桂西北喀斯特区山核桃叶片及土壤养分的季节动态

霍灿灿，招礼军，朱栗琼，霍丽娜，刘金炽

（广西大学林学院/广西森林生态与保育重点实验室，广西 南宁 530004）

【研究意义】喀斯特地区常常出现石质荒漠化现象，造成土层浅薄、基岩裸露、土被不连续、土壤蓄水能力低。据2018 年统计，广西河池市石漠化土地占其总面积的21.6%，占广西石漠化面积的35%以上［1］。喀斯特石漠化区域的营林造林是改善该生态环境的重要方式。山核桃（Carya cathayensisSarg.）又名小核桃、碧根果，是胡桃科（Julandaceae）山核桃属（Carya）的一种落叶乔木［2］，原产于美国和墨西哥北部，该树干通直、树体高大、树姿美观，是一种含油率极高的木本油料经济树种，具有重要的材用价值和庭院绿化价值［3-4］。广西河池市具有良好的自然气候，适合山核桃生长，促进山核桃产业发展有利于喀斯特石漠化区的山核桃经济林的经营管理［1］。由于山核桃缺乏科学的管理措施及病虫害防治体系不健全等因素，导致山核桃出现生长发育不良、挂果率低、土壤肥力下降、产量和品质低等一系列问题［5］。研究山核桃叶片和林地土壤养分状况，可为提高山核桃品质和产量提供理论依据。【前人研究进展】研究发现，在山核桃生长周期内，叶片各营养元素含量是不断变化的。研究者通常采用叶片养分指标分析法对果树营养进行诊断［6］。童根平等［7］研究表明，山核桃进入花期后，其叶片中氮、磷、钾养分含量逐渐递减，在开花到坐果期间叶片养分水平显著下降。丁立忠等［8］发现经有机与无机配方的低用量氮肥处理后，山核桃叶片氮含量增加；有机与无机配方肥和磷肥配施处理后，可提高山核桃叶片积累磷的能力。山核桃叶片养分情况与土壤肥力密切相关。土壤养分是构成土壤肥力的核心因素，对增加农作物的产量和品质具有重要作用［9］。杨惠思等［9］对临安山核桃品质与土壤养分分析结果表明，土壤中磷、硼、锌3 种元素可促进其叶片积累养分和山核桃品质的提升。【本研究切入点】目前，关于山核桃生长发育中叶片养分和林地土壤养分变化规律鲜有研究，对果园土壤的精准施肥缺乏针对性的解决方案。山核桃是广西河池市的支柱性产业，对该地区经济发展和喀斯特石漠化地区山核桃经济林的经营管理有重要意义。近年来，对山核桃的研究主要集中在苗木繁育、遗传多样性、果实油脂提取工艺优化及生物活性成分等方面，而关于不同季节山核桃叶片及土壤养分等方面报道较少。【拟解决的关键问题】探究山核桃叶片养分和土壤养分在一年中不同季节的动态变化，并分析叶片养分和土壤养分的相关性，旨在从营养利用方面为山核桃经济林的施肥、管理以及低产林的改造提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于广西壮族自治区河池市环江县（107°51′～108°43′E、24°44′～25°33′N），该地区属中亚热带季风气候，年平均气温南部丘陵为19.9 ℃、北部山区为15.7 ℃；年平均降雨量南部为1 389.1 mm、北部为1 750 mm，4—9 月降雨量占全年降雨量的70%；年平均相对湿度79%；全年日照时数4 422 h，无霜期290 d，全年太阳辐射量为98.89 kcal/cm2。

1.2 叶片取样及测定方法

该试验分别于2019 年4 月（花期）、7 月（果实生长期）和10 月中旬（果实成熟期）在环江县的10 个核桃园进行。所选核桃园土壤和地形条件趋同、日常管理一致。山核桃树龄5 年，株行距约4 m×5 m，种植海拔65～715 m。每个核桃园按照“S”型随机采样，分别选取20 株生长状况相对一致且无病虫害的山核桃，分别从东、南、西、北4 个方向采摘发育枝中部相对的两片复叶，共1 000 g。带回实验室后，将叶片按照自来水、0.1%洗涤剂、自来水、去离子水（3 遍）的顺序清洗后置于烘箱中，在105 ℃下杀青20 min，然后在65 ℃下烘干至恒重，用粉碎机将烘干样品粉碎过0.15 mm 筛后装于自封袋保存，用于叶片养分测定。

