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(贵州大学 林学院,贵州 贵阳 550025)
棕榈Trachycarpus fortunei(Hook.)H.Wendl.为棕榈科棕榈属常绿乔木,俗称棕树,原产于中国中南部山地,在中国的长江以南各省区和日本等国家和地区均有分布。棕榈适应性强、病虫害少,投产较早(7 ~8 a)而经营周期长、利用年限长,应用广泛,是我国特有的优良园林观赏和纤维经济树种[1-2]。在我国云南省的红河自治县有近2 万 hm2的棕榈人工林,这是云南省的主要支柱产业[3]。贵州省也将其作为重要的纤维原料林进行发展,贵州省林业厅拟整合天保、珠防、退耕还林、石漠化治理等林业重点工程发展20 万 hm2棕榈基地。贵州属于典型的喀斯特地貌,其由碳酸盐岩和非碳酸盐岩发育而成的土壤基本情况和肥力各不相同[4-5]。一定的土壤条件决定着相应树种的生产力,前人对不同岩性土壤和日本柳杉[6]、杉木[7]、闵楠[8]、皂角[9]、猴樟[10]和马尾松[11]等树种进行了相关研究。目前,有关研究者从棕榈种源种子的生理生化[12]、抗旱性[13]、纤维材料特性[14]、苗期生长性状[15]、花苞营养成分[16]、雌雄花内源激素[17]和果实总黄酮含量及其抗氧化性[18]等方面进行了研究。在其遗传特性上,胡志姣等[19]研究了贵州省棕榈种源地理变异情况。龙鹏等[20]就不同立地条件对棕榈人工林及其产量的影响的研究结果表明,在不同立地条件下土壤中各种营养元素的变化均较大,棕榈人工林经营可根据不同立地条件的养分特点进行合理施肥以提高产量。而有关施肥对不同岩性土壤上棕榈树生长的影响研究尚未见诸报道。棕榈根系浅、须根发达,其幼年阶段生长比较缓慢。为给造林后棕榈幼树的科学施肥提供理论依据和技术指导,以促进棕榈幼树的快速成林,本研究针对不同岩性土壤上的棕榈幼树开展了施肥试验,研究了不同施肥处理对不同岩性土壤上棕榈幼苗根系生长状况及其生物量的影响情况,现将研究结果分析报道如下。
试验在贵州大学林学院教学实验苗圃内进行。苗圃地处黔中地区,东经104°34′、北纬26°34′,海拔高度1 159 m,系中亚热带湿润温和型气候区。年均气温15.8 ℃,绝对最高气温39.5 ℃,最低气温-9.5 ℃,≥10 ℃的年活动积温为4 637.5 ℃,年降水量为1 229 mm,年均相对湿度为79%,太阳辐射总量为3 567 MJ/m2。
供试土壤分别为由纯质灰岩发育而成的石灰土(采自贵阳市花溪水库)、由灰质白云岩发育而成的石灰土(采自贵阳市花溪区把火村)和由砂页岩发育而成的黄壤(采自贵阳市花溪区孟关林场),全部采用B 层(距离地表深30 ~100 cm处)土壤作为样品。将采回的土壤样品捡出石块等杂物后过1 cm²的筛孔,风干,然后用0.5%的高锰酸钾溶液消毒后再混匀,装入底部打孔且已垫上漏水网的塑料桶(上口径28.3 cm、下口径19 cm、高19.5 cm)里,每盆装入风干土6 kg 作为栽培基质。供试土壤样品的基本理化性质指标的测定结果分别如下:纯质灰岩石灰土的pH 值为7.00,其有机质含量为36.16 g/kg,含水量为74.45%,容重为1.31 g/cm³,其全氮、全磷、全钾含量分别为1.64、4.34、9.21 g/kg,其碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为128.33、143.29、33.00 mg/kg;灰质白云岩石灰土的pH值为6.88,其有机质含量为24.10 g/kg,含水量为71.73%,容重为1.23 g/cm³,其全氮、全磷、全钾含量分别为0.75、2.43、5.71 g/kg,其碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为63.00、68.34、27.82 mg/kg;砂页岩黄壤的pH 值为4.64,其有机质含量为46.08 g/kg,含水量为82.85%,容重为1.47 g/cm³,其全氮、全磷、全钾含量分别为1.19、2.87、2.99 g/kg,其碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为53.67、178.87、10.19 mg/kg。
