秋季施肥对不同砧木类型红松嫁接苗生长、生理及开花的影响

杨一帆,黄河,吴海波,刘名昱,姜贵勇,任开宇,孟天丽,周楠楠,李辰,姚思营,李洋,张嘉蔷,张鹏*

(1.东北林业大学 林学院,森林生态系统可持续经营教育部重点实验室,哈尔滨 150040;2.国家林业草原红松工程技术研究中心,哈尔滨 150040;3.鹤北林业局有限公司林业工作总站,黑龙江 鹤岗 154212)

0 引言

已有研究表明,施肥可以促进针叶树种提早开花结实,提高种子质量,改善大小年现象[1]。生长季末苗木顶芽形成后,茎干形成层和根系继续生长,若不及时补充营养,导致的“营养稀释”效应可能会抑制翌年生长,不利于苗木开花结实[2]。有研究通过在苗木木质化期的施肥来减少苗木体内的这种养分稀释,促进苗木翌年生长季的开花结实[3-4]。该施肥方式在不同研究中的表达通常为秋季施肥(Autumn fertilization, Fall fertilization)。目前,苗木秋季施肥方案的研究主要集中于实生苗[5-9],而对嫁接苗研究较少,秋季施肥对嫁接苗开花结实的影响尚不清楚。针叶树种的嫁接研究发现,选择同属树种优良砧木嫁接,接穗雌球花和雄球花开花数更多,有利于促进接穗提早开花结实[10]。但不同砧木嫁接苗对秋季施肥的响应是否存在差异仍需深入研究。

红松(Pinuskoraiensis)是我国温带地区地带性顶极群落阔叶红松林的建群种,也是我国东北珍贵的乡土用材和经济林树种[11]。红松因材质优良,种子的营养价值高、滋补功效显著,经营模式由单一的用材林向果材兼用林转变[12]。近年来,东北地区红松果林发展迅速[13],对于促进红松提早开花结实的技术需求也不断增加[12]。但红松从出苗到可以进行开花结实所需的培育周期漫长,且个体间结实数量差异较大、结实质量参差不齐,同时红松具有明显的结实丰年、歉年之分[14]。为保持优良结实的红松母树特性,将优良红松穗条嫁接,可以促进其提早开花结实,嫁接苗是红松经济林造林的主要来源[11]。目前秋季施肥对于促进红松嫁接苗生长和开花的效应尚不清楚,且不同砧木红松嫁接苗对秋季施肥的响应也需深入研究。本研究以3种(樟子松、红松、华山松)砧木的红松嫁接苗为试验材料,探究秋季施肥和砧木类型对红松嫁接苗生长、生理和开花的影响,旨在为红松果用林培育和经营提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于东北林业大学帽儿山实验林场苗圃(45°29′ N,127°51′E),该区域位于长白山系张广才岭西坡小岭余脉,为山区丘陵地貌,地势南高北低。气候属温带大陆性季风气候,冬长夏短。年均气温2.8 ℃,年均降水量723 mm,年均蒸发量为1 094 mm,年均相对湿度70%,无霜期为120～140 d,年总日照2471 h。

1.2 试验材料

试验所用3种红松嫁接容器苗(分别为樟子松嫁接红松,以下称为樟嫁红;红松嫁接红松,以下称为红嫁红;华山松嫁接红松,以下称为华嫁红)于2021年春季从吉林省柳河县安口镇绿园苗木培育基地购得。该批苗木于2019年嫁接,嫁接时3种砧木均为4年生容器苗(红松和樟子松砧木裸根苗在原床培育2 a,然后移植到容器中再培育2 a;华山松砧木裸根苗在原床培育1 a,然后移植到容器中再培育3 a)。虽然3种砧木苗均为4年生,但因华山松较樟子松和红松生长快,因此其砧木嫁接位点高于樟子松和红松砧木苗。3种红松嫁接苗嫁接后在苗圃地培育2 a。将购入的嫁接苗移植至直径46 cm、高46 cm的无纺布容器袋中,于东北林业大学帽儿山实验林场苗圃培养。育苗基质的理化性质为:容重1.338 g/cm3、pH 7.27、全碳7.27 g/kg、全氮0.72 g/kg、有效磷33.24 g/kg、速效钾71.54 g/kg。2021年生长季末,选择生长正常、长势相近的苗木用于试验。

