水培條件下氮磷鉀配比施肥對木荷幼苗生長的影響*

羅婷，康洪梅，楊文忠，張珊珊

(1.云南省林業(yè)和草原科學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南省森林培育與開發(fā)利用重點(diǎn)實驗室/國家林業(yè)局云南珍稀瀕特森林植物保護(hù)和繁育重點(diǎn)實驗室，云南 昆明 650201)

森林培育中，常根據(jù)苗木維持正常生長對營養(yǎng)元素的需求并結(jié)合土壤肥力對苗木進(jìn)行施肥管理，以最優(yōu)地滿足苗木生長，提高產(chǎn)量和質(zhì)量[1]。苗木施肥主要是用氮、磷、鉀肥，研究苗木生長的適宜施肥量，對提高苗木質(zhì)量、增加造林成活率，對探索苗木在進(jìn)化過程中外界環(huán)境與生長、生理的關(guān)系，對林業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的促進(jìn)意義[2]。眾多的礦質(zhì)元素在苗木體內(nèi)相互關(guān)系錯綜復(fù)雜，在苗木生理活動中它們之間保持著一定的均衡關(guān)系[3]。

傳統(tǒng)的苗木肥料試驗多用土壤作為基質(zhì)，這在肥水管理和病蟲害防治上有一定的難度，且土壤本身就含有一定的營養(yǎng)元素，這會對營養(yǎng)元素缺乏癥研究結(jié)果造成一定的影響。而營養(yǎng)水培系統(tǒng)，減少了育苗占地、土壤污染和病蟲害，還能更精準(zhǔn)地控制各種營養(yǎng)元素的缺失和用量，對植物營養(yǎng)缺乏癥的研究更為適宜，能更精準(zhǔn)的得到植物不同培育要求所需的施肥水平。Hoagland營養(yǎng)液中含有氮、磷、鉀、鈣、鎂等植物所需的營養(yǎng)元素，得到了大家的廣泛認(rèn)可并成為了水培營養(yǎng)液配置的標(biāo)準(zhǔn)配方[4]。

木荷(Schimasuperba)為山茶科( Theaceae) 木荷屬 (Schima)珍貴樹種，具有較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性和較好的耐火、抗火性，是南方常用的營造森林防火帶和改造林分的主要造林樹種之一[5]。木荷屬植物有13種，主要分布于中國亞熱帶地區(qū)，云南是我國亞熱帶地區(qū)木荷物種豐富度、稀有加權(quán)豐富度最高的地區(qū)[6]。適度的人為和自然干擾形成的林窗支持了木荷屬植物物種更新的建立，形成了云南亞熱帶景觀中林分結(jié)構(gòu)的鑲嵌。通過對木荷林分結(jié)構(gòu)和光合特性研究發(fā)現(xiàn)，木荷屬植物兼具耐蔭和喜蔭特性[5]，且是云南原生或次生亞熱帶常綠闊葉林中的優(yōu)勢種之一[6]。木荷可用于林地恢復(fù)項目，以恢復(fù)作為亞熱帶常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)一部分的原生林[7]。以往對木荷的研究多集中在容器苗育苗技術(shù)[7-8]、幼苗光合特性[9]、生物防火[10]、林分結(jié)構(gòu)[6]、生殖遺傳特性等[11]，對幼苗施肥管理方面幾乎未見報道，陳增祿等[9]研究發(fā)現(xiàn)，施肥相比除草對木荷人工林的影響更顯著。合理施肥不僅可以提高植物的抗逆性，還是改善林地土壤肥力、促進(jìn)林木生長、提高生產(chǎn)力的重要途徑[12-14]。

本文基于Hoagland營養(yǎng)液配方[15]對木荷進(jìn)行水培營養(yǎng)研究，并通過控制氮磷鉀元素來探明木荷幼苗生長與氮磷鉀肥的配比關(guān)系，制定出合理的施肥方案，對今后木荷在森林恢復(fù)、低效林改造、推廣種植等林業(yè)生產(chǎn)中有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用苗為無病蟲害、長勢基本一致的1月齡木荷幼苗。將漂浮育苗盤放在周轉(zhuǎn)箱中作為水培育苗設(shè)施，每個處理1個周轉(zhuǎn)箱，1個漂浮育苗盤種植12株幼苗(12個重復(fù))，共432株幼苗。根據(jù)試驗需要，在Hoagland營養(yǎng)液的基礎(chǔ)上對水培營養(yǎng)液進(jìn)行了改良，以0.015 mol/L氮、0.001 mol/L磷、0.006 mol/L鉀、0.493 mol/L MgSO4濃度的營養(yǎng)液為母液。

