施肥方式對幼齡楸樹非結構性碳器官分配和生長季動態的影響

關追追，盧奇鋒，陳 動，邱 權，蘇 艷，李吉躍，何 茜

(廣東省森林植物種質創新與利用重點實驗室，華南農業大學林學與風景園林學院，廣州 510642)

碳水化合物是植物光合作用的主要產物，包括結構性碳水化合物(structural carbohydrate, SC)和非結構性碳水化合物(non-structural carbohydrate, NSC)。植物中能量的主要儲存形式源自非結構性碳水化合物，它包括可溶性糖(蔗糖和果糖等)和淀粉，是樹木生長代謝過程中重要的能源物質，可參與植物呼吸、生長以及滲透調節過程[1-2]。樹木依賴并消耗積累的碳庫，NSC的季節變化勢必會影響源匯之間的平衡[3]。當生理代謝需求超過光合固碳量，樹木體內NSC被消耗，反之，碳庫得到補充[4]。葉片是植物碳同化的主要器官，葉片形態間的差異勢必會影響碳吸收過程，改變NSC的季節分配模式[5]。目前，許多學者已經報道了落葉和常綠樹種NSC動態變化間的差異，他們發現，與常綠樹種相比，落葉樹種NSC季節性波動十分明顯[6-8]。在樹木生長期，由于光合作用較強，落葉樹種體內積累了大量NSC，而在休眠期光合強度減弱，植物呼吸消耗導致體內NSC有所降低，這引起了NSC的季節性波動[9]。只有了解了樹木各器官NSC的大小和季節動態變化特征，才能對單株林木以及整個林分碳儲進行量化[3,10]。目前針對灌木或草本體內NSC的研究較多[11-12]，對喬木NSC的研究也多局限于某一單個器官(例如葉)[13-14]，但樹木器官NSC間的協同以及時間動態變化的報道較少。

作為一種珍貴落葉樹種，楸樹(Catalpabungei)生長迅速，樹干通直，具有極高的經濟和觀賞價值。施肥是一項重要的營林措施，目前涉及施肥對楸樹苗木生長及養分利用的研究較多[15-17]，有關楸樹林分碳分配對施肥響應的報道較少。據報道，水肥一體化技術具有提高水分和肥料利用率、有利于農業生產可持續發展等優點，能大幅降低肥料用量，減少養分如氮素的淋失損失[18]。目前將水肥一體化技術應用于經濟作物的研究較多[19-21]，關于林木的有關研究鮮有報道?；诖?，筆者通過不同施肥措施(水肥一體化、穴施以及不施肥)來探究楸樹林木生長、各器官NSC分配及時間動態變化對施肥的響應。本研究結果可為深入了解落葉樹種器官NSC分配以及碳儲變化提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

研究地位于山東省濟南市章丘區棗園保育庫(36°25′～37°09′N, 117°10′～117°35′E)。屬于溫帶季風氣候，年均氣溫12.8 ℃，月均最高氣溫27.2 ℃(7月)，最低氣溫-3.2 ℃(1月)，無霜期192 d，年均降水量600.8 mm，年日照時數2 647.6 h。土壤類型有褐土、潮土和棕壤。

1.2 樣地調查與施肥

2017年3月，選擇2年生的楸樹無性系“9-1”進行造林，所造純林密度為833株·hm-2(3 m×4 m)，寬行窄株距，造林面積為0.8 hm2。造林后一直未進行林分撫育。造林3個月后，測得樹木平均樹高為4.2 m，平均胸徑為4.0 cm。所調查楸樹土壤pH為7.67，有機質為19.64 g·kg-1，全氮含量為0.91 g·kg-1，全磷含量為0.53 g·kg-1，全鉀含量為16.7 g·kg-1，堿解氮含量為81.88 mg·kg-1，有效磷含量為32.10 mg·kg-1，速效鉀含量為176.82 mg·kg-1。

