配方施肥对铁心杉幼苗生长和生理生化指标的影响

杨 捷, 朱宁华, 杨海洋, 谢功良

(中南林业科技大学林学院,湖南 长沙 410004)

铁心杉(red-heartCunninghamialanceolate)是在湖南省湘西州永顺县小溪国家级自然保护区内发现的一种重要的杉木新变异类型,心材呈油亮的黑褐色,材质坚硬如铁且极耐腐,当地百姓称之为铁心杉[1]。铁心杉于2021年10月获得了植物新品种权证书,目前处于培育推广初步阶段。铁心杉材性优于速生杉、红心杉和普通杉,基本密度为0.457 g·cm-3,气干密度为0.539 g·cm-3,全干密度为0.504 g·cm-3,木材为高强度等级,木材品质系数显著高于常见珍贵建筑结构装饰用材树种[1],是杉木中最为理想的商品用材林种质资源[2],具有极高的推广价值。

林木施肥被认定为是一项营造速生丰产用材林必要的技术措施[3-5]。如前人研究表明:经过N、P、K配比施肥,林木死亡率不到1%,增施K肥,可以显著提高林木对虫害的抗性[6];合理的施肥配方能显著促进1年生细叶桢楠容器苗和观光木幼苗的生长,提高其光合能力和苗木质量[7-8];N、P、K肥对西洋参的生长有显著的促进作用[9];施肥能促进油茶花芽分化[10];南非桉树N肥最佳的施用量为30～62 kg·hm-2[11];N肥对薄壳山核桃幼苗的生长和生理生化指标均有显著影响[12];施用N、P复合肥可促进1～2年生杉木苗对速效K的吸收利用[13];施肥显著促进黄栀子幼苗的生长并增强其光合能力[14];追施N肥可使2年生桉树的生物量提高24.2%,并显著促进植株对养分的吸收[15]。

目前,由于是新发现变种,铁心杉的推广工作还未能大规模开展,已有的一些研究多集中在材性[1]和种质资源库建立[2]等方面,对铁心杉幼苗培育方面的研究还相对较少,而施肥是新品种推广过程中提高苗木质量、缩短育苗周期、降低育苗成本、提高造林成活率的最佳方法。据此,本研究通过对1年生铁心杉实生幼苗进行不同肥料配比施肥,测定叶片生长和生理生化指标,探究幼苗在不同肥料配比下生长和生理生化指标的变化,找到最适合铁心杉幼苗生长的施肥配方,旨在为今后铁心杉的大规模推广繁育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点设置在湖南省长沙市天心区中南林业科技大学西园苗圃地温室大棚内。该地区属于亚热带季风气候区,年平均温度17.2 ℃,年最高温度39.1 ℃,年最低温度-1.5 ℃,年均降水量1 361 mm。该地区夏季雨热同期,昼夜温差6～7 ℃。试验期间各处理组之间的温度、光照和湿度等环境因子基本保持一致,且不受外界天气干扰。

1.2 材料来源

供试铁心杉1年生实生苗由湖南省株洲市茶陵县铁心杉繁育基地提供,初始平均苗高9.34 cm,初始平均地径2.67 mm。移苗后所使用的容器盆直径12 cm、高15 cm。盆内基质由本地红壤与珍珠岩按3∶1的体积比混合组成,土壤含1.45 mg·g-1全N、0.44 mg·g-1全P、7.98 mg·g-1全K,pH为5.79。

1.3 试验设计

于2022年3月中旬将铁心杉移苗定植于塑料花盆中,随后缓苗45 d。采用“3414”试验设计方案,设置对照及C1～C13共14个处理组,每处理组栽种50盆, 共计700盆。各处理组的肥料配比如表1所示。供试N肥为尿素,总N含量为46%;供试P肥为钙镁磷,含12% P2O5;供试K肥为K2SO4,含52% K2O。分别于2022年5月15日、6月30日、8月15日分3次将固体肥料均匀环施于容器周缘,浅埋2 cm,每次施总量的1/3。在每次施肥前对幼苗进行一次生理生化指标的测定,于2022年10月1日进行最后一次生理生化指标的测定。铁心杉生理生化指标共计测定4次,均设3次重复。采用随机采样法在各处理组中随机采集叶片。生长指标及根系形态均在2022年10月5日测定。

