不同母質(zhì)紅壤和水分條件對連翹生長的影響

陳秀龍， 郭利平， 沈發(fā)興， 徐愛珍， 葛佩琳， 張利超

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土與資源環(huán)境學(xué)院 江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西 南昌 330045; 2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院 江西省森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌330045; 3.江西省水土保持科學(xué)研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌 330029)

連翹(Forsythiasuspensa)為木犀科連翹屬的落葉灌木，是一種喜光、耐寒耐旱耐瘠薄而怕澇，不擇氣候和土壤的多年生陽性樹種[1-2]。優(yōu)良生態(tài)經(jīng)濟(jì)灌木連翹可謂“全身是寶”：果實(shí)青翹和老翹是中國常見的大宗藥材，也是解表和清熱類中成藥雙黃連口服液、銀翹散、銀翹解毒丸和(牛黃)上清丸等的主要組成[3]；連翹花可以作為優(yōu)良的黃色食用色素、蜜源和早春觀賞花卉[4]；連翹嫩莖葉可作茶飲，葉提取物具有抑菌作用[5-6]；連翹根系發(fā)達(dá)、萌發(fā)力很強(qiáng)具有良好的保持水土作用，根部還可用于治療濕熱疾病[2,4]。全世界約有11種連翹屬植物，其中大約7種廣泛分布在中國山西、河北、陜西和湖北等地，是中國暖溫帶地區(qū)代表性植物[7-8]。然而，近年來隨著人們瘋狂和不合理地采摘導(dǎo)致大量野生連翹資源的破壞，作為主產(chǎn)地的山西連翹供應(yīng)已顯緊張；但市場對連翹需求量卻在不斷增加，擴(kuò)大連翹的人工種植面積已成必然[9]。高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)作物連翹在水土流失防治、小流域景觀提升、城市美化、荒山綠化和精準(zhǔn)扶貧等方面都大有可為。

紅壤廣泛分布在中國長江以南的低山丘陵區(qū)，是中國南方熱帶和亞熱帶地區(qū)的重要土壤資源；作為南方紅壤丘陵區(qū)中心地帶的江西省，其地帶性土壤主要由花崗巖、紅砂巖和第四紀(jì)紅黏土等母質(zhì)發(fā)育而成[10-11]。由于區(qū)域降雨強(qiáng)度大、土壤質(zhì)地易被侵蝕和過度開發(fā)墾殖等自然和人為活動(dòng)的綜合作用，江西省一直是中國南方水土流失較為嚴(yán)重的省份；并且，該區(qū)推廣種植的優(yōu)良水土保持植物主要以草本為主，存在類型單一、經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高的特點(diǎn)[12-13]。因此，在大力實(shí)施贛閩粵原中央蘇區(qū)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和推進(jìn)國家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)(江西)建設(shè)的背景下，篩選出適宜在南方紅壤丘陵區(qū)典型紅壤上推廣種植的連翹種，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。雖然連翹對氣候和土壤要求不高，但南方紅壤區(qū)不同母質(zhì)酸性土壤和過多降水可能抑制連翹生長。為此，我們在花崗巖、紅砂巖和第四紀(jì)紅黏土母質(zhì)發(fā)育的酸性紅壤上開展3種連翹屬植物在不同水分條件下的生長特征比較，以期為南方紅壤區(qū)優(yōu)良適生連翹品種的選育提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究在溫室中開展連翹盆栽土壤水分控制試驗(yàn)。選取1 a生的連翹(Forsythiasuspensa，P1)、金鐘花(Forsythiaviridissima，P2)和垂枝連翹(F.suspensavar.sieboldii，P3)為試驗(yàn)材料，上述材料是經(jīng)第四紀(jì)紅壤大田扦插試驗(yàn)篩選出的適應(yīng)性相對較好的連翹品種[14]。試驗(yàn)用土是分別來自于江西省贛州市的花崗巖紅壤(S1)、紅砂巖紅壤(S2)，和來自江西省德安縣的第四紀(jì)紅壤(S3)，風(fēng)干過5 mm篩待用。土壤水分設(shè)計(jì)3個(gè)土壤基質(zhì)勢水平：-5 kPa(W1)，-20 kPa(W2)和-35 kPa(W3)，采用張力計(jì)法實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤基質(zhì)勢[15]。整個(gè)研究總共27個(gè)處理，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)1盆連翹。

