微肥對紅錐幼苗生長及光合生理效應的影響
2024-05-16 00:00:00鐘錫鋒
防護林科技 2024年1期
摘 要 為揭示微肥在紅錐育苗中的應用潛力，以紅錐幼苗為試驗材料，采用葉面噴施的方法，探討了施用單一或復合性MnCl2·H2O（Mn）、FeSO4·7H2O（Fe）、ZnSO4·7H2O（Zn）、CuSO4·5H2O（Cu）等微肥對苗木生長及光合生理方面的影響。結果表明：在0～50 mg·L-1施用范圍內，單一性的Mn、Fe、Zn或Cu微肥對苗高增量均影響顯著，但隨著施用量增加，各微肥處理下苗高增量的變化趨勢不同。其中，在Mn 30～50 mg·L-1、Fe/Zn 30 mg·L-1、Cu 10～20 mg·L-1時，各微肥處理下苗高增量最大。在基于正交法設計的16個復合性微肥處理間，苗高增量差異顯著，并以Mn 30 mg·L-1+Fe 20 mg·L-1+Zn 10 mg·L-1+Cu 15 mg·L-1微肥處理（MF14）下苗高的生長效果最好，苗高增量較未施肥對照（CK）處理增加了158.8%。施用復合性微肥對幼苗葉片光合日變化趨勢無明顯影響，凈光合速率（Pn）峰值仍出現在10：00，但在光照最強的12：00—14：00，Pn較CK處理顯著增大。與CK與MF14處理相比，在優化的Mn 30 mg·L-1+Fe 20 mg·L-1+Zn 10 mg·L-1+Cu 10 mg·L-1（OM）處理下，地上部分生物量增量與葉綠素含量最高，胞間二氧化碳濃度最低。研究認為，施用復合性微肥能明顯改善紅錐苗木生長質量與光合能力，并以30 mg·L-1 Mn+20 mg·L-1 Fe+10 mg·L-1 Zn+10 mg·L-1 Cu效果最好。
關鍵詞 紅錐；壯苗培育；微量元素；光合作用
中圖分類號：S753.53；718.43
文獻標識碼：A
doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2024.01.010
The Influence of Micro-fertilizer on Growth and Photosynthetic
Physiological Effects of Castanopsis hystrix SeedlingsZhong Xifeng
（Quanzheng Landscaping Co.，Ltd.in Guangdong，Heyuan 517000，China）
Abstract In order to reveal the application potential of micro-fertilizer in Castanopsis hystrix seedlings，taking Castanopsis hystrix seedlings as the experimental materials，the effects of single or compound micro-fertilizers，including MnCl2·H2O （Mn），FeSO4·7H2O （Fe），ZnSO4·7H2O （Zn） and CuSO4·5 H2O（Cu） on the growth and photosynthetic physiology of seedlings were studied by foliar spraying.The results showed that in the range of 0-50 mg·L-1，single micro-fertilizers，like Mn，Fe，Zn or Cu，had significant effects on seedling height increment，but with the increase of application amount，the variation trend of seedling height increment under each micro-fertilizer treatment was different. Among them，in the case of" Mn 30-50 mg·L-1，Fe/Zn 30 mg·L-1，Cu 10-20 mg·L-1，the increment of seedling height under each micro-fertilizer treatment was the largest. There were significant differences in seedling height increment among 16 compound micro-fertilizer treatments based on orthogonal design. The growth effect of seedling height was the best under micro-fertilizer treatment（MF14） of Mn30 mg·L-1 + Fe20 mg·L-1 + Zn10 mg·L-1 + Cu15 mg·L-1，and the seedling height increment increased by 158.8% compared with the unfertilized control （CK） treatment. The application of compound micro-fertilizers had no significant effect on the diurnal variation trend of photosynthetic rate of seedling leaves，and the peak value of net photosynthetic rate （Pn） still appeared at 10：00 a.m.，but Pn increased significantly compared with CK treatment at 12：00-14：00 with the strongest light. Compared with CK and MF14 treatments，under the optimized Mn30 mg·L-1+Fe 20 mg ·L-1 +Zn 10 mg ·L-1 +Cu 10 mg·L-1 （OM） treatment，the above ground biomass increment and chlorophyll content were the highest，and the intercellular carbon dioxide concentration was the lowest. The results showed that the application of compound micro-fertilizer could significantly improve the growth quality and photosynthetic capacity of Castanopsis hystrix seedlings，and the effect of 30 mg·L-1Mn+20 mg ·L-1 Fe+10 mg ·L-1 Zn+10 mg ·L-1Cu was the best.
