全 文 ：植物生态学报 2014, 38 (1): 27–35 doi: 10.3724/SP.J.1258.2014.00003
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2013-08-19 接受日期Accepted: 2013-12-16
* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: zhangyi.1978@163.com)
模拟氮沉降对低磷胁迫下马尾松不同家系根系分
泌和磷效率的影响
庞 丽1,2 张 一1* 周志春1 丰忠平3 储德裕3
1中国林业科学研究院亚热带林业研究所, 浙江富阳 311400; 2安顺学院, 贵州安顺 561000; 3浙江省淳安县姥山林场, 浙江淳安 311700
摘 要 近年来大气氮(N)沉降的增加, 导致森林土壤中有效N含量增加、N:P发生改变, 研究N沉降对低磷(P)胁迫下林木根
系分泌和P效率的影响具有重要意义。该文以马尾松(Pinus massoniana)家系作为试验材料, 设置模拟N沉降与同质低P (介质
表层与深层均缺P)、异质低P (介质表层P丰富、深层缺P)耦合的二年生盆栽实验, 系统研究了模拟N沉降对低P胁迫下马尾松
根系分泌性酸性磷酸酶(APase)活性、有机酸分泌以及P效率的影响。结果表明: (1)同质低P和异质低P下, 模拟N沉降均显著
提高了植株N:P化学计量比、增加了P素的相对匮乏程度, 从而诱导根系增加了APase和有机酸的分泌, 而同质低P比异质低P
下增加幅度更大, 其中有机酸分泌均与马尾松生长呈正相关关系, 而APase活性与P效率相关性较小; (2)同质低P下, N沉降虽
然增加了根系分泌, 但未提高马尾松P素吸收和生长量, 其原因在于, 同质低P下植株N:P过高, 因而植株对N沉降敏感性低;
在异质低P下, 植株表现为N、P共同限制, 因而对N敏感性较高, N沉降增加了根系分泌, 同时提高了N和P吸收效率、增加了
生物量; (3)马尾松根系分泌对模拟N沉降的响应存在较大的家系差异。同质低P下, 家系71×20的有机酸分泌和生物量对N沉降
的响应幅度较大; 异质低P下, 家系36×29、71×20和73×23对N沉降的响应幅度较大。
关键词 酸性磷酸酶, 家系, 低P胁迫, N沉降, 有机酸, P效率, 马尾松
Effects of simulated nitrogen deposition on root exudates and phosphorus efficiency in Pinus
massoniana families under low phosphorus stress
PANG Li1,2, ZHANG Yi1*, ZHOU Zhi-Chun1, FENG Zhong-Ping3, and CHU De-Yu3
1Research Institute of Subtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Fuyang, Zhejiang 311400, China; 2Anshun College, Anshun, Guizhou 561000,
China; and 3Laoshan Forest Farm of Chun’an County of Zhejiang Province, Chun’an, Zhejiang 311700, China
Abstract
Aims Atmospheric nitrogen (N) deposition largely increased in recent years, resulting in an increased N avail-
ability and N:P ratio in forest soils. The objective of this study was to determine the effects of simulated N deposi-
tion on P efficiency and root secreted acid phosphatase and organic acids in Pinus massoniana under low P stress.
Methods Treatments included two P conditions, i.e. homogeneous low P availability vs. heterogeneous low P
availability among soil layers, in combination with two N deposition levels in a two-year pot experiment. Four
full-sib progenies collected from the second-generation breeding population of P. massoniana were used.
Important findings Under both the homogeneous and heterogeneous low P conditions, N:P stoichiometric ratio
in P. massoniana seedlings was significantly increased by simulated nitrogen deposition, which stimulated the
amount of root acid phosphatase and organic acid secretion. The amount of root exudates was higher under the
homogeneous low P condition than under the heterogeneous low P condition. The level of root secreted organic
acids was significantly correlated with the growth in P. massoniana seedlings. Under the homogeneous low P
condition, P acquisition efficiency and biomass in P. massoniana seedlings were not affected by simulated N
deposition, mainly due to the high N:P ratios and low sensitivity to N addition; whereas under the heterogeneous
low P condition, greater growth response to N addition was observed due to the higher N:P ratio. An increased
root secretion of organic acids contributed to enhancement of P acquisition efficiency and growth under the high
N deposition level. Significant variations among families in growth response to the simulated N deposition were
observed. Under the homogeneous low P condition, seedlings in the family 71 × 20 were found to respond to the
simulated N deposition with increased root organic acids and biomass. Under the heterogeneous low P condition,
seedlings in the families of 36 × 29, 71 × 20, and 73 × 23 responded to the simulated N addition with increased
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biomass and root secretion.
Key words acid phosphatase, family, low phosphorus stress, N deposition, organic acid, phosphorus efficiency,
Pinus massoniana