根據(jù)《美國制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)》對3種南方紅壤區(qū)典型紅壤的土壤性質(zhì)比較分析發(fā)現(xiàn)(見表1)，S1和S2土壤均為砂質(zhì)壤土，S3土壤是粉砂壤土，前二者pH值均比S3土壤低。其中，S3土壤的黏粒和粉粒含量占比79.1%，而S1和S2土壤分別是29.9%和25.8%，后兩者砂粒含量占比占優(yōu)。供試3種土壤均表現(xiàn)出有機(jī)質(zhì)、氮和鉀含量較低，磷含量較高；因此，都屬于富磷缺氮鉀和有機(jī)質(zhì)缺乏型土壤。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)和養(yǎng)分指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)布置

風(fēng)干的試驗(yàn)用土按容重1.3 g/cm3填裝在花盆中，花盆規(guī)格為上口直徑38 cm，底部直徑30 cm，高度40.5 cm。2018年3月20日將3種長勢一致的1 a生連翹幼苗帶根挖出，對根系和枝條按照統(tǒng)一高度剪裁之后栽種在花盆中?；ㄅ璨贾眯问揭妶D1。總共布設(shè)9排，每3排1種土壤，其中設(shè)置3個(gè)水分梯度(每個(gè)水分梯度是1排)，每排水分梯度處理按順序種植3種連翹。所有花盆鋪設(shè)一套灌溉系統(tǒng)，包括肥水桶、水泵、過濾器、閥門、滴灌管、堵頭和灌水器組成。每排花盆通過1個(gè)閥門來控制灌水時(shí)間和灌水量(見圖1)。灌水器選用流量為2 L/h的紐扣式灌水器，每盆在連翹兩側(cè)各安裝1個(gè)灌水器。每一排花盆處理安裝2支張力計(jì)，張力計(jì)探頭埋設(shè)在灌水器正下方20 cm處[15]。

圖1 連翹水分控制試驗(yàn)布置圖

待移栽的連翹幼苗生長穩(wěn)定后，于2018年6月8日開始水分控制試驗(yàn)。從幼苗移栽到試驗(yàn)開始前，所有連翹統(tǒng)一灌水。試驗(yàn)開始后，首次灌水將土壤灌透，之后在每天8∶00獲取張力計(jì)瞬時(shí)土壤基質(zhì)勢值，當(dāng)同一排連翹水分處理中2支張力計(jì)中，任一支張力計(jì)的讀數(shù)低于設(shè)計(jì)的土壤基質(zhì)勢值(-5，-20 kPa或-35 kPa)則進(jìn)行灌溉，每次灌水量10 mm。水分控制試驗(yàn)于2018年9月8日停止。在整個(gè)試驗(yàn)期間，所有盆栽連翹均采用統(tǒng)一施肥、施藥管理。此外，為了防止夏季溫室溫度過高影響連翹生長，在溫室安裝自動(dòng)化溫濕度記錄儀一臺(tái)，當(dāng)溫室溫度過高，則打開溫室風(fēng)機(jī)和濕簾系統(tǒng)以及溫室內(nèi)外遮陽系統(tǒng)，對溫室內(nèi)部的溫度和相對濕度進(jìn)行整體調(diào)控。整個(gè)試驗(yàn)階段，溫室溫度基本維持在30 ℃左右，濕度控制在50%左右。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