Key words Castanopsis hystrix;strong seedling cultivation;trace elements;photosynthesis
紅錐（Castanopsis hystrix）屬殼斗科（Fagaceae）錐屬（Castanopsis）高大常綠喬木，其木材色澤、紋理美觀，材質堅硬耐腐，不易彎曲變形，是高級家具、車船、雕刻、建筑裝修等方面優良用材樹種[1]。紅錐喜溫暖、濕潤氣候，其生長速度快，目前作為常用的造林用材樹種在廣東、廣西、福建、海南、貴州、云南等我國東南、西南地區均有廣泛種植[2]。紅錐抗性好，具有較強的環境適應性，然而研究發現，在土層深厚、土壤肥沃且排水透氣良好的立地條件，紅錐生長表現更佳[3，4]。紅錐屬我國重要的鄉土闊葉樹種，眾多學者在良種選育、混交、生態功能等方面開展了大量研究，選育出了大批優良種質資源，闡明了紅錐在改善林地環境方面的良好生態功能及作為優良伴生樹種的生產應用潛力，但在紅錐壯苗培育方面的研究尚鮮少見[5-7]。良種壯苗是提升林分質量、實現人工林高效培育的基本前提與保障，為此，開展紅錐苗木培育方面研究意義重大。
營養元素在植物生長發育過程中，起到核心調控作用。研究表明，氮、磷、鉀作為三大主要礦質元素，參與各種生理代謝過程，是一切生命活動的基礎[8]。潘陸榮等[4]通過氮磷鉀配方施肥技術，顯著改善了紅錐林地土壤肥力，而湛年勇等[8]通過研究證明，氮磷鉀施用量不同，紅錐幼樹的樹高、胸徑、枝干生物量等各項生長指標均明顯不同。近年來研究人員發現，微量元素作為植物生長必不可少的營養元素，微量元素缺乏導致的缺素癥，使植物生長遭到嚴重影響[9]。錳（Mn）、鐵（Fe）、鋅（Zn）、銅（Cu）等作為目前公認的植物必需微量元素，在提高植物抗性、酶活性、光合能力、能量物質合成代謝方面功能顯著[10]。微量元素間存在協同交互作用，而有關植物對單一、復合性微量元素的響應差異方面研究仍鮮見報道。光合作用是合成能量物質供植物生長的重要代謝活動[11，12]。為此，本試驗以紅錐幼苗為試驗材料，通過探究施用單一或復合性Mn、Fe、Zn、Cu微肥作用下苗木生長及光合生理方面的變化，旨在揭示微量元素肥在紅錐苗木培育中的應用潛力。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
在紅錐優良林分中，利用五株優勢木法，選擇形質指數高的成年優樹作為采種母株，在果期成熟時采種進行苗木培育。待苗木培育至10 cm左右高時，將苗木移至裝有黃泥、珍珠巖（體積比，1∶1）基質的育苗杯（18 cm×25 cm）中。同時，按3 kg·m-3復合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）施用量，與基質混勻后一同裝入杯中。適應性培養10 d后，選擇長勢一致、生長健壯的苗木為試驗材料備用。
1.2 試驗方法
1.2.1 單一微肥試驗 以分析純級別的上海國藥生產的化學試劑MnCl2·H2O（Mn）、FeSO4·7H2O（Fe）、ZnSO4·7H2O（Zn）、CuSO4·5H2O（Cu）為微肥，采用水溶肥噴施葉面方式，每種微量元素肥分別設置0、10、20、30、40和50 mg·L-1 6個不同梯度施肥處理。每處理設4次重復，每重復40株苗。每株葉面噴施200 mL，每周噴施1次，直至試驗結束。試驗在自然條件下的育苗圃進行，地理位置23°46′ N、114°41′ E，年均溫20.7 ℃，1月平均氣溫11.6 ℃，7月平均氣溫28.0 ℃。施肥處理5周后進行苗高增量測定。
