配方施肥對杉木幼苗生長及抗氧化特性的影響

賴慧捷，李惠通，宋政凱，蘇 鐵，侯政杰，劉愛琴*

（1.福建農(nóng)林大學 林學院，福建 福州 350002；2.國家林草局杉木工程技術研究中心，福建 福州 350002）

【研究意義】氮、磷和鉀是植物生長發(fā)育的必要元素，微量元素參與了植物體內(nèi)多種代謝過程，均對植物生長不可缺少[1-3]。長期以來由于樹種需肥量與林地土壤養(yǎng)分含量不同，林業(yè)生產(chǎn)上盲目施肥現(xiàn)象十分嚴重，盲目施肥不僅增加苗木培育成本，而且造成肥料浪費，產(chǎn)生環(huán)境污染[4-6]。為解決農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)上的盲目施肥現(xiàn)象，2005 年開始推廣測土配方施肥技術，該技術是在綜合考慮土壤供肥能力、植物需肥規(guī)律及肥料施用成效基礎上，提出植物營養(yǎng)元素用量及其配比的新技術[7-9]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應用，但在林業(yè)生產(chǎn)上的應用相對較少。因此如何篩選適合不同林地土壤的施肥配方成為當前林業(yè)生產(chǎn)中急需解決的重大課題。杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook）是我國南方重要的造林樹種，具有生長快、產(chǎn)量高、用途廣等特點[9]，在我國南方得到大面積的人工栽植，在林業(yè)生產(chǎn)上占有舉足輕重的地位[10]。近年來隨著杉木育種水平的提高，高世代杉木良種大量應用，這些杉木良種對林地養(yǎng)分的需求提高，傳統(tǒng)的施肥配方已不能適應這些良種苗木培育的要求?！厩叭搜芯窟M展】雖然國內(nèi)外有關杉木施肥的研究較多，但多以單種肥料的施肥研究居多，對氮磷鉀不同配比施肥的研究相對較少，特別是微肥配施的研究更少，缺乏高世代杉木良種育苗的施肥配方，因此極有必要開展配方施肥對促進高世代良種杉木苗木生長的研究。植物在生長代謝及逆境環(huán)境下有較高的保護酶系統(tǒng)，其中超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）相互協(xié)調(diào)在一定程度上能減緩活性氧對植物細胞造成的傷害[14]。丙二醛（MDA）是細胞膜發(fā)生脂質(zhì)過氧化作用而產(chǎn)生，可與SOD、POD和CAT一起反映出植物細胞膜的損傷程度[15-16]，但目前有關配方施肥對杉木幼苗抗氧化特性方面的影響研究相對較少?！颈狙芯康那腥朦c】鑒于此，本研究以經(jīng)二代改良的杉木良種幼苗為研究對象，在傳統(tǒng)“3414”N、P、K 配方施肥技術基礎上，增加B和Zn微量元素處理，開展杉木幼苗配方施肥盆栽試驗，在施肥后測定杉木幼苗生長及其抗氧化系統(tǒng)SOD、POD、CAT 及MDA 含量，探討不同配方施肥對杉木幼苗生長及抗氧化特性的影響規(guī)律。【擬解決的關鍵問題】篩選出適合二代改良杉木良種苗木培育的施肥配方。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以福建省漳平市五一國有林場2代杉木種子園單株采種的半同胞家系種子培育的苗木為研究對象，選擇長勢一致、生長良好、無病蟲害的苗木進行盆栽。

1.2 試驗設計

采用“3414”配方施肥技術，選擇3 個因素（氮、磷、鉀）、每個因素設4 個水平（0、1、2、3），同時增加有無B 和Zn 微肥兩種處理（0、2），共設28 個不同施肥處理（表1），每個處理重復4 次，共有試驗處理112盆。

表1 不同配方施肥的養(yǎng)分水平Tab.1 Factors and levels of fertilization in different formulations g/kg

