NaCl单一胁迫及NaCl胁迫下施磷对台湾相思幼苗生长和根形态的影响

罗 倩, 陈 灿,①, 袁 锋, 江传阳, 高倩倩, 谢安强, 林勇明, 吴承祯,3

(1. 福建农林大学林学院 森林生态系统过程与经营福建省高校重点实验室, 福建 福州 350002;2. 福建省晋江坫头国有防护林场, 福建 泉州 362200; 3. 武夷学院生态与资源工程学院, 福建 南平 354300)

高盐低磷是影响中国沿海防护林树种生长的关键因子。一方面,土壤盐渍化是全球范围内限制植物生产力的一个主要环境因子[1],目前中国盐渍化土壤面积约3.5×107hm2,约占世界盐渍化土壤面积的4%[2],其中滨海盐碱地面积约1.0×106hm2[3],且仍在不断扩大[4]。盐胁迫对植物生长发育[5]有明显影响,包括降低光合电子传递活性与CO2同化能力[6]、降低养分利用效率[7-8]以及破坏离子生态[9]等。另一方面,亚热带地区土壤全磷含量约为0.35 g·kg-1,低于全球土壤全磷含量的平均水平(0.50 g·kg-1),且磷易被含量较高的活性铁和铝强烈吸附,形成难溶性磷酸铁和磷酸铝等,导致有效磷含量降低[10],阻碍植物养分的吸收与积累[11],损害幼苗的生长发育[12]。习娟等[13]研究了不同施磷量对盐渍化土壤玉米(ZeamaysLinn.)磷素吸收及产量的影响,发现高盐环境下缺磷极有可能加剧盐害作用。因此,沿海防护林土壤中高盐低磷共同作用会对沿海防护林树种产生危害,不利于沿海防护林的可持续经营和发展。

台湾相思(AcaciaconfusaMerr.)为豆科(Fabaceae)相思树属(AcaciaMill.)常绿乔木,是沿海防护林的先锋树种,在防风固沙、保持水土以及改良盐碱地等方面具有十分重要的作用[14-15],但有关台湾相思根系适应盐碱胁迫的形态变化和养分吸收的研究相对较少。相关研究结果表明:植物根系在土壤中发生养分交换,其变化可以直接反映外界环境条件的变化[16]。植物根系在环境胁迫条件下较其他器官更为敏感[17-18],且对不同浓度盐胁迫的响应不同[19-21]。通过补充植物体内短缺元素可一定程度上提高其对盐胁迫的抗性,这为沿海防护林的可持续经营提供了补磷抗盐的思路。目前,台湾相思幼苗的根形态和养分吸收特征等在不同盐分水平下的变化以及高盐环境下施磷对台湾相思幼苗的影响尚不明确。本文以台湾相思幼苗为研究对象,研究NaCl单一胁迫及NaCl胁迫下施磷对台湾相思幼苗干物质积累、根形态及营养元素含量的影响,以期为探讨台湾相思耐盐机制以及沿海防护林的自我更新和可持续经营提供理论参考依据。

1 材料和方法

1.1 实验地概况

实验地位于福建省福州市福建农林大学林学院田间科技园(东经119°13′42″、北纬26°05′15″)内。该区属亚热带季风气候,年平均降水量约1 817 mm,年日照时数1 700～1 980 h,年均空气相对湿度约77%,无霜期约326 d[22];试验期间(2021年3月至7月)温度17 ℃～38 ℃,平均温度24 ℃。

1.2 材料

采用土培法,选用广州瑞景园林种苗批发中心培育的当年生台湾相思幼苗作为供试材料。将幼苗种植于避光塑料盆(直径18 cm、高19 cm)内,每盆装沙土4.5 kg,每盆种植1株幼苗。参考苏祖荣[23]的方法模拟沿海防护林实际情况,设置沙土质量比为3∶1,供试基质土壤与细沙均采集于福建省泉州市惠安县赤湖国有林场(东经24°54′35″、北纬118°54′33″),基质电导率(17.50±2.59) μS·cm-1、含盐量0.03%、速效氮含量(0.40±0.05) g·kg-1、速效磷含量(0.70±0.05) g·kg-1、速效钾含量(1.80±0.70) g·kg-1,pH 6.26至pH 6.34。幼苗种植后缓苗1个月,进行胁迫实验。

