配比施肥对紫椴播种苗生长、养分积累及根系形态的影响

杨 阳，张德鹏，及 利，2，张 洁，杨立学

（1.东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.吉林省林业科学研究院，吉林 长春 130033）

施肥可以提升土壤生产潜力，改善苗木的外部营养环境，进而促进苗木生长。通过施肥来提高苗木质量是苗木培育过程中最基本有效的措施之一[1]。氮、磷、钾作为植物生长发育的主要营养元素，以吸收运输同化的方式参与到植物的生理代谢活动中，其含量直接影响苗木质量的好坏[2-3]。植物根系从土壤中吸收氮后，其中75%的氮素被转运用于植物呼吸、光合作用等代谢活动。磷参与了植物细胞膜（磷脂）的合成、信号转导等，磷肥的适当使用又影响着氮素的有效性，增加了苗木对氮素的吸收能力，促进了土壤中氮素的释放。不同于氮和磷，钾在植物体内主要以离子状态的形式存在，参与细胞渗透势的形成，同时氮素的代谢需要钾元素共同协助来完成[4]。三者之间相互关联，相互制约。科学合理的氮磷钾配比施肥能够在短期内有效地促进苗木生长，增加经济效益。对刨花润楠Machilus pauhoi、降香黄檀Dalbergia odorifera、青冈栎Cyclobalanopsis glauca、赤皮青冈Cyclobalanopsis gilva、毛红椿Toona ciliata等进行合理配比施肥，研究表明配施能显著促进其苗高、地径及蓄积量[5-9]。根系是苗木吸收利用营养元素、固定地上部分的重要功能器官[10]。根系形态又是研究根系构型的重要组成部分，对于主要借助扩散抵达根表的养分来说，根系形态参数对于苗木体内养分有效性的变化起着重要作用。通过优化根构型改善苗木对土壤营养的吸收能力，可提高苗木质量。细根作为植物养分和水分的“源”，其根系形态特征的变化受土壤养分空间异质性的影响，决定了苗木获取有效资源的策略[11-12]。

紫椴Tilia amurensis，又名籽椴，是椴树科Tiliaceae 椴树属Tilia落叶乔木，为国家Ⅱ级保护植物。紫椴常单株散生于红松阔叶混交林内，生长缓慢[13]。另一方面，由于紫椴种子种皮致密，内部含有抑制物质，具有深度休眠的特性，这极度限制了紫椴苗木的培育及扩繁[14]。以往关于紫椴的研究多集中在解除休眠及无性繁殖方面[14-15]，对于优质苗木的培育鲜少涉及，苗圃化育苗也相对滞后。N、P、K 的协同供给对幼苗生长的影响随着树种和供养量的变化差异很大，本试验于田间开展，细致探讨了不同配比施肥对紫椴播种苗生长、养分含量及根系形态的影响，揭示紫椴幼苗对N、P、K 的需求利用规律，为田间规模化培育高质量紫椴苗木提供了科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

试验研究地点位于黑龙江省佳木斯市二道河苗圃基地。苗圃位于132°31′26″～134°22′26″E，46°49′47″～48°12′58″N，属温带湿润季风气候区，年平均气温1～2℃，日照时数为2 260～2 449 h，年均降水量为550～600 mm，≥10℃的年有效积温2 500℃左右，无霜期为110～135 d。土壤为暗棕壤，pH 值为6.5，其中全氮、全磷、全钾含量分 别 为1.05 mg‧g-1、639 mg‧kg-1、920.1 mg‧kg-1，水解氮、有效磷、速效钾含量分别为368.96、36.65、319.92 mg‧kg-1。

1.2 试验材料及前期处理

2017年于黑龙江省宝龙店种子林林场采集紫椴种子，浸泡消毒后，以种∶沙=1∶3 的比例混匀，湿度保持在70%～80%范围，装入无纺布袋后放入通风窖内进行低温催芽处理，于翌年4月取出播种入苗床。2018年4月作平床，并划分苗床为1 m×1 m 的标准试验方块，每一试验小区四周向下埋入60 cm 深塑料布以防止养分扩散和转移。为保证每试验小区80 株幼苗，5月剔除多余幼苗。试验采用随机区组设计，每处理设置3 次重复，于2018年6月开始试验，处理时将肥料溶于一定量的水中，用喷壶均匀施入苗床，试验期间定期进行人工除草，喷药防治病虫害，每个处理浇等量的水保持至田间持水量的70%～80%。

