張廣濤,包厚天,黃衛(wèi)和,彭輝武,喻方圓*
(1.南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,江蘇 南京 210037;2.江西省萍鄉(xiāng)市林業(yè)科學(xué)研究所,江西 萍鄉(xiāng) 337000)
烏桕(Sapiumsebiferum)為大戟科(Euphorbiaceae)烏桕屬(Sapium)落葉喬木,在我國(guó)已有1 400多年的栽培歷史[1-2]。烏桕材質(zhì)優(yōu)良,樹(shù)干高大,可作木材,其根、皮、葉均可作藥用[3];烏桕種子總出油率>40%,且種子油的運(yùn)動(dòng)黏度、十六烷值和廢氣排放物均符合生物柴油生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),是我國(guó)四大木本油料樹(shù)種之一[4-5]。烏桕外觀季相變化豐富,秋葉由綠變黃、紅或紫,觀賞價(jià)值很高[6]。目前關(guān)于烏桕的研究主要集中在秋葉變色、品種選育和育苗技術(shù)等方面[6-8],在苗木生產(chǎn)中存在的主要問(wèn)題是生長(zhǎng)速度慢、苗木質(zhì)量參差不齊、造林效果不好。而苗木施肥是培育優(yōu)質(zhì)苗木、提高苗木質(zhì)量的有效措施[9]。N素作為植物不可缺少的營(yíng)養(yǎng)元素之一,缺少或過(guò)多都會(huì)造成養(yǎng)分脅迫,對(duì)植物的生長(zhǎng)造成抑制,研究植物生長(zhǎng)過(guò)程中的合理施N有重要的意義[10]。
一般容器苗生長(zhǎng)規(guī)律呈S形,生長(zhǎng)前期慢,速生期速度加快,后期達(dá)到穩(wěn)定生長(zhǎng)狀態(tài),這與Logistic生長(zhǎng)模型相適應(yīng)[11]。但目前傳統(tǒng)等量施肥法很難滿足苗木生長(zhǎng)各階段對(duì)養(yǎng)分的需求,通過(guò)大量試驗(yàn)研究,均發(fā)現(xiàn)指數(shù)施肥方法能明顯促進(jìn)苗木的生長(zhǎng)、增加營(yíng)養(yǎng)吸收利用效率[12-13]。指數(shù)施肥基于穩(wěn)態(tài)養(yǎng)分理論[14],是根據(jù)植物生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)養(yǎng)分需求量的變化,以指數(shù)增加的方式給苗木施肥,養(yǎng)分供給速率和苗木生長(zhǎng)速率相吻合,使苗木體內(nèi)養(yǎng)分含量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)、苗木養(yǎng)分消耗達(dá)到奢侈水平,最終形成養(yǎng)分高效荷載[15]。國(guó)內(nèi)最早對(duì)指數(shù)施肥理論進(jìn)行研究的是賈慧君等[16-17]。進(jìn)入21世紀(jì)后,國(guó)內(nèi)對(duì)指數(shù)施肥技術(shù)的研究先后涉及到了側(cè)柏(Platycladusorientalis)、馬尾松(Pinusmassoniana)、長(zhǎng)白落葉松(Larixolgensis)、西南樺(Betulaalnoides)、沉香(Aquilariasinensis)等[18-22]。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)指數(shù)施肥研究報(bào)道逐漸增多,但對(duì)烏桕育苗的指數(shù)施肥研究尚未見(jiàn)報(bào)道。由于近幾年烏桕苗木需求旺盛,故如何改進(jìn)施肥技術(shù),提高苗木養(yǎng)分利用效率,降低生產(chǎn)成本成為亟待解決的問(wèn)題。