盐碱条件下施磷对柳枝稷生长发育及耐盐性的影响

何海锋，吴娜，刘吉利，2，3*，许兴

（1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学生态环境学院，宁夏 银川 750021；3.宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，宁夏 银川 750021）

磷是植物生长发育必不可少的营养元素之一，在植物生长发育、高产优质等方面具有不可替代的作用［1-2］。与此同时，磷不仅是构成植物有机化合物的重要成分，还参与氮磷化合物的合成代谢、糖代谢、碳水有机物的转运以及作物的光合调节、信息传导等［3-4］，对作物的生长发育、抗逆性和产量品质都有重要影响［5］。缺磷会显著降低植株对氮、钾的吸收效率［6］，适量施用磷肥能提高植物各器官的干物质积累，有利于产量的形成［7］。研究发现，适当增施磷肥可促进小麦（Triticum aestivum）生长，增加分蘖，提高分蘖成穗率［8］；可促进小麦根系下扎，增强对深层土壤水分的吸收能力，提高耐盐性，进而提高产量［9］，但过量施磷反而造成减产。因此，适当增施磷肥是实现作物高产、稳产的重要措施，同时有利于增强植株耐盐性［10］。植物在受到胁迫后，通过主动积累有机或无机物来增加细胞液浓度，从而降低渗透势来更好地适应逆境胁迫［11］。低磷胁迫下番茄（Lycopersicon eseulentum）根系和叶片中可溶性蛋白、可溶性糖及脯氨酸含量均显著升高［12］。冯固等［13］研究发现，在土壤供磷量充分的条件下，可以提高玉米（Zea mays）的耐盐性。

柳枝稷（Panicum virgatum）是一种多年生禾本科C4草本植物，在美国南部大面积种植，株高可达250 cm，根深可达300 cm，生物产量可达20 t·hm-2［14-15］，具有适应性强、抗寒能力强、光能利用率高和耐盐碱［16-17］等优点，能够适应多种土壤环境，在各种类型土壤中均可种植，其茎叶既可作为饲草，又可用于生产燃料乙醇，被誉为“能源草”。柳枝稷已在我国部分地区进行了大面积种植［18］，作为外来物种并没有表现出生物入侵特征，对周边区域没有影响，对干旱半干旱地区农业可持续发展和生物改良具有重要意义。目前，关于柳枝稷的研究大多集中在新品种选育、生态适应性及品质评估方面［19］，而关于施磷水平对柳枝稷生长、生理特性及耐盐性的影响鲜有报道。因此，本试验将两种生态型柳枝稷引入宁夏银北盐碱地区，研究磷酸二铵的不同施用量对于柳枝稷生长、生理特性及耐盐性的影响，以期为在宁夏银北平原盐碱地开发种植柳枝稷提供试验依据，实现引种与生态修复的有效结合。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究于2020年4-11月开展，试验地位于宁夏银北地区平罗县宁夏大学西大滩盐碱地改良利用核心试验站（38°50′23.8″N，106°23′54.1″E）。该地区处于干旱、半干旱气候带，1月平均气温最低，为-6.22℃。7月平均气温最高，为24.5℃，夏、秋季节太阳辐射较强。多年平均降水量为197.38 mm，多集中在7-9月，年均蒸发量1774.25 mm，集中在4-10月，富水性差，使得土壤盐渍化面积不断扩大。试验地块选择中度盐碱地，其中0～20 cm土 层土壤的pH值为9.01，全盐含量为3.87 g·kg-1，有机质含量为11.83 g·kg-1，碱解 氮含量 为14.40 mg·kg-1，速效磷含量为15.13 mg·kg-1，速效钾含量为15.13 mg·kg-1，全氮含量为0.28 g·kg-1，全磷含量为0.47 g·kg-1。试验期间的月平均气温及降水量如图1所示。