我国长江以南的大片亚热带丘陵山地以酸性
红壤为主, 对磷(P)吸附固定强烈, 导致土壤有效P
含量极低, 呈现严重缺P状态, 限制了植物生长发
育和生产力(李庆逵, 1985; Wissuwa, 2003)。众多研
究揭示, 在低P胁迫条件下, 植物会形成一些有利
于土壤P吸收的适应性变化, 例如根系形态特征和
根构型等的适应性变化(段海燕等, 2002; Wang et
al., 2006; 严小龙和廖红, 2007), 诱导酸性磷酸酶
(APase)、有机酸等根系分泌(Neumann & Römhei,
1999; 孙海国和张福锁, 2002; 梁霞等, 2005), 这是
植物耐低P胁迫和提高P营养效率的重要机制。
与耕作土壤相比, 森林土壤缺乏精耕细作, 因
而低P胁迫的形式更为复杂, 胁迫程度也往往更为
严重。例如在阔叶林或针阔混交林中, 由于来自阔
叶树的凋落物分解较为迅速, 导致表层土壤P素较
为丰富, 深层土壤P素匮乏而表现为异质性低P胁
迫。在针叶纯林中, 由于针叶凋落物分解慢、养分
周转存在滞后性, 再加上长年连作造成的地力衰退,
导致表层土壤、深层土壤均严重缺P, 而形成同质性
低P胁迫(杨青等, 2011, 2012; Zhang et al., 2013a)。这
两种类型的P素环境, 在开展林木营养学研究时均
应引起重视(Zhang et al., 2013b)。
近年来, 随着工农业活动的集约化, 我国大气
氮(N)沉降呈现增加趋势(李德军等, 2004, 2005; 遆
超普和颜晓元, 2010), 这将导致森林土壤中N含量
和N:P增加。有研究表明, 低P胁迫诱导的根系分泌
不仅与土壤P素的有效性有关, 土壤N素的有效性、
植物N:P化学计量比等也均能直接调控根系分泌物
的种类和含量(Fujita et al., 2010)。根系分泌是植物
适应低P环境、增加P素吸收利用效率的重要机制。
然而, 在大气N沉降背景下, 土壤N素增加对同质和
异质低P胁迫下植物根系分泌和P效率的影响目前
研究较少。这限制了在大气污染背景下对林木忍耐
低P胁迫生物学机制的理解以及对林木营养高效新
品系的选育。
马尾松(Pinus massoniana)是我国南方重要的用
材树种, 也是荒山造林的先锋树种。当前研究已揭
示了马尾松适应不同类型低P胁迫的生物学机制,
包括表层、整体根系参数和根构型的适应性变化、
有机酸和APase分泌的增加等(周志春等, 2003; 谢
钰容等, 2005; 杨青等, 2011, 2012; Zhang et al.,
2013a)。然而相关研究较少考虑大气N沉降对低P诱
导的马尾松根系分泌和P效率的影响。鉴于此, 本文
设置了同质低P、异质低P与模拟N沉降耦合的盆栽
模拟试验, 研究森林土壤有效P匮乏、大气N沉降增
加背景下, 土壤N素增加对不同类型低P下马尾松
根系分泌性APase活性、根系有机酸分泌及P效率的
影响, 为选育N沉降背景下适应低P胁迫和高P效率
的马尾松新品种提供理论指导。
1 材料和方法
1.1 实验材料和实验设计
设置马尾松二年生盆栽试验, 于2011年3月播
种, 2012年10月收获。以马尾松二代育种群体内控制
授粉产生的4个全同胞子代36 × 29、40 × 44、71 × 20
和73 × 23作为试验材料, 盆栽容器采用定制的直径
12 cm、高25 cm的塑料杯。基质为浙江省淳安县千
岛湖的贫瘠酸性红壤, 其有机质含量为6.4 g·kg–1,
全N和全P含量分别为(0.47 ± 0.16) g·kg–1和(0.34 ±
0.11) g·kg–1, 水解N、速效K和有效P含量分别为
(16.2 ± 3.2) mg·kg–1、(37.9 ± 7.8) mg·kg–1和(1.08 ±
0.30) mg·kg–1, pH为5.07 ± 0.2。
本试验设置了同质低P和异质低P两种P素环境,
具体设计如下: 将盆栽基质自上而下平均分为4层,
第1层为表层, 第2层为中间层, 第3、4层为深层, 每
层基质厚度约为6 cm。在同质低P处理中, 不同层次
均采用有效P含量极低(1.08 mg·kg–1)的贫瘠酸性红
壤作为盆栽基质。这样, 土壤剖面自上而下有效P
均极为匮乏, 可较好地模拟立地衰退、肥力较差的
森林土壤的P素环境。在异质低P处理中, 每个层次
的土壤介质与一定量的Ca(H2PO4)2混匀后, 按4、3、
2、1的层次顺序装盆。在第1层基质均匀地加入1.0
g·kg–1 Ca(H2PO4)2 (相当于有效P含量约80 mg·kg–1),
使其成为P富集的高P层次; 第2层加入0.10 g·kg–1
Ca(H2PO4)2 (相当于有效P含量约8 mg·kg–1), 第3、
4层均不添加Ca(H2PO4)2 (有效 P含量约为 1.08
庞丽等: 模拟氮沉降对低磷胁迫下马尾松不同家系根系分泌和磷效率的影响 29

