云南松苗木氮磷鉀儲(chǔ)量在針葉與單株間轉(zhuǎn)換研究

陳 詩(shī),黃 鍵,陳 林,唐軍榮,蔡年輝,許玉蘭,李世宗

(1.西南林業(yè)大學(xué)西南地區(qū)生物多樣性保育國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650224; 2.西南林業(yè)大學(xué)西南山地森林資源保育與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650224;3.云南省林木種苗工作總站,昆明 650215;4.云南森林自然中心,昆明 650022)

【研究意義】云南松(Pinusyunnanensis)為西南地區(qū)重要的造林樹(shù)種和生態(tài)樹(shù)種,在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)中發(fā)揮重要作用。云南松在造林初期苗木生長(zhǎng)緩慢,嚴(yán)重制約云南松生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益。合理施肥可以促進(jìn)苗木生長(zhǎng)及提高苗木對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。因此,通過(guò)易測(cè)器官估測(cè)苗木單株的營(yíng)養(yǎng)含量,為苗木養(yǎng)分判斷及施肥提供理論依據(jù),對(duì)云南松苗木的培育具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】植株生物量和養(yǎng)分分配可反映生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)與能量的循環(huán)及其進(jìn)化策略[1],氮、磷、鉀的積累是植株干物質(zhì)積累的基礎(chǔ),也是植物生長(zhǎng)發(fā)育的三大必需元素[2-5],各器官的積累量組成單株的積累量。通常各器官間的生物量、養(yǎng)分含量存在一定的相關(guān)性[1-2,4-7]。Niklas等[7]基于131種維管植物研究了葉中氮與磷含量間的相關(guān)性;Kerkhoff等[1]通過(guò)對(duì)152科1287種植物葉、莖、根和生殖器官進(jìn)行分析,表明氮磷在不同器官間高度相關(guān),并提出利用葉器官的養(yǎng)分含量可估測(cè)其它器官的含量。葉的養(yǎng)分含量最能體現(xiàn)植物營(yíng)養(yǎng)狀況[3,8],但只用植物葉變量作為判定指標(biāo)可能存在一定局限性[8],葉變量與其它器官變量間存在一定的相關(guān)性,利用葉變量對(duì)其它器官的分析可實(shí)現(xiàn)快速診斷[3],利用這種關(guān)系可構(gòu)建基于器官變量估測(cè)單株變量的模型[9]。有研究利用器官間的相關(guān)性進(jìn)行生物量模型的構(gòu)建,如李亞麒等[10-11]利用苗高和地徑,基于苗木生長(zhǎng)等級(jí)、樣本量變化構(gòu)建苗木各器官生物量及其單株生物量的預(yù)估模型;汪夢(mèng)婷等[12-13]利用不同生長(zhǎng)性狀比較生物量預(yù)估模型的適用性,這些研究均是基于生長(zhǎng)量指標(biāo)構(gòu)建生物量預(yù)估模型,為生物量的快速估測(cè)提供途徑?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近期針對(duì)養(yǎng)分含量的器官效應(yīng)有所涉及,著重于苗木不同器官養(yǎng)分含量的變化關(guān)系及其化學(xué)計(jì)量特征方面[14-15]。利用易測(cè)器官變量估測(cè)不易采樣器官或單株變量是快速估測(cè)的途徑,但有關(guān)云南松苗木養(yǎng)分儲(chǔ)量的估測(cè)未見(jiàn)研究報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以一年生云南松苗木為材料,按根、莖、葉不同器官取樣,分別測(cè)定各器官生物量、氮含量、磷含量和鉀含量,并基于生物量與養(yǎng)分含量獲得養(yǎng)分儲(chǔ)量,進(jìn)一步分析它們之間的相關(guān)性,在此基礎(chǔ)上以器官變量構(gòu)建單株變量間的估測(cè)模型,探討其估測(cè)模型的可行性,并為單株生物量、氮磷鉀儲(chǔ)量的快速估測(cè)提供途徑。

1 材料與方法

1.1 苗木培育

試驗(yàn)用種采自云南松良種“彌渡云南松無(wú)性系種子園種子(云S-CSO-PY-001-2016)”,于2019年1月播種育苗,3個(gè)月后進(jìn)行苗木移栽(移栽后育苗盆規(guī)格為底徑16 cm×口徑24 cm×高20 cm),每盆栽植1株。設(shè)置9個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)40盆,重復(fù)3次,共1080株。苗木管理主要是澆水與除草,每隔3～5 d澆水1次,澆透即可;每月除草1次,將育苗盆中的雜草全部拔除。2020年6月從每個(gè)小區(qū)中選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的苗木2株,共54株用于后續(xù)測(cè)定。

