺苷(ATP)的合成中起关键作用，在一定施磷范围内，增施磷肥可以有效改善ATP 酶的磷酸化过程，进而对植物的光合作用起到促进作用。植物的蒸腾主要通过调节Gs的大小来进行[26]，本研究中各施磷处理间羊草的Tr和Gs差异并不显著，有研究表明，施磷能够显著影响荆条 (Vitex negundo)的Tr[27]，这可能是因为新疆地区夏季气温高，Tr较大，导致施磷处理对其Tr的影响并不大。有研究表明，在植物生长过程中，影响植物生长的因素除了植物自身因素外，还与植物所处的气象环境因子也有较大的关系[28]。因为本研究是在6 月 - 7月进行，此时新疆地区光照充足，日蒸腾速率较高，外界气象因子成为影响植物生长的主导因子。尽管在试验过程中，已经将外在影响因素降到了最低，各处理的外在环境基本一致，但由于新疆地区夏季气温高，在一定程度上也会对光合作用产生影响。

3.3 不同施磷强度对叶绿素荧光的影响

叶绿素荧光淬灭过程的变化主要取决于热耗散以及光化学反应的变化，热耗散消耗的能量越少，光化学效率越高，说明植物受到的胁迫越小，有利于植物的生长[29]。Li 等[14]在磷胁迫对羊草生长特征和光合特性影响的研究表明，缺磷能够显著影响羊草的叶绿素荧光，抑制效果特别明显，通过增施磷肥在一定程度上能够提高羊草对外界不良环境的适应能力。本研究结果表明，羊草叶片整体的光化学效率分布在0.80～0.83，在正常叶片的光化学水平之内(0.80～0.85)[30]。光化学效率的增加是促进光合作用的表现之一，光合作用的正常进行有利于羊草生物量的积累，表明在一定的施磷范围内，通过施磷可有效提高羊草的光化学效率，进而加快叶绿素荧光淬灭过程。

叶绿素荧光的大小随着外界环境条件的变化而变化，在一定程度上叶绿素荧光的大小可以反映植物应对环境因子变化的水平[12]。PSⅡ活性的大小可以反映植物的生长能力，PSⅡ活性越高，说明植物的生长越好。本研究结果表明，随着施磷量的增加羊草的PSⅡ活性呈先增加后减小的趋势，整体而言，在施磷条件下羊草的PSⅡ活性高于CK。李玲玉等[31]研究表明，低磷胁迫下羊草的PSⅡ活性明显受到抑制，通过施磷可显著提高羊草PSⅡ活性，从而对羊草的生长起到促进作用。本研究发现，在P210处理下PSⅡ活性变化并不大，可见在最大施磷量时并不会对羊草的PSⅡ活性产生促进作用，说明在一定的施磷范围内增施磷肥能够提高羊草PSⅡ活性，超过该施磷阈值时不仅不会提高PSⅡ活性，反而会浪费资源。光化学效率的高低可以反映PSⅡ分配于热耗散能量的大小，热耗散能量越小，说明植物受到的限制性因素越小，对植物生长起到一定的促进作用。本研究结果表明，在P70和P140处理下，热耗散值相对较低，说明施磷量在70～140 kg·hm−2时有利于羊草的生长。陈屏昭等[32]研究结果表明，缺磷加剧了植物光合作用的光抑制，进而启动了多种能量耗散机制，而本研究主要从增施磷肥的角度出发，施磷量的增加促进了羊草的光合作用，进而减少了能量的耗散。热耗散值在P140处理与P210处理之间存在显著差异，且在P140下热耗散值最低，继续增施磷肥热耗散值反而会上升，说明适量的施磷有助于提高植物对环境的耐受力。

4 结论

在羊草的生长过程中，通过增施磷肥可有效改善羊草的生长指标和光合特性，并在一定程度上提高羊草对外界环境的适应能力和对不良环境的耐受性。在不同施磷条件下羊草的生长特征和光合特性因施磷强度的不同也有所差异，其中羊草的生长特征和光合特性在P140处理下整体表现较好，磷添加对羊草生长特征和光合特性的影响总体表现为“适量促进，过量抑制”，在指导该地区栽培羊草草地的建植上，推荐施磷量为148.75 kg·hm−2。