外源氮磷添加對云南松苗木生長及根系形態(tài)的影響

和瀅埝, 唐軍榮, 李亞麒, 母德錦, 陳 詩, 蔡年輝, 許玉蘭, 陳 林

(1.西南林業(yè)大學(xué)西南地區(qū)生物多樣性保育國家林業(yè)和草原局重點實驗室,云南昆明 650224;2.西南林業(yè)大學(xué)西南山地森林資源保育與利用教育部重點實驗室,云南昆明 650224;3.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶亞熱帶經(jīng)濟作物研究所,云南保山678000)

云南松(PinusyunnanensisFranch.)是松科(Pinaceae)松屬(Pinus)常綠針葉喬木,主要運用于木材和木纖維工業(yè)原料制造等,是我國西南地區(qū)重要的鄉(xiāng)土樹種[1]。在園林綠化、水土保持、涵養(yǎng)水源等方面起到重要作用,同時對分布區(qū)的社會、經(jīng)濟和生態(tài)可持續(xù)方面具有重要意義[2-5]。近年來,云南松林分開始表現(xiàn)出衰退的現(xiàn)象,一些優(yōu)良種質(zhì)資源逐漸減少[6]。因此,云南松遺傳改良極為重要,其中良種壯苗是關(guān)鍵。施肥可以促進云南松實生苗樹干和根系生長,為提高造林成活率奠定基礎(chǔ),同時還能促進苗期生長[7]。因此,對云南松苗木生長的施肥研究就顯得尤為重要。氮、磷是植物生長所必需的2種物質(zhì),在植物生長發(fā)育過程中,能夠促進植物根系粗生長以及樹干高生長,且云南松苗木生長初期的生長狀態(tài)會直接決定其未來生長趨勢。因此,確定適宜的施肥量和肥料配比,提高云南松苗期生物量,是云南松施肥研究的關(guān)鍵問題之一[7-8]。氮磷配施研究主要集中在苗木生長量和生物量與氮、磷用量之間的關(guān)系,植物體不同生長指標(biāo)對氮磷用量和配比的響應(yīng)規(guī)律研究2個方面[9]。佟志龍等認為,人工林喬木層由于其生物量占比較大,植株的氮磷含量較高,在人工林中的云南松同樣具有較強的氮吸收能力,其余累積量較多的營養(yǎng)元素分別為鈣、鉀、鎂和磷[10-11]。汪夢婷等認為,2年生云南松苗木分配給葉的生物量較多,而分配給根的較少,說明苗齡對云南松各器官營養(yǎng)元素分配產(chǎn)生很大的影響[12]。在施肥條件下,缺少氮、磷元素都會對云南松苗木生長產(chǎn)生顯著影響,任一元素含量過高或過低均不利于樹體對氮、磷、鉀元素的吸收和積累[13]。如在低磷脅迫下,云南松幼苗以降低莖葉生物量為代價來提高根冠比,并保持根系生物量在較高的水平維持整個生命[14]。同時施肥可以提高植物葉片的凈光合速率,顯著改善植物的光合能力,施肥不足或過量會導(dǎo)致植物葉綠素含量下降,影響植物生長發(fā)育[15-16]。張躍敏等認為,云南松幼苗氮磷配施的效果顯著優(yōu)于施用單種肥料,其更偏重于苗木地上部分的研究[7]。生長指標(biāo)間的異速生長軌跡是否發(fā)生改變可以作為判斷苗木生長的重要依據(jù)[17]。蔡年輝等認為,植物各指標(biāo)間是相互關(guān)聯(lián)相互影響的,但沒有闡述施肥對苗木生長表現(xiàn)的異速生長及相關(guān)性[18]。因此,本研究以云南松實生苗為研究對象,揭示不同含量配比的氮、磷添加對云南松苗木地上和地下部分生長的綜合影響,進而篩選出最適合云南松苗木生長的施肥配方,以期為培育優(yōu)質(zhì)云南松實生苗提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗地點設(shè)置在西南林業(yè)大學(xué)溫室大棚內(nèi),該地屬于北亞熱帶半濕潤高原季風(fēng)氣候,干濕季分明,海拔為1 945 m,地處25°04′00″N、102°45′41″E。該試驗地平均氣溫為14.5 ℃,降水集中在5—9月,年降水量為1 000.5 mm,相對濕度76%,光照充足、全年溫差小、霜期短。

