施肥对红松嫁接樟子松生长和生理特性的影响

郭静, 李晓光, 李明, 李凤娟, 周宏, 王春光

(辽宁省国有昌图县付家林场,辽宁铁岭 112517)

樟子松(Pinussylvestnisvar.mongolica)为松科(Pinaceae)松属(Pinus)乔木,在东北主要分布于我国大兴安岭和呼伦贝尔草原红花尔基沙地,生长快、材质好,且抗寒抗旱性能优良[1],是我国北方半干旱风沙地区主要的防风固沙林、农田、草场防护林、水土保持林和用材林树种。其能防风固沙,且材质优良、用途广泛,成为中国三北防护林工程中重要的常绿针叶树种[2]。

红松(Pinuskoraiensis)为松科松属的常绿高大乔木,是第三纪孑遗树种。在我国只分布在小兴安岭到长白山一带[3],具有食用、药用以及工业用材等重要价值。红松早期生长缓慢,要求立地条件较高。天然红松保有量较少,人工造林成活率低,生长缓慢,短期内难以见成效,且只有在刚进入结果期时少量结实,以后逐年递减[4]。

樟子松与红松同为松科松属,生长结构和生长特性近似,具有较强的亲和力,以樟子松为砧木、红松为接穗嫁接成活率较高。而且由于红松接穗已经携带母体年龄信息,嫁接后可以促进提早结实,获得早期效益[5]。

施肥是培育优良苗木的关键技术环节之一,传统施肥存在土壤的富营养化和土壤板结等问题,同时基于树木的养分需求规律,探究新型绿色施肥方式具有深远意义[6]。许多研究表明,在树木生殖生长阶段进行合理的施肥可以提高苗木生长及代谢水平,有效地改善土壤条件,避免营养流失,提高结实量[7]。适量增加氮素能增加树木生物量、提高光合利用效率及促进植株渗透调节物质的累积,增强植株抗旱性;磷肥在一定程度上可以降低植物叶片热能的耗散,提升光合电子传递速率[8]。在施氮肥的同时,适当添加磷肥,可以保持土壤中植物可利用资源的平衡,合理的氮磷配比更能促进植物生长发育、节省肥料[9]。生物菌肥作为一种新型的生物“肥料”,不仅可以通过促进微生物的生命活动进而加快植物对土壤中营养元素的吸收利用,还能释放生长激素、减少有害微生物的生成,从而促进植物生长[10]。因此,本研究通过设置氮肥、磷肥及生物菌肥8个不同配施处理,以不施肥树木作为空白对照,探讨氮肥、磷肥及生物菌肥配施对红松嫁接樟子松的生长情况和生理特性的影响,以期为红松嫁接樟子松的绿色生产和后期丰产栽培制定合理施肥方案提供有效理论依据与技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于铁岭市昌图县西北部,付家机械林场樟子松林木良种基地69林班13小班2004年建立的樟子松1.5代园。地理坐标为124°30′E,43°31′10″N。该地区属于温带半湿润半干旱大陆性季风气候区,年平均气温6.3 ℃,年平均降水量400～636 mm,年蒸发量1 843 mm,年无霜期为145～155 d,有效积温3 333.6 ℃。土壤为沙壤土,pH为6～7[11]。该地区有机质含量低,其中有效磷含量13.8 mg/kg,速效磷含量为3.77 mg/kg。

1.2 试验材料

试验材料以16 a红松嫁接樟子松为研究对象。通过施用不同尿素(含N量>46%)、过磷酸钙(含P2O5>12%)、生物菌肥进行配施。本试验于2021年6月末进行红松嫁接樟子松施肥试验。

1.3 试验方法

本试验采用随机区组设计,共设置了8个处理组、1个对照组(CK)(表1),每个小区随机选取6棵树,进行3次实验重复,共162棵树。施肥方式采用环状沟施肥法,在树冠滴水线外侧稍远处挖宽5～10 cm,深度约20 cm。将提前配好的肥料均匀地撒入沟内后,回土盖平,并对试验植株挂牌标记。

表1 红松嫁接樟子松氮肥、磷肥及生物菌肥配肥设计Table 1 Design plan for nitrogen fertilizer, phosphorus fertilizer, and biomicrobial fertilizer blending of Pinus koraiensis grafted with Pinus sylvestris var. mongolica

1.4 生长指标及生理指标测定

1.4.1 生长指标测定

施肥前对红松嫁接樟子松进行生长量调查,施肥后于2022年4月进行红松嫁接樟子松各处理生长量测定。胸径采用立木测定法,用胸径尺测量树木地面向上1.3 m处直径即可,树高采用布鲁莱测高器测定。