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mg·kg–1)。按盆栽容器整体计算, 异质低P处理中有
效P含量为22.5 mg·kg–1, 相当于中度低P胁迫, 然
而P素空间分布极不均匀, 介质表层P含量较为丰
富, 而向深层迅速降低, 可较好地模拟立地条件良
好、表层养分丰富的森林土壤中P素的自然分布
状况。
基于文献中报道的我国长江中下游流域近年
大气N沉降平均水平(约30 kg·hm–2·a–1) (Zhao et al.,
2009; 遆超普和颜晓元, 2010)进行模拟N沉降处理。
从2011年开始, 分别在马尾松生长旺盛的4月、6月
和8月 , 每月中旬分别对盆栽苗木全株喷施一次
NH4NO3。将NH4NO3溶于水中, 以溶液的形式喷施,
每次的喷施量均为 1 g·m–2, 年喷施总量为 3
g·m–2·a–1, 即30 kg·hm–2·a–1。低N对照中, 未施加外
源N素。采用完全随机区组设计, 单株小区, 10次重
复(10个区组)。试验采用自动喷灌系统, 维持盆栽土
壤水分在50%–80%范围内, 以保证马尾松对水分的
正常需求。
1.2 实验方法
1.2.1 根系分泌物的收集
根系分泌物的收集参考沈宏等(2001)的方法。
收获各处理生长正常的苗木, 将根系用去离子水洗
净吸干后, 将每一单株根系置于收集管中, 加入20
mL 0.5 mol·L–1 CaCl2溶液(20 mL溶液刚好可以浸没
根系, 达到浸提效果; 如果溶液体积过大, 则会导
致所收集根系分泌物浓度较低, 增加纯化和检测难
度), 收集12 h。加入2–3滴0.05%百里酚以抑制微生
物活性。收集液用滤纸过滤后, 测定根系分泌性
APase活性、有机酸成分和分泌量。
1.2.2 根系分泌性APase活性测定
采用Mclachlan (1980)的方法测定APase活性。
取2 mL根系收集液, 加入2 mL 0.2 mol·L–1的醋酸-
醋酸钠缓冲液(pH 5.8)中(含有5 mmol·L–1对硝基苯
磷酸二钠(pNPP)), 充分混匀, 37 ℃下黑暗反应1 h。
加入0.4 mL 1 mol·L–1 NaOH溶液, 充分混合反应液
终止酶促反应, 于405 nm波长条件下测定溶液的吸
光值(OD值)。酶活性以单位时间内单位干质量根水
解 pNPP生成对硝基苯酚 (NPP)的量 (μg·g–1 root
DW·min–1)表示。同时做空白对照和NPP浓度标准
曲线。
1.2.3 有机酸分泌量和有机酸种类测定
取2 mL根系分泌物, 利用2695型高效液相色谱
(HPLC) 仪 (Waters, Milford, USA), 参考俞乐等
(2002)的方法测定有机酸分泌量和种类。HPLC测定
条件为: 色谱柱: Symmetry C18柱, 4.6 × 250 mm, 5
μm; 柱温: 30 ℃; 进样量: 5 μL; 流速: 1 mL·min–1;
检测器: PAD; 检测波长: 210 nm; 流动相: 0.5%磷
酸二氢钾(pH 2.1)。
1.2.4 植株N、P含量测定
将收获的苗木分成根、茎、叶3部分, 于烘箱中
105 ℃杀青30 min, 80 ℃烘干至恒重, 以获得苗木
各部分的干物质量。用H2SO4-H2O2消煮后, 测定苗
木不同器官含P量和含N量, 含P量用钼锑抗比色法
测定 , 含N量用K2100型定氮仪 (Foss, Hillerod,
Denmark)测定。
1.3 统计分析
P素吸收效率=整株P吸收量/株(mg·株–1); P素利
用效率=整株干物质积累量/整株P素吸收量(g·mg–1)
(曹靖和张福锁, 2000)。N素吸收效率=整株N吸收量
/株(mg·株–1); N素利用效率=整株干物质积累量/整
株N素吸收量(g·mg–1)。利用SAS软件的ANOVA程
序, 对各性状进行方差分析。采用最小显著差异法
(LSD)进行多重比较检验(p = 0.05)。采用简单相关性
分析估算马尾松家系根系分泌性APase活性、有机
酸总分泌量与生长性状和养分吸收、利用效率的相
关性。
2 结果和分析
2.1 模拟N沉降对马尾松不同家系根系分泌性
APase活性的影响
由三因素方差分析可以看出, 马尾松生物量、
根系分泌物和氮磷效率存在显著的N素、P素处理效
应和家系效应, 同时也存在显著的P × N、N ×家系
互作效应(表1)。在同质低P下, 马尾松根系有机酸分
泌量、APase活性均存在显著的N素效应(表2), 表明
模拟N沉降显著影响了马尾松根系分泌。马尾松生
物量的N素效应不显著, 但存在显著的N×家系互作
效应, 表明马尾松生物量对模拟N沉降的响应存在
较大的家系差异。在异质低P下, 马尾松生物量和根
系有机酸分泌存在显著的N素效应, 但根系APase
活性的N素效应不显著。
如图1所示, 同质低P下, 模拟N沉降显著增加
了马尾松根系分泌的APase活性, 与低N相比, 增幅
达53%; 而在异质低P下, 模拟N沉降未显著改变马
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表1 马尾松苗木生物量、根系分泌物和氮磷效率的方差分析结果
Table 1 ANOVA analysis results of biomass, root exudates, and N and P efficiency in Pinus massoniana seedlings
性状 Trait 磷 P 氮 N 磷×氮
P × N
家系
Family
磷×家系
P × Family
氮×家系
N × Family
磷×氮×家系
P × N × Family
生物量 Biomass 9.13** 5.50* 19.77*** 6.26** 0.28 4.12* 5.18**
酸性磷酸酶活性 APase activity 93.84*** 22.87*** 12.66*** 2.48 1.57 8.12*** 3.22*
有机酸分泌 Organic acid secretion 2.60 120.90*** 0.05 19.47*** 4.58** 16.55*** 3.98*
磷吸收效率 P absorption efficiency 54.46*** 5.14* 26.95*** 6.65*** 0.79 3.96* 3.89*
磷利用效率 P utilization efficiency 77.31*** 4.38* 3.88 2.81* 2.09 2.35 0.42
氮吸收效率 N absorption efficiency 3.89 35.51*** 11.44*** 5.75** 0.49 1.76 2.26
氮利用效率 N utilization efficiency 25.66*** 129.2*** 1.36 3.06* 5.56** 5.68** 0.53
氮磷比 N:P 59.02*** 51.10*** 10.68** 2.54 0.52 0.83 0.57
表中的数据为三因素方差分析的F值。*, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001。
Data in the table are F values from three-way ANOVA . *, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001. APase, acid phosphatase.


