猴耳環(huán)苗木的結(jié)瘤、生物產(chǎn)量和養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量特征對(duì)施肥的響應(yīng)

黃世能，張 迪,2，王雪鑫，陳祖旭

（1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，熱帶林業(yè)研究國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510520；2. 廣州市眾森林業(yè)有限公司，廣東 廣州 510642）

猴耳環(huán)（Archidendron clypearia (Jack) Nielsen）是我國(guó)南方珍貴的藥用樹種[1]，《中國(guó)藥典》（2015年版）成方制劑和單味制劑項(xiàng)下收載的猴耳環(huán)消炎片、猴耳環(huán)消炎膠囊已被列入我國(guó)中藥保護(hù)品種[2]。作者自2010年起在廣東、廣西、海南和福建等?。▍^(qū)）對(duì)其進(jìn)行的種質(zhì)資源調(diào)查與收集發(fā)現(xiàn)，這一樹種雖分布廣泛但種群密度極低，且天然更新難以成林，野生資源幾近枯竭[1]。開展人工栽培已經(jīng)成為保護(hù)這一珍貴中藥資源的有效措施和擴(kuò)大其制藥工業(yè)原材料儲(chǔ)備的最佳選擇。在2011年與廣州市林業(yè)部門及制藥企業(yè)合作首次成功建立約20 hm2人工林后，鑒于國(guó)內(nèi)尚缺乏該藥用樹種人工栽培的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程（standard operation procedure，SOP），自2012年起根據(jù)國(guó)家《中藥材生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（試行）》的原則指引，有序地開展了猴耳環(huán)的苗木培育和營(yíng)林技術(shù)研究。本文報(bào)道猴耳環(huán)苗木培育中不同肥料配比的施肥試驗(yàn)，旨在回答以下問題：1）猴耳環(huán)作為固氮樹種，在苗木培育過程中需要額外的氮肥供給嗎？2）苗木的結(jié)瘤、生物產(chǎn)量及其養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量特征對(duì)不同肥種及施用量的響應(yīng)如何？3）苗木生長(zhǎng)的養(yǎng)分限制因子是什么？從而為進(jìn)一步了解這一藥用樹種的營(yíng)養(yǎng)生理需求，更好地制訂其人工栽培的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與場(chǎng)地

猴耳環(huán)種子于2014年7 月份采自廣州市石門國(guó)家森林公園（23°36′50″－23°39′20″ N，113°46′16″－113°49′17″ E）次生林內(nèi)的1 株母樹，采后即帶回實(shí)驗(yàn)室消毒、播種，待芽苗長(zhǎng)出2～3 片葉后移至口徑8 cm、高10 cm 的黑色育苗袋，育苗試驗(yàn)在廣州市增城林場(chǎng)百花山苗圃（23°18′51″ N，113°46′02″ E，海拔182 m）進(jìn)行，試驗(yàn)初期苗床加蓋透光度60%的遮陽網(wǎng)，苗木按常規(guī)進(jìn)行澆水、除草等管護(hù)。育苗基質(zhì)為圃地內(nèi)的黃心土，其主要理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果已有報(bào)道[3]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與施肥處理

N、P、K 肥分別為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）和硫酸鉀（含K2O 54%），施肥量（折合為凈含量，mg·株-1）設(shè)3 個(gè)水平，采用正交設(shè)計(jì)L9（33），9個(gè)施肥配比見表1，施肥于試驗(yàn)開始后的第3 和第7個(gè)月進(jìn)行，共2 次。

1.3 苗木生物產(chǎn)量測(cè)定

測(cè)定時(shí)苗齡為9 個(gè)月。每種施肥配比各取5 株地徑和苗高最接近30 株調(diào)查苗木平均數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)苗木樣本，測(cè)定根瘤數(shù)量、根瘤鮮重（精度0.001 g）和莖、葉和根（不含根瘤）的絕干重（精度0.01 g）。

1.4 苗木C、N、P 和K 元素測(cè)定

將各標(biāo)準(zhǔn)苗木的根系和葉片分別混合后在研磨儀（SPEX/ 8000D－230，美國(guó)）上磨碎制成根樣和葉樣，待用。全C 和N 使用元素分析儀Elementar（vario MACRO cube，德國(guó)）進(jìn)行測(cè)定，全P 使用鉬銻抗比色法測(cè)定，全K 使用火焰光度計(jì)法測(cè)定[4]。

1.5 苗木生長(zhǎng)限制因子的確定

以Venterink 等[5]基于歐洲44 個(gè)控制施肥試驗(yàn)的維管束植物地上部分N∶P、N∶K 和K∶P 臨界比值所建立的N-P-K 限制因子三軸圖為基準(zhǔn)，將本研究N、P和K 含量占三元素總值的比例，用Thompson[6]基于Windows 開發(fā)的Triplot 4.1.2 軟件、輔以O(shè)ffice 2016的繪圖功能繪制本研究的三軸圖，以判定猴耳環(huán)苗木生長(zhǎng)的養(yǎng)分限制因子。