表1 各处理组的肥料配比Table 1 Fertilizer ratios for each treatment group g·盆-1

1.4 铁心杉幼苗生长和生理生化指标的测定

根系形态指标使用根系扫描仪对整株根系进行扫描;苗高、地径、根表面积、根直径和总根长等生长指标使用电子游标卡尺测量,精确度为0.1 mm;地上生物量、地下生物量和总生物量使用电子天平进行称量,精确度为0.001 g;苗木质量指数(Qi)=苗木总干质量/(苗高/地径+地上干质量/地下干质量)。

可溶性糖含量采用蒽酮比色法[16]测定;可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法[16]测定;游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮法[16]测定;叶绿素含量采用浸提法[16]测定;丙二醛(malondialdehyde, MDA)浓度采用硫代巴比妥酸比色法[17]测定。

1.5 数据处理

所有处理均设置3次重复,数据以平均值±标准差表示;采用Excel 2019软件对数据进行前期处理与统计;采用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析,分析时采用具有标准差的平均值;不同处理间的多重比较采用最小显著差异法(LSD),显著水平设置为P<0.05;采用主成分分析法和隶属函数法[18]对铁心杉幼苗生长指标进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 肥料配比对铁心杉幼苗生长的影响

由表2可知,不同肥料配比下各处理组铁心杉幼苗在苗高、地径、根表面积、根直径、总根长、地上生物量、地下生物量和总生物量上存在显著差异(P<0.05)。其中,C8组幼苗的生长状况最好,总生物量达到了2.84 g,相比于对照组提高了181.19%;其次是C7、C12组;生长状况较差的是对照、C13、C3组。各处理组总生物量表现为:C8>C7>C12>C9>C4>C11>C6>C2>C1>C5>C10>C3>C13>对照。各处理中,C8组的苗高、根直径、地上生物量、地下生物量和总生物量最大,显著高于对照组(P<0.05),分别比对照组的苗高、根直径、地上生物量、地下生物量和总生物量提高了94.74%、29.67%、197.22%、133.33%、181.19%。

表2 不同肥料配比下铁心杉幼苗的生长指标1)Table 2 Growth indexes of red-heart C.lanceolate seedlings under different fertilizer ratios

2.2 肥料配比对铁心杉苗木质量指数的影响

由表2可知,不同肥料配比下各处理组铁心杉苗木质量指数存在显著差异(P<0.05)。各处理组苗木质量指数表现为:C8>C12>C11>C7>C4>C9>C2>C1>C5>C6>C10>C13>C3>对照。苗木质量指数最高的C8组与C12组的差异不显著(P>0.05),与其他处理组的差异显著(P<0.05);苗木质量指数最低的对照组与C3、C13、C10、C6、C5组的差异不显著(P>0.05),与其他施肥组的差异显著(P<0.05);C8组苗木质量指数比对照组提高了97.20%。

2.3 肥料配比对铁心杉幼苗叶片生理生化指标的影响

2.3.1 对MDA浓度的影响 图1A显示,不同肥料配比下,6—10月份各处理组铁心杉幼苗叶片的MDA浓度总体上呈先上升后下降的趋势。6月份各处理组的MDA浓度表现为对照>C2>C3>C10>C12>C9>C7>C6>C13>C11>C8>C1>C4>C5;MDA浓度最低的C5组(7.20 μmol·g-1)比浓度最高的对照组(14.55 μmol·g-1)下降了50.52%;C1～C13组的MDA浓度显著低于对照组,与对照组的差异均显著(P<0.05)。8月份各处理组的MDA浓度表现为C6>C1>C2>C13>C10>C3>C12>C11>对照>C4>C8>C7>C5>C9;MDA浓度最低的C9组(13.21 μmol·g-1)比浓度最高的C6组(26.67 μmol·g-1)下降了50.47%,比对照组(18.25 μmol·g-1)下降了27.62%;C4、C11、C12组的MDA浓度与对照组的差异不显著(P>0.05),其他施肥组与对照组的差异显著(P<0.05)。10月份各处理组的MDA浓度表现为C3>对照>C6>C7>C10>C11>C2>C12>C13>C1>C4>C8>C9>C5;MDA浓度最低的C5组(9.17 μmol·g-1)比浓度最高的C3组(15.13 μmol·g-1)下降了39.39%,比对照组(14.58 μmol·g-1)下降了37.11%;C3、C6、C7组的MDA浓度与对照组的差异不显著(P>0.05),其他施肥组与对照组的差异显著(P<0.05)。