1.2 試驗方法

本試驗在云南省林業(yè)和草原科學(xué)院樹木園溫室內(nèi)進(jìn)行，缺素水平處理用SPSS 16.0作N、P、K 3因素6水平正交試驗設(shè)計，即氮、磷、鉀3種元素分別配制成母液濃度的0、0.5、1、1.5、2、2.5倍，共36個處理。

基于正交試驗設(shè)計，用純凈水配置不同處理的營養(yǎng)液，營養(yǎng)液配置時，在母液的基礎(chǔ)上微量元素及鐵鹽濃度保持不變，缺氮處理設(shè)計為將母液中的含氮化合物替換為0.002 5 mol/L的K2SO4、0.004 mol/L的CaSO4；缺磷處理則是將母液中的KH2PO4去除，并將KNO3濃度調(diào)整為0.006 mol/L；缺鉀處理是將母液中的KNO3去除，KH2PO4替換為0.000 5 mol/L的Ca(H2PO4)2(表1)。根據(jù)實際蒸發(fā)量，每5 d添加1次純凈水到原始水位，每30 d更換1次營養(yǎng)液。并在周轉(zhuǎn)箱中添加4～5滴氯霉素滴眼液，防止藻類生長。試驗期限6個月。

1.3 指標(biāo)的測定及數(shù)據(jù)分析

株高用直尺測量植株漂浮育苗盤處至頂芽的高度，定植時測量1次，試驗結(jié)束時測量1次。試驗結(jié)束后測量植物生物量，取植株洗凈并用紙巾吸干水分后從根部剪斷，測量其地上、地下鮮重；將植株放烘箱80 ℃烘干后分別稱重測量其生物量，根冠比為地下部分生物量與地上部分生物量的比值。

試驗結(jié)束后，每個處理所有苗木選取同一部位的功能葉片，取混合樣3份用以測定生理指標(biāo)。葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、丙二醛(MDA)、可溶性蛋白(SP)均采用試劑盒(微板法)進(jìn)行測定。

用軟件Excel 和SPSS 19.0對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對木荷幼苗生長指標(biāo)的影響

根據(jù)試驗結(jié)果(表1)可以看出，處理6(N0P2.5K2.5)、19(N1.5P0K1.5)、36(N2.5P2.5K2)的幼苗死亡，說明這3個氮磷鉀配比完全不適合木荷幼苗生長；處理15的幼苗長勢最好，其次是處理22、處理9；長勢最差的是處理12、其次是處理30、處理18、處理31(N2.5P0K2.5)、處理1(N0P0K0)；處理15號與22號地下鮮重差異不顯著，處理號1、7、12、18、25、30、31的地上鮮重差異不顯著，處理號1、12、18、22、25、30、31的地下鮮重不存在顯著差異，處理號12、18、30的株高無顯著差異。相比不添加氮磷鉀肥的處理1，處理15的木荷幼苗地上鮮重高了5 197.91%，地下鮮重增加了2 455.77%，株高高了732.71%，可見合理的施肥對幼苗生長有顯著的促進(jìn)作用。

表1 施肥處理對木荷幼苗生長指標(biāo)的影響Tab.1 Effects of different fertilization treatments on the growth of S.superba seedlings

木荷幼苗的生物量處理15最大，相比不添加氮磷鉀的處理1總生物量增加了3 942.53%，總生物量積累最少的是處理12。處理1、7、12、18、20、25、30、31號地上部分生物量差異不顯著，處理號1、7、12、13、18、20、25、30、31的地下部分生物量差異不顯著，處理1、7、12、18、25、30、31號的總生物量無顯著差異。根冠比值最大的是處理12號，其次是18號，最小的是處理27號。

不同水平間的方差分析結(jié)果(表2)顯示，氮磷鉀肥濃度過高不適宜木荷生長。各生長指標(biāo)隨著氮肥濃度的增加逐漸增大然后又緩慢降低，整體變動幅度不大，在N1水平值最大，N2.5水平時最低；P1水平時各生長指標(biāo)值最大，說明適當(dāng)濃度的磷可以促進(jìn)木荷幼苗的生長，隨著磷肥濃度的增加，木荷幼苗生長指標(biāo)呈降低趨勢；K0和K1水平的地上鮮重差異不顯著，K2和K2.5水平的地下鮮重差異不顯著，K0.5水平下生長指標(biāo)值顯著高于其余水平，說明低水平鉀肥對木荷幼苗活性影響顯著，隨著鉀肥濃度水平的升高，木荷幼苗生長指標(biāo)越低。

表2 氮磷鉀不同水平對木荷幼苗生長指標(biāo)影響的多重比較Tab.2 Multiple comparison of the effects of different levels of nitrogen,phosphorus and potassiumon the growth of S.superba seedlings

