白灯莎·买买提艾力，孙良斌，冯 固

(1.新疆农业科学院核技术生物技术研究所/农业部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室 乌鲁木齐 830091；2.中国农业大学资源与环境学院 北京 100094)

磷是植物生长的必需营养元素之一，石灰性土壤的全磷含量高，但多数是难以利用的固定态磷[1]。作物生产对磷肥施用的依赖性越来越高，但过度施用磷肥也造成磷资源耗竭与浪费、环境污染等问题。因此，筛选磷高效作物基因型、挖掘作物自身生物潜力是实现磷资源高效利用的有效途径[2]。国内外学者[3-10]对作物磷效率基因型差异进行了大量研究。结果表明，作物对磷素的吸收和利用在不同作物或同种作物不同品种间存在着明显的差异。同种作物不同品种间生物量、产量也存在基因型的差异。作物磷效率的遗传特征是决定作物磷吸收效率、利用效率和产量形成的重要生理基础，认识这些遗传特征的形成条件、作用潜力是品种改良的基础[11]。严小龙等[12]和廖红等[13]分析了植物根构型特性与磷吸收效率的关系，并提出了豆科作物磷高效吸收的理想根构型。宋晓等[14]研究了小麦(Triticum aestivum)品种演替和土壤肥力对产量和磷生理效率的影响。程乙等[15]在适宜种植密度发挥各品种生产潜力的条件下，比较了适宜在黄淮海地区种植的390个玉米(Zea mays)品种产量性状和养分吸收利用的关系。王空军等[16]研究了我国玉米品种更替过程中根系时空分布特性。学者们[17-20]还对不同年代引进或培育的棉花(Gossypiumspp.)品种的氮效率、产量及品质性状等演变特征进行了研究，发现随着棉花品种的每一次更换，生物量、氮素累积量、产量和氮素营养效率等性状都显著高于老品种，不同年代品种间差异显著，而单铃重变化不大；随着品种的更替纤维长度、断裂比强度、纺织一致性指数逐步提高，伸长率降低，整齐度、短纤维指数、马克隆值变化不大。有关棉花磷高效基因型品种的筛选前人做了大量工作，主要集中在磷效率筛选指标和品种的确立、作物磷效率的差异与根系形态变化的研究，结果表明，棉花不同品种间磷效率存在基因型的差异，磷效率的差异与根系形态的变化显著相关[21-25]。然而，这些研究结果几乎都是人工控制的室内试验(溶液培养、土壤盆栽或石英砂培养)获得的，通过苗期的表现，对基因型的磷效率差异性进行解释。根据我们掌握的资料，针对田间条件下不同年代引进或培育的棉花品种的磷效率演变特征的研究鲜有报道。

为此，本研究在田间条件下，以1954年以来新疆棉花生产中常用的22个品种(系)为试验材料，在相同的土壤和栽培管理条件下分析棉花整个生长发育过程中磷吸收利用效率的动态变化，综合评价棉花育种过程对磷效率性状的选择，挖掘磷高效型棉花种质资源，为今后棉花磷高效品种(系)的选育工作提供理论依据。同时，充分挖掘其磷高效潜质，对磷肥减施增效和生态环境的可持续发展意义重大。

1 材料与方法

1.1 供试品种(系)

本试验以新疆1954—2013年不同年代种植的22个棉花品种(系)为材料(表1)，进行田间单因素小区试验。棉花种子由新疆农业科学院经济作物研究所、新疆巴州农业科学研究所、新疆兵团农七师农业科学研究所提供。

1.2 试验地概况

试验于2016年在新疆昌吉州玛纳斯县包家店镇新疆农业科学院棉花良种繁育基地(44°17.57′N，86°22.6′E)进行。当地年平均气温为7.2℃，全年无霜期为165～172 d，年降水量平均为173.3 mm，年降雪量平均为74.4 mm，年蒸发量平均为1 500～2 100 mm。试验地土壤耕作层(0～20 cm)有机质为10.0 g·kg-1，碱解氮为10.3 mg·kg-1，速效磷为21.9 mg·kg-1，速效钾为389.0 mg·kg-1，pH 8.22，电导率为1.55 mS·cm-1。

