青花椒雌雄株养分差异及其对土壤养分的影响

付 豪，任 云，陈泽雄，石阳霖，陈 财，孙国庆，周尤群，李 强

（1.重庆三峡学院 生物与食品工程学院，重庆 万州 404100；2.重庆文理学院 a.园林与生命科学学院；b.特色植物研究院，重庆 永川 402160）

花椒Zanthoxylum bungeanum为芸香科花椒属多年生木本落叶灌木，是世界上栽培历史悠久、分布广泛的调味料与香料树种[1]。花椒广泛分布于亚洲、美洲、非洲及大洋洲的热带和亚热带地区，在我国的种植面积超过170 万hm2，年产量超过40 万t，均居世界首位。因其具有根系发达、耐干旱瘠薄及对气候的适应性强等特点，故在土壤条件较差的丘陵和山地地带均可栽植，目前已成为我国重要的经济林树种[2]，其在荒山治理、生态建设、脱贫攻坚和乡村振兴中均发挥了重要作用。

花椒按果实颜色可分为红花椒和青花椒，红花椒香甜醇厚，有果甜香、木香味，而青花椒的香气清凉透发，其有芳草香味，因为青花椒具有特殊的香气，所以其具有广阔的市场前景和较高的研究价值[3]。青花椒的来源地为重庆江津，近年来已逐步形成了西南青花椒主产区。然而，青花椒产业在日益扩大的同时，一些影响青花椒产业发展的问题也逐渐显现出来，其中花椒雌株雄化问题尤为突出[4-6]。花椒的雄花呈黄色，雌株雄化的表现即生产中开黄花，具体表现为雄花花柱分化明显，雌花花柱分化短小，与正常花形状完全不一样，且开黄花的花椒开花前后其叶片生长不出来，造成花椒树不结果或结果少，严重影响了青花椒产业的健康持续发展。

植株体内养分特征对其雌雄花分化及其生命活动具有重要影响。许多研究者指出，雌株比雄株要付出更大的繁殖成本，因而性别不同的植株对营养元素的吸收具有明显的差异[7-9]。Rocheleau 等[10]发现，红岩帚兰雌株在镁（Mg）和钙（Ca）方面的繁殖投入均较高，而雄株则需要较高的氮（N）、磷（P）、钾（K）。杨鹏等[11]指出，就总P、总Ca 含量而言，青杨雌株高于其雄株；而就总K 含量而言，则雌株低于雄株。前人对青花椒雌株雄化问题进行了大量研究，但相关研究多从防治方法与组学分析入手[12]，而其形成机制尚不明确，且关于青花椒雌雄株养分差异的研究也未见诸报道。因此，本研究从重庆市青花椒主产区江津、永川和荣昌的9 个5年以上的青花椒园中取样，研究青花椒雌雄株养分差异及其对土壤养分的影响情况，以明确青花椒雌雄株养分差异，为青花椒雌株雄化的防治提供理论指导与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 取样地概况

选取重庆市青花椒主产区江津、永川和荣昌9 个5年以上的青花椒园为取样地，各个取样点的详细情况见表1。各取样点均属亚热带季风性湿润气候，花椒品种均为‘九叶青’，其种植密度均为3 m×3 m。

表1 取样花椒园的基本情况Table 1 Basic situation of sampling Z.schinifolium orchard

1.2 试材的采集与处理

于2021年3月花椒花期分别从9 个花椒园采集样品，每个花椒园选取长势均匀的花椒雌雄株各6 株，设3 次重复。将采集的植株带回实验室，按根、茎、叶分开，于105 ℃下杀青30 min，然后于80 ℃温度条件下烘干至恒质量，再分别称其干质量。

土壤样品的采集：在树的东、南、西、北4 个方向从树干到树冠边缘的2/3 处，避开施肥点，用土钻取深度为0 ～30 cm 的土壤样品。将同一植株的土壤样品混合拌匀为1 个土壤样本，去除石块、杂草和根系，带回实验室后自然风干以备用。