表2 同质和异质低磷条件下马尾松苗木生物量和根系分泌物的方差分析
Table 2 ANOVA results of biomass and root exudates in Pinus massoniana seedlings under homogeneous and heterogeneous low P
conditions
同质低磷条件 Homogeneous low P condition 异质低磷条件 Heterogeneous low P condition性状
Trait 氮
N
家系
Family
N ×家系
N × Family
氮
N
家系
Family
N ×家系
N × Family
生物量 Biomass 4.02 5.09** 10.19*** 15.89*** 2.58 2.56
酸性磷酸酶活性 APase activity 20.93*** 0.76 6.48** 2.22 8.24*** 1.67
有机酸分泌 Organic acid secretion 55.69*** 9.61*** 7.56*** 66.67*** 15.18*** 13.79***
磷吸收效率 P absorption efficiency 9.08** 4.18* 4.45* 18.19*** 3.58* 3.76*
磷利用效率 P utilization efficiency 4.70* 2.75 1.34 0.03 0.27 1.74
氮吸收效率 N absorption efficiency 6.46* 3.02* 3.97* 29.35*** 3.15* 1.34
氮利用效率 N utilization efficiency 90.61*** 1.80 3.64* 45.88*** 6.22** 2.70
氮磷比 N:P 33.82*** 1.61 0.64 19.01*** 1.23 0.97
表中的数据为三因素方差分析的F值。*, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001。
Data in the table are F values from three-way ANOVA. *, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001. APase, acid phosphatase.