1.4.2 生理指标测定

施肥后第二年的7月中旬,每个处理选取向阳面生长良好的针叶,取样后将针叶放入冰盒带回实验室,用于生理指标测定。叶绿素含量测定选用丙酮法[11];可溶性糖含量和淀粉含量采用蒽酮比色法测定[12];可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝染色法测定;游离脯氨酸含量采用茚三酮法测定[13];丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法测定[14];过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定[15];电导率采用浸泡法测定。

1.5 数据分析

使用IBM SPSS Statistics 25.0与Microsoft Excel 2010软件对数据进行处理及分析,采用Duncan法对所测数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同配比施肥对红松嫁接樟子松生长的影响

从图1可以看出:不同施肥处理对于红松嫁接樟子松的树高生长具有极显著影响(P<0.01)。各施肥处理红松胸径平均增长量从小到大依次为处理3<处理6<处理9<处理8<处理5<处理7<处理2<处理1<处理4。处理4的胸径增长量比CK增加了9.17%,且对胸径增长影响最大。树高平均增长量从小到大依次为处理1<处理4<处理3<处理2<处理5<处理7<处理8<处理6<处理9。处理9的树高增长量比CK增加了47.90%。施肥对胸径和树高增长均有较好促进作用,处理4能更好地促进茎直径生长,增加胸径;处理9能够更好地促进根或茎生长,增加树高。综合分析,处理9是促进生长的最佳配比施肥方案。

2.2 不同施肥处理对红松嫁接樟子松叶绿素的影响

由表2可知,不同氮肥、磷肥、生物菌肥配比施肥对叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量均具有显著性影响(P<0.05)。与CK相比,其余8个处理叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总含量大多明显升高。处理4与处理9的总叶绿素含量均较高,其中处理9水平下叶绿素含量最高达到1.656 mg/g,是CK(0.852 mg/g)的194.37%,意味着在其生长期单位时间内,较其他处理制造有机物更多,生物量增长更快。施肥处理下,叶绿素总含量最低的处理6(0.958 mg/g)仍是CK的112.44%。结果表明,施肥能显著提高叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总含量,处理9为最佳配比施肥方案。

图1 不同施肥处理对红松嫁接樟子松胸径、树高生长的影响Figure 1 Effects of different fertilization treatments on the growth of Pinus koraiensis grafted withPinus sylvestris var. mongolica at chest diameter and tree height注:不同小写字母表示相同时间下不同处理间差异极显著(P<0.01)。

表2 不同施肥处理对红松嫁接樟子松叶绿素含量的影响Table 2 Effect of different fertilization treatments on chlorophyll content of Pinus koraiensis grafted withPinus sylvestris var. mongolica

2.3 施肥对红松嫁接樟子松可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量的影响

从表3可以看出:所有处理中可溶性糖含量均高于CK,存在显著差异(P<0.05)。可溶性糖含量最高是处理3(18.378 mg/g),其次是处理2(7.706 mg/g)和处理7(6.197 mg/g),与CK(3.49 mg/g)的可溶性糖含量相比分别提髙了426.59%、120.80%和77.56%。说明施肥能够使树体在冬季存储能量与物质。淀粉是植物细胞生命活动的能量来源。处理9的淀粉含量是CK处理的29.03倍且具有极显著差异(P<0.01)。从大到小排序为处理9>处理6>处理7>处理8>处理4>处理3>处理5>处理2>处理1。不同施肥处理红松嫁接樟子松可溶性蛋白含量具有极显著性差异(P<0.01),可溶性蛋白含量最高为处理9(3.071 mg/g),其次为处理3(2.116 mg/g)和处理5(1.545 mg/g)。较CK(0.253 mg/g)相比分别提高了1 113.83%、736.36%和510.67%。施肥处理下,可溶性蛋白含量最低的处理7(0.303 mg/g)较CK也提高了19.76%。综合分析,处理9是促进树木体内可溶性糖、淀粉与可溶性蛋白含量增长的最佳配比施肥组合。

表3 不同施肥处理对红松嫁接樟子松可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量Table 3 Soluble sugar, starch and soluble protein contents ofPinus koraiensis grafted with Pinus sylvestris var. mongolicaby different fertilization treatments

