磷添加和接种菌根菌对马尾松不同家系容器苗的生长及磷素利用效应

黄盛怡，吴统贵，楚秀丽，王 斌*，王秀花，张东北，周志春

(1.中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江省林木育种技术研究重点实验室，国家林业局马尾松工程技术研究中心，浙江 杭州 311400；2.上海植物园，上海 200000；3.浙江省庆元县实验林场，浙江 庆元 323800)

磷是植物生长发育必需的三大营养元素之一，以多种方式参与植物体内的物质运输、代谢、信号传导及光合调节等生理过程[1]。我国大部分地区土壤总磷含量较高，但其中可直接被植物吸收利用的有效磷含量只占很小比例，难以满足植物生长的需要。磷素在土壤中移动速度很慢，只有土壤根系表面的磷才能为植物吸收利用，大部分仍残留于土壤中[2]，需发挥植物自身利用土壤磷的潜力来增加磷肥利用率[3-4]。菌根（mycorrhiza）是土壤中某些真菌与植物根的共生体，可增强植物从土壤中吸收水分和养分特别是磷素营养的能力，分解土壤中复杂的矿物质和有机质及分泌和产生生长激素，进而促进植物的生长和提高植物的抗逆性[3,5-6]。菌根能调控N、P 添加对树木生长和森林生产力的影响，然而与丛枝菌根（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）和与外生菌根（ectomycorrhiza，ECM）真菌共生的两类植物对N、P 添加响应不同，AMF 对地下部净初级生产力（NPP）贡献高于ECM，而ECM对地上部、主干和枝条NPP 贡献较大，且当土壤P 含量达到饱和时，可减少甚至消除菌根效应[7-10]。深入研究菌根与宿主植物的互作效益与机制，对于促进林木优质高效培育具有重要意义。

马尾松（Pinus massonianaLamb.）是我国南方重要工业用材和采脂树种，具有分布广泛、速生丰产性高和适生能力强等优良特性。马尾松也是专性外生菌根树种。我国南方森林土壤有效磷含量缺乏是影响马尾松生长的主要限制因子[11]，已有研究表明，不同种源马尾松幼苗生长对磷肥的响应差异显著[12]，施用磷肥和接种菌根菌均能显著促进马尾松的生长[13-15]，但关于马尾松不同种源、磷添加及接种菌根菌三者之间相互影响的研究尚不多。本研究以不同遗传背景的马尾松二代家系为研究对象，采用可溶性无机肥配水喷施方式设置高磷和低磷2 个磷添加梯度，研究不同无机磷添加量下，接种菌根菌后不同家系马尾松容器苗的生长及养分吸收利用差异，以期为马尾松优质容器苗精准培育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在浙江省庆元县实验林场（119°01′25″ E，27°38′48″ N）育苗基地钢构大棚内进行，该地海拔高度510 m，属亚热带季风气候，温暖湿润，四季分明，年平均气温17.6℃，年降水量1 721.3 mm，无霜期245 d。供试材料来源于浙江省兰溪市苗圃木荷马尾松国家林木良种基地二代无性系种子园，从中选择3 个不同遗传背景的马尾松亲本无性系，分别为15 号（6627（江西）×1003（广东））、37 号（6627（江西）×5163（浙江））和53 号（1217（贵州）×1121（广西））。根据课题组前期研究，与江西、浙江和贵州种源相比，广东和广西种源具有生长快、多次抽梢的特点，此外广西、贵州和江西3 个种源属于较弱耐低磷类型，浙江和广东种源相对耐低磷[12]。2018 年11 月采集3 个亲本无性系自由授粉的种子备用。

育苗容器规格为4.5 cm×10 cm（直径×高）的无纺布网袋。育苗基质为泥炭、谷壳和珍珠岩（体积比为5∶3∶2）。泥炭全氮、全磷和全钾含量分别为14.2、0.7 和2.7 g·kg−1，pH 值5.8。所用菌种松乳菇（Lactarius deliciosus（L.Fr.）Gray）从重庆市缙云山马尾松林下的酸性黄壤中分离获得，由西南大学菌根研究室辜夕容教授分类鉴定并提供。

