3種倍性青楊扦插苗對覆膜滴肥的生長響應

韋慶鈺，黃海龍，吳純澤，蘇嘉熙，衛(wèi) 星

(東北林業(yè)大學林學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

青楊(Populuscathayana)為楊柳科楊屬落葉喬木，在全國范圍廣泛分布，因其具有成活率高、生長迅速、適應性強等優(yōu)點，成為北方重要的生態(tài)保護和用材樹種之一[1]。青楊不僅在農林水土保護、木材、紙漿和造紙行業(yè)中廣泛應用，也是潛在的生物能源資源[2]。多倍體楊植株在葉面積、葉厚及氣孔大小等形態(tài)特征方面與2倍體楊相比均表現(xiàn)出巨大性，且生長迅速[3-5]；其次，由于多倍體次生代謝成分葉綠素增加[6-7]，其抗病、耐旱及抗旱能力優(yōu)于2倍體[8]。因此多倍體青楊被更廣泛地應用，市場需求量大。2年生插穗或二根一干苗是目前青楊主要的育苗和造林材料[9]，育苗時間較長。多倍體青楊速生高大的性狀，依賴于優(yōu)質肥沃的生長環(huán)境[3,10-11]。研發(fā)合理的養(yǎng)分管理方案，對指導多倍體青楊高效培育技術體系的建立具有重要意義。

覆膜滴灌技術是將滴灌技術與覆膜相結合，借助滴灌管道系統(tǒng)將水肥均勻、定時、定量在膜下浸潤作物根系發(fā)育區(qū)域的一項有效增產(chǎn)栽培措施[12-13]。指數(shù)施肥是一項以苗木生長規(guī)律為基礎，制定適宜的苗木營養(yǎng)負荷模型，有效促進苗木養(yǎng)分積累的同時避免養(yǎng)分毒害的養(yǎng)分管理技術[14]，在苗木培育中被廣泛應用[15-18]。然而苗木類型不同，如種子實生苗[19-20]、扦插苗[21-23]、嫁接苗[24]、組培苗[25-27]等，其指數(shù)施肥作用效果差異較大。容器苗、裸根苗、覆膜等育苗設施的差異也可能造成指數(shù)施肥效果的不同。

為進一步完善多倍體青楊扦插苗覆膜滴肥培育技術體系，提高苗木質量，本研究以不同倍性青楊扦插苗(分別為2倍體、3倍體、4倍體)為研究對象，將覆膜滴灌技術與養(yǎng)分管理措施相結合，在覆膜滴灌條件下進行指數(shù)滴肥(EF)、常規(guī)滴肥(CF)、不施肥(CK)3種處理。根據(jù)筆者之前的研究，覆紅色膜最有利于青楊扦插苗生長[28],所以本研究采用覆紅色膜。通過對苗木地上部分生長狀況、根系發(fā)育、生物量積累和苗木生理指標的測量，探索出覆膜滴灌下不同施肥方式對3種倍性青楊扦插苗生長的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及供試材料

試驗地位于黑龍江省東北林業(yè)大學帽兒山實驗基地(127°30′～127°34′E，45°21′～45°25′N)。該地區(qū)屬寒溫帶大陸性季風氣候，海拔300 m左右，年均氣溫2.8 ℃；無霜期120～140 d；年均降水量為723.8 mm，年均蒸發(fā)量為1 094 mm。

供試苗木來源于東北林業(yè)大學帽兒山試驗林場1年生2倍體、3倍體和4倍體青楊枝條。2019年5月中旬選取不同倍性青楊優(yōu)良枝條制作成長20 cm插穗，經(jīng)生根液(聚豐春扦插用生根液)浸泡后進行扦插。試驗采用床作育苗，壟長約為13 m，寬約1 m，在苗床兩側等距鋪設滴灌管(厚0.3 mm，滴頭距離30 cm)，滴灌設備由山東萊蕪樂農節(jié)水灌溉有限公司提供。每壟為一種滴肥處理，壟內分別設置2倍體、3倍體和4倍體3個小區(qū)，各小區(qū)均鋪設紅色地膜(厚0.02 mm)，地膜由浙江家樂蜜園藝科技有限公司提供。不同小區(qū)間隔離帶約為40 cm，3個小區(qū)隨機排列；每小區(qū)栽植2列，苗間距為30 cm，即每小區(qū)共栽植40株扦插苗。扦插后對各小區(qū)進行施肥處理。苗木生長期內定期進行人工除草，每處理隨施肥滴入等量的水。

