指數(shù)施肥下不同氮素濃度對羊蹄甲2個家系幼苗的生長影響

魏 丹，胡柔璇，趙 慶，唐洪輝

氮素是植物體內(nèi)重要的營養(yǎng)元素之一，是不可缺少的組成成分［1］。植物體內(nèi)氮素的缺少或過多都會造成養(yǎng)分脅迫，研究植物生長過程中的合理施氮肥有重要的意義。V.R.Timmer［2］的研究運用了指數(shù)施肥法，根據(jù)植物的生長速率來控制單次施肥量和次數(shù)，可以有效地提高肥料的利用率，減少肥料的浪費和對環(huán)境的污染，同時也可以保證滿足植物的生長需求［3-4］。這種施肥方法比傳統(tǒng)方法更有利于植物對養(yǎng)分的吸收同時不造成肥料的浪費，對不同樹種的指數(shù)施肥研究已取得了一些研究成果［5-11］。羊蹄甲(Bauhinia purpurea)是華南地區(qū)常見的公園道路綠化樹種，適應(yīng)性強，生長速度快，花期為秋冬季，該植物性喜溫暖、濕潤、陽光充足的環(huán)境，要求肥沃而排水良好的沙質(zhì)土壤［12］，葉片性狀獨特為羊蹄形，花形優(yōu)美，獨具嶺南特色，目前被廣泛應(yīng)用于園林綠化中，其栽培技術(shù)具有研究意義。目前對羊蹄甲的研究主要集中在景觀應(yīng)用、物候研究等方面［13-15］，關(guān)于羊蹄甲的指數(shù)施肥研究尚未見報道。本研究利用羊蹄甲2個優(yōu)良家系(來源肇慶大南山)為試驗材料開展指數(shù)施肥研究，通過對2個家系幼苗設(shè)置不同濃度氮肥處理組，分析對生長及根系、葉片的影響，為其合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和培養(yǎng)方法

2015年在廣州、肇慶等多個地區(qū)進行羊蹄甲優(yōu)良單株調(diào)查評價，對篩選出來的優(yōu)良單株進行編號標記，采集優(yōu)良單株種子之后在廣東省林業(yè)科學研究院苗圃進行分種源育苗，經(jīng)過1 a的栽培后，進一步篩選出2個長勢較好觀賞性較強的優(yōu)良家系進行指數(shù)施肥試驗。這2個家系都來自肇慶大南山，編號分別為DNS06號、DNS16號。試驗地點為廣東省林業(yè)科學研究院苗圃，先將試驗苗木的根系洗干凈，混合基質(zhì)(黃心土、泥炭土、蘑菇渣的比例2∶1∶1)之后，裝于規(guī)格為30 cm×28 cm的塑料種植袋中，每個種植袋裝基質(zhì)約10 kg。為了防止水肥流失，種植袋內(nèi)套有雙層白色塑料袋。種植土的全N平均含量為 5.0 mg·g－1，全 P 平均含量為 0.7 mg·g－1，全K 含量 10.8 mg·g－1。

試驗開始前，根據(jù)羊蹄甲2個家系幼苗的生長需水特性，以70%的最大持水量作為初始灌溉量，每天根據(jù)實際情況保證充足的灌溉量，做好管護工作，統(tǒng)一管理，確保苗木同一環(huán)境條件下正常生長。移苗后，從第3周開始試驗，總共設(shè)置5個不同施肥梯度為 1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 mg·株－1氮肥，分別記為處理組Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，每個處理組有16株苗木。施肥頻率為1周1次，每周施肥量通過計算見表1。選用的肥料為加拿大水溶性肥［Plant Products 20∶20∶0(N ∶P ∶K)plus micromutrients Co.Ltd.，Brampton，Ontario］。

1.2 測定方法

1.2.1 地徑苗高及生物量的測定 第10次施肥之后，在每一組處理組中隨機抽取8株苗木，用鋼尺和游標卡尺測定苗高和地徑，精確到0.1 cm和0.01 mm。

從每一組處理組中隨機抽取3株用來進行生物量的測定。將苗木整株用蒸餾水沖洗干凈，擦拭干凈之后在根莖處將其分為根系和葉莖兩部分，放入烘箱內(nèi)保持80℃連續(xù)烘干到質(zhì)量不再變化，分別稱取根系和葉莖的干質(zhì)量。

表1 羊蹄甲DNS06號家系、DNS16號家系指數(shù)施肥方案Table 1 Schedule of exponential fertilization for Bauhinia purpurea DNS06 and DNS16 species seedlings mg·株－1