氮肥磷肥過高或是過低都會抑制木荷幼苗生物量的積累，隨著氮肥和磷肥濃度的增加，地上、地下部分生物量和總生物量呈先增后降的趨勢，在N1、P1、K0.5水平時達(dá)到最大；低濃度鉀肥對木荷幼苗生物量積累有顯著的促進(jìn)作用，在K0.5水平時最佳，濃度越高幼苗生物量積累越少；K2和K2.5水平的地下部分干重指標(biāo)不存在顯著差異。在N0.5、P2.5、K1.5水平時根冠比最大。

2.2 不同施肥處理對木荷幼苗生理指標(biāo)的影響

不同水培營養(yǎng)液配比條件下，木荷幼苗葉片的生理指標(biāo)響應(yīng)情況見表3。可以看出，生理指標(biāo)SOD、POD、CAT、SP都在處理15時值最優(yōu)，處理12的各指標(biāo)值最低，處理15和22的CAT活性無顯著差異；Pro、MDA含量在處理12號時達(dá)到最大，處理15時最低。相比不施肥處理1，處理15的SOD活性增加了1 253.91%、POD活性增加了575.06%、CAT活性增加了456.95%、SP含量增加了273.41%、MDA含量降低了424.21%、Pro含量降低了377.31%。

表3 施肥處理對木荷幼苗生理指標(biāo)的影響Tab.3 Effects of different fertilization treatments on physiological indexes of S.superba seedlings

通過對木荷生理指標(biāo)多重比較得到表4，可以看出，生理指標(biāo)SOD、POD、CAT、SP值均隨著氮磷鉀肥料濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在N1、P1、K0.5水平時達(dá)到最大，在N2.5、P2.5、K2.5水平時值最低，說明高濃度氮磷鉀肥料明顯抑制木荷幼苗生長。Pro含量隨著氮磷鉀肥料濃度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢，施肥水平越高，其值顯著增高，表明高濃度施肥水平下細(xì)胞膜透性越高損傷越大。MDA是反映膜脂過氧化的重要指標(biāo)，在N0、P1、K2.5水平時積累量最大，且N0.5、N2.5水平時MDA含量無顯著差異。

表4 氮磷鉀不同水平對木荷幼苗生理指標(biāo)的多重比較Tab.4 Multiple comparison of physiological indexes of S.superba seedlings atdifferent levels of nitrogen, phosphorus and potassium

3 討論與結(jié)論

3.1 水培條件下不同氮磷鉀肥配比對木荷幼苗生長指標(biāo)的影響

氮磷鉀肥是植物生長過程中所需的重要的大量元素，水培條件下，不同的氮磷鉀配比營養(yǎng)液對木荷幼苗生長有顯著的影響，試驗結(jié)束后，處理6(N0P2.5K2.5)、19(N1.5P0K1.5)、36(N2.5P2.5K2)的幼苗死亡，處理15號(N1P1K0.5)木荷幼苗長勢最好，其株高、地上鮮重、地下鮮重均達(dá)到最大，處理12(N0.5P2.5K0)、30(N2P2.5K2.5)、18(N1P2.5K1.5)、31(N2.5P0K2.5)幼苗長勢不如不施肥處理1(N0P0K0)。植物的生長情況能夠直觀的反應(yīng)出植物是否健壯，說明施肥總體上能促進(jìn)木荷幼苗生長，但是不合理的肥料配比反而抑制幼苗正常生長。本試驗中，木荷幼苗的株高、地上鮮重、地下鮮重均隨著肥料水平的增高呈現(xiàn)先增加后降低，說明在合適的施肥范圍內(nèi)，會顯著促進(jìn)幼苗生長，超出一定限度后則對幼苗生長造成一定的抑制作用，這與王月生等[16]對氮磷鉀配比施肥對三尖杉(Cephalotaxusfortunei)幼苗生長影響的研究結(jié)果一致。植物的地上部分和地下部分是相互依賴的，在物質(zhì)上的相互供應(yīng)，地下部分的生命活動必須依賴地上部分產(chǎn)生的糖類、蛋白質(zhì)、維生素和某些生長物質(zhì)，而地上部分的生命活動也必須依賴地下部分吸收的水肥以及產(chǎn)生的氨基酸和某些生長物質(zhì)。地上部分和地下部分也是相互制約的，從試驗結(jié)果可以看出，適當(dāng)?shù)牧追蕦Φ叵迈r重的積累有顯著的促進(jìn)作用，這與周維[17]對不同氮磷鉀配比施肥格木(Erythrophleumfordii)幼苗根系生長的研究結(jié)果一致。

