磷是植物所必须的大量营养元素，是核酸、核蛋白磷脂等功能性物质的重要成分，也是参与呼吸作用和光合作用的许多辅酶和辅基的重要成分，在生命体中的物质代谢和能量转换发挥着重要作用，常成为陆地生态系统初级生产力的限制因素^[1]。红壤具有独特的理化性质，导致其中的磷素容易被固定，因此往往表现出不同程度的缺磷现象。一定程度的人为磷添加不仅可以增加生态系统的初级生产力，也能缓解植物生长的养分限制。

南方红壤侵蚀区是我国典型的水力侵蚀区，该区域水土流失问题仅次于黄土高原，严重制约了当地经济社会的可持续发展^[2]。蕨类植物芒萁(Dicranopteris dichotoma)极其耐酸、耐旱和耐贫瘠，适应性强，是南方红壤侵蚀区生态退化过程中最后退出和生态恢复过程中最早进入的植物之一，具有极强的水土保持能力，在遏制南方红壤侵蚀区水土流失中发挥着重要作用。相关研究发现土壤养分，尤其是土壤磷含量是影响芒萁分布和生长的重要影响因素^[3]。鄢新余^[4]的研究发现土壤磷含量对芒萁株高、生物量影响较大，对芒萁各器官养分含量有不同程度的影响；Chen等^[5]和冯柳俊等^[6]的研究发现芒萁生长受到土壤磷的限制。然而人为磷添加对芒萁功能性状的影响不详，相关研究鲜见报道，亟待深入研究探讨。植物功能性状是植物本身生长、代谢、繁殖等生理生态特征^[7]，可以根据环境条件的变化做出相应的变化，能够反映植物应对环境变化的响应机制和适应策略。因此，磷添加对芒萁功能性状的影响以及芒萁的生存和适应策略值得进一步深究和探讨。

目前，有关模拟磷对植物生长影响的研究，主要通过磷添加控制实验来实现^[8]，因此，笔者通过盆栽实验，控制不同磷添加梯度，分析芒萁在磷添加下的形态、生理响应特征，以期揭示芒萁在磷添加下的生存和适应策略，为南方红壤侵蚀区生态恢复以及可持续发展提供相关科学依据。

实验所用土壤来自福建省长汀县河田镇来油坑样地(E 116°28′58″，N 25°39′45″)。该样地为未治理样地，土壤以红壤为主，植被稀疏，土壤侵蚀严重。采集该样地0~20 cm表层土壤作为盆栽实验土壤，土壤pH值4.76，为酸性红壤，有机质质量分数为6.74 g/kg，全碳、全氮和全磷质量分数分别为3.91、0.53和0.15 g/kg，速效氮和速效磷质量分数分别为26.19和1.83 g/kg。实验所用芒萁幼苗植株采自福州市鼓山。于鼓山地势较平坦且芒萁长势较好处，挖取长势相近且株高约为15 cm的芒萁幼苗用于实验。盆栽所用塑料盆长宽高为43 cm×19 cm×14 cm。

芒萁孢子于10或11月大量成熟并从孢子囊中散发到空中，落入土壤中后发育成原叶体，在来年春季发育成幼孢子体并逐渐发育成芒萁植株^[9]。因此选择2018年春季(3—5月)进行盆栽实验。为减少土壤异质性造成的实验误差，所用土壤充分搅拌，风干，过2 cm筛后，每盆装风干土7 kg，每盆移栽1丛芒萁幼苗。为增加芒萁幼苗成活率，期间使用遮阳网覆盖芒萁幼苗，并于芒萁幼苗成活稳定后开始施用磷肥(NaH₂PO₄ ·2H₂O，P质量分数为19%)。添加梯度为1 kg风干土分别加入400、600、1 000、1 600和2 400 mg磷肥，分别记作P1、P2、P3、P4、P5，以不添加磷肥处理为对照组(CK)，每组设4个重复，每个重复1盆芒萁，6个处理共24盆，共培养90 d。