1.2.2 根系和葉片指標的測定 試驗結(jié)束時，每個小區(qū)隨機抽取3株苗木，先用蒸餾水多次沖洗苗木，之后擦拭干凈，然后在根莖處將其分為根系部分和葉片2個部分，分別鋪平根系和葉片之后掃描獲取根系及葉片圖片。運用專業(yè)圖片處理的軟件萬深LA-S植物根系分析系統(tǒng)和萬深LA-S葉面分析系統(tǒng)對掃描好根系和葉片圖片進行根系總根長、體積、投影面積、表面積、平均直徑、根尖數(shù)和葉片表面積等性狀測定和數(shù)據(jù)處理。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)表示為平均值±標準誤差，運用SPSS11.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析和Duncan多重比較。綜合評價采用主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮素處理對羊蹄甲幼苗高地徑及生物量的影響

由表2可知，不同指數(shù)施肥處理下，羊蹄甲DNS06號家系的生長指標地徑和生物量之間存在顯著差異，其他生長指標苗高、葉莖根的鮮重之間差異不顯著。經(jīng)過處理Ⅴ的地徑顯著高于處理Ⅲ的;處理Ⅴ的地徑平均值為0.84 mm;說明在一定的濃度范圍(N=0～5 000 mg·株－1)內(nèi)，高濃度的氮素對羊蹄甲DNS06號的地徑生長有促進作用。處理Ⅲ、Ⅳ的生物量顯著＞處理Ⅰ的;處理Ⅴ比處理Ⅳ的平均值有少量下降，但差異不顯著;說明濃度在一定范圍內(nèi)，施肥對羊蹄甲DNS06號的生理量有促進作用，施氮濃度過大時，施氮對生物量不能起到促進作用。處理Ⅴ的地徑、葉、莖鮮重和根部鮮重平均值比其他處理高。

不同指數(shù)施肥處理下，羊蹄甲DNS16號處理Ⅴ的地徑與其他處理的地徑有顯著差異，處理Ⅴ的高于其他處理的，平均值為0.91 mm。處理Ⅱ的苗高高于其他處理，但與處理Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ之間無顯著差異。處理Ⅱ的葉、莖鮮重＞其他處理，平均值為47.35 g。各處理的根部鮮重無顯著差異。處理Ⅱ～Ⅴ的生物量均＞處理Ⅰ。

2.2 不同氮素處理對羊蹄甲幼苗根系生長的影響

羊蹄甲根的表型性狀由總根長、體積、投影面積、表面積、根直徑和根尖數(shù)等因素構(gòu)成，植物對土壤里營養(yǎng)元素的獲取主要依賴于根系，根系參數(shù)反映了植物根系吸收水分、獲取營養(yǎng)的能力，根系參數(shù)越大，說明植物根部越健康，對植株的生長有促進作用。土壤中氮肥的含量對植株的根系生長起到了調(diào)控作用［16］。適合劑量的氮素加入土壤能促進木本植物根的分枝，根長等相關(guān)性狀也相對應(yīng)有所增加［17］，因此，根系的這些參數(shù)是植物研究中重要的考察對象［18］。

表2 不同濃度指數(shù)施肥對羊蹄甲DNS06號、DNS16號家系生長表現(xiàn)及生物量的影響Table 2 Effects of different concentrations of exponential fertilization on growth performanceand Biomass of Bauhinia purpurea DNS06 and DNS16 species seedlings

2.2.1 不同氮素處理對羊蹄甲DNS06號家系幼苗根系生長的影響 由圖1看出，羊蹄甲DNS06號家系的根系長度、體積、投影面積、表面積、平均直徑、根尖數(shù)隨著氮素濃度的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，說明在一定范圍內(nèi)，增加氮素濃度對羊蹄甲DNS06號家系的根系有促進生長的作用，而過高濃度的氮肥加入會使其根系生長受到了一定的抑制作用。根系參數(shù)基本上在施氮量4 000 mg·株－1時達到峰值，而其中施氮量4 000 mg·株－1時的總根長、體積、平均直徑的根系性狀＞其他施氮量，施氮量3 000 mg·株－1與 4 000 mg·株－1的投影面積、表面積、根尖數(shù)差異性不大，都優(yōu)于其他施氮量。說明不同的施氮濃度對羊蹄甲DNS06號家系的根系生長有很大的作用，其中以施氮量4 000 mg·株－1的作用效果最佳，其次為施氮量3 000 mg·株－1和2 000 mg·株－1，施氮量 1 000 mg·株－1和 5 000 mg·株－1的促進效果都比較差。

圖1 不同氮素濃度對羊蹄甲DNS06號家系根系生長的影響Fig.1 Effects of different concentrations of exponential fertilization on root of DNS06 species seedlings

