宋平，张一，张蕊，周志春*，丰忠平

（1 中国林业科学研究院亚热带林业研究所/国家林业局马尾松工程技术研究中心/浙江省林木育种技术研究重点实验室，浙江富阳 311400；2 西北农林科技大学林学院，陕西杨凌 712100；3 浙江省淳安县姥山林场，浙江淳安 311700）

低磷胁迫下马尾松无性系磷效率性状对氮沉降的响应

宋平1，张一2，张蕊1，周志春1*，丰忠平3

（1 中国林业科学研究院亚热带林业研究所/国家林业局马尾松工程技术研究中心/浙江省林木育种技术研究重点实验室，浙江富阳 311400；2 西北农林科技大学林学院，陕西杨凌 712100；3 浙江省淳安县姥山林场，浙江淳安 311700）

【目的】剖析不同类型低磷胁迫下马尾松应对大气氮沉降的生长表现和适应机制，为在大气氮沉降背景下选育营养高效利用的马尾松速生优质新品种提供理论依据。 【方法】以来自马尾松 (Pinus massoniana) 全同胞子代的 5 个优良无性系 1 年生扦插幼苗为材料，分别在同质低磷 (介质表层与深层均缺磷) 和异质低磷 (介质表层磷丰富、深层缺磷) 两种土壤磷素环境下设置两种浓度梯度的模拟氮沉降试验，以研究低磷胁迫下马尾松无性系苗木生长、根系发育及氮、磷效率对模拟氮沉降的响应差异和规律。 【结果】1) 不同类型低磷胁迫下马尾松苗高和干物质积累量均表现出显著的无性系变异，且在同质低磷下存在明显的无性系 × 氮交互效应 (P ＜0.05)。2) 马尾松无性系在不同类型低磷胁迫下应对氮沉降的适应机制有所差异。同质低磷、高氮环境下，33-4和 19-5 等生长势较强的无性系，其根系长度、根表面积以及根分泌的酸性磷酸酶活性显著高于生长势较弱的无性系，干物质积累量与酸性磷酸酶活性之间的相关性增强，表明根系可通过增加在土壤中的分布面积和提高酸性磷酸酶活性来应对高氮、低磷的外界环境；异质低磷下，生长势较强的无性系，其根系长度和表面积在高氮沉降下显著增加，但比根长反而显著下降，意味着根系在高氮下增加吸收面积的同时，降低自身内部消耗可能是马尾松高磷效率的重要生物学基础之一。3) 马尾松无性系的磷吸收效率受氮沉降影响较大，在不同氮、磷水平下，其磷吸收效率与氮吸收效率均呈极显著正相关 (P ＜ 0.01)，表明模拟氮沉降有利于马尾松无性系对土壤中磷素的活化吸收，但磷利用效率无显著差异。4) 马尾松无性系的干物质积累量、根系长度、根表面积以及根分泌的酸性磷酸酶活性等指标的变幅较大，且无性系重复力均达到 0.75 (P ＜ 0.05) 以上，这为高氮、低磷环境下马尾松耐受型植株的选择提供了可能。 【结论】以马尾松根系形态和根分泌的酸性磷酸酶活性变异为突破口，选育氮沉降下具有高磷效率的马尾松无性系将有利于遗传效益的提高。

马尾松；无性系；低磷胁迫；氮沉降；磷效率

土壤中磷素的匮乏已成为影响植物生产力的制约因素[1]。研究表明，植物不同基因型对土壤中“固定态”或“闭蓄态”磷素的活化、吸收和利用效率存 在 显 著 的 遗 传 差 异[2]。 通 过 植 物 磷 效 率 的 遗 传 改良，提高其对土壤磷素的有效吸收和利用，可解决磷资源危机和提高植物生产力[3]。众多研究表明，低磷下植物根系形态和根构型的适应性变化、根分泌的酸性磷酸酶活性的特异性增加，以及通过菌根共生改善根际磷营养状况，是磷高效植物适应低磷胁迫及高效觅取土壤有限磷的重要生物学机制[4-5]。与农业耕作土壤相比，森林土壤中的磷素匮乏程度更严重、类型更复杂，可能同时存在表层富磷、深层贫磷的异质性低磷胁迫[6-7]以及土壤表层和深层均缺磷的同质性低磷胁迫[8-9]。针对不同类型的森林立地和低磷胁迫环境，选育磷高效的林木基因型具有重要现实意义。

以往的林木磷素营养效率研究，较多针对磷素单一影响，而忽视了氮素与磷素可能的交互作用。近年来，大气氮沉降的加剧，使得土壤环境中氮素有效性增加[10]，造成原有低磷土壤中的有效磷水平相对更低，这不仅扰乱了土壤的养分平衡，还会影响植物对土壤有限磷素的吸收和利用[11]。在我国南方酸性红壤地区，有效磷匮乏的同时也往往面临着大气氮沉降加剧的现象。研究指出，氮素的增加可以促进植物生长[9,12-14]。如黑杨 (Populus nigra)、长白落叶松 (Larix algensis) 和马褂木 (Liriodendron chinense)等造林树种在高氮下，其苗高、地径和整株生物量均明显增大[15-17]。对台湾桤木的研究表明，氮素可刺激根系长度和表面积的增加，但会导致比根长下降[18]。如能揭示低磷土壤上氮沉降对植物根系及磷效率相关性状的影响规律，将有利于挖掘林木有效利用土壤有限资源的潜力，进而减少对氮、磷化学肥料的依赖[19]。然而，有关研究却尚未引起足够重视。