1.3 试验设计

采用双因素完全随机设计。因素1为嫁接苗的砧木类型,设置樟子松、红松、华山松3种砧木类型;因素2为秋季施氮量,由于红松嫁接苗秋季施肥尚未有过研究,因此根据红松同属树种欧洲黑松[10]的秋季施氮量来设置3种砧木类型红松嫁接苗的秋季施氮量。设置4个施氮水平(选用尿素为氮源,含N量≥46%),总施氮量分别为0 g/株(对照)、0.5 g/株(低氮水平)、1.0 g/株(中氮水平)、1.5(高氮水平)g/株,编号为AF0、AF1、AF2、AF3。试验共12种处理,每种处理设置3个重复,每个重复20株苗木,共计720株。

于2021年9月7日起进行秋季施肥,每周施肥1次,4个施氮水平每次施氮量分别为0、0.125、0.250、0.375 g/株,连续施肥4周。每次施肥将尿素溶解于20 mL无氮营养液(配方见表1)中,均匀施于嫁接苗基部,AF0(对照)仅施20 mL无氮营养液。

1.4 取样与指标测定

2021年9月6日,秋季施肥前逐株测量所有红松嫁接苗的接穗高度和接穗基径。10月15日,秋季施肥后逐株测量所有红松嫁接苗的接穗基径。每种处理每个重复随机选取2株苗木,每个处理共选取6株苗木,用枝剪取得接穗茎及接穗针叶后置于5 ℃冰箱,8 h内带回实验室测定相关生理指标。采用Arnon法测定样品叶绿素含量[15],凯氏定氮法测定氮含量[16],考马斯亮蓝 G-250 染色法]测定可溶性蛋白含量[17],蒽酮比色法测定非结构性碳水化合物含量[18]。

2022年4月中下旬,调查统计红松嫁接苗越冬情况。6月中下旬,逐株调查统计所有红松嫁接苗的开花株数、雌球花和雄球花的开花数量,计算每种处理每个重复的开花株率与总开花数。

开花株率(%)=开花株数/苗木总株数×100

总开花数=所有苗木开花数量之和

2022年9月末逐株测量所有红松嫁接苗的接穗高度和接穗基径,计算所有红松嫁接苗2022年生长季的接穗高生长量和接穗基径生长量。

1.5 数据处理

采用Excel进行数据整理,采用SPSS Statistics 22中的双因素方差分析(ANOVA)检验砧木类型和秋季施氮量及其交互作用对红松嫁接苗秋季施氮后接穗叶绿素含量、氮含量、可溶性蛋白含量、非结构性碳水化合物含量及翌年生长季接穗生长量、开花总数和开花株率的影响。当数据在α=0.05水平上有显著差异时,采用Duncan检验进行多重比较。采用Origin 2023制图。

2 结果与分析

2.1秋季施肥对不同砧木红松嫁接苗越冬成活和翌年接穗生长的影响

翌年春季,调查红松嫁接苗越冬成活情况发现,华嫁红苗木出现越冬死亡现象,樟嫁红、红嫁红苗木未发生越冬死亡。华嫁红秋季施氮苗木共180株,死亡29株,死亡率为16.11%,未进行秋季施氮苗木共180株,死亡91株,死亡率为50.56%,经秋季施氮的华嫁红苗木越冬死亡率较未进行秋季施氮苗木降低34.45%。

方差分析结果(表2)表明:砧木类型对红松嫁接苗翌年接穗高生长量和接穗基径生长量影响显著(P<0.05);施氮量对红松嫁接苗翌年接穗高生长量和接穗基径生长量影响极显著(P<0.01);砧木类型和施氮量的交互作用对红松嫁接苗翌年接穗高生长量和接穗基径生长量影响显著(P<0.05)。

表2 砧木类型和秋季施肥对不同砧木红松嫁接苗翌年生长季接穗生长、开花影响的方差分析Tab.2 Variance analysis of the effects of rootstock type and autumn fertilization on scion growth and flowering of different rootstock grafted seedlings in the next growing season