在水分控制試驗(yàn)開始前和結(jié)束后對連翹枝條長度和數(shù)量進(jìn)行測量；在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，將每一盆連翹的葉片摘下來，測定葉片干重、鮮重和葉面積。其中，枝條長度通過人工測定，葉片干重、鮮重通過烘干法和稱重法測定，葉面積采用葉面積儀進(jìn)行測定。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用一般線性模型單變量多因素方差分析方法(Duncan’s multiple range tests)，對連翹枝條長度、葉面積、葉片干重和葉片鮮重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要分析土壤類型、土壤水分和連翹品種3種影響因素及其交互作用。采用最小顯著性差異法(LSD法)，分析土壤類型、土壤水分和連翹品種單因素對連翹生長指標(biāo)平均值的影響，及相同連翹品種條件下，土壤水分和土壤類型二者交互作用對枝條長度、葉面積、葉片干重和葉片鮮重的影響。使用Excel 2013和Origin 2017完成作圖，SPSS 19完成統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分和灌溉水量

在土壤水分控制條件下，3種典型紅壤具有類似的土壤基質(zhì)勢變化趨勢，因此，這里僅以第四紀(jì)紅壤為例來描述(見圖2)。所有處理在20 cm深度處的土壤基質(zhì)勢均較好地控制在-5，-20 kPa和-35 kPa。其中，-5 kPa處理土壤基質(zhì)勢波動(dòng)最小，其次是-20 kPa，波動(dòng)最大的是-35 kPa。由于試驗(yàn)在溫室中進(jìn)行，隔絕了自然降水；所以，灌溉、蒸散發(fā)和滲漏是土壤基質(zhì)勢波動(dòng)的主要影響因素。

圖2 第四紀(jì)紅壤土壤基質(zhì)勢

所有水分處理在水分控制期間的灌水次數(shù)和灌水量見表2。結(jié)果顯示，同一土壤類型的灌水次數(shù)和灌水量，均隨著土壤基質(zhì)勢控制水平的降低而降低。3種土壤類型之間的比較發(fā)現(xiàn)，S1土壤所有水分處理的灌水次數(shù)和灌水量，均比S2和S3少。S2W1處理的灌水量和灌水次數(shù)與S3W1相同，均為39次；但在W2和W3水分處理?xiàng)l件下，S3土壤處理的灌水次數(shù)和灌水量，比S2土壤多，其中，灌水量分別多90 mm和70 mm。

表2 水分控制期間的灌水次數(shù)與灌水量

2.2 連翹生長主要影響因素分析

土壤類型、土壤水分和連翹品種及其交互作用對初篩適生連翹屬植物葉片和枝條的顯著性分析見表3。

表3 土壤類型、土壤基質(zhì)勢和品種及其交互作用對連翹生長指標(biāo)的顯著性分析

由表3可知，土壤類型和土壤水分對連翹所有生長指標(biāo)均具有極顯著的作用(p≤0.001)，除葉面積外，品種因素對其他3個(gè)指標(biāo)均無顯著性影響(p>0.05)。雙因素交互作用發(fā)現(xiàn)，土壤類型—土壤水分，土壤類型—連翹品種對所有生長指標(biāo)均具有極顯著的作用(p≤0.001)，土壤水分—連翹品種二者交互作用除對枝條長度無顯著作用外，對葉面積、葉片干鮮重均具有顯著影響(p≤0.05)。三因素交互作用對所有指標(biāo)均無顯著影響。上述結(jié)果表明，土壤類型和土壤水分是影響連翹生長的主要因素。

2.3 土壤類型、土壤水分和植物品種單因素對連翹生長的影響

進(jìn)一步就3種影響因素對連翹生長指標(biāo)的分析結(jié)果 (見表4) 表明，就水分單因素而言，連翹生長指標(biāo)隨著水分梯度的降低而降低，而且高水分條件的連翹葉片和枝條生長指標(biāo)顯著優(yōu)于低水分條件(p<0.05)，如W1水分處理所有指標(biāo)優(yōu)于W2和W3水分處理，而W2水分處理優(yōu)于W3水分處理。土壤類型單因素分析結(jié)果表明，S2和S3土壤處理上種植的連翹屬植物生長指標(biāo)均顯著優(yōu)于S1土壤上的連翹，而前兩種紅壤上種植的連翹生長指標(biāo)之間不存在顯著性差異。品種的比較結(jié)果說明，本研究栽種的3個(gè)連翹種之間不存在顯著差別。