本文以當(dāng)年生烏桕容器苗為試驗(yàn)材料,設(shè)置傳統(tǒng)施肥和指數(shù)施肥處理,分別測(cè)定了不同N素施肥處理對(duì)烏桕容器苗營(yíng)養(yǎng)元素濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)、積累量和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響,旨在篩選出烏桕容器苗培育的最佳施肥方法和施氮量,為烏桕容器苗的合理施肥和科學(xué)培育提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)在南京林業(yè)大學(xué)下蜀林場(chǎng)育苗基地進(jìn)行,該林場(chǎng)位于江蘇省句容市境內(nèi)(119°14′E,31°59′N),屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候,干濕寒暑四季分明,光照充足,水熱資源豐富,具有發(fā)展林業(yè)生產(chǎn)的良好條件。
2019年4月將烏桕種子(上海林業(yè)總站提供)播種于32穴穴盤(pán)并置于溫室苗床中,待其生長(zhǎng)至5月中旬,選取生長(zhǎng)狀況相對(duì)一致的烏桕實(shí)生苗630株移栽于規(guī)格為15 cm×20 cm(上口徑×高)的無(wú)紡布袋中,試驗(yàn)基質(zhì)為泥炭∶珍珠巖∶有機(jī)肥=7∶2∶1,按體積比充分均勻混合,以保證初始養(yǎng)分含量一致。待緩苗至6月初移至室外,進(jìn)行施肥試驗(yàn)。
采用傳統(tǒng)施肥和指數(shù)施肥2種施肥模式,以不施肥為對(duì)照,共7組處理,每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù),每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)為30株烏桕苗。傳統(tǒng)施肥采用等量施肥法,每周施1次,公式如下:
NT=TNt
(1)
式中:NT為施N總量,Nt為第t次施肥量,T為施肥周數(shù)(T=15)。指數(shù)施肥每周施肥量采用以下公式計(jì)算
NT=NS(erT-1)
(2)
式中:NT為總施氮量;NS為幼苗施肥前的初始含氮量;T為總施肥次數(shù)(T=15);r是N素相對(duì)增加率。
Nt=NS(erT-1)-Nt-1
(3)
式中:Nt為第t次施氮量,Nt-1為(t-1)次前施N量總和。通過(guò)測(cè)定測(cè)得幼苗初始含氮量NS=17.81 mg·株-1。
參考萬(wàn)志兵等[23]對(duì)烏桕苗木進(jìn)行30 g·m-2的N肥施用得到的較好結(jié)果,經(jīng)過(guò)計(jì)算和對(duì)指數(shù)施肥梯度設(shè)置的考慮,設(shè)定傳統(tǒng)施肥設(shè)置為600 mg·株-1(總施氮量),用C600表示;指數(shù)施肥設(shè)置了5個(gè)氮素梯度,分別為200、400、600、800、1 000 mg·株-1(總施氮量),該次試驗(yàn)用Z200、Z400、Z600、Z800、Z1 000表示;不施肥的處理為對(duì)照,用CK表示。本試驗(yàn)采用水溶施肥法,每次用注射器施入20 mL溶液,每周施肥量見(jiàn)表1,施肥間隔為1周,共施15次肥。施用的N肥為尿素(N≥46.4%)。為了維持養(yǎng)分平衡,在施N的同時(shí),模擬常規(guī)施肥,試驗(yàn)中適當(dāng)補(bǔ)充了P、K肥。其中P肥為過(guò)磷酸鈣(P2O5≥12%),K肥為硫酸鉀(氧化鉀≥50%),各施200 mg·株-1(總施用量)。試驗(yàn)期間共施P、K肥5次,施肥間隔周期為3周,每次施入40 mg·株-1,所有處理保證一致。9-10月減少灌溉量以利于苗木木質(zhì)化。11月初,對(duì)苗木進(jìn)行破壞取樣。每處理每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選取9株苗木,用水小心沖洗掉根系周?chē)幕|(zhì),并用蒸餾水潤(rùn)洗 2 次,然后將苗木的根、莖、葉剪開(kāi),把不同植株的根、莖、葉分別裝入自封袋形成混合樣品,帶回實(shí)驗(yàn)室。