3种砧木类型红松嫁接苗翌年接穗高生长量和接穗基径生长量在低氮水平时显著高于对照,但低于中氮及高氮水平。砧木类型为樟子松和红松时,嫁接苗翌年接穗高生长量和接穗基径生长量对秋季施氮量的增加表现先上升后下降的趋势,在中氮水平时最高,红嫁红和樟嫁红苗木的接穗高生长量较对照分别增长33.63%和26.16%,接穗基径生长量较对照分别增长24.15%和37.14%;砧木类型为华山松时,嫁接苗翌年接穗高生长量和接穗基径生长量对秋季施氮量的增加表现上升的趋势,在高氮水平时最高,较对照分别增长16.42%和27.35%。中氮水平、砧木类型为红松处理的接穗高生长量显著高于中氮水平、砧木类型为樟子松处理和高氮水平、砧木类型为华山松处理的苗木;中氮水平、砧木类型为红松处理的接穗基径生长量显著高于中氮水平、砧木类型为樟子松处理苗木,与高氮水平、砧木类型为华山松处理的苗木差异不显著,如图1所示。

字母为Duncan多重比较结果,数据为均值±标准误,不同小写字母表示接穗生长量在α=0.05水平上存在显著差异。AF0代表总施氮量为0 g/株,AF1代表总施氮量为0.5 g/株,AF2代表总施氮量为1.0 g/株,AF3代表总施氮量为1.5 g/株,下同。The letters are Duncan multiple comparison results, and the data are mean ± standard error. Different lowercase letters indicate significant differences at the level of α=0.05. AF0 represents the total nitrogen application rate of 0 g/plant, AF1 represents the total nitrogen application rate of 0.5 g/plant, AF2 represents the total nitrogen application rate of 1.0 g/plant, AF3 represents the total nitrogen application rate of 1.5 g/plant, the same below.图1 砧木类型和秋季施肥对红松嫁接苗接穗翌年生长量的影响Fig.1 Effects of rootstock type and autumn fertilization on the growth of Korean pine scion in the next growing season

2.2 秋季施肥对不同砧木红松嫁接苗接穗翌年开花的影响

调查发现,华山松为砧木的嫁接苗接穗都没有开花,而樟子松和红松为砧木的部分嫁接苗接穗开雄球花。

方差分析结果(表2)表明:砧木类型对红松嫁接苗翌年接穗开花株率影响极显著(P<0.01);施氮量对红松嫁接苗翌年接穗开花株率影响极显著(P<0.01);但砧木类型和施氮量的交互作用对红松嫁接苗翌年接穗开花株率影响不显著(P>0.05)。

砧木类型为樟子松和红松时,翌年生长季接穗开花株率对秋季施氮量的增加表现先上升后下降的趋势,在中氮水平时最高,樟嫁红和红嫁红苗木接穗的开花株率分别为30.22%和16.42%,砧木类型为樟子松的接穗开花株率显著高于砧木类型为红松的苗木,如图2所示。

方差分析结果(表2)表明:砧木类型对红松嫁接苗翌年接穗总开花数影响极显著(P<0.01);施氮量对红松嫁接苗翌年接穗总开花数影响极显著(P<0.01);砧木类型和施氮量的交互作用对红松嫁接苗翌年接穗总开花数影响极显著(P<0.01)。

砧木类型为樟子松和红松时,翌年生长季接穗总开花数对秋季施氮量的增加表现先上升后下降的趋势,在中氮水平时最高,分别为65.67和13.67,砧木类型为樟子松的接穗总开花数显著高于砧木类型为红松的苗木,如图3所示。

字母为Duncan多重比较结果,数据为均值±标准误,不同小写字母表示总开花数在α=0.05水平上存在显著差异。The letters are Duncan multiple comparison results, and the data are mean ± standard error. Different lowercase letters indicate significant differences at the level of α=0.05.图3 砧木类型和秋季施肥对红松嫁接苗接穗翌年总开花数的影响Fig.3 Effects of rootstock type and autumn fertilization on total flowering number of Korean pine scion in the next growing season