马尾松是速生性强、材性优良的重要材用和脂用造林树种，广泛分布于我国的亚热带地区，面积达 1000 万公顷[20]。针对马尾松分布区酸性红壤有效磷匮乏、氮沉降日益加剧这一现状，已有研究初步揭示了马尾松忍耐同质低磷和异质低磷胁迫的生物学机制[21-22]。同时也初步研究了大气氮沉降对马尾松家系磷效率性状的影响模式[23]。然而已有研究较多地是利用马尾松种源和家系等遗传材料，其种源和家系内个体变异较大，影响试验结果的准确性。本研究选用不同生长特性的马尾松无性系苗木，设置同质低磷和异质低磷两种磷素环境下的模拟氮沉降试验，研究低磷胁迫下模拟氮沉降对马尾松无性系生长、根系发育和磷效率等性状的影响，为在大气氮沉降背景下选育和推广磷高效马尾松无性系提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

材料来源于马尾松二代育种群体内控制授粉产生的全同胞子代中选择的超级苗经过扦插繁殖而培育的1年生无性系幼苗。选择其中 15-1、19-4、19-5、23-6 和 33-4 等 5 个生长差异明显的无性系作为试验材料。盆栽基质来自浙江省淳安县姥山林场的贫瘠酸性红壤，其全氮和全磷含量分别为 0.41 g/kg 和0.35 g/kg，水解氮、速效钾和有效磷含量分别为 46.2 mg/kg、37.9 mg/kg 和 1.08 mg/kg，pH 5.06，有机质含量为 6.40 g/kg。盆栽容器为高 36 cm、直径 20 cm的无纺布植树袋，其透气性强，可很好模拟田间栽培环境。

1.2 试验设计

试验在浙江省淳安县姥山林场的苗圃进行。于2012 年 3 月开始，设置为期两年的模拟氮沉降盆栽试验。采用 2 × 2 × 5 三因素析因设计，分别为两个磷水平，两个氮水平，5 个无性系。磷素处理包括同质低磷 (Homo-LP) 和异质低磷 (Hetero-LP) 两种类型。盆栽容器由上而下均分为 3 个层次，每一层的高度约为 12 cm，第 1 层为表层，第 2 层为中间层，第 3 层为底层。Homo-LP 处理中的土壤均采用有效磷含量极低 (1.08 mg/kg) 的贫瘠酸性红壤作为盆栽基质，其有效磷贫乏可有效模拟森林土壤中磷素极为匮乏的针叶林立地环境。Hetero-LP 处理中，按照第3、第 2 和第 1 的顺序依次装填土壤基质；第 3 层直接用有效磷含量极低 (1.08 mg/kg) 的贫瘠酸性红壤装盆，第 1、2 层用 Ca(H2PO4)2与酸性红壤基质混匀后加入，Ca(H2PO4)2用量分别为 1.0 和 0.10 g/kg (相当于有效磷含量约 80 和 8 mg/kg)。盆栽基质由上而下有效磷含量逐渐降低的异质营养环境可模拟立地条件较好，表层营养成分较高的针阔混交林或阔叶林土壤环境。

试验以向全株喷施 NH4NO3溶液来模拟氮沉降处理。共设置低氮 (LN) 和高氮 (HN) 两个氮水平。每年分别在马尾松生长旺盛的 4 月、6 月和 8 月的每月中旬向盆栽无性系幼苗全株喷施 NH4NO3溶液。低氮和高氮处理中每次喷施的量分别为 1 g/m2和 4 g/m2，年喷施总量相当于 30 kg/(hm2·a) 和 120 kg/(hm2·a)，即 2 年生长期内喷施总量分别为 60 kg/hm2和 240 kg/hm2。试验采用完全随机区组设计，每个处理 6 次重复，单株小区，共计 120 株马尾松无性系幼苗。盆栽试验在半开放的温室塑料大棚内进行，且配置自动喷灌系统，以达到维持马尾松幼苗正常生长的需水量。

1.3 样品采集与测定

于 2014 年 4 月收获，剔除其中生长异常植株，每处理取 4 株测定其苗高和地径。然后参照沈宏等[24]的方法收集根系分泌物，用去离子水将根系洗净后，将单株置于 20 mL 0.5 mol/L CaCl2溶液中，收集12 h，加入 2～3 滴 0.05% 百里酚抑制其微生物活性，收集的滤液经过滤后，采用 Mclachlan[25]的方法测定根分泌的酸性磷酸酶 (APase) 活性。