图1 肥料配比对铁心杉幼苗叶片生理生化指标的影响Fig.1 Effect of fertilizer ratios on foliar physiological-biochemical indexes of red-heart C.lanceolate seedlings

2.3.2 对叶绿素含量的影响 图1B显示:不同肥料配比下,6—8月份各处理组铁心杉幼苗叶片的叶绿素含量呈上升趋势;8—10月份C1、C2、C8、C13组的叶绿素含量呈上升趋势,其他处理组呈下降趋势。6月份各处理组的叶绿素含量表现为C7>C5>C8>C10>C11>C3>C4>C12>C9>C6>C13>对照>C2>C1;叶绿素含量最高的C7组(4.20 mg·g-1)比最低的C1组(3.26 mg·g-1)提高了28.83%,比对照组(3.41 mg·g-1)提高了23.17%;C1、C2、C6、C13组的叶绿素含量与对照组的差异不显著(P>0.05),其他施肥组与对照组的差异显著(P<0.05)。8月份各处理组的叶绿素含量表现为C10>C5>C7>C4>C3>C12>C9>C11>C8>C6>C13>C2>对照>C1;叶绿素含量最高的C10组(5.15 mg·g-1)比最低的C1组(3.40 mg·g-1)提高了51.47%,比对照组(3.47 mg·g-1)提高了48.41%;C1、C2组的叶绿素含量与对照组的差异不显著(P>0.05),其他施肥组与对照组的差异显著(P<0.05)。10月份各处理组的叶绿素含量表现为C5>C4>C10>C8>C7>C13>C3>C2>C12>C11>C9>C1>C6>对照;叶绿素含量最高的C5组(4.80 mg·g-1)比最低的对照组(3.38 mg·g-1)提高了42.01%;C6组的叶绿素含量与对照组的差异不显著(P>0.05),其他施肥组与对照组的差异显著(P<0.05)。

2.3.3 对可溶性糖含量的影响 图1C显示,不同肥料配比下,6—10月份各处理组铁心杉幼苗叶片的可溶性糖含量呈上升趋势。6月份各处理组的可溶性糖含量表现为C3>C1>C8>C10>C5>C2>C9>C11>对照>C7>C6>C13>C12>C4;可溶性糖含量最高的C3组(11.20 mg·g-1)比含量最低的C4组(8.51 mg·g-1)提高了31.61%,比对照组(9.66 mg·g-1)提高了15.94%;C9、C11组的可溶性糖含量与对照组的差异不显著(P>0.05),其他施肥组与对照组的差异显著(P<0.05)。8月份各处理组的可溶性糖含量表现为C8>C5>C6>C11>C12>C10>C4>C3>C7>C1>C13>对照>C9>C2;可溶性糖含量最高的C8组(14.17 mg·g-1)比含量最低的C2组(10.55 mg·g-1)提高了34.31%,比对照组(10.98 mg·g-1)提高了29.05%;C9、C13组的可溶性糖含量与对照组的差异不显著(P>0.05),其他施肥组与对照组的差异显著(P<0.05)。10月份各处理组的可溶性糖含量表现为C3>C8>C1>C13>C12>C9>C11>C2>C6>C5>C10>C7>对照>C4;可溶性糖含量最高的C3组(14.87 mg·g-1)比含量最低的C4组(13.29 mg·g-1)提高了11.89%;C4、C7组的可溶性糖含量与对照组的差异不显著(P>0.05),其他施肥组与对照组的差异显著(P<0.05)。