圖2 不同氮素濃度對羊蹄甲DNS16號根系生長的影響Fig.2 Effects of different concentrations of exponential fertilization on root of DNS16 species seedlings

2.2.2 不同氮素處理對羊蹄甲DNS16號家系幼苗根系生長的影響 由圖2看出，羊蹄甲DNS16號家系幼苗的根系長度在施氮量為2 000 mg·株－1時顯著＞其他施氮量，當施氮量高于 2 000 mg·株－1時羊蹄甲的根系長度顯著下降;而根系體積呈現(xiàn)出先上升后下降再上升的趨勢，不同處理組的根系體積之間無顯著差異;不同處理組的投影面積、表面積的變化趨勢與根系體積相同，也是先上升后下降再上升，不同處理組間無顯著差異;根系的平均直徑、根尖數(shù)呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢，施氮量3 000、4 000、5 000 mg·株－13個處理組之間無顯著差異。說明不同的施氮濃度對羊蹄甲DNS06號的根系生長有不同的作用效果，綜合不同的根系參數(shù)可以看出，當施氮量2 000 mg·株－1時對羊蹄甲DNS16號家系的根系作用效果最佳。

2.3 不同氮素處理對羊蹄甲葉片生長的影響

由圖3可知，不同指數(shù)施肥處理下，羊蹄甲DNS06號家系的葉片表面積的處理組之間差異顯著。經(jīng)過指數(shù)施肥處理，施肥量4 000 mg·株－1和5 000 mg·株－1的葉片表面積顯著高于其他施肥量的。4 000 mg·株－1的葉面積平均值最大，1 000 mg·株－1的葉面積平均值最小，說明濃度在一定范圍內(nèi)，施肥對羊蹄甲DNS06號家系的葉面積有促進作用。

圖3 不同氮素濃度對羊蹄甲DNS06號葉片表面積的影響Fig.3 Effects of different concentrations of exponential fertilization on leaves of DNS06 species seedlings

由圖4可知，不同指數(shù)施肥處理下，羊蹄甲DNS16號家系的葉片表面積在不同處理組之間差異顯著。經(jīng)過指數(shù)施肥處理，施肥量2 000 mg·株－1的葉片表面積顯著＞其他施肥量，平均值為1 246.11 cm2。當施肥量＞2 000 mg·株－1，其葉面積平均值逐步減少，4 000 mg·株－1的葉面積平均值最小，平均值為741 cm2，說明濃度在一定范圍內(nèi)，施肥對羊蹄甲DNS06號家系的葉面積有促進作用，氮肥濃度過高時，其葉片生長速率減緩，對苗木產(chǎn)生了一定的“毒害”作用。

2.4 主成分分析

2.4.1 羊蹄甲DNS06號家系 利用主成分分析法研究不同濃度的指數(shù)施肥對羊蹄甲DNS06號家系的綜合生長影響。本研究以性狀累積方差貢獻率達到90%以上確定主成分個數(shù)，通過計算重要主成分值，最后進行排名。

由表3看出，前3個主成分的累積貢獻率達98.291%，基本上涵蓋了12個指標的絕大信息，前3個主成分可以作為指數(shù)施肥生長評價的綜合分析指標。

圖4 不同氮素濃度對羊蹄甲DNS16號家系葉片表面積的影響Fig.4 Effects of different concentrations of exponential fertilization on leaves of DNS16 species seedlings

利用前3個主成分中各個指標對應(yīng)的特征向量，與標準化后的數(shù)據(jù)相乘，得到主成分表達式F1、F2、F3;再根據(jù)3個主成分的特征值計算出主成分綜合得分模型F如下:

根據(jù)主成分綜合得分模型以及標準化后的數(shù)據(jù)，對不同施肥量的生長指標進行綜合評價(表4)，羊蹄甲DNS06號家系幼苗的最佳氮素施肥量為總施肥量 4 000 mg·株－1。

2.4.2 羊蹄甲DNS16號家系 利用主成分分析法研究不同濃度的指數(shù)施肥對羊蹄甲DNS16號家系的綜合生長影響。本研究以性狀累積方差貢獻率達到90%以上確定主成分個數(shù)，通過計算重要主成分值，最后進行排名。

由表5看出，前3個主成分的累積貢獻率達98.478%，基本上涵蓋了12個指標的絕大信息，前3個主成分可以作為指數(shù)施肥生長評價的綜合分析指標。

利用前3個主成分中各個指標對應(yīng)的特征向量，與標準化后的數(shù)據(jù)相乘，得到主成分表達式F1、F2、F3;再根據(jù)3個主成分的特征值計算出主成分綜合得分模型F如下:

根據(jù)主成分綜合得分模型以及標準化后的數(shù)據(jù)，對不同施肥量的生長指標進行綜合評價(表6)，羊蹄甲DNS16號的最佳氮素施肥總量為5 000 mg·株－1。

表3 羊蹄甲DNS06號家系幼苗綜合生長協(xié)方差矩陣的特征值Table 3 The eigenvalue of coveriance matrix of the DNS06

表4 羊蹄甲DNS06號家系幼苗的指數(shù)施肥綜合評價值Table 4 Comprehensive assessment values of drought Index fertilization of the DNS06

表5 羊蹄甲DNS16號家系幼苗綜合生長協(xié)方差矩陣的特征值Table 5 The eigenvalue of coveriance matrix of the DNS16

表6 羊蹄甲DNS16號家系幼苗的指數(shù)施肥綜合評價值Table 6 Comprehensive assessment values of drought Index fertilization of the DNS16

3 結(jié)論與討論

苗木培育中施肥對苗木苗高、地徑、根系、葉片有促進作用，適合的施肥量可以提高合格苗產(chǎn)量，合理施肥是培育苗木的關(guān)鍵技術(shù)之一。氮素含量對植物的光合產(chǎn)物有所影響，在適當?shù)姆秶鷥?nèi)提高氮素含量可以提高光合產(chǎn)物，從而促進根系和葉片的生長，根系長度、根系表面積的增大可以擴大營養(yǎng)吸收面。本研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度的氮素對羊蹄甲幼苗的生長有顯著差異。適量氮素濃度對羊蹄甲的生長有促進作用，過量氮素濃度會抑制羊蹄甲的生長，氮素的利用率下降［19］，不同家系的羊蹄甲生長差異有所不同。

適量增加氮素供應(yīng)，能夠促進植物根、莖、葉的生長，但往往對莖葉生長的促進作用＞根系，不同濃度氮素指數(shù)施肥處理的羊蹄甲幼苗地徑和生物量差異顯著。在一定的范圍內(nèi)，適當增加氮素的濃度對苗木的苗高、地徑和生物量有促進作用，這與王燕［20］等的研究認為指數(shù)施肥方式下氮素濃度能促進苗木苗高、地徑和根莖葉生物量累積相一致。陳琳［21］等對西南樺幼苗的施肥試驗結(jié)果也表明苗高、地徑隨氮肥濃度的增加而增大，說明在苗木生長過程中，氮肥在一定程度上能夠滿足苗木對養(yǎng)分的需求。黃復興［22］等的研究表明，施加濃度適宜的氮肥，對盆栽香樟幼苗細根平均根長和平均直徑有促進作用，本研究也有相似的結(jié)論，羊蹄甲DNS06號家系、DNS16號家系的根系長度、體積、投影面積、表面積、平均直徑等根系指標均隨著施氮量的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，根系指標之間差異顯著。施氮總量為4 000 mg·株－1時，羊蹄甲DNS06號家系幼苗總根長、體積、平均直徑＞其他處理組，羊蹄甲DNS16號處理組Ⅱ的根系長度、投影面積、表面積、根尖數(shù)比其他處理組大，處理Ⅲ的根系體積、平均直徑比其他處理組大。說明在濃度2 000～4 000 mg·株－1的范圍內(nèi)指數(shù)施肥能夠有效增加羊蹄甲幼苗的根長、根體積、根投影面積、根表面積、根平均直徑、根尖數(shù)，從而提高根系吸收養(yǎng)分和水分的能力，促進苗木生長。

羊蹄甲的最佳施肥量無法用單一的指標客觀反映，同一家系在不同生長指標中可能表現(xiàn)不同，為了讓結(jié)論更為客觀，本研究測定了不同指標，并綜合多個指標進行整體分析。通過主成分分析對2個家系的不同施肥量的生長指標進行綜合評價。指數(shù)施肥在苗木生長期間能更有效地利用肥料，施肥量隨著苗木生長需求逐步增大，指數(shù)施肥相對于傳統(tǒng)施肥方法在苗木生長末期給予更多的營養(yǎng)，有利于生長末期生物量的累積。施肥總量過低時，土壤會相對貧瘠，植株整體的生長速率較低，本研究中2個家系施肥效果表現(xiàn)最差的都為施肥總量1 000 mg·株－1的植株。施肥總量的提高促進根系伸長生長和生物量的積累，其中羊蹄甲DNS06號家系最佳施肥量為4 000 mg·株－1，羊蹄甲DNS16號家系最佳施肥量為5 000 mg·株－1。當施肥總量過剩時，會造成肥料的浪費，對苗木的生長也會造成生長速率減緩，產(chǎn)生一定的“毒害”作用。