將烘干的根、莖、葉分別均勻放入粉碎機(jī)打碎成粉末,過(guò)0.25 mm網(wǎng)篩后,置于干燥器中。采用凱式法測(cè)定全N含量,鉬銻抗比色法測(cè)定全P含量,火焰分光光度計(jì)法測(cè)定全K含量(LY/T 1269-1999和LY/T 1270-1999)??扇苄蕴呛亢偷矸酆康臏y(cè)定采用蒽酮比色法[24]。其中,各指標(biāo)每個(gè)處理測(cè)定3次,取平均值。
用Excel 2013對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,用SPSS 25.0進(jìn)行單因素方差分析及Duncan多重比較檢驗(yàn)差異性。
表1 烏桕容器苗不同指數(shù)施肥水平每周施氮肥量
2.1.1 對(duì)烏桕容器苗全N濃度的影響 由表2可知,不同施肥均顯著地增加了烏桕容器苗根、莖和葉中的N素濃度,其中根、莖和葉中的N濃度,相比對(duì)照組分別提高了55.7%~93.5%、50.6%~83.1%和26.9%~70.2%。且指數(shù)施肥處理下,烏桕容器苗根、莖、葉各器官中N濃度隨施N量的增加均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。在Z600處理下,根、莖、葉中的氮濃度均顯著高于其他處理,且依次是C600的1.16、1.13倍和1.28倍。由此可見(jiàn),施N能促進(jìn)烏桕容器苗根、莖、葉中N濃度的提升,指數(shù)施肥600 mg·株-1是促進(jìn)烏桕容器苗根、莖、葉氮濃度提高的最佳施氮量。
表2 不同施N處理對(duì)烏桕容器苗不同器官N濃度的影響
2.1.2 對(duì)烏桕容器苗全P濃度的影響 由表3可知,各施肥處理下的烏桕容器苗根、莖、葉中的P濃度均顯著低于對(duì)照,各施肥處理下的根、莖和葉中P濃度比對(duì)照分別降低了13.9%~27.4%、4.1%~20.6%和7.1%~22.4%,說(shuō)明施N對(duì)烏桕容器苗各器官中P濃度的增加有抑制作用。且指數(shù)施肥處理下烏桕容器苗根和葉中的P濃度隨施N量的增加而減少,莖中P濃度隨施N量的增加出現(xiàn)了先增后減的趨勢(shì)。
表3 不同施N處理對(duì)烏桕容器苗不同器官P濃度的影響
2.1.3 對(duì)烏桕容器苗全K濃度的影響 由表4可知,各施肥處理下的烏桕容器苗根中的K濃度顯著低于對(duì)照(P<0.05),降低了10.5%~38.3%,說(shuō)明施N對(duì)其造成抑制作用;不同施肥處理烏桕容器苗地上部分、地下部分以及植株總體的N積累量有明顯差異,其中Z600處理的烏桕容器苗各部分的N積累量顯著地大于其他處理(P<0.05)。
營(yíng)養(yǎng)元素積累量是各器官的營(yíng)養(yǎng)元素含量和其生物量的乘積。由表5可知,烏桕容器苗N積累量總體表現(xiàn)為:地上部分>地下部分。不同施肥處理烏桕容器苗地上部分、地下部分以及植株總體的N積累量有明顯差異,其中Z600處理的烏桕容器苗各部分的N積累量顯著地大于其他處理(P<0.05)。指數(shù)施肥條件下,不管是地上部分、地下部分還是植株總體的氮積累量都隨施N量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),且均在Z600處理下達(dá)到最大值,分別是2 438.93、1 358.74 mg·株-1和3 797.67 mg·株-1,分別是對(duì)照的4.36、3.76倍和4.13倍。