棕榈苗木选取独山县麻尾镇尧棒村育苗基地培育的长势均一致的3年生苗(同一种源),2018年3月上旬移栽入塑料桶中,每桶栽植1 株,共栽植2 000 株,移栽后按常规进行浇水、除草管理,待其成活后开始进行施肥试验。棕榈苗木的年生长期为271 d。
供试肥料:氮肥(尿素,含氮量为46.2%)、磷肥(钙镁磷肥,含五氧化二磷16%)、钾肥(硫酸钾肥,含氧化钾51%)。选用L16(45)的正交试验设计进行施肥试验,分别以氮、磷、钾元素为试验因素,此3 个因素各设4 个施肥水平,共设16 个施肥处理,试验所设的施肥因素及施肥水平见表1,各处理的具体施肥量见表2。分别于2018年的6月14日、7月30日、8月14日 分3 次 将 肥料环绕棕榈根系周围施入土壤中,每次施肥量为施肥总量的1/3,然后覆土,浇少量水以稀释土壤中的肥料,易于苗木吸收。每个处理各设3 个重复,每个重复13 株苗木,共计1 872 株苗。
表1 棕榈苗施肥试验的因素和水平Table1 Fertilization factors and levels of T.fortunei seedlings
根系扫描:施肥当年12月采样,每个处理取3 个重复,每个重复各采集样株7 株,用数字化根系扫描仪(STD1600 Epsom USA)进行扫描,采用Win-Rhizo(Version 410B)根系分析系统软件分析根长度、表面积、体积、平均直径、根尖数等指标。
生物量的测定:将根系扫描后的样株的根、茎、叶分开,洗净后用吸水纸吸干水分,分别装入信封中,测定各部分的鲜质量,置于105 ℃的烘箱中杀青30 min 后,再将温度调至75 ℃烘干至恒质量,分别称其干质量,精确到0.001 g。
采用SPSS 18.0 和Origin Pro 9.1 软件进行数据分析和图表制作。
不同施肥处理对纯质灰岩石灰土壤上棕榈幼苗根系生长的影响情况见表3。由表3可知,不同组合肥料处理下纯质灰岩石灰土壤上棕榈幼苗各根系生长指标值均存在显著差异(P<0.05)。16 个施肥处理中,5号处理的棕榈苗其总根长最长,根系表面积最大,根尖数最多,其总根长、根系表面积、根尖数分别为对照组的1.6、2.3 和1.5 倍;棕榈苗根系总体积和根系直径均最大的处理编号分别是12 和9号;15号处理的棕榈苗其总根长、根系表面积、根系总体积、根系直径、根尖数均最小。
表2 棕榈苗施肥试验的设计方案Table2 Experimental design of fertilization for T.fortunei seedlings
表3 不同施肥处理对纯质灰岩石灰土壤上棕榈苗根系生长的影响†Table3 Effects of different fertilization treatments on root growth of T.fortunei seedlings on pure limestone
不同施肥处理对灰质白云岩石灰土壤上棕榈苗根系生长的影响情况见表4。从表4中可以看出,不同组合肥料处理下棕榈苗的根系总长、根系表面积、根系总体积及根系平均直径、根尖数都存在显著差异(P<0.05)。5号处理的棕榈苗其根系表面积和根系总体积均最大,分别是对照组的1.5 和1.9 倍;4号处理的棕榈苗其根系表面积和根系总体积均最小;总根长、根尖数、根系直径最大的处理编号分别是7、9 和6号,7、9 和6号处理的总根长、根尖数、根系直径分别是对照的1.3、1.4 和1.6 倍;总根长和根尖数均最低的处理编号是14号,根系直径最小的处理编号是8号。