2.3 秋季施肥对不同砧木红松嫁接苗接穗生理的影响

方差分析结果(表3)表明:砧木类型、施氮量、砧木类型和施氮量的交互作用对红松嫁接苗接穗针叶叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素含量影响均极显著(P<0.01);砧木类型、施氮量、砧木类型和施氮量的交互作用对红松嫁接苗接穗针叶叶绿素a/b影响均不显著(P>0.05)。

表3 砧木类型和秋季施氮量对红松嫁接苗接穗生理影响的方差分析Tab.3 Variance analysis of physiological effects of rootstock type and nitrogen application rate in on scion of Korean pine grafted seedlings mg/g

砧木类型为樟子松和红松时,接穗针叶叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量对施氮量的增加表现先上升后下降的趋势,在中氮水平时最高,樟嫁红苗木接穗针叶叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量较对照分别增长25.96%、57.05%、36.22%,红嫁红苗木接穗针叶叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量较对照分别增长25.12%、66.41%、56.24%;砧木类型为华山松时,接穗针叶叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量对施氮量的增加表现增大的趋势,在高氮水平时最高,接穗针叶叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量较对照分别增长25.80%、45.37%、48.48%。中氮水平时,砧木类型为红松的接穗针叶叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量显著高于中氮水平砧木类型为樟子松处理和高氮水平砧木类型为华山松处理的苗木,如图4所示。

方差分析结果(表3)表明:砧木类型对红松嫁接苗接穗茎氮含量影响显著(P<0.05),但对接穗针叶氮含量影响不显著(P>0.05);施氮量对红松嫁接苗接穗茎氮含量和接穗针叶氮含量影响极显著(P<0.01);砧木类型和施氮量的交互作用对红松嫁接苗接穗茎氮含量影响极显著(P<0.01),对接穗针叶氮含量影响显著(P<0.05)。

砧木类型为樟子松和红松时,接穗茎氮含量和接穗针叶氮含量对施氮量的增加表现先上升后下降的趋势,在中氮水平时最高,樟嫁红苗木接穗茎氮含量和针叶氮含量较对照分别增长32.88%和13.29%,红嫁红苗木接穗茎氮含量和针叶氮含量较对照分别增长29.67%和12.98%;砧木类型为华山松时,接穗茎氮含量和接穗针叶氮含量对施氮量的增加表现增大的趋势,在高氮水平时最高,接穗茎氮含量和针叶氮含量较对照分别增长30.63%和12.26%。由图5可知,中氮水平时,红嫁红苗木的接穗茎氮含量显著高于中氮水平樟嫁红和高氮水平华嫁红的苗木;红嫁红苗木的接穗针叶氮含量显著高于中氮水平樟嫁红的苗木,但与高氮水平华嫁红苗木间无显著差异。

字母为Duncan多重比较结果,数据为均值±标准误,不同小写字母表示氮含量在α=0.05水平上存在显著差异。The letters are Duncan multiple comparison results, and the data are mean ± standard error. Different lowercase letters indicate significant differences at the level of α=0.05.图5 砧木类型和秋季施肥对红松嫁接苗接穗氮含量的影响Fig.5 Effects of rootstock type and autumn fertilization on nitrogen concentration in scion of Korean pine grafted seedlings

方差分析结果(表3)表明:砧木类型、砧木类型和施氮量的交互作用对红松嫁接苗接穗针叶可溶性蛋白含量影响均不显著(P>0.05),施氮量对红松嫁接苗接穗针叶可溶性蛋白含量影响极显著(P<0.01)。

无论哪种砧木类型,红松嫁接苗接穗针叶可溶性蛋白含量对施氮量的增加均表现先上升后下降的趋势,在中氮水平时最高,如图6所示。与对照相比,砧木为樟子松、红松和华山松的接穗针叶可溶性蛋白含量分别增加50.31%、63.63%和44.53%,但不同砧木类型间无显著差异,如图6所示。

字母为Duncan多重比较结果,数据为均值±标准误,不同小写字母表示不同施氮量的接穗针叶可溶性蛋白含量在α=0.05水平上存在显著差异(P<0.05)。The letters in the figure are Duncan multiple comparison results, and the data are mean ± standard error. Different lowercase letters indicate that there are significant differences in different nitrogen application rates at the level of α=0.05 (P<0.05 ).图6 砧木类型和秋季施肥对红松嫁接苗接穗针叶可溶性蛋白含量的影响Fig.6 Effects of rootstock type and autumn fertilization on soluble protein content of scion needles of Korean pine grafted seedlings