叶片全碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；采用H2SO4-H2O2消煮法制备待测液，然后采用扩散法测定全氮（TN）含量、钼锑抗比色法测定全磷（TP）含量、火焰光度法测定全钾（TK）含量；采用干灰化-稀酸溶解-原子吸收分光光度计法测定叶片钙（Ca）、铁（Fe）、锌（Zn）含量，采用干灰化-稀酸溶解-姜黄素比色法测定硼（B）含量。叶片养分参照宋斌等［10］和刘东海［11］的分级标准（表1）。

表1 叶片养分分级标准Table 1 Classification standards for leaf nutrients

1.3 土壤取样及测定方法

在每个核桃园所选的20 株山核桃树冠滴水线位置挖0～40 cm 的土壤剖面，且每次取样避开上一次取样点，在剖面均匀取土，5 株混合为一个样。每个核桃园土样进行混合后再用四分法采集1 kg 土样分别装入自封袋中，带回实验室后去除土壤样品中的石砾、植物根系及碎屑，过2 mm土筛，然后测定土壤养分含量。

土壤中有机碳（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）含量分别采用重铬酸钾法、定氮法、比色法、光度法进行测定；有效氮（AN）含量经2 moI/L 氯化钾溶液提取后使用流动分析仪测定；有效磷（AP）含量采用HCl-HF 浸提钼锑抗比色法测定；速效钾（AK）含量采用乙酸铵浸提火焰光度计法测定；速效硼（AB）含量采用干灰化-稀酸溶解-姜黄素比色法测定；速效铁（AFe）、速效锌（AZn）含量采用DTPA 浸提-原子吸收分光光度法测定；速效钙（ACa）采用EDTA+NH4OAC 浸提-原子吸收分光光度法［12］测定。土壤养分参照《全国第二次土壤养分分级标准》和张超博［13］的分级标准（表2）。

表2 土壤养分分级标准Table 2 Classification standards for soil nutrients

1.4 数据处理

运用Excel 2010 进行数据整理，用SPSS 25.0对数据进行计算，以One-way ANOVA进行单因素方差分析，采用Pearson 进行相关性分析，使用SigmaPlot 14.0 作图。

2 结果与分析

2.1 山核桃叶片养分含量及季节动态

叶片分析是果园施肥管理中最为准确的检测技术，将分析数据与合理值进行比较，可以科学地确定施肥种类及施肥量。由表3 可知，山核桃叶片N、K、Ca、Fe 含量分别以缺乏、低量、低量和高量为主，叶片Fe 和B 无缺乏和低量现象。50%的山核桃叶片缺乏P，山核桃叶片Zn 处于高量的占比为50%。叶片B 表现为变异程度较大，其余叶片养分元素均为变异程度较小。

表3 山核桃叶片养分含量及分布频率Table 3 Nutrient contents and distribution frequency of Carya cathayensis leaves

受季节性气候和土壤肥力的影响，山核桃叶片各养分元素表现出明显季节性差异。由图1 可知，叶片N、B 含量在各个季节差异显著，叶片N 含量在10 月达到最小值，而B 含量此时达到峰值。4 月，山核桃叶片K、Fe、Zn 含量均显著高于其他月份，7 月的叶片K、Zn 含量与10 月份差异不显著，叶片K、Fe 在7 月达到最小值，而叶片Zn 含量于10 月达到最小值。叶片P 含量的峰值出现在7 月，仅在7 月与10 月存在显著差异。叶片Ca 含量的峰值出现在10 月，且7 月、10 月的叶片Ca 含量是4 月的近2 倍。综上表明，山核桃果实发育整个过程对N 的需求量较大，集中表现在果实成熟期；在果实生长期，山核桃对K、Fe 元素的利用最多而对P 的利用较少；在果实生长期和果实成熟期，山核桃对K、Zn 和Ca 的利用处于较稳定的状况。

图1 山核桃叶片养分含量季节动态Fig.1 Seasonal dynamics of nutrient content in Carya cathayensis leaves

2.2 山核桃土壤养分含量及季节动态

由表4 可知，山核桃土壤SOM、TN、AB 含量比较丰富，而TK、AN、AK 含量较低。TP 含量仅有适量和极高量两种情况。85.72%的土壤含有极高的AFe，AZn 含量较多分布在适量和极高水平。ACa 含量无缺乏和极高情况，大多处于适量水平。山核桃土壤AP、AK、AFe、AZn、ACa、AB 表现为变异程度较大，而其他元素均为变异程度较小。

表4 山核桃土壤有机质及养分含量Table 4 Soil organic matter and nutrient contents of Carya cathayensis