表1 供试棉花品种(系)及育成年份和单位Table1 Released (introduced) years and breeding institutions of the tested cotton cultivars (lines)

1.3 试验方法

田间小区试验采用单因素随机区组设计，每个供试棉花品种为1个处理，每个处理3次重复，小区面积为23.5 m2，种植密度为191 500株·hm-2，采用60 cm+15 cm的宽窄行播种方式，株距10 cm。2016年4月26日播种。生育期分6次滴灌浇水，总滴水量为3 000 m3·hm-2。氮肥为含氮量46%的尿素，施纯氮207 kg·hm-2，每次滴水和滴氮肥的时间和数量如表2所示。考虑到土壤速效磷含量较高，棉花整个生育期未施磷肥。其他田间管理措施与当地一致。

表2 棉花栽培中灌水和施氮肥的时间和数量Table2 Date and amounts of both water irrigation and nitrogen fertilizer application during cotton growth period

1.4 测定方法

每个小区在6月13日(苗期)、7月14日(蕾期)、8月12日(花铃期)、10月10日(吐絮期)，以地面为准取地上和地下部分，4个生育期各小区分别取8株、4株、4株、3株，并按器官(叶、茎、根、蕾、花铃、纤维、种子)分样，在105℃下杀青30 min，再在70℃下烘干、称取干重后粉碎。样品用来计算生物量和分析磷素累积量等。植株全磷含量用H2SO4-H2O2消煮，钒钼黄比色法测定。棉花吐絮后对每小区测产，各小区随机选3个点，测产面积每个点为2.35 m2。

1.5 计算公式

本试验中，磷吸收效率用单株磷吸收量表示，磷利用效率用单位磷吸收量的地上部生物量表示。

1.6 统计分析

所获数据用Excel 进行数据分析和表格制作，用DPS 6.02 软件对试验数据进行分析，用LSD 法进行多重比较。采用隶属函数法进行综合评价。用系统聚类分析方法，采用欧氏距离作为相似性尺度，用离差平方和法(Ward)对不同棉花品种的各项指标进行分类。

1.7 综合评价

计算供试棉花品种各综合指标的隶属函数值，并采用标准差系数法计算标准差系数，归一化后得到各指标的权重系数，再计算各供试棉花品种综合评价值[28]。

2 结果与分析

2.1 不同棉花品种(系)生物量比较

不同棉花品种(系)在各生育期生物量的积累差异明显。由图1可以看出，同一生育期不同品种(系)间生物量差异比较明显。生物量苗期为1.22～2.84 g·株-1，变异系数为30.2%；蕾期为20.80～38.64 g·株-1，变异系数为8.2%；花铃期为42.32～88.34 g·株-1，变异系数为5.6%；吐絮期为58.24～120.36 g·株-1，变异系数为5.6%。从同一品种(系)不同生育期来看，生物量累积差异明显。随着棉花的生育进程，其植株生物量不断积累，至收获时达最高值。结果表明，苗期棉花品种(系)间生物量的差异比较明显，而变异系数随着生育进程的延长呈降低趋势。

2.2 不同棉花品种(系)磷含量比较

由图2可以看出，同一生育期不同品种(系)间磷含量差异比较明显。苗期磷含量为5.0～9.6 g·kg–1，最大值是最小值的1.9 倍；蕾期为3.5～6.7 g·kg–1，最大值是最小值的1.9 倍；花铃期为2.9～4.5 g·kg–1，最大值是最小值的1.6 倍；吐絮期为2.5～4.0 g·kg–1，最大值是最小值的1.6 倍。从同一品种不同生育期来看，植株磷含量差异明显。磷含量苗期最大，吐絮期最小。从4 个生育期来看，苗期变异系数为49.5%，蕾期为59.2%，花铃期为55.1%，吐絮期为65.7%。结果表明，不同棉花品种(系)在不同生育期植株含磷量的变化趋势基本一致，即随着生育期的延长磷含量呈降低趋势。这可能是随着棉花生育期的延长，生物量的不断积累，从而稀释了棉花植株体内的磷含量。

