氮磷钾肥配施对黄栌生长和叶片呈色的影响*

吴焦焦 田秋玲 谭 星 乐佳兴 张 文 高 岚 李林珂 王一诺 刘 芸

(1.西南大学资源环境学院 重庆 400716；2.重庆市铜梁区双碾林场 重庆 402560；3.重庆市涪陵区永胜林场 重庆 408000)

黄栌(Cotinuscoggygria)属漆树科(Anacardiaceae)黄栌属(Cotinus)落叶灌木或小乔木，喜光，耐寒，耐干旱瘠薄和碱性土壤，萌蘖性强，可作为荒山造林的先锋树种，原产于中国西南、华北和浙江以及南欧、叙利亚、伊朗、巴基斯坦及印度北部(Daetal.,2018)。黄栌树姿优美，叶片秋天变为红色，是中国重要的观赏树种。然而，受气候和土壤等因素影响，自然生长的黄栌往往出现长势差，叶片呈色暗淡以及秋季叶片直接由绿变黄现象(周肖红等,2009;郑绪辰等,2013;葛雨萱等,2014)，严重影响观赏效果。植物叶片呈色主要受叶绿素、类胡萝卜素和花青苷组成和比例变化共同作用，其中，叶绿素和类胡萝卜素是重要的光合色素，其含量高低直接影响光合产物的形成和累积，从而影响叶片的生理代谢过程(Macintyreetal.,2002)。花青苷是广泛存在于植物中的水溶性天然色素，属类黄酮化合物，参与其合成最初反应的关键酶是苯丙氨酸解氨酶(PAL)(Achnineetal.,2004)，植物体中的可溶性糖和可溶性蛋白能通过能量供给和物质转化间接影响花青苷合成(Bianetal.,2018)。有研究表明，土壤中氮、磷、钾养分含量与植物叶片中色素含量存在一定相关性。高宏梅等(2011)认为，钾肥会促进紫叶小檗(Berberisthunbergii‘Atropurpurea’)叶片糖分转化和运输，提高花青苷含量，对叶片呈色的影响较大。Messenger等(1990)研究发现，低氮和低磷有利于叶片花青苷表达，促使秋叶呈现鲜艳的颜色；姜卫兵等(2005)对黄栌的研究表明，土壤中氮肥多，叶绿素大量合成占据主导地位，影响彩叶的显色，适度缺磷、缺氮或二者同时缺少时，能促进花青素含量增加，提升叶片色彩质量。但对多年生植物黄栌，长时间缺磷、缺氮也会显示出缺素症状，不利于生长，甚至影响到生存竞争力。在植物生长发育阶段，氮和磷在叶绿素合成中都起着重要作用，长时间低氮和低磷会影响光合作用和有机物合成，因此，从长期来看，有缺素症的植株叶片不会呈现健康的色彩，最终失去观赏价值。氮、磷、钾作为肥料三要素，在植物生长发育中起着十分重要的作用。陆秀君等(2015)研究发现，促进美国红枫(Acerrubrum)生长的最佳氮磷钾配方与促进叶色的最优配方并不一致，这是因为生长和呈色是不同的生理过程，但二者之间又相互作用。因此，植物配方施肥不仅要考虑生长需求，还要结合目标培育器官综合考虑。本研究利用氮磷钾三因素三水平正交试验，研究影响黄栌生长和叶片呈色的氮磷钾配比，探索既能让植株健康生长发育又能在秋冬季呈现靓丽色彩的施肥方案，为提升黄栌观赏价值提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地概况 位于西南大学后山试验园(106°25′54″ E，29°47′56″ N)，海拔227 m。该研究地属亚热带季风性湿润气候，雨量充沛，年均气温18.2 ℃，8月最高气温为44.3 ℃，1月最低气温-3.1 ℃。年均日照时数1 368 h，无霜期336天，年均降水量1 345 mm，土壤类型为紫色土。土壤理化性质为：有机质11.40 g·kg-1，pH7.65，全氮0.10 g·kg-1，全磷0.93 g·kg-1，全钾4.19 g·kg-1，碱解氮76.55 mg·kg-1，有效磷16.67 mg·kg-1，速效钾84.79 mg·kg-1。