表4 土壤類型、土壤基質(zhì)勢和品種對連翹葉片和枝條平均生長指標(biāo)的影響

2.4 土壤類型和土壤水分交互作用對連翹屬植物生長指標(biāo)的影響

進(jìn)一步分析土壤類型和土壤水分的交互作用對連翹生長的影響(見圖3—5)。對于連翹而言，W1水分處理以紅砂巖紅壤(S2)生長的連翹生長指標(biāo)最優(yōu)，顯著優(yōu)于花崗巖紅壤和第四紀(jì)紅壤；W2和W3水分條件，以S3土壤上生長的連翹生長指標(biāo)數(shù)值最大。顯著性分析表明，S2W1，S3W1和S3W2處理的連翹枝條長度顯著優(yōu)于其他6個(gè)土壤類型—土壤水分的交互處理(p<0.05)，S2W1處理的葉片鮮重和干重顯著優(yōu)于其他8個(gè)土壤類型—土壤水分交互處理。S2W1處理和S3W1處理連翹的葉面積沒有顯著性差異，但與其他7個(gè)土壤類型—土壤水分交互處理具有顯著性差異。隨著水分梯度的降低，在W2水分條件下，S3土壤處理的連翹所有生長指標(biāo)均顯著優(yōu)于S1和S2土壤處理(p<0.05)；而在W3水分條件下，S3土壤處理連翹所有生長指標(biāo)值最大，S3土壤處理連翹枝條長度和葉片鮮重與S1和S2土壤處理具有顯著性差異，S1和S2土壤處理之間無顯著差異(p>0.05)；S3土壤處理連翹的葉面積、葉片干重與S2土壤處理的無顯著差異，與S1土壤處理有顯著性差異(p<0.05)，而S1和S2土壤處理之間無顯著性差異。上述結(jié)果顯示，高水分條件下(-5 kPa)，連翹在紅砂巖紅壤上生長最佳，而隨著土壤水分降低(-20～-35 kPa)，在第四紀(jì)紅壤上生長得更好，花崗巖紅壤生長最差。

對于金鐘花而言，在全部處理中，S2W1處理的金鐘花全部生長指標(biāo)最大，均顯著優(yōu)于其他8個(gè)土壤類型—土壤水分交互處理(p<0.05)。在W2和W3水分處理下，S2和S3土壤處理之間金鐘花全部生長指標(biāo)無顯著性差異(p>0.05)，二者與S1土壤處理均具有顯著性差異(p<0.05)。上述結(jié)果顯示，高水分條件下(-5 kPa)，金鐘花在紅砂巖紅壤上生長最佳，而隨著水分梯度的降低(-20～ -35 kPa)，金鐘花在第四紀(jì)紅壤和紅砂巖紅壤上生長較優(yōu)，而在花崗巖紅壤生長最差。

對垂枝連翹而言，在土壤類型和土壤水分的9個(gè)交互處理中，S3W2處理的垂枝連翹的生長指標(biāo)最大。相同水分條件下，不同母質(zhì)紅壤上的垂枝連翹所有生長指標(biāo)大小均具有如下規(guī)律：S3>S2>S1。盡管S1土壤上的垂枝連翹全部生長指標(biāo)在W1水分處理最優(yōu)，仍然顯著低于S3W3水分處理(p<0.5)。綜上所述，無論是高水分條件還是低水分條件，第四紀(jì)紅壤都是栽種垂枝連翹的最佳土壤類型。

綜上所述，在-5 kPa水分條件，連翹、金鐘花在紅砂巖紅壤上生長最佳，垂枝連翹在第四紀(jì)紅壤上生長最佳；而隨著水分含量下降(-20～-35 kPa)，3種連翹第均表現(xiàn)為四紀(jì)紅壤上生長得更好。此外，在所有水分條件下，花崗巖紅壤上生長的連翹均最差。