1.2 滴肥試驗設計

試驗共設置覆膜滴灌下指數(shù)施肥(exponential fertilization，EF)[29]、常規(guī)施肥(conventional fertilization，CF)和不施肥(CK)3種處理，每種處理3個重復，共9壟。每壟隨機分布上述3個試驗小區(qū)，即共27個試驗小區(qū)。肥料選用國光萊綠士大量元素水溶肥料(N 20%、P2O520%、K2O 20%，邵武龍川園藝有限公司)。覆膜滴肥時采用水驅動力將肥料輸送到滴灌管中，從滴頭勻速滴出，每15 d對苗木補充1次肥料，整個生長季共補充7次。

考慮到苗木無法吸收全部所滴肥料，總會存在部分養(yǎng)分流失，本試驗按照穩(wěn)態(tài)奢侈養(yǎng)分來增加苗木體內養(yǎng)分承載，因此總滴肥量應大于苗木最終養(yǎng)分含量[14,30-31]。兩種N素滴肥方案每次施肥量設計見表1。

表1 不同滴肥方式下1年生青楊扦插苗不同時期N素用量Table 1 N supply level at different time with Populus cathayana seedlings under different fertilization regimes g/株

兩種施肥方案如下：

1)常規(guī)滴肥。在相同時間內等量滴肥。每次滴肥量Nt=NT/t。式中：NT表示總滴肥量，t表示滴肥次數(shù)。

2)指數(shù)滴肥。每次滴肥所需要的滴肥量根據(jù)指數(shù)施肥模型[29]來確定，即：Nt=Ns(er t-1)-N(t-1)。式中：Nt表示在相對增加率r下的第t次滴肥時的滴肥量，Ns表示苗木在滴肥最初階段的養(yǎng)分含量，N(t-1)表示前t-1次的養(yǎng)分滴入總量[32]。

根據(jù)Dumroese等[29]的方法確定r，即：NT=Ns(er t-1)。式中：NT表示第t次滴肥后苗木的最終養(yǎng)分含量, 假設肥料利用率為100%。其中Ns、NT的確定參考試驗前一年(2018年)1年生青楊播種苗苗木(未做任何滴肥處理)初期和生長結束后的養(yǎng)分含量(Ns為46.30 mg/株；NT為613.65 mg/株)，經(jīng)計算，r=0.699 2。

1.3 試驗指標測定

1.3.1 形態(tài)指標和生物量的測量

從試驗初期開始，每次滴肥前(觀測至9月初)用游標卡尺、直尺測量所有扦插苗的苗高和地徑，并在第1次測量時在每株扦插苗上掛好號碼標簽。生長結束時用手持激光葉面積儀(美國CID公司，CI-203)測量葉面積。生長結束后每處理取樣6株，將取樣后的苗木分成根、莖和葉3部分，用蒸餾水將其表面泥垢洗凈。用Epson 掃描儀 (Expression 10000XL 1. 0，Regent Instruments Company，Canada) 掃描苗木根系，使用 Win RHIZO Pro2004b 軟件對根系形態(tài)指標進行分析，即根系總長度、根系直徑、根系表面積、根系體積和根尖數(shù)量。用濾紙吸干根、莖和葉表面水分，分別裝進信封后放入烘箱，在105 ℃下殺青10 min，70 ℃烘48 h至質量恒定，用電子天平(±0.01 g)稱量其干質量，即為苗木各營養(yǎng)器官的生物量。