1.2 试验设计 本试验采用露天盆栽方式(栽培土壤选自试验园)，2017年10月选择长势基本相同的4 年生黄栌实生苗，植于直径30 cm、高40 cm的控根容器内，根据植物生长发育需肥规律采用氮、磷、钾三因素三水平正交设计(表 1)。供试肥料及水平为：总氮含量46.40%的尿素(每株0、7.5和15 g)，P2O5含量12%的过磷酸钙(每株0、12.5和25 g)、K2O含量20%的硫酸钾(每株5、10和15 g)，以不施肥为空白对照，共10个处理。每个处理重复3次，每个重复8株，共240株。在距离苗木基干15 cm的四周挖4个直径10 cm、深15 cm的施肥穴，将肥料与表土混匀填入，分别在2018年3月、5月、7月和9月施入总施肥量的30%、20%、30%和20%，并在同年以下各时期测定相关指标：5月10日(生长初期)、8月10日(生长旺盛期)、11月5日(变色初期)、11月20日(变色中期)、12月5日(变色末期)。

表1 黄栌施肥处理的试验方案Tab.1 Test scheme of fertilization treatment for C. coggygria

1.3 测定指标及方法 用钢卷尺和电子游标卡尺测量株高(H)和地径(D)；采集植株中上部 4～6片健康叶片，立即带回实验室，洗净擦干，用Canon EOS-7 D数码相机叶片信息采集和YMJ-C型号智能叶面积测量系统(浙江托普云农科技股份有限公司)测定叶面积(LA)；参照邹琦(2003)测定叶片叶绿素(Chls)、类胡萝卜素(Car)、花青苷(Ant)、可溶性蛋白(SP)和可溶性糖(SS)含量；用上海优选生物科技有限公司生产的苯丙氨酸解氨酶试剂盒(货号YX-C-A604)测定苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性。

利用Adobe Photoshop CS6软件测定叶色L*、a*、b*值后，计算叶片彩度C*值和色相角h，计算公式为：C*=[(a*)2+(b*)2]1/2；h=arctan (b*/a*)(葛雨萱，2008)。

冗余分析(RDA)是一种回归分析结合主成分分析的排序方法，主要用来反映解释变量与响应变量的相互关系(贡璐等，2017)，可反映氮磷钾肥与黄栌生长、叶片呈色的关系。生成图中的箭头连线长度表示相应的环境因子与研究对象的相关程度大小，连线越长相关性越大，反之越小；箭头连线和排序轴的夹角以及箭头连线之间的夹角表示相关性，锐角表示正相关，夹角越小相关性越高。

1.4 数据处理 采用Excel 2010 软件进行数据统计，SPSS 22.0 软件进行显著性差异分析(Duncan法进行多重比较)和聚类分析；利用Origin 2018 进行图表制作，Canoco 5.0进行冗余分析。

2 结果与分析

2.1 氮磷钾配施对黄栌生长的影响 由图1可知，T3和T9的株高增长量显著高于对照(P<0.05)，各处理的增长量范围在(38.00 ± 4.09)～(68.67 ± 4.51)cm；除T5和T7的地径增长量与对照差异不显著(P>0.05)外，其余施肥处理的效果均显著高于对照(P<0.05)，增长幅度在(0.47 ± 0.06)～(1.17 ± 0.24)cm；除T1、T4和T7的叶面积增长量与对照差异不显著(P>0.05)外，其余施肥处理的效果均显著高于对照(P<0.05)，增长幅度在(2 275.77 ± 109.3)～(4 623.22 ± 215.37)mm2。以上结果表明，配比施肥能促进黄栌的株高、地径和叶面积生长，其中T3和T9对株高和地径影响最大，T9对叶面积影响最大。

图1 不同氮磷钾配施处理对黄栌株高、地径和叶面积的影响Fig.1 Effects of combined N,P and K fertilization on plant height,ground diameter and leaf area of C. coggygria

2.2 氮磷钾配施对黄栌叶色参数的影响 各处理的叶色参数L*、a*、b*值随时间的变化如表2所示，L*值在生长旺盛期最低，之后逐渐上升；a*值随时间逐渐上升，其中变色中期至变色末期上升趋势增大，变色末期达最高值，b*值在变色初期最低，之后逐渐上升。经进一步计算得到叶片彩度C*值和色相角h(表3)，表明叶片彩度C*值在变色初期最低，之后逐渐增大，变色末期达最高值；各处理的色相角h在生长初期和生长旺盛期维持在相同水平，之后逐渐增大，变色末期达最高值。