1.2 試驗材料

種子采集于云南省彌渡云南松無性系種子園,試驗所施肥料為氮肥(脲素)、磷肥(過磷酸鈣)。供試苗木為2年生云南松實生播種苗,共9個小區(qū),每個小區(qū)40盆,重復(fù)3次。

1.3 試驗設(shè)計

本試驗采用氮、磷施用量的2因素3水平設(shè)計,共9個處理。氮、磷用量參照王瑜等的研究方法,選取高、中、對照3個梯度[19],其中氮肥的高水平為0.8 g/株,磷肥的高水平為1.6 g/株。2020年7月1日第1次對云南松苗木施肥,之后每隔15 d施肥1次,共施4次,之后定期澆水、松土除草(表1)。

表1 氮磷添加施肥處理組合

1.4 指標(biāo)測定

1.4.1 生長量測定 施肥結(jié)束后,2020年12月測量云南松苗木生長量指標(biāo),采用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺測量地徑,用精度0.1 cm的直尺測量云南松苗高和針葉長,共測量1 080株云南松苗木生長量指標(biāo)。

1.4.2 根系指標(biāo)測定 采用全挖法對云南松苗木根系進行挖取,挖取時盡量保持樣品的完整性。在各小區(qū)內(nèi)隨機選取2株長勢相同的云南松幼苗(共54株)。用去離子水清洗云南松幼苗,在根莖處取地下部分。采用Epson根系掃描儀進行根系掃描,掃描后用WinRHIZO分析軟件進行總根長(cm)、根系表面積(cm2)、根系平均直徑(mm)、根系總體積(cm3)等數(shù)據(jù)獲取,結(jié)果保留2位小數(shù)。

1.4.3 葉綠素含量測定 根據(jù)試驗設(shè)置,各處理隨機選取8株長勢一樣的苗木,用混合采樣法摘取各植株上當(dāng)年生成熟的功能葉,用丙酮提取法測定。用722型可見光分光光度計進行比色,測定663、645、470 nm波長處的吸光度,重復(fù)3次,記錄葉綠素吸光度指標(biāo)。通過吸光度計算葉綠素的濃度,再由濃度計算葉綠素的含量值。葉綠素含量=(濃度×體積)/(質(zhì)量×1 000),其中總體積為25 mL,樣品鮮質(zhì)量為0.50 g。

1.4.4 生物量測定 用整株收獲法進行苗木挖取,每個處理隨機選取2株長勢一致的云南松苗木用于生物量測定,重復(fù)3次。將每株苗木分為根、莖和葉,在105 ℃的烘箱中殺青30 min后,調(diào)至80 ℃進行烘干處理至質(zhì)量恒定,測量生物量,精確至0.001 g。

1.5 數(shù)據(jù)處理

年底處于生長季的過渡階段,統(tǒng)計施肥后云南松幼苗12月的數(shù)據(jù),并對整個生長季的數(shù)據(jù)進行總結(jié)分析。數(shù)據(jù)采用SPSS分析軟件進行均值比較和顯著性檢驗(Duncan’s法)以及相關(guān)性分析。使用GraphPad Prism 7軟件進行繪圖。計算各處理云南松生長指標(biāo)的變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值×100%。用標(biāo)準(zhǔn)化主軸估計法(SMA)獲得異速生長方程的參數(shù)估計,軟件SMATR Version2.0計算完成,建立各個生長量之間以及各個根系生長指標(biāo)之間的異速生長方程。常用公式為y=axb[20-21]。對數(shù)形式表示為lgy=blgx+lga。其中：b表示該直線的斜率,即異速生長指數(shù)[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 云南松苗木生長量對氮磷配施的響應(yīng)

由表2可知,對云南松幼苗根系施肥可以顯著促進云南松苗木生長,氮0.4 g/株和磷0.8 g/株配施下云南松苗木最高,其變異系數(shù)范圍為3.06%～16.29%;針葉長在20.38～25.20 cm之間,施肥量為氮0.8 g/株、磷0.8 g/株時,其針葉最長,針葉長的變異系數(shù)最小值為1.64%;處理5的地徑最大,為17.80 mm,各處理地徑變異系數(shù)范圍為 2.52%～15.57%;高徑比的范圍為9～11。