1.2 试验设计

采用大田试验，试验材料选择2种不同生态型的柳枝稷品种，分别为：低地型品种Alamo（A）和高地型品种Pathfinder（P）。其中Alamo染色体倍性为四倍体，原产地为得克萨斯州南部（28° N）；Pathfinder染色体倍性为八倍体，原产地为内布拉斯加州/堪萨斯州（40°N），种子由北京市农林科学院草业与环境发展研究中心提供。分别设置3个磷素水平：不施磷（0）、施低磷（30 kg·hm-2P2O5）和施高磷（90 kg·hm-2P2O5），A0、A30和A90代表Alamo品种柳枝稷的3个施磷水平，P0、P30和P90代表Pathfinder品种柳枝 稷 的3个施磷水平。试验采用裂区试验设计，主区为磷素水平，副区为生态型，小区面积为5 m×6 m=30 m2，行距为50 cm，株距为25 cm，重复3次。所有品种柳枝稷均于2019年3月底在温室内育苗，每个品种60盘，共计120盘（72穴·盘-1）。4月中旬安排整地工作，并提前做好试验小区设置。5月初待幼苗长至5叶期，挑选植株健壮、长势一致的秧苗进行移栽，并适量灌水，确保其正常生长，移栽成功。移栽前施入底肥N 60 kg·hm-2（尿素N：46.00%）、K2O 50 kg·hm-2（硫酸钾中K2O：50.00%）。其中磷肥为磷酸二铵，只在柳枝稷种植当年作底肥施用。待建植成功后每年返青期仅仅施用60 kg·hm-2氮肥（尿素）即可。

1.3 测定指标与方法

在柳枝稷开花期测定两种生态型柳枝稷的株高、分蘖数、干物质积累、叶面积及叶面积指数，收获后测定其生物产量并计算其产量构成。株高：在小区内随机选取10株植株测定其高度，平均值为群体高度。从地面量至各叶尖顶部的高度为植株生理株高。分蘖数：在小区内随机选取10株，记录其分蘖数，测定结果取其平均值，共取3次重复。干物质积累：分别在每小区随机选取3株，对柳枝稷茎、叶和穗进行分离，在105℃下杀青30 min后，调至75℃，烘干至恒重，用天平分别称量各部分干物质，计算茎、叶、穗比。叶面积及叶面积指数：通过便携式叶面积仪（YMJ-B，中国浙江）直接测定不同冠层10片柳枝稷叶片，记录叶面积大小，并计算平均值和叶面积指数（leaf area index，LAI），叶面积指数=叶片总面积/土地面积。生物产量：待柳枝稷成熟后，每个小区选取1 m×1 m的样方，收割其地上部，留茬5 cm在105℃下杀青30 min后，调至75℃，烘干至恒重，用天平称量其干物质量，最后换算成每公顷土地上柳枝稷的生物产量。

在柳枝稷开花期，每个小区选择长势均匀一致的柳枝稷，手工采摘30～50片植株叶片，装入放有冰袋的聚乙烯盒内，防止挤压叶片，带回实验室，用于植株逆境生理指标的测定。相对叶绿素（relative chlorophyll，SPAD）含量采用便携式叶绿素仪（SPAD-502PLUS，中国浙江）测定；脯氨酸（proline，Pro）含量通过3%磺基水杨酸提取，采用分光光度法测定；丙二醛（malonaldehyde，MDA）和可溶性糖（soluble sugar，SS）含量通过10%三氯乙酸（trichloroacetic acid，TCA）提取，采用双组分分光光度法测定；采用愈创木酚法测定过氧化物酶（peroxidase，POD）活性；采用氮蓝四唑法测定超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性；采用紫外吸收法测定过氧化氢酶（catalase，CAT）活性。具体测定方法参考高志良［20］主编的《植物生理学实验技术》的方法。

1.4 耐盐性综合评价

参考张朝阳等［21］和石永红等［22］的方法，采用模糊数学隶属函数法，利用各抗盐指标对开花期柳枝稷材料进行隶属函数平均值的计算，对其耐盐性进行评价。该平均值代表柳枝稷的耐盐性，数值越大表示耐盐性越强［23］。隶属函数的具体计算方法如下：