图1 不同N-P耦合环境下根系分泌性酸性磷酸酶(APase)活
性。不同字母表示处理间差异显著(p < 0.05)。Homo-P, 同质
低P; Hete-P, 异质低P。
Fig. 1 Root secreted acid phosphatase (APase) activity under
different combinations of N and P treatments. Different letters
indicate significant differences between treatments at p < 0.05.
Homo-P, homogeneous low phosphorus; Hete-P, heterogeneous
low phosphorus.
尾松根系分泌的APase活性。同质低P下, 模拟N沉
降处理后, 家系40 × 44的APase活性增加幅度最大,
增幅为209.4%, 家系71 × 20的APase活性增加幅度
最小, 增幅为11.7% (图2), 然而家系71 × 20比家系
40 × 44的干物质量增加幅度大(表3)。异质低P条件
下, 家系40 × 44的APase活性增加幅度最大, 增幅
为58.8%, 另外3个家系的APase活性增幅较小, 分
别为0.6%、1.9%和8.3%, 而家系40 × 44的干物质量
较其他家系小。可以看出, 同质低P和异质低P条件
下, 模拟N沉降处理后, 家系40 × 44较其他家系敏
感, 各家系的APase活性与干物质量的相关性较小。
2.2 模拟N沉降对马尾松不同家系有机酸分泌的影
响
模拟N沉降处理后, 同质低P和异质低P下, 马
尾松有机酸总分泌量分别增加了13倍和5倍。但异质
低P-高N下, 有机酸总分泌量最大。检测到的马尾松
庞丽等: 模拟氮沉降对低磷胁迫下马尾松不同家系根系分泌和磷效率的影响 31

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图2 不同N-P耦合条件下根系分泌性酸性磷酸酶(APase)活
性的家系差异。不同字母表示同一磷素水平内不同家系间差
异显著(p < 0.05)。Low-N, 低氮; High-N, 高氮; Homo-P, 同
质低P; Hete-P, 异质低P。
Fig. 2 Family variations in root secreted acid phosphatase
(APase) activity under different combinations of N and P
treatments. Different letters indicate significant difference be-
tween families under the same P condition at p < 0.05. Low-N,
low nitrogen; High-N, high nitrogen; Homo-P, homogeneous
low phosphorus; Hete-P, heterogeneous low phosphorus.

根系分泌的有机酸主要有草酸、酒石酸、苹果酸、
丙二酸、乙酸等。同质低P下, 模拟N沉降促进了苹
果酸、草酸、丙二酸、乙酸的分泌, 其中苹果酸的
平均增幅最大, 其次是丙二酸, 分别增加了48倍和
17倍, 而酒石酸的分泌量减少。异质低P下, N沉降
增加了苹果酸、乙酸、丙二酸、酒石酸、草酸的分
泌量, 其中, 增加幅度最大的是苹果酸和酒石酸,
平均分别增加了7.7倍和7.5倍, 其次是丙二酸增加
了4.3倍。
同质低P下, 模拟N沉降处理后马尾松各家系
有机酸总分泌量均增加, 其中家系71 × 20增加了46
倍, 家系40 × 44增加幅度较小, 增加了4倍, 而家系
40 × 44和71 × 20的干物质量增加不显著(表3)。异质
低P下, 模拟N沉降也显著增加了各家系有机酸总
分泌量, 家系73 × 23和71 × 20增加幅度最大, 分别
增加了8.3倍和7.8倍, 家系73 × 23和71 × 20干物质
量也较大。另外, N沉降不仅增加了各家系有机酸分
泌量, 也增加了分泌的有机酸种类, 尤其在同质低
P下, 模拟N沉降处理后家系40 × 44分泌的有机酸