1.2 试验设计

采用裂区试验设计，主区为磷添加处理，在保持有效氮、有效钾添加量（分别为900、420 g·m−3基质）相同的条件下，设置2 个磷添加水平（低P：50 g·m−3基质，高P：900 g·m−3基质）。副区为菌根处理，分为接种菌根菌（LM）与不接种菌根菌（NM）2 个处理，每水平80 株，重复3 次。以上不同梯度无机肥通过CH4N2O、KH2PO4、(NH4)2HPO4、K2SO4、KNO3与(NH4)2SO4不同比例混合而成，平均到每株容器苗有效氮、有效钾添加量分别为143、67 mg·株−1，有效磷低P 水平为8 mg·株−1，高P 水平为143 mg·株−1。

1.3 苗木培育

2019 年3 月下旬播种，播种前按照生产性流程进行种子消毒和浸种处理，播种时在播种穴下方置入由蛭石与松乳菇菌丝体悬浮液制作成的固体菌剂0.3 g。播种后的育苗容器置于覆盖有遮阳网、配置自动喷灌系统的钢构大棚内覆有地布的苗床上。于7—10 月分15 次等时间间隔（7 月4 次、8月4 次、9 月4 次、10 月3 次）等量将氮、磷和钾肥溶于水后均匀喷洒在苗木上。其它苗木管理同一般生产性轻基质网袋容器苗培育。育苗期间及时喷水及控水，保持基质湿润，每周调换各处理苗盘位置，以消除边缘效应。

1.4 数据调查与分析

于2019 年10 月底（生长季末），从每重复小区随机选取30 株生长正常的容器苗，分别用钢卷尺和游标卡尺测量苗高和地径，分别精确至0.1 cm和0.01 mm。之后再分别从每重复小区随机选取10 株生长正常的容器苗进行菌根侵染率、生物量和养分测定。随机选取容器苗细根根段，以形成外生菌根的根段数占观察的总根段数的百分比作为菌根侵染率[16]。将植株叶、茎和根各器官置于105℃烘箱中杀青30 min，再在68℃下烘至恒质量，测定各器官干质量，各器官质量之和为整株干质量。称取各器官干样，采用H2SO4-H2O2法消煮，分别采用凯氏定氮法和ICP-OES 光谱仪（Vista-Mpx，美国Varian 公司）测定其磷含量。

高径比=苗高/地径

根冠比=根干质量/（叶干质量+茎干质量）

整株P 含量=（叶磷含量×叶干质量+茎磷含量×茎干质量+根磷含量×根干质量）/（叶干质量+茎干质量+根干质量）

叶（茎或根）P 吸收量=叶（茎或根）P 含量×叶（茎或根）干质量

整株P 吸收量=整株P 含量×（叶干质量+茎干质量+根干质量）

采用Excel 2017 软件进行数据处理及相关图形制作，利用SPSS 20.0 软件进行多因素方差分析和Duncan’s 检验（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 磷添加和接种菌根菌对马尾松不同家系容器苗生长的影响

方差分析表明（表1），磷添加对马尾松容器苗生长有显著影响（P<0.01 或P<0.001），3 个家系苗高和地径高P 水平较低P 水平分别增加8.70%和21.73%，高径比降低10.62%。接种菌根菌对马尾松容器苗苗高和高径比无显著影响，对地径有显著影响（P<0.05），接种后3 个家系苗高和地径较不接种增加2.34%和6.40%，高径比降低4.09%。菌根×家系的交互作用显著影响马尾松容器苗地径生长（P<0.05）。磷添加×菌根、磷添加×家系和磷添加×菌根×家系的交互作用对马尾松容器苗生长指标无显著影响。

表1 马尾松容器苗生长和干质量方差分析Table 1 Variance analysis of growth and dry matter of masson pine container seedlings