表2 氮磷添加施肥對云南松生長量分析

2.2 云南松苗木根系形態(tài)對氮磷配施的響應(yīng)

由表3可知,氮0.4 g/株、磷0.8 g/株的混合肥料能對促進云南松苗木的根系生長最有效,其苗木根系4個指標(biāo)(總根長最大值2 440.89 cm、根系表面積最大值491.66 cm2、根系平均直徑最大值 2.70 mm、根系總體積最大值8.37 cm3)均有所體現(xiàn)。未施肥的處理1與施肥過量的處理組根系長勢均較差。氮0.4 g/株、磷0.8 g/株時,其總根長的變異系數(shù)為24.06%,根系表面積22.93%,根系平均直徑6.19%,根系總體積20.60%。

表3 氮磷添加施肥對云南松根系形態(tài)分析

2.3 云南松苗木葉綠素對氮磷配施的響應(yīng)

云南松苗木葉綠素含量分析見圖1,處理5云南松苗木的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、葉綠素總含量均最大,分別為0.76、0.23、0.12、0.99 mg/g,且與其余處理差異顯著(P<0.05)。

2.4 云南松苗木生物量對氮磷配施的響應(yīng)

云南松苗木各器官生物量在不同處理間存在顯著差異(P<0.05,圖2)。根、莖、葉、地上和單株中處理5的生物量均表現(xiàn)為最大。未施肥的處理1、施肥過量的處理9以及單施磷肥的處理2和處理3生物量相對較少,不同施肥處理云南松苗木生物量表現(xiàn)為葉>莖>根,較多的生物量投資到葉和莖上,而投資給根的生物量相對較少。

2.5 氮磷配施下云南松苗木生長間的異速生長關(guān)系

由于云南松苗木生長中生長量和根系形態(tài)最能代表苗木的生長狀況,云南松苗木各生長指標(biāo)的異速生長軌跡可能由于肥料的施用發(fā)生顯著變化。因此,本研究對云南松生長量和根系生長指標(biāo)在不同肥料施用下的異速生長狀況進行分析。

云南松苗木各生長量之間均存在顯著或極顯著差異的異速生長關(guān)系或等速生長關(guān)系(表4),苗高-針葉長、地徑-苗高、針葉長-地徑各處理之間無共同的SMA斜率,有顯著差異(P<0.05),表示不同氮磷施用處理下云南松幼苗各生長量之間的異速生長軌跡發(fā)生了顯著變化。在苗高-針葉長9個處理中,處理7和處理9表現(xiàn)為異速生長關(guān)系(P-1.0<0.05),其余7個處理表現(xiàn)為等速生長關(guān)系(P-1.0>0.05);從異速生長處理的斜率(b)來看,2個處理苗高的生長均明顯快于針葉長的生長(b>1),處理7的斜率最大,與其余8個處理間有顯著差異。在地徑-苗高9個處理中,處理1、處理2和處理5表現(xiàn)為異速生長關(guān)系(P-1.0<0.05),其余處理均表現(xiàn)為等速生長關(guān)系(P-1.0>0.05);從異速生長處理的斜率(b)來看,處理1的地徑生長快于苗高(b>1),而處理2和處理5的地徑生長慢于苗高(b<1);處理1的斜率最大,且與其他處理有顯著差異。在針葉長-地徑9個處理中,處理2、處理6、處理7和處理9表現(xiàn)為異速生長關(guān)系(P-1.0<0.05),其余表現(xiàn)為等速生長關(guān)系(P-1.0>0.05);從異速生長處理的斜率(b)來看,處理2針葉長生長明顯快于地徑的生長(b>1),處理6、處理7和處理9均為地徑生長快于針葉長生長(b<1);處理2的斜率最大,與其余8個處理的斜率之間均有顯著差異。