1.2.2 復合微肥試驗 采用正交試驗法，根據1.2.1試驗結果，以Mn、Fe、Zn、Cu為試驗因素，每種因素設4個水平（表1）。共16個不同配比微肥處理，編號分別為CK及MF1～MF15，每處理4次重復，每重復40株苗。試驗條件同前，在育苗圃進行施肥處理5周后進行各處理苗高增量差異統計分析。
1.2.3 復合微肥對苗木生長生理影響試驗 以未施微肥CK處理為對照，MF14配方復合微肥（Mn 30 mg·L-1+Fe 20 mg·L-1+Zn 10 mg·L-1+Cu 15 mg·L-1）和優化配方的復合微肥（OM，Mn 30 mg·L-1+Fe 20 mg·L-1+Zn 10 mg·L-1+Cu 10 mg·L-1）為微肥施用處理，待試驗5周后，進行苗木光合日變化及生物量、光合參數、糖含量的測定。試驗方法同1.2.1。
1.2.4 指標測定
苗高增量：用卷尺分別在試驗處理前及處理5周后進行幼苗高度的測量。
生物量增量：于試驗處理前及處理5周后，分別選出5株完整植株，按地上、地下部分分別烘干至絕干質量后，計算處理期間對應部分干物質量增量。
根冠比：施肥處理35 d后，計算各處理平均單株地下部分生物量干物質量與地上部分生物量干物質量的比值。
光合日變化：施肥處理35 d后，采用便攜式光合作用儀Li-6400（Li-Cor，Lincoln，美國）于8：00—18：00每隔2 h測定植株中上部功能葉片的凈光合速率（Pn，μmol·m-2·s-1）。測定時在晴好天氣，使用標準葉室和自然光源連續測3 d，以平均值計數。
葉綠素含量：施肥處理35 d后，采用便攜式葉綠素速測儀SPAD-502（Koni-Caminolta，Tokyo，日本）進行活體功能葉片葉綠素含量測定。每處理選3株，每株重復測定5張葉片。
氣體交換參數：施肥處理35 d后，選擇天氣晴好無云的9：00—11：00，采用Li-6400光合作用儀進行活體功能葉片的蒸騰速率（Tr，mol·m-2·s-1）、氣孔導度（Gs，mmol·m-2·s-1）、胞間二氧化碳濃度（Ci，μmol·mol-1）測定。每處理重復測定3次。
可溶性糖含量：采用蒽酮比色法測定。
1.3 數據處理
圖表制作采用Excel2007軟件，數據分析采用SPSS19.0統計軟件進行不同處理間差異顯著性分析以及LSD多重比較（Plt;0.05）。
2 結果與分析
2.1 單一微肥對幼苗高度生長的影響
從圖1可以看出，單一性的不同施用量的Mn、Fe、Zn、Cu微肥對紅錐幼苗高度生長均影響顯著，但微量元素種類不同，隨著微肥施用量的增加，苗高增量變化趨勢也不同。其中，隨著Mn施用量增大，苗高增量上升，在30～50 mg·L-1趨于穩定，無明顯變化；而隨著Fe、Zn、Cu施用量增加，苗高增量均表現為先上升后下降趨勢，峰值分別出現在30 mg·L-1、30 mg·L-1及10 mg·L-1。這說明，Mn、Fe、Zn、Cu對紅錐幼苗生長具有促進性，但使用量需控制在適宜范圍內。
2.2 不同配比復合微肥對幼苗高度生長的影響
本試驗通過正交法設計了16種不同配比復合微肥處理，由表2可知，Mn、Fe、Zn、Cu配比不同，苗高增量也不同。其中，在MF14處理（Mn 30 mg·L-1+Fe 20 mg·L-1+Zn 10 mg·L-1+Cu 15 mg·L-1）下，紅錐幼苗高度增量最大，達4.4 cm，較未施微肥對照處理（CK）增加了158.8%；其次是MF15處理（Mn 30 mg·L-1+Fe 30 mg·L-1+Zn 0 mg·L-1+Cu 10 mg·L-1），苗高增量較CK增加了123.5%。而在MF3（Mn 0 mg·L-1+Fe 30 mg·L-1+Zn 30 mg·L-1+Cu 15 mg·L-1）和MF8（Mn 20 mg·L-1+Fe 0 mg·L-1+Zn 20 mg·L-1+Cu 15 mg·L-1）處理下，苗高增量顯著降低，較CK減少了23.5%。