若该指标与耐盐性呈正相关关系，则：

若该指标与耐盐性呈负相关关系，则：

然后求各抗盐指标隶属函数值的平均值，并排序

式中：i表示柳枝稷施磷水平，j表示抗盐指标，Zij为供试柳枝稷材料的耐盐性隶属函数值，Xij为各抗盐指标的实际测量值，Ximax为各抗盐指标实际测定的最大值，Ximin为各抗盐指标实际测定的最小值，n为指标数，-Z为隶属函数值的平均值。

1.5 数据统计与分析

采用Excel 2010进行数据整理和简单图表绘制，运用SPSS 23.0对数据进行描述性统计、单因素方差分析及双因素方差分析，利用Pearson相关法对各指标和磷吸收利用指标之间进行相关性分析，采用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同施磷水平对柳枝稷株高及分蘖数的影响

随着施磷水平的提高，两种生态型柳枝稷的株高和分蘖数均逐渐增加。其中Alamo的株高整体高于Pathfinder，而Alamo的分蘖数整体少于Pathfinder（图2）。与A0相比，A30和A90处 理 下 柳 枝 稷 株 高 分 别 提 升 了3.39%和13.28%，A0和A30间无显著差异（P＞0.05），均显著低于A90（P＜0.05）。与P0相比，P30和P90处理下柳枝稷株高分别提升了6.87%和7.30%，P30和P90间无显著差异（P＞0.05），均显著高于P0处理（P＜0.05）。

与A0处理相比，A30和A90处理下柳枝稷分蘖数分别增加了2.99%和7.46%，三者无显著差异（P＞0.05）。与P0相比，P30和P90处理下柳枝稷分蘖数分别增加了13.12%和19.86%，且P30和P90间无显著差异（P＞0.05），但均显著高于P0处理（P＜0.05）。

2.2 不同施磷水平对柳枝稷叶面积指数及干物质积累的影响

随着施磷水平的提高，两种生态型柳枝稷的叶面积指数和干物质积累逐渐增加。其中Alamo的叶面积指数和干物质积累整体高于Pathfinder（图3）。与A0处理相比，A30和A90处理下叶面积指数分别增加了6.87%和21.69%，A0和A30处理无显著差异（P＞0.05），均显著低于A90处理（P＜0.05）。与P0处理相比，P30和P90处理下柳枝稷叶面积指数分别增加了4.75%和25.62%，P0和P30处理无显著差异（P＞0.05），但均显著低于P90处理（P＜0.05）。

与A0处理相比，A30和A90处理下柳枝稷干物质积累分别显著提高了13.58%和22.89%（P＜0.05）。与P0处理相比，P30和P90处理下干物质积累分别增加了4.18%和6.92%。

2.3 不同施磷水平对柳枝稷生物产量及产量构成比例的影响

由图4a可知，随着施磷水平的提高，两种生态型柳枝稷的生物产量逐渐增加。其中Alamo的生物产量整体高于Pathfinder品种。与A0处理相比，A30和A90处理下柳枝稷生物产量分别显著增加了14.89%和23.06%（P＜0.05），A30和A90处理无显著差异（P＞0.05）。与P0处理相比，P30和P90处理下柳枝稷生物产量分别显著增加9.75%和20.00%（P＜0.05）。

由图4b可知，施磷处理对Alamo品种产量构成比例无显著影响（P＞0.05），茎、叶、穗平均占比为65.57%、29.44%和4.99%；随着施磷水平的提高，Pathfinder品种柳枝稷茎占生物产量的百分比整体呈先逐渐升高后逐渐降低的总趋势，在P30处理下最高（P＜0.05），占比为64.04%；叶占生物产量的百分比整体呈先逐渐降低后逐渐升高的总趋势，在P30处理下最低（P＜0.05），占比为28.99%；穗占生物产量的百分比整体呈逐渐降低的总趋势，在P0处理下最高（P＜0.05），占比为8.70%。