說(shuō)明適量施N能有效提高氮素積累量,過(guò)量施N則會(huì)產(chǎn)生抑制作用。相同施肥量條件下,處理Z600氮積累量大于C600,地上部分、地下部分和植株總體分別是C600的1.40、1.50倍和1.43倍。多重比較結(jié)果表明,無(wú)論地上部分、地下部分還是植株總體,各施肥處理的N積累量都明顯高于對(duì)照,說(shuō)明施肥對(duì)烏桕容器苗N素的積累有促進(jìn)作用,且指數(shù)施肥的N素積累量要高于傳統(tǒng)施肥。
表4 不同施N處理對(duì)烏桕容器苗不同器官K濃度的影響
烏桕容器苗P積累量總體表現(xiàn)為:地上部分>地下部分。不同施肥處理烏桕容器苗地上部分、地下部分以及植株總體的磷積累量有明顯差異,其中Z600處理的烏桕容器苗各部分P積累量顯著地大于其他處理。指數(shù)施肥條件下,無(wú)論是地上部分、地下部分還是植株總體的P積累量都是隨施N量的增加出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),且最大值都出現(xiàn)在Z600處,分別是43.45、22.69 mg·株-1和66.14 mg·株-1,是對(duì)照的2.19、1.53倍和1.91倍,說(shuō)明適量施N能有效提高P積累量。相同施肥量條件下,處理Z600磷積累量大于C600,地上部分、地下部分和植株總體分別是C600的1.41、1.25倍和1.35倍。多重比較結(jié)果表明,無(wú)論地上部分、地下部分還是植株總體,各施肥處理組的P積累量都高于對(duì)照,說(shuō)明施肥對(duì)烏桕容器苗P素的積累有促進(jìn)作用。
烏桕容器苗K積累量總體表現(xiàn)為:地上部分>地下部分。不同施肥處理烏桕容器苗地上部分、地下部分以及植株總體的鉀積累量有明顯差異,Z600處理下的烏桕容器苗各部分的K積累量顯著地大于其他處理。指數(shù)施肥條件下,無(wú)論地上部分、地下部分還是植株總體的K積累量都是隨施N量的增加出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),且最大值都出現(xiàn)在Z600處,分別是129.28、111.05 mg·株-1和240.32 mg·株-1,是對(duì)照的3.01、1.52倍和2.07倍,說(shuō)明適量施N能有效提高K積累量,過(guò)多則會(huì)產(chǎn)生抑制作用。相同施肥量條件下,處理Z600鉀積累量大于C600,地上部分、地下部分和植株總體分別是C600的1.43、1.52倍和2.07倍。多重比較結(jié)果表明,施N肥對(duì)烏桕容器苗K含量積累有促進(jìn)作用,且指數(shù)施肥效果好于傳統(tǒng)施肥。
表5 不同施N處理對(duì)烏桕容器苗營(yíng)養(yǎng)元素積累量的影響
2.3.1 對(duì)烏桕容器苗可溶性糖含量的影響 由表6可見(jiàn),不同施N處理烏桕容器苗各器官可溶性糖含量總體趨勢(shì)為:葉>根>莖,且在指數(shù)施肥條件下的烏桕容器苗各器官可溶性糖含量都隨施N量的增加出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。Z600處理下根中可溶性糖含量顯著地高于其他處理(P<0.05),是對(duì)照的2.01倍,是C600的1.25倍。Z200處理下根中可溶性糖含量雖在各施肥處理中最低,卻是對(duì)照的1.49倍;除Z400和Z800外,不同施肥處理烏桕容器苗莖中可溶性糖含量有明顯差異,且Z600處理下的莖中可溶性糖含量顯著高于其他處理,是對(duì)照的1.71倍,是C600的1.24倍,含量最低的是Z200,是對(duì)照的1.21倍;Z600處理下葉中可溶性糖含量仍是最高,與對(duì)照、C600 2組處理差異顯著,分別是它們的1.41倍和1.40倍,在C600處理下,葉中可溶性糖含量在各施肥組中最低,是對(duì)照的1.01倍,無(wú)顯著差異。