極差分析結果表明，Mn、Fe（R：1.2～1.3）對紅錐幼苗生長的影響較大，其次是Zn（R：0.9），而Cu（R：0.6）的影響相對較小。這說明，供試4種微量元素中相較Zn、Cu，通過施用Mn、Fe微肥更能有效改善紅錐苗木的生長效果。
Mn、Fe、Zn、Cu 微量元素肥對紅錐苗高生長增量的效應曲線見圖2。由圖2可知，在0～30 mg·L-1用量范圍內，Mn與Zn微肥對紅錐幼苗高生長的作用呈相反趨勢，前者是用量越高，對苗高增量促進效果越好；而后者則是用量越高，促高效果越差。相較Mn、Zn，Fe、Cu則表現出明顯的劑效性，用量需嚴格控制為20 mg·L-1 Fe和10 mg·L-1 Cu。這表明，為進一步改善紅錐育苗效果，復合微肥的配比仍需優化。
2.3 優化復合微肥對幼苗葉片光合日變化的影響
根據正交試驗結果，對Mn、Fe、Zn、Cu復合微肥配方進一步進行了優化，即將MF14中Cu的施用量由15 mg·L-1調整為10 mg·L-1（處理編號OM）。為解析微肥影響紅錐苗高變化的生理機制，在優化配方基礎上，對幼苗葉片光合日變化進行了觀測。從圖3所示結果來看，在3種施肥處理下，紅錐幼苗葉片光合作用均存在光抑制現象，即凈光合速率（Pn）在10：00最大，而后在光照較強的12：00—14：00明顯下降。從處理間差異來看，在10：00無明顯變化，但在光照最強的12：00—14：00，MF14和OM處理下的葉片Pn明顯高于CK，但在光照較弱的16：00—18：00，處理間差異不明顯。這說明，施用復合微肥能顯著提高紅錐幼苗在強光下的光合速率。
2.4 優化復合微肥對幼苗生長及光合生理的綜合影響
表3表明，復合微肥施處理下苗木高度和地上/地下部分生物量均顯著增加，根冠比增大，葉片葉綠素含量增多，胞間二氧化碳濃度降低，可溶性糖含量上升。這說明，通過優化配方復合微肥的施用，紅錐幼苗葉片在生長及光合能力方面明顯發生了改變，生長量增加，光合效率提升。
3 結論與討論
微量元素不同，促進紅錐幼苗生長的劑效性及作用范圍也不同。在施肥濃度為10～50 mg·L-1時，單一性的Zn、Mn微肥處理35 d后，紅錐幼苗高度增量為3.5～3.6 cm，而單一性Fe、Cu微肥處理下的增量則為2.1～2.2 cm，分別較未施微肥對照處理增加了133.3%～157.1%和31.3%～37.5%。這說明，相較Fe、Cu，Zn、Mn對紅錐苗木生長的影響更為明顯，表明生產中應用鋅錳微肥能使紅錐獲得較好的壯苗效果。值得關注的是，在4種供試微量元素中，Mn作用效果較為明顯，但其在30～50 mg·L-1施用量范圍內對苗木促生效果無顯著差異，說明紅錐幼苗對Mn的耐受性較強。然而，相反地Cu在10～20 mg·L-1施用量下，苗高增量最大，而后顯著減小，這反映了紅錐對Cu的敏感性極強。銅在自然界中廣泛存在，相較Mn、Fe、Zn，植物體內Cu含量普遍偏低[10]。因此，過量重金屬Cu極易造成銅毒害，銅毒害問題也是目前科研工作者關注的熱點與難點[13，14]。從本試驗研究結果來看，建議在紅錐育苗過程中，相較Mn、Fe、Zn微肥，Cu微肥的施用量需要精準控制。