1.6 數(shù)據(jù)分析和作圖

方差分析除根瘤數(shù)經(jīng)平方根轉(zhuǎn)換后進(jìn)行外，其它指標(biāo)均用原始測(cè)定值；數(shù)據(jù)分析在SPSS V26（14 d 免費(fèi)試用版）上進(jìn)行，多重比較采用最小顯著差法。

元素含量及其化學(xué)計(jì)量特征值穩(wěn)定性用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）進(jìn)行評(píng)價(jià)。RSD由經(jīng)log10轉(zhuǎn)換后的值計(jì)算而得，計(jì)算式為RSD=(10SD-10-SD)/2（式中SD 為標(biāo)準(zhǔn)偏差），此法的優(yōu)點(diǎn)是可確保RSD服從正態(tài)分布[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 苗木結(jié)瘤量對(duì)施肥配比的響應(yīng)

測(cè)定結(jié)果見表1。方差分析表明，9 個(gè)施肥配比的苗木根瘤數(shù)量和鮮重之間均沒有顯著差異（P=0.131～0.681＞0.05）。綜合來看，缺N 的處理苗木的結(jié)瘤數(shù)量較多，單株平均結(jié)瘤數(shù)較含N 的處理多3～4個(gè)。根瘤總鮮重呈隨施N 量的增加而增加的趨勢(shì)。

2.2 苗木生物產(chǎn)量及其分配對(duì)施肥配比的響應(yīng)

植物生長(zhǎng)表現(xiàn)的終極指標(biāo)是生物產(chǎn)量。苗木根、莖、葉3 組分干重和總干重的測(cè)定結(jié)果如表1。方差分析結(jié)果表明，就根、莖、葉各組分干重而言，僅處理8 顯著高于其余7 個(gè)處理，而其余7 個(gè)處理間則沒有顯著差異。從總干重看，處理8 最高，是最小的處理5的2.1 倍，同時(shí)顯著高于其他處理。處理1～4、6～7 與處理9 之間沒有顯著差異，最小的處理5 與處理9、處理3 之間也沒有顯著差異。

在地上部分干重中，葉片和莖干的占比分別為64%和36%，葉片生物量占比高于干材的特點(diǎn)，對(duì)于以枝葉為藥用原材料的猴耳環(huán)而言是一種先天優(yōu)良的生長(zhǎng)性狀。

與根瘤鮮重隨N 增加而變化的趨勢(shì)相似，苗木單株總干重也隨施N 量的增加而增加。相關(guān)分析結(jié)果表明，兩者呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P=0.0030，n=45），見圖1?？梢姡鳛楣痰獦浞N，結(jié)瘤質(zhì)量的大小直接影響苗木的生物產(chǎn)量。

圖1 猴耳環(huán)苗木根瘤鮮重與總生物量之間的關(guān)系Fig. 1 Relationship between fresh weight of root nodules and total dry weight of A. clypearia seedlings

苗木根、莖生物量比值的大小是衡量苗木根系發(fā)達(dá)與否的重要指標(biāo)。分析結(jié)果表明，不同施肥配比的苗木根系發(fā)育程度沒有顯著差異（P=0.739＞0.05），比值介于0.845～1.057 之間（表1）。總生物產(chǎn)量最大的處理8 根干重和莖干重的比值最小，這一結(jié)果意味著當(dāng)?shù)叵律L(zhǎng)的條件限制相似（即相同的育苗容器和近似的基質(zhì)質(zhì)量）時(shí)，總生物產(chǎn)量的增長(zhǎng)是由地上部分實(shí)現(xiàn)的。

表1 不同施肥配比猴耳環(huán)苗木的生長(zhǎng)響應(yīng)Tab. 1 Growth responses of A. clypearia seedlings to fertilization with different NPK ratios

2.3 苗木生物產(chǎn)量對(duì)肥種和施用量的響應(yīng)

苗木地上部分、地下部分和總生物產(chǎn)量對(duì)3 個(gè)肥種的施用量的響應(yīng)完全一致（表2）。方差分析和多重比較結(jié)果表明，施用N 肥能顯著地促進(jìn)苗木的生物量積累（P=0.020＜0.05），而施用K 肥則對(duì)苗木的生物量產(chǎn)生極顯著的負(fù)面影響（P=0.001＜0.01），說明在本試驗(yàn)條件下，施用K 肥是沒有必要的。苗木對(duì)施用P肥的響應(yīng)呈現(xiàn)先正向后負(fù)向的變化，即苗木生物產(chǎn)量施用量0～20 mg·株-1時(shí)增加，20～50 mg·株-1時(shí)下降，但都不顯著（P=0.106＞0.05）。這和處理8 的調(diào)查結(jié)果完全吻合，即在N∶P∶K=20∶20∶0 配比下苗木的生物產(chǎn)量最高。