图1 不同棉花品种(系)不同生育期生物量比较Fig.1 Comparison of biomasses at different growth stages of different cotton cultivars (lines)

图2 不同棉花品种(系)不同生育期磷含量比较Fig.2 Comparison of P contents at different growth stages of different cotton cultivars (lines)

2.3 不同棉花品种(系)磷吸收效率比较

植株的磷吸收量是指植物对磷的吸收效率，表明作物从介质中获取磷的能力[29]。由图3可以看出，不同供试棉花品种(系)不同生育期磷吸收效率差异比较明显。苗期磷吸收效率为7.75～21.50 mg·株–1，最大值是最小值的2.8 倍，变异系数14.5%；蕾期为85.43～259.36 mg·株–1，最大值是最小值的3.0 倍，变异系数4.7%；花铃期为158.95～312.75 mg·株–1，最大值是最小值的2.0 倍，变异系数3.0%；吐絮期为164.26～395.75 mg·株–1，最大值是最小值的2.4 倍，变异系数3.3%。从4 个生育期来看，苗期的变异系数最高，蕾期的低于苗期高于花铃期和吐絮期，花铃期和吐絮期基本一致。随着生育进程的延长不同品种地上部磷吸收效率的变异系数降低，说明苗期是棉花的磷敏感期。

2.4 不同棉花品种(系)磷利用效率比较

图3 不同棉花品种不同(系)生育期磷吸收效率比较Fig.3 Comparison of P absorption efficiencies at different growth stages of different cotton cultivars (lines)

图4 不同棉花品种(系)不同生育期磷利用效率比较Fig.4 Comparison of P utilization efficiencies at different growth stages of different cotton cultivars (lines)

磷利用效率是指植株体内积累的磷所能产生的最大生物量[30]。由图4可以看出，不同棉花品种(系)不同生育期磷利用效率差异明显。苗期为0.10～0.20 g·mg–1，蕾期为0.15～0.28 g·mg–1，花铃期为0.22～0.34 g·mg–1，吐絮期为0.25～0.40 g·mg–1。变异系数4个生育期分别为99.0%、84.5%、64.2%、67.2%。从4个生育期来看，苗期的变异系数最高，蕾期的低于苗期高于花铃期和吐絮期，花铃期低于吐絮期，进一步说明苗期是棉花的磷敏感期。

2.5 不同棉花品种(系)磷转移和磷再转移效率比较

磷转移效率反映植株将根部吸收的磷运输到地上部的能力，而磷再转移效率反映植株把地上部磷运输到籽粒的能力。如图5所示，吐絮期22 个品种磷转移效率最高的是‘新陆早57 号’和‘新陆早50 号’，最低的是‘新陆早1 号’；磷再转移效率最高的品种是‘新陆早50 号’和‘新陆早57 号’，最低的是‘新陆早1号’。不同品种磷转移效率的平均值为94.1%，极差为5.4%，变异系数为1.2%；磷再转移效率平均值为32.4%，极差为42.1%，变异系数为11.1%。磷再转移效率变异系数比磷转移效率高9.9 个百分点。表明‘新陆早50 号’和‘新陆早57 号’将从土壤中吸收的磷运输到地上部和把地上部的磷运输到种子中的能力高于其他20 个品种。

2.6 不同棉花品种(系)经济利用效率比较

经济利用效率反映以皮棉产量为基础的磷利用效率，即皮棉产量与磷积累量的比值。从图6可以看出，不同棉花品种(系)经济利用效率差异明显。不同品种(系)经济利用效率平均值为25.9 mg·mg–1，最大值是最小值的4.4倍，变异系数为12.0%；经济利用效率最高的品种是‘新陆中35号’，最低的是‘新陆中4号’。