2.4 不同施磷水平对柳枝稷SPAD值及脯氨酸含量的影响

随着施磷水平的提高，两种生态型柳枝稷的SPAD值逐渐增加。与A0处理相比，A30和A90处理下柳枝稷SPAD值分别增加了0.26%和1.77%。与P0处理相比，P30和P90处理下柳枝稷SPAD值分别显著增加了4.52%和9.06%（P＜0.05），但P30和P90处理无显著差异（P＞0.05）。

随着施磷水平的提高，Alamo品种的脯氨酸（Pro）含量逐渐增加（图5），而Pathfinder品种逐渐降低。与A0处理相比，A30和A90处理下柳枝稷脯氨酸含量分别显著增加了24.29%和65.93%（P＜0.05）。与P0处理相比，P30和P90处理下柳枝稷脯氨酸含量分别显著降低了22.60%和35.37%（P＜0.05）。

2.5 不同施磷水平对柳枝稷丙二醛及可溶性糖含量的影响

随着施磷水平的提高，两种生态型柳枝稷的丙二醛（MDA）和可溶性糖（SS）含量逐渐增加。其中Alamo品种柳枝稷的丙二醛含量整体高于Pathfinder品种，而Alamo品种柳枝稷的可溶性糖含量整体少于Pathfinder品种（图6）。与A0处理相比，A30和A90处理下柳枝稷丙二醛含量分别显著增加了55.35%和76.56%（P＜0.05）。与P0处理相比，P30和P90处理下柳枝稷丙二醛含量分别显著增加了81.48%和87.01%（P＜0.05），但P30和P90处理无显著差异（P＞0.05）。

与A0处理相比，A30和A90处理下柳枝稷可溶性糖含量分别增加了3.87%和35.81%，A0和A30处理无显著差异（P＞0.05），均显著低于A90处理（P＜0.05）；与P0处理相比，P30和P90处理下柳枝稷可溶性糖含量分别提升了4.83%和15.34%，P0和P30处理无显著差异（P＞0.05），均显著低于P90处理（P＜0.05）。

2.6 不同施磷水平对柳枝稷抗氧化酶活性的影响

如表1所示，随着施磷水平的提高，两种生态型柳枝稷的过氧化物酶（POD）活性逐渐提高。其中Alamo品种的过氧化物酶活性整体低于Pathfinder品种。与A0处理相比，A30和A90处理下柳枝稷过氧化物酶活性分别显著增加了53.01%和98.90%（P＜0.05）。与P0处理相比，P30和P90处理下柳枝稷过氧化物酶活性分别显著增加了33.70%和58.72%（P＜0.05）。

表1 不同施磷水平对柳枝稷抗氧化酶活性的影响Table 1 Effect of different phosphorus application levels on the antioxidant enzyme activity of switchgrass

Alamo品种柳枝稷的过氧化氢酶（CAT）活性随着施磷水平的提高逐渐提高，与A0处理相比，A30和A90处理下柳枝稷过氧化氢酶活性分别提高了33.74%和150.50%，A0和A30处理无差异显著（P＞0.05），但均显著低于A90处理（P＜0.05）。Pathfinder品种柳枝稷过氧化氢酶活性随着施磷水平的提高呈先逐渐升高后逐渐降低的趋势，在P30处理下过氧化氢酶活性最高。P0和P90处理较P30处理降低了36.35%和38.67%。

Alamo品种的超氧化物歧化酶（SOD）活性随着施磷水平的提高逐渐提高，与A0处理相比，A30和A90处理下超氧化物歧化酶活性分别提高了11.88%和19.08%，但A0、A30和A90处理之间无差异显著（P＞0.05）。Pathfinder品种柳枝稷超氧化物歧化酶活性随着施磷水平的提高呈先逐渐升高后逐渐降低的趋势，在P30处理下超氧化物歧化酶活性最高。P0和P90处理较P30处理降低了8.24%和10.55%，P0、P30和P90处理无显著差异（P＞0.05）。