1.2 性狀測(cè)定

采用全挖法取樣,樣株用標(biāo)簽紙編號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室,先用清水洗凈,瀝干,然后將每株分為葉、根、莖3個(gè)部分,在105 ℃烘箱中殺青30 min后,于80 ℃下烘干至質(zhì)量恒定即為生物量,獲得葉生物量(Mass of leaf,記為ML)、根生物量(Mass of root,記為MR)和莖生物量(Mass of stem,記為MS),各器官生物量之和為單株生物量(Mass of individual plant,記為Mp),精確至0.001 g。將樣品分別研磨至粉末,按器官測(cè)定全氮(Nitrogen,記為N)、全磷(Phosphorus,記為P)、全鉀(Potassium,記為K)含量,先采用H2SO4-H2O2法消煮樣品,然后分別采用奈氏比色法、鉬銻抗比色法和火焰光度法測(cè)定全氮、全磷和全鉀含量[16],重復(fù)3次,其養(yǎng)分含量以單位質(zhì)量的養(yǎng)分含量(mg/g)表示,分別記為葉氮含量(Nitrogen content of leaf,記為NL)、根氮含量(Nitrogen content of root 記為NR)、莖氮含量(Nitrogen content of stem,記為NS)、葉磷含量(Phosphorus content of leaf,記為PL)、根磷含量(Phosphorus content of root記為,PR)、莖磷含量(Phosphorus content of stem,記為PS)、葉鉀含量(Potassium content of leaf,記為KL)、根鉀含量(Potassium content of root,記為KR)、莖鉀含量(Potassium content of stem,記為KS)。養(yǎng)分儲(chǔ)量(mg)為養(yǎng)分含量與對(duì)應(yīng)生物量之積,如葉氮儲(chǔ)量(Nitrogen reserve of leaf,記為NRL)=ML×NL。各器官N、P、K儲(chǔ)量之和分別為單株N、P、K儲(chǔ)量[17]。

Mp=ML+MR+MS

(1)

NRP=ML×NL+MR×NR+MS×NS

(2)

PRP=ML×PL+MR×PR+MS×PS

(3)

KRP=ML×KL+MR×KR+MS×KS

(4)

式中,NRP為單株氮儲(chǔ)量;PRP為單株磷儲(chǔ)量;KRP為單株鉀含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

選擇常用函數(shù)(冪函數(shù)Y=βXα)[11,18-19]構(gòu)建生物量估測(cè)模型,其中,X、Y為生物量屬性,線(xiàn)性轉(zhuǎn)化為logY=logβ+α×logX[20-21]。養(yǎng)分儲(chǔ)量采用線(xiàn)性方程進(jìn)行擬合,利用擬合后的方程估測(cè)模擬值。進(jìn)一步根據(jù)實(shí)測(cè)值與模擬值計(jì)算均方根誤差(Root meansquare error,記為RMSE)、平均誤差絕對(duì)值(Mean absolute error,記為MAE)、總相對(duì)誤差(Total relative error,記為T(mén)RE)、平均相對(duì)誤差(Mean relative error,記為MRE),以驗(yàn)證方程的準(zhǔn)確性和適用性[11,22-23]。相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

均方根誤差(RMSE):

(5)

平均誤差絕對(duì)值(MAB):

(6)

(7)

平均相對(duì)誤差(EE):

(8)

采用Excel 2010和SPSS 21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并利用Excel 2010作圖,利用SMATR(Standardized major axis tests and routines)分析曲線(xiàn)斜率、截距間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 云南松苗木不同器官養(yǎng)分含量與儲(chǔ)量

由表1可知,氮、磷、鉀含量在云南松苗木不同器官間存在波動(dòng),均以莖中的含量較高。在葉、根、莖中均表現(xiàn)為磷含量最低,在根、莖中鉀含量最高,氮含量稍低,在葉中鉀含量與氮含量接近。方差分析表明,各器官間氮、磷、鉀含量均存在顯著差異(P<0.05,下同)。相對(duì)于葉的氮含量,根的氮含量變化較大,莖的氮含量變化較小,各器官氮含量均值為NS(5.513 mg/g)>NL(5.113 mg/g)>NR(3.405 mg/g),其中莖的氮含量顯著高于葉的氮含量和根的氮含量,葉的氮含量顯著高于根的氮含量。相對(duì)于葉的磷含量,根的磷含量變化較大,莖的磷含量變化較小,各器官中磷含量均值為PS(1.202 mg/g)>PR(0.984 mg/g)>PL(0.809 mg/g),其中,莖的磷含量顯著高于根的磷含量和葉的磷含量,而根的磷含量與葉的磷含量無(wú)顯著差異(P>0.05)。相對(duì)于葉的鉀含量,根的鉀含量和莖的鉀含量波動(dòng)較小,各器官中鉀含量均值為KS(7.565 mg/g)>KR(6.102 mg/g)>KL(4.852 mg/g),其中莖的鉀含量顯著高于根的鉀含量和葉的鉀含量,根的鉀含量顯著高于葉的鉀含量。