1.3 方法

1.3.1 实验设置 参考文献[23]中的方法模拟滨海盐碱地生长条件(土壤含盐量一般在0.32%～0.78%之间),设置0(N0)、2(N1)、4(N2)、6(N3)和8(N4) g·kg-1NaCl 5个盐浓度处理,为防止死亡分4次施入,每次间隔1周,但N4处理由于NaCl浓度过高在第4次施入后植株部分叶片开始变黄,收苗时该处理条件下的植株全部死亡(无数据),NaCl购自福州仓山区柏思生物科技有限公司;在NaCl达到终浓度后一次性施入磷,设置0.0(P0)、0.5(P1)和1.5(P2) g·kg-1Ca(H2PO4)23个供磷水平[24],Ca(H2PO4)2中有效磷含量大于等于16%,水溶性磷含量大于等于11%,购自福州仓山区柏思生物科技有限公司。作者所在项目组的前期研究结果表明:N1处理对台湾相思种子萌发具有促进作用,且显著高于N0处理[25],不符合沿海防护林高盐低磷恶劣环境下的实际情况,因此,仅设置N2-P1、N2-P2、N3-P1、N3-P2、N4-P1和N4-P2 6个复合处理组。共11个处理,每个处理各9盆,共99盆。

1.3.2 指标测定

1.3.2.1 幼苗干物质积累和根形态相关指标测定方法 于7月末从各处理组分别采集长势良好的幼苗6株,分为地上部和根部,清洗后使用千分之一电子天平称量根鲜质量,于105 ℃杀青30 min后,于80 ℃烘干至恒质量,称量地上部干质量和根干质量,并计算总干质量。使用Epson Expression 10000 XL扫描仪(美国Epson公司)扫描根形态,使用WinRHIZO Pro 2009c根系图像分析仪(加拿大Regent公司)获得总根长、总根表面积、总根体积、平均根直径、根尖数和根分枝数;并参考文献[26]中的方法,基于根直径(D)将根分为0.0 mm5.0 mm 4个径级[26],统计各径级的总根长、总根表面积和总根体积;计算根冠比、根含水量、比根长及根组织密度,计算公式分别为根冠比=根干质量/地上部干质量、根含水量=〔(根鲜质量-根干质量)/根鲜质量〕×100%、比根长=总根长/根干质量、根组织密度=根干质量/总根体积。每个处理重复6次,每个指标重复测定3次,结果取平均值。

1.3.2.2 根中营养元素含量测定方法 根烘干后粉碎,过孔径0.149 mm筛,根据GB 7830～7892—1987中的方法,采用H2SO4-HClO4消煮法消解,使用Optima 2100 DV等离子体发射光谱仪(美国PekinElmer公司)测定P、Fe、Mn、Mg、Ca、Al、Na和K含量。

1.4 数据处理和分析

使用EXCEL 2016软件进行数据统计和分析,使用SPSS 27.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和Pearson相关性分析(双尾检验),检验不同处理间的差异显著性,并分析NaCl单一胁迫及NaCl胁迫下施磷后幼苗干物质积累和根形态相关指标与根中营养元素含量的相关性。

2 结果和分析

2.1 对幼苗干物质积累和根形态的影响

NaCl单一胁迫及NaCl胁迫下施磷对台湾相思幼苗干物质积累和根形态的影响见表1。

2.1.1 对幼苗干物质积累的影响 结果显示:NaCl单一胁迫下,随NaCl浓度的增加,各处理组台湾相思幼苗的根干质量和总干质量呈降低的趋势,根冠比呈先升高后趋于稳定的趋势,且上述3个指标与对照〔0 g·kg-1NaCl,0.0 g·kg-1Ca(H2PO4)2〕总体差异显著;根含水量与对照差异不显著。施磷后,各复合处理组的根干质量和总干质量明显低于对照,根含水量与对照差异不明显,4 g·kg-1NaCl与1.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2(N2-P2)以及8 g·kg-1NaCl与1.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2(N4-P2)复合处理组的根冠比明显高于对照。