2.3.4 对可溶性蛋白含量的影响 图1D显示,不同肥料配比下,6—10月份各处理组铁心杉幼苗叶片的可溶性蛋白含量呈上升趋势。6月份各处理组的可溶性蛋白含量表现为对照>C2>C1>C3>C6>C5>C8>C13>C10>C12>C9>C11>C7>C4;可溶性蛋白含量最高的对照组(7.21 mg·g-1)比最低的C4组(4.95 mg·g-1)提高了45.66%;C2组的可溶性蛋白含量与对照组的差异不显著(P>0.05),其他施肥组与对照组的差异显著(P<0.05)。8月份各处理组的可溶性蛋白含量表现为C7>C5>C11>对照>C13>C3>C6=C9>C1>C10>C2>C8>C4>C12;可溶性蛋白含量最高的C7组(15.53 mg·g-1)比最低的C12组(13.50 mg·g-1)提高了15.04%;C5、C7、C11、C13组的可溶性蛋白含量与对照组的差异不显著(P>0.05),其他施肥组与对照组的差异显著(P<0.05)。10月份各处理组的可溶性蛋白含量表现为C3>C8>C5>C2>C11>C7=C9>对照>C13>C6>C12>C10>C1>C4;可溶性蛋白含量最高的C3组(20.6 mg·g-1)比最低的C4组(17.15 mg·g-1)提高了20.12%;C2、C5、C7、C9、C11、C13组的可溶性蛋白含量与对照组的差异不显著(P>0.05),C1、C3、C4、C6、C8、C10、C12组与对照组的差异显著(P<0.05)。

2.3.5 对游离脯氨酸含量的影响 图1E显示,不同肥料配比下,6—10月份各处理组铁心杉幼苗叶片的游离脯氨酸含量总体上呈先上升后下降的趋势。6月份各处理组的游离脯氨酸含量表现为C10>C9>C4>C7>C8>C3>C13=C5>C2=C12>对照=C6>C11>C1;游离脯氨酸含量最高的C10组(217 μg·g-1)比含量最低的C1组(68 μg·g-1)提高了143.82%,比对照组(89 μg·g-1)提高了143.82%;C2、C6、C11、C12组的游离脯氨酸含量与对照组的差异不显著(P>0.05),其他施肥组与对照组的差异显著(P<0.05)。8月份各处理组的游离脯氨酸含量表现为C4>C7>C9>C3>C13>C10>C6>C5>C8>C11>C2>C12>C1>对照;游离脯氨酸含量最高的C4组(319 μg·g-1)比含量最低的对照组(107 μg·g-1)提高了198.13%;C1、C12组的游离脯氨酸含量与对照组的差异不显著(P>0.05),其他施肥组与对照组的差异显著(P<0.05)。10月份各处理组的游离脯氨酸含量表现为C13>C10>C9>C4>C7>C3>C5>C6>C8>C2>C12>C11>C1>对照;游离脯氨酸含量最高的C13组(249 μg·g-1)比含量最低的对照组(80 μg·g-1)提高了211.25%;C1组的游离脯氨酸含量与对照组的差异不显著(P>0.05),其他施肥组与对照组的差异显著(P<0.05)。

2.4 不同肥料配比下铁心杉幼苗生长指标的综合评价

2.4.1 主成分分析评价结果 采用主成分分析法对各处理组铁心杉幼苗的生长指标(苗高、地径、根表面积、根直径、总根长、地上生物量、地下生物量、总生物量)进行综合评价。结果(表3)显示,各处理组综合评价得分表现为:C8>C1>C11>C12>C10>C5>C4>C6>C7>C2>C9>C3>C13>对照。表明C8组的生长状况最佳,其次为C1、C11、C12组;对照组的生长状况最差,其次为C13、C3组。主成分分析结果与直接测定结果一致。

表3 不同肥料配比下铁心杉幼苗生长指标的主成分分析评价结果Table 3 Principal component analysis on growth indexes of red-heart C.lanceolate seedlings under different fertilizer ratios

2.4.2 隶属函数分析评价结果 将与铁心杉苗木质量相关的指标运用隶属函数法进行综合分析。结果(表4)显示,不同肥料配比下,各处理组隶属函数值表现为:C8>C1>C12>C11>C4>C10>C9>C7>C2>C5>C6>C3>C13>对照。综合各项指标显示,生长状况排名第一的是C8组,排名最后的是对照组。隶属函数分析结果与主成分分析结果一致,进一步证明了C8组的肥料配比对铁心杉幼苗生长的促进作用比其他处理组更好;未施肥的对照组的生长状况最差,表明与不施肥相比,施肥可以有效促进幼苗生长。

