马尾松容器苗生长和养分性状对磷添加和接种菌根菌的响应及关联

孙 薇，王 斌，楚秀丽，王秀花，张东北，吴小林，周志春

(1.浙江省临海市自然资源和规划局，浙江 临海 317099；2.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，国家林业和草原局马尾松工程技术研究中心，浙江 杭州 311400；3.上海植物园，上海 200231；4.浙江省庆元县实验林场，浙江 庆元 323800)

在影响植物生长的环境要素中，土壤养分[氮(N)和磷(P)]及土壤微生物对植物生长起着至关重要的作用[1-2]。土壤中某些真菌与植物根的共生体——菌根，可以扩大植物根系吸收面，增加对原根毛吸收范围外的元素(特别是P)的吸收能力。对紫花苜蓿(Medicagosativa)和花生(Arachishypogaea)等植物的研究表明，适宜的P添加量可显著影响植物的生长性状[3-4]，低P条件下接种外生菌根菌能促进植物对养分的吸收[5-6]。

马尾松(Pinusmassoniana)是营建针阔混交林的首选树种，而南方森林土壤有效磷缺乏成为影响马尾松生长的主要限制因子，有关学者针对性地开展了不同磷环境下马尾松幼苗的生长表现与适应机制研究[7-9]。同时，马尾松是外生菌根专性树种，菌根对马尾松生长发育有着重要意义。前期研究证实，接种彩色豆马勃(Pisolithustinctorius)对马尾松幼树生长有显著增益[10]。然而关于不同磷环境下菌根作用的有效性，及其对植物生长和养分性状的影响研究甚少。幼苗是植物生长历程中最敏感的阶段，其功能性状在适应环境因子的变化过程中表现出一定的可塑性，对于研究植物在养分环境下的适应机制具有指示性[11-12]。本研究以1年生马尾松容器苗为对象，研究其在不同P添加量及接种菌根菌相互作用下的生长性状及氮、磷养分利用效益差异，为优质马尾松容器苗培育提供理论依据。

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，海拔510 m，属亚热带季风气候，温暖湿润，四季分明，年均气温17.6 ℃，年均降水量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(Schimasuperba)马尾松国家林木良种基地二代无性系种子园，选择的马尾松亲本无性系为53号[1217(贵州)×1121(广西)]。

育苗基质为泥炭、谷壳和珍珠岩接体积比5∶3∶2配制而成。泥炭全N、全P和全K含量分别为14.2、0.7和2.7 g/kg，pH为5.8。谷壳和珍珠岩在育苗期间主要发挥疏松基质作用，基本无分解。育苗容器规格为4.5 cm(直径)×10 cm(高)的无纺布网袋。所用菌种松乳菇(Lactariusdeliciosus)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进行生物学分类鉴定。

1.2 试验设计

采用裂区试验设计，主区为菌根菌处理，分为接种(编号LM)(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成的固体菌剂0.3 g)与不接种(编号NM)2个处理。副区样地为磷添加处理，在保持有效氮和有效钾添加量(添加量分别为900 g/m3和420 g/m3)相同条件下，设置7个磷添加水平：P1(50 g/m3)、P2(100 g/m3)、P3(150 g/m3)、P4(200 g/m3)、P5(300 g/m3)、P6(450 g/m3)和P7(600 g/m3)，每水平80袋，重复3次。不同水平无机肥通过CH4N2O、KH2PO4、(NH4)2HPO4、K2SO4、KNO3与(NH4)2SO4不同比例混合而成，换算后容器苗有效N和有效K平均添加量分别为143 mg/株和67 mg/株，有效P为8～95 mg/株。马尾松种子经水选后，取大小均一、无病虫害种子，用清水浸泡24 h后捞出阴干，2019年3月下旬对育苗容器进行点播育苗后，将盛放育苗容器的托盘置于配置有遮阳网和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)等量将以上氮、磷和钾肥溶于水后均匀喷洒在苗木上。其他苗木管理同一般生产性轻基质网袋容器苗培育。育苗期间及时喷水和控水，保持基质湿润，每周调换各处理苗盘位置，以消除边缘效应。