4 g·kg-1NaCl与0.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2(N2-P1)以及N2-P2复合处理组台湾相思幼苗的根干质量、总干质量和根含水量低于4 g·kg-1NaCl(N2)单一处理组,且多数复合处理组与N2单一处理组差异显著;而根冠比显著高于N2单一处理组。6 g·kg-1NaCl与0.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2(N3-P1)以及6 g·kg-1NaCl与1.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2(N3-P2)复合处理组的根干质量、总干质量和根含水量与6 g·kg-1NaCl(N3)单一处理组差异不显著;N3-P1复合处理组的根冠比显著高于N3单一处理组,N3-P2复合处理组的根冠比与N3单一处理组差异不显著。8 g·kg-1NaCl与0.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2(N4-P1)以及N4-P2复合处理组可明显缓解NaCl胁迫对幼苗干物质积累的影响。

2.1.2 对幼苗根形态的影响 结果还显示:NaCl单一胁迫下,各处理组台湾相思幼苗的总根长、总根表面积、根尖数和根分枝数总体显著低于对照;根组织密度低于对照,但差异不显著;平均根直径显著高于对照;N3单一处理组的总根体积显著低于对照,其余处理组与对照差异不显著;N2单一处理组的比根长显著低于对照,其余处理组与对照差异不显著。施磷后,各复合处理组的总根长、总根表面积、总根体积、根尖数、根分枝数、比根长和根组织密度总体明显低于对照,平均根直径明显高于对照。

N2-P1和N2-P2复合处理组台湾相思幼苗的总根长、总根表面积、总根体积和平均根直径总体显著低于N2单一处理组;根尖数高于N2单一处理组,其中N2-P2复合处理组与N2单一处理组差异显著;根分枝数、比根长和根组织密度与N2单一处理组差异不显著。N3-P1和N3-P2复合处理组的总根长和总根表面积总体显著低于N3单一处理组,其余6个指标与N3单一处理组差异不显著。N4-P1和N4-P2复合处理组可明显缓解NaCl胁迫对幼苗根形态的影响。

总体上看,与对照相比,各胁迫处理组台湾相思幼苗的根尖和根分枝数量减少、根变短小、平均根直径增加。NaCl单一胁迫及低浓度(4 g·kg-1)NaCl胁迫下施磷均会抑制台湾相思幼苗干物质积累,改变根形态;中浓度(6 g·kg-1)NaCl胁迫下施磷对幼苗干物质积累和根形态的改善效果不显著,但施1.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2后根干质量和总干质量高于NaCl单一胁迫;在高浓度(8 g·kg-1)NaCl胁迫下施磷可对NaCl胁迫具有一定的缓解作用,其中以施0.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2的效果较好。

2.1.3 对幼苗不同径级根形态的影响 基于根直径(D)对台湾相思幼苗不同径级的根形态指标进行进一步分析,结果(表2)显示:NaCl单一胁迫下,0.0 mm5.0 mm径级内各处理组的总根长、总根表面积和总根体积随NaCl浓度的增加呈先升高后降低的趋势,N2单一处理组的上述3个指标显著高于对照,N3单一处理组的上述3个指标总体显著低于对照,N1单一处理组的总根表面积显著高于对照。0.0 mm5.0 mm径级内N3-P1和N3-P2复合处理组的总根长和总根表面积以及N3-P2复合处理组的总根体积均高于对照,其余复合处理组的上述3个指标低于对照。

表2 NaCl单一胁迫及NaCl胁迫下施磷对台湾相思幼苗不同径级根形态指标的影响

0.0 mm5.0 mm径级内N2-P1和N2-P2复合处理组的总根长、总根表面积和总根体积显著低于N2单一处理组;2.0 mm5.0 mm径级内N3-P1和N3-P2复合处理组的上述3个指标总体显著高于N3单一处理组。

总体上看,低径级(0.0 mm5.0 mm)的根对NaCl单一胁迫有一定抗性,变化不大。低浓度NaCl胁迫下施磷,各径级的根受抑制更加明显,根变短小;中浓度NaCl胁迫下施磷对高径级(D>5.0 mm)的根生长有明显促进作用,根变粗大,而0.5 mm

