二代杉木良種苗木的施肥配方研究

宋政凱， 李惠通， 賴慧捷， 任衍敏， 蘇 鐵， 劉愛琴

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建福州350002；2.國(guó)家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建福州350002；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100)

杉木[Cunninghamia lanceolate(Lamb.)Hook.]具有生長(zhǎng)快、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的特點(diǎn)，是我國(guó)重要的造林樹種，也是目前我國(guó)人工林中面積最大的造林樹種[1-2]。近年來(lái)，隨著杉木育種水平的提高，大量二代杉木良種得到了廣泛的應(yīng)用，這些良種生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、對(duì)林地養(yǎng)分需求高，傳統(tǒng)的杉木育苗配方施肥已明顯不能滿足其養(yǎng)分需求，因此，篩選適合二代杉木良種育苗的施肥配方成為當(dāng)前杉木林經(jīng)營(yíng)中亟待解決的重要課題。

營(yíng)養(yǎng)診斷是一項(xiàng)重要的營(yíng)林技術(shù)，有助于科學(xué)施肥和調(diào)控林木的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，以達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效的目標(biāo)。植物需肥診斷一般有7種分析方法[3]，其中，綜合營(yíng)養(yǎng)診斷施肥法(diagnosis and recommendation integrated system，DRIS)[4-5]和肥料效應(yīng)函數(shù)法[6-7]是兩種常用的分析方法。DRIS是以養(yǎng)分平衡理論為依據(jù)，以植物體內(nèi)養(yǎng)分濃度比值為診斷指標(biāo)，將測(cè)定的營(yíng)養(yǎng)元素含量值與建立起的DRIS標(biāo)準(zhǔn)值相比較來(lái)確定植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的需求次序[8-9]。肥料效應(yīng)函數(shù)法是以 “3414”試驗(yàn)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，構(gòu)建肥料效應(yīng)函數(shù)擬合模型[7]，再根據(jù)模型計(jì)算出推薦施肥量及肥料間的交互效應(yīng)等施肥參數(shù)，具有直觀、簡(jiǎn)便易行和利于宏觀調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)[6]。有學(xué)者指出，DRIS的診斷結(jié)果只是反映了營(yíng)養(yǎng)元素之間的相對(duì)平衡狀態(tài)，容易受變異系數(shù)影響，由于營(yíng)養(yǎng)水平的高或低也可能因養(yǎng)分間的不平衡造成養(yǎng)分過(guò)多或缺乏的假象，導(dǎo)致診斷結(jié)果的偏差，使用時(shí)還需與其它方法相結(jié)合[9]。肥料效應(yīng)函數(shù)法在農(nóng)作物栽培領(lǐng)域應(yīng)用較多[10-11]，在林業(yè)中的應(yīng)用研究較少，僅在少數(shù)經(jīng)濟(jì)樹種中應(yīng)用[5，12]。鑒于此，以經(jīng)遺傳改良的二代杉木良種苗木為研究對(duì)象，采用 “3414”法設(shè)計(jì)氮(N)、磷(P)、鉀(K)和微量元素硼(B)、鋅(Zn)配方，進(jìn)行二代杉木良種配方施肥盆栽試驗(yàn)，利用DRIS和肥料效應(yīng)函數(shù)進(jìn)行配方施肥分析，比較不同施肥配方對(duì)杉木生長(zhǎng)的影響，篩選適合二代杉木育苗的最佳施肥配方，為提高二代杉木良種苗木的生長(zhǎng)質(zhì)量和杉木人工林合理施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

盆栽試驗(yàn)在福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院溫室大棚(26°04′58″N， 119°14′13″E)內(nèi)進(jìn)行， 該地屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，常年溫暖濕潤(rùn)、雨量充沛，全年無(wú)霜期326 d，年平均氣溫16～20℃，最高氣溫40.2℃，最低氣溫0.2℃，年平均日照時(shí)間1 700～1 980 h，年平均降水量1 980 mm，年相對(duì)濕度77%。