表1 云南松苗木各器官氮磷鉀含量比較

由圖1可知,葉、根、莖及單株中均以磷儲(chǔ)量最低,根、莖中鉀儲(chǔ)量高于氮儲(chǔ)量,而葉的鉀儲(chǔ)量與氮儲(chǔ)量接近。不同器官中的養(yǎng)分儲(chǔ)量也有差異,氮磷鉀均表現(xiàn)為葉>莖>根。從單株儲(chǔ)量來(lái)看,鉀>氮>磷。

圖1 氮、磷、鉀與儲(chǔ)量比較Fig.1 Comparison of nitrogen, phosphorus and potassium reserves

2.2 云南松苗木葉變量與單株變量間的相關(guān)性分析

從表2可知,葉生物量與單株生物量、單株氮儲(chǔ)量、單株磷儲(chǔ)量、單株鉀儲(chǔ)量間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平(P<0.01,下同);單株生物量與單株氮儲(chǔ)量、單株磷儲(chǔ)量、單株鉀儲(chǔ)量間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平;葉中各養(yǎng)分儲(chǔ)量與對(duì)應(yīng)的單株養(yǎng)分儲(chǔ)量間達(dá)顯著或極顯著水平。由此表明,可利用葉器官變量與單株變量間的相關(guān)性構(gòu)建其估測(cè)模型。

表2 葉器官變量與單株變量間的相關(guān)性分析

2.3 云南松苗木單株生物量的預(yù)測(cè)模型

(9)

對(duì)單株生物量實(shí)測(cè)值Mp和模擬值M'P分別與葉生物量ML進(jìn)行線(xiàn)性關(guān)系擬合(圖2),驗(yàn)證曲線(xiàn)與模擬曲線(xiàn)方程分別為:log10Mp=1.4314 × log10ML+ 0.6045、log10M'P=1.2426 × log10ML+0.9377,2條曲線(xiàn)的平衡指數(shù)分別為1.4314和1.2426。進(jìn)一步對(duì)2個(gè)方程的斜率和截距分別進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),其斜率(P=0.225>0.05)和截距(P=0.189>0.05)之間均無(wú)顯著性差異,即擬合方程(9)可以較好地預(yù)測(cè)云南松苗木單株生物量。

圖2 葉生物量與單株生物量間的線(xiàn)性關(guān)系Fig.2 Linear relationship between leaf biomass and individual plant biomass

2.4 云南松苗木單株氮儲(chǔ)量的預(yù)測(cè)模型

基于葉生物量獲得根生物量、莖生物量模擬值后,利用葉的氮含量與根的氮含量、莖的氮含量間的回歸關(guān)系估測(cè)根的氮含量和莖的氮含量,分別為:NR=-0.1942 ×NL+4.3979、NS=-0.3337 ×NL+7.2187,將結(jié)果代入(2)式,即獲得單株氮儲(chǔ)量。

(10)

將單株氮儲(chǔ)量實(shí)測(cè)值NRp和模擬值NR'P分別與單株生物量實(shí)測(cè)值Mp與單株生物量模擬值M'P進(jìn)行擬合,線(xiàn)性關(guān)系如圖3所示,驗(yàn)證曲線(xiàn)與模擬曲線(xiàn)分別為:log10NRp=1.0199 × log10Mp+0.6727、log10NR'P=1.0947 × log10M'P+0.6236,2條曲線(xiàn)的平衡指數(shù)分別為1.0199和1.0947。進(jìn)一步對(duì)其斜率和截距分別進(jìn)行顯著性分析,發(fā)現(xiàn)2個(gè)方程的斜率無(wú)顯著差異(P=0.109>0.05),表明預(yù)測(cè)模型(10)沒(méi)有改變單株氮儲(chǔ)量與單株生物量縮放比例關(guān)系,截距之間也無(wú)顯著差異(P=0.553>0.05),進(jìn)一步表明預(yù)測(cè)模型(10)能夠較好地預(yù)測(cè)云南松苗木單株氮儲(chǔ)量。