表4 氮磷添加施肥對云南松生長量的異速生長分析

云南松苗木各根系生長指標(biāo)均存在顯著或極顯著的異速生長關(guān)系或等速生長關(guān)系(表5)。根系總體積-總根長之間無共同的SMA斜率,說明總體上看處理間有顯著差異(P<0.05)。在根系總體積-總根長9個處理中,處理9為異速生長關(guān)系(P-1.0<0.05),其余8個處理均為等速生長關(guān)系(P-1.0>0.05)。從異速生長處理的斜率(b)來看,處理9的根系總體積的生長慢于總根長的生長(b<1)。

表5 氮磷添加施肥對云南松根系形態(tài)的異速生長分析

根系表面積-根系平均直徑、根系平均直徑-根系總體積之間有共同的SMA斜率,說明處理之間差異不顯著(P>0.05)。在根系表面積-根系平均直徑9個處理中,處理1、處理3、處理5、處理8和處理9表現(xiàn)為異速生長關(guān)系(P-1.0<0.05),其余均為等速生長關(guān)系。從異速生長處理的斜率(b)來看,處理3為根系平均直徑生長長勢比根系表面積差(b>1),其余為根系平均直徑生長長勢比根系表面積好(b<1)。在根系平均直徑-根系總體積的9個處理中,處理1、處理5和處理8表現(xiàn)為異速生長關(guān)系(P-1.0<0.05),其余均為等速生長關(guān)系,從異速生長處理的斜率(b)來看,3個處理均表現(xiàn)為根系平均直徑的生長慢于根系總體積的生長(b<1)。

2.6 氮磷配施下云南松苗木各指標(biāo)間的相關(guān)性

施用不同配比的氮磷混合肥料后,云南松苗木各指標(biāo)間相關(guān)性分析結(jié)果表明,兩兩指標(biāo)間均表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系(表6)。其中,莖、葉、地上三者生物量與根系表面積之間、根系總體積與根系平均直徑之間、葉生物量與總根長之間均呈現(xiàn)顯著相關(guān)性(P<0.05)。根系表面積與針葉長、根系平均直徑與總根長之間相關(guān)性不顯著(P>0.05),其余指標(biāo)間均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表6 云南松苗木生長量、根系形態(tài)和生物量的相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

植物的生長主要由養(yǎng)分的吸收與利用決定,植物的生長發(fā)育直接受氮和磷的吸收、同化和轉(zhuǎn)運的影響[23],本研究發(fā)現(xiàn)未施肥的處理長勢均比施肥處理的長勢差,同時氮磷配施處理的長勢比單施處理好,這與韋娜的研究結(jié)果相似,即適宜的施肥濃度是培育優(yōu)質(zhì)健壯苗木的主要因素[24]。過多的養(yǎng)分會導(dǎo)致參與碳同化的關(guān)鍵酶活性降低,從而減弱光合作用,還會使幼苗的呼吸作用增強,導(dǎo)致苗木生長量減少[25]。因此,苗木地下部分生長不良,吸收水肥能力弱,也將影響到地上部分枝葉的生長[26]。