1.2 試驗(yàn)材料

供試苗木為長(zhǎng)勢(shì)一致、生長(zhǎng)良好的半年生36號(hào)家系二代杉木實(shí)生苗。用干凈河沙(過(guò)2 mm篩)和吸飽純水的聚丙烯酸鈉鹽保水劑按體積比3∶1的比例混合作為培養(yǎng)基質(zhì)，每盆基質(zhì)干質(zhì)量3.5 kg，其中有機(jī)質(zhì)、全N、全P和全K含量分別為2.54、0.14、0.07和20.56 g·kg-1，水解N、有效P和速效K含量分別為28.18、0.96和35.52 mg·kg-1，pH值4.63。培養(yǎng)容器為口徑19 cm、高18 cm的聚乙烯塑料花盆，每盆種植1株，緩苗2周后進(jìn)行施肥處理。

供試肥料為福州聯(lián)友化玻有限公司生產(chǎn)的尿素(N素的質(zhì)量百分含量46%)、過(guò)磷酸鈣(P2O5的質(zhì)量百分含量16%)和氯化鉀(K2O的質(zhì)量百分含量60%)，B、Zn分別選用硼酸(有效B的質(zhì)量百分含量11%)和乙二胺四乙酸鋅鈉(Zn的質(zhì)量百分含量15%)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用 “3414”完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，在N、P、K 3個(gè)因素、4個(gè)水平、14個(gè)處理的基礎(chǔ)上，增加B、Zn兩種微量元素處理，共28個(gè)施肥處理(表1)，每個(gè)處理重復(fù)4次，合計(jì)112盆。二代杉木需肥量比普通杉木大，因此，采用《杉木苗期栽培營(yíng)養(yǎng)的研究》[13]推薦的最優(yōu)肥料配比上限進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 配方施肥試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)Table 1 Factors and level design of formula fertilization experiment

1.4 苗期管理

2015年8月20日—2016年9月1日進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，分別于2015年10月12日、2016年3月12日、2016年6月12日和2016年7月12日進(jìn)行4次施肥處理，施肥量分別為施肥總量的20%、30%、40%和10%處理。

1.5 測(cè)定方法

1.5.1 生物量和養(yǎng)分含量的測(cè)定 分別收獲根、莖、葉，采用烘干秤重法測(cè)定其生物量。用碳氮元素分析儀(Elementar，VarioIII，德國(guó))測(cè)定C、N含量，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES，Pekin-Elmer，美國(guó))測(cè)定P、K、B、Zn含量。

1.5.2 綜合營(yíng)養(yǎng)診斷施肥法分析 DRIS有圖解法和指數(shù)法兩種，指數(shù)法的實(shí)際指導(dǎo)意義較大[14]，故選用指數(shù)法進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)診斷。通過(guò)構(gòu)建函數(shù)計(jì)算N、P、K元素的DRIS指數(shù)，可準(zhǔn)確診斷苗木的需肥順序和需肥緊迫程度[15-16]。所有元素的DRIS指數(shù)絕對(duì)值的代數(shù)和稱為養(yǎng)分不平衡指數(shù)(nutrient imbalance index，INI)[14]，INI越小，說(shuō)明樹體營(yíng)養(yǎng)元素間越平衡。N、P、K、B、Zn診斷指數(shù)的計(jì)算通式[4，17]如下:

式中:A表示被診斷營(yíng)養(yǎng)元素；B、C、Z表示與A組成比例的其他營(yíng)養(yǎng)元素；IA表示A元素的DRIS指數(shù)；f(A/B)表示A、B兩元素比值的函數(shù)；n為參與營(yíng)養(yǎng)診斷的元素種類數(shù)。

式中:X、Y為任意兩元素質(zhì)量百分含量的實(shí)測(cè)值；CV表示高產(chǎn)組比值的變異系數(shù)；x/y為相對(duì)應(yīng)的高產(chǎn)組元素質(zhì)量百分含量比值的均值。當(dāng)f(X/Y)＜0時(shí)，表明X元素不足，而Y元素過(guò)量；當(dāng)f(X/Y)＝0時(shí)，表明兩種元素平衡；當(dāng)f(X/Y)＞0時(shí)，表明X元素過(guò)量，Y元素不足。

1.5.3 肥料效應(yīng)函數(shù)分析 根據(jù)不同施肥處理下苗木的質(zhì)量指數(shù)，建立杉木苗期施肥試驗(yàn)的肥料效應(yīng)函數(shù)回歸方程，通過(guò)求解回歸方程的極值，計(jì)算出理論最優(yōu)解，即苗木的最優(yōu)施肥量。當(dāng)求出值為負(fù)值時(shí)，意味著施肥不增產(chǎn)，推薦的施肥量可視為0。在選用方程式時(shí)，選擇所求最佳理論施肥量為正值且復(fù)測(cè)定系數(shù)(R2)和復(fù)相關(guān)系數(shù)較高的肥料效應(yīng)回歸方程。