不同P 添加水平下，除53 号家系地径低P 水平下接种菌根菌后增加24.51%外（图1B，P<0.05），3 个家系接种前后苗高、地径和高径比无显著差异。NM 处理下，P 增加后53 号家系苗高和地径增长最大，高P 水平较低P 水平分别增加14.66%和34.59%（图1A、B，P<0.05）。LM处理下，15 号家系苗高和地径增长最大，高P 水平较低P 水平分别增加14.23%和25.51%（图1A、B，P<0.05）。NM 处理下3 个家系地径均表现为高P>低P（P<0.05），LM 处理下仅15 号家系地径高P>低P（图1B，P<0.05），表明接种菌根能缩小马尾松容器苗不同P 水平下地径的生长差异。3 个家系高径比均为高P<低P（图1C），表明增施磷肥有利于促进苗木均匀生长，提高马尾松容器苗质量。

图1 磷添加和接种菌根菌对马尾松容器苗生长和干质量的影响Fig.1 Effects of phosphorus addition and inoculation of mycorrhizal fungi on the growth and dry matter of masson pine container seedlings

2.2 磷添加和接种菌根菌对马尾松不同家系容器苗干质量的影响

方差分析表明（表1），磷添加和接种菌根菌对马尾松容器苗干质量积累均有显著影响（P<0.05、P<0.01 或P<0.001）。高P 水平下3 个家系整体叶、茎和根干质量及整株干质量较低P 水平分别增加74.46%、56.55%、37.05%和61.62%，根冠比降低19.82%。接种菌根菌后3 个家系叶、茎和根干质量及整株干质量较不接种分别增加21.24%、20.11%、19.96%和20.69%，根冠比降低3.87%（其中低P 水平降低14.32%，高P 水平增加10.94%）。不同家系间根干质量（P<0.01）和根冠比（P<0.001）有显著差异，15 号家系平均根干质量（0.423 g·株−1）和根冠比（0.272）较37 号家系分别高4.70%和6.67%，较53 号家系分别高27.03%和23.08%。磷添加×菌根的交互作用显著影响马尾松容器苗根干质量（P<0.05），菌根×家系的交互作用显著影响马尾松容器苗茎干质量（P<0.05）。磷添加×家系和磷添加×菌根×家系的交互作用对马尾松容器苗干质量无显著影响。

不同P 添加水平下，3 个家系接种后干质量总体呈增加趋势，根冠比低P 水平呈下降趋势，高P 水平呈增加趋势。低P 水平下LM 处理，53 号家系叶、茎和根干质量及整株干质量增加最大，分别较NM 处理增加51.17%、57.85%、31.34%和48.50%（图1D、E、F、G，P<0.05）。高P 水平下37 号家系叶干质量累积增长最大，NM 和LM处理分别较低P 增长106.85%和73.36%（图1D，P<0.05）。3 个家系根冠比均为高P<低P（图1H），且在NM 处理时差异显著，说明施磷肥可调节马尾松容器苗干质量的分配，提高地上部分干质量的累积，且接种菌根菌可以缩小容器苗不同P 添加水平下干质量分配的差异。

2.3 磷添加和接种菌根对马尾松不同家系容器苗磷吸收利用的影响

方差分析表明（表2），磷添加对马尾松容器苗各器官及整株P 含量和吸收量有极显著影响（P<0.001），高P 水平下3 个家系整体叶、茎、根及整株P 含量较低P 水平分别增加35.65%、20.62%、16.52%和30.25%，叶、茎、根及整株P 吸收量分别增加138.65%、90.89%、60.10%和112.08%。接种菌根菌对马尾松容器苗P 含量无显著影响，但显著增加P 吸收量（P<0.05 或P<0.001）。接种后3 个家系叶、根及整株P 含量较不接种分别降低3.72%、4.08%和3.23%，茎P 含量增加0.38%；叶、茎、根及整株P 吸收量较不接种分别增加16.85%、22.09%、17.42%和18.08%。不同家系间根P 含量（P<0.01）和吸收量（P<0.05）有显著差异，53号家系根P 含量和37 号家系根P 吸收量最高，分别为1.95 mg·g−1和0.78 mg·株−1。磷添加×菌根的交互作用显著影响马尾松容器苗茎、根和整株P 吸收量（P<0.05 或P<0.001），磷添加×家系的交互作用显著影响根P 含量和吸收量及整株P 吸收量（P<0.05 或P<0.01），磷添加×菌根×家系的交互作用显著影响叶P 含量和根P 吸收量（P<0.05）。菌根×家系的交互作用对马尾松容器苗磷吸收利用无显著影响。