多重比較結(jié)果表明:在根部和莖部,各施肥處理可溶性糖含量與對(duì)照差異顯著,在葉部,除C600、Z200和Z1 000外,其他施肥處理組可溶性糖含量與對(duì)照存在顯著差異,說(shuō)明施肥促進(jìn)烏桕容器苗各器官可溶性糖含量積累。在指數(shù)施肥的各處理中,根、莖、葉各器官中的可溶性糖含量均呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì),在指數(shù)施肥Z600處達(dá)到最大,分別為63.73、55.55 mg·g-1和134.70 mg·g-1。處理Z600在根、莖、葉各器官中可溶性糖含量均高于C600,說(shuō)明相同施肥總量條件下,指數(shù)施肥促進(jìn)烏桕容器苗可溶性糖含量的積累優(yōu)于傳統(tǒng)施肥。
表6 不同施N處理對(duì)烏桕容器苗可溶性糖含量的影響
2.3.2 不同施氮處理對(duì)烏桕容器苗淀粉含量的影響 由表7可知,不同施N處理烏桕容器苗各器官淀粉含量總體趨勢(shì)為:葉>根>莖,這與烏桕容器苗可溶性糖含量總體趨勢(shì)相同。C600處理下的烏桕容器苗根中淀粉含量顯著大于其他處理(P<0.05),是對(duì)照的1.30倍,是Z600的1.83倍,Z1000根中淀粉含量最低,比對(duì)照減少了48.8%,存在顯著差異;不同施肥處理烏桕容器苗莖中淀粉含量無(wú)明顯差異。莖淀粉含量最大為Z600,是對(duì)照的1.15倍,是C600的1.03倍,最小為Z1 000,比對(duì)照降低了5%;不同施肥處理烏桕容器苗葉中淀粉含量無(wú)明顯差異。處理C600葉淀粉含量最大,是對(duì)照的1.13倍,是Z600的1.14倍,Z800葉淀粉含量最低,比對(duì)照減少了8.6%。多重比較結(jié)果表明:除C600和Z200外,其他各施肥處理間根淀粉含量均較對(duì)照有下降趨勢(shì),且在指數(shù)施肥條件下根部淀粉含量隨施氮量的增加而減少。在莖和葉中,各施肥處理和對(duì)照的淀粉含量無(wú)明顯差異。說(shuō)明施N肥對(duì)烏桕容器苗根部淀粉含量積累有一定抑制作用,且同等施肥量條件下,指數(shù)施肥抑制作用更強(qiáng),施氮肥對(duì)烏桕容器苗莖和葉淀粉積累量無(wú)明顯影響。
表7 不同施N處理對(duì)烏桕容器苗淀粉含量的影響
施N對(duì)烏桕容器苗營(yíng)養(yǎng)元素含量、營(yíng)養(yǎng)元素積累和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量增加有促進(jìn)作用,且指數(shù)施肥在整體上優(yōu)于傳統(tǒng)施肥。指數(shù)施肥600 mg·株-1為烏桕容器苗最佳施肥處理。
N、P、K對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育起關(guān)鍵作用[25-26]。外源施N能夠刺激土壤N向幼苗轉(zhuǎn)運(yùn),提高苗木根、莖、葉的氮濃度以及N、P、K的總積累量,促進(jìn)苗木生長(zhǎng)發(fā)育,提高造林成活率[27-29]。在養(yǎng)分供給過(guò)程中,隨施N量的增加,苗木會(huì)出現(xiàn)養(yǎng)分虧缺、奢養(yǎng)階段和養(yǎng)分毒害3個(gè)階段[30]。在養(yǎng)分虧缺階段時(shí),苗木的養(yǎng)分濃度和積累量都會(huì)隨施N量的增加而快速增加;在奢養(yǎng)階段時(shí),苗木養(yǎng)分濃度和積累量隨施N量增加繼續(xù)增加,但增加速度變慢;當(dāng)養(yǎng)分供給量超過(guò)苗木所需量時(shí),便進(jìn)入了毒害階段,隨施N量的增加苗木養(yǎng)分濃度和積累量都開(kāi)始逐漸減少[31-33]。