1.3.2 生理指標的測定

2019年8月下旬9:00—11:00，選擇生長勢相同的每處理下3種倍性材料各3株。使用LI-6400便攜式光合儀(LI-COR, Inc. Lincoln NE, USA)測量第5片功能葉。光強為1 000 μmol/(m2·s)條件下對凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)等氣體交換參數(shù)進行測定。每片葉測量3次。根據(jù)單株光合產(chǎn)量(photosynthetic yield per stem)YPYPS=凈光合速率×葉面積[33]，計算每處理下3種倍性材料的單株光合產(chǎn)量。另選6株苗木，用SPAD-502型葉綠素儀(日本柯尼卡美能達公司)測定其第5、6、7片功能葉片葉綠素含量(SPAD)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行描述統(tǒng)計和正態(tài)檢驗，然后進行方差分析。并用LSD法進行多重比較分析(α=0.05)。用SigmaPlot 12.5(SYSTAT公司)作圖。利用 Canoco 4.5 進行主成分分析(PCA)并作圖。

2 結果與分析

2.1 覆膜滴肥對青楊扦插苗生長的影響

2.1.1 對青楊扦插苗地上部分的影響

滴肥后苗木生長仍呈現(xiàn)慢—快—慢的“S”形趨勢，但速生期生長速率均高于對照(圖1、圖2)。常規(guī)滴肥CF處理下的苗高和地徑生長始終大于指數(shù)施肥和對照。生長結束時苗高、地徑和葉面積(圖3)從大到小均表現(xiàn)為CF>EF>CK。CF處理下苗高和地徑比指數(shù)施肥顯著提高27.80%和13.81%(P<0.05)。EF、CF滴肥形式下，3種倍性青楊苗木苗高和地徑?jīng)]有顯著的差異，但4倍體葉面積顯著優(yōu)于2倍體(P<0.05)。

不同小寫字母表示同一倍性植株生長結束時在各指標不同施肥處理間差異顯著(P<0.05)。下同。The different lowercase letters represent the significant difference of indexes in same ploidy type Populus cathayana seedlings among different fertilization regimes(P<0.05). The same below．圖1 不同滴肥方式對3種倍性青楊扦插苗苗高生長趨勢的影響Fig.1 Effects of different fertilization regimes on height growth trend with Populus cathayana seedlings of three ploidy types

圖2 不同滴肥方式對3種倍性青楊扦插苗地徑生長趨勢的影響Fig.2 Effects of different fertilization regimes on collar diameter growth trend with Populus cathayana seedlings of three ploidy types

2.1.2 對青楊扦插苗地下部分及各營養(yǎng)器官生物量的影響

與對照相比，覆膜滴肥顯著增加了青楊扦插苗根系總長度、根系直徑、根系表面積、根系體積和根尖數(shù)量(P<0.05，圖3)，從大到小表現(xiàn)為CF>EF>CK。指數(shù)滴肥下，根系各指標從大到小均表現(xiàn)為4倍體>3倍體>2倍體。常規(guī)滴肥下，根系直徑和根系體積則從大到小表現(xiàn)為3倍體>4倍體>2倍體(P<0.05)。

不同小寫字母表示同一施肥處理各指標在不同倍性青楊間差異顯著(P<0.05)。下同。The different lowercase letters represent the significant difference of indexes among different ploidy types Populus cathayana seedlings (P<0.05) under same fertilization regime. The same below．圖3 不同滴肥方式對3種倍性青楊扦插苗葉面積和根系發(fā)育的影響Fig.3 Effects of different fertilization regimes on leaf area and root morphology index with Populus cathayana seedlings of three ploidy types