表3 不同N-P耦合条件下马尾松苗木根系分泌的有机酸的家系差异
Table 3 Family variations in root secreted organic acids from Pinus massoniana seedlings under different combinations of N and P
treatments
磷处理
P treatment
氮水平
N level
家系
Family
干物质量
Dry matter
mass (g)
草酸
Oxalic acid
(μmol·plant–1)
酒石酸
Tartaric acid
(μmol·plant–1)
苹果酸
Malic acid
(μmol·plant–1)
丙二酸
Malonic acid
(μmol·plant–1)
乙酸
Acetic acid
(μmol·plant–1)
总量
Total
(μmol·plant–1)
36 × 29 2.64a 0.37b 0.36bc 0.62c – – 1.63c
40 × 44 1.64bcd 0.83b – – – – 0.83c
71 × 20 1.1d 0.56b 0.57bc – – – 1.14c
低氮
Low-N
73 × 23 2.57a 1.91b 1.44a 1.68c 0.28c 1.44b 6.75c
36 × 29 1.17cd 1.00b – 23.82b – – 24.80b
40 × 44 1.92b 0.48b 0.5bc – 0.24c 1.88a 3.10c
71 × 20 1.75bc 6.04a 0.38bc 46.12a 1.56b – 54.10a
高氮
High-N
73 × 23 1.91b 2.10b 0.74b 42.12a 2.97a 1.96a 49.88a
Homo-P
显著性水平
Probability
0.000 1*** 0.006 7*** 0.001 2*** < 0.000 1*** < 0.000 1*** < 0.000 1*** < 0.000 1***
36 × 29 1.87bc 0.77b 0.16c 2.74cd 0.60de 2.96de 7.22c
40 × 44 2.05bc 1.09b – 5.72bcd 1.52cd 1.66e 9.99c
71 × 20 1.40c 0.75b – – 1.20cde 1.65e 3.58c
低氮
Low-N
73 × 23 1.82bc 0.73b 1.40bc 3.00cd – 4.14cd 9.26c
36 × 29 2.43b 0.8b 2.02b 19.48b – 4.96bc 27.20b
40 × 44 2.29bc 0.94b – 6.82bcd 2.40bc 5.12bc 16.26bc
71 × 20 2.45b 0.92b 2.08b 14.70bc 3.32b 6.94b 27.80b
高氮
High-N
73 × 23 3.84a 4.42a 7.66a 46.80a 8.68a 8.82a 77.20a
Hete-P
显著性水平
Probability
0.002 6*** 0.001 2*** < 0.000 1*** 0.002 0*** < 0.000 1*** < 0.000 1*** < 0.000 1***
“–”表示未检出。同列不同字母表示同一磷素水平内不同家系间差异显著(p < 0.05)。***, p < 0.001。
“–” means not detectable. Different letters within the same column indicate significant differences between families under the same P condition at p <
0.05. ***, p < 0.001.

32 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2014, 38 (1): 27–35

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图3 不同N-P耦合处理间马尾松苗木根系分泌的有机酸总
分泌量、各类有机酸分泌量。Homo-P, 同质低P; Hete-P, 异
质低P。*, p < 0.05。
Fig. 3 The total and individual root secreted organic acids in
Pinus massoniana seedlings under different combinations of N
and P treatments. Homo-P, homogeneous low phosphorus;
Hete-P, heterogeneous low phosphorus. *, p < 0.05.


从1种增加到4种, 家系71 × 20分泌的有机酸从2种
增加到4种。
2.3 模拟N沉降对马尾松植株N:P化学计量比和P
效率的影响
如表4所示, 模拟N沉降处理显著增加了马尾松
植株的N:P化学计量比。同质低P较异质低P下N:P增
加的幅度更大, 异质低P下植株N:P化学计量比较
低。同质低P下, 若以参试群体平均值计算, 模拟N
沉降处理未改变马尾松根系和整株P的吸收效率,
干物质量也与低N处理差异不显著。异质低P下, 高
N处理显著促进了马尾松家系根系和整株的P吸收,
整株P的吸收效率增加幅度为80%, 干物质量较低N
处理显著增加。说明异质低P下马尾松P效率性状对
N沉降敏感, 模拟N沉降明显改善了马尾松P效率和
干物质量。同质低P和异质低P下, N沉降增加了马尾
松N素吸收效率, N素利用效率则降低。
2.4 马尾松家系根系分泌与P效率的相关性
如表5所示, 同质低P和异质低P条件下, 模拟N
沉降处理前后, 马尾松根系平均分泌性APase活性
与干物质量积累、P吸收效率均未呈现显著相关性。
说明马尾松根系分泌性APase活性与P效率相关性
较小。同质低P下, 马尾松平均有机酸分泌量与P吸
收效率、整株干物质积累量无显著相关性。异质低
P下, 平均有机酸分泌量与干物质积累量、N和P吸
收效率均呈显著性正相关关系。进一步分析发现,
异质低P下, 模拟N沉降处理后马尾松有机酸分泌
量与干物质量、P吸收效率的相关性均增加, 相关系
数分别增加为0.992 5和0.974 9 (表5)。
3 讨论和结论
3.1 模拟N沉降对马尾松根系分泌、P素吸收和生
物量的影响
有关N沉降或P素环境对植物生长影响的研究
较多, 然而N沉降效应受土壤P素含量的影响, N:P
耦合对植物生长的效应则较少受到关注(李德军等,
2004, 2005; Zhao et al., 2009; Zhang et al., 2013a,