将各植株分为根、茎和叶三部分。根系部分用根系扫描仪进行扫描成像，并且利用图像分析软件WinRHIZO Pro STD1600+ (加拿大 Regent Instruments公司) 对根系扫描图进行分析，得到根系长度 (RL)和表面积 (RSA) 等根系参数。将根、茎和叶三部分放在 105℃ 的烘箱中杀青 30 min，然后在 80℃ 下烘干至恒重，得到各部分的干物质量。称取 0.1 g 左右的根茎叶各部分，用 H2SO4-H2O2消煮后，取消煮液用钼锑抗比色法测定各器官中的磷含量[26]，用 FOSS定氮仪测定氮含量[27]。

1.4 数据分析

盆栽苗木的生长和根系参数等性状指标用 SAS的 ANOVA 程序，根据不同磷素环境按无性系和氮处理分别进行单因素和双因素方差分析。计算苗木主要生长和根系性状的无性系重复力并且检验验证。采用 SAS 的 CORR 程序，计算不同氮、磷处理下马尾松无性系生长、根系参数等性状的相关性。

比根长 = 根系长度/根系干物质量 (cm/g)；

磷 (氮) 素吸收效率 = 整株磷 (氮) 吸收量(mg/plant)；

磷 (氮) 素利用效率 = 整株干物质量/整株磷 (氮)素吸收量 (g/mg)。

2 结果与分析

2.1 模拟氮沉降对低磷胁迫下马尾松无性系苗木生长的影响

方差分析结果显示，在两种低磷环境下，5 个马尾松无性系的苗高和干物质积累量的遗传差异均达到显著或极显著水平 (表 1)，在同质低磷下，苗高和干 物 质 积 累 量 的 变 幅 分 别 为 47.15～57.56 cm 和8.82～16.18 g，最大无性系分别较最小无性系高出22.08% 和 83.45%；异质低磷下的变幅则分别为37.51～58.39 cm 和 8.87～17.70 g，最大无性系分别是最小无性系的 1.56 倍和 1.99 倍。马尾松无性系的苗高和干物质积累量在同质低磷下的氮素效应不显著，但存在明显的无性系 × 氮交互效应；相反，在异质低磷下的氮素效应显著，而无性系 × 氮的交互效应不显著 (表 1)。不同马尾松无性系的苗高、干物质积累量对模拟氮沉降的响应有所差异。无性系 23-6的苗高和干物质积累量在两种低磷环境下均随氮素浓度的增加而减小，其他无性系则表现出相反的变化趋势，其中，在同质低磷下，干物质积累量增加幅度排名前两位的分别为无性系 33-4 (67.65%) 和 19-5 (25.82%)，而在异质低磷下，增幅排名前两位的无性系分别为 19-5 (57.38%) 和 19-4 (22.04%)(图 1a)，苗高也表现出类似的变化规律，即参试的 5 个马尾松无性系中，19-5 无论在同质低磷还是异质低磷下均表现出对模拟氮沉降的正响应，氮沉降下干物质生产能力均显著增加，而 23-6 在两种磷素环境下的苗高、干物质积累量均受到氮沉降的抑制效应。

表1 马尾松无性系生长、根系参数及氮、磷效率的方差分析Table 1 F values of the two-way ANOVA analysis on major growth traits, root parameters and N and P efficiency of Pinus massoniana clone

2.2 模拟氮沉降对低磷胁迫下马尾松无性系苗木根系发育和根分泌的 APase 活性的影响

模拟氮沉降不仅影响马尾松地上部分的生长，而且影响根系的发育和根分泌的 APase 活性，且不同无性系间差异显著 (表 1)。比较分析发现，在两种低磷环境下，干物质积累量对模拟氮沉降 (即高氮)呈正响应的无性系，其根系长度和表面积在高氮下也具有显著优势 (图 1a、b、c)。比根长和根分泌的APase 活性对氮素的响应因不同磷素环境有所差异，同质低磷下，模拟氮沉降主要改变了根分泌的 APase活性，比根长无显著差异，异质低磷下，比根长受氮素浓度的影响较大 (表 1、图 1d)。同质低磷、高氮下，‘33-4’和‘19-5’等生长势较强的无性系其根分泌的 APase 活性较高，如在高氮下的 APase 活性分别为 2.53 μg/(g·min) 和 3.86 μg/(g·min)，分别较低氮水平增长了 150.50% 和 98.97% (图 1e)。这表明在同质低磷下，对氮素敏感的马尾松无性系随氮素浓度的增加，根分泌的 APase 活性逐渐增强，进而促进整株的生长。异质低磷下，马尾松苗木根分泌的 APase活性受氮素水平影响较小，但比根长具有显著的无性系效应和氮素效应 (P ＜ 0.05)(表 1)。例如，干物质积累量在高氮下显著增加的无性系 19-5，其比根长较低氮显著下降了 24.93%，低于同水平下其他无性系比根长的值。与无性系 19-5 相反，无性系 15-1 在异质低磷、高氮下的干物质量较其他无性系最小，其根系长度和表面积也较小，但比根长较其他无性系平均高出 18.89% (图 1d)。推测在异质低磷、高氮下，生长势强的无性系，其干物质积累量不仅与根分泌的APase活性有关，还与根系在维持土壤中较大分布面积的同时，减少其自身内部的消耗相关联。

图1 不同氮、磷处理下马尾松无性系根系参数和分泌的酸性磷酸酶活性Fig. 1 Growth traits and root APase activity of Pinus massoniana tested clones in the four N and P treatments[注（Note）:柱上不同小写字母表示同一处理下不同无性系间差异显著 (P ＜ 0.05) Different small letters above the bars indicate significant differences among the clones in the same nutrient treatment (P ＜ 0.05).]