方差分析结果(表4)表明:施氮量、砧木类型及其交互作用对红松嫁接苗接穗茎和接穗针叶淀粉、可溶性糖、NSC含量影响均不显著(P>0.05)。不同砧木类型和施氮量处理的红松嫁接苗接穗茎和接穗针叶的非结构性碳水化合物含量无显著差异,如图7所示。

图7 砧木类型和秋季施肥对红松嫁接苗接穗非结构性碳水化合物含量的影响Fig.7 Effects of rootstock type and autumn fertilization on non-structural carbohydrate content in scion of Korean pine grafted seedlings

表4 砧木类型和秋季施氮量对红松嫁接苗接穗NSC影响的方差分析Tab.4 Variance analysis of NSC effects of rootstock type and nitrogen application rate in autumn on scion of Korean pine grafted seedlings mg/g

3 讨论

3.1 秋季施肥对接穗生长的影响

苗圃育苗中注重以形态指标作为合格苗木的评价方法。在过去的研究中,秋季施肥对苗木形态指标的调控呈现多样性[19]。在本研究中,砧木类型为樟子松和红松,秋季施氮量在中氮水平时,翌年接穗高生长量和接穗基径生长量最大,而当砧木类型为华山松时,翌年接穗高生长量和接穗基径生长量在秋季施氮量为高氮水平时最大。根据养分加载理论模型,当施肥量过大时,苗木发生毒害,影响生长[20]。这可能是由于不同树种对氮的敏感性不同[21],华山松较樟子松和红松对氮有更高的需求。

3.2 秋季施肥对越冬的影响

华山松嫁接红松易受冻害,主要在辽宁地区推广种植[22]。已有研究结果认为低温条件下植物细胞膜最先受损[23-24],施用氮肥的苗木合成的蛋白较多,细胞膜的脂质/蛋白比值下降,会减少细胞膜受伤害[25]。本研究中,秋季施氮的华山松嫁接红松死亡率显著低于未进行秋季施氮的华山松嫁接红松苗木,说明通过进行秋季合理施氮,可增强红松嫁接苗抗寒性,减少越冬死亡率。

3.3 秋季施肥对接穗开花的影响

资源利用假说认为植物的生殖对策取决于环境中可利用的资源,当生境中可利用资源缺乏时,植物进行更多营养生长[26]。华接红苗木秋季施氮后,将更多养分用于提高抗寒性,维持苗体在生长季的正常生长,因此翌年接穗未开花。开花是一个高度复杂的过程,Ichimura等[27]提出的理论认为当植物氮含量较高时,植株生殖生长会受到促进。在本研究中,樟子松、红松为砧木时接穗开雄花,且均在中氮水平时拥有最大开花株率和总开花数,这与接穗茎和接穗针叶氮含量变化趋势相符。已有研究结果表明,樟子松为砧木进行嫁接较红松本砧嫁接更有利于促进红松接穗开花结实[28]。生殖生长的养分分配是以牺牲营养生长的养分为代价[29]。红嫁红红苗木接穗将更多的养分用于促进生长,这可能是樟嫁红苗木在开花株率与总开花数方面优于红嫁红苗木的原因。

4 结论

秋季施肥可显著提高红松嫁接苗生长季末接穗叶绿素、氮和可溶性蛋白的积累,促进接穗翌年生长季的生长、提高开花株率与总开花数。砧木类型为樟子松和红松,最佳秋季施氮量为中氮水平(1.0 g/株)。砧木类型为樟子松、秋季施氮量为中氮水平,接穗翌年开花表现最佳;砧木类型为红松,秋季施氮量为中氮水平,接穗生长季末生理指标和翌年生长表现最佳。砧木类型为华山松,最佳秋季施氮量为高氮水平(1.5 g/株)。华嫁红苗木发生越冬死亡现象,秋季施氮肥能够提高华嫁红苗木抗寒性,降低越冬死亡率。