栽培介質(zhì)、pH值和氮形態(tài)對(duì)毛竹幼苗地上部分生長(zhǎng)的影響

陳慧晶，侯利涵，黃孝風(fēng)，葉洪宇，李 湘，曾凡煌，鄒 娜

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)·園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌330045）

毛竹（Phyllostachys edulis），別稱楠竹，屬禾本科（Poaceae）竹亞科剛竹屬（Phyllostachys）單軸散生型常綠喬木狀竹類植物。與樹木相比能在較短時(shí)間內(nèi)提供優(yōu)質(zhì)木材，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。雖然毛竹在世界范圍分布較廣，但是很多國(guó)家的竹林包括我國(guó)南方山區(qū)，由于砍伐嚴(yán)重且管理水平不夠，施肥更是較少，造成毛竹產(chǎn)量小、林地生產(chǎn)力較低，幾乎處于半荒蕪狀態(tài)[2]。此外，毛竹的繁殖常采用母株移栽和實(shí)生苗繁殖；母株移栽通常只需要5 a就能成林，而用實(shí)生苗種植大約需要10 a[3-4]。然而，母竹移栽的勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高、效率低；而通過實(shí)生苗建立竹園具有勞動(dòng)強(qiáng)度小、運(yùn)輸方便、適應(yīng)性強(qiáng)、成活率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[4]，為開花竹林的更新和引種提供了一條新的途徑[5]。事實(shí)上，廣西省已經(jīng)成功應(yīng)用實(shí)生苗建立新的竹林[6-7]。此外，與毛竹相關(guān)的科研實(shí)驗(yàn)對(duì)毛竹實(shí)生苗的需求量大，亟需研究更優(yōu)的栽培方式來加快毛竹成苗[2]。但目前有關(guān)毛竹實(shí)生苗栽培與繁育方面的研究還比較少。

氮的獲取常常是限制植物生長(zhǎng)和作物產(chǎn)量的重要因子，自然條件下，土壤中供給的NH4+-N和NO3--N是植物可利用的兩種最主要無機(jī)N形態(tài)[8-9]。其中，通氣良好的農(nóng)田土壤中NO3-供應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，而水淹環(huán)境及酸性的原始森林土壤為植物提供了以NH4+占優(yōu)勢(shì)的氮營(yíng)養(yǎng)生境。李國(guó)棟等[10]研究結(jié)果表明毛竹實(shí)生幼苗為弱喜硝植物，但宋慶妮等[11]、黃玲[12]以及侯利涵等[13]的研究發(fā)現(xiàn)毛竹偏向吸收NH4+-N，Zou等[14]的研究結(jié)果表明毛竹幼苗生長(zhǎng)表現(xiàn)出明顯的喜銨耐銨性，并且營(yíng)養(yǎng)液中K+濃度的影響效應(yīng)不大。由于各試驗(yàn)的培養(yǎng)介質(zhì)、pH值和養(yǎng)分供給有所不同[8,10,12-14]，考慮到植物氮獲取與多個(gè)環(huán)境變量之間的相互作用可能極大地影響甚至改變植物對(duì)可變氮源的生長(zhǎng)響應(yīng)[15]。那么，毛竹幼苗生長(zhǎng)的N形態(tài)響應(yīng)差異是否與外界環(huán)境條件有關(guān)呢？本試驗(yàn)在前期研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在蛭石、砂培和水培條件下，研究毛竹幼苗地上部的苗高、葉片數(shù)、葉綠素相對(duì)含量（SPAD）及地上部生物量對(duì)同濃度下（2 mM）不同無機(jī)N形態(tài)（NH4+-N和NO3--N）及不同pH值（3.8、5.8、7.8）的響應(yīng)特征，以闡明毛竹N形態(tài)響應(yīng)差異的影響因素并篩選適宜毛竹幼苗生長(zhǎng)的最優(yōu)栽培組合，加快毛竹實(shí)生苗的培育。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試材料為毛竹（Phyllostachys edulis）幼苗。毛竹種子采自廣西桂林灌陽(yáng)縣洞井鄉(xiāng)，采種選擇健康母株，用10%NaClO溶液消毒毛竹種子表面后播入蛭石進(jìn)行萌發(fā)[8]。毛竹種子千粒重約為30 g。