圖3 單株生物量與單株氮儲(chǔ)量間的線(xiàn)性關(guān)系Fig.3 Linear relationship between individual plant biomass and individual plant nitrogen reserve

2.5 云南松苗木單株磷儲(chǔ)量的預(yù)測(cè)模型

利用葉的磷含量與根的磷含量、莖的磷含量間的回歸關(guān)系獲得根的磷含量和莖的磷含量預(yù)測(cè)模型,分別為PR=0.0120 ×PL+0.9744和PS=0.0841 ×PL+1.1340,代入式(3)可得單株磷儲(chǔ)量。

(11)

圖4 單株生物量與單株磷儲(chǔ)間的線(xiàn)性關(guān)系Fig.4 Linear relationship between individual plant biomass and individual plant phosphorus reserve

2.6 云南松苗木單株鉀儲(chǔ)量的預(yù)測(cè)模型

利用葉的鉀含量與根的鉀含量、莖的鉀含量間的關(guān)系獲得根的鉀含量和莖的鉀含量預(yù)測(cè)模型,分別為KR=0.1318 ×KL+7.4434和KS=0.1051 ×KL+6.4952,代入式(4)可得單株鉀儲(chǔ)量。

(12)

從圖5可知,對(duì)模擬曲線(xiàn)(log10KRP=1.0092 × log10Mp+0.7350)與驗(yàn)證曲線(xiàn)(log10KR'P=0.9233 × log10M'P+0.8142)之間的斜率和截距分別進(jìn)行顯著性比較,發(fā)現(xiàn)2個(gè)曲線(xiàn)的斜率無(wú)顯著差異(P=0.118>0.05),表明預(yù)測(cè)模型(12)沒(méi)有改變單株生物量與單株鉀儲(chǔ)量的縮放比例關(guān)系,而且能夠較好地預(yù)測(cè)云南松單株鉀儲(chǔ)量,且截距無(wú)顯著性差異(P=0.118>0.05)。2條曲線(xiàn)的平衡指數(shù)分別為1.0092和0.9233,均與1接近。構(gòu)建模型(9)、(10)、(11)、(12)進(jìn)行檢測(cè)。由表3可知,所構(gòu)建的4個(gè)模型其總相對(duì)誤差TRE均比較低,表明利用葉器官作為變量和對(duì)單株生物量,單株氮、磷、鉀儲(chǔ)量均能較好地進(jìn)行估測(cè)。

圖5 單株生物量與單株鉀儲(chǔ)量間的線(xiàn)性關(guān)系Fig.5 Linear relationship between individual plant biomass and individual plant potassium reserve

表3 苗木生物量和養(yǎng)分儲(chǔ)量的建模型的精度評(píng)價(jià)

