施肥方式對(duì)幼齡楸樹非結(jié)構(gòu)性碳器官分配和生長(zhǎng)季動(dòng)態(tài)的影響

關(guān)追追，盧奇鋒，陳 動(dòng)，邱 權(quán)，蘇 艷，李吉躍，何 茜

(廣東省森林植物種質(zhì)創(chuàng)新與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣州 510642)

碳水化合物是植物光合作用的主要產(chǎn)物，包括結(jié)構(gòu)性碳水化合物(structural carbohydrate, SC)和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(non-structural carbohydrate, NSC)。植物中能量的主要儲(chǔ)存形式源自非結(jié)構(gòu)性碳水化合物，它包括可溶性糖(蔗糖和果糖等)和淀粉，是樹木生長(zhǎng)代謝過(guò)程中重要的能源物質(zhì)，可參與植物呼吸、生長(zhǎng)以及滲透調(diào)節(jié)過(guò)程[1-2]。樹木依賴并消耗積累的碳庫(kù)，NSC的季節(jié)變化勢(shì)必會(huì)影響源匯之間的平衡[3]。當(dāng)生理代謝需求超過(guò)光合固碳量，樹木體內(nèi)NSC被消耗，反之，碳庫(kù)得到補(bǔ)充[4]。葉片是植物碳同化的主要器官，葉片形態(tài)間的差異勢(shì)必會(huì)影響碳吸收過(guò)程，改變NSC的季節(jié)分配模式[5]。目前，許多學(xué)者已經(jīng)報(bào)道了落葉和常綠樹種NSC動(dòng)態(tài)變化間的差異，他們發(fā)現(xiàn)，與常綠樹種相比，落葉樹種NSC季節(jié)性波動(dòng)十分明顯[6-8]。在樹木生長(zhǎng)期，由于光合作用較強(qiáng)，落葉樹種體內(nèi)積累了大量NSC，而在休眠期光合強(qiáng)度減弱，植物呼吸消耗導(dǎo)致體內(nèi)NSC有所降低，這引起了NSC的季節(jié)性波動(dòng)[9]。只有了解了樹木各器官NSC的大小和季節(jié)動(dòng)態(tài)變化特征，才能對(duì)單株林木以及整個(gè)林分碳儲(chǔ)進(jìn)行量化[3,10]。目前針對(duì)灌木或草本體內(nèi)NSC的研究較多[11-12]，對(duì)喬木NSC的研究也多局限于某一單個(gè)器官(例如葉)[13-14]，但樹木器官NSC間的協(xié)同以及時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的報(bào)道較少。

作為一種珍貴落葉樹種，楸樹(Catalpabungei)生長(zhǎng)迅速，樹干通直，具有極高的經(jīng)濟(jì)和觀賞價(jià)值。施肥是一項(xiàng)重要的營(yíng)林措施，目前涉及施肥對(duì)楸樹苗木生長(zhǎng)及養(yǎng)分利用的研究較多[15-17]，有關(guān)楸樹林分碳分配對(duì)施肥響應(yīng)的報(bào)道較少。據(jù)報(bào)道，水肥一體化技術(shù)具有提高水分和肥料利用率、有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，能大幅降低肥料用量，減少養(yǎng)分如氮素的淋失損失[18]。目前將水肥一體化技術(shù)應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)作物的研究較多[19-21]，關(guān)于林木的有關(guān)研究鮮有報(bào)道?；诖?，筆者通過(guò)不同施肥措施(水肥一體化、穴施以及不施肥)來(lái)探究楸樹林木生長(zhǎng)、各器官NSC分配及時(shí)間動(dòng)態(tài)變化對(duì)施肥的響應(yīng)。本研究結(jié)果可為深入了解落葉樹種器官NSC分配以及碳儲(chǔ)變化提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

研究地位于山東省濟(jì)南市章丘區(qū)棗園保育庫(kù)(36°25′～37°09′N, 117°10′～117°35′E)。屬于溫帶季風(fēng)氣候，年均氣溫12.8 ℃，月均最高氣溫27.2 ℃(7月)，最低氣溫-3.2 ℃(1月)，無(wú)霜期192 d，年均降水量600.8 mm，年日照時(shí)數(shù)2 647.6 h。土壤類型有褐土、潮土和棕壤。

1.2 樣地調(diào)查與施肥

2017年3月，選擇2年生的楸樹無(wú)性系“9-1”進(jìn)行造林，所造純林密度為833株·hm-2(3 m×4 m)，寬行窄株距，造林面積為0.8 hm2。造林后一直未進(jìn)行林分撫育。造林3個(gè)月后，測(cè)得樹木平均樹高為4.2 m，平均胸徑為4.0 cm。所調(diào)查楸樹土壤pH為7.67，有機(jī)質(zhì)為19.64 g·kg-1，全氮含量為0.91 g·kg-1，全磷含量為0.53 g·kg-1，全鉀含量為16.7 g·kg-1，堿解氮含量為81.88 mg·kg-1，有效磷含量為32.10 mg·kg-1，速效鉀含量為176.82 mg·kg-1。

2018年5月初，隨機(jī)設(shè)置9個(gè)樣地開展施肥試驗(yàn)，每個(gè)樣地面積約為400 m2。共設(shè)置3種施肥方案，分別為水肥一體化(WF)、穴施(HF)以及不施肥對(duì)照(CK)。將各施肥措施隨機(jī)分配于樣地中，保證每個(gè)施肥處理3次重復(fù)。樣地之間均設(shè)置有隔離帶，隔離帶的寬度約6～8 m。于2018年5月進(jìn)行首次施肥，根據(jù)前期的施肥經(jīng)驗(yàn)，每株施肥量控制為純N約24 g、P2O5約8 g和K2O約16 g，隨后每年施肥量遞增20%。穴施是在距離樹干南北向50 cm的位置挖深約20～30 cm的洞穴，并將肥料一次性施入樹木根系附近。水肥一體化是借助智能滴灌設(shè)備(HN-BXE, Huinong Automation Company, China)將肥料溶于水中滋潤(rùn)根系的方法。其方法是將全年施肥量等分為12份，從5月初開始，每10 d施肥一次，每個(gè)月施肥3次，9月初結(jié)束施肥。于2021年5月和11月調(diào)查了楸樹林分生長(zhǎng)情況(表1)。樣地設(shè)置后，根據(jù)樹木生長(zhǎng)調(diào)查結(jié)果，每個(gè)樣地設(shè)置5株標(biāo)準(zhǔn)木。

1.3 野外取樣與NSC測(cè)定

于2021年生長(zhǎng)季初期(5月上旬)、中期(7月中旬)和末期(9月下旬)對(duì)楸樹葉、枝、粗根和細(xì)根進(jìn)行采集。在標(biāo)準(zhǔn)木上，使用高枝剪剪取位于樹冠中部南向的枝條，摘取3～5片位于枝末端的