1.2 生長(zhǎng)條件

2019年9月1日，毛竹幼苗第二片真葉展開后，選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的毛竹實(shí)生苗分別移入水培箱（規(guī)格：長(zhǎng)30 cm，寬18 cm，高14 cm）和裝有滅菌河砂或蛭石的花盆（規(guī)格：直徑13 cm，高15 cm），每處理3盆，每盆4株苗。上盆后試驗(yàn)材料分別在溫室及培養(yǎng)箱中進(jìn)行。9－10月氣溫均溫在28℃左右，11－12月均溫在20℃左右。

1.3 處理方法

試驗(yàn)周期為3個(gè)月（2019年9月1日－2020年1月1日），移苗一周后，新根長(zhǎng)出，開始對(duì)幼苗進(jìn)行澆水或（水培的）營(yíng)養(yǎng)液的更換管理。兩個(gè)不同形態(tài)N處理的濃度均為2 mM，其中：NH4+-N以（NH4)2SO4形式提供，NO3--N以NaNO3形式提供，營(yíng)養(yǎng)液中其他成分參考顧紅梅等[8]，主要成分包括：2.5 mM Ca2+,3 mM K+,0.25 mM MgSO4·7H2O,0.6 mM Na2HPO4·10H2O,0.01 mM Fe-EDTA,0.02 mM H3BO3,2μM MnCl2·4H2O,2μM ZnSO4·7H2O,2μM CuSO4·5H2O,0.5μM Na2MoO4·2H2O,0.5μM CoCl2·6H2O。所有N處理均添加硝化抑制劑雙氰胺（C2H4N4，7μM）抑制硝化作用。營(yíng)養(yǎng)液的pH值設(shè)置為3個(gè)不同的值：3.8、5.8和7.8。每周澆或更換營(yíng)養(yǎng)液1次，處理3個(gè)月后進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.4.1 苗高、葉片數(shù)和葉綠素相對(duì)含量的測(cè)定

2019年12月31日，用直尺測(cè)定所有植株的苗高，精確至0.1 cm，并同時(shí)統(tǒng)計(jì)葉片數(shù)，葉片數(shù)為每株毛竹幼苗上肉眼可見的葉片數(shù)目；2020年1月1日，在收苗前，手持葉綠素儀（SPAD-502，Minolta）測(cè)定植株頂端向下第2~4片葉的葉綠素相對(duì)含量，每株測(cè)3次取平均值并保留兩位小數(shù)。

1.4.2 地上部分生物量的測(cè)定

2020年1月1日，測(cè)完葉綠素相對(duì)含量后，采收所有植株，小心清洗干凈，吸干水分后殺青（105℃，30 min），70℃烘至恒重再稱量各植株的莖、葉總重即為地上部分生物量，單位為g·株-1。

1.5 數(shù)據(jù)處理

通過Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總分析，采用SPSS17.0進(jìn)行單因素方差分析并采用LSD法進(jìn)行多重比較，Pearson進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)分析，制作相關(guān)系數(shù)矩陣。圖表由Sigmaplot 13.0生成，并用Photoshop CC 2013進(jìn)行排版。圖表中的數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培基質(zhì)、pH值和N形態(tài)對(duì)毛竹幼苗苗高生長(zhǎng)的影響

如圖1所示：在水培和砂培條件下，同一pH值下NH4+-N和NO3--N對(duì)毛竹苗高的影響并無顯著差異，且都是隨著pH值的增大苗高逐漸降低；但在蛭石栽培下，NH4+-N處理的毛竹苗顯著高于NO3--N處理后的，并且pH值變化對(duì)2種N形態(tài)處理下的毛竹幼苗苗高沒有顯著性影響。在施用NH4+-N時(shí)，蛭石栽培中苗高均高于其他兩種栽培介質(zhì)，水培的毛竹植株較矮小，且隨著pH值升高，3種栽培介質(zhì)下，苗高的差距呈增大的趨勢(shì)。而在施用NO3--N的情況下，3種栽培介質(zhì)中的苗高差距很小，且隨著pH值增大苗高基本持平。從整體上來看，用蛭石或砂培下的毛竹苗高較好；而pH值變化對(duì)苗高的影響較小，在水培、pH值為7.8的NH4+-N處理時(shí)，苗高最小為9.1 cm；蛭石栽培、pH值為3.8的NH4+-N處理時(shí)，苗高最大為12.3 cm，高出最小苗高34.5%。