2018年5月初，隨機設置9個樣地開展施肥試驗，每個樣地面積約為400 m2。共設置3種施肥方案，分別為水肥一體化(WF)、穴施(HF)以及不施肥對照(CK)。將各施肥措施隨機分配于樣地中，保證每個施肥處理3次重復。樣地之間均設置有隔離帶，隔離帶的寬度約6～8 m。于2018年5月進行首次施肥，根據前期的施肥經驗，每株施肥量控制為純N約24 g、P2O5約8 g和K2O約16 g，隨后每年施肥量遞增20%。穴施是在距離樹干南北向50 cm的位置挖深約20～30 cm的洞穴，并將肥料一次性施入樹木根系附近。水肥一體化是借助智能滴灌設備(HN-BXE, Huinong Automation Company, China)將肥料溶于水中滋潤根系的方法。其方法是將全年施肥量等分為12份，從5月初開始，每10 d施肥一次，每個月施肥3次，9月初結束施肥。于2021年5月和11月調查了楸樹林分生長情況(表1)。樣地設置后，根據樹木生長調查結果，每個樣地設置5株標準木。

1.3 野外取樣與NSC測定

于2021年生長季初期(5月上旬)、中期(7月中旬)和末期(9月下旬)對楸樹葉、枝、粗根和細根進行采集。在標準木上，使用高枝剪剪取位于樹冠中部南向的枝條，摘取3～5片位于枝末端的功能葉作為枝葉樣本。距離標準木樹干南向30 cm的位置，使用鐵鍬挖取0～30 cm深的根系，根據根系直徑大小，分為粗根(>2 mm)和細根(≤2 mm)。所有樣本收集后，使用純水沖洗干凈，并置于干冰中保存，立即送回實驗室進行殺青(105 ℃, 30 min)，隨后在65 ℃條件下烘干72 h。在進行NSC分析前，將所有烘干樣品研磨成細粉，過0.2 mm篩，置于封口袋中保存。

在實驗室使用蒽酮-硫酸法[22]對樣品NSC進行測定。NSC主要包括可溶性糖(主要是葡萄糖、果糖和蔗糖)和淀粉兩部分。NSC含量用干重的百分比表示?？侼SC為可溶性糖與淀粉的總和。

1.4 數據統計分析

在方差分析前，檢驗數據是否符合正態分布，使用Levene’s test進行方差齊性檢驗。當處理間方差齊性或不齊性時，分別使用Duncan和Dunnett’s T3對均值進行多重比較。使用雙因素方差分析(two-way ANOVA)來探究施肥和器官(或生長時期)對NSC各組分含量的影響。使用Pearson對器官NSC進行相關性分析。使用Origin(2021 Edition, OriginLab Company, US)進行制圖。

2 結果與分析

2.1 施肥方式對幼齡楸樹生長的影響

各施肥處理均不同程度提高了楸樹樹高和胸徑生長(表1)。其中，在11月份，與不施肥對照相比，穴施和水肥一體化施肥處理的樹高分別提高了4.7%和7.1%，胸徑分別提高了7.1%和20.5%。水肥一體化施肥的胸徑顯著高于穴施和不施肥對照(P<0.05)。經歷一個生長季，楸樹的樹高、胸徑在各施肥條件下均有所增加，但是增加幅度略有不同，樹高增幅表現為水肥一體化(9.6%)>穴施(8.5%)>不施肥(3.7%)，胸徑則表現相反，為不施肥(24.5%)>穴施(23.6%)>水肥一體化(22.4%)?？傮w而言，水肥一體化的施肥效果要優于穴施。

表1 楸樹林分生長情況調查

2.2 施肥方式對幼齡楸樹NSC器官分配的影響

楸樹各器官中NSC各組分含量在施肥方式下的變化不盡相同(表2)。其中，楸樹葉、枝、粗根、細根的可溶性糖含量在不同施肥措施間差異均未達到顯著水平(P>0.05)；楸樹葉、枝中淀粉含量在各施肥措施間仍無顯著差異，粗根和細根中的淀粉含量在水肥一體化處理(WF)下均顯著高于對照(CK)，增幅分別為70.2%和18.6%，但在穴施處理(HF)下均與CK無顯著差異；與淀粉含量表現類似，楸樹葉、枝總NSC含量并未受到施肥方式的顯著影響，但粗根中總NSC含量在WF處理下顯著高于CK(22.2%)，細根中總NSC含量在WF處理下顯著高于HF處理，而與CK無顯著差異，HF處理粗根和細根中總NSC含量均與CK無顯著差異；施肥方式對楸樹各器官糖淀比影響較小，葉、粗根以及細根糖淀比在不同施肥措施間差異均不顯著(P>0.05)，僅HF處理枝中的糖淀比顯著高于CK。同時，在相同施肥措施下，各器官間總NSC及其組分含量均存在顯著差異，但各器官NSC的分配特征在施肥方式間相似。其中，各施肥方式下楸樹的可溶性糖含量均表現為粗根和葉片顯著高于枝和細根，并以粗根最高；淀粉含量均表現為粗根和細根明顯高于枝和葉，并以粗根最高，均與枝和葉差異顯著；總NSC含量也表現為粗根和葉片明顯高于枝和細根，并以粗根最高，均與枝和細根差異顯著；糖淀比仍以葉和粗根較高?？梢?，水肥一體化施肥顯著提高了淀粉在楸樹粗根中的積累量，從而顯著提高了總NSC在粗根中的積累量；各施肥方式下楸樹可溶性糖、淀粉和總NSC均在粗根中分配最多，而在枝中均分配較少，施肥方式對NSC在器官中的分配沒有明顯影響。