相較單一性微肥，復合性微肥對紅錐幼苗生長具有加效性。筆者利用正交設計法設置的16個處理中，在Mn 30 mg·L-1+Fe 20 mg·L-1+Zn 10 mg·L-1+Cu 15 mg·L-1處理下，苗高增量達4.4 cm，較單一性Mn、Fe、Zn、Cu微肥增加了22.2%～109.5%，這表明微量元素間存在著協同交互性，從而導致促生效果增加。從4種供試微量元素單一性施用時的最佳劑量來看，Mn、Fe、Zn為30 mg·L-1，Cu為10～20 mg·L-1，而進行復合施用時，Mn和Cu的劑量不變，Fe和Zn分別降為20 mg·L-1和10 mg·L-1，表明相較單一性微肥，復合性微肥對紅錐幼苗生長的加效性主要在于Fe、Zn元素。Fe、Zn參與植物體內多種代謝過程，與植物光合作用、能量代謝密切相關[15]。通過ZIP等轉運蛋白維持植物體內鐵鋅平衡，是目前實現微量元素強化最為有效的途徑[15，16]。本試驗在鐵鋅同時施用的情況下，二者最適劑量同時下降，說明進行鐵鋅施用時，平衡性施用是實現紅錐育苗提質增效的關鍵。
復合性微肥的施用增強了紅錐幼苗在強光下的光合效率。研究表明，紅錐幼苗喜陰，具有明顯的光抑制現象[17]，這與本試驗研究結果是一致的。在光合日變化觀測中，發現無論施肥與否，紅錐幼苗在10：00的葉片凈光合速率最大，而后在光照最強的12：00—14：00明顯下降。光抑制問題會導致植物光合效率下降，生物量降低[18]。林分培育多在光照強、植被覆蓋率低的荒地進行，因此生境條件惡劣。針對紅錐等類似的幼苗期喜陰的樹種，改善光抑制現象，對提高造林成活率，改善林分質量具有重要的意義。復合性微肥施用未能改變紅錐的光抑制問題，但與未施肥對照相比，在12：00—14：00時的凈光合速率顯著升高。這說明，復合性微肥的應用增強了紅錐幼苗在強光下的光適應性。此外，筆者還發現，在光照最強的12：00，在銅使用量降為10 mg·L-1時，其凈光合速率是最大的。結合光合作用相關生理指標檢測結果來看，與15 mg·L-1 Cu的復合性微肥處理相比，在含10 mg·L-1 Cu的復合性微肥處理下，在9：00—11：00時的葉片蒸騰速率、氣孔導度無明顯變化，但葉綠素含量增大，胞間二氧化碳濃度降低。這說明，較低Cu的復合性微肥導致的凈光合速率增加，可能與Cu對葉綠素形成的促進性有關，這有待從細胞解剖學、營養代謝組學及關聯蛋白組學角度進行深入分析。
Cu作為植物生長中必需營養元素，在Cu缺乏時，會導致植物遭受多種傷害，蛋白質、核酸合成受到抑制，葉、莖發育畸形，植物抗性能力弱，生長表現差[19]。然而，Cu過量會導致蛋白質結構紊亂并失活，核仁解體，最終導致植物生長發育受到嚴重抑制[13]。在本試驗中，相較10 mg·L-1 Cu的復合性微肥，在15 mg·L-1 Cu的復合性微肥處理下，葉綠素含量是明顯偏低的，這表明，供試紅錐幼苗對含Cu 15 mg·L-1的復合性微肥表現出了一定的銅毒害效應。目前，從植物中銅毒害機理來看，一方面在于Cu通過調控蛋白合成影響細胞膜、葉綠體等細胞器的形成；而另一方面，Cu作為電子供體與受體，與氧化酶活性密切相關，從而調控光合、氧化還原、能量代謝等多種生理過程[19，20]。如前所述，降低Cu含量的復合性微肥獲得較好的育苗效果主要是與增加的葉綠素含量有關，這表明了Cu對紅錐幼苗產生的毒害主要在于對葉綠體結構的破壞。重金屬污染問題當前日趨嚴重，是否根據葉綠體結構的完整性，可進行紅錐重金屬銅毒害問題的早期鑒定？這有待通過擴大試驗群體與完善Cu處理試驗設計方案來進一步驗證。
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