不同施肥方式对巨柏苗木生长及光合作用的影响

辛福梅，柳文杰，张兴强，李紫帅

(西藏农牧学院资源与环境学院，西藏 林芝 860000)

巨柏(Cupressusgigantea)又名雅鲁藏布江柏木，为柏科(Cupressaceae)柏木属(Cupressus)常绿乔木，属西藏特有树种[1].仅分布于雅江中游朗县至米林、林芝一带，海拔3 000～3 400 m，沿江漫滩和灰石露头阶地阳坡的中下部.巨柏有较古老的地史，其对研究柏科植物的系统发育和西藏植被的发生发展及其与环境的关系有重要意义.由于自然历史因素和现代人类活动的影响，巨柏个体数量日益减少，分布地域逐渐狭窄、孤立，处于濒危状态，现为国家一级重点保护的濒危树种[2-4].

巨柏在大力采种育苗营造人工林的过程中，不仅苗木需求量大而且对苗木质量的要求也较高.合理施肥是提高苗木质量、培育优质壮苗的重要手段[5].科学施肥不仅可满足苗木不同生长时期所需养分，提高苗木养分的利用效率和生物量的积累，进而提升苗木规格，而且可避免多余肥料所造成的环境污染[6-11].本研究以2年生巨柏苗为试验材料，分析不同施肥方式对巨柏苗地上部分与地下新生根生长以及光合作用的影响，以期为珍稀濒危种质巨柏人工培育过程中科学施肥提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在西藏农牧学院林学实验苗圃内(29°40′13″ N，94°20′12″ E)完成，试验地属高原温带半湿润气候，海拔2 970 m，年平均气温8.7 ℃，年平均降水量650 mm，年均日照2 022.20 h，无霜期180 d.

2016年3月下旬将长势良好、生长相对一致的2年生巨柏播种苗100株(苗高25.4 cm，地径3.81 mm)栽植于规格为24 cm×30 cm×24 cm(底径×上口径×高)的塑料花盆中，每盆一株.培育基质为沙壤土，基质pH 6.23，有机碳含量54 g/kg，全氮3.67 g/kg，全磷1.48 g/kg，全钾3.62 g/kg，每盆装土13.5 kg.苗木缓苗至6月初开始用不同施肥方式进行处理，供试肥料为桂湖生产的复合肥料(N、P2O5和K2O的质量比为13∶5∶7)，总养分质量分数≥25%，7月底施肥结束后进行常规管理及光合指标测定，9月20日测定生长指标后结束试验.

1.2 试验方法

1.2.1 施肥方法

1) 平均施肥(CF)

每次施肥量Nt=NT/t，式中，Nt为第t次施肥时的施肥量，NT为总施肥量，t为施肥次数[12].

2) 指数施肥(EF)

依据公式Nt=Ns(ert-1)-NT,t-1确定施肥量.式中:Ns为施肥前巨柏苗的初始N含量;NT,t-1为前t-1 次累积的施N量;r为相对增加率，其计算公式为NT=Ns(ert-1)，其中，NT和Ns参考2015年测定的苗木初期和生长结束时的N含量确定(NT为863 mg/株，Ns为12.28 mg/株)，计算得r值约为0.53[7,13].

3) 2倍指数施肥(DEF)

每次施肥量为EF的2倍.

施肥以N为标准，用定量的水溶解后施入.

基于以上施肥方法及巨柏苗年生长规律，施肥试验时间间隔设为7 d，总施肥次数为8次，设不施肥对照(CK)、CF、EF、DEF共4个处理，各处理的施肥量详见表1.

表1 不同施肥处理的施肥量Tab.1 Amount of fertilizer in different fertilization treatments mg/株

1.2.2 指标测定

1) 生长指标

2016年9月20日从各处理中选择10株进行苗高、地径、生物量及新生根形态的测定.其中生物量和新生根测定是将整个苗木挖出后进行破坏性取样，根系挖出后用流水冲洗干净(小心操作以防根系被水冲走)后测定.取其中5株进行生物量测定，测定时将植株分地上、地下两部分分别放入烘箱，在80 ℃烘干至恒量后称量，根冠比=地下干质量/地上干质量.

新生根测定时每个处理取5株，分别采集新生根，清洗干净后应用Epson perfection V700 photo根系扫描系统和WinRhizo根系图像分析系统对各单株新生根系进行长度、表面积和体积的测定分析.待全部根样扫描完成后，将各单株根样置于80 ℃烘箱中烘干至恒量，测定各单株根样的生物量.各单株比根长(cm/g)=各单株根样的新生根长(cm)/各单株根样的生物量(g)[14].