生物量可以用來衡量植物在生長發(fā)育過程中對資源的獲取能力及對環(huán)境的適應(yīng)性，是植物在長期的進(jìn)化過程中與環(huán)境相互作用的結(jié)果[18-19]。植物的整個生活過程中，會根據(jù)生境特征不斷地協(xié)調(diào)地上部分與地下部分的資源分配，以達(dá)到最佳的資源分配格局[20]。氮磷鉀各水平下木荷幼苗的生物量分配均差異顯著，在N1、P1、K0.5水平時地上生物量、地下生物量、總生物量均達(dá)到最大值，表明這個水平的氮磷鉀肥對木荷幼苗生長是最有利的，合成了更多的有機(jī)物，保證了植株的生存力與競爭力。

地下部分和地上部分在物質(zhì)上的相互供應(yīng)使得它們相互促進(jìn)、共同發(fā)展，地下部分和地上部分的重量之比稱為根冠比，它反映了逆境對植株地下部分和地上部分的不同影響，以及它是如何分配生物量來抵御外界脅迫的[21]。整體氮肥對植物生物量及根冠比影響不是太大，各水平之間差異顯著但是變化幅度小，在N0.5水平時根冠比最大。磷肥對植株生物量影響較大，P2.5水平時根冠比最大，說明在受到磷脅迫時，木荷幼苗通過增加地下部分生物量的比例來增強(qiáng)植株根系吸收養(yǎng)分和水分的能力，以便更好地抵御外界的脅迫。這說明合適的磷肥能顯著的促進(jìn)木荷幼苗根系的生長[22]。

3.2 水培條件下不同氮磷鉀肥配比對木荷幼苗生理指標(biāo)的影響

外界環(huán)境變化時，植物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、生理生化等各個方面都會做出相應(yīng)的響應(yīng)[23]。抗氧化酶SOD、POD、CAT能清除植物體內(nèi)的自由基和有害物質(zhì)，作為清除自由基的首選物質(zhì)，SOD含量的高低可以作為植物衰老或者死亡的直觀指標(biāo)；POD是與光合作用和呼吸作用相關(guān)的酶；CAT可以催化過氧化氫分解成氧和水，也會與過氧化氫等自由基結(jié)合形成復(fù)合物從而影響酶的活性[24]。SOD、POD、CAT含量均隨著氮磷鉀濃度水平的增加呈現(xiàn)先增長后降低趨勢，且SOD 的含量明顯高于POD和CAT，N2.5、P2.5、K2.5處理的抗氧化酶活性均低于N0、P0、K0處理的，說明高濃度的肥料不適宜木荷幼苗生長，反而阻礙了幼苗的正常生長。

Pro、SP是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，脯氨酸在水中溶解度較大，植物處于逆境時會大量積累來降低細(xì)胞滲透勢，防止細(xì)胞失水；可溶性蛋白大都是參與各種代謝的酶類，它含量的增加可以提高細(xì)胞的保水能力，對細(xì)胞膜起到保護(hù)作用[25]。從本項研究結(jié)果可以看出，隨著氮磷鉀肥濃度水平的升高，脯氨酸含量先降低后升高，與肥料濃度呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在高濃度水平下顯著增加，說明脯氨酸的積累對施肥脅迫有反應(yīng)，這與很多干旱、金屬等脅迫下植物體內(nèi)的脯氨酸積累的研究結(jié)果一致[26-27]。可溶性蛋白含量隨著氮磷鉀肥濃度水平的升高表現(xiàn)為先升高后降低，可能是肥料濃度水平的提高抑制了蛋白質(zhì)的合成并誘導(dǎo)了蛋白質(zhì)降解。MDA丙二醛是膜脂過氧化最重要的產(chǎn)物之一，植物體內(nèi)的含量可以間接反映出細(xì)胞的損傷程度[28]。隨著氮磷鉀肥水平的增加，丙二醛含量先降低后升高，說明隨著肥料濃度水平增加，植物體內(nèi)細(xì)胞膜受到損害，發(fā)生膜脂過氧化導(dǎo)致MDA含量不斷增加。

不同的氮磷鉀營養(yǎng)液配比中，植物的各項指標(biāo)變化趨勢基本一致，處理15各指標(biāo)表現(xiàn)最佳，不合理的施肥處理會阻礙木荷幼苗的正常生長，指標(biāo)狀況不如不施肥處理，說明氮磷鉀肥是相互影響相互作用的，只有適時適量的施肥才能發(fā)揮最大的肥效。從試驗結(jié)果可以看出，氮磷鉀肥對木荷幼苗生長的影響表現(xiàn)為P>K>N。以Hoagland液為水培營養(yǎng)液母液，氮磷鉀水平分別為母液中氮磷鉀元素濃度的1、1和0.5倍時，木荷幼苗生長最佳，本試驗結(jié)果可為木荷育苗過程中的合理施肥提供科學(xué)的理論依據(jù)。