從覆膜滴肥對青楊扦插苗各營養(yǎng)器官生物量的影響來看，施肥處理顯著增加了青楊扦插苗根、莖和葉生物量的積累(P<0.05，表2)。CF處理下的苗木根、莖和葉生物量最高，分別比對照顯著高出102.25%、191.02%和102.90%(P<0.05)，且4倍體青楊扦插苗根生物量顯著大于2倍體和3倍體(P<0.05)。EF處理下的青楊扦插苗根、莖和葉生物量分別顯著高出對照39.42%、73.36%和53.23%(P<0.05)，且4倍體青楊扦插苗的根、莖和葉生物量最大。EF和CF處理下的根莖比分別顯著較對照小32.52%和36.67%，但3種倍性苗木根莖比無顯著差異。

表2 不同滴肥方式對3種倍性青楊扦插苗生物量的影響Table 2 Effects of different fertilization regimes on root biomass, stem biomass and leaf biomass with Populus cathayana seedlings among three ploidy types g

2.2 覆膜滴肥對青楊扦插苗光合生理指標的影響

EF和CF處理下葉片葉綠素含量分別較對照顯著增加25.30%和14.66%(P<0.05，圖4)。施肥顯著增加了4倍體青楊葉片葉綠素含量(P<0.05)。EF和CF處理下苗木單株光合產(chǎn)量分別顯著較對照提高33.95%和38.79%(P<0.05)，大小順序表現(xiàn)為4倍體>3倍體>2倍體，且差異顯著(P<0.05)。施肥顯著增加了葉片胞間CO2濃度(P<0.05)。3倍體葉片胞間CO2濃度在EF處理下顯著高于其他倍性類型(P<0.05)，在CF處理下各倍性類型間無顯著差異。EF處理顯著增加了葉片氣孔導度，而CF與對照之間無顯著差異，且多倍體葉片氣孔導度大于2倍體。施肥顯著提高了苗木葉片的蒸騰速率(P<0.05)，但3種倍性類型之間無顯著差異。

圖4 不同滴肥方式對3種倍性青楊扦插苗光合生理指標的影響Fig.4 Effects of different fertilization regimes on photosynthetic physiological index of three ploidy types Populus cathayana seedlings

2.3 不同滴肥方式下2倍體和多倍體青楊扦插苗各指標間的關系

多倍體和2倍體青楊扦插苗葉生物量、總葉面積、根系形態(tài)指標和光合生理指標的PCA第1排序軸分別解釋總樣本的88.1%和88.3%。兩種滴肥方式在2倍體上差異更為明顯，在多倍體上差異較小(圖5)。且滴肥條件下，3倍體與4倍體之間差異不大。與2倍體相比，多倍體根系形態(tài)指標與其余各指標之間具有更好的相關性，其中根尖數(shù)量、根系直徑與葉面積、單株光合產(chǎn)量以及葉綠素在多倍體中有極強的相關性。

RL.根系總長度root length；RD.根系直徑root diameter；RT.根系表面積root area；LB.葉生物量leaf biomass；LA.葉面積leaf area；PYPS為單株光合產(chǎn)量photosynthetic yield per stem。圖5 不同滴肥方式下2倍體和多倍體青楊扦插苗葉生物量、總葉面積、根系形態(tài)指標和光合生理指標的主成分分析(PCA)Fig.5 PCA among root length(RL)，leaf area, root morphology index and photosynthetic physiological index with Populus cathayana seedlings of diploid and polyploid types under different fertilization regimes