表2 楸樹器官NSC分配隨施肥方式的變化

2.3 施肥方式對楸樹體內NSC生長季變化的影響

表3顯示，施肥方式對不同生長時期楸樹體內可溶性糖含量均沒有顯著影響(P>0.05)；施肥方式對生長中期楸樹體內淀粉含量也無顯著影響，而對生長初期和末期淀粉含量均有顯著影響，均表現為WF處理顯著高于HF處理和CK，而HF處理與CK之間無顯著差異，WF處理初期和末期淀粉含量分別比CK顯著提高了24.6%和46.0%；施肥方式對生長初期、中期的總NSC含量影響也不顯著(P>0.05)，末期總NSC含量在水肥一體化施肥后比不施肥對照顯著提高21.5%，而在穴施后無顯著變化；穴施方式對楸樹不同生長時期糖淀比均無顯著影響，水肥一體化施肥楸樹生長中期和末期糖淀比也均與對照無顯著差異，僅導致生長初期糖淀比比對照顯著降低。同時，從楸樹各生長時期NSC組分含量分配情況來看，各施肥方式下不同時期的NSC組分含量分配規律基本一致。其中，可溶性糖和總NSC含量大致呈“V”型變化，即初期含量顯著較高，中期含量迅速大幅降低，末期含量有所回升；淀粉含量隨時間的變化呈現逐漸上升的趨勢，至末期達到峰值，且各生長期之間大多存在顯著差異。

表3 楸樹生長季NSC變化對施肥方式的響應

2.4 楸樹器官NSC及其組分含量間的相關性

由圖1可知，楸樹葉可溶性糖、總NSC含量與枝、粗根和細根淀粉含量呈負相關關系；枝可溶性糖含量與粗根、細根可溶性糖含量呈正相關關系；粗根可溶性糖含量與細根可溶性糖含量呈正相關關系，但與細根淀粉含量呈負相關關系。縱觀整個生長季，隨著楸樹各器官中可溶性糖以及葉、枝和細根中總NSC含量的消耗，提高了細根中淀粉，以及粗根中淀粉和總NSC的積累(表4)。

表4 生長季楸樹器官NSC含量變化

3 討 論

施肥可明顯改變樹木的生產力。本研究發現，與不施肥對照相比，穴施條件下楸樹胸徑提高了7.1%，尤其是水肥一體化施肥的增產效果十分明顯，胸徑提高了20.5%。這與秘洪雷等[23]的研究結果部分一致。他們發現，與不施肥對照相比，滴灌施肥(水肥一體化)條件下歐美楊107(Populuseuramericanacv.‘74/76’)的胸徑年增量提高了19.9%～44.7%，蓄積年增量提高了18.2%～54.6%。賀曰林[24]研究發現，與空白對照相比，最佳的水肥配比下，‘毛白楊S86’(PoplartomentosaS86)人工林的胸徑、樹高和林地生產力分別提高了15.6%、4.9%和51.0%。究其原因可能是水肥一體化施肥增強了磷、鉀等元素在土壤中的移動性，提高其利用效率，改善了土壤理化性質，提高了土壤孔隙度，進而有利于植物根系的生長發育；同時增強了葉片光合作用能力，促進了光合產物的積累，特別是增加了根系中的碳分配比例，進而提高了樹木生物量和生產力[25-27]。