2.4 施肥对红松嫁接樟子松抗逆性生理指标的影响

由表4可知不同施肥处理下红松嫁接樟子松的丙二醛含量具有极显著差异(P<0.01),过氧化物酶活性及游离脯氨酸具有显著性差异(P<0.05)。丙二醛含量从大到小排序为处理1>处理7>处理5>处理4>处理8>处理3>处理6>处理2>处理9;过氧化物酶活性从大到小排序为处理9>处理2>处理7>处理8>处理6>处理3>处理4>处理5>处理1,处理9的过氧化物酶活性最强,为2 157.778,其次为处理2,为2 073.333,活性最低的为CK,为1 023.333。处理9和处理2分别较CK高出110.86%与102.61%。由此可知处理9(N2P2S2)的施配比能够使红松嫁接樟子松具有更好的抗逆性。游离脯氨酸含量的变化趋势与丙二醛含量相似,从大到小排序为处理1>处理3>处理7>处理8>处理4>处理9>处理6>处理5>处理2,其中游离脯氨酸含量在CK取得最大值88.410 μg/g,在处理2取得最小值18.046 μg/g,CK的游离脯氨酸含量为处理2的4.9倍。相对电导率的从大到小排序为处理1>处理5>处理8>处理2>处理9>处理6>处理4>处理3>处理7。处理7的细胞膜透性最小,伤害最低。CK细胞膜透性最大,伤害最大。由此可见,施肥处理可以降低细胞膜透性。

表4 不同施肥处理对红松嫁接樟子松抗逆性生理指标的影响Table 4 Effect of different fertilization treatments on the physiological indexes of stress resistance ofPinus koraiensis grafted with Pinus sylvestris var. mongolica

2.5 施肥后与红松嫁接樟子松不同生理指标之间的相关性分析

对各生理指标进行Pearson相关性分析,如表5所示。结果表明:叶绿素a浓度与叶绿素b浓度呈极显著正相关(r=0.799,P<0.01),叶绿素a浓度与淀粉含量显著正相关(r=0.452,P<0.05),叶绿素a与丙二醛含量呈显著负相关(r=0.463,P<0.05),叶绿素a浓度与过氧化物酶活性呈显著正相关(r=0.476,P<0.05)。叶绿素b浓度与叶绿素含量呈极显著正相关(r=0.885,P<0.01),叶绿素b浓度与淀粉含量呈极显著正相关(r=0.493,P<0.01),叶绿素b含量与过氧化物酶活性呈显著正相关(r=0.426,P<0.05)。叶绿素含量与淀粉含量呈显著正相关(r=0.417,P<0.05),叶绿素含量与过氧化物酶活性呈显著正相关(r=0.421,P<0.05)。淀粉含量与过氧化物酶活性呈显著正相关(r=0.447,P<0.05)。可溶性蛋白含量与丙二醛含量呈显著负相关(r=-0.428,P<0.05)。丙二醛含量与过氧化物酶活性呈极显著负相关(r=-0.497,P<0.01),丙二醛含量与游离脯氨酸呈显著正相关(r=0.435,P<0.05)。过氧化物酶活性与相对电导率呈显著负相关(r=-0.437,P<0.05)。

表5 不同施肥处理对红松嫁接樟子松生理指标的相关性分析Table 5 Correlation analysis of different fertilization treatments on physiological indicators ofPinus koraiensis grafted with Pinus sylvestris var. mongolica

3 讨 论

3.1 施肥对红松嫁接樟子松形态生长及光合特性的影响

配比施肥能显著促进树木高生长和径生长,提高林木抗逆性。姜岳闽[16]研究施肥对杉木的胸径、材积生长都有较好的促进作用,而且施肥量越大效果越好,这一结果与本研究结论施肥对胸径、树高增长有较好促进作用相一致。在过去的研究中,树高和胸径的关系被广泛视为整体生长特征,而很少有研究探究施肥对二者之间的影响差异。树木在生长过程中需要合理分配养分和能量来支持不同部位的生长,不同施肥处理可能导致植物对养分的分配方式发生变化。

可能存在处理4情况,施肥后树木优先支持胸径增长,树高增幅较少。因此,在施肥处理中需要谨慎权衡树高和胸径的需求,以达到最佳的生长效果。

光合作用是植物生长的基础,叶绿素a是光合作用中最重要的光捕捉分子,调节植物对光能的吸收和利用。叶绿素b主要促进光合作用的进行,调节叶片颜色和光合作用效率,以及保护叶片原生质体不受环境胁迫的影响。叶绿素是光合作用中将光能转化为化学能的关键物质,其含量高低可以直接影响到植物光合能力的大小[17]。本研究发现不同施肥处理下红松嫁接樟子松叶绿素含量光合指标参数均高于不施肥CK,这与邓家欣等[18]的研究结果基本一致,适量施用化肥、有机肥能促进植物生长,增大其叶面积,提高叶片叶绿素含量。同时说明适量施肥能增加红松嫁接樟子松叶绿素含量,有利于改善植株光合性能,促进红松嫁接樟子松干物质的积累。张明月等[19]对罗汉松的研究发现施肥后叶绿素a、叶绿素b含量均高于对照;叶绿素a/b比值越大,膜脂过氧化作用越强,品种抗旱性越弱,本实验中进行施肥处理的比值均显著高于CK,说明合理施肥可以提高植物抗旱性。罗帅[20]对油茶花的研究结果表明,施氮磷钾肥有利于提高叶片叶绿素含量,本研究与以上研究结果一致。