除山核桃土壤SOM 和TN 外，其他土壤养分元素均表现出较明显的季节性差异。由图2 可知，4 月的土壤TP、AN、AK 含量与7 月、10 月有显著差异，7 月和10 月则无显著差异，而AFe 与TP、AN、AK 的季节差异情况相反。各个季节的土壤TK、AP、AZn、ACa 含量均存在显著差异，TK 于10 月达到峰值而AP、AZn 则达到最小值，ACa 于7 月达到峰值，4 月的AZn 含量是10 月的6.9 倍。10 月的土壤AB 与4 月、7 月有显著差异，且7 月处于峰值。山核桃土壤TK 含量比TN、TP 含量的变幅大，ACa 含量比AFe、AK 含量的变幅大，AZn 含量比AB 含量的变幅大，AP 含量比AN 含量的变幅大。综上说明，山核桃果实生长发育过程土壤有机质较丰富，果实生长期对土壤N、K 元素的消耗较大，且大量元素的有效性较低；果实成熟期需要补充P、Ca、B 等微量元素肥料。

图2 山核桃土壤养分含量季节动态Fig.2 Seasonal dynamics of soil nutrient content of Carya cathayensis

2.3 山核桃叶片养分和土壤养分的相关性

由于本研究区10 月份的温度及降雨量等因素变化相对平稳，环境较稳定，使得山核桃叶片养分含量相对较稳定，可比性强，因此以此时的含量水平为基准，采用Pearson 分析山核桃叶片养分和土壤各理化性质的相关性。结果（图3）表明，山核桃叶片N 含量与土壤AZn 含量呈显著负相关关系，相关系数为-0.671；叶片P 含量与土壤AN 含量呈极显著负相关关系，相关系数为-0.790；叶片Fe 含量与土壤AP 含量呈显著负相关关系，相关系数为-0.642；而叶片其他养分含量与土壤各理化性质之间没有显著相关性。

图3 山核桃叶片养分和土壤养分的相关性热图Fig.3 Correlation heat map of leaf nutrients and soil nutrients of Carya cathayensis

3 讨论

叶片是植物进行同化作用并对土壤矿质营养反应最为敏感的器官，其生理活动旺盛、养分含量高，叶片矿质营养状况可以在一定程度上反映树体的生理状态以及土壤的养分状况［14］。在植物生活史不同时期，叶片对不同元素的输入与输出的比例引起植物叶片养分含量表现出明显的季节动态。此外，由于不同养分元素具有不同生理机能，各元素含量也存在一定差异。大量元素是植物生长所必需的，对植物的光合作用及能量储存十分重要。N 是构成蛋白质和叶绿素的重要元素，叶片N 含量较高，可以增强细胞壁组分硬度和碳同化，从而提高抵御病虫害侵蚀、环境胁迫和植物光合利用能力［15］。P 能加强碳水化合物的合成和运转，促进N 代谢，与植物开花特性密切相关；K 是植物生长必需的营养元素，还能促进植物机械组织的发育，使其增强抗逆性［16］。微量元素在植物体内含量虽少，但对植物生长发育不可或缺，可促进植物对大量元素的吸收利用，保障其产量和品质，增强抗逆性。Ca 可以加速植物体有机物的转移与运输，提高叶片光合效率。Fe 是植物必需的一种微量元素，是植物叶绿体结构及能量代谢的重要元素，还会影响植物对养分的吸收［17］。Zn 作为很多酶的活性核心元素，在植物的光合作用和生长方面发挥重要作用。B 元素可促进细胞分裂和花粉萌发，参与植物叶片光合作用碳水化合物的合成，对维持植物叶片功能起着重要作用，植物体缺B 会使叶片叶绿素含量下降，叶绿体结构受到破坏。叶片养分的动态变化与物候期、外界环境及遗传因素有关，其中季节变化对其影响最大［18］。本研究结果表明，4 月份叶片N、P、K 含量较高，推测可能因为根吸收养分后转运到叶片，也可能因光照较弱导致山核桃生理活动弱而产生养分的积累。而N、P、K元素具有较高的移动性［19］，随着叶龄的增加其含量减少可能是由于光合作用产生的碳水化合物稀释和养分的再利用造成的。山核桃叶片7 月、10 月的Ca 含量是4 月的近2 倍，这可能因为果实的快速膨大吸收较多矿质、Ca 的移动性较小，本研究Ca 含量变化与彭婷等［20］研究结果一致。在7 月份叶绿体大量形成，而形成叶绿素前体需要Fe 元素，叶片需要向果实提供Fe 元素，所以其含量减少，该元素含量变化与袁紫倩等［21］研究结果相同。Zn 含量随着果实发育逐渐减少，是由于Zn 被转运到果实中，这与黄瑞敏等［22］研究结果一致。B 含量的不断增加可能与山核桃的营养生长和生殖生长需要有关，具体原因仍需进一步深入研究。