表4 不同N-P耦合条件下马尾松干物质量、P和N效率
Table 4 Dry matter mass, P and N efficiency in Pinus massoniana under different combinations of N and P treatments
Homo-P, 同质低P; Hete-P, 异质低P。*, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001。不同字母表示处理间差异显著(p < 0.05)。
Homo-P, homogeneous low phosphorus; Hete-P, heterogeneous low phosphorus. *, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001. Different letters indicate
significant differences between treatments at p < 0.05.
磷吸收效率
Phosphorus absorption
efficiency (mg·plant–1)
磷处理
P treatment
氮水平
N level
干物质量
Dry matter
mass (g)
氮磷比
N:P
根 Root 整株 Total
磷利用效率
Phosphorus utiliza-
tion efficiency
(g·mg–1)
氮吸收效率
Nitrogen absorp-
tion efficiency
(mg·plant–1)
氮利用效率
Nitrogen utiliza-
tion efficiency
(g·mg–1)
Homo-P 低氮
Low-N
1.99b 13.8b 0.21c 1.41bc 4.89b 19.50c 0.42b
Homo-P 高氮
High-N
1.69b 26.7a 0.17c 1.02c 6.17a 27.25b 0.28c
Hete-P 低氮
Low-N
1.78b 9.7c 0.33b 1.56b 3.45c 15.19c 0.46a
Hete-P 高氮
High-N
2.75a 13.3b 0.43a 2.81a 3.53c 37.28a 0.35c
显著性水平 Probability 0.000 3*** < 0.000 1*** < 0.000 1*** < 0.000 1*** < 0.000 1*** 0.000 3***
庞丽等: 模拟氮沉降对低磷胁迫下马尾松不同家系根系分泌和磷效率的影响 33

doi: 10.3724/SP.J.1258.2014.00003
表5 不同N-P耦合条件下马尾松苗木根系分泌性酸性磷酸酶(APase)活性、有机酸总分泌量与P效率的相关系数
Table 5 Correlation coefficients between root secreted acid phosphatase (APase) activity, total amount of organic acids secreted,
and P efficiency in Pinus massoniana seedlings under different combinations of N:P treatments
磷处理
P
treatment
氮水平
N level
根系分泌物
Root secretion
干物质量
Dry matter
mass (g)
磷吸收效率
Phosphorus
absorption effici-
ency (mg·plant–1)
磷利用效率
Phosphorus utiliza-
tion efficiency
(g·mg–1)
氮吸收效率
Nitrogen absorp-
tion efficiency
(mg·plant–1)
氮利用效率
Nitrogen utiliza-
tion efficiency
(g·mg–1)
N:P

分泌性APase
Secretory APase
0.416 4 0.220 5 0.324 2 0.527 2 –0.364 6 0.574 3低氮
Low-N
有机酸分泌
Organic acid secretion
0.553 9 0.398 8 0.965 0* 0.674 9 0.149 8 0.328 8
分泌性APase
Secretory APase
0.423 9 –0.050 1 0.294 2 0.105 6 0.449 0 0.257 4
Homo-P
高氮
High-N
有机酸分泌
Organic acid secretion
0.090 6 0.544 8 0.202 9 0.428 9 –0.202 6 0.273 2
分泌性APase
Secretory APase
0.181 7 0.047 9 0.809 5* –0.210 7 0.492 9 –0.398 9低氮
Low-N
有机酸分泌
Organic acid secretion
0.931 9* 0.876 8* 0.220 4 0.877 5* –0.136 4 0.017 6
分泌性APase
Secretory APase
–0.087 5 0.086 9 –0.633 2 0.067 9 –0.483 6 –0.211 9
Hete-P
高氮
High-N
有机酸分泌
Organic acid secretion
0.992 5*** 0.974 9** –0.169 1 0.930 7* –0.487 7 –0.331 9
Homo-P, 同质低P; Hete-P, 异质低P。*, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001。
Homo-P, homogeneous low phosphorus; Hete-P, heterogeneous low phosphorus. *, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001.