2) 光合指标

光合测定在2016年8月5日进行，从4组施肥处理的各重复中选择5株苗的成熟叶片，用Li-6400XT便携式光合系统测定仪测定.在日进程8：00—18：00期间测定其净光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、蒸腾速率(transpiration rate,Tr)、气孔导度(stomatal conductance,Gs)及胞间CO2浓度(intercellular CO2concentration,Ci).由于巨柏叶片不能充满叶室，在光合测定完成后用Microtek Phantom 3500扫描仪扫描各处理叶片，通过UTHSCSA图像分析系统测定叶面积，之后重新换算Pn、Tr、Gs和Ci，并计算水分利用效率(water use efficiency,WUE)，WUE=Pn/Tr.

光响应测定时设定温度为20 ℃，CO2含量为400 μmol/mol，光强设置从高至低依次为2 000，1 800，1 600，1 400，1 200，1 000，800，600，400，250，180，120，80，50，25，0 μmol/(m2·s).测定Pn，并绘制光响应曲线，得到相应的拟合方程，计算光补偿点(light compensation point,LCP)、光饱和点(light saturation point,LSP)、表观量子效率(apparent quanyum efficiency,AQY)、最大净光合速率(maximum net photosynthetic rate,Pmax)、暗呼吸速率(dark respiration rate,Rd)和光合有效辐射(photosynthetically available radiation,PAR)参数值[14].

1.3 数据处理

试验基础数据采用Excel 2010软件统计处理，用DPS 7.05系统对数据进行方差分析，处理间各指标的显著性比较采用新复极差(Duncan)法，用Origin 9.0软件作图，利用蔡时青等[15]的光合作用计算软件来拟合光合特征参数，并利用模型计算相关指标.

2 结果与分析

2.1 不同施肥方式对巨柏苗生长的影响

2.1.1 苗高和地径

由表2可知：不同施肥处理下巨柏苗的苗高表现为EF>DEF>CF>CK，巨柏苗在EF时最高，平均苗高达37.17 cm，CF、EF和DEF时苗高之间差异不显著，而CK与其余3个施肥处理之间均存在显著差异(P<0.05).苗木地径在不同施肥处理下的变化趋势与苗高基本一致，EF时地径最大(6.32 mm)，与CK(4.09 mm)和CF(5.32 mm)之间差异显著(P<0.05).苗木高径比在CK时最大，平均达73.3，与EF和DEF之间均差异显著(P<0.05)，EF时高径比最小，较CK时降低了19.24%.

表2 不同施肥方式对巨柏苗苗高和地径的影响Tab.2 Effects of different fertilization methods on height and ground diameter of C.gigantea seedlings

2.1.2 生物量

由表3可知：地上、地下鲜质量和地上、地下干质量在不同施肥处理下表现出基本一致的变化趋势，均为EF时最大，DEF时次之，CF时再次之，CK时最小；且除CF与CK时地下鲜质量之间差异不显著外，上述4个生物量指标在4个处理之间均差异显著(P<0.05).地上、地下鲜质量和地上、地下干质量在EF时分别较CK时增加了592.34%，71.10%，461.39%和168.89%.苗木根冠比在CK时最大，EF时最小，且与其他2个处理之间差异显著(P<0.05)，但CF和DEF之间差异不显著，EF时较CK时降低了56.86%.

表3 不同施肥方式对巨柏苗生物量的影响Tab.3 Effects of different fertilization methods on biomass of C.gigantea seedlings

2.1.3 新生根生长

由表4可知：不同施肥处理下巨柏苗的新生根总长度、表面积及体积均在EF时最大.新生根总长度在各施肥处理之间均差异显著(P<0.05)，EF时新生根总长度最大，为1 464.78 cm，较CK时增加68.20%，CF和DEF时新生根总长度较CK时分别增加34.45%和15.47%.新生根表面积在EF时达159.44 cm2，显著大于其他处理(P<0.05)，CF和DEF之间差异不显著，CK时新生根表面积最小.新生根体积在EF时最大，为1.46 cm3，与CF和CK之间差异显著(P<0.05)，CK时新生根体积最小.新生根生物量在DEF时显著大于其他处理(P<0.05)，EF时新生根生物量为DEF时的88.64%，CF和CK时新生根生物量相对较小且二者之间差异不显著.新生根比根长在各处理间均存在显著差异(P<0.05)，CF时最大，CK时次之，DEF时最小.