苗木質(zhì)量指數(shù)＝苗木總干質(zhì)量/[(苗高/地徑)+(莖干質(zhì)量/根干質(zhì)量)]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 17.0、Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)杉木苗木生物量的影響

不同施肥處理對(duì)盆栽杉木苗生物量的影響如圖1所示，所有施肥處理對(duì)杉木苗木生物量的影響均達(dá)顯著水平(P＜0.01)。除處理2、4、24和26外，有微肥處理的生物量均高于無(wú)微肥處理。所有施肥處理中，生物量最高的為處理11、22，分別是對(duì)照(處理1、2)的1.83和1.95倍，處理22較處理11高6.40%。按照DRIS[5，18]的要求，將不同處理按苗木生物量高低分成高產(chǎn)組和低產(chǎn)組，無(wú)微肥處理中，高產(chǎn)組的處理號(hào)分別為11、21、23、25，其余10個(gè)處理為低產(chǎn)組；有微肥處理中，高產(chǎn)組的處理號(hào)分別為6、12、14、20、22、24、26，其余7個(gè)處理為低產(chǎn)組。

圖1 不同施肥處理對(duì)杉木苗木生物量的影響Figure 1 Effects of fertilization on biomass of Chinese fir seedlings

2.2 不同施肥處理的綜合營(yíng)養(yǎng)診斷施肥法診斷參數(shù)

對(duì)高產(chǎn)組和低產(chǎn)組中每?jī)蓚€(gè)元素的含量比及其倒數(shù)的形式(如N/P、P/N)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共40個(gè)診斷參數(shù)，分別計(jì)算其平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)及方差，并對(duì)方差比進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。每對(duì)表示形式只選擇差異性最顯著或方差比值較大的1個(gè)作為重要參數(shù)，最終選取20個(gè)診斷參數(shù)(表2)。大部分高產(chǎn)組的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均比低產(chǎn)組小，表明高產(chǎn)組杉木苗體內(nèi)養(yǎng)分含量較低產(chǎn)組杉木苗平衡，低產(chǎn)組杉木苗體內(nèi)不同養(yǎng)分含量的比例嚴(yán)重失衡。

表2 杉木苗木綜合營(yíng)養(yǎng)診斷施肥法的診斷參數(shù)Table 2 Diagnosis and recommendation integrated system diagnostic parameter statistics of Chinese fir seedlings

2.3 不同施肥處理的綜合營(yíng)養(yǎng)診斷施肥法分析

通過(guò)公式(2)、(3)計(jì)算各參數(shù)的函數(shù)值，進(jìn)而根據(jù)公式(1)計(jì)算各個(gè)元素的DRIS指數(shù)，得出苗木對(duì)某一元素需要的強(qiáng)度及各種元素的平衡狀況，結(jié)果如表3所示。無(wú)微肥處理中，處理13的INI最小，說(shuō)明其N、P、K養(yǎng)分含量較其它處理相對(duì)平衡。其中，N、P、K、B、Zn元素的DRIS指數(shù)最高的處理分別為17、1、3、3、11，表明這些處理相應(yīng)元素含量過(guò)剩，應(yīng)適當(dāng)減少相應(yīng)元素的施肥量；N、P、K、B、Zn元素的DRIS指數(shù)最低的處理分別為處理3、11、15、17、15，表明這些處理相應(yīng)元素含量不足，應(yīng)適當(dāng)增加相應(yīng)元素的施肥量。根據(jù)需肥順序排在首位的數(shù)量可看出，K、B排在首位的數(shù)量最多(均為4次)，表明二代杉木良種苗木對(duì)K肥需求量大，其次是N肥和P肥。因此，無(wú)微肥處理的平衡施肥應(yīng)注重K肥的施用，以滿足苗木養(yǎng)分需求。