3.2 施肥对红松嫁接樟子松生理指标的影响

淀粉和可溶性糖是植物的主要光合产物,其中可溶性糖是淀粉合成的底物。而淀粉可以通过淀粉水解酶水解为可溶性糖。可溶性糖不仅是植物体内主要的能源物质和碳源,也是重要的渗透调节物质。可溶性糖含量增加有利于细胞通过提高细胞质的浓度与细胞内的能量供给来增强叶片的抗寒性。张相锋等[21]对植物的耐盐性研究表明施肥可以使植物体内渗透调节物质含量显著升高。叶片中可溶性蛋白在植株的新陈代谢过程中起重要作用,可溶性蛋白含量可以反映其对恶劣环境的抵抗能力和维持自身生命活动的稳定性;植物体内可溶性蛋白含量的提高,可以提高植物的抗寒能力,使其更好地适应环境[22]。过氧化物酶是植物在逆境条件下酶促防御系统的关键酶之一,在逆境下维持其较高的生物活性,能够使植物表现出较强的抗性,同时能使组织中所含的某些碳水化合物转化成木质素,增加木质化程度[23]。研究表明过氧化物酶活性的高低是指示植物抗旱性强弱的重要指标,适量施肥可降低多种作物的细胞膜透性,提高叶片中过氧化物酶的活性[24]。

相对电导率是常用来衡量植物抗寒能力强弱的一个生理指标,自然环境气温降低时,植物会通过调节自身各项生理反应来适应低温环境[25]。张璐等[26]对文冠果研究结果表明,植物细胞的细胞膜往往会发生细胞膜膜脂组成和渗透性的变化,从而导致电解质的渗出。相对电导率的数值越大,细胞膜的透性就越大,从而细胞内部就越不稳定。游离脯氨酸是植物体内渗透压调节物质[27]。丙二醛是细胞受到胁迫后细胞膜过氧化作用分解的最终产物,是植物的抗逆性指标,含量越多说明植物受到的活性氧毒害越严重,从而导致植株代谢能力越弱。王瑞等[28]研究表明配比施肥合理时,植物叶片丙二醛含量会逐渐减少。

3.3 施肥与红松嫁接樟子松生理指标的相关性分析

生理指标的相关性分析结果表明:叶绿素a、叶绿素b与叶绿素呈极显著正相关,同时叶绿素a、叶绿素b和叶绿素之间的关系也受氮素水平的影响[29]。叶绿素含量与淀粉含量和过氧化物酶活性呈显著正相关,淀粉通过影响植物的碳代谢和生理状况进而影响叶绿素含量和分布[30]。叶绿素a浓度与可溶性蛋白含量呈极显著正相关,可溶性蛋白是重要的蛋白质储备,参与植物生理过程并影响叶绿素含量和分布,而光合作用中叶绿素a参与电子传递,水解的电子与可溶性蛋白结合生成氧化物影响植物代谢[31]。本研究结果表明施肥对改善植物体营养状况,促进叶绿素合成,提高光合效率具有良好作用,进而有利于植物生长发育。

过氧化物酶活性与丙二醛含量呈极显著负相关且与相对电导率呈显著负相关,表明当施肥处理后的植株受到胁迫时,植物细胞膜会遭到一定程度的破坏,细胞膜的透性也随之增大,这就使得电导率就出现不同程度的增大,从而导致细胞内的电解质不同程度地外渗[32]。通过迅速提高过氧化物酶活性调节细胞渗透势,降低了丙二醛含量,直接保护了细胞膜[33]。

本研究表明,适当配比施肥能够使与抗性有关的可溶性蛋白含量、过氧化物酶活性等生理生化指标显著提高,而相对电导率、丙二醛含量下降。这些指标的变化意味着总体上可以避免因遭受不良气候条件导致的代谢紊乱对细胞和膜造成的伤害,并且在一定程度上提高了抗氧化代谢能力,从而增强树体抗性。

4 结 论

通过选取不同浓度氮肥、磷肥及生物菌肥配施,可以显著促进红松嫁接樟子松的生长,极大地提高果材兼用的质量和品质,提高树木的抗逆性。研究筛选出N2P2S2处理9(尿素300 g/株,过磷酸钙200 g/株,生物菌肥150 g/株)为最佳施肥组合。该配比施肥能显著提高红松嫁接樟子松生长量、可溶性糖、可溶性蛋白、淀粉及叶绿素的含量,降低丙二醛、游离脯氨酸含量,并能够提升过氧化物酶活性,从而在一定程度上提高了红松嫁接樟子松抗氧化代谢能力,从而增强树体抗性。本研究结果为红松嫁接樟子松的绿色生产和后期丰产栽培制定施肥方案提供理论依据与技术参考。