表4 不同施肥方式对巨柏苗新生根生长的影响Tab.4 Effects of different fertilization methods on new root growth of C.gigantea seedlings

2.2 不同施肥处理下巨柏苗的光合特征

2.2.1 不同光合指标的日进程

1)Pn

由图1(a)可知:CK、CF和DEF时Pn日变化均呈现“双峰型”，10：00出现第一个峰值，14：00出现最大峰值，有明显的“光合午休”现象；DEF时Pn日变化的第一个峰值为10.67 μmol/(m2·s)，高于其他处理，14：00达最大峰值且明显高于CK和CF.EF时Pn日变化呈“单峰型”，其峰值出现在14：00，达17.24 μmol/(m2·s)，且明显高于其他处理.

从表5可以看出：巨柏苗日均Pn在EF时最大，达10.27 μmol/(m2·s)；DEF和CF时日均Pn较EF时分别下降近11.39%和39.82%；CK时日均Pn最小，仅为EF时的41.48%.

图1 不同施肥处理下巨柏苗光合主要特征值的日进程Fig.1 Daily process of main photosynthetic characteristic values of C.gigantea seedlings at different fertilization treatments

2)Gs

由图1(b)可知：各施肥处理下巨柏苗Gs均呈现“双峰型”，10：00出现最大峰值，14：00出现第二个峰值；EF和DEF时Gs明显大于另2个处理，CK时Gs在全天各时刻均最小.

从表5可以看出：巨柏苗日均Gs在EF和DEF时最大，为0.10 mol/(m2·s)，CF时降为0.07 mol/(m2·s)，CK时最小，仅为EF时的50%.

3)Ci

由图1(c)可知：不同施肥处理下巨柏苗Ci日变化表现为8：00时最高，随着时间后延而逐渐降低；CK、CF和DEF时均在14：00达最低值，之后又有所增加；EF在16：00达最低值后又逐渐增大.

从表5可以看出：巨柏苗日均Ci大小依次为EF>DEF>CF>CK，CK时日均Ci仅为EF时的70.51%.

4)Tr

由图1(d)可知：不同施肥处理下巨柏苗Tr日变化均呈现“单峰型”，峰值出现在14：00；各处理从8：00开始增加，且随着时间后延逐渐增大，在14：00达最大值后逐渐降低，直至18：00达最小值；不同施肥处理下Tr峰值大小依次为EF>DEF>CF>CK，其值分别为4.13，3.66，3.06和2.20 μmol/(m2·s).

表5 不同施肥处理下巨柏苗主要光合特征值的日均值Tab.5 Daily average values of main photosynthetic characteristic values of C.gigantea seedlings at different fertilization treatments

从表5可以看出：巨柏苗日均Tr在EF时最大，但其与DEF间无显著差异；CK时日均Tr最小，为EF时的60.43%.

5) WUE

图2所示为不同施肥处理下巨柏苗WUE的日变化，其日进程在不同施肥处理下基本呈“双峰型”：各处理在10：00出现第一个峰值，EF、DEF、CF和CK时分别为4.30，3.98，3.30和3.30 μmol/(m2·s)，12：00达谷值；除CF在16:00和14:00的WUE相差不大外，其余3个处理均在14：00出现第二个峰值，此时EF和DEF的峰值几乎相等，而CK和CF的峰值较10：00时略有下降.

图2 不同施肥处理下巨柏苗WUE的日进程Fig.2 Daily process of WUE of C.gigantea seedlings at different fertilization treatments

从表5可以看出：巨柏苗的日均WUE在EF时最大，DEF时略有降低，但与EF时差异不显著；日均WUE在CK时最小，且显著低于EF和DEF时(P<0.05).

2.2.2Pn-PAR光响应曲线

如图3所示，各施肥处理下巨柏苗的光响应曲线变化趋势相似，但光响应值存在明显差异.总体来看，各处理在PAR为0～800 μmol/(m2·s)时，Pn随着PAR的增长迅速增加，EF时增幅最大，DEF时次之，二者明显高于CF和CK时，CK时增幅最小.在PAR为800～1 200 μmol/(m2·s)时，Pn增加缓慢，增幅减小.巨柏苗叶片在EF时受PAR变化的影响程度最大，而CF与CK对PAR的影响程度较小.当PAR为1 200～2 000 μmol/(m2·s)时，巨柏苗Pn值增加缓慢并基本趋于稳定，表明已达到LSP.

图3 不同施肥处理下巨柏苗的光响应曲线Fig.3 Light response curve of C.gigantea seedlings at different fertilization treatments

通过拟合指数方程计算得出巨柏苗的LCP和LSP.由表6可知：巨柏苗在不同施肥处理下LCP值在DEF和EF时相对较小，CK时最大，约为EF和DEF时的1.5倍.LSP值在各处理间差异不大，DEF时略大于其他处理.AQY在EF时最大，DEF时次之，CK时最小.Pmax在EF时达最大值18.90 μmol/(m2·s)，CK时Pmax为EF时的32.80%.Rd值为PAR=0时Pn的绝对值，巨柏苗不同施肥处理下的Rd值表现为CK>CF>EF>DEF.除CK外其余各处理相关系数R2达0.99 以上.