不同施肥处理对砂页岩黄壤上棕榈苗根系生长的的影响情况见表5。表5表明:不同组合肥料处理下砂页岩黄壤上棕榈苗的根系总长、根系表面积、根系总体积及根系直径、根尖数都存在显著差异(P<0.05)。5号处理的棕榈苗其总根长最长,根系表面积最大,根系总体积最大,根尖数最多,其总根长、根系表面积、根系总体积与根尖数分别为对照组的1.8、2.0、2.5 和1.4 倍;总根长最短、根系表面积最小和根尖数最少的处理编号是13号;根系总体积和根系直径均最小的处理编号是1号。
表4 不同施肥处理对灰质白云岩石灰土壤上棕榈苗根系生长的影响Table4 Effect of different fertilization treatments on root growth of T.fortunei seedlings in calcite dolomite soil
表5 不同施肥处理对砂页岩黄壤上棕榈苗根系生长的影响Table5 Effect of different fertilization treatments on root growth of T.fortunei seedlings in sand shale yellow soil
为了筛选出对不同岩性土壤上棕榈苗根系形态施用效果最好的氮、磷、钾配比肥料的最佳配比,并探讨其影响次序,设计了不同处理组合对不同岩性土壤上棕榈苗进行了正交施肥试验,然后对正交试验结果进行了极差分析,结果见表6。由表6可知,最能有效促进纯质灰岩石灰土上棕榈苗总根长、根系表面积和根尖数增长的最优方案均为N2P4K1,最能促进其根系直径生长的最优方案是N3P4K3,而此2 个最优方案在正交试验方案中均未出现。最能促进其根系总体积增大的最优方案是N3P4K2,即12号处理。在氮、磷、钾3 个因素中,N 对根系形态指标的影响最大,P、K 元素的影响次序却因根系形态指标而各异。
由表6还可知道,最能有效促进灰质白云岩石灰土上棕榈苗总根长、根系表面积和根尖数增长的最优方案均为N2P1K1,最能促进其根系直径生长的最优方案是N2P1K3,而此2 个最优方案在正交试验方案中也都未出现。最能促进其根系总体积增大的最优方案是N2P1K2,即处理5。N 肥是其总根长和根尖数的主导影响因子,P 肥是其根系表面积和根系直径的主导影响因子,K 肥是其根系总体积的主导影响因子。
从表6中可以看出,最能有效促进由砂页岩发育而成的黄壤上棕榈苗总根长和根尖数增长的最优方案均为N2P4K1,最能促进其根系表面积和根系总体积增长的最优方案均为N2P4K2,而此2 个最优方案在正交试验方案中均未出现。最能促进其根系直径生长的最优方案是N3P4K2,即处理12。在氮、磷、钾三因素中,N 元素是对其总根长、根系表面积、根系总体积和根尖数影响最大的因子,P、K 元素的影响程度因其根系形态指标而异,P 元素对其根系直径的影响最大,K 元素的影响次之。
表6 不同施肥处理下不同岩性土壤上棕榈苗根系指标值的极差分析结果Table6 Range analysis of root index values of T.fortunei seedlings in different lithological soils under different fertilization treatments
N、P、K 的不同施肥水平和施用量对不同岩性土壤上棕榈苗根系生长的影响情况如图1所示。由图1可知,随着氮素水平的增加,由纯质灰岩发育而成的石灰土、由灰质白云岩发育而成的石灰土和由砂页岩发育而成的黄壤上棕榈苗的总根长、根系表面积和根尖数均呈先升高后下降的变化趋势,其在N2水平处理下均达到了最大值;施肥处理下纯质灰岩石灰土、灰质白云岩石灰土、砂页岩黄壤上棕榈苗总根长的最大值比对照组的分别高18.4%、13.6%、16.2%,其根系表面积的最大值比对照组的分别高21.1%、16.9%、21.6%,其根尖数的最大值比对照组的分别高18.9%、18.9%、10.5%。