1.3 测定指标与测定方法

1.3.1 植株养分的测定

分别将植株根、茎、叶样品烘干称重后用高速粉碎机粉碎，过80 目筛后用塑封袋保存，以用于测定植株养分含量。采用凯氏定氮法[13]测定植株氮元素（N）含量；采用钼锑抗比色法[14]测定植株磷元素（P）含量；采用火焰光度法[15]测定植株钾元素（K）含量。

1.3.2 土壤养分的测定

土壤全氮、全磷和全钾含量的测定方法与1.3.1中所述植株养分含量的测定方法相同。根据刘伟锋等[16]所用的方法测定土壤碱解氮含量；参考黄路婷等[17]所用的方法测定土壤速效磷含量；根据王斌等[18]所用的方法测定土壤速效钾含量。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2019 软件进行数据整理，利用SPSS 19.0 软件进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 青花椒雌雄株各个器官中氮、磷、钾含量的差异分析

2.1.1 青花椒雌雄株叶片中氮、磷、钾含量的差异分析

各个取样点青花椒雌雄株叶片中氮、磷、钾元素含量的测定结果见表2，其方差分析结果见表3。表2表明，各个取样点青花椒叶片中氮、磷、钾含量的差异明显。其中，含量最高的是氮元素，各个取样点青花椒叶片中氮的含量为26.15 ～37.93 mg/g，其含量均值达到31.94 mg/g；其次是磷元素，各个取样点青花椒叶片中磷的含量为2.15 ～3.50 mg/g，其含量均值达到2.76 mg/g；含量最低的是钾元素，各个取样点青花椒叶片中钾的含量仅为0.63 ～1.33 mg/g，其含量均值仅有1.03 mg/g。取样地点与植株性别对青花椒叶片中氮、磷、钾元素含量的影响均显著。雌雄株叶片中氮和磷的含量均值，荣隆的均最高，分别达到37.32 与3.35 mg/g；来苏的均最低，分别为26.92 与2.19 mg/g。雌雄株叶片中钾元素的含量均值，先锋的最高，为1.25 mg/g；铜鼓的最低，为0.75 mg/g。进一步分析发现，叶片中氮、磷、钾元素的含量，青花椒雌株的均显著高于其雄株的；各个取样点雌株叶片中的氮含量较其雄株的高7.17%，其磷含量较其雄株的高5.47%，其钾含量较其雄株的高21.14%。这一测定结果表明，青花椒雌雄株叶片中钾含量的差异最大，其次是氮元素的含量差异，而其磷元素的含量差异最小。

表2 青花椒雌雄株叶片中氮、磷、钾含量的测定结果†Table 2 Contents of N, P, K in leaves of male and female plants of Z.schinifolium mg/g

表3 青花椒雌雄株叶片中氮、磷、钾含量的方差分析结果†Table 3 Variance analysis of N, P, K contents in leaves of male and female plants of Z.schinifolium

2.1.2 青花椒雌雄株茎中氮、磷、钾含量的差异分析

各个取样点青花椒雌雄株茎中氮、磷、钾元素含量的测定结果见表4，其方差分析结果见表5。表4表明，各个取样点青花椒雌雄株茎中氮、磷、钾含量的差异明显。其中，含量最高的是氮元素，各个取样点青花椒雌雄株茎中氮的含量为8.93 ～18.05 mg/g，其含量均值达到13.18 mg/g；其次是磷元素，各个取样点青花椒雌雄株茎中磷的含量为1.34 ～2.32 mg/g，其含量均值达到1.76 mg/g；含量最低的是钾元素，各个取样点青花椒雌雄株茎中钾的含量仅为0.583 ～1.12 mg/g，其含量均值仅有0.82 mg/g。采样地点与植株性别对花椒茎中氮、磷、钾元素含量的影响均显著。青花椒茎中的氮含量，先锋的最高，为16.58 mg/g；双竹的最低，为10.63 mg/g；青花椒茎中的磷含量，吴滩的最高，为2.01 mg/g；双竹的最低，为1.40 mg/g。青花椒茎中的钾含量，朱沱的最高，为1.07 mg/g；吴滩的最低，为0.64 mg/g。进一步分析发现，青花椒雌株茎中氮、磷、钾含量的均显著高于雄株的，各个取样点雌株茎中氮、磷、钾的含量均值较其雄株的分别提高19.20%、24.16%、12.05%。这一测定结果表明，青花椒雌雄株茎中磷含量的差异最大，其次是氮含量的差异，其钾含量的差异最小。