2.3 模拟氮沉降对低磷胁迫下马尾松无性系苗木磷效率的影响

在两种磷素环境下，模拟氮沉降对马尾松无性系磷吸收效率的影响，整体表现为促进作用，但不同无性系反应差异较大；磷利用效率受模拟氮沉降影响较小 (表 1、图 2)。同质低磷下，苗高、干物质积累量在高氮下明显增加的无性系 33-4 和 19-5，其整株磷吸收效率也显著增大，分别较低氮增长了38.92% (33-4) 和 16.78% (19-5)(图 2)；在高氮下干物质积累量显著下降的无性系 23-6，其磷吸收效率在高氮水平下为 4.24 mg/plant，较低氮显著下降了56.72%，显著低于同水平下其他无性系的磷吸收效率。异质低磷下，仅高氮下磷吸收效率最高、干物质积累量最大的无性系 19-5，其整株磷吸收效率的增幅显著高于其他无性系，如在高氮下的磷吸收效率为 16.95 mg/plant，约是其他无性系的 1.26 倍 (图2)；干物质积累量在高氮下降低的无性系 23-6，其磷利用效率反而显著高于其他无性系，但磷吸收效率与其他无性系相比无显著优势。这表明，与磷利用效率相比，磷吸收效率对无性系的生长和干物质积累量的促进作用更为明显。

马尾松无性系的氮效率与磷效率表现出类似的变化趋势。由图 2 可知，马尾松氮效率受模拟氮沉降的影响也较大，无性系 19-5 的氮吸收效率在同质低磷、高氮下较对照的增幅达到 51.61%；在异质低磷、高氮下的值为 153.78 mg/plant，约是其他无性系的 1.84 倍。相关性分析也得出，在不同处理水平下，磷吸收效率与氮吸收效率之间存在极显著的正相关 (表 3)(P ＜ 0.01)。马尾松无性系的氮利用效率受氮素影响较小 (图 2)。说明氮素的增加可能提高了植株的氮吸收效率，进而促进植株对磷的吸收。

2.4 不同氮、磷条件下马尾松无性系苗木生长、根系发育及磷效率的重复力和性状相关性

图2 不同氮、磷处理下马尾松无性系氮、磷吸收及利用效率的无性系间变异Fig. 2 Comparison diagram of different nutrients absorbed and used by the plants in the four N and P treatments.[注（Note）:柱上不同大写字母表示不同处理之间差异显著，不同小写字母表示不同无性系之间差异显著 (α=0.05) Different capital letters above the bars indicate significant differences among different treatments and different small letters above the bars indicate significant differences among different clones within the same treatment (α=0.05).]

表2 不同氮、磷处理下马尾松无性系生长、根系参数及氮、磷效率之间的相关系数 (r)Table 2 Correlation coefficients between the growth traits with root parameters, N efficiency and P efficiency

2.4.1 重复力 重复力表示为基因型方差与一般环境方差之和在表型方差中所占的比例，体现的是遗传因素对植物生长影响的强弱。由表 2 可知，在不同氮、磷处理下，马尾松无性系苗高、干物质积累量、根系长度、根系表面积、磷吸收效率以及根分泌的 APase 活性的重复力绝对值均较高，且达到显著或极显著水平，说明马尾松不同无性系之间各性状差异显著，有选择的必要和可能。但是根冠比的重复力水平较低，属于低重复力性状。在两种低磷环境下，模拟氮沉降 (即高氮) 后，马尾松无性系比根长和磷利用效率的重复力增大，在异质低磷、高氮下分别为 0.70 和 0.79，且达到显著或极显著水平。2.4.2 性状相关 在两种低磷环境下，无论是低氮还是高氮水平，马尾松无性系的干物质积累量与根系长度、根系表面积及磷吸收效率之间均存在显著或极显著的正相关。其中干物质积累量与根系长度和表面积的相关系数平均达到 0.79 以上 (表 3)，这表明，通过增加根系在土壤中的分布面积，是马尾松无性系适应低磷胁迫、维持生长的重要生物学机制。相关性分析得出，随着氮素浓度的增加，马尾松无性系干物质积累量与根分泌的 APase 活性之间的相关性增强，在高氮下的相关系数为 0.53，且达到显著水平 (P ＜ 0.05)。说明在同质低磷下，随着氮素浓度的增加，马尾松无性系的生长受根分泌的APase 活性的影响更为显著。异质低磷下，随着氮素浓度的增加，马尾松无性系生长 (苗高、整株干物质量) 与磷利用效率之间的相关性减弱，并在高氮下出现了负相关，如马尾松无性系的干物质积累量与磷利用效率之间的相关系数为 -0.22 (表 3)。与同质低磷相比，异质低磷下，马尾松无性系的生长与根分泌的 APase 活性之间的相关性较弱，但与比根长之间的相关性随着氮素浓度的增加而增强。