注：P為連翹品種：連翹(Forsythia suspensa，P1)，金鐘花(Forsythia viridissima，P2)，垂枝連翹(F.suspensa var. sieboldii，P3)；W為3個(gè)土壤基質(zhì)勢水平：-5 kPa(W1)，-20 kPa(W2)和-35 kPa(W3)；S1為花崗巖紅壤，S2為紅砂巖紅壤，S3為第四紀(jì)紅壤。下同。

圖4 土壤類型-土壤水分交互作用對金鐘花生長的影響

圖5 土壤類型-土壤水分交互作用對垂枝連翹生長的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

3.1.1 連翹品種 連翹生長指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，連翹屬植物品種之間其生長指標(biāo)無顯著差異，而土壤水分和土壤類型是影響連翹屬植物生長的顯著性因素。劉荃等[14]對6種連翹屬植物在第四紀(jì)紅壤上的生長適應(yīng)性研究結(jié)果表明，金鐘花、連翹和垂枝連翹在第四紀(jì)紅壤上具有較好的生長適應(yīng)性。本研究結(jié)果再次證明該結(jié)論，并且這3種植物在其他2種母質(zhì)發(fā)育的紅壤(花崗巖紅壤和紅砂巖紅壤)上也具有良好的生長適應(yīng)性。

3.1.2 土壤水分 土壤水分是植物生長的最重要影響因子之一[16]。隨著土壤水分含量的增加，植物的生長和發(fā)育以及生物量均會(huì)提高[17]。本研究表明，連翹屬植物在3種母質(zhì)發(fā)育的紅壤上，其生長指標(biāo)隨著土壤水分含量的增加而增加，即-35 kPa<-20 kPa<-5 kPa。說明相對于低水分條件，高水分條件更利于連翹屬植物在酸性紅壤生長。連翹同大多數(shù)植物一樣具有喜水的特性。從連翹原產(chǎn)地的生長環(huán)境可知，野生連翹資源主要生長在海拔高、水分狀況差、土壤土層薄的山腰及以上位置；而在水分狀況好、土壤層厚的地方，其種群地位反而不占優(yōu)勢，這可能是因?yàn)檫B翹競爭不過其他植物種群；反之，在瘠薄地方，其他植物的生長競爭不過連翹。如果在水分條件好、土層深厚的土壤，通過控制其他植物的生長，連翹生長將表現(xiàn)出與其他植物相同的生長規(guī)律，即土壤水分條件越好生長狀況越好。

3.1.3 土壤類型 此外，土壤類型也是影響植物生長的重要影響因子。不同母質(zhì)發(fā)育的紅壤，其土壤機(jī)械組成、入滲性能、pH值、養(yǎng)分狀況、通氣狀況等都有差異，在進(jìn)行施肥和灌溉管理?xiàng)l件下，不同土壤的保水和保肥性能存在差異，而透氣性差異也會(huì)影響根系呼吸；最終造成植物生長和需水的響應(yīng)特征均不同。

根據(jù)土壤機(jī)械組成分析結(jié)果，第四紀(jì)紅壤其粉粒和黏粒含量之和占比高達(dá)79.1%，而花崗巖紅壤和紅砂巖紅壤分別是29.9%和25.8%，說明第四紀(jì)紅壤粉質(zhì)壤土，比紅砂巖和花崗巖發(fā)育的沙質(zhì)壤土保水性和保肥性更好。具體而言，第四紀(jì)紅壤能夠儲(chǔ)存更多的水分和養(yǎng)分在土壤中，供給植物生長。因此，在本研究中水分條件控制在-20～-35 kPa，第四紀(jì)紅壤生長的連翹屬植物生長指標(biāo)普遍優(yōu)于其他2種紅壤(見圖3—5)，更優(yōu)的生長長勢導(dǎo)致連翹屬植物蒸騰耗水量大，土壤水分消耗大，因而其灌溉次數(shù)和灌水量也是最多(見表2)。