纯质灰岩石灰土和砂页岩黄壤上棕榈苗的根系总体积均先增加后降低;纯质灰岩石灰土上棕榈苗的根系总体积在N3水平处理下达到最大值,比对照组的高34.4%;砂页岩黄壤上棕榈苗的根系体积在N2水平处理下达到最大值,比对照组的高31.0%;灰质白云岩石灰土上棕榈苗的根系总体积呈双峰曲线的变化趋势,分别在N2与N4水平处理下达到最大值,比对照组的分别高24.6%和23.6%。3 种岩性土壤上棕榈苗根系直径的变化趋势一致,均表现为先增加后降低;纯质灰岩石灰土与砂页岩黄壤上棕榈苗的根系直径在N3水平处理下达到最大值,比对照组的分别高24.4%和16.7%;灰质白云岩石灰土上棕榈苗的根系直径在N2水平处理下达到最大值,比对照组的高12.2%。
随着磷水平的增加,纯质灰岩石灰土和砂页岩黄壤上棕榈苗的总根长、根系表面积、根系总体积、根系直径和根尖数均呈先降低后增加的变化趋势,在P2水平处理下各指标的测定值均低于对照组,而在P4水平处理下各指标的测定值均高于对照组。灰质白云岩石灰土上棕榈苗各根系指标的测定值随着P 元素的增加均逐渐降低,P4水平处理的根系总长度、根系表面积、根系总体积、根尖数、根系直径比P1水平处理的分别低25.2%、27.2%、31.9%、27.4%、29.2%。
图1 N、P、K 的施用量对不同岩性土壤上棕榈苗根系指标的影响Fig.1 Effect of N,P and K application amount on root index values of T.fortunei in different lithological soils
随着钾水平的增加,3 种土壤上棕榈苗各根系指标的测定值均呈先升高后降低的变化趋势。除了灰质白云岩石灰土上棕榈苗根系总体积的最大值出现在K2水平处理下,纯质灰岩石灰土与灰质白云岩石灰土上棕榈苗其余各根系指标的最大值均出现在K3水平处理下;纯质灰岩石灰土与灰质白云岩石灰土壤上棕榈苗的总根长比K1水平处理的分别高11.9%和24.2%,其根系表面积比K1水平处理的分别高16.9%和20.8%,其根系总体积比K1水平处理的分别高23.3%、19.3%,其根系直径比K1水平处理的分别高14.0%、23.3%。除根尖数外,K2水平处理的砂页岩黄壤上棕榈苗各根系指标值均达到最大,其总根长、根系表面积、根系总体积、根系直径比K1水平处理的分别高14.2%、20.8%、29.9% 和19.9%;纯质灰岩石灰土和灰质白云岩石灰土上棕榈苗各根系指标值,K4水平处理的均高于K1水平处理的;而砂页岩黄壤上棕榈苗的多数根系指标值与K1处理的都接近。试验结果表明,只有合理的施肥才能对棕榈苗根系形态有较好的影响,这与韩丛蔚等[21]的研究结果一致,即通过施肥对其细根形态产生影响,从而增强其根系的吸收能力。
不同施肥处理对不同岩性土壤上棕榈苗生物量和根冠比的影响情况见表7。从表7中可以看出,施肥对纯质灰岩石灰土、灰质白云岩石灰土和砂页岩黄壤上棕榈苗生物量及根冠比均有显著影响(P<0.05)。在纯质灰岩石灰土上,棕榈苗的茎、叶干物质质量和根干物质质量均最大的处理编号是5号,其茎、叶干物质质量分别是对照组的1.53、1.44 倍;其根冠比最大的处理编号是10号,其根冠比是对照组的1.19 倍。在灰质白云岩石灰土和砂页岩黄壤上,棕榈苗的茎、叶干物质质量最大的处理编号均为6号,其茎、叶干物质质量分别是对照组的1.66、1.74 倍。灰质白云岩石灰土的根干物质质量和根冠比均最大的处理组是对照组。砂页岩黄壤上,棕榈苗的根干物质质量最大的处理编号是7号,其根干物质质量是对照组的1.36 倍;棕榈苗的根冠比最大的处理编号是2号,其根冠比是对照组的1.07 倍。
表7 不同施肥处理对不同岩性土壤上棕榈苗生物量和根冠比的影响Table7 Effect of different fertilization treatments on biomass and root-shoot ratio of T.fortunei seedlings in different lithological soils