表3 不同氮、磷处理下马尾松无性系生长、根系参数及氮、磷效率的重复力 (R)Table 3 Repeatability (R) of growth traits, root parameters and N and P efficiencies of Pinus massoniana in different P and N treatments

3 讨论

与种子有性繁殖相比，无性系选育可有效利用加性与非加性遗传效应[28]。因此在无性系水平上进行磷效率的遗传改良，可获得更高的遗传增益[29]。本文有针对性地在同质低磷和异质低磷两种低磷胁迫下，分别设置不同程度的模拟氮沉降试验，研究不同马尾松无性系苗木生长对氮素的响应差异。结果表明，参试马尾松无性系的苗高、干物质积累量等磷效率相关指标均存在显著或极显著的无性系变异，主要生长指标和根系参数的无性系重复力均较高，且在同质低磷下，氮×无性系互作效应显著，揭示在大气氮沉降背景下开展马尾松无性系磷效率遗传改良的必要性和潜力。

研究证实，特定浓度氮素的增加有利于植物根系的增生发育[16,30]。在本研究的同质低磷和异质低磷条件下，氮素的增加均有利于马尾松无性系根系长度和表面积的增加。部分参试无性系的生长势在高氮下显著增强，源于其根系长度和表面积在高氮下的增长幅度比其它无性系更高。相关性分析证实，马尾松无性系苗木的氮、磷吸收效率与根系长度及表面积之间存在显著或极显著的正相关。这表明在同质低磷和异质低磷条件下，氮素资源有效性的增加可以刺激马尾松无性系苗木根系在土壤中的增生，进而提高其对土壤中磷素的吸收效率，促进马尾松无性系苗木整株的生长，这一结果与庞丽等[23]的结论类似。比根长是指单位质量根系的长度[31]，影响根系对土壤养分的获取能力，是衡量根吸收和消耗比值的重要指标[32]。本研究中，在异质低磷下，干物质积累量在高氮下显著增大的无性系，其比根长反而相对较小，说明土壤中氮素有效性的增加会导致根 系 比 根 长 的 下 降 ， 这 与 刘 金 梁 等[33]的 研 究 结 果 一致。但有学者认为，比根长较大的根系，其养分的吸收效率 较高[31,34]，这与 本 研究结 果 不同， 这 可能是由于在异质低磷胁迫下，构建和维持单位长度马尾松苗木根系消耗的成本 (碳水化合物) 较大的缘故。综上所述，根系增生发育的适应性变化能力是异质低磷、高氮环境下决定马尾松无性系变异的重要生物学基础，生长势强的无性系通过增加根系在土壤中分布面积的同时，降低自身内部消耗，从而增加其干物质积累能力，形成较高的磷效率。不同氮、磷条件下，马尾松根系长度和表面积的变幅及无性系重复力均较高，也进一步证实了选育具有理想根形态和磷高效马尾松无性系的改良潜力。

当土壤磷素匮乏时，植物体内以及根系会向胞外分泌一种诱导酶 (APase)[35]，根分泌的 APase 活性的适应性变化能力是低磷胁迫下决定植物磷效率的重要生理机制之一。本研究所设置的同质低磷条件下，模拟氮沉降后，生长势明显增强的无性系 (33-4 和19-5)，其根分泌的 APase 活性显著高于其他无性系。相关性分析结果得出，同质低磷下，随着氮素浓度的增加，马尾松无性系干物质积累量与根分泌的 APase 活性之间的相关性增强，且达到显著水平。分析认为，土壤中磷素的相对匮乏程度不仅取决于磷素本身，也与氮素以及氮、磷化学计量比有关，氮素浓度的增加导致原有低磷土壤中有效磷相对水平更低，使得马尾松无性系的生长受磷素匮乏的限制更严重，在这种极端情况下，生长势较强的无性系，其根分泌的 APase 活性增强，可以促进其对土壤中磷素的活化吸收，从而更好耐受低磷胁迫。而庞丽等[23]认为根分泌的 APase 活性的增加并不能改变同质低磷下马尾松整株的生长，与本研究结果不一致。这可能是由于本试验中所设置的高氮水平中氮素浓度更高，进而提高了根系分泌 APase的必要性及效益，促进了马尾松整株的生长。

磷吸收效率和利用效率对于植物生长的相对重要性，一般因植物种类或基因型不同而有所差异[4,9]。梁霞等[36]认为磷高效杉木 (Cunninghamia lanceolata) 无性系具有较高的磷素吸收效率和利用效率。而磷高效种源马褂木 (Liriodendron chinense) 则表现出较强的磷吸收效率，与利用效率之间的相关性不强[37]。本研究发现，磷吸收效率对马尾松无性系干物质积累量的促进作用更为突出，相关性分析也证实，在异质低磷下，马尾松无性系的生长与磷素吸收效率之间存在显著或极显著的正相关，而与磷素利用效率之间的相关性则较弱，甚至达到负相关。结合前人的研究结果[22-23,30]，可认为在高氮、低磷环境下，马尾松幼苗植株的高效生长主要受磷素吸收效率的影响，这有异于种源实验结果[4]。在种源试验中，发现低磷环境下，马尾松种源的磷利用效率参数差异较大，说明磷素利用效率可以反映种源的磷效率大小。推测这可能是由于模拟氮沉降改变了低磷土壤中的原有磷素相对水平，进而改变了马尾松无性系的磷素吸收动力学参数，使得磷素吸收效率在不同无性系间差异较大。由于氮沉降是一个长期的过程，需要对本实验结果做进一步的观测及分析，以期更客观地揭示氮沉降下，磷素吸收利用对马尾松无性系苗木生长发育的机理。