盆栽实验结束后整株挖取芒萁，剪下叶片放入自封袋中冷藏。芒萁的茎为匍匐地下的根状茎，因而将芒萁按地下茎根、叶柄和叶片分类，并将叶片样品分成2份，装入自封袋待测。

植物碳、氮元素分析仪(Vario MAX CN，Elementar，Germany)用于测定芒萁碳氮含量，H₂SO₄-HClO₄消煮法用于测定芒萁磷含量。Image J软件用于计算扫描仪(HP LaserJetpro M1136MFP)扫描的芒萁叶片叶面积(leaf area，LA/cm²)；电子游标卡尺(精度为0.01 mm)用于测量叶片厚度(leaf thickness，LT/cm)。计算获取芒萁比叶面积(specific leaf area，SLA)和叶组织密度(leaf tissue density，LTD)：

式中LM为干质量，g。

根据根系分析软件(Win-RhIZO2008a)所计算的根系形态指标以及所测定的细根生物量，可计算出芒萁细根的平均根长(root length，RL/cm)、比根长(specific root length，SRL)、细根的组织密度(root tissue density，RTD)等形态特征参数：

式中：TRL为总根长，cm；NFR为细根数量。

式中RDW为根干质量，mg。

式中RV为根体积，mm³。

使用Excel 2010软件整理实验数据后采用One-way ANOVA单因素方差分析法和LSD最小显著差异法(通过正态性和方差齐性检验的数据)或非参数Kruskall-Wallis法(未通过正态性和方差齐性检验的数据)分析数据的差异性，并用Pearson法分析数据的相关性，所用软件为SPSS 22.0。使用Origin9.0软件绘制图片。

由图 1可以看出，磷添加显著提高芒萁叶面积(P＜0.05)。芒萁叶面积在P4处理下达到最大值，不同磷添加下芒萁叶面积均值可达到对照组的2.29倍。相比之下，磷添加并未显著影响芒萁比叶面积和叶组织密度。

图 1(Fig. 1)

不同小写字母表示不同磷添加处理间存在显著性差异(P＜0.05)。CK为对照，P1为施加400 mg磷肥处理，P2为施加600 mg磷肥处理，P3为施加1 000 mg磷肥处理，P4为施加1 600 mg磷肥处理，P5为施加2 400 mg磷肥处理。下同。 Different lowercase letters refer to significant differences among different phosphorus addition(P < 0.05). CK refers to control, no phosphorus addition. P1 refers to addition with 400 mg phosphate fertilizer. P2 refers to addition with 600 mg phosphate fertilizer. P3 refers to addition with 1 000 mg phosphate fertilizer. P4 refers to addition with 1 600 mg phosphate fertilizer. P5 refers to addition with 2 400 mg phosphate fertilizer. The same below. 图 1 不同磷添加下芒萁叶片形态指标 Fig. 1 Leaf morphology indexes of Dicranopteris dichotoma under different phosphorus addition

在磷添加下，P1~P4处理下的芒萁根长呈现随磷添加的增加而变长的特点(图 2)，P5处理下的芒萁根长下降，且P4和P5处理根长显著高于CK(P＜0.05)。芒萁根长在磷添加下均值达到对照组的1.12倍。在磷添加下，芒萁根组织密度无明显变化特征。芒萁根组织密度仅在P4处理下显著高于CK(P＜0.05)。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同磷添加下芒萁根系形态指标 Fig. 2 Root system indexes of Dicranopteris dichotoma under different phosphorus addition

综合分析可知，磷添加显著影响芒萁叶面积和根长，促进芒萁叶面积的增大和根长的增长，对根组织密度的影响较小，然而并未显著影响到芒萁的比叶面积、叶组织密度和根组织密度。其中叶面积的增大最为显著，表明磷添加对芒萁地上部分的促进效果较好。