3 討 論

指數(shù)施肥因其具有促進苗木養(yǎng)分穩(wěn)定積累并且避免養(yǎng)分毒害等優(yōu)點[31]，在苗木培育中廣泛采用[15-18]。然而，苗木不同、育苗方式不同，指數(shù)施肥作用效果也不盡相同[31]。本研究發(fā)現(xiàn)覆膜滴灌下常規(guī)施肥比指數(shù)施肥更顯著促進了青楊扦插苗地上部分的生長，并且有效地促進了苗木根系發(fā)育，增加了根生物量。分析主要是因為插穗中儲存的養(yǎng)分使扦插苗木快速進入生長期。Dong等[34]認為速生楊插穗的生長相對于插穗內部儲存的養(yǎng)分更依賴于增施的N肥，同時Kelly等[35]對遼楊×美洲黑楊(P.nigra×P.maximowiczii)雜交無性系扦插苗的研究證明其對N素的吸收首先發(fā)生在前半個時期，且土壤中的N素不能滿足苗木生長需求。所以常規(guī)滴肥在苗木生長前期充足的養(yǎng)分(尤其是N素)供給滿足了插穗地上莖、葉和地下根系的發(fā)育[34, 36]。指數(shù)施肥在前期養(yǎng)分供給很少，不符合青楊扦插苗的需肥特點[36]，盡管后期指數(shù)施肥量增加，但此時常規(guī)滴肥苗木生長優(yōu)勢已經(jīng)十分明顯。因為在總肥量相同的情況下，常規(guī)施肥滿足青楊插穗早期需肥要求，覆膜滴肥又可以有效減少因風、雨等因素沖刷造成的養(yǎng)分流失，從而為速生楊樹插穗苗生長提供了充足的養(yǎng)分保障。常規(guī)施肥下苗木根系生物量和光合生理等結構和功能的變化，均進一步證明覆膜滴肥條件下常規(guī)施肥的作用優(yōu)勢。常規(guī)滴肥在生長初期比指數(shù)滴肥的肥量供給高，使土壤中N素充足，苗木在一定程度上減少了對根系中C的投入，降低了苗木的根生物量的占比，促進了莖葉生物量的增加[37-40]。林曉明等[33]認為107楊中86%生物量是由單株光合產(chǎn)量(凈光合速率×葉面積)積累形成的。覆膜常規(guī)滴肥可在早期顯著增加葉面積，在較低的氣孔導度下保持較高的胞間CO2濃度?？梢?，覆膜常規(guī)滴肥下苗木可在減少水分蒸發(fā)的情況下獲取較多的CO2進行光合作用，提高了苗木光合產(chǎn)量，進一步促進苗木根莖生物量的積累。

多倍體苗木生長迅速，往往在苗高、葉面積和葉片氣孔等方面都表現(xiàn)出巨大性[41-43]。青楊扦插苗的苗高、地徑、葉面積和生物量均表現(xiàn)為多倍體(3倍體和4倍體)優(yōu)于2倍體。本研究發(fā)現(xiàn)覆膜滴肥在一定程度上縮小了不同倍性青楊扦插苗之間苗高地徑和生物量的差異。分析原因可能是覆膜滴肥總肥量是基于前一年1年生2倍體苗木養(yǎng)分而來，并不能滿足多倍體發(fā)揮其最高生產(chǎn)潛力所需肥量，但多倍體仍然在常規(guī)滴肥處理下最具優(yōu)勢。從根系形態(tài)與葉片生物量、葉面積及光合生理之間的PCA分析來看，覆膜常規(guī)滴肥改善了多倍體苗木的根系發(fā)育，多倍體苗木發(fā)達的根系為葉片提供充足的N素[44]，N素是植物葉綠體的重要組成成分，主要參與光合碳同化的過程[45-47]，為多倍體苗木葉片生物量的顯著積累和總葉面積的增大提供了保障，光合場所的增大促進了葉片的光合作用[33]。一般來說，多倍體葉片的較大氣孔容易使其在促進光合作用的同時也增大苗木水分的蒸騰[42]。本研究發(fā)現(xiàn)多倍體在常規(guī)滴肥條件下氣孔導度很小，使植株在盡可能減少水分損失的情況下提高葉片的光合作用。

覆膜滴肥顯著促進了青楊扦插苗的生長和根系發(fā)育以及各營養(yǎng)器官生物量的積累，同時提高了青楊扦插苗的葉綠素含量和單株光合產(chǎn)量，其中常規(guī)滴肥對青楊扦插苗生長的促進效果最好。多倍體青楊扦插苗在常規(guī)滴肥下最具生長優(yōu)勢，3倍體和4倍體植株生長差異不大。由于本研究中的肥料總量是基于2倍體苗木所需養(yǎng)分，建議在后期培育多倍體苗木時應適當增加肥量。