圖1 不同栽培基質(zhì)、pH值和N形態(tài)處理對(duì)毛竹幼苗苗高的影響Fig.1 Effects of different substrates,pH and N forms on seedling height of Ph.edulis

2.2 不同栽培基質(zhì)、pH值和N形態(tài)對(duì)毛竹幼苗葉片數(shù)的影響

從圖2可以看出，以蛭石和水為栽培介質(zhì)的毛竹葉片數(shù)顯著高于砂培，整體平均分別比砂培多出7片葉和5片葉；并且在這兩種介質(zhì)中的毛竹幼苗葉片數(shù)會(huì)隨著pH值的升高呈逐漸減少趨勢(shì)。在以蛭石為介質(zhì)時(shí)，同一N形態(tài)間，葉片數(shù)無顯著差異，NH4+-N下平均每株葉片數(shù)為13，NO3--N下平均每株葉片數(shù)為11；同一pH的NH4+-N處理下葉片數(shù)顯著優(yōu)于NO3--N，平均每株多出2片葉；而在水培條件下，同一pH值時(shí)的NH4+-N和NO3--N處理對(duì)葉片數(shù)沒有顯著的影響。砂培的所有處理均無顯著差異，平均每株葉片數(shù)為5。

圖2 不同栽培基質(zhì)、pH值和N形態(tài)處理對(duì)毛竹幼苗葉片數(shù)的影響Fig.2 Effects of different substrates,pH and N forms on leaf number of Ph.edulis seedlings

2.3 不同栽培基質(zhì)、pH值和N形態(tài)對(duì)毛竹幼苗葉綠素相對(duì)含量（SPAD）的影響

從圖3可以看出，蛭石和水培中毛竹葉片所含的SPAD均顯著高于砂培，整體平均分別高出砂培101.9%、74.2%。在水培時(shí)，兩種N形態(tài)下，SPAD值都隨pH值的升高而下降；而在砂和蛭石栽培介質(zhì)中，兩種N形態(tài)在不同pH值條件下對(duì)毛竹SPAD的影響相差不大。同一pH值條件下的N形態(tài)效應(yīng)：蛭石栽培時(shí)，NH4+-N處理下的SPAD值顯著優(yōu)于NO3--N，NH4+-N處理的平均每株SPAD值為28.8，平均高出NO3--N處理14%；而水培和砂培時(shí)，SPAD值對(duì)N形態(tài)的響應(yīng)差異不顯著。砂培的所有處理均無顯著差異，平均每株SPAD值為13.4。

圖3 不同栽培基質(zhì)、pH值和N形態(tài)處理對(duì)毛竹幼苗葉綠素相對(duì)含量（SPAD）的影響Fig.3 Effects of different substrates,pH and N forms on chlorophyll relative content(SPAD)of Ph.edulis seedlings

2.4 不同栽培基質(zhì)、pH值和N形態(tài)對(duì)毛竹幼苗地上部分生物量的影響

由圖4可知，蛭石栽培下的毛竹幼苗，整體地上部分生物量平均值為1.5 g·株-1，顯著高于同等條件下的砂培和水培中毛竹地上部分積累的生物量，整體平均高出砂培和水培2.1倍、2.7倍。在蛭石栽培和水培下，NH4+-N對(duì)地上部分生物量積累的促進(jìn)作用明顯優(yōu)于NO3--N；而砂培下，NH4+-N和NO3--N對(duì)于生物量的積累并無顯著差異，整體平均值為0.5 g·株-1。同一N形態(tài)下，pH值的變化對(duì)各栽培介質(zhì)中毛竹幼苗地上部分生物量的積累差異不顯著。水培NO3--N處理下，毛竹幼苗地上部分生物量最小，平均值為0.3 g·株-1。

圖4 栽培基質(zhì)、pH值和N形態(tài)處理對(duì)毛竹幼苗地上部分生物量的影響Fig.4 Effects of different substrates,pH and N forms on aboveground biomass of Ph.edulis seedlings