图2 不同氮磷钾配施下各时期黄栌叶Fig.2 Photos of C. coggygria leaf color under combined N,P and K fertilization in various period

2.3 氮磷钾配施对黄栌叶片色素的影响 1)氮磷钾配施对叶绿素含量的影响 各处理的叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)和叶绿素总含量[Chl(a+b)]随时间呈波动变化(图3)，生长期呈先上升再下降趋势，生长旺盛期含量总体最高，平均值分别为2.645、1.066和3.710 mg·g-1；进入变色期后，同样呈先上升再下降趋势，变色中期含量总体最高，平均值分别为1.193、0.419和1.611 mg·g-1；变色末期含量最低，平均值分别为0.030、0.062和0.092 mg·g-1。各处理生长期的叶绿素a/b(Chl a/b)与Chl a、Chl b和Chls变化趋势相反，但进入变色期后变化趋势相同，生长旺盛期平均值为2.496，变色中期为3.043，变色末期为0.672。T6、T7、T8和T9的Chls含量在生长旺盛期和变色中期显著高于对照。

2)氮磷钾配施对类胡萝卜素含量的影响 各处理的黄栌叶片Car含量随时间变化规律相同(图3)，生长期呈先上升再下降趋势，生长旺盛期时T5、T7、T8和T9的含量较高，且该时期的总体含量处于最高水平，平均值为3.154 mg·g-1；进入变色期后，各处理间的差异较小，开始呈逐渐上升趋势，变色初期值最小，平均值为0.677 mg·g-1，变色末期值最大，平均值为1.672 mg·g-1。T5、T7、T8和T9的Car含量在生长旺盛期显著高于对照。

3)氮磷钾配施对花青苷含量的影响 各处理的Ant含量随时间呈波动变化趋势(图3)，生长期呈先上升再下降趋势，生长旺盛期含量总体最高，平均值为28.942 U；进入变色期后，开始呈逐渐上升趋势，其中变色初期至变色中期叶片Ant含量上升幅度较小，变色中期至变色末期叶片Ant含量大幅上升，变色初期值最小，平均值为12.379 U，变色末期达最大值，T3、T4、T5和T6的Ant含量显著高于对照。

2.4 氮磷钾配施对可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响 1)氮磷钾配施对可溶性蛋白(SP)含量的影响 氮磷钾配施下黄栌叶片变色末期SP含量相对较低，在T6、T7、T8和T9显著高于对照(P<0.05)(图4)，分别是其1.50、2.52、2.17和2.31倍；生长旺盛期和变色中期的SP含量近似，且各处理间的差异较小。

2)氮磷钾配施对可溶性糖(SS)含量的影响 氮磷钾配施下黄栌叶片在变色中期和变色末期的SS含量相对较低，变色中期T4为对照的1.5倍(P<0.05)(图4)，T1、T3、T5、T6、T8和T9显著低于对照(P<0.05)，对照分别是它们的1.29、1.66、1.21、1.21、1.35和1.91倍；变色末期除T1与对照差异不显著(P<0.05)外，其余处理均显著高于对照(P<0.05)，为对照的1.40、1.56、1.86、1.63、1.19、1.98、1.10和1.34倍。生长旺盛期SS含量总体最高，在T4和T7显著高于对照(P<0.05)，分别为对照的1.08和1.18倍。

图4 不同氮磷钾配施处理对黄栌叶片可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响Fig.4 Effects of combined N,P and K fertilization on contents of soluble protein and soluble sugar in leaves of C. coggygria

2.5 氮磷钾配施对苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性的影响 氮磷钾配施下黄栌叶片变色初期的PAL活性相对较低，在T2、T3、T5、T7和T9显著高于对照(P<0.05)(图5)，分别为对照的1.25、1.34、1.29、1.31和1.31倍；变色末期的PAL活性最高，除T1与对照差异不显著(P>0.05)外，其余处理均显著高于对照(P<0.05)，分别为对照的1.10、1.28、1.16、1.23、1.16、1.17、1.14和1.18倍。