表4 青花椒雌雄株茎中氮、磷、钾含量的测定结果Table 4 N, P, K content in male and female stems of Z.schinifolium mg/g

表5 青花椒雌雄株茎中氮、磷、钾含量的方差分析结果Table 5 Variance analysis of N, P, K contents in stems of male and female plants of Z.schinifolium

2.1.3 青花椒雌雄株根系中氮、磷、钾含量的差异分析

各个取样点青花椒雌雄株根系中氮、磷、钾元素含量的测定结果见表6，其方差分析结果见表7。由表6可知，各个取样点青花椒根系中氮、磷、钾的含量差异明显。其中，含量最高的是氮元素，各个取样点青花椒雌雄株根系中氮的含量为11.13 ～23.72 mg/g，其含量均值达到16.18 mg/g；其次是磷元素，各个取样点青花椒雌雄株根系中磷的含量为0.63 ～2.44 mg/g，其含量均值达到1.52 mg/g；含量最低的是钾元素，各个取样点青花椒雌雄株根系中钾的含量仅为0.18 ～1.33 mg/g，其含量均值仅有0.74 mg/g。由表7可知，取样地点与植株性别对青花椒根系中氮、磷、钾元素含量的影响均显著。青花椒雌雄株根系中氮与磷的含量，吴滩的均最高，分别为18.95 和1.93 mg/g；双竹的均最低，分别为12.99 和0.83 mg/g。青花椒雌雄株根系中钾的含量，来苏的最高，达到1.04 mg/g；荣隆的最低，仅有0.43 mg/g。进一步分析发现，各个取样点青花椒雌株根系根系中氮、磷、钾的含量均显著高于其雄株的，其雌株根系中氮的含量均值较其雄株的高50.59%，而其磷含量均值较其雄株的高52.47%，其钾含量均值较其雄株的高83.09%。这一测定结果表明，青花椒雌雄株根系中钾元素的含量差异最大，其次为磷含量差异，氮含量差异最小。

表6 青花椒雌雄株根系中氮、磷、钾含量的测定结果Table 6 Contents of N, P, K in roots of male and female plants of Z.schinifolium mg/g

表7 青花椒雌雄株根系中氮、磷、钾含量的方差分析结果Table 7 Variance analysis of N, P, K contents in roots of male and female plants of Z.schinifolium

2.2 青花椒雌雄株根际土壤养分含量的差异分析

2.2.1 青花椒雌雄株根际土壤中全氮、全磷、全钾含量的差异分析

各个取样点青花椒雌雄株根际土壤中全氮、全磷、全钾含量的测定结果见表8，其方差分析结果见表9。表8表明，青花椒根际土壤中全氮、全磷和全钾含量差异均明显，其中，含量最高的是全钾，各个取样点青花椒雌雄株根际土壤中全钾的含量为1.77 ～2.55 mg/g，其含量均值达到2.18 mg/g；其次是全氮，各个取样点青花椒雌雄株根际土壤中全氮的含量为0.76 ～1.41 mg/g，其含量均值为1.14 mg/g；含量最低的全磷，各个取样点青花椒雌雄株根际土壤中全磷的含量仅为0.81 ～2.04 mg/g，其含量均值仅有1.03 mg/g。取样地点与植株性别对青花椒雌雄株根际土壤中全氮、全磷、全钾含量的影响均显著。青花椒雌雄株根际土壤中全氮的含量均值，吴滩的最高，达到1.31 mg/g；双竹的最低，仅有0.91 mg/g。青花椒雌雄株根际土壤中全磷的含量均值，荣隆的最高，达到1.49 mg/g；白沙最低，仅有0.86 mg/g。青花椒雌雄株根际土壤中全钾的含量均值，白沙的最高，为2.40 mg/g；双竹的最低，仅有1.89 mg/g。进一步分析发现，青花椒雄株根际土壤中全氮、全磷和全钾的含量均显著高于雌株的，与各取样点青花椒雌株根际土壤中全氮、全磷和全钾的含量均值相比，其雄株根际土壤中全氮、全磷和全钾的含量均值分别提高17.53%、28.42%和12.93%。