表6 巨柏苗Pn-PAR光响应曲线的主要参数Tab.6 Main parameters of the Pn-PAR curve of C.gigantea seedlings

3 讨论与结论

3.1 合理施肥时苗木生长的促进作用

合理施肥可促进苗木生长，加速新陈代谢，提高苗木生物量及品质，增加苗木合格率[16-17].施肥对苗木来说最直观的反映是苗高、地径等形态指标的变化，本研究施肥条件下巨柏苗的苗高、地径均明显高于对照，张金浩等[18]、李国雷等[19]、王冉等[7]、王力朋等[20]分别对南洋杉(Araucariacunninghamii)、栓皮栎(Quercusvariabilis)、沉香(Aquilariamalaccensis和A.sinensis)和楸树(Catalpabungei)等的研究与本研究结果一致.本研究中不同施肥方式下巨柏苗的苗高、地径、生物量等均在EF时显著高于CF和DEF，刘欢等[10]对杉木苗的研究同样表明EF较CF对生长的促进效果更强，可见EF有利于苗木生长，促进苗木生物量的累积及苗木对养分的吸收利用效率[21].这可能是由于EF与其他施肥方式相比能较大程度地满足巨柏苗在不同生长时期对养分的需求，且EF时生长较稳定，进而有利于苗木的生长[5，22].本研究中地上、地下生物量均在EF时最大，CK时最小，表明施肥会在促进苗木长高的同时加大巨柏苗根系的生物量，从而提高根系对肥料的吸收能力[23]；但根冠比为CK>CF>DEF>EF，这可能是由于施肥后促进苗木根系的生长，提高了苗木根系对矿质元素及水分的吸收和运输能力，进而促进了其地上部分的生长[24].土壤养分不仅促进根系生物量的增加，根系形态对施肥也同样敏感.众多研究表明，施N肥不仅能够促进根系总根长的增加，而且对根表面积、根体积的增加效果显著[7,25].本研究中巨柏苗新生根的总根长、表面积、体积在各施肥处理时均大于CK时，且EF时最大，说明施肥增加了养分供应，促进了光合效率，根系中光合作用产物积累增多，促进了根系生长[26].

3.2 合理施肥对苗木光合性能的促进作用

光合作用是植物生长、发育及代谢的物质基础，植株的自身适应性与环境因子均会明显影响植物的光合特性[27].研究表明，光合效率与施肥有密切关系，合理施肥能显著提高叶片的光合性能，增加植株的生长量和干物质累积，从而提升植株品质[28].本研究中，相对于CK，不同施肥处理下巨柏苗的光合性能均有显著提高，苗木Pn在EF和DEF时是CK的2倍以上，说明EF对巨柏苗的光合作用具有明显的促进作用，这与王益明等[29]对山核桃(Caryacathayensis)的研究结果一致.巨柏苗在EF和DEF时的WUE明显高于CK时，可见在苗木生长期合理充足的养分供应能够极大地促进巨柏苗的生长，并有利于加强苗木的光合作用和WUE.巨柏苗在不同施肥处理下的光响应曲线差异明显，EF时苗木的LCP值较小，CK时最大.LCP值能反映植物叶片利用弱光的能力，LCP值越低表示植物叶片利用弱光的能力就越强[30]，可见在EF和DEF时巨柏苗叶片对弱光的利用能力提高.LSP值能反映植物叶片利用强光的能力，本研究中各施肥处理下巨柏苗的LSP值差异不大，说明施肥不能提高巨柏苗利用强光的能力，在一定光强下苗木光合作用达到饱和.AQY值是由光合作用对光响应曲线在PAR=0时的斜率计算得出，其值越大表明植物在弱光下的光能利用效率越强[15]，本研究中EF和DEF时AQY值明显高于CF和CK时，可见EF和DEF可增强巨柏苗对弱光的利用.

本研究结果显示：1) 施肥有利于提高巨柏苗生长、养分积累及新生根生长，其中EF的促进作用最显著；2) EF有利于提高巨柏苗的光合性能，各施肥方式下巨柏苗对强光的利用能力差异不大，但EF和DEF可明显增强巨柏苗对弱光的利用.综上可见EF能有效提高巨柏苗的光合作用能力，有利于光合作用产物的形成和累积，促进苗木生长.但对于精准化培育巨柏苗，今后还需长期持续性开展针对N、P、K等养分元素的合理配施及其与水的耦合试验，为巨柏田间规模化优质壮苗的培育提供依据.