2.5 不同栽培條件與各生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)性

不同N形態(tài)、pH值和栽培介質(zhì)對(duì)毛竹幼苗苗高、葉片數(shù)、葉綠素相對(duì)含量（SPAD）、地上部的生物量的相關(guān)性見表1。結(jié)果表明，對(duì)苗高的相關(guān)性為：pH值＞N形態(tài)＞栽培介質(zhì)，其中pH值和N形態(tài)與苗高間呈負(fù)顯著相關(guān)，說明隨著pH值的升高，苗高越低，pH值在3.8時(shí)，苗高生長(zhǎng)最好；相較NO3--N處理，NH4+-N處理對(duì)苗高的增長(zhǎng)更佳。與葉片數(shù)、SPAD的相關(guān)性均為：栽培介質(zhì)＞pH值＞N形態(tài)，其中，栽培介質(zhì)和葉片數(shù)、SPAD間都呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明栽培介質(zhì)中，蛭石栽培下對(duì)葉片數(shù)、SPAD的增加效果最佳。地上部生物量與不同栽培條件間的相關(guān)性為：栽培介質(zhì)＞N形態(tài)＞pH值，其中，栽培介質(zhì)和地上部生物量間呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明蛭石對(duì)地上部生物量增加的影響最大。綜上可得，對(duì)毛竹幼苗地上部生長(zhǎng)的影響為：栽培介質(zhì)＞pH值＞N形態(tài)，但pH值與N形態(tài)的影響差異未達(dá)到顯著水平。

表1 不同栽培條件與各生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)性Tab.1 Correlation between different cultivation conditions and growth indexes

3 討論

3.1 不同栽培基質(zhì)對(duì)毛竹幼苗地上部分生長(zhǎng)的影響

栽培基質(zhì)對(duì)植物的作用主要為固定植物根系，為植物提供良好的水、氣以及部分營(yíng)養(yǎng)的作用[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，與N形態(tài)和不同pH值相比，栽培介質(zhì)對(duì)毛竹幼苗地上部生長(zhǎng)的影響最大，其中，蛭石對(duì)于毛竹幼苗生長(zhǎng)的促進(jìn)作用明顯要優(yōu)于水培和砂培，這可能與蛭石本身兼具的保水又透氣性有關(guān)。在砂培時(shí)，可能由于基質(zhì)的保水能力弱，毛竹在SPAD、葉片數(shù)及苗高上都偏低，可能光合作用被削弱，而毛竹幼苗正處于生長(zhǎng)旺盛期需要吸收充足的水分以進(jìn)行光合作用來積累有機(jī)物，因此生長(zhǎng)較差、地上部分生物量較低。

3.2 不同pH處理對(duì)毛竹幼苗地上部分生長(zhǎng)的影響

栽培介質(zhì)酸堿性是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要化學(xué)特性[16-17]。相關(guān)研究表明，不適宜的pH值不僅對(duì)于植物根系產(chǎn)生直接毒害作用，而且影響介質(zhì)中離子的有效性和平衡性，導(dǎo)致植物發(fā)生營(yíng)養(yǎng)障礙[18-20]。從試驗(yàn)結(jié)果來看，毛竹在低pH值條件下長(zhǎng)勢(shì)要優(yōu)于高pH值。隨著pH值升高，毛竹長(zhǎng)勢(shì)逐漸減弱，表現(xiàn)為葉片數(shù)、苗高、葉綠素這3個(gè)指標(biāo)均逐漸下降。水培條件下根系與營(yíng)養(yǎng)液的接觸面積最大，溶液的酸堿度過高或過低會(huì)直接影響植物根系對(duì)氮素的吸收[21]，所以這可能也是造成水培下培養(yǎng)液pH值的變化對(duì)毛竹幼苗的影響要比蛭石和砂培更明顯的原因。在砂培下，用NH4+-N和NO3--N處理的毛竹隨著pH值的增加葉片數(shù)、葉綠素相對(duì)含量以及地上部的生物量沒有顯著變化，這可能與砂的保水性差，從而導(dǎo)致整體長(zhǎng)勢(shì)較差有關(guān)。因此，毛竹地上部分在水培與蛭石栽培下pH值為3.8時(shí)對(duì)毛竹幼苗地上部的生長(zhǎng)最佳，這說明毛竹喜酸性環(huán)境且具有較強(qiáng)的耐酸能力，這也與生態(tài)系統(tǒng)中毛竹生長(zhǎng)環(huán)境的pH值相接近[11]。