有微肥處理中處理12的INI最小，說(shuō)明該處理的N、P、K養(yǎng)分相對(duì)平衡。其中，N、P、K、B、Zn元素的DRIS指數(shù)最高的處理分別為18、2、4、2、24，表明這些處理相應(yīng)元素的施肥量過(guò)高，應(yīng)適當(dāng)減少相應(yīng)元素的施肥量；N、P、K、B、Zn元素的DRIS指數(shù)最低的處理分別為2、18、16、22、4，表明應(yīng)適當(dāng)增加處理中對(duì)應(yīng)元素的施肥量。此外需肥順序中N、Zn排在首位的數(shù)量最多，均為4次。根據(jù)需肥順序排在首位的數(shù)量可看出，在施入微肥后，二代杉木良種苗木對(duì)N肥需求量大，其次是P肥，對(duì)K肥需求量較小。因此，有微肥處理的平衡施肥應(yīng)注重N肥的施用，以滿足苗木的養(yǎng)分需求。

INI綜合指數(shù)最小的是處理12，其次是處理20和處理14，說(shuō)明這3個(gè)處理的苗木體內(nèi)各營(yíng)養(yǎng)元素含量相對(duì)平衡，是杉木苗期施肥的合適配比。此時(shí)，N、P、K的養(yǎng)分濃度比例分別是2.06∶1∶1.76、2.06∶1∶2.65和1.37∶1∶1.18，而且這3個(gè)處理中均有增施微肥，可見，微肥對(duì)二代杉木良種苗木體內(nèi)的養(yǎng)分平衡有重要作用。

表3 基于綜合營(yíng)養(yǎng)診斷施肥法診斷的杉木苗木養(yǎng)分需求Table 3 Diagnosis and recommendation integrated system index method of nutrient requirements of Chinese fir seedlings

2.4 不同施肥處理對(duì)杉木苗木質(zhì)量指數(shù)的影響

苗木質(zhì)量指數(shù)能夠綜合反映苗木質(zhì)量?jī)?yōu)劣，指數(shù)越大，苗木質(zhì)量越好[19]。不同施肥處理對(duì)杉木苗木質(zhì)量指數(shù)的影響如圖2所示。與無(wú)微肥處理相比，有微肥處理的苗木質(zhì)量指數(shù)整體上有所提高，有10個(gè)微肥處理高于相應(yīng)的無(wú)微肥處理，占比高達(dá)71.43%，除處理8顯著高于處理7外，其余均未達(dá)到顯著差異。其中，有微肥處理的最高質(zhì)量指數(shù)(處理12)較無(wú)微肥處理中最高質(zhì)量指數(shù)(處理11)高10.10%，而有微肥處理中最低質(zhì)量指數(shù)為處理2，較無(wú)微肥處理中最低質(zhì)量指數(shù)(處理7)高29.32%。

圖2 不同施肥處理對(duì)杉木苗木質(zhì)量指數(shù)的影響Figure 2 Effects of fertilization on quality index about Chinese fir seedlings

2.5 肥料效應(yīng)回歸方程與理論施肥量分析

根據(jù)不同施肥處理下杉木苗木的質(zhì)量指數(shù)，建立杉木苗期施肥試驗(yàn)的肥料效應(yīng)函數(shù)回歸方程，優(yōu)選的肥料效應(yīng)函數(shù)回歸方程見表4。理論施肥量是通過(guò)被選中方程式所對(duì)應(yīng)的各個(gè)肥效的施肥量求均值而得，由此可得出無(wú)微肥處理N、P、K的理論施肥量分別為0.407、0.193和0.262 g·kg-1，與試驗(yàn)中的均衡施肥處理N、P、K施肥量0.350、0.170和0.300 g·kg-1較為接近。有微肥處理N、P、K理論施肥量分別為0.474、0.214和0.273 g·kg-1，沒有施肥量與之相近的試驗(yàn)處理。

表4 施肥試驗(yàn)的肥料效應(yīng)回歸方程與施肥量Table 4 Regression equation of fertilizer effect and fertilizer application rate in fertilization experiment