山核桃林地土壤养分的变化是海拔、地貌形态、气候条件、施肥及灌水管理措施等共同作用的结果［23］。土壤中的养分含量反映了土壤的肥沃程度，作为提供植物生长必需的能源基础，决定着植物中的营养含量。土壤营养状况显著影响果树生长及生产力水平，反过来果树的生长也会影响土壤养分的变化。SOM 含量多少是衡量土壤肥力大小的关键，能够优化土壤结构，增加土壤速效养分含量，本研究发现山核桃林地土壤肥力相对较高，可能是因为山核桃林套种玉米、旱藕等作物，使得林地植被更繁茂，植物残体分解后回归土壤，有机残落物更丰富，腐殖质大量形成［24］。土壤有机质有利于山核桃园中丛枝菌根真菌的生长发育，进而促进山核桃的生长。从4 月至10 月土壤有机质的增加与微生物的分解作用有关，加上山核桃根际微生物的作用，土壤TK含量也不断增加，而AK 含量减少可能与果实生长发育过程中的消耗有关，也受不同的施肥方式、耕作措施及土壤水热条件影响而呈现差异［25］。林地土壤TN 含量丰富，推测可能因为林地的土壤酶活性较高，分解有机氮的能力增强，进而提高了山核桃林地土壤的肥力水平；但AN 却处于低量水平，可能因为山核桃的吸收利用，再加上石山地形肥料挥发快、土壤有机质熟化程度低、氮素多以有机态形式存在。因此，选择增施叶面肥能达到更好的效果。土壤AN、AP 含量从4 月至10 月不断减少，这与山核桃果实生长所需、土壤中P 易与Fe 和Al 离子形成不溶于水的磷酸盐、降雨导致水肥流失等有关。本研究发现，山核桃对AN、AP、AK 的吸收主要在7 月和10 月，这与张春苗等［25］研究结果一致。从4 月至10 月AZn 含量逐渐减少，可能与果实生长发育、土壤pH 及根际生长对Zn 有效性的影响等有关，该结果还需要进一步验证。pH 指对AFe、ACa 含量有一定影响，pH 值降低有利于氧化铁的转化进而提高Fe 的有效性［26-28］，但加快了盐基离子的流失导致交换性钙含量的减少。从4 月至10 月AB 含量的倒“V”型变化趋势是受SOM 变化的影响，因为有机质能吸附或螯合B 元素进而使B 元素被固定免受淋洗，同时可将B 元素矿化而提高其有效性［29］。目前国内外尚未制定出山核桃林地土壤养分丰缺标准，本文参考的全国第二次土壤普查标准与张超博的土壤养分分级标准是否适用于山核桃林土壤，还有待进一步研究。

山核桃吸收的矿质营养大多来源于土壤，研究叶片营养与土壤养分之间的相关性，有助于了解土壤养分情况对树体的影响。本研究结果表明，山核桃叶片养分与土壤养分存在不同程度的相关性，推测可能与该林地的气候条件、土壤微环境、根系吸收能力、元素生理机能及采样时间等因素有关。土壤AZn 含量低会显著提高山核桃叶片N含量，表明施用过多Zn 肥对提高叶片N 含量并无效果［30］，这可能因为Zn 是合成叶绿素的必需元素，土壤AZn 减少运输到叶片的Zn 也较少，进而抑制有机质合成，减少对N 的利用［31］。土壤AN 含量低直接导致叶片N 含量减少，阻碍蛋白质合成，降低了叶片对P 的利用［31］，因此土壤AN 含量低，会在很大程度上促进叶片P 含量的积累。土壤AP 含量低致使运输到叶片的AP 也减少，叶绿素-蛋白复合体合成过程减弱，降低了叶片对Fe 的利用［32］，因此土壤AP 对叶片Fe有较大的拮抗作用。

4 结论

本研究将叶片营养诊断和土壤养分分析相结合，发现山核桃叶片各养分均存在明显季节性变化，土壤养分中除SOM 含量和AN 含量无明显季节性变化外，其余养分含量均有较明显的季节性变化。山核桃叶片N、P、K 含量少，分别为16.72、0.93、11.30 g/kg；山核桃林地土壤综合养分水平较高，SOM、TN、TP 含量分别为32.68、1.59、1.50 g/kg，AP、AFe、AZn、AB 含量分别为35.82、133.63、4.92、5.04 mg/kg，而TK 含量水平较低，N、K 元素的有效性低。建议在山核桃花期加强施用钾肥；果实生长期注重施用氮肥、钾肥，并施用适量的安全无激素生根剂+菌肥；果实成熟期补充磷肥和钙、硼等微量元素肥料；可考虑山核桃+甘蓝等复合经营模式。