1.3 研究方法

1.3.1 施肥方法

此研究采用二次回归肥料“3414”设计，氮磷钾3 个因素4 个水平，共14 个处理，具体施肥量设计如表1所示。文中处理T1即本次试验的对照（CK）。所施肥料为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）、氯化钾（含K2O 60%）。磷肥作为基肥一次性施入，氮、钾肥于6、7、8月的中旬分批施入，施肥量分别为30%、40%、30%。

表1 紫椴播种苗氮磷钾配比施肥试验设计Table 1 Experiment design of N,P and N fertilization for Tilia amurensis seedlings

1.3.2 指标测量

施肥前，每个处理随机选择15 株紫椴幼苗测定苗木的初始苗高和地径；生长季结束后，定株测得最终苗高、地径。随后选取生长相近的10株苗木进行破坏性取样。取样后，茎叶在70℃下烘干至恒质量，得干质量。将苗木根系洗净后按直径（＜0.5 mm，0.5～1 mm，1～2 mm，＞2 mm）进行分级，分级后使用Epson 扫描仪（Expression 10000 XL 1.0，Regent Instruments Company，Canada）进行扫描，采用WinRHIZO（pro2004b）软件进行根系分析，得到根长、根表面积、根体积。扫描后入70℃烘箱得到根干质量。将烘干后同一区组处理的根、茎、叶干样品混合并分别用高速粉碎机磨碎，过孔径0.149 mm 的筛子后用于测定全氮、全磷、全钾含量。样品采取H2SO4-H2O2消煮法处理后，采用凯氏定氮法测定氮含量（mg‧g-1），紫外分外光度计法测定磷含量（mg‧g-1），原子吸收法测定钾含量（mg‧g-1）。根据测定的氮（磷、钾）含量，可计算出植株根、茎、叶的氮磷钾总含量，公式为：植株根（或茎、叶）的氮（或磷、钾）含量（mg）=根（或茎、叶）的氮（或磷、钾）含量（mg‧g-1）×相应的生物量（g）。

1.3.3 数据分析

采用Excel 2003 和SPSS 19.0 软件处理数据。采用单因素方差分析（One-way ANOVA）检验不同处理之间的差异（LSD，α=0.05）。线性方程拟合采用逐步回归法；在SigmaPlot 12.0 软件中作图。所有数据均为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 氮磷钾配比施肥对紫椴播种苗苗高、地径的影响

不同施肥处理间苗高、地径生长量均存在极显著差异（P＜0.01）（图1）。14 种施肥处理下苗高增量变化范围介于8～23 cm 之间，增量排序为T10＞T2＞T5＞T1＞T3＞T4＞T8＞T12＞T14＞T6＞T13＞T7＞T9＞T11；地径生长增量变化范围介于3～5 mm 之间，增量排序为T10＞T2＞T5＞T14＞T3＞T13＞T6＞T4＞T12＞T8＞T1＞T7＞T9＞T11。其中，苗高、地径均为T10（N2P2K3）的最大，分别为22.16 cm、5 mm，比CK（N0P0K0）分别增长了11.41%、32.98%。T11（N3P2K2）的苗高、地径生长量最小，分别为8.38 cm、3.11 mm。

图1 氮磷钾配比施肥处理下紫椴播种苗苗高（A）、地茎生长量（B）Fig.1 Height growth increment (A) and basal diameter growth increment (B) of Tilia amurensis seedlings under N,P and K fertilization treatments

2.2 氮磷钾配比施肥对紫椴播种苗生物量分配的影响

不同施肥处理间各器官及全株生物量均存在显著差异（P＜0.05）（表2）。全株生物量大小排序为T10＞T14＞T6＞T3＞T7＞T5＞T2＞T9＞T13＞T4＞T12＞T1＞T8＞T11。T10（N2P2K3）的总生物量最高，达到了7.16 g，相比CK（N0P0K0）增加了113.1%。T10的根、叶、茎生物量与CK 均存在显著差异（P＜0.05），分别较CK 提高了181.72%、98.55%与82.18%。T10的总生物量显著大于T2（N0P2K2）、T4（N2P0K2）、T8（N2P2K0）。T11（N3P2K2）的总生物量最低，只有3.21 g，相比CK 减少了44.61%。T11的根、茎、叶生物量最小（P＜0.05）。在N2K2水平时，随着磷肥施用量的增加，苗木根系生物量呈先升高后降低的趋势。