为了探讨氮、磷、钾配比施肥对不同岩性土壤上棕榈苗生物量施用效果的最优方案及影响次序,对其根干物质质量、茎叶干物质质量和根冠比的正交试验结果进行了分析,结果见表8。由表8可知,能有效促进纯质灰岩石灰土上棕榈苗根生物量增长的最优方案是N2P1K4,能有效促进其茎叶生物量增长的最优方案是N2P1K3,能有效促进其根冠比增大的最优方案是N1P2K4,而此3 个最优方案在正交试验方案中均未出现。在氮、磷、钾3 个因素中,N 对棕榈苗根生物量和茎叶生物量的影响均最大,P、K 的影响均次之;而K 对其根冠比的影响最大,N、P 的影响均次之。能有效促进灰质白云岩石灰土上棕榈苗根生物量增长的最优方案是N2P1K4,能有效促进其茎叶生物量增长的最优方案是N2P2K4,这2 个最优方案在正交试验方案中亦均未出现。能有效促进根冠比增大的最优方案是N1P1K1,即对照组。在氮、磷、钾3 个因素中,N 对根生物量和茎叶生物量的影响均最大,P、K 元素的影响次序因指标而异。能有效促进由砂页岩发育而成的黄壤上棕榈苗根生物量增长的最优方案是N2P3K2,能有效促进其茎叶生物量增长的最优方案是N2P3K2,能有效促进其根冠比增大的最优方案是N2P4K2,此3 个最优方案在正交试验方案中都未出现。在氮、磷、钾3 个因素中,N 对棕榈苗根生物量、茎叶生物量和根冠比的影响均最大,P、K 的影响均次之;而K 对其根冠比的影响最大,N、P 的影响均次之。通过极差分析可知,除纯质灰岩石灰土外,灰质白云岩石灰土和砂页岩黄壤上的棕榈幼苗,施入氮肥对其根冠比的影响最大,且其根冠比随着氮肥量的增加而降低。这一试验结果说明,合理地施入适宜配比的肥料能够较好地调节苗木地上和地下生物量的分配,在养分贫乏时能促进苗木根系生长,这与程勇等[22]对青冈栎的研究结果基本一致。
表8 不同处理组合影响下不同岩性土壤上棕榈苗生物量的极差分析结果Table8 Range analysis of T.fortunei seedlings biomass in different lithological soils under different fertilization treatments
前述各项指标分析只是从棕榈苗整体生长角度进行的,由于各项指标适宜的施肥配方不同,难以对不同岩性土壤上棕榈苗的整体施肥效应进行评价,因此,采用隶属函数法对不同岩性土壤上棕榈苗生长的整体施肥效应进行分析。
首先,采用隶属函数法,对不同岩性土壤上培育的棕榈植株各根系指标及生物量进行综合评价,结果见表9。由表9可知,在纯质灰岩石灰土上培育的棕榈植株其隶属函数值最高的处理编号是5号(其处理组合为N2P1K2),16 个处理的棕榈植株其隶属函数值从大到小依次为:5号>12号>7号>9号>6号>8号>16号>3号>11号>10号>4号>14号>13号>2号>1号(CK)>15号。在灰质白云岩石灰土上培育的棕榈植株其隶属函数值最高的处理编号是6号(其处理组合为N2P2K1),16 个处理的棕榈植株其隶属函数值从大到小依次为:6号>7号>5号>9号>2号>10号>13号>1号(CK)>3号>16号>11号>15号>8号>14号>12号>4号。在砂页岩黄壤上培育的棕榈植株其隶属函数值最高的处理编号是5号(其处理组合为N2P1K2),16 个处理的棕榈植株其隶属函数值从大到小依次为:5号>6号>12号>7号>3号>8号>15号>16号>4号>10号>9号>2号>1号(CK)>11号>14号>13号。
然后根据不同岩性土壤上棕榈苗的根系指标及生物量的隶属函数总分值进行极差分析,结果表明,对于纯质灰岩石灰土上培育的棕榈苗,能有效促其根系发育及生物量积累的最优方案是N2P4K1,其中N 的影响最大,其次是P 的影响;对于灰质白云岩石灰土上培育的棕榈苗,能有效促其根系发育及生物量积累的最优方案是N1P2K4,其中P 的影响最大,其次是N 的影响;对于砂页岩黄壤上培育的棕榈苗,能有效促其根系发育及生物量积累的最优方案是N2P4K2,其中N 的影响最大,其次是K 的影响。能有效促进3 种岩性土壤上棕榈苗的根系发育及生物量积累的最优方案在正交试验设计方案中均未出现。