表2 马尾松容器苗磷吸收利用方差分析Table 2 Variance analysis of phosphorus absorption and utilization of masson pine container seedlings

低P 水平下，除15 号家系根P 含量LM 处理较NM 处理低31.585%外（图2C，P<0.05），3 个家系其余P 含量和吸收量无显著差异。15 号家系低P 水平下LM 处理显著降低了其根P 含量，说明养分不足时接种菌根菌有助于提高其养分利用效率。高P 水平下，53 号家系茎P 吸收量和15 号家系根P 吸收量LM 处理较NM 处理分别高25.14%和36.48%，37 号家系叶、茎、根P 吸收量LM 处理较NM 处理分别高27.20%、42.45%和33.30%（图2E、F、G，P<0.05），表明菌根处理对高P 水平下P 吸收量尤其37 号家系的P 吸收量有显著促进作用。

图2 磷添加和接种菌根菌对马尾松容器苗磷吸收利用的影响Fig.2 Effects of phosphorus addition and inoculation of mycorrhizal fungi on the phosphorus absorption and utilization of masson pine container seedlings

无论是否接种菌根菌，15 号和37 号家系叶、茎、根及整株P 含量均表现为高P>低P，53 号家系除根P 含量在LM 处理下高P 水平较低P 水平降低0.505%外，其余均表现为高P>低P（图2A、B、C、D）。37 号家系LM 处理下叶、茎及整株P 含量增长最大，高P 水平较低P 水平分别增长55.86%、36.32%和48.33%（P<0.05）；15 号家系LM 处理下根P 含量增长最大，高P 水平较低P 水平增长57.54%（P<0.05）。无论是否接种菌根菌，3 个家系叶、茎、根及整株P 吸收量均表现为高P>低P（图2E、F、G、H）。15 号家系NM 处理下叶P 吸收量和LM 处理下根P 吸收量增长最大，高P 水平较低P 水平分别增长168.72%和162.90%（图2E、G，P<0.05），37 号家系LM 处理下茎P 吸收量和整株P 吸收量增长最大，高P 水平较低P 水平分别增长119.30%和150.19%（图2F、H，P<0.05）。

2.4 接种前后不同家系容器苗生长和干质量与磷含量和吸收量的相关性

相关性分析表明（表3），接种前37 号家系容器苗生长和干质量与整株P 含量和吸收量相关性较高，其次是15 号和53 号家系。接种后15 号家系容器苗生长和干质量与整株P 含量和吸收量相关性增加，37 号和53 号则减弱，即3 个家系表现出了不同的响应特征。NM 处理下，37 号和53 号家系苗高、地径、叶干质量、茎干质量和根冠比与整株P 吸收量有显著相关性，表明P 吸收量对2 个家系干质量累积影响较大。LM 处理下，15 号家系茎和根干质量与整株P 含量和吸收量相关性增加（P<0.01），37 号和53 号家系各指标与P 含量和吸收量相关性降低，表明接种菌根菌提高了15 号家系干质量累积对P 含量和吸收量的响应，降低了37 号和53 号家系对P 含量和吸收量的响应。此外，37 号家系在NM 处理下高径比与P 含量和吸收量呈显著（P<0.05）或极显著负相关性（P<0.01），在LM 处理下与P 吸收量呈极显著负相关（P<0.05），表明不接种时，37 号家系P 含量越高高径比越小，苗木形态发育越好，而无论是否接种菌根菌，37 号家系P 吸收量越高，苗木形态发育越好。

表3 马尾松容器苗生长和干质量与P 含量和吸收量间的相关系数Table 3 Correlation coefficient between growth and dry matter and phosphorus content and uptake of masson pine container seedlings