表2 氮磷钾配比施肥对紫椴播种苗生物量分配的影响†Table 2 Effect of N,P and K fertilization on biomass distribution of Tilia amurensis seedlings

2.3 氮磷钾配比施肥对紫椴播种苗养分积累的影响

不同配比施肥处理对紫椴播种苗根、茎、叶各器官养分分配及积累的影响不同（图2）。幼苗各器官N、P、K 含量分别为叶＞根＞茎、叶＞根＞茎、叶＞茎＞根。紫椴播种苗全株N 含量、P含量、K 含量分别为55.77～156.20、5.12～13.17、21.89～44.20 mg‧株-1。14 种施肥处理下紫椴幼苗的全株氮磷钾含量均有显著差异（P＜0.05），T10（N2P2K3）的含量最高，T11（N3P2K2）的含量最少。

图2 氮磷钾配比施肥对紫椴播种苗根茎叶养分储量的影响Fig.2 Effect of N,P and K Fertilizers on nutrient reserves of root,stem and leave of Tilia amurensis seedlings

2.4 氮磷钾配比施肥对紫椴播种苗根系形态的影响

细根（D＜1 mm）为主要的吸收根，粗根（D＞2 mm）为主要的运输根。紫椴幼苗的细根（D＜1 mm）根长、根表面积占总根长、总根表面积的52.39%～77.99%、47.61%～71.64%。D＞2 mm的粗根体积占根系总体积的68.37%～85.12%（图3）。T3(N1P2K2)较其他处理具有最多的细根（D＜1 mm）（70%～80%）、直径更大的粗根（D＞2 mm）。T3的最大的根长（764.76 cm）、根表面积（55.70 cm2）和根体积（9.78 cm3）与CK存在显著差异，分别较CK（N0P0K0）高出98.14%、31.24% 与175.35%（图4）。CK（N0P0K0） 拥有最小的根长（385.97 cm）、根表面积（35.05 cm2）及根体积（3.55 cm3）（P＜0.05）。

图3 各径级根占紫椴播种苗总根长（A）、根表面积（B）、根体积（C）的百分比Fig.3 Percentage of root indexes of different diameter roots in total root length (A),root surface area (B) and root volume (C)of Tilia amurensis seedlings

图4 氮磷钾配比施肥对紫椴播种苗总根长（A）、根表面积（B）、根体积（C）的影响Fig.4 Effect of N,P and K Fertilization on total root length (A),root surface area (B) and root volume (C) of Tilia amurensis seedlings

3 讨论与结论

以培育优质幼苗为目标，苗木的形态生理特性能对压力源（例如养分）产生拮抗作用时，土壤中的水或养分等资源在特定的苗圃培育中的具体需要往往很难同时达到一种特性[16]。经过此试验，可以得出以下结论：T10（N2P2K3）更有利于紫椴播种苗的生长及养分的贮藏，施肥量为N∶P2O5∶K2O=0.40 g∶0.20 g∶0.45 g；配比施肥显著促进了根系形态的发育，T3(N1P2K2)更有利于紫椴播种苗的根系系统的形态建成，施肥量为N∶P2O5∶K2O=0.2 g∶0.2 g∶0.3 g。

苗高、地径和生物量是衡量苗木个体生长的直观指标。配比施肥能促进紫椴播种苗生长，这与很多研究相一致。N、P、K 配合施用对一年生黄芩Scutellaria baicalensis幼苗苗高、地径的促进作用要优于两种元素配比施肥，更优于单种元素处理[17]。本研究表明，3 种元素配施更有利于N素吸收利用效率，促进苗木主干的径向和横向生长以及生物量的累积。T11生物量最小，可能是在P、K 充足的情况下，N 施入水平较高对苗木造成了一定程度的养分毒害。本研究在N2K2水平时，苗木根系生物量随着P 肥施用量的增加呈现先升高后降低的趋势，说明适量有限的可用性磷影响着根毛的生长速率和形态[18-19]。在N、K 肥充足的前提下，施加P 肥可以有效地促进苗木根系根尖细胞增殖，加快地下部分生长，增加根系生物量，这与Treseder 等[20]的研究结果相类似。