2.2 对幼苗根中营养元素含量的影响

NaCl单一胁迫及NaCl胁迫下施磷对台湾相思幼苗根中营养元素含量的影响见表3。结果显示:NaCl单一胁迫下,各处理组台湾相思幼苗根中P和Ca含量总体显著低于对照〔0 g·kg-1NaCl,0.0 g·kg-1Ca(H2PO4)2〕;Fe、Al和K含量与对照差异不显著;4 g·kg-1NaCl(N2)和6 g·kg-1NaCl(N3)单一处理组的Mn含量显著高于对照,Mg含量显著低于对照;Na含量明显高于对照,仅N2单一处理组与对照差异显著。施磷后,各复合处理组的Mn、Mg、Al和K含量低于对照,但多数复合处理组与对照间差异不明显;Na含量仍明显高于对照;4 g·kg-1NaCl与1.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2(N2-P2)复合处理组的P含量略高于对照,其余复合处理组明显低于对照;4 g·kg-1NaCl与0.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2(N2-P1)复合处理组的Fe含量略低于对照,6 g·kg-1NaCl与0.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2(N3-P1)以及6 g·kg-1NaCl与1.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2(N3-P2)复合处理组的Fe含量明显低于对照,其余复合处理组的Fe含量略高于对照;N3-P2复合处理组的Ca含量略高于对照,其余复合处理组的Ca含量低于对照,其中,N2-P2以及8 g·kg-1NaCl与1.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2(N4-P2)复合处理组的Ca含量明显低于对照。

表3 NaCl单一胁迫及NaCl胁迫下施磷对台湾相思幼苗根中营养元素含量的影响

2 g·kg-1NaCl与0.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2(N2-P1)和N2-P2复合处理组台湾相思幼苗根中Mn、Al、Na和K含量总体显著低于N2单一处理组;Fe和Mg含量与N2单一处理组差异不显著;N2-P2复合处理组的P含量和N2-P1复合处理组的Ca含量显著高于N2单一处理组。N3-P1和N3-P2复合处理组的Fe、Mn和Al含量显著低于N3单一处理组,Na含量显著高于N3单一处理组;N3-P2复合处理组的P、Mg和Ca含量显著高于N3单一处理组;N3-P1复合处理组的K含量显著低于N3单一处理组。N4-P1和N4-P2复合处理组可明显缓解NaCl胁迫对幼苗根中营养元素含量的影响。

总体上看,与对照相比,NaCl单一胁迫及NaCl胁迫下施磷后台湾相思幼苗根中Na含量明显增加,其他7种元素含量下降。

2.3 幼苗干物质积累和根形态相关指标与根中营养元素含量的相关性分析

NaCl单一胁迫下台湾相思幼苗干物质积累和根形态相关指标与根中营养元素含量的相关系数见表4,NaCl胁迫下施磷后台湾相思幼苗干物质积累和根形态相关指标与根中营养元素含量的相关系数见表5。

表4 NaCl单一胁迫下台湾相思幼苗干物质积累和根形态相关指标与根中营养元素含量的相关系数

表5 NaCl胁迫下施磷后台湾相思幼苗干物质积累和根形态相关指标与根中营养元素含量的相关系数

结果(表4)显示:NaCl单一胁迫下台湾相思幼苗根中P含量与总根长和根组织密度呈显著(P<0.05)正相关,与根尖数和根分枝数呈极显著(P<0.01)正相关,与平均根直径呈显著负相关,相关系数分别为0.957、0.983、0.991、0.991和-0.954;Fe含量与根含水量和根体积呈显著负相关,相关系数分别为-0.970和-0.976;Al含量与根干质量、总根表面积和总根体积呈显著负相关,相关系数分别为-0.974、-0.954和-0.961;Na含量与比根长呈显著负相关,相关系数为-0.983;K含量与根含水量呈显著正相关,相关系数为0.952;其他指标间相关性均不显著。

结果(表5)显示:NaCl胁迫下施磷后台湾相思幼苗根中Mn含量与根干质量、总干质量、总根长、总根表面积和总根体积均呈显著或极显著正相关,相关系数分别为0.747、0.782、0.773、0.901和0.724;K含量与根干质量、总干质量、总根长、总根表面积、总根体积和根分枝数均呈显著或极显著正相关,相关系数分别为0.781、0.888、0.881、0.875、0.707和0.808。

3 讨 论

3.1 对幼苗干物质积累和根形态的影响

干物质积累是植物根系响应环境变化的直接体现[17]。根据植物对盐胁迫生理反应的广泛研究,盐胁迫下植物根干质量下降可能是由离子毒性、氧化胁迫和渗透胁迫造成的[27]。本研究结果显示:NaCl单一胁迫下,台湾相思幼苗根干质量与总干质量随NaCl浓度的增加呈降低的趋势,这与华建峰等[28]的研究结果类似,说明在NaCl胁迫下台湾相思幼苗会通过减少干物质积累来减少能耗以抵抗逆境胁迫[29]。低浓度(4 g·kg-1)NaCl胁迫下施磷会明显减少台湾相思幼苗干物质积累;中浓度(6 g·kg-1)NaCl胁迫下施磷可增加干物质积累,但效果不显著,以施1.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2的效果较好;高浓度(8 g·kg-1)NaCl胁迫下施磷可明显缓解NaCl胁迫对干物质积累的影响,以施0.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2的效果较好。说明在沿海地区防护林经营过程中应根据具体的土壤盐胁迫程度进行补磷。

根形态很大程度上受土壤环境的影响[30]。土壤施加外源物质、激素干扰和微生物群落等[31-33]均会改变根形态。本研究中,NaCl单一胁迫下,根含水量和根组织密度随NaCl浓度的增加变化不大,这与洋金凤〔Caesalpiniapulcherrima(Linn.) Sw.〕和凤凰木〔Delonixregia(Boj.) Raf.〕等植物不同,NaCl胁迫下洋金凤幼苗根含水量显著降低,凤凰木幼苗根含水量呈先升高后降低的趋势[34]。这可能与不同植物在NaCl胁迫下的细胞渗透性以及木质部栓塞程度不同有关[35]。作者所在项目组的前期研究结果表明[36]:台湾相思幼苗叶相对含水量随NaCl浓度的增加呈先降低后升高的趋势,高浓度NaCl胁迫下台湾相思幼苗叶相对含水量较对照显著升高。本文中NaCl胁迫下施磷后幼苗根含水量与对照〔0 g·kg-1NaCl,0.0 g·kg-1Ca(H2PO4)2〕差异也不大,说明NaCl单一胁迫下及NaCl胁迫下施磷后根汲取水分可能并非台湾相思应对NaCl胁迫的策略。NaCl单一胁迫及NaCl胁迫下施磷后幼苗根尖和根分枝数量均少于对照,根变短小,这可能是由于NaCl胁迫占据主导地位,NaCl胁迫使细胞分裂和细胞延伸速率减缓或细胞延伸时间减少[37],幼苗会通过降低根尖数、根分枝数、总根长、总根表面积和总根体积等来减少盐分毒害区。

本研究还发现,0.0 mm<根直径(D)≤0.5 mm径级台湾相思幼苗根在NaCl单一胁迫下的总根长、总根表面积和总根体积显著低于对照,说明细根对NaCl胁迫响应更敏感,主要是由于台湾相思幼苗0.0 mm0.5 mm径级的根而言延伸面积有限,对胁迫更为敏感[38]。D>5.0 mm径级内各处理组的总根长、总根表面积和总根体积随NaCl浓度的增加呈先升高后降低的趋势,其中,低浓度NaCl胁迫下的上述3个指标显著高于对照。说明不同径级根对NaCl胁迫的响应有较大差异,可能原因是台湾相思幼苗在低浓度NaCl胁迫下会主动调控不同径级根生长,将营养元素大部分供给粗根,吸收的盐分储存在距离较近的茎部,以保证根吸收更多的营养元素维持植物体正常生长[39]。本研究结果显示:施磷后改变了不同径级的耐盐水平,其中,中浓度NaCl胁迫下施磷对高径级(D>5.0 mm)的根生长有明显促进作用,根变粗大,优于根整体水平,说明粗根对磷的添加更为敏感。

3.2 对幼苗根中营养元素含量的影响

根是植物吸收水分和营养元素的主要器官[40]。本研究发现,NaCl单一胁迫及NaCl胁迫下施磷后台湾相思根中Na含量增加明显,其他7种元素含量总体下降。这可能是由于在NaCl胁迫下,大量Na+进入根细胞,改变了细胞中的电荷总量和离子浓度,影响了细胞的渗透性及离子平衡[41],因此,维持细胞中离子稳态是植物适应盐胁迫的关键策略。本研究结果显示:低浓度(4 g·kg-1)和中浓度(6 g·kg-1)NaCl单一胁迫及NaCl胁迫下施磷后幼苗根中Mg含量明显低于对照。产生这种现象的原因可能是由于NaCl胁迫会破坏叶绿体和含Mg酶的结构,进而影响了根中Mg含量[36-37],而施磷对修复叶绿体结构作用不大。还有研究结果表明:Ca作为植物生长所必需的中量元素,在植物细胞壁形成、保护质膜以及维持细胞内稳态等过程中发挥着十分重要的作用[42]。本研究中,台湾相思幼苗根中Ca含量在NaCl单一胁迫下均明显低于对照,而NaCl胁迫下施磷后幼苗根中Ca含量高于对应的NaCl单一胁迫,说明施磷可以增加幼苗根中Ca含量,进而缓解NaCl胁迫。此外,本研究中高浓度(8 g·kg-1)NaCl胁迫导致植株全部死亡,而施磷后幼苗根对大部分营养元素的吸收与对照总体差异不大,说明高浓度NaCl胁迫下施磷对维持根细胞中的离子稳态有重要作用。

3.3 幼苗干物质积累和根形态相关指标与根中营养元素含量的相关性分析

NaCl单一胁迫下台湾相思幼苗根中P含量与总根长、根尖数、根分枝数和根组织密度呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关,与平均根直径呈显著负相关;随NaCl浓度的增加,P含量的变化趋势与上述5个根形态指标的变化趋势存在相似之处,说明P的补充为台湾相思幼苗根的生长提供了必要的物质保障,增强了根对逆境的适应能力。K含量与根含水量呈显著正相关,NaCl单一胁迫下K含量与对照无显著差异,这也解释了台湾相思幼苗根含水量没有显著变化的原因。NaCl胁迫下施磷后,Mn和K含量与根干质量、总干质量、总根长、总根表面积和总根体积均呈显著或极显著正相关,说明Mn和K是影响台湾相思幼苗根生长的重要元素,因此,在高盐低磷的沿海环境中,除了P外,Mn和K也是促进防护林树种生长的重要元素。

4 结 论

NaCl单一胁迫及低浓度(4 g·kg-1)NaCl胁迫下施磷均会明显抑制台湾相思幼苗干物质积累,改变根形态,根尖和根分枝数量减少、根变短小、平均根直径增加。其中,低径级(0.0 mm5.0 mm)的根对NaCl单一胁迫有一定抗性,在中浓度(6 g·kg-1)NaCl胁迫下施磷对根生长有明显促进作用,根变粗大。NaCl单一胁迫及NaCl胁迫下施磷会使根中Na含量明显增加,其他7种元素含量总体下降。此外,高浓度(8 g·kg-1)NaCl胁迫会导致幼苗死亡,施磷后幼苗对NaCl胁迫有一定的抵抗作用。综合考虑,建议在沿海种植台湾相思幼苗时,低盐土壤不施磷,中高盐土壤可添加磷〔中盐土壤中以添加1.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2为宜,高盐土壤中以添加0.5 g·kg-1Ca(H2PO4)2为宜〕,同时适量添加Mn和K。通过地上、地下器官形态特征、干物质分配策略及离子稳态的协同变化,台湾相思能够在高盐低磷的恶劣环境下保持正常的生长和发育,体现了异质性环境下的形态可塑性和抗逆性机制,但恶劣环境对台湾相思的抗逆性机制尚未完全揭示,有待进一步研究。