3.3 不同氮素形態(tài)對(duì)毛竹幼苗地上部分生長(zhǎng)的影響

大量研究表明[10,11,22-23],作物生物量累積、光合作用等的動(dòng)態(tài)變化對(duì)氮素反應(yīng)較為敏感。本研究中，在NH4+-N處理下毛竹的苗高、葉片數(shù)和SPAD都較優(yōu)于同條件下的NO3--N處理，這可能與NH4+-N能促進(jìn)葉綠素合成前體谷氨酸或α-酮戊二酸，提高植物葉綠素含量，進(jìn)而促進(jìn)光合作用增強(qiáng)，提高植株氮轉(zhuǎn)化率，促進(jìn)地上部分生物量的增加有關(guān)[12,24-25]。李國(guó)棟等[10]在砂培下研究發(fā)現(xiàn)毛竹實(shí)生幼苗為弱喜硝植物，而本研究發(fā)現(xiàn)，砂培時(shí)，毛竹的整體地上部的生長(zhǎng)指標(biāo)為最低水平且對(duì)氮源的偏好并不顯著，這可能與所提供的栽培環(huán)境條件并不適合毛竹生長(zhǎng)有關(guān)。宋慶妮等[11]、黃玲[12]以及侯利涵等[13]的研究均發(fā)現(xiàn)毛竹偏向吸收NH4+-N，這與本研究的結(jié)果一致，Zou等人[5,14]的研究結(jié)果更表明了毛竹幼苗生長(zhǎng)具有明顯的喜銨耐銨性，并且與營(yíng)養(yǎng)液中的K+濃度關(guān)系不大。侯利涵[26]采用生物信息學(xué)分析方法對(duì)毛竹銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因AMT（Ammonium Transporter）和硝轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因NRT（Nitrate Transporter）進(jìn)行了生物信息學(xué)分析，在毛竹基因組中只鑒定出6個(gè)硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因，而銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因有20個(gè)。因此，在長(zhǎng)期進(jìn)化中形成的NH4+和NO3-轉(zhuǎn)運(yùn)載體蛋白數(shù)量的差異可能是毛竹N形態(tài)響應(yīng)差異的原因之一。

毛竹在我國(guó)主要分布于長(zhǎng)江以南的各省市，土壤偏酸性，且主要氮素形態(tài)是NH4+-N[11]。有研究表明，源于酸性土壤環(huán)境的森林樹種通常喜銨，來自于pH值較高土壤的樹種則有喜硝的傾向[10]。這也和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示的在較低的pH值條件下，毛竹對(duì)NH4+-N的響應(yīng)較好相一致。因此，在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中，毛竹可能形成了對(duì)原生氮營(yíng)養(yǎng)生境的生態(tài)適應(yīng)、根膜NH4+和NO3-轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白載體數(shù)量不同，對(duì)不同N形態(tài)吸收能力與利用效率存在差異[12,26]，并最終表現(xiàn)出對(duì)不同N形態(tài)的生長(zhǎng)響應(yīng)差異。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)對(duì)毛竹幼苗地上部分各指標(biāo)在不同栽培基質(zhì)和不同pH值及兩種N形態(tài)中的響應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：以蛭石為栽培介質(zhì)時(shí)，毛竹幼苗的生長(zhǎng)勢(shì)最好，其次是水培，砂培效果較差；在蛭石介質(zhì)和水培中，毛竹生長(zhǎng)表現(xiàn)出明顯的喜銨性，并且在pH值為3.8時(shí)生長(zhǎng)最好；而砂培時(shí)，毛竹幼苗生長(zhǎng)對(duì)N形態(tài)以及pH值的響應(yīng)差異都不明顯。說明外界環(huán)境條件可影響毛竹幼苗對(duì)不同N形態(tài)的響應(yīng)，結(jié)合毛竹幼苗地上部分各指標(biāo)可以得出：適宜毛竹幼苗生長(zhǎng)的最優(yōu)栽培組合是在NH4+-N處理下，pH值為3.8時(shí)的蛭石栽培。研究結(jié)果可為毛竹幼苗的無土栽培和繁育提供理論參考。