表8 青花椒雌雄株根际土壤中全氮、全磷、全钾含量的测定结果Table 8 Soil total nitrogen, total phosphorus and total potassium content of male and female plants g/kg

表9 青花椒雌雄株根际土壤中全氮、全磷、全钾含量的方差分析结果Table 9 Variance analysis of soil total N, P, K contents of male and female plants of Z.schinifolium

2.2.2 青花椒雌雄株根际土壤中速效氮、速效磷、速效钾含量的差异分析

各个取样点青花椒雌雄株根际土壤中速效氮、速效磷、速效钾含量的测定结果见表10，其方差分析结果见表11。表10 表明，青花椒根际土壤中速效氮、磷、钾含量均存在明显差异，其中，含量最高的是速效钾，各个取样点青花椒根际土壤中速效钾的含量为285.92 ～698.18 mg/g，其含量均值达到525.91 mg/g；其次是速效氮，各个取样点青花椒根际土壤中速效氮的含量为7.85～66.09 mg/g，其含量均值为29.55 mg/g；含量最低的是速效磷，各个取样点青花椒根际土壤中速效磷的含量仅为11.39 ～22.60 mg/g，其含量均值仅有17.74 mg/g。取样地点与植株性别对花椒土壤速效氮、磷、钾含量的影响均显著。青花椒雌雄株根际土壤中速效氮的含量均值，荣隆的最高，达到49.69 mg/g；双竹的最低，仅为12.55 mg/g。青花椒雌雄株根际土壤中速效磷的含量均值，先锋的最高，为21.35 mg/g；荣隆的最低，为13.41 mg/g。青花椒雌雄株根际土壤中速效钾的含量均值，荣隆的最高，为650.38 mg/g；双竹的最低，为356.48 mg/g。就植株性别而言，青花椒雌株根际土壤中速效氮的含量显著高于雄株的，而其速效磷与速效钾的含量均显著低于雄株的；与各个取样点青花椒雄株根际土壤中速效氮、有效磷和速效钾的含量均值相比，其雌株根际土壤中速效氮的含量均值提高了114.32%，而其速效磷和速效钾的含量均值分别降低了18.65%和22.54%。

表10 青花椒雌雄株根际土壤中速效氮、磷、钾含量的测定结果Table 10 Soil available N, P and K contents in male and female plants mg/kg

表11 青花椒雌雄株根际土壤中速效氮、磷、钾含量的方差分析结果Table 11 Variance analysis of soil available N, P, K contents of male and female plants of Z.schinifolium

3 讨 论

根、茎、叶作为植物的主要营养器官，因其结构和功能的不同，使得各器官中N、P、K 含量差异明显[19]。根作为植物养分吸收的主要器官，根中的N、P、K 含量可在一定程度上反映其对养分的吸收能力。赵瑞芬等[20]发现，核桃根系中的N 含量最高，K 含量次之，P 含量最低；而何绍浪等[21]指出，葛根中N、P、K 含量的高低顺序为K 含量＞N 含量＞P 含量。测定结果表明，青花椒根系中的N 含量最高，P 含量次之，K 含量最低，这与赵瑞芬等[20]对核桃、何绍浪等[21]对葛根的研究结果不尽一致，表明不同植物根系中N、P、K的含量差异明显。茎是植物体内物质疏导的主要通道，茎中N、P、K 含量的高低可反映其对养分运输能力的强弱。习嘉民等[22]指出，芦笋茎中的N 含量最高，K 含量次之，P 含量最低。测定结果表明，青花椒茎中N、P、K 含量的高低顺序为N含量＞P 含量＞K 含量。这一结果与习嘉民等[22]的研究结果不尽一致，其原因可能是，芦笋以茎为收获器官且茎部较嫩。N 是叶绿素和蛋白质合成的主要元素，因此叶片中的N 含量较高。收获时“巴西”蕉叶片中的氮素含量最高[23]；成熟时玉米叶片中的氮素含量也明显高于其他器官的[21]。比较分析青花椒各个器官中的N、P、K含量后可知，叶片中的N 含量最高，且叶片中的N 含量大幅高于其P 含量和K 含量，这与胡昊等[24]对玉米和王静等[225]对阔叶树种的研究结果均一致。