1.3 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[13]、生物量和养分测定。应用Epson根系扫描仪对不同处理后的根系进行扫描，获得根长和根系直径数据。苗木高径比为苗高(cm)与地径(cm)的比值，N和P含量及吸收量(整株N、P含量)计算参照文献[14]，养分利用指数采用苗木生物量占叶片养分含量来衡量[15]。采用EXCEL 2017进行数据处理及相关图形制作，利用SPSS 20.0软件进行双因素方差分析和Duncan’s检验(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同处理下马尾松容器苗生长和养分性状方差分析

接种菌根菌(LM)后分析发现(表1)，1年生马尾松容器苗平均苗高、地径、总生物量和根系直径等生长指标相比不接种(NM)分别增加了9.87%、3.35%、41.50%和12.41%，高径比和总根长分别降低了5.98%和22.47%(表1)；N、P吸收量和利用指数等养分指标分别增加了5.05%、25.03%、100.36%和70.53%，N和P含量分别降低了24.97%和11.26%(表2)。从变异系数来看，接种前后苗高、高径比和根系直径变异相对较小(<10%)，N和P利用指数变异相对较大(>20%)。

表1 马尾松容器苗生长性状及方差分析Table 1 Variance analysis of growth traits of Pinus massoniana container seedlings

表2 马尾松容器苗养分性状及方差分析Table 2 Variance analysis of nutrient traits of Pinus massoniana container seedlings

方差分析表明，接种菌根菌对马尾松容器苗地径、高径比、单株总生物量、总根长和根系直径等生长性状有显著影响，对整株N和P含量、P吸收量、N和P利用指数等养分性状有显著影响(P<0.01或P<0.05)。添加P对马尾松容器苗苗高、地径、高径比和单株总生物量等生长性状有显著影响，对整株N、P含量和吸收量等养分性状有显著影响(P<0.01或P<0.05)。接种菌根菌和添加P对马尾松容器苗生长和养分性状无显著的互作效应。

2.2 马尾松容器苗生长性状对磷添加和接种菌根菌的响应

添加P与接种菌根菌条件下马尾松容器苗生长性状见图1。由图1看出，马尾松容器苗地径、总生物量和根系直径在不同添加P水平均为接菌(LM)﹥不接菌(NM)；高径比和总根长均为NM>LM；苗高在P1—P5水平下以LM高于NM，P6—P7水平下则LM低于NM。无论是否接种菌根菌，随P添加量增加，地径呈增加趋势，高径比呈下降趋势，总根长除P1水平(50 g/m3)外略呈先增加后降低趋势，苗高、根系直径和总生物量无明显变化规律，但LM处理下P7水平(600 g/m3)时总容器苗生物量增加显著。

不同大写字母表示相同P添加处理下菌根处理间差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示相同菌根菌处理下P添加处理间差异显著(P<0.05)。下同。Different uppercase letters indicated significant differences between different mycorrhizal fungi treatment under the same P addition treatment (P <0.05),while different lowercase letters indicated significant differences between different P addition treatment under the same mycorrhizal fungi treatment (P <0.05).The same below.图1 磷添加与接种菌根菌条件下马尾松容器苗生长差异Fig.1 Growth difference of Pinus massoniana container seedlings under phosphorus addition and inoculation of mycorrhizal fungi

NM处理下，马尾松容器苗苗高以P7显著高于P1～P5水平；地径P7显著高于P1—P6水平；高径比P1显著高于P3—P7水平；单株总生物量以P6水平最大(1.583 g/株)，不同P添加水平之间无显著差异。LM处理下，苗高在不同P添加水平之间无显著差异；地径P7水平显著高于P1—P5水平；高径比P1—P6水平之间无显著差异，P7显著低于P1和P2水平；单株总生物量P7显著高于P1—P6水平。相同P添加水平下，接种前后地径和高径比以P1水平时差异显著，单株总生物量以P1、P4和P7水平时差异显著。