由图 3可见，P1处理与CK组的芒萁株高不存显著性差异，P2、P3、P4和P5处理下的芒萁株高显著大于CK组(P＜0.05)。其中，P4处理下的芒萁株高与CK组差异最大，P4处理下的芒萁最大株高达到20.43 cm，为CK组的1.31倍。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同磷添加下芒萁株高 Fig. 3 Plant heights of Dicranopteris dichotoma under different phosphorus addition

由图 4可以分析出，磷添加改变了芒萁根冠比，呈现出磷添加处理组显著小于CK组的特征(P＜0.01)，且随磷添加的增加芒萁根冠比波动下降。P4处理下的芒萁根冠比最小，仅为对照组的21.08%。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同磷添加下芒萁根冠比 Fig. 4 Root-to-shoot ratios of Dicranopteris dichotoma under different phosphorus addition

由图 5可知，磷添加下，各梯度芒萁生长速率均大于对照组，其中P4处理组芒萁生长速率最大，达到对照组的1.27倍。芒萁株高相对生长速率随磷添加梯度上升而增加，于P4处理下达到最大值，随后下降。

图 5(Fig. 5)

图 5 不同磷添加下芒萁生长速率和株高相对生长速率 Fig. 5 Growth rate and plant height relative growth rate of Dicranopteris dichotoma under different phosphorus addition

综合分析可知，磷添加显著影响了芒萁株高和根冠比，株高显著增加而根冠比显著下降。芒萁的生长速率随着磷添加梯度的上升呈现上升的变化趋势。这表明磷添加下芒萁地上部分的生长得到促进，且促进效果要优于地下部分，从整株植株上看，磷添加加速了芒萁的生长。

芒萁各器官氮质量分数总体表现出叶片＞叶柄＞地下茎根的特点。芒萁叶片和叶柄氮质量分数随磷添加的增加而总体出现下降的趋势，均在P4处理下达到最低值，分别为10.97和5.21 g/kg(图 6)。芒萁地下茎根氮质量分数则在P2处理下达到最低值4.49 g/kg，在P4和P5处理下略有上升。P1、P2和P3处理下芒萁各器官磷质量分数呈现为叶片＞地下茎根＞叶柄的特征，P4和P5处理下呈现地下茎根＞叶片＞叶柄的特征。芒萁叶片和叶柄磷质量分数随磷添加的增加而出现缓慢上升的趋势，地下茎根磷质量分数增加速度相对较大，并在P4处理下迅速增加，达到1.8 g/kg，为对照组相应器官的6.67倍。

图 6(Fig. 6)

图 6 不同磷添加下芒萁各器官氮磷质量分数 Fig. 6 Nitrogen and phosphorus mass fraction of each organ in Dicranopteris dichotoma under different phosphorus addition

磷添加对芒萁各器官C :N影响具有不同特点，其中芒萁地下茎根和叶片的C :N随磷添加的增加无明显规律性变化，而芒萁叶柄C :N具有随磷添加的增加而增大的趋势(表 1)。芒萁各器官C :P和N :P具有随磷添加的增加而显著降低的特点(P＜0.01)。芒萁地下茎根N :P在P5处理下达到最小值，仅为对照组的18.23%，而芒萁叶柄和叶片N :P分别在P4和P2处理下达到最小，分别为对照组的41.86%和53.53%。芒萁地下茎根、叶柄和叶片C :P均在P5处理下达到最小，分别为对照组的13.61%、62.60%和67.12%。

表 1(Tab. 1)