表4 不同肥料配比下铁心杉幼苗生长指标的隶属函数分析评价结果Table 4 Membership function analysis on growth indexes of red-heart C.lanceolate seedlings under different fertilizer ratios

3 讨论

施肥是提高植物苗木质量、促进幼苗生长的重要措施。本研究中,C8组铁心杉幼苗的苗高、根直径、地上生物量、地下生物量和总生物量较其他处理组大;苗木质量指数分析、主成分分析和隶属函数分析结果也表明C8组的生长状况最好;除C13组的根表面积、C7组的总根长、C3组的地下生物量比对照组略低外,其他施肥组的生长指标均高于对照组,表明施肥显著促进了铁心杉幼苗的生长,此结果与赖慧捷等[19]的研究结果一致。但也有研究表明,较高和较低的施肥量均不利于杉木幼苗的生长,施肥量过少时,不能提供满足幼苗生长所需的营养元素,导致其生长状况欠佳;施肥量过多时,容易产生毒害从而抑制幼苗生长甚至产生烧苗的现象[20-21]。本研究中,施N量最高的C10组、施P量最高的C6组和施K量最高的C9组,其铁心杉幼苗的生长状况都没有C8组好。

本研究中,在铁心杉幼苗叶片生理指标方面,后期施肥组的叶绿素、可溶性糖和可溶性蛋白含量均显著高于对照组(P<0.05);10月份叶绿素含量最高的C5组比对照组提高了42.11%,可溶性糖含量最高的C3组比对照组提高了11.66%,可溶性蛋白含量最高的C3组比对照组提高了13.82%:表明施肥可以显著提高叶绿素、可溶性糖和可溶性蛋白含量。C5组适宜的N、P、K配比能显著提高铁心杉幼苗叶片的叶绿素含量,以便更好地进行光合作用;对C3组铁心杉幼苗施用了适量的N、K肥,没有施用P肥,叶片可溶性糖含量较高的原因可能是缺P导致植物体内碳水化合物代谢受阻,造成糖分积累,此结果与熊露露等[22]的研究结果相同;8月份C6组铁心杉幼苗叶片的MDA浓度显著高于其他处理组,可能是高温、强光或施P量过多对叶片细胞膜造成了损伤。总体而言,除可溶性糖和可溶性蛋白含量在6—10月份呈上升的趋势外,MDA浓度及叶绿素、游离脯氨酸含量呈先上升后下降的趋势。这可能是因为6—8月份铁心杉幼苗处于生长旺盛阶段,可溶性糖和可溶性蛋白含量不断积累;8—10月份幼苗生长速率下降,导致可溶性糖和可溶性蛋白含量增加速度放缓;同时,6—8月份光照较强,叶绿素含量增大有助于更好地进行光合作用,但此时部分叶片细胞膜可能因为高温或光照过强受到伤害从而导致MDA浓度和游离脯氨酸含量上升[23];到了10月份,温度和光照强度下降,叶绿素含量也减少,叶片细胞膜逐渐修复使MDA浓度和游离脯氨酸含量下降。

本研究对不同肥料配比下铁心杉幼苗叶片的生长和生理生化指标进行了探究,但N、P、K各4个施肥水平等级均以0.5 g为级差,各元素实际最佳施用量可能位于两个施肥水平等级之间,后续可将施肥水平划分得更为详细,以得到更加准确和科学的施肥方案,为铁心杉的高效培育和推广提供依据,以缩短育苗周期、降低育苗成本、提高造林成活率。

4 结论

不同肥料配比对铁心杉幼苗的苗高、地径、生物量及根系生长有显著的促进作用,但施肥量不足或过量则不利于苗木的生长,甚至会损伤细胞膜;铁心杉幼苗生长最适宜的施肥配方为N2P2K1(每盆施1.0 g N、1.0 g P、0.5 g K),在此施肥配方下,铁心杉幼苗的苗高、根直径、地上生物量、地下生物量和总生物量均达到最大值,其他指标也处于中上水平;与不施肥相比,合理施肥能有效提高铁心杉幼苗叶片的叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白和游离脯氨酸含量,并降低MDA浓度。