1.3 試驗處理的實施

為便于控制不同試驗處理的養(yǎng)分，采用沙培法進行不同施肥處理的實施。試驗在福建農(nóng)林大學林學院溫室大棚進行，從2015 年8 月20 日開始，至2016 年9 月1 日結束，持續(xù)觀測1 年。栽種盆采用直徑19 cm、高18 cm 的聚乙烯塑料花盆。培養(yǎng)基質(zhì)為過2 mm篩的干凈河沙和吸足純水的聚丙烯酸鈉鹽保水劑，按3∶1的體積比例混合，每個處理的培養(yǎng)基質(zhì)干質(zhì)量3.5 kg（表3）。

表3 試驗盆栽培養(yǎng)基質(zhì)的養(yǎng)分情況Tab.3 Nutrient condition of potted culture substrate

施肥處理分4 次進行，分別在2015 年10 月12 日、2016 年3 月12 日、2016 年6 月12 日和2016 年7 月12 日施入，施用量分別為總量的20%、30%、40%和10%。肥料分別為尿素（含N 46%）、磷酸鈣（含P2O516%）、氯化鉀（含K2O 60%）、硼酸（含有效硼11%）和EDTA-Zn（含Zn 15%）。

1.4 測定方法

1.4.1 杉木生長指標測定 在施肥12 個月后對不同試驗處理杉木進行生長調(diào)查，分別測定不同處理杉木的苗高、地徑，苗高用T型直尺測量，精確到0.00 cm；地徑用游標卡尺測定，精確到0.00 mm。

1.4.2 杉木生理指標測定 在杉木幼苗收獲前的2016年8月25日，采集不同試驗處理杉木葉片、莖和根系帶回實驗室進行杉木生理指標測定。采用氮藍四唑光化還原法[19]測定杉木不同器官超氧化物歧化酶活性，采用愈創(chuàng)木酚法[19]測定過氧化物酶活性和紫外吸收法[19]測定過氧化氫酶活性，采用硫代巴比妥酸法[19]測定丙二醛含量。

表2 不同配方施肥處理試驗設計Tab.2 Experimental design of different formulations fertilization treatment

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 22.0 軟件進行不同試驗處理數(shù)據(jù)分析，采用OriginPro 9 軟件繪制數(shù)據(jù)圖表。苗木凈生長量=試驗結束時苗高/地徑-試驗初始時苗高/地徑；相對生長速率=凈生長量/試驗處理總月份。

2 結果與分析

2.1 不同配方施肥對杉木幼苗生長的影響

2.1.1 配方施肥對杉木苗高生長的影響 表4可知，不同配方施肥后，杉木苗高生長以N2P2K2處理最高，N0P0K0處理最差。無論是否施微肥，杉木苗高生長均隨氮磷鉀含量的增加呈先升高后降低趨勢，其中以N2P2K2處理的最高。微肥處理組杉木苗高生長占前3的處理分別是N1P2K1、N2P2K2、N2P3K2，無微肥處理組則是N2P2K2、N2P0K2、N2P1K1。多數(shù)處理中有微肥處理比無微肥處理苗高生長更好。杉木苗高凈生長量和相對生長速率均以N2P2K2處理最高。可見在施微肥條件下氮磷鉀均衡施肥對杉木苗高生長的促進效果最好。

表4 不同施肥處理杉木苗高生長的比較Tab.4 Growth condition of Chinese fir seedlings under different fertilization treatment

2.1.2 配方施肥對杉木地徑生長的影響 表5可知，不同配方施肥后，杉木地徑生長以N2P0K2處理最好，N1P1K2處理最小。不論施微肥與否，杉木地徑生長隨氮磷鉀含量的增加呈先升高后降低趨勢，均以N2P2K2處理生長最好。在施微肥處理組中杉木地徑生長占前3的處理分別是N2P2K2、N1P2K1、N1P2K2，在沒有施微肥處理組中為N2P0K2、N1P2K1、N2P2K2處理。多數(shù)施微肥處理地徑生長均高于沒有施微肥處理,個別處理略低可能跟其本底值偏小有關。杉木地徑凈生長量及相對生長速率均以N2P2K2處理最高。可見施微肥條件下氮磷鉀均衡施肥對促進杉木地徑生長的效果最好。