表2 猴耳環(huán)苗木生物產(chǎn)量對(duì)不同肥種和施用量的響應(yīng)Tab. 2 Responses of biomass production of A. clypearia seedlings to N, P and K fertilizers and their application doses

2.4 主要元素含量及其化學(xué)計(jì)量特征對(duì)施肥配比的響應(yīng)

測(cè)定結(jié)果見表3。無論葉片還是根系，C 元素含量最為穩(wěn)定（RSD≤1.7%），其次是N 和K 元素（7.3%≤RSD≤8.6%），P 元素含量的穩(wěn)定性最差（20.0%≤RSD≤24.3%）。相應(yīng)地，包含P 元素的化學(xué)計(jì)量特征值的穩(wěn)定性也較差，RSD在14%以上。

表3 猴耳環(huán)苗木根系和葉片元素含量及其化學(xué)計(jì)量特征的均值和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Tab. 3 Means and RSD values (%) for C, N, P and K concentrations and their stoichiometric characteristics in roots and leaves of A. clypearia seedlings

2.5 猴耳環(huán)苗木生長(zhǎng)的限制因子

以根系和葉片N、P、K 含量占三元素總和的比值繪就的猴耳環(huán)苗木生長(zhǎng)N-P-K 限制因子三軸圖如圖2。根系和葉片的測(cè)定結(jié)果均表明，N 元素是猴耳環(huán)苗木生長(zhǎng)的限制因子，這也進(jìn)一步揭示了為何苗木單株總干重隨施N 量的增加而增加。

圖2 猴耳環(huán)苗木N、P、K 化學(xué)計(jì)量關(guān)系的三軸圖Fig. 2 Ternary diagram showing the stoichiometric relationship of N, P and K in A. clypearia seedlings

3 結(jié)論與討論

Venterink 等[5]認(rèn)為，當(dāng)維管束植物地上部分組織（一般為葉片）N∶P<14.5 和N∶K<2.1 時(shí)植物生長(zhǎng)受N元素限制、N∶P>14.5 和K∶P>3.4 時(shí)受P 元素限制、N∶K>2.1 和K∶P<3.4 時(shí)受K 元素限制，本試驗(yàn)及隨后對(duì)猴耳環(huán)天然更新苗木進(jìn)行的化學(xué)計(jì)量特征研究[8]均表明，結(jié)果與之完全一致，N 元素是猴耳環(huán)苗期的生長(zhǎng)限制因子。

雖然在本試驗(yàn)的缺N 處理中苗木傾向于產(chǎn)生更多的根瘤，但可能因質(zhì)量過小還不足以發(fā)揮有效的固氮作用以維持自身的正常生長(zhǎng)，因此在人工培育猴耳環(huán)苗木時(shí)，施用氮肥是必要的，可促進(jìn)根瘤的生長(zhǎng)，進(jìn)而提高苗木的生物產(chǎn)量。事實(shí)上，在N 元素已成為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力的限制因子的情況下[9]，越來越多的研究表明氮添加可以有效促進(jìn)樹木的苗期甚至幼林的生長(zhǎng)和生物產(chǎn)量[9-12]。

植物葉片的N∶P 值被認(rèn)為是確定植物生長(zhǎng)是否受N、P 元素限制的重要指標(biāo)而得到廣泛應(yīng)用[5,7,13-16]，N∶K 或K∶P 值卻很少提及[5]，而很多研究表明K 元素在植物生產(chǎn)力方面的影響是多個(gè)方面的，它不僅能提高植物對(duì)N 元素的利用效率[16]，同樣限制許多植物尤其是沼澤和草原植物的生長(zhǎng)[17]。猴耳環(huán)喜生于溪邊、溝谷等潮濕環(huán)境[1]，其生長(zhǎng)是否受K 元素限制仍未知。該試驗(yàn)在綜合分析根系和葉片N、P、K 化學(xué)計(jì)量關(guān)系后，發(fā)現(xiàn)猴耳環(huán)苗木的生長(zhǎng)并未受K 元素的限制。不僅如此，增加K 施用量反而對(duì)苗木的生物產(chǎn)量產(chǎn)生極顯著的負(fù)面影響，這可能與該試驗(yàn)有意采用N∶P∶K=0.3∶1∶8.0 的黃心土作為育苗基質(zhì)[3]，導(dǎo)致K 元素過于富足從而產(chǎn)生“肥害”有關(guān)。因此，在大規(guī)模的生產(chǎn)性育苗或造林中，充分考慮基質(zhì)或土壤的養(yǎng)分元素化學(xué)計(jì)量特征，制訂合理的施肥配比是十分重要的。