2013b)。本研究显示, 马尾松根系分泌存在显著的N
素效应, 模拟N沉降均增加了根系APase和有机酸
的分泌, 这一结果与Fujita等(2010)的结果一致。本
研究还发现, 马尾松生物量不仅存在显著的N素效
应, 而且存在显著的N × P互作效应。在同质低P下,
马尾松生物量的N素效应不显著, 虽然模拟N沉降
增加了根系APase活性和有机酸分泌, 却未能在整
体上提升马尾松的P素吸收效率和生长量; 在异质
低P下, 马尾松生物量存在显著的N素效应, N沉降
增加了根系有机酸分泌, 同时增加了生物量。
低P胁迫诱导根系分泌APase和有机酸均为植
物忍耐低P胁迫的重要适应机制, 而两者的相对重
要性因不同植物和环境而异(廖红和严小龙, 2000;
段海燕等, 2002; 梁霞等, 2005; 杨青等, 2011)。本研
究发现, 无论是同质低P还是异质低P条件下, P吸收
效率和生长量均与根系有机酸分泌显著相关, 这种
相关性在N沉降后进一步增加。这证实N沉降对根系
有机酸分泌的促进作用是马尾松对N沉降敏感、P
素吸收和生物量在N沉降下增加的原因之一。
3.2 N沉降下马尾松生长反应与N:P化学计量比的
关系
植株N:P化学计量比可用来判断植物对N、P元
素的敏感性(He et al., 2008; Zhang et al., 2013b)。N:P
在一定阈值范围内, N、P同时限制或都不限制生长;
当N:P低于这一阈值时, 植物生长受N限制, 植物对
N素敏感, 增加N素可促进生长; 当N:P高于阈值时,
生长受P限制 , 施加P素可促进生长(Fujita et al.,
2010)。本研究发现, 不同P素环境下马尾松对模拟N
沉降的生长反应差异与不同P素环境中马尾松植株
的N:P化学计量比有关。在同质低P和异质低P下, 模
拟N沉降均提高了马尾松植株的N:P, 增加了P素匮
乏程度, 从而诱导植物增加根系化学分泌。在同质
低P下, 马尾松植株N:P化学计量比处在较高的阈值
范围内, 意味着植株体内P素极度匮乏, 而N素不缺
乏甚至过剩(He et al., 2008; Fujita et al., 2010)。据推
断, 这是同质低P下模拟N沉降增加了根系分泌, 却
未能在整体上提升马尾松的P素吸收效率和生长量
的原因。与同质低P相比, 异质低P环境中马尾松N:P
化学计量比相对较低, 这意味着植株处于N、P共同
缺乏的阈值内, N和P均可促进植株生长(Fujita et al.,
2010), 这是异质低P下马尾松对N沉降较为敏感、P
效率和生长量在N沉降下显著提高的原因。
同质低P下, 马尾松生物量的N素效应虽然不
显著, 但存在显著的N×家系互作效应。个别家系对
N沉降敏感, 其生物量在N沉降下增加。已有研究表
明, 植物N:P化学计量比及植物对N沉降的生长反
应 , 存在着广泛的基因型差异 (李德军等 , 2004,
2005; Zhang et al., 2013b)。有关马尾松的研究揭示,
不同家系对N沉降敏感性的差异, 源于不同基因型
P素吸收效率的差异及其所导致的N:P化学计量比
34 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2014, 38 (1): 27–35

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的家系差异(Zhang et al., 2013b)。本研究中, 马尾松
N吸收效率、P吸收效率以及N:P化学计量比均存在
显著的家系效应。N:P化学计量比具有显著的家系
差异, 这应该是存在家系×N互作效应、不同家系对
N沉降的敏感性和生长反应表现差异的原因。
3.3 小结
模拟N沉降下马尾松苗木生长存在显著的N×P
互作效应, 这与不同P素环境中植株N:P化学计量比
有关。在同质低P环境中, 马尾松具有较高的N:P化
学计量比, 植株表现为极度缺P, 而N相对过剩, 因
此马尾松的生长对N素增加不敏感。虽然N沉降促进
了根系分泌, 但是并未增加根系P吸收和生物量。在
表层富P的异质低P环境中, 马尾松N:P化学计量比
相对较低, 处于N、P共同缺乏的阈值内, 因而马尾
松生长对N素的增加敏感, 模拟N沉降显著增加了
根际有机酸的分泌量, 提高了马尾松P吸收效率,
增加了其生物量。
根据本研究结果, 今后应重视通过科学育林措
施改善土壤P素的养分状况, 例如用针阔混交林代
替针叶纯林、促进凋落物分解和养分归还效率, 增
加土壤P素有效性, 使土壤和植物N:P化学计量比维
持相对平衡, 利于林木保持对N素增加的敏感性,
使得林木在N沉降增加条件下获得较大的生长
增益。
基金项目 “十二五 ”国家科技支撑项目 (2012-
BAD01B02)、国家自然科学基金项目(31070599)、
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农业新品种选育协作组
重点项目(2012C12908-12)。
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特邀编委: 肖春旺 责任编辑: 王 葳