表5 不同施肥處理杉木地徑生長的比較Tab.5 Growth condition of Chinese fir seedlings under different fertilization treatment

2.2 不同配方施肥對杉木抗氧化特性的影響

2.2.1 配方施肥對杉木SOD 的影響 圖1 可知，不同配方施肥對杉木不同器官SOD 活性的影響達極顯著水平（P＜0.01），表現(xiàn)為葉＞莖＞根，杉木地上部分SOD 活性明顯高于地下部分。在未施微肥處理中，杉木根、莖、葉的SOD 活性分別以N2P3K2、N0P2K2和N3P2K2處理最高。在施微肥處理中，杉木根、莖、葉SOD 活性分別以N3P2K2、N0P0K0和N0P2K2處理最高。在未施微肥條件下不同N 水平處理對杉木SOD 活性的影響達顯著水平（P＜0.05），隨N 的增加，根系SOD 活性總體呈下降趨勢；莖和葉SOD 活性均呈先降低后升高趨勢，以N2P2K2處理的活性最低。不同P 水平處理對杉木根和葉SOD 活性的影響達顯著水平（P＜0.05），隨P 的增加，根系SOD 活性總體呈上升趨勢，莖和葉SOD 活性均呈先下降后上升趨勢。不同K 水平處理對杉木SOD 活性的影響達顯著水平（P＜0.05），隨K 的增加，杉木各器官SOD 活性均呈先下降后上升趨勢。在施微肥處理條件下除莖外不同N、P、K 水平處理對杉木SOD 活性的影響達顯著水平（P＜0.05）。

圖1 不同施肥處理杉木超氧化物歧化酶活性的比較Fig.1 SOD activity of Chinese fir seedlings under different fertilization treatments

2.2.2 配方施肥對杉木苗木POD 活性的影響 圖2 可知，配方施肥對杉木不同器官POD 活性的影響均達極顯著水平（P＜0.01），表現(xiàn)為葉大于根和莖。在未施微肥處理中，杉木根、莖、葉POD 活性分別以N1P1K2、N2P3K2和N2P1K2處理最高。在施微肥處理中，杉木苗木根、莖、葉POD 活性分別以N2P2K1、N1P2K2和N2P1K2處理最高。在沒有施微肥條件下除根POD 活性在不同P 水平下無顯著差異外，不同N、P、K 處理對杉木SOD 活性的影響均達顯著水平（P＜0.05）。隨N 的增加，根和莖的POD 活性呈先下降后升高趨勢，葉則反之。隨P 和K 的增加，根和葉的POD 活性均呈先升高后降低趨勢，莖則反之。在施微肥條件下，除莖的POD 活性在不同K 水平下無顯著差異外，不同N、P、K 處理對杉木POD 活性的影響均達顯著水平（P＜0.05）。隨N、K 的增加，根和莖的POD 活性總體呈先下降后升高趨勢，葉則反之；隨P的增加，根的POD活性呈先下降后升高趨勢，葉則反之。

圖2 不同施肥處理杉木過氧化物酶活性的比較Fig.2 POD activity of Chinese fir seedlings under different fertilization treatments

2.2.3 配方施肥對杉木苗木CAT 活性的影響 圖3 可知，不同配方施肥對杉木CAT 活性的影響均達極顯著水平（P＜0.01），表現(xiàn)為根大于莖和葉。在未施微肥條件下杉木根、莖、葉CAT 活性分別以N0P2K2、N0P0K0和N1P2K2處理最高。在施微肥條件下杉木苗木根、莖、葉CAT 活性分別以N1P2K2、N2P2K2和N0P2K2處理最高。