2.7 不同生育期棉花生物量与磷吸收效率、磷利用效率相关性分析

为了研究棉花磷吸收效率与利用效率对磷营养效率的贡献，对磷效率的构成因素磷吸收效率与利用效率进行相关分析。结果显示，不同品种(系)在不同生育期磷吸收效率与生物量呈显著正相关，而磷利用效率与生物量无明显的相关性。说明棉花生物量的高低主要是由吸磷能力的强弱决定的(图7)。

2.8 不同棉花品种(系)产量与磷吸收效率、磷利用效率相关性分析

从图8可以看出，皮棉产量与磷吸收效率、磷转移效率、磷再转移效率、经济利用效率呈极显著的相关性，而与磷利用效率相关性不明显。

图5 不同棉花品种(系)磷转移和磷再转移效率比较Fig.5 Comparison of P transfer and retransfer efficiencies of different cotton cultivars (lines)

图6 不同棉花品种(系)经济利用效率比较Fig.6 Comparison of economic utilization efficiencies of different cotton cultivars (lines)

图7 棉花生物量与磷吸收效率、磷利用效率相关关系Fig.7 Correlation diagrams of cotton biomass with P absorption and P utilization efficiencies

图8 不同棉花品种(系)产量与磷效率相关性分析图Fig.8 Diagrams of correlation analysis between cotton lint yield and P efficiency

2.9 不同年代棉花品种(系)磷效率和磷利用效率比较

将新疆20世纪50年代以来种植的21 个棉花品种(系)(不包括TM-1)划分为3 个阶段(20年为一个阶段)，并对每个阶段的磷效率进行平均，结果如表3所示。从3 个阶段来看：磷吸收效率中期比前期增加16.1%，后期比中期增加9.3%；磷利用效率中期比前期增加7.7%，后期和中期相比较变化不大；磷转移效率3 个阶段基本一致；磷再转移效率中期比前期增加13.3%，后期比中期增加26.3%；经济利用效率中期比前期增加19.4%，后期比中期增加23.6%。

表3 不同年代棉花品种(系)的磷吸收和利用效率Table3 Changes in P absorption and utilization efficiency of cotton cultivars (lines) released/introduced in different periods

2.10 综合评价及聚类分析

本研究对棉花吐絮期生物量、皮棉产量、磷吸收效率、磷利用效率、磷转移效率、磷再转移效率、经济利用效率等7项指标进行了综合评价。从综合评价D值来看(表4)，22个棉花品种(系)磷效率最高的品种是20号，最低的是1号。对22个棉花品种(系)的综合评价D值，采用欧氏距离作为相似性尺度，进行聚类分析，结果如图9所示，22个棉花品种(系)磷效率可以分为4类：第1类磷高效型品种有3个，为9号、20号、21号，占总数的13.6%；第2类磷中效型品种有6个，为8号、18号、19号、17号、10号、16号，占总数的27.3%；第3类磷低效型品种有9个，为2号、14号、4号、6号、13号、5号、15号、12号、22号，占总数的40.9%；第4类磷极低效型品种有4个，为1号、3号、7号、11号，占总数的18.2%。说明在新疆棉花生产中磷高效基因型品种(系)占的比例较低。

3 讨论与结论

通过培育和推广磷高效作物新品种来实现磷肥减施增效是当前研究的热点。明确作物磷素营养效率的基因型差异是发掘作物遗传潜力进行品种改良提高作物磷素吸收利用效率的基础。本试验对新疆不同年代22 个棉花品种(系)的磷素营养效率等性状进行了分析研究，发现不同年代棉花品种(系)的生物量、产量、磷素营养效率性状指标均存在显著差异。这与水稻(Oryza sativa)、小麦和玉米等作物的研究结果一致[8，31-32]，说明作物营养效率存在基因型差异是普遍规律。同时，我们的试验结果还证明，2010—2013年培育的棉花高产品种‘新陆早50号’和‘新陆早57 号’属于磷高效品种，说明高产性状的筛选与磷高效性状的筛选可以同步获得。