3 討 論

3.1 云南松苗木不同器官氮磷鉀的比較

喜馬拉雅紅豆杉不同器官氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)元素含量及儲(chǔ)量有著較大差異,均表現(xiàn)為莖中最高,莖是植物運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要器官,且還具有支撐作用,其含量相對(duì)較高[8]。氮、磷、鉀儲(chǔ)量均表現(xiàn)為葉>莖>根,苗期針葉積累的氮、磷、鉀較多,葉是植物進(jìn)行光合作用和利用營(yíng)養(yǎng)元素的主要器官[8],其養(yǎng)分儲(chǔ)量積累較多,保證植株光合作用的正常進(jìn)行,以獲得更多的有機(jī)物質(zhì),為后期物質(zhì)積累奠定基礎(chǔ)[2]。器官間養(yǎng)分含量的差異在其它研究中報(bào)道較多[24-25],周世水等[5]研究發(fā)現(xiàn),4個(gè)年齡段的長(zhǎng)柄雙花木氮、磷、鉀含量均表現(xiàn)為葉片高于枝干。從元素儲(chǔ)量來(lái)看,鉀>氮>磷,鉀影響ATP的合成、酶活化,可促進(jìn)葉綠素合成,對(duì)植物光合作用有重要影響,氮通常分配在生長(zhǎng)旺盛的部分,促進(jìn)植株生長(zhǎng)并延緩葉片衰老,磷為核酸以及光合作用所需色素的主要組成元素,直接參與光合作用[2,8,26],在云南松苗木中鉀的儲(chǔ)量積累最高,氮次之,磷最低,較高的氮儲(chǔ)量利于植株生長(zhǎng),在其它植物研究中也揭示鉀含量高于氮、磷含量[4]。從不同器官變異系數(shù)來(lái)看,3種營(yíng)養(yǎng)元素含量的變異系數(shù)在6.95%～49.54%,其中莖中3種營(yíng)養(yǎng)元素變異系數(shù)最小,變化相對(duì)穩(wěn)定;從不同營(yíng)養(yǎng)元素含量的變異系數(shù)來(lái)看,以磷含量的最高,鉀含量的最低。戚燕強(qiáng)等[2]對(duì)白芨干物質(zhì)積累及氮、磷、鉀化學(xué)計(jì)量特征的研究中得出:白芨植株的干物質(zhì)積累量和氮、磷、鉀積累量呈顯著正相關(guān),白芨氮、磷、鉀的積累有利于植株干物質(zhì)的積累,且白芨植株的干物質(zhì)積累量和氮、磷、鉀吸收積累量變化具有同步性。而本研究中云南松苗木單株生物量與單株氮儲(chǔ)量、單株磷儲(chǔ)量、單株鉀儲(chǔ)量呈極顯著正相關(guān),表明云南松苗木氮、磷、鉀的積累有利于生物量的積累,這一結(jié)果與對(duì)白芨的研究結(jié)果一致?？偟膩?lái)看,不同器官間養(yǎng)分含量與儲(chǔ)量均存在差異,同時(shí)各器官間也存在聯(lián)系,以葉器官進(jìn)行分析,其生物量及其養(yǎng)分儲(chǔ)量均與單株對(duì)應(yīng)變量間存在顯著相關(guān)性,這種相關(guān)性為利用葉器官與單株間的轉(zhuǎn)換奠定了基礎(chǔ)。

3.2 云南松苗木生物量以及營(yíng)養(yǎng)元素儲(chǔ)量模型估測(cè)的可靠性

3.3 云南松苗木單株?duì)I養(yǎng)元素儲(chǔ)量預(yù)估模型與單株生物量模型相關(guān)性

對(duì)構(gòu)建的云南松苗木單株氮、磷、鉀儲(chǔ)量估測(cè)模型分別與單株生物量間進(jìn)行線(xiàn)性關(guān)系分析,將模擬曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)的斜率與截距均進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),各兩兩曲線(xiàn)斜率之間沒(méi)有顯著差異(P>0.05),且截距之間差異也不顯著,表明預(yù)測(cè)模型沒(méi)有改變單株生物量與單株氮儲(chǔ)量、單株磷儲(chǔ)量和單株鉀儲(chǔ)量之間的縮放比例關(guān)系,從估測(cè)模型的表達(dá)式也可以看出平衡指數(shù)與1接近,進(jìn)一步表明單株生物量與單株氮儲(chǔ)量、單株磷儲(chǔ)量和單株鉀儲(chǔ)量之間的縮放關(guān)系不受個(gè)體大小的影響,邢磊等[6]對(duì)白刺幼苗生物量與氮含量在葉與全株轉(zhuǎn)換間的研究表明:白刺植株的全株氮含量與全株生物量之間的縮放關(guān)系受個(gè)體大小的影響較小,而本研究結(jié)果與其一致。但也有研究表明,植物的化學(xué)計(jì)量比存在大小依賴(lài)性,葉的磷濃度變化表現(xiàn)明顯,通常隨個(gè)體的增加而降低,且受環(huán)境、發(fā)育階段的變化而波動(dòng)[9]。此外,生長(zhǎng)環(huán)境的氮、磷儲(chǔ)量也存在空間異質(zhì)性和時(shí)間變異性[30-32]。因此,云南松苗木的養(yǎng)分含量是否隨生長(zhǎng)階段、栽培環(huán)境變化而發(fā)生變化需要進(jìn)一步探討。

4 結(jié) 論

氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)元素的含量和儲(chǔ)量在云南松苗不同器官間存在顯著差異,莖中各營(yíng)養(yǎng)元素的含量均最高,而葉中養(yǎng)分儲(chǔ)量最大;葉器官生物量及其養(yǎng)分儲(chǔ)量均與單株對(duì)應(yīng)變量間存在顯著相關(guān)性,可用針葉生物量較好地預(yù)測(cè)云南松苗木單株生物量,通過(guò)該器官生物量和養(yǎng)分含量構(gòu)建的模型可較好地估測(cè)云南松單株氮儲(chǔ)量、單株磷儲(chǔ)量和單株鉀儲(chǔ)量,該方法可作為估測(cè)云南松幼苗單株生物量及氮、磷、鉀儲(chǔ)量的又一條快速途徑。