3 討論與結(jié)論

無(wú)微肥處理的杉木苗需肥順序?yàn)镵＞N＞P，有微肥處理的杉木苗需肥順序?yàn)镹＞P＞K，表明施加微肥使得杉木幼苗對(duì)養(yǎng)分需求程度發(fā)生了變化。有學(xué)者指出，Zn與K之間存在協(xié)同作用，施Zn肥能提高苗木對(duì)K的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力[20]，進(jìn)而使得苗木對(duì)K肥的需求程度相對(duì)降低。李惠通等[21]通過(guò)對(duì)杉木苗N、P和K的營(yíng)養(yǎng)診斷研究得出，杉木苗的需肥次序?yàn)镵＞P＞N，與本試驗(yàn)無(wú)微肥處理的杉木苗需肥次序存在差異，可能與肥料的可溶性和試驗(yàn)苗木家系有關(guān)，但排在需肥首位的都是K肥，表明無(wú)微肥處理的杉木對(duì)K肥需求量大。目前，有微肥處理的杉木苗DRIS營(yíng)養(yǎng)診斷研究鮮見報(bào)道，下一步可進(jìn)一步深入研究。

通過(guò)DRIS營(yíng)養(yǎng)診斷得出，INI最小的3個(gè)施肥處理(處理12、14、20)是杉木苗期施肥最合適配比。其中，N、P、K的最優(yōu)養(yǎng)分濃度比例為2.06∶1∶1.76，這與牛寧[22]通過(guò)不同配比施肥試驗(yàn)得出的N、P、K各養(yǎng)分濃度的比值為2.3∶1∶1.6接近。INI最小的3個(gè)處理均是有施微肥處理，此外，施微肥處理較無(wú)微肥處理的苗木生物量和苗木質(zhì)量指數(shù)整體上都有所提高，表明微肥的施用對(duì)杉木苗體內(nèi)養(yǎng)分含量的平衡和生長(zhǎng)有重要作用。

通過(guò)肥料效應(yīng)函數(shù)得出，無(wú)微肥處理中，N、P、K的理論最佳施肥量分別為0.407、0.193和0.262 g·kg-1。有微肥處理中，N、P、K的理論最佳施肥量分別為0.474、0.214和0.273 g·kg-1。有無(wú)微肥處理的最佳施肥量相差不大，只是在有微肥處理中3種元素的需求量都稍高于無(wú)微肥處理，這是5種元素良好供應(yīng)的結(jié)果，也說(shuō)明了5種元素之間存在相互促進(jìn)的配合效應(yīng)[23]。范少輝等[13]對(duì)杉木苗期栽培營(yíng)養(yǎng)的研究表明，N、P、K的最佳施用量分別為0.080～0.120、0.048～0.072和0.032～0.135 g·kg-1。李惠通等[21]的研究表明，N、P、K肥最佳施用量分別為0.051、0.027和0.134 g·kg-1，但本試驗(yàn)的供試苗木為二代速生杉木半年生實(shí)生苗，對(duì)養(yǎng)分需求大大提高。同時(shí)，由于在室內(nèi)大棚進(jìn)行盆栽施肥試驗(yàn)，受到光、熱、水分、基質(zhì)和施肥量等因素的影響，這些因素都可能是導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與其它研究存在差異的原因。

由于DRIS中的指數(shù)法僅以各養(yǎng)分元素比值為指標(biāo)，在田間條件下，當(dāng)兩種營(yíng)養(yǎng)元素同時(shí)成等比例的偏高或偏低變化時(shí)，都可能使其比例處于適宜范圍內(nèi)，容易出現(xiàn)診斷誤差[24-26]。因此，采用兩種診斷方法，可以提高診斷的精確性和可靠性，篩選出杉木苗期施肥最優(yōu)配比。雖然這兩種方法得出的最佳施肥量有差異，但均是基于其理論計(jì)算得出的，每種方法均有側(cè)重點(diǎn)和可取之處。理論最佳施肥量應(yīng)該是一個(gè)區(qū)間，不同方法得出的結(jié)果有差異，需經(jīng)過(guò)多年的重復(fù)試驗(yàn)研究和大量數(shù)據(jù)分析才能獲得精確的最佳施肥量。施肥時(shí)除考慮苗木種類、土壤等因素外，也應(yīng)考慮到采用不同統(tǒng)計(jì)方法獲得的最佳施肥量的差異，對(duì)于不同統(tǒng)計(jì)方法得出的施肥量在田間試驗(yàn)中對(duì)杉木苗生長(zhǎng)的影響還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。本研究?jī)H探討了溫室中不同施肥配比對(duì)杉木苗木生長(zhǎng)的影響，今后要加強(qiáng)對(duì)杉木野外造林配方施肥驗(yàn)證研究，才能更好地得出二代杉木良種苗木對(duì)環(huán)境養(yǎng)分的真正需求。