4 结论

1) 在两种低磷环境下，马尾松无性系的磷效率指标在无性系间变异显著，不同无性系对氮沉降的响应存在差异，因此，在大气氮沉降背景下选育磷高效优良无性系具有较大的潜力和可行性。

2) 在不同类型低磷胁迫环境下，马尾松无性系应对氮沉降的适应机制有所差异。同质低磷环境下，马尾松无性系通过提高根分泌的 APase 活性来增强根系对土壤中磷营养的活化、吸收利用能力；异质低磷环境下，则主要以增加根系在土壤中的分布面积，同时降低自身内部消耗来促进植株的生长。

3) 马尾松无性系的干物质积累量与磷吸收效率呈显著正相关，而与磷利用效率相关性不显著。因此，在开展马尾松磷效率的遗传改良时，应充分考虑马尾松根系对土壤中难溶态磷的获取能力。

[1]Vance C P. Symbiotic nitrogen fixation and phosphorus acquisition. Plant in a world of declining renewable resources[J]. Plant Physiology, 2001, 127(2)： 390-397.

[2]Liao H, Yan X L, Rubio G, et al. Genetic mapping of basal root gravitropism and phosphorus acquisition efficiency in common bean[J]. Functional Plant Biology, 2004, 31(10)： 959-970.

[3]Playsted C W, Johnston M E, Ramage C M, et al. Functional significance of dauciform roots： exudation of carboxylates and acid phosphatase under phosphorus deficiency in Caustis blakei (Cyperaceae) [J]. New Phytologist , 2006, 170(3)： 491-500.

[4]周志春, 谢钰容, 金国庆, 等. 马尾松种源对磷肥的遗 传反应及根际土壤营养差异[J]. 林业科学, 2005, 41(4)： 25-30. Zhou Z C, Xie Y R, Jin G Q, et al. Study on phosphorus efficiency of different provenances of Pinus massoniana[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2005, 41(4)： 25-30.

[5]Fang Z Y, Shao C A, Meng Y J, et al. Phosphate signaling in Arabidopsis and Oryza sativa[J]. Plant Science, 2009, 176(2)：170-180.

[6]Wang Q K, Wang S L, Huang Y. Comparisons of litterfall, litter decomposition and nutrient return in a monoculture Cunninghamia lanceolata and a mixed stand in southern China [J]. Forest Ecology and Management , 2008, 255(3-4)： 1210-1218.

[7]Zhang Y, Zhou Z C, Yang Q. Genetic variations in root morphology and phosphorus efficiency of Pinus massoniana under heterogeneous and homogeneous low phosphorus conditions [J]. Plant and Soil, 2013, 364(1)： 93-104.

[8]Hidaka A, Kitayama K. Allocation of foliar phosphorus fractions and leaf traits of tropical tree species in response to decreased soil phosphorus availability on Mount Kinabalu, Borneo[J]. Journal of Ecology, 2011, 99(3)： 849-857.

[9]吴茜, 丁佳, 闫慧, 等. 模拟降水变化和土壤施氮对浙江古田山 5 个树种幼苗生长和生物量的影响[J]. 植物生态学报, 2011, 35(3)：256-267. Wu X, Ding J, Yan H, et al. Effects of simulated precipitation and nitrogen addition on seedling growth and biomass in five tree species in Gutian Mountain, Zhejiang Province, China[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2011, 35(3)： 256-267.

[10]Liu X J, Zhang Y, Han W X, et al. Enhanced nitrogen deposition over China[J]. Nature, 2013, 494(7438)： 459-462.

[11]Fujita Y, Robroek B J M, De Ruiter P C, et al. Increased N affects P uptake of eight grassland species： the role of root surface phosphate activity[J]. Oikos, 2010, 119(10)： 1665-1673.

[12]Galloway J N, Cowling E B. Reactive nitrogen and the world： 200 years of change[J]. Ambio, 2002, 31(2)： 64-71.

[13]Linkohr B I, Williamson L C, Fitter A H, et al. Nitrate and phosphate availability and distribution have different effects on root system architecture of Arabidopsis[J]. Plant Journal, 2002, 29(6)： 751-760.

[14]Mo J M, Li D J, Gundersen P. Seedling growth response of two tropical tree species to nitrogen deposition in southern China[J].European Journal of Forest Research, 2008, 127(4)： 275-283.

[15]刘希华, 丁昌俊, 张伟溪, 等. 不同基因型欧洲黑杨幼苗氮素利用效率差异及其机理初探[J]. 林业科学研究, 2010, 23(3)： 368-374. Liu X H, Ding C J, Zhang W X, et al. Study on difference and primarily mechanism of nitrogen use efficiency (NUE) in Populus nigra seedlings genotypes[J]. Forest Research, 2010, 23(3)： 368-374.