表4 不同棉花品种(系)的磷效率评价指标测定结果及综合评价结果Table4 Comprehensive evaluation of P efficiency of different cotton cultivars (lines)

图9 不同棉花品种(系)磷效率聚类分析结果Fig.9 Cluster analysis of P efficiency of different cotton cultivars (lines)

研究表明，磷吸收效率与利用效率对磷效率(地上部生物量)的贡献在作物生长的不同生育期和不同土壤条件下是不一致的[33]。本研究结果表明，棉花磷效率、磷吸收效率和磷利用效率存在基因型差异，在棉花的4 个生育期内，磷吸收效率与磷效率呈显著正相关关系，而磷利用效率与磷效率关系不显著，磷吸收效率对产量的贡献要大于磷利用效率，这与前人的研究结果一致[34]。不同品种(系)的磷利用效率在4 个生育期变异都比较大，这些主要是由于不同作物品种(系)之间对磷的需求量和利用能力有所不同，这表明棉花磷营养效率存在基因型差异，主要表现在磷吸收和磷利用能力存在差异。

植物的磷效率是指在磷限制土壤上，作物通过自身对磷的吸收和利用获得高产的能力[35]。由于研究目的不同，故磷效率的衡量标准也不同。Batten等[35]和邢宏燕等[36]将产量作为衡量磷效率的主要标准，而Graham[37]利用生物量衡量磷效率的高低。目前作物磷高效品种筛选常用的指标有：根系形态特征、根系分泌物、产量、收获指数，以及生化指标(如酸性磷酸酶活性)等[38-40]。在田间试验中，主要以作物的产量[38]、收获指数[41]和外部性状[42]作为筛选指标。由于植物的磷效率是通过吸收效率和利用效率两方面的生理功能实现的，因此本试验以同一磷水平地上部生物量和产量为磷效率的衡量指标，并结合磷吸收效率和磷利用效率等指标，通过综合评价和聚类分析得出‘新陆早50号’‘新陆早57号’‘军棉1号’为磷高效品种。

新疆棉花品种(系)自20世纪50年代至今经历了5～6次更换，品种更替经历了引种阶段—引育结合阶段—再引种阶段—自育外引并重阶段等过程。每次品种(系)更替都是为了更加满足当时棉花生产的迫切需求，解决棉花生产发展的关键性限制因素。在历次的品种(系)更替过程中，性状均发生了明显变化，产量不断提高，品质性状、抗逆性[43]及氮素代谢[44]有了很大的改善。从本试验也可以看出，除了生物量、产量不断提高外，磷效率也发生了变化。对不同年代种植的22个棉花品种(系)的磷效率进行分析，发现不同阶段品种(系)吐絮期磷吸收效率中期比前期增加16.1%，后期比中期增加9.3%；磷利用效率中期比前期增加7.7%，后期与中期相比变化不大；磷再转移效率中期比前期增加3.5个百分点，后期比中期增加8.0个百分点；经济利用系数中期比前期增加19.4%，后期比中期增加23.6%。

综上所述，棉花高产育种过程提高了磷素吸收效率和磷素再转移效率。磷高效型品种‘新陆早50号’‘新陆早57号’和‘军棉1号’与磷低效组相比具有较高的生物量、产量、磷吸收效率和磷再转移效率。因此，合理发掘植物自身的遗传特性，从现有棉花基因型品种(系)中选择或培育磷高效的新品种，发挥作物的生物学潜力来提高棉花自身磷素营养效率，进而实现磷肥减施是完全可行的。

本研究只对不同年代棉花品种的磷吸收效率和磷利用效率差异进行了比较，这并不能完全阐明不同基因型棉花品种吸收利用磷素的高效机制，开展有关不同磷效率基因型棉花品种高效吸收和利用机理、磷的吸收规律及其生理机制还有待进一步研究。