養分添加改變了植物的光合速率，進而可能影響其體內NSC數量及分配模式[28]。魏麗娜等[13]發現水曲柳(Fraxinusmandshurica)葉片可溶性糖的質量分數隨著施氮量的增加而加大，細根淀粉和總NSC質量分數在施磷水平相同的情況下，表現出隨施氮量的增加呈逐漸降低的趨勢。Kong 等[29]發現施氮、磷、鉀肥降低了尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)地下器官(主要是粗根)的可溶性糖含量，可溶性糖含量的消耗用以幫助樹木抵抗干旱脅迫。Peng 等[30]發現與對照相比，施氮、磷肥顯著降低了辣木(Moringaoleifera)葉片、莖和根中的NSC含量，這可能是由于施氮、磷肥后生物量增加引起的稀釋效應。本研究發現，施肥雖然沒有顯著改變葉、枝中可溶性糖和淀粉含量，但是與不施肥對照和穴施相比，水肥一體化施肥明顯提高了淀粉在根中的積累。產生不同結果的原因可能是由于樹木的生活策略、施肥方式的不同引起的器官碳分配間的差異。從各器官總NSC分配情況來看，楸樹葉和粗根中總NSC分配較高，枝中總NSC分配較低。一方面由于初期葉芽生長需要消耗枝中NSC引起枝NSC降低，另一方面葉通過光合作用固定了一部分碳，上一年光合產物的積累導致粗根中NSC含量升高。

不同施肥方式沒有明顯改變各生長時期楸樹可溶性糖含量，但水肥一體化施肥明顯提高了生長初期和末期淀粉和總NSC含量。楸樹體內NSC含量的動態變化可能是由于樹木在生長季響應環境變化(光照、溫度和降水等)以及施肥而啟動的碳分配策略。此外，從各生長時期NSC組分含量分配情況來看，可溶性糖和總NSC初期含量較高，中期含量迅速降低，末期含量有所回升，而淀粉含量一直增加。具體表現為，楸樹生長初期葉、枝、粗根和細根中可溶性糖含量較高，至生長末期各器官可溶性糖含量一直下降，而枝、粗根和細根中淀粉含量一直增加，這與Sch?del等[31]和Hoch等[8]的研究結果基本一致。一方面，消耗的可溶性糖用來幫助維持樹木呼吸與生長；另一方面，可溶性糖轉化為淀粉主要儲存在枝和根中[31]。以上結果表明楸樹把更多的碳從葉轉移、供給到枝和根中，以促進根吸收水分以及更多地參與到植物的形態建成中，引起楸樹葉片可溶性糖和NSC含量的降低。

本研究雖然詳細探討了楸樹不同器官NSC含量隨時間的動態變化情況，但也存在以下幾點不足之處：其一，由于取樣原因，本研究未涉及樹干NSC方面的內容，樹干NSC的徑向和縱向變異對樹木NSC分配產生較大影響[32]，是今后研究的重點；其二，冠層高度對枝葉碳分配也會產生一定的影響[33-34]，值得進一步研究；其三，今后應結合各器官生物量數據對林木甚至整個林分碳庫進行精準評估。

4 結 論

施肥提高了楸樹樹高和胸徑生長，尤其應用水肥一體化施肥技術增產效果十分明顯。不同施肥方式提高了楸樹體內總NSC含量，且水肥一體化施肥明顯提高了楸樹的固碳能力。楸樹器官NSC含量存在明顯的時間動態變化，生長初期各器官可溶性糖和總NSC含量較高；隨著樹木進入快速生長階段(中期)，各器官總NSC含量迅速降低；樹木生長減緩或者停止時(末期)，枝和根的總NSC含量逐漸升高，粗根中積累的淀粉用于維持楸樹冬季呼吸以及春季枝芽生長?？傊?，從提高林木產量和碳儲量的角度來看，將水肥一體化施肥技術應用于營林上值得優先考慮。

致謝：感謝盧奇鋒、陳動對試驗的幫助，感謝邱權、蘇艷、李吉躍、何茜老師對本文方案設計提出的寶貴意見以及對手稿的修改，感謝魯儀增、韓慶軍和栗寧寧老師對材料收集過程中提供的幫助，感謝王軍輝、麻文俊老師提供了試驗材器以及試驗林分，為本研究的順利開展提供了物質保障。