表 1 不同磷添加下芒萁各器官化学计量特征 ($ \bar x$±SD) Tab. 1 Stoichiometry characteristics of each organ in Dicranopteris dichotoma under different phosphorus addition ($ \bar x$±SD) 器官Organ 磷添加Phosphorus addition C:N C:P N:P 地下茎根Root and rhizome CK 81.58±0.59b 1 494.26±60.32a 15.90±0.85a P1 85.81±4.67ab 781.19±19.19b 9.12±0.27b P2 92.26±4.27a 675.89±38.29c 7.34±0.61c P3 89.82±7.16a 564.11±13.80d 6.30±0.38d P4 55.72±2.10c 221.46±8.22e 3.98±0.22de P5 61.13±5.14c 203.31±12.63e 3.34±0.27e 叶柄Petiole CK 55.87±4.76b 1 516.70±55.21a 25.80±2.47a P1 54.27±0.68b 1 248.81±64.86b 23.01±2.01b P2 79.54±6.03a 1 692.31±152.73a 21.35±3.07b P3 82.65±6.51a 1 205.40±95.58bc 14.64±0.82c P4 87.05±6.72a 989.60±2.50c 11.42±0.97c P5 80.09±12.45a 949.49±5.69c 12.07±1.97c 叶片Leaf CK 28.53±0.86d 577.29±8.68a 19.83±0.19a P1 31.47±1.37c 422.46±3.84c 13.44±0.47b P2 37.03±1.12b 401.24±3.01d 10.84±0.27c P3 34.29±1.41c 381.16±7.76e 11.13±0.24c P4 40.74±1.53a 475.92±4.82b 11.69±0.53c P5 34.45±1.45c 387.48±20.50e 11.27±1.05c

表 1 不同磷添加下芒萁各器官化学计量特征 ($ \bar x$±SD) Tab. 1 Stoichiometry characteristics of each organ in Dicranopteris dichotoma under different phosphorus addition ($ \bar x$±SD)

综合分析可知，磷添加并未促进芒萁氮元素的积累，磷元素也仅在P4和P5处理下的地下茎根部分出现积累增加的现象，但磷添加对芒萁各器官C :N、C :P和N :P产生显著影响，磷添加影响了芒萁的生长和养分限制情况。

磷添加会改变土壤养分格局，进而改变植物不同器官养分含量及分配，同时植物外部形态也会根据养分的分配差异而产生一定的变化。在生境较差时，植物倾向于将生物量较多地分配给地下部分，促进地下部分的生长以获取更多的资源；在生境较好时，植物则将生物量较多地分配给地上部分，促进地上部分生物量的增加，增强自身在生境中的竞争优势^[10]。

本实验中，磷添加有效促进芒萁叶面积的增大和植株株高的增加，可能是因为磷添加有效增加土壤生物可利用性磷的含量，缓解酸性红壤中磷素缺乏的状况，从而促进芒萁叶面积和株高的增加，增加地上部分生物量。芒萁根长在P1、P2和P3处理下略有增长，但未显著长于CK组，这是因为该磷添加处理下芒萁将物质较多地输送到地上部分，促进地上部分的生长，而地下部分的促进作用较少；在P4处理下根长显著长于CK组，可能是因为该磷添加处理下芒萁地上部分快速生长，促进养分的需求和周转，芒萁地下茎根尤其是细根需要快速生长以满足芒萁地上部分的需求。磷添加显著降低芒萁的根冠比，出现随添加梯度增加而下降的特点，结合叶面积和株高的增长比根长的增长更显著的现象表明，一定程度的磷添加处理下芒萁地上部分生物量增加速度远大于地下部分；在磷肥的施加下，芒萁将生物量较多地分配给了地上部分，促进地上部分的发育和生长，提高了芒萁在群落中竞争力。

植物比叶面积、叶组织密度、比根长和根组织密度能够反映植物获取周围环境资源的能力，能够体现植物适应环境的策略和能力^[11]。芒萁比叶面积、叶组织密度、比根长均未受到磷添加的显著影响，在各磷添加处理下比较稳定，究其原因可能是芒萁获取物质的能力相对稳定，具有较强的环境适应能力。

生长速率假说认为植物通过调节体内碳、氮和磷的分配来适应其生长速率的变化。即个体生长速率与植物体内C :P、N :P具有负相关关系，并与植物体内磷含量呈显著正相关^[12]。然而也有相关研究表明，植物储藏养分的器官掩盖了其碳、氮磷化学计量特征与生长速率之间的关系^[13]。因此，植物养分元素化学计量特征与其生长速率之间的关系并不是绝对的。笔者发现，芒萁生长速率随着磷梯度的增大而增大，但各器官叶片N :P却随着梯度的增大而下降，基本符合植物生长速率假说。