2.7 柳枝稷开花期各生长指标与生理指标的相关性分析

柳枝稷株高与叶面积指数、干物质积累、生物产量和过氧化氢酶活性呈极显著正相关（P＜0.01），与丙二醛含量呈显著正相关（P＜0.05），与分蘖数呈极显著负相关（P＜0.01）；柳枝稷分蘖数与过氧化物酶活性呈显著正相关（P＜0.05），与叶面积指数呈极显著负相关（P＜0.01），与生物产量呈显著负相关（P＜0.05）；柳枝稷叶面积指数与干物质积累和生物产量呈极显著正相关（P＜0.01），与过氧化氢酶活性呈显著正相关（P＜0.05）；柳枝稷干物质积累与生物产量、丙二醛含量和过氧化氢酶活性呈极显著正相关（P＜0.01），与可溶性糖含量呈显著正相关（P＜0.05）；柳枝稷生物产量与脯氨酸含量呈显著负相关（P＜0.05），与丙二醛含量呈极显著正相关（P＜0.01）；柳枝稷丙二醛含量与可溶性糖含量、过氧化物酶活性和过氧化氢酶活性呈显著正相关（P＜0.05）；柳枝稷可溶性糖含量与过氧化物酶活性呈极显著正相关（P＜0.01），与过氧化氢酶活性呈显著正相关（P＜0.05）；其余各指标之间的相关关系未达到显著水平（P＞0.05）（表2）。

表2 柳枝稷开花期各生长指标与生理指标之间的相关系数矩阵Table 2 Correlation coefficient matrix between growth indexes and physiological indexes at flowering stage of switchgrass

2.8 隶属函数法综合评价柳枝稷开花期的耐盐性

随着施磷水平的提高，两种生态型柳枝稷各抗盐指标隶属函数值的平均值整体呈先逐渐递增后逐渐递减的趋势（表3），与不施磷处理相比，施磷处理整体增强了柳枝稷的耐盐性，均在施磷水平为30 kg·hm-2处理下柳枝稷各抗盐指标隶属函数值的平均值最大，分别为0.471和0.619。不同施磷水平下，盐碱地柳枝稷各抗盐指标隶属函数值的平均值从大到小依次为：P30＞P0＞A30＞A90＞P90＞A0，即适当增施磷肥能在一定程度上提高盐碱地柳枝稷的耐盐性。

表3 盐碱胁迫下柳枝稷各抗盐指标隶属函数值Table 3 Membership function values of each drought resistance index under saline alkali stress in switchgrass

3 讨论

盐碱胁迫在一定程度上能影响植物的生长与发育，且对其有整体性反应［24］。而磷素作为植物生长所必需的大量营养元素，是构成各种重要有机化合物不可缺少的组成部分。不同施磷水平对植物的生长、生理特性均有较大影响［25］。葛选良等［26］研究不同施磷水平对紫花苜蓿（Medicago sativa）农艺性状的影响时发现，在4茬紫花苜蓿中，株高、I级分枝数和草产量均随着施磷量的增加而提高，整体在施磷量为120 kg·hm-2时株高达到最大值，说明适当的增施磷肥能提高紫花苜蓿的干物质积累及生物产量。本研究结果表明，不同施磷处理时，两种生态型柳枝稷的株高、分蘖数、叶面积指数（LAI）、干物质积累及生物产量随着施磷量的增加逐渐升高，以施高磷处理下达到最大值。同时发现，施磷处理对Alamo品种产量构成比例无显著影响，而施低磷处理对Pathfinder品种产量构成比例影响显著，这与上述结果及陈远学等［27］的研究结果基本一致。