圖3 不同施肥處理杉木過氧化氫酶活性的比較Fig.3 CAT activity of Chinese fir seedlings under different fertilization treatments

經(jīng)方差分析，根系CAT 活性在沒有施微肥條件下不同P水平條件下無顯著差異，莖在施微肥條件下不同N水平下無顯著差異，葉CAT活性在不同K水平下均無顯著差異，其余不同N、P、K水平對杉木CAT活性的影響均達顯著水平（P＜0.05）。在未施微肥條件下，隨N 的增加，根和莖CAT 活性呈先降低后升高趨勢，葉則反之。隨P 的增加，根和葉的CAT 活性呈先降低后升高趨勢，莖則呈降低趨勢；隨K 的增加，杉木CAT活性均呈先降低后升高趨勢。在施微肥處理下，隨N的增加，根和莖CAT活性呈先升高后降低趨勢，葉則反之；隨P的增加，根和葉的CAT 活性呈先下降后升高趨勢，莖則反之；隨K 的增加，根CAT 活性呈先下降后升高趨勢，莖則反之，葉則呈上升趨勢。

2.2.4 配方施肥對杉木苗木MDA 含量的影響 圖4可知，不同配方施肥對杉木MDA 含量的影響均達極顯著水平（P＜0.01），施肥對杉木苗木的MDA含量有較大影響。在未施微肥條件下杉木根、莖、葉MDA含量分別以N2P3K2、N0P0K0和N0P2K2處理最高。在施微肥條件下杉木根、莖、葉MDA 含量分別以N2P3K2、N2P2K3和N3P2K2處理最高。

圖4 不同施肥處理杉木丙二醛含量的比較Fig.4 The subjection function of Chinese fir seedlings under different fertilization treatments

經(jīng)方差分析，杉木根系MDA 含量在不同P 水平下無顯著差異，葉在施微肥不同K 水平下無顯著差異，其余不同N、P、K 水平對杉木MDA 含量的影響達顯著水平（P＜0.05）。在未施微肥條件下，隨N 的增加，根MDA 含量呈先升高后降低趨勢，葉則反之，莖呈先降低后升高再降低趨勢。隨P 的增加，根的MDA 含量呈升高趨勢，莖則呈先升高后降低趨勢。隨K 的增加，根和莖的MDA 含量呈先升高后降低趨勢。在施微肥條件下，隨N的增加，根MDA含量呈先升高后降低趨勢，莖和葉則反之。隨P的增加，根和葉的MDA含量呈先下降后升高趨勢；隨K的增加，根MDA含量呈先升高后降低趨勢。

2.3 不同配方施肥對杉木抗氧化特性影響的主成分分析

利用主成分分析法進行不同施肥處理杉木的苗高、地徑、SOD、POD、CAT 和MDA 等指標的主成分分析，綜合評價不同施肥配方對杉木生長及抗氧化特性的影響。結果表明：第一主成分中承載系數(shù)較大的指標為CAT、SOD 和POD，其中POD 產(chǎn)生負向影響。第二主成分中承載系數(shù)較大的指標為地徑和苗高。第三主成分中承載系數(shù)較大的指標為MDA，前3 個主成分方差貢獻率分別為33.98%、31.22%、17.10%，累計貢獻率達82.30%，說明這3 個主成分可以替代6 個指標來綜合分析不同配方施肥對杉木生長及抗氧化特性的影響。數(shù)值越高表明該處理對杉木生長的促進作用及抗氧化能力越強。

表6 可知，不論施微肥與否，均以N2P2K2處理對杉木苗高和地徑生長的促進效果最好。未施微肥處理條件下，不同配方施肥處理施肥效果的排序均以中量配方的處理最好。在施微肥后多數(shù)配方施肥處理的綜合評價排序提高，表明在土壤養(yǎng)分不足時微肥能夠一定程度上緩解大量元素的不足，有利于杉木生長。當大量元素過剩時，微肥則能減緩養(yǎng)分過量對杉木生長的影響。在不同處理中N1P1K2的施肥效果排序較高，說明杉木生長及其抗氧化能力對P的需求比對N、K的需求更大。