植物在生長發(fā)育過程中地上、地下部分的養(yǎng)分需求相互依賴、相互制約,但因為生理功能和生長環(huán)境不同,所以對環(huán)境因子的反應(yīng)存在很大差異[27]。此外,苗木對營養(yǎng)元素具有一定的忍耐度,氮磷用量在忍耐度以內(nèi)會促進苗木生長,超過忍耐度則會抑制苗木生長[28]。本研究對生長量、根系生長、光合色素、生物量等進行分析,發(fā)現(xiàn)中氮中磷能更好地促進云南松苗木生長。一般而言,氮添加在一定程度內(nèi)能促進植物生長,但長期過量施用氮會抑制植物的生長速率[29-32]。云南松苗木通過根系進行養(yǎng)分的吸收和利用,養(yǎng)分都是從根部進行吸收從而作用到植物的各個部位,Weiner認為,施肥處理較對照的總根長、根系總體積、根系平均直徑以及根系表面積均有所增加[33],本研究也有相同的結(jié)果。光合作用是影響植物生長快慢的重要因素,適當(dāng)施肥可以有效提高云南松的光合能力,有利于光合產(chǎn)物的形成與積累,并能促進葉綠素的形成[34-35]。葉片中的葉綠素含量能直接影響植物的光合能力,氮磷配施有利于苗木光合色素的形成[36],與劉秀等的研究結(jié)果相似,葉綠素能夠增強綠色植物光合作用,促進林木快速生長,從而提高苗木的質(zhì)量和產(chǎn)量[37-38]。向光鋒等認為,不同施肥配比對葉片的葉綠素含量有顯著的效果[39]。本研究在中氮中磷情況下云南松葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素以及葉綠素總含量均有所增加。此外,生物量是評價苗木的重要內(nèi)容之一,生長性狀對生物量的貢獻與作用均呈顯著性,且生物量與生長性狀之間的關(guān)系相對密切[40]。植物生物量分配是遺傳差異與環(huán)境共同作用的結(jié)果,是植物對環(huán)境適應(yīng)的體現(xiàn)[41]。本研究結(jié)果顯示,不同施肥處理云南松苗木的生物量分配存在差異,各器官生物量的積累表現(xiàn)為葉>莖>根。劉際梅等對杉木進行研究,發(fā)現(xiàn)氮添加能有效促進杉木幼苗生物量的增加[42],本研究也有相同的結(jié)論,說明中氮中磷施肥會顯著促進云南松幼苗生物量的積累[43]。

通過異速生長方程可以看出植物的生長關(guān)系,從斜率中看出某物種或某一類物種部分與部分、部分與整體間的差異和對比關(guān)系[22,44]。張世航等在北美車前的研究中指出,各器官之間多為異速生長關(guān)系[45]。本研究在不同氮磷配比施肥下云南松苗木生長量、根系指標(biāo)間的異速生長關(guān)系存在一定的差異。云南松苗木生長指標(biāo)間無共同SMA斜率,說明異速生長軌跡發(fā)生了變化;在根系指標(biāo)中除根系總體積-總根長之間無共同SMA斜率,其余指標(biāo)均存在共同SMA斜率,說明它們之間異速生長軌跡并沒有發(fā)生顯著變化,當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化苗木能獲得的生存資源也發(fā)生改變,苗木會對地下與地上的生長進行不斷調(diào)整[46]。通過相關(guān)性分析可了解各性狀指標(biāo)間表現(xiàn)為正相關(guān)還是負相關(guān),以及相關(guān)性程度[47]。本研究的結(jié)論與蔡年輝等的研究結(jié)果相似,各生長均揭示兩兩指標(biāo)間正相關(guān)關(guān)系,且生長量、生物量之間存在明顯的相互促進作用[40]。生長量、根系形態(tài)與生物量指標(biāo)間呈現(xiàn)顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系。施肥可以協(xié)調(diào)苗木地上部分和地下部分的生長,相比于地下部分,地上部分與各組分生物量的相關(guān)性均較大,同時施肥可以提高苗木地上部分和地下部分的生物量。苗木生長受到不同外源肥料的影響,不同肥料配比會導(dǎo)致苗木生長特性發(fā)生改變,包括異速生長模型改變等,且苗木各指標(biāo)間有較強的聯(lián)系,在苗木培育時要綜合考慮,因時制宜、因地制宜,充分補足短板,更好的培育優(yōu)質(zhì)苗木。

3.2 結(jié)論

氮磷根系配施可以顯著促進苗木生長,各處理的生長量、根系形態(tài)、光合色素、生物量等指標(biāo)均高于對照組,施肥可以改變云南松苗木的生長軌跡,云南松苗木的異速生長關(guān)系不僅受到苗木生長量間和根系生長間的影響,同時,在不同處理間也存在差異。通過相關(guān)性分析可知,各指標(biāo)間均呈現(xiàn)兩兩指標(biāo)間的正相關(guān)關(guān)系。總之,在云南松幼苗生長發(fā)育階段,氮磷混施的效果明顯優(yōu)于單施氮肥或單施磷肥,同時氮磷配比也要合適,過多或過少也起不到最適宜的作用,綜合苗木各指標(biāo)來看,本研究的最優(yōu)處理為中氮中磷,即氮0.4 g/株、磷0.8 g/株是云南松苗木生長過程中最能有效促進云南松苗木生長的組合肥料。