研究中发现，青花椒雌株根、茎、叶中N、P、K 的含量均显著高于雄株的，且雌雄株根系中N、P、K 的含量差异（其F值分别为1 437.59**、3 266.80**、2 589.59**）大幅度大于雌雄株茎中N、P、K 的含量差异（其F值分别为251.85**、1 081.95**、188.63**）和雌雄株叶片中N、P、K的含量差异（其F值分别为282.95**、86.40**、358.32**），表明青花椒根系的劣变影响了其对N、P、K 的吸收，导致根、茎和叶片中N、P、K 的含量均显著下降，诱导其雌株雄化。这与陈娟等[7]对雌雄异株植物和Rocheleau 等[10]对红岩帚兰的研究结果均基本一致。其原因可能是：在养分充足的环境中，雄株的生存能力较弱；而在资源匮乏的环境中，雌株的生存能力较弱。

土壤养分含量影响植物的形态、生理和分子，如延缓植株衰老、改善光合速率、调控活性氧含量等，进而影响植物的生长、性别和分布[25-27]。研究结果表明，青花椒雄株土壤中全氮、全磷、全钾和速效磷、速效钾的含量均显著高于雌株的，而其土壤中速效氮的含量显著低于雌株的。这一结果说明，在相同的施肥和管理条件下，雄株土壤中全氮、全磷、全钾和速效磷、速效钾的含量较雌株的均更高，这进一步说明，青花椒雄株根系劣变影响了其对N、P、K 的吸收。土壤碱解氮含量与根系活动密切相关[28-29]，青花椒雄株土壤中的碱解氮含量显著低于雌株的，这从另一方面证明了，在青花椒雌株雄化的过程中，其根系活动减弱，导致其对土壤的矿化作用减轻，从而影响其对土壤养分的吸收，致使植株根、茎、叶各器官中氮、磷、钾的含量均显著降低，花椒植株感受到养分胁迫，进而开黄花。需要指出的是，本研究从青花椒雌雄株各器官中的养分差异入手，探寻青花椒雌株雄化的形成机制，对青花椒雌雄株各器官中的养分差异及其对土壤养分的影响进行了初步探讨，而青花椒雌株雄化的分子调控机制尚不明确，因此，在今后的相关研究中，还应运用分子生物学技术，深入研究青花椒应对养分胁迫的分子调控机制，为青花椒雌株雄化的防治提供更加科学的理论依据。

4 结 论

青花椒植株根、茎和叶中各个养分含量的高低顺序均表现出N 含量＞P 含量＞K 含量，且在各个器官中，叶片中的N、P、K 含量均最高。青花椒雌雄株各个器官中N、P、K 的含量差异均显著，雌株根、茎和叶中的N、P、K 含量均显著高于雄株的，且雌雄株根系中N、P、K 的含量差异均大幅度高于茎和叶中相同养分的含量差异，而雄株根际土壤中全氮、全磷、全钾和速效磷、速效钾的含量均显著高于雌株的，而其碱解氮含量显著低于雌株的。青花椒雄株根际土壤中碱解氮含量下降，表明其根系活动减弱，对土壤的矿化作用降低，而在相同的施肥管理条件下，其根际土壤中全氮、全磷、全钾和速效磷、速效钾的含量较雌株的均更高，表明青花椒雄株对土壤养分的吸收能力下降，影响其对土壤N、P、K的吸收，导致植株根、茎、叶各器官中N、P、K含量均显著下降，花椒植株感受到养分胁迫，进而开黄花。