NM处理下，马尾松容器苗总根长P1水平下最大，比P7水平下高36.85%(P<0.05)；LM处理下，总根长P4水平下最大(138.381 cm)，各梯度之间无显著差异。无论是否接种菌根菌，不同P添加水平之间马尾松容器苗根系直径均无显著差异。相同P添加水平下，接种前后马尾松容器苗总根长P1和P5水平时差异显著，根系直径P5水平时差异显著。

2.3 马尾松容器苗养分性状对磷添加和接种菌根菌的响应

添加P与接种菌根菌条件下马尾松容器苗氮和磷吸收利用差异见图2，由图2可知，LM处理后马尾松容器苗整株N含量在不同P添加水平均为NM>LM，整株P含量除P6水平外均为NM>LM；整株P吸收量、N和P利用指数均为LM>NM。接种前后整株N吸收量P1—P6水平无显著差异，在P7水平接种比不接种高30.48%(P<0.05)。无论是否接种菌根菌，随P添加量增加，马尾松容器苗整株N和P含量呈先增加后降低趋势，整株P吸收量略呈增加趋势，整株N吸收量无明显变化规律。NM处理下整株N和P利用指数随P添加量增加无明显变化规律，LM处理后略呈先降低后增加趋势。

图2 磷添加与接种菌根菌条件下马尾松容器苗氮和磷吸收利用差异Fig.2 N,P uptake and utilization difference of Pinus massoniana container seedlings under phosphorus addition and inoculation of mycorrhizal fungi

NM处理下，马尾松容器苗整株N含量以P3显著高于P6和P7水平；整株P含量P4显著高于P1和P2水平；整株N吸收量以P3水平最大，比P2水平高39.30%(P<0.05)；整株P吸收量P6显著高于P1和P2水平；整株N和P利用指数P6水平最高，分别为1.06 g和6.18 g，不同P添加水平之间无显著差异。

LM处理下，整株N含量P4显著高于P1、P2和P7水平；整株P含量P6显著高于P1—P4和P7水平；整株N吸收量P7显著高于P1、P2、P5和P6水平；整株P吸收量P7显著高于P1—P5水平；整株N利用指数P7显著高于P4—P6水平；P利用指数P7显著高于P5和P6水平。相同添加P水平下，接种前后整株P含量P1—P4水平差异显著，整株P吸收量P6和P7水平差异显著，整株N和P利用指数P1—P3水平和P7水平差异显著。

2.4 不同处理下马尾松容器苗生长性状和养分性状之间的关联

不同处理下马尾松容器苗生长性状和养分性状之间的相关性分析表明(表3)，NM处理下马尾松容器苗高径比与P含量呈显著负相关，其他生长指标与整株N和P含量相关性不显著；LM处理后容器苗各生长指标与N含量相关性增加，其中苗高、地径和总生物量与N含量呈显著负相关，高径比与P含量相关性不显著，可见接种菌根菌后马尾松容器苗生长性状对N含量的变化更敏感，整株N含量越低，容器苗苗高、地径和干物质积累越大。NM处理下马尾松容器苗苗高、地径和总生物量与N、P吸收量和利用指数呈正相关关系，LM处理后这种相关性进一步增加，说明接种菌根菌能提高容器苗生长性状对N和P吸收和利用的响应，这对容器苗生长和干物质积累有着积极意义。LM处理后马尾松容器苗总根长与N利用指数呈显著负相关，根系直径与N和P利用指数呈极显著正相关，可见接种菌根菌改变了根系性状与N和P利用指数之间的关联，接种后容器苗总根长越短，根系直径越大，N和P利用指数越高。