图5 不同氮磷钾配施处理对黄栌叶片苯丙氨酸解氨酶的影响Fig.5 Effects of combined N,P and K fertilization on phenylalanine ammonia-lyase of C. coggygria leaves

2.6 氮磷钾与黄栌生长、叶片呈色的关系 冗余分析(RDA)方法可直观表达氮磷钾与黄栌生长、叶片呈色的相互关系。由表4可知，前2个排序轴解释了2组变量特征的79.30%，它们的累计解释量达96.11%，说明排序结果可信，能较好解释2组变量的关系。由图6可知，氮磷钾对黄栌生长、叶片呈色均有重要影响，其中肥料贡献率表现为氮肥>磷肥>钾肥；叶片生理指标对叶色的影响程度由强至弱依次是Ant>PAL>SS>Chl a/b>Chls>Chl a>Car>SP。氮和钾对黄栌的H、LA、Chls和Car影响大，磷对D、Ant和PAL的影响大。叶色参数L*、a*、b*值和彩度C*值与Ant、PAL正相关；Ant与D、PAL正相关，与SS、SP负相关；PAL与Chl a和Chls正相关，与Chl a/b、SS和SP负相关；SS与SP、Chl a/b和Car正相关。

表4 氮磷钾与黄栌生长及叶片呈色的RDA分析Tab.4 RDA analysis of growth and leaf color of C. coggygria with N,P and K

图6 氮磷钾与黄栌生长及叶片呈色的RDA排序Fig.6 RDA diagram of growth and leaf color rendering of C. coggygria with N,P and KN:氮肥;P:磷肥;K:钾肥;LA:叶面积;H:株高;D:地径;Chl a:叶绿素a;Chl b:叶绿素b;Chl a/b:叶绿素a/b ;Chls:总叶绿素;Car:类胡萝卜素;Ant:花青苷;SP:可溶性蛋白;SS:可溶性糖;PAL:苯丙氨酸解氨酶;L*、a*、b*:叶色值;C*:彩度;h:色相角。N:Nitrogen fertilizer;P:Phosphate fertilizer;K:Potassium fertilizer;LA:Leaf area;H:Height;D:Diameter;Chl a:Chlorophyll a;Chl b:Chlorophyll b;Chl a/b:Chlorophyll a/b ;Chls:Total chlorophyll;Car:Carotenoid;Ant:Anthocyanin;SP:Soluble protein;SS:Soluble sugar;PAL:Phenylalanine ammonia-lyase;L*、a*、b*:Leaf color value;C*:Chromaticity;h:Hue angle。

2.7 聚类分析 所有处理可分为3个类型(图7)，第1类包括T3、T5、T6、T8和T9，其特点是PAL活性和Ant含量最高，叶片呈色效果好；第2类包括T2、T4、T7和T10，其特点是PAL活性和Ant含量中等，叶片呈色效果中等；第3类包括T1，其特点是PAL活性和Ant含量最低，叶片呈色效果差。

图7 不同氮磷钾配施处理对黄栌叶片呈色的聚类分析Fig.7 Cluster analysis on physiology of C. coggygria leaves combined N,P and K fertilization

3 讨论

植物叶片呈现出的颜色变化与叶绿素、类胡萝卜素和花青苷含量动态变化密切相关(钱见平等,2013)。本研究中黄栌叶片变色期的叶绿素和类胡萝卜素含量降低，花青苷含量升高，可能是由黄栌叶片光合色素降解、花青苷积累所引起。同时，叶色参数a*值与花青苷含量随时间变化趋势一致，进一步说明花青苷是黄栌叶片呈现红色的主要色素。花青苷合成与其他次生代谢物复杂的形成机制有关，冯露等(2012)研究发现，紫叶紫薇(Lagerstroemiaindica‘Ebony Ember’)叶片花青苷含量与可溶性糖(SS)含量显著正相关，与本研究结果相反。这可能是冯露等(2012)对紫叶紫薇的研究时间为5—6月，光合作用处于相对旺盛时期，产生的可溶性糖含量也较多，而本研究黄栌叶片变色期处于秋冬季节，气温降低，叶绿素降解，光合作用减弱甚至停止，可溶性糖累积也随之降低，而花青苷合成需消耗大量可溶性糖为其提供能量，因此，进入变色期的黄栌叶片花青苷含量升高，可溶性糖含量因产出低且消耗量大而降低(卓启苗等,2018)。另外，本研究还发现花青苷含量与苯丙氨酸解氨酶(PAL)含量在变色期均呈逐渐上升趋势，但变色中期至变色末期的花青苷含量上升趋势远远大于PAL，RDA分析显示，二者呈正相关，研究表明PAL是能为花青苷合成提供前体物质，但并不是唯一的物质，可能还存在其他酶，有关花青苷生物合成途径还有待深入研究。可溶性蛋白也是重要的光合产物，本试验中，花青苷含量与可溶性蛋白(SP)含量负相关，一方面因秋冬季节叶片光合能力降低导致其累积量减少，另一方面，它是花青苷合成过程中一种信号机制，不仅能激活花青苷合成途径中PAL活性，还会参与其他酶类和糖类物质的合成与转化、促进花青苷合成，进而被大量消耗(Christopoulosetal.,2015)。