磷添加下，芒萁株高相对生长速率在P4处理下达到最大，表明土壤磷供应可能在此达到饱和。相关研究^[14]表明，土壤磷素的生物有效性高低会直接对植物生长速率产生影响。在土壤磷成为限制性元素时，增加土壤磷供应，植物叶片磷含量、C :P与其生长速率成正比关系；当植物生长不受磷限制时，植物叶片磷含量、C :P与其生长速率则无显著相关关系。这是因为，植物生长受到磷限制时，适度磷添加会有助于其磷脂、核糖核酸(RNA)以及三磷酸腺苷(ATP)等化合物的合成，保证了植物正常的生长和代谢^[15]。然而，当土壤磷供应充足，植物生长不受磷限制时，过量磷添加会导致植物体内其他元素代谢紊乱，进而导致植物呼吸作用过强，植物因此消耗大量糖分和能量，最终抑制了植物的生长^[15]。芒萁叶面积和生长速率在P5处理下出现下降趋势，表明在P5添加处理下，土壤磷素达到饱和，对芒萁生长开始产生限制作用。

磷元素是植物生长所必须的大量元素之一，对植物的光合作用、呼吸作用等生理过程发挥着重要的作用，同时磷元素还能通过生物量的积累促进对氮的吸收^[16]。笔者发现，磷添加未能促进芒萁叶片和叶柄氮元素的积累，仅在P4和P5处理下提高了芒萁地下茎根氮含量。詹书侠等^[11]研究发现磷添加对羊草(Leymus chinensis)地下部分的影响较大，与本研究的结果相似。本研究中磷添加有效促进了芒萁磷元素的积累，尤其是芒萁地下茎根部分，这使芒萁的物质代谢和能量转换得到了显著的提高，增强呼吸作用和光合作用等生理活动^[1]。高宗宝等^[17]的研究发现，磷添加促进呼伦贝尔草甸草原贝尔加针茅(Stipa capillata )叶片和根部以及羊草叶片和狭叶柴胡(Bupleurum scorzonerifolium)根部磷含量的积累；郭淑青等^[18]的研究表明磷添加未对植物氮磷含量产生显著影响。前人研究结果与本研究结果略有差异，这种差异的产生可能是因为植物所处生境不同，导致植物的生理活动特征不同，造成对功能性元素的需求和分配不同。

植物器官N :P，尤其是叶片N :P可以作为衡量植物生长的氮磷限制性的重要指标。不同植物受氮磷限制的N :P阈值不同。有研究^[19]发现，当N :P＜10时，植物生长受氮限制；当N :P＞20时，植物生长受到磷限制。在磷添加下，芒萁叶片N :P由19.83±0.19下降至11.27±1.05。芒萁叶面积、生长速率和根长在磷添加下均呈现出增加的趋势，并在P4处理下达到最大，此时芒萁叶片N :P为11.69±0.53，表明芒萁生长在P5处理下开始受到氮的限制。这说明，芒萁N :P处于11~22时，芒萁能正常生长，当芒萁叶片N :P＞22时，芒萁生长受到磷限制，当芒萁叶片N :P＜11时，芒萁生长受到氮限制。相比其他植物，芒萁正常生长时，叶片N :P具有更大的区间，因此这一因素可能是芒萁能够适应恶劣生存环境的重要原因之一。

1) 芒萁对磷添加做出响应，将更多的生物量分配给地上部分，较少的生物量分配给了地下部分。此外，芒萁具有较稳定的获取资源的能力，适应能力强。

2) 磷添加芒萁的物质代谢和能量转换，提高呼吸作用和光合作用等生理活动，芒萁N :P区间较大，这是芒萁能够适应恶劣生存环境的重要原因之一。