表3 马尾松容器苗生长性状与养分性状相关性分析Table 3 Correlation analysis of growth and nutrient traits of Pinus massoniana container seedlings

3 讨 论

大部分研究表明接种外生菌根真菌后植株的苗高、地径和总生物量显著增加[16-19]，但也有研究显示，接种后苗高显著增加，对地径的促进作用不显著[20]，又或者地径和总生物量增加，苗高却降低[21]。本研究中马尾松容器苗接种菌根松乳茹菌后地径和单株总生物量高于不接种，苗高在磷添加量为P1—P5水平时高于不接种，与马琼等[22]、王艺等[23]关于外生菌根菌促进马尾松幼苗生长的结论一致；磷添加量为P6—P7水平时，接种后容器苗苗高低于不接种，说明在基质P添加量较低(≤300 g/m3)的时候，接种对马尾松容器苗苗高有促进作用，当基质P添加量较高(≥450 g/m3)的时候，接种会抑制苗木生长，但磷添加量高时苗木地径和总生物量仍在增加，并且高径比持续下降，说明在本研究设置的磷添加水平范围内，接种菌根菌不仅促进了马尾松容器苗的生长，而且有利于优质苗木的培育。本研究马尾松容器苗接种后根系直径高于不接种，与1年生樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)研究结果一致[24]；总根长低于不接种，与1年生长白落叶松(Larixolgensis)研究结果一致[25]。推测接种菌根菌后马尾松容器苗的生长策略是减少根长从而降低根系分布的范围，增加根系直径从而增强根系的吸收能力。研究表明，氮的供应水平对苗木根系构型的影响更大一些。

菌根可以促进植物N、P吸收，但因试验设计、菌种种类、宿主植物及生长环境不同，研究结果有差异[26-27]。已有研究表明，接种外生菌根菌后马尾松幼苗N、P养分含量及吸收量均有不同程度增加[22-23]。本研究中马尾松容器苗接菌后N含量降低，P含量除P6水平(450 g/m3)高于不接种外，其他磷添加梯度均低于不接菌，总的来说接种后整株N、P含量降低。分析其原因，可能是本研究育苗基质选用的泥炭养分含量远高于马琼等[22]研究所选的黄沙壤，以及王艺等[23]研究所选的黄壤，不同的土壤养分环境形成了马尾松幼苗不同的生长策略。与此同时，本研究接菌后P吸收量、N和P利用指数高于不接种，说明接种后容器苗能以较低的养分浓度进行正常生长和代谢，即接种提高了养分利用效率。可能是，当土壤养分供应不足时，菌根菌帮助容器苗获取更多的养分以满足植物生长需求，因此接种比不接种整株N、P养分含量高；当土壤养分供应充足时，依靠菌根菌的协同，容器苗将N、P养分含量维持在相对低的水平，多余的养分用于促进苗木生长，使植株变得高大以利于获得更多的光照[28]，即菌根苗在养分竞争和光竞争方面都比非菌根苗有优势。

植物体内N和P在吸收利用上相互依赖[29-32]。本研究容器苗P吸收量P6和P7水平时接种显著高于不接菌，说明磷添加量较高时，接种菌根菌能显著增加马尾松容器苗P吸收量；同时，P吸收量的增加也促进了容器苗N吸收量的增加，其表现是N吸收量在磷添加量P7水平时接种显著高于不接种。接种菌根菌和添加P对马尾松容器苗生长和养分性状无显著的互作效应，可能是因为P添加量分次喷施，单次喷施的P含量并不高，一定程度上减少了菌根×磷添加互作效应的发生。相关性分析表明，接种菌根菌后马尾松容器苗对N含量的变化更敏感，对P含量的变化反而变得不敏感，这与苗木的生长主要受N含量影响有关。同时，接种后苗高、地径和单株总生物量与N、P吸收量及利用指数的相关性进一步提高，说明外生菌根菌与植物之间建立了较好的协同共生关系。