表6 不同施肥處理的主成分分析Tab.6 Score and comprehensive score of principal components

3 討論

大量研究表明，施肥對杉木幼苗的生長有促進作用，能提高苗木質(zhì)量，但過量施肥會使幼苗產(chǎn)生毒害，影響其生長[21]。微量元素B、Zn 能促進植物對N、P、K 的吸收利用，提高N、P、K 肥料的利用率[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，在不同N、P、K配方施肥中，杉木幼苗生長以氮磷鉀均衡配施處理最好，微量元素B、Zn的施用能明顯提高杉木苗木質(zhì)量，說明氮磷鉀均衡施肥能促進杉木幼苗生長，微肥能提高杉木對大量元素的吸收，進而提升杉木苗木質(zhì)量，與前人研究結果一致。

SOD、POD 和CAT 是植物在生長代謝和受到環(huán)境脅迫時消除產(chǎn)生的游離氧的關鍵酶，MDA 是膜脂過氧化過程中主要產(chǎn)物[24]?？寡趸富钚约癕DA 含量是評定植物對生存環(huán)境響應的判定指標。在遭受逆境時，植物細胞產(chǎn)生的活性氧含量增加或抗氧化酶活性降低[25-26]，合理施肥對提高植物葉片抗氧化酶活性及降低MDA 含量有顯著作用[27]，根系對環(huán)境變化的脅迫更為敏感[28]。根和莖中起抗氧化作用的關鍵酶是SOD 和POD，而葉起主要作用的關鍵酶為CAT[29]。本研究表明，不同配方施肥下杉木SOD 和POD 活性總體表現(xiàn)為葉＞莖＞根，CAT 活性表現(xiàn)為根＞莖＞葉；MDA 含量表現(xiàn)為根＞葉＞莖，與前人研究結果一致。

當施肥過量或不足時，植物POD 活性降低，SOD 和CAT 活性則增強[30]。趙落含等[28]研究發(fā)現(xiàn)施氮降低了冬小麥葉片SOD 和POD 活性及根系POD 活性，但增加根系SOD 和CAT 活性，當施氮量達到一定程度時葉片和根系SOD 活性均升高，中氮處理下冬小麥總體抗氧化能力增加，降低了養(yǎng)分脅迫的影響。本研究發(fā)現(xiàn)，隨N、P、K 施入量的增加，杉木不同器官抗氧化酶活性呈先降低后增加趨勢。杉木根系MDA 含量隨氮、鉀的增加呈先增加后減少，莖和葉則反之，說明氮、鉀不足及過量對杉木根系細胞膜的影響不明顯。

大量研究表明，微量元素與大量元素存在協(xié)同作用，Zn 是Cu/Zn-SOD 的結構組成部分，具有穩(wěn)定SOD酶活性的作用，能促進植物對N、P、K的吸收利用，提高N、P、K肥料的利用率[31-32]。本研究發(fā)現(xiàn)，B和Zn 等微量元素施入后，隨氮磷鉀的增加，杉木不同器官的抗氧化酶活性變化與未施微肥處理基本一致，但能顯著降低中氮、低鉀和低磷處理杉木莖的MDA 含量，說明微肥能降低氮、磷不足及過量時對杉木葉部細胞膜損傷，從而促進杉木幼苗對N、P的吸收與利用，與前人的研究結果基本一致。

4 結論

不同配方施肥對杉木苗高和地徑生長有顯著促進作用，并能提高杉木抗氧化酶活性，在一定程度上降低丙二醛含量。微肥能調(diào)節(jié)杉木對土壤氮磷鉀元素的需求量及比例，施微肥處理的促進效果比未施微肥處理更好。在不同施肥處理中，以N2P2K2處理對杉木生長的促進效果最好，是值得生產(chǎn)上推廣的杉木良種育苗配方。