侯雙利[18]的研究表明，花崗巖初始入滲性能和穩(wěn)定入滲性能最差，其次是第四紀(jì)紅壤，入滲性能最好的是紅砂巖紅壤。其主要原因可能是花崗巖細(xì)粉粒含量高，隨水分運(yùn)動(dòng)堵塞下層土壤大孔隙[19]，灌水后，上層土壤水分含量過高、水分難以下滲，從而導(dǎo)致根系通氣性差，影響植物根系呼吸進(jìn)而造成植物的生長受到抑制。此外，花崗巖紅壤的pH值(5.33)均低于紅砂巖紅壤(5.46)和第四紀(jì)紅壤(6.22)(見表1)，更低的pH值可能影響土壤磷的有效性[20]，抑制根區(qū)微生物的活性[21]，尤其是相對較低的水分條件，最終導(dǎo)致植物營養(yǎng)供給不足生長不佳。因此，本研究中相同水分狀況，花崗巖紅壤上生長的所有連翹屬植物，無論是葉面積、葉片干鮮重，還是枝條總長，均比紅砂巖紅壤和第四紀(jì)紅壤上生長的連翹屬植物差(圖3—5)。同樣，植物生長受到抑制后，作物蒸騰耗水能力下降，反過來造成土壤水分損失降低。因而，在維持相同的土壤水分條件，花崗巖紅壤生長的連翹屬植物的灌溉水量和灌水次數(shù)均低于第四紀(jì)紅壤和紅砂巖紅壤(見表2)。

在高水分條件下(-5 kPa)，紅砂巖紅壤上的連翹屬植物生長最優(yōu)，這可能是紅砂巖入滲性能最佳，過多的水分易從大孔隙流走，保證了連翹根系在高水分條件下的良好通氣性，因此，連翹生長最好。此外，在高水分條件(-5 kPa)，紅砂巖紅壤和第四紀(jì)紅壤連翹屬植物灌溉水量和灌水次數(shù)相同，說明紅砂巖紅壤上的連翹種植其灌溉水分利用效率更高。

3.2 結(jié) 論

(1) 在相同水分條件下，花崗巖紅壤生長連翹的灌水次數(shù)和灌水量都比紅砂巖紅壤和第四紀(jì)紅壤少；在相同的高水分條件(-5 kPa)，紅砂巖紅壤生長連翹灌水量和灌水次數(shù)與第四紀(jì)紅壤相同，但在低水分條件(-20 kPa和-35 kPa)，其灌水量和灌水次數(shù)都比第四紀(jì)紅壤少。

(2) 土壤類型和土壤水分對連翹屬植物枝條和葉片生長指標(biāo)均具有極顯著的影響，而品種因素僅對葉面積有顯著性作用。連翹生長指標(biāo)平均值隨著水分梯度的降低而降低，-5 kPa最高，-35 kPa最低。紅砂巖紅壤和第四紀(jì)紅壤上的連翹生長指標(biāo)平均值，顯著優(yōu)于花崗巖紅壤。品種之間連翹生長指標(biāo)平均值無顯著差異。土壤類型—土壤水分，土壤類型—連翹品種對所有生長指標(biāo)均具有極顯著的作用，土壤水分—連翹品種除對枝條長度無顯著作用外，對葉面積、葉片干鮮重均具有顯著影響。三因素交互作用對所有指標(biāo)均無顯著影響。

(3) 在高水分條件，連翹、金鐘花在紅砂巖紅壤上生長最佳，垂枝連翹在第四紀(jì)紅壤上生長最佳；而隨著水分含量下降(-20 kPa～-35 kPa)，3種連翹第均表現(xiàn)為第四紀(jì)紅壤上生長得更好。此外，在所有水分條件下，花崗巖紅壤上生長的連翹均最差。

(4) 在南方典型紅壤上引種推廣種植連翹，優(yōu)先考慮在紅砂巖紅壤和第四紀(jì)紅壤上種植。對于紅砂巖紅壤而言，優(yōu)先種植在河湖水岸邊水分充足的地方，而在第四紀(jì)紅壤上，可種植在離水域較遠(yuǎn)的坡地上。連翹幼苗可在高水分土壤條件進(jìn)行育苗，待苗木長大耐性增強(qiáng)，可作為綠化苗木在侵蝕山坡地水分條件較差的地方移栽。