表9 不同处理下不同岩性土壤上棕榈苗根系指标及生物量的隶属函数值Table9 Subordinate function values of root index and biomass of T.fortunei seedlings in different lithological soils under different fertilization treatments
不同岩性土壤都含有原有岩石的矿质营养成分,因而其养分状况存在差异,这在一定程度上决定了相应树种的生产力[23]。在供试的3 种岩性土壤样品中,由纯质灰岩发育而成的石灰土中全氮、碱解氮、全磷、全钾和速效钾的含量在3 种土壤样品中均是最高的,其速效磷含量在3 种土壤样品中居第二位;由砂页岩发育而成的黄壤中速效磷的含量最高,而其他养分含量在3 种土壤样品中均居中等水平;由灰质白云岩发育而成的土壤中,速效钾含量最高,全钾含量在3 种土壤样品中居第二位,但其他养分含量在3 种土壤样品中均最低。施肥效应也因岩性土壤性质而异。从总体上看,氮元素是植物营养三要素中最重要的元素,因而氮素对栽植于由纯质灰岩和砂页岩发育而成的土壤上的棕榈苗生长的影响均最大,而对栽植于灰质白云岩石灰土上的棕榈苗生长的影响程度居于第二位。试验中发现,不同岩性土壤中比较亏缺的元素也往往成为影响棕榈苗生长的重要养分元素,如灰质白云岩石灰土壤中速效磷和全磷含量均最低,P 对棕榈苗生长的影响却最大;在由砂页岩发育而成的黄壤中全钾和速效钾含量均最低,K 元素便成为影响棕榈苗生长的仅次于氮元素的第二大养分元素。这与前人的研究结果相似。周运超等[24]对马尾松人工林的施肥试验结果表明,在南方缺磷少钾的酸性土壤上施磷肥,其效果最好。纪建书等[25]对页岩红壤上湿地松幼林的施肥试验结果表明,在相对肥沃但仍然较缺P 元素的由页岩坡积物发育而成的红壤上,对湿地松幼林施用 P 肥的效果显著。由此可见,针对不同岩性土壤的施肥试验结果表明,选择适宜的肥料配方十分必要。当然还可参考其他棕榈科植物的施肥量和施肥时间。杨志国[26]认为,一般而言,栽种棕榈植物苗木时的施肥宜使用颗粒肥;对于棕榈小苗或刚移栽的苗,肥料用量宜为200 ~400 g/株,施肥次数1年4 次;绿化苗的用量宜为300 ~500 g/株。施肥方法可采用条状沟施或坑施法。因此,本试验采用的3 次施肥设计,还有待进一步研究,需要根据棕榈的需肥规律进一步讨论。本次试验设计采用的是正交试验设计,其优点在于既可降低试验次数,科学设计试验因素与水平的全方位组合,又能很好地估计试验误差,提高试验精确度,判断试验因素影响的主次顺序,并找出最佳组合[27]。但是,研究中发现,不论是对根系指标、生物量指标还是对棕榈苗的整体生长状况的影响效应,最佳的施肥处理组合中仍有一些不在所设计的正交试验方案之中,因此,需要进一步试验验证才能得到最终结果。试验中未曾考虑到所施入的氮磷钾肥的交互作用问题,使得研究结果存在一定的局限性,今后应在相关的试验研究中予以完善。
1)不同施肥配方对不同岩性土壤上棕榈苗各根系指标及生物量的影响差异均显著,但能有效促进不同岩性土壤上棕榈苗根系发育和生物量积累的施肥配方是不同的。
2)可促进由纯质灰岩发育而成的石灰土和由砂页岩发育而成的黄壤上棕榈苗根系发育及生物量积累的适宜施肥配方均为N2P1K2,能有效促进由白云质灰岩发育而成的石灰土上棕榈苗根系发育及生物量积累的适宜施肥配方则为N2P2K1。
3)正交试验结果表明,对由纯质灰岩发育而成的石灰土上棕榈苗的最优施肥方案是N2P4K1,其中N 的影响最大,其次是P 的影响;对由白云质灰岩发育而成的石灰土上棕榈苗的最优施肥方案是N1P2K4,其中P 的影响最大,其次是N 的影响;对由砂页岩发育而成的黄壤上棕榈苗的最优施肥方案是N2P4K2,其中N 的影响最大,其次是K 的影响。