在盐碱胁迫下，植物体内Pro、MDA、SS含量及POD、CAT、SOD等保护酶活性会发生相应变化，这些变化量目前已被作为评价逆境伤害程度和植物适应性的指标［28］。叶绿素作为光合色素中的重要色素分子，参与光合作用中光能的吸收、传递和转换等过程，在光合作用中占有重要地位［29］。本试验表明，随着施磷水平的提高，两种生态型柳枝稷的SPAD值、MDA、SS含量及POD活性逐渐提高，以施高磷处理下达到最大值。同时发现，Alamo品种柳枝稷的Pro含量、CAT和SOD活性随着施磷水平的提高逐渐提高。这说明在低磷、高磷浓度时，Alamo品种柳枝稷的Pro、MDA、SS含量及POD、CAT、SOD等保护酶活性提高，生理代谢增强，引起了体内活性氧的积累，显著加剧了根系膜脂过氧化作用。整个保护酶系统和盐碱及磷胁迫之间构成1个动态平衡系统，是柳枝稷适应逆境胁迫的主动适应性机制之一［30］。而Pathfinder品种柳枝稷的Pro含量逐渐降低、CAT和SOD活性先升高后降低，以施低磷处理下达到最大值。这说明在高磷胁迫下，Pathfinder品种柳枝稷的生理代谢受到抑制，CAT、SOD活性无法保持在较高水平上，这与庞春花等［31］研究不同磷水平对藜麦（Chenopodium quinoa）生理特性的影响结果类似。

研究表明，柳枝稷的株高与叶面积指数、干物质积累、生物产量、丙二醛含量和过氧化氢酶活性呈显著正相关，与分蘖数呈显著负相关；分蘖数与过氧化物酶活性呈显著正相关，与叶面积指数和生物产量呈显著负相关；叶面积指数与干物质积累、生物产量和过氧化氢酶活性呈显著正相关，干物质积累与生物产量、丙二醛含量、可溶性糖含量和过氧化氢酶活性呈显著正相关；生物产量与脯氨酸含量呈显著负相关，与丙二醛含量呈显著正相关；丙二醛含量与可溶性糖含量、过氧化物酶和过氧化氢酶活性呈显著正相关；可溶性糖含量与过氧化物酶和过氧化氢酶活性呈显著正相关。这与张永乾［32］在宁夏银北地区研究柳枝稷生态适应性的结果不一致，可能是由于不同的生态型品种和施磷水平引起的差异变化。适当地追肥不仅能够显著提高作物的生物产量，而且可以提高植株对逆境胁迫的适应能力，同时降低盐碱地植物对逆境胁迫的敏感程度［33］。施肥对植物耐盐性影响的研究结果各异，有研究认为施肥可显著提高小麦叶片在干旱环境中的保水能力，从而提高其对干旱的适应能力［34-35］；本研究结果表明，施磷处理整体增强了柳枝稷的耐盐性，两种生态型柳枝稷均在施磷水平为30 kg·hm-2（A30和P30）时各抗盐指标隶属函数值的平均值最大，即适当增施磷肥能在一定程度上提高盐碱地柳枝稷的耐盐性。这与张岁歧等［36］认为施肥能有效提高春小麦的抗盐能力基本一致。

4 结论

适当的增施磷肥不仅能提高两种生态型柳枝稷开花期的株高、分蘖数、叶面积指数、干物质积累和生物产量等农艺性状，也能提高其SPAD值、丙二醛、可溶性糖含量、过氧化物酶活性等生理特性，还能在一定程度上提高其耐盐性。随着施磷水平的提高，两种生态型柳枝稷开花期的生长、生理特性及耐盐性整体呈上升趋势，但过量施磷会导致Pathfinder品种的过氧化氢酶、超氧化物歧化酶活性等生理特性和耐盐性相对下降。本试验范围内，施磷量为30 kg·hm-2处理时，既可以提高两种生态型柳枝稷的生理特性及生物产量，又能在一定程度上提高其耐盐性，是较为理想的施磷水平。因此，应进一步探讨在碱化土壤缺磷的情况下，对柳枝稷植株的生长发育、生物产量及耐盐性的影响，从而筛选出磷高效品种，用于指导柳枝稷的引种与栽培。