3 讨论

磷能促进植物幼苗生长和生物量的积累，提高幼苗叶片磷含量，降低根冠比[17-18]，基质磷浓度能显著影响植株对磷元素的吸收利用效率[19]。本研究结果中磷添加对马尾松容器苗生长和干质量积累及各器官P 含量和吸收量均有促进作用，且高P 水平显著提高了马尾松容器苗叶和茎的干质量累积、P 含量和吸收量。同时，高P 处理时根冠比较低，说明磷添加可以调节马尾松容器苗干质量的分配，P 缺乏时P 主要供根系生长发育，P 充足时P 更多是促进地上部分生长，与磷添加倾向于降低植物的地下生产力和地下部分与地上部分生物量之比（即根冠比）结论一致[20-23]。接种菌根菌能显著促进马尾松苗木生长，苗高、地径和干质量积累量均有显著提高[15]。本研究3 个家系菌根侵染率均在50%左右，相对于磷添加，接种菌根菌对容器苗影响较小，仅地径、各器官干质量和P 吸收量有所提高。接种菌根菌后，地径和根冠比高P 与低P 水平差异变化不显著，说明接种菌根菌可减小不同磷添加水平下地径和根冠比的差异；同时，对3 个家系整体生长指标标准差的分析表明，接种后苗高、地径和高径比的标准差较不接种分别降低32.80%、21.42%和3.12%，即接种菌根菌减小了不同家系间的生长差异，增强了马尾松容器苗的整齐一致性。

本研究磷添加和接种菌根菌均能促进马尾松容器苗的生长，且磷添加×接种菌根菌对茎、根和整株P 吸收量有显著促进作用，表明接种菌根菌配合无机肥配水喷洒能发挥一定的菌根效应。当植株生长受到磷限制时，磷添加会促进植株生长和养分吸收率，而当植株所处环境P 含量达到饱和时，植株生长会随磷添加量的增加而受到抑制，单位根干物质对营养物质的吸收降低，同时减少甚至消除菌根效应[24-26]。本研究高P 水平下菌根处理促进容器苗生长的效果显著，没有表现出抑制效应，可能因为P 添加量分次喷施，单次喷施的P 含量并不高，一定程度上减少了消除菌根效应的发生。有研究表明缺磷条件下P 添加对ECM 树种的生长表现为抑制[9]，本研究低P 水平下马尾松容器苗生长和干质量积累在接种菌根菌后未表现出明显的受抑制现象，可能是设置的低磷水平相比缺磷条件还偏高。

通常情况下，植物生长的遗传效应大于水肥等环境效应[27]。本研究3 个家系容器苗的磷添加效应大于家系效应，造成该现象的原因可能是马尾松容器苗早期生长更受制于环境养分状况，家系效应可能在后期的生长中才有更明显的优势[11]，该现象也表明苗期磷元素养分供应水平对优质容器苗培育至关重要。3 个家系生长及干质量积累对P 含量和吸收量的响应不同，这主要与3 个家系母本和父本种源差异有关。来自广西、贵州和江西的种源耐低磷能力较弱，来自浙江和广东的种源相对耐低磷，且广东种源为磷肥敏感性较低的优良种源，具有生长指标及树干生物量增长快速的特点[12,28-29]，对应本研究3 个家系苗高和地径来看，具有贵州和广西遗传背景的53 号家系对磷添加最敏感，不接种处理下P 增加后苗高和地径增加显著。此外，具有江西和广东遗传背景的15 号家系对接种菌根菌最敏感，接种后苗高和地径高P 水平较低P 水平增加显著；37 号家系仅不接种处理下P 增加后地径显著增加，表现较均衡。

4 结论

施用磷肥、接种菌根菌和应用良种均为实现马尾松容器苗精细化培育的重要技术途径，本研究中，磷添加和接种菌根菌均能促进马尾松容器苗的生长，且不同家系对磷添加和接种菌根菌的响应不同。总体而言，磷添加对容器苗生长影响较大，接种菌根菌对容器苗生长影响相对较小，但接种菌根菌可减小不同磷添加水平下地径和根冠比的差异，同时减小不同家系间的生长差异，这对培育统一规格的马尾松容器苗具有一定意义。育苗工作中可根据家系对磷肥的不同响应施用不同量的磷肥，同时通过接种菌根菌缩小苗木间的生长差异并提高磷肥利用效率，以进一步提高马尾松容器苗精细化培育水平。