紫椴苗木叶片中养分含量占全株养分含量的50%～90%，是苗木主要的养分储存库。T10在高N 高P 高K 的条件下，幼苗积累了最多的营养元素。Graciano 等[21]认为在适宜施肥量范围内，施N 提高了桉树Eucalyptus robusta的含N 量，施P提高了桉树的含P 量。T11的养分储量最少，与楸树Catalpa bungei[22]的研究结果相似。以上说明在P、K 一定的水平下，适度施N 才能提高苗木全株含N 量。对格木Erythrophleum fordii[23]幼苗的研究发现，当苗木体内含N 量较高时，其P、K 含量也比较高，说明配比施肥对矿质养分的吸收有互相促进的作用。Marschner[24]指出，在提高N 的前提下，也同时提高了苗木对P、K 的吸收效率。这种P、K 表现出的积极响应有以下几个原因：1）在N 摄取的前提条件下，这些用于合成核酸的营养素被用于支持根呼吸和光合作用；2）P 参与到细胞新陈代谢所需的能量物质形成过程中；3）K 介导着蛋白质合成所需的ATP 酶和激活酶。在苗木生长中，苗木对N、P、K 元素相对固定的化学计量的吸收似乎是蛋白质对氮、核酸、膜代谢需求的结果。苗木对特定养分吸收的限制依赖于其他营养物质的有效性[23]，因此，养分施用时需要考虑氮磷钾在肥料中的比例。

苗木根系形态参数（根长、根表面积等）对于水分和养分的吸收效率具有重要意义，土壤养分的有效性和分布状况是影响根系形态的重要环境因子之一[25-26]。本研究中，对照具有最小的根系统，原因是当营养供应不足时，根冠层发育不完全，根系拓展受到一定程度的抑制。经过配施的根系指标均大于CK，该结果与King 等[27]对火炬松Pinus taeda和北美黄松Pinus ponderosa的相似，即苗木根系的生长速率受苗木体内营养状况有关信号的调节，增加肥料供应，能够促进细根分枝数的增加、总根系的伸长[27-28]以及扩展，拓宽了根系在土壤中吸收养分的范围。细根（D＜1 mm）为主要的吸收根，粗根（D＞2 mm）为主要的运输根[29]。单株根系各形态指标的变化与小径级细根（D＜1 mm）的形态变化有着密切的关系，本研究中，T3（N1P2K2）幼苗根系形态表现最优，具有更多的细根比例，说明土壤资源有效性对细根生长发育产生较大的影响。Hendriek 等[30]指出白蜡Fraxinus chinensis根系总根长的80%是由直径小于1 mm 的细根组成。同样在紫椴播种苗中，细根（D＜1 mm）在总根长、根表面积中所占比例较大，显著大于粗根的根长、根表面积，这也与刘莹等[31]的研究结果一致，说明施肥对苗木根系形态的促进作用主要体现在细根的形态改变上，在养分密集区根系的分生往往以细根（D＜1 mm）为主，因其具有较大的吸收面积和较高的吸收效率[32]。

判断施肥是否有效以及如何确定林木的最适施肥量，主要还是根据树种的生理需求与土壤条件，通过施肥试验来确定[33]。目前，针对紫椴施肥的研究报道甚少，几乎没有配方施肥的研究。经过试验筛选出对培育紫椴幼苗相对较优的施肥方式，该试验研究结果对指导紫椴幼苗的施肥管理有很好的参考价值。根系的生理生态功能特征主要依赖于其形态特征和解剖结构特征。近年来，一些研究开始关注于土壤中有效N、P、K 对地下根系构型的影响。本试验也仅涉及面对生存环境改变的压力下（施肥后），苗木根系形态做出的改变。苗木根系对不同的施肥处理会在根系解剖结构横切面上（根直径、根皮层厚度、维管束直径和皮层细胞直径等）产生不同程度的影响，是否还有利于改善幼苗根系解剖结构进而输导运输养分的能力，提高幼苗的养分转运效率与养分积累量，这将是继续探讨的方向。