過(guò)量的N可能會(huì)導(dǎo)致葉面大量元素和微量元素的不平衡,從而對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)產(chǎn)生毒害效應(yīng)[34]。指數(shù)施肥的一個(gè)重要目的就是通過(guò)使苗木生長(zhǎng)時(shí)處于養(yǎng)分奢養(yǎng)階段,從而增加苗木中的養(yǎng)分儲(chǔ)備,提高苗木在大田中的早期形態(tài)建成[35]。本試驗(yàn)中,指數(shù)施肥0~600 mg·株-1時(shí)各器官中N的濃度和養(yǎng)分積累量不斷增加,且最大值都出現(xiàn)在Z600處,施N量大于600 mg·株-1時(shí),N的濃度和養(yǎng)分積累量逐漸下降,由此可知,烏桕容器苗在指數(shù)施肥施N量大于600 mg·株-1后處于毒害階段,這和唐桂蘭等[36]對(duì)夏臘梅(Calycanthuschinensis)的研究結(jié)果相似。本研究中Z600與傳統(tǒng)施肥總施N量均為600 mg·株-1,然而與傳統(tǒng)施肥相比,Z600處理顯著提高了烏桕容器苗中N素的積累量,這可能是因?yàn)橹笖?shù)施肥是一種基于增長(zhǎng)率的養(yǎng)分供應(yīng)模型,更能適應(yīng)幼苗生長(zhǎng)和需肥規(guī)律[37],也有可能是因?yàn)橹笖?shù)施肥可以減少土壤N淋失,從而提高了苗木的N利用效率(NUE)[38]。以上結(jié)果表明,指數(shù)施肥Z600處理更有利于烏桕苗對(duì)N、P、K各元素的吸收和積累,這對(duì)提高烏桕容器苗抗性,促進(jìn)烏桕容器苗來(lái)年的生長(zhǎng)發(fā)育都有著重要作用。
非結(jié)構(gòu)性碳水化合物——可溶性糖和淀粉是參與生命代謝的重要物質(zhì),是苗木生長(zhǎng)代謝過(guò)程中重要的能量來(lái)源,和苗木的抗性也有著密切的關(guān)系[39-40]。本研究中,各施肥處理組烏桕容器苗中的可溶性糖含量都高于對(duì)照,且指數(shù)施肥條件下隨施氮量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),這和廖曦等[41]對(duì)格木(Erythrophleumfordii)的研究結(jié)論相同。適量施N會(huì)促進(jìn)植株的生長(zhǎng)發(fā)育和光合作用,促進(jìn)可溶性糖的積累,提高苗木可溶性糖含量,施N過(guò)量則會(huì)造成抑制作用[42-43],原因可能是過(guò)量施N干擾了葉的生理活動(dòng)[34]。Pokharel等[35,44]的研究發(fā)現(xiàn),指數(shù)施肥可以調(diào)控苗木生物量和氮的分配,增加葉和莖中的生物量和N含量,并且降低分配給根的比例,這可能會(huì)有利于增強(qiáng)植物的光合作用和競(jìng)爭(zhēng)能力[45]。本研究中,不同施肥處理后的烏桕容器苗根淀粉含量較對(duì)照都有所降低,莖部和葉部沒(méi)有顯著變化,說(shuō)明施N會(huì)抑制烏桕容器苗根部淀粉含量增加,對(duì)莖和葉部無(wú)明顯影響。根部淀粉含量降低的原因可能是施氮使得根部生長(zhǎng)旺盛,促進(jìn)了根系的生命活動(dòng),加速了對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗,也有可能是因?yàn)橹笖?shù)施肥會(huì)促進(jìn)淀粉更多地分配到苗木其他器官中,這一現(xiàn)象值得進(jìn)一步研究。