土壤中氮磷钾互作影响植物体内营养物质的传递，进而影响植株养分积累和生长发育(李元敬等,2013)。姜天华等(2016)研究发现，增施氮肥能增加油用牡丹(Paeoniaostii‘Fengdan Group’)的株高、冠幅、花径和产量；张永亮等(2020)认为，磷肥可显著增加苜蓿(Medicago)产量，但生长中对磷素需求有个阈值，在阈值之下增施磷肥对生长有利，超过阈值生长受到抑制。王桂良等(2009)研究认为，钾肥可增强小麦(Triticumaestivum)光合作用，促进光合产物向籽粒运输，有利于增加小麦产量。合理配施更能促进养分转运吸收、协调植物与土壤间养分供需矛盾。较高的钾肥水平可促进植物对氮磷钾的吸收，同时还能提高氮素吸收和转运，通过增加叶面积接收更多太阳能(王进斌等,2019;汪顺义等,2017)；氮磷钾配施可增加土壤有效养分含量，有利于植物吸收，显著提高苗高和地径，进一步对生长发挥重要作用(王景燕等,2016)。本研究中，单施钾肥的T1仅显著增加了黄栌地径生长，但对叶片生理指标的影响不显著，冗余分析结果进一步表明氮和钾对黄栌株高、叶面积和光合色素影响大，磷对地径和花青苷的影响大，是因钾能促进植物吸收利用氮素，加速细胞分裂和增长，改变形态建成，提高叶片光合色素含量(吴茜等,2011;冯志威等,2016;Vitouseketal.,2010;王桂良等;2009)，而磷的供应使可溶性糖积累，在健壮植株的同时为花青苷合成提供必要能量物质(Yanetal.，2018)。

不同植物以及植物生长不同时期的肥料需求量不同。李晓天等(2013)研究表明芒果(Mangiferaindica)在不同生理期内的氮磷钾需求量各不相同，在营养生长阶段的氮和钾需求量增加，磷需求量减少；在果实膨大成熟阶段的钾需求较多。本研究中，生长旺盛期(8月10日)时的T7、T8和T9大量氮肥供应提高了光合色素含量，有利于促进光合作用，积累更多有机物促进生长(高岚等,2018)。变色末期(12月5日)的T3、T4、T5和T6的花青苷含量较高，黄栌对氮的需求量小于生长旺盛期，而对磷和钾的需求量增加，这表明同一植物在不同生长期的需肥量不同。因此，为确保植物顺利完成不同时期的生理过程，要通过合理配施才能实现培育目标。

4 结论

合理的氮磷钾配施既能促进黄栌生长，又能提高叶片呈色质量，花青苷(Ant)含量是黄栌叶片呈现红色的关键因素，而苯丙氨酸解氨酶活性(PAL)、可溶性糖(SS)和可溶性蛋白(SP)含量对花青苷合成具有促进作用；在本试验中，T3(N、P和K单株施用量分别为0、25和15 g)和T9(N、P和K 单株施用量分别为15、25和10 g)处理利于植株生长和叶片呈色。但从长远来看，为避免缺氮影响黄栌生长，T9处理才能保持黄栌正常生长发育和叶片呈色质量，提升观赏价值。