[16]江俐妮, 魏红旭, 刘勇, 等. 长白落叶松播种苗根系形态可塑性与氮素空间异质性关系[J]. 东北林业大学学报, 2010, 38(1)： 24-27. Jiang L N, Wei H X, Liu Y, et al. Relationships between root morphological plasticity and heterogeneous N for Larix algensis seedlings[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2010, 38(1)：24-27.

[17]樊瑞怀, 杨水平, 周志春, 等. 氮素营养对马褂木家系苗木生长效应分析[J]. 林业科学研究, 2009, 22(1)： 85-90. Fan R H, Yang S P, Zhou Z C, et al. Effect of nitrogen on the seedling growth of Liriodendron chinese families [J]. Forest Research, 2009, 22(1)： 85-90.

[18]苗宇, 陈栎霖, 李贤伟, 等. 施肥对台湾桤木-扁穗牛鞭草复合模式下桤木细根形态特征、生物量及组织碳氮含量的影响[J]. 植物生态学报, 2013, 37(7)： 674-683. Miao Y, Chen Y L, Li X W, et al. Effects of fertilization on Alnus formosana fine root morphological characteristics, biomass and issue content of C, N under A. formosana-Hemarthria compressa compound mode[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2013, 37(7)： 674-683.

[19]杨青, 张一, 周志春, 等. 磷高效马尾松种源磷效率的家系变异及苗期—大田回溯相关分析[J]. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(2)：338-348. Yang Q, Zhang Y, Zhou Z C, et al. Family variation of Pinus massoniana in phosphorus efficiency and retrospective analysis between seedling growth and field trails[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(2)： 338-348.

[20]国家林业局. 第八次全国森林资源清查报告(2009-2013) [EB/OL]. http：//www.forestry.gov.cn/main/65/content-659670.html, 2014-02-25. State Bureau of Forestry Administration. The report of eighth survey about resources of forestry in China (2009-2013) [EB/OL]. http：// www.forestry.gov.cn/main/65/content-659670.html, 2014-02-25.

[21]杨青, 张一, 周志春, 等. 异质低磷胁迫下马尾松家系根构型和磷效率的遗传变异[J]. 植物生态学报, 2011, 35(12)： 1226-1235. Yang Q, Zhang Y, Zhou Z C, et al. Genetic variation in root architecture and phosphorus efficiency in response to heterogeneous phosphorus deficiency in Pinus massoniana families[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2011, 35 (12)： 1226-1235

[22]杨青, 张一, 周志春, 等. 低磷胁迫下不同种源马尾松的根构型与磷效率[J]. 应用生态学报, 2012, 23(9)： 2339-2345. Yang Q, Zhang Y, Zhou Z C, et al. Root architecture and phosphorus efficiency of different provenance Pinus massoniana under low phosphorous stress[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(9)： 2339-2345

[23]庞丽, 张一, 周志春, 等. 模拟氮沉降对低磷胁迫下马尾松生长和磷效率的影响[J]. 应用生态学报, 2014, 25(5)： 1275-1282. Pang L, Zhang Y, Zhou Z C, et al. Effects of simulated nitrogen deposition on growth and phosphorus efficiency of Pinus massoniana under low phosphorus stress[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(5)： 1275-1282.

[24]沈宏, 施卫明, 王校常, 曹志洪. 不同作物对低磷胁迫的适应机理研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2001, 7(2)： 172-177. Shen H, Shi W M, Wang J C, Cao Z H. Study on adaptation mechanisms of different crops to low phosphorus stress [J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2001, 7(2)： 172-177.

[25]Mclachlan K D. Acid phosphatase activity of intact roots and phosphorus nutrition in plants. Ⅱ. Variations among wheat roots[J]. Australian Journal of Agricultural Research, 1980, 31(3)： 441-448.

[26]Anderson J M, Ingram J S I. Tropical soil biology and fertility： a handbook of methods (2th edn.) [M]. Soil Science, 1994, 157(4)： 265.

[27]Bremner J M, Mulvaney C S. Nitrogen-total [A]. Page A L, Miller R H, Keeney D R. Methods of soil analysis [C]. Madison： Agronomy Society of America, 1982.

[28]White T L, Adams W T, Neale D B. Forest genetics[M]. London：CABI Publishing, 2007.

[29]Kien N D, Jansson G, Harwood C, et al. Clonal variation and genotype by environment interactions in growth and wood density in Eucalyptus camaldulensis at three contrasting sites in Vietnam[J]. Silva Genetica, 2010, 59(1)： 17-28.

[30]Zhang Y, Zhou Z C, Yang Q. Deposition impacts seedling growth of Pinus massoniana via N∶ P ratio effects and the modulation of adaptive responses to low P (phosphorus) [J]. Plos One, 2013, 8(10)： e79229.

[31]Pregitzer K S, Deforest J L, Burton A J, et al. Fine root architecture of nine North American trees[J]. Ecologcial Monographs, 2002,72(2)：293-309.

[32]Makita N, Hirano Y, Dannoura M, et al. Fine root morphological traits determine variation in root respiration of Quercus serrata[J]. Tree Physiology, 2009, 29(4)： 579-585.

[33]刘金梁, 梅莉,谷加存, 等. 内生长法研究施氮肥对水曲柳和落叶松细根生物量和形态的影响[J]. 生态学杂志, 2009, 28(1)： 1-6. Liu J L, Mei L, Gu J C, et al. Effects of nitrogen fertilization on fine root biomass and morphology of Fraxinus mandshurica and Larix gmelinii： a study with in-growth core approach[J]. Chinese Journal of Ecology, 2009, 28(1)： 1-6.

[34]于立忠, 丁国泉, 史建伟, 等. 施肥对日本落叶松人工林细根直径、根长和比根长的影响[J]. 应用生态学报, 2007, 18(5)： 957-962. Yu L Z, Ding G Q, Shi J W, et al. Effects of fertilization on fine root diameter, root length and specific root length in Larix kaempferi plantation[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2007, 18(5)：957-962.

[35]Teng Z Q, Li X D, Han H G, et al. Effects of land use patterns on soil phosphorus fractions in the Longzhong part of the Loess Plateau[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2013, 22(2)： 30-37.

[36]梁霞, 刘爱琴, 马祥庆, 等. 磷胁迫对不同杉木无性系酸性磷酸酶活性的影响[J]. 植物生态学报, 2005, 29(1)： 54-59. Liang X, Liu A Q, Ma X Q, et al. The effect of phosphorus deficiency stress on activities of acid phosphatase in different clones of Chinese fir[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2005, 29(1)： 54-59.

[37]王剑, 周志春, 饶龙兵, 等. 不同磷效率马褂木种源对磷胁迫的生理反应[J]. 林业科学研究, 2006,19(4)： 527-531. Wang J, Zhou Z C, Rao L B, et al. Physiological response of Liriodendron chinese provenances with different phosphorus efficiency under low phosphorus stress [J]. Forest Research, 2006, 19(4)： 527-531.

Responses of phosphorus efficiency to simulated nitrogen deposition under phosphorus deficiency in Pinus massoniana clones

SONG Ping1, ZHANG Yi2, ZHANG Rui1, ZHOU Zhi-chun1*, FENG Zhong-ping3
( 1 Research Institute of Subtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry/State Forestry Administration Engineering Research Center of Masson Pine/Zhejiang Provincial Key Laboratory of Tree Breeding, Fuyang, Zhejiang 311400, China; 2 College of Forestry, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling, Shanxi 712100, China; 3 Laoshan Forest Farm, Chun’an, Zhejiang 311700, China )

【Objectives】This paper focused on how nitrogen (N) deposition impacts growth of different clones of Pinus massoniana under phosphorus (P) deficient soils. The results could formulate the breeding strategy of P. massoniana under N deposition. 【Methods】Taking five representative clones of P. massoniana which were cultivated for one year from full-sib progenies as test materials, a pot experiment was conducted to investigate variations of growth, root morphology and N/P efficiency in response to simulated N deposition under bothhomogeneous low P stress (low P level in all soil layers) and heterogeneous low P stress (high P level in the topsoil and low P level in the bottom soil), respectively. 【Results】1) Large variations were detected in seedling height and dry matter accumulation among the P. massoniana clones under both the homogeneous and heterogeneous low P stress, moreover, significant clone and N interaction effect was detected in the homogeneous P deficiency. 2) The adaptive mechanism to the N deposition was different under different types of low soil phosphorus. Under the homogeneous low-P condition, the adaptive responses of root length (RL), root surface area (RSA) and APase activity were present in clones with strong growth vigor by simulated N deposition such as "33-4" and "19-5", while it was not observed in clones with weak growth vigor. Meanwhile, the correlation between dry matter accumulation and APase activity was enhanced by the simulated N deposition. Under the heterogeneous low-P condition, RL and RSA were significantly improved by the simulated N deposition, while the special root length (SRL) was decreased, thus having the greater ability for nutrition absorption and having lower consumption. 3) The P absorption efficiency (PAE) of P. massoniana clones was significantly affected by the nitrogen deposition and showed a significant positive correlation with nitrogen absorption efficiency (NAE) under different N and P conditions (P ＜ 0.01). It indicated that the nitrogen deposition could increase the P mobilization and uptake of P. massoniana clones under the P deficiency. In contrast, there was no significant effect on P use efficiency (PUE). 4) The amplitudes of variations of dry matter accumulation, RL, RSA and APase were wider and the repeatability (R) of these traits exceeded 0.75 (P ＜ 0.05), respectively. 【Conclusions】Our results revealed the possibility of selecting clones with optimal root morphology and active APase was increased for wood production of P. massoniana under the low-P and high-N conditions.

Pinus massoniana; clone; phosphorus deficiency; nitrogen deposition; phosphorus efficiency

2016-03-24 接受日期：2016-05-16

“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAD01B02）；国家自然科学基金项目（31370671）；浙江省农业新品种选育重大科技专项竹木育种协作组项目（2012C12908-12）资助。

宋平（1990—），男，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事林木营养遗传研究。E-mail:songping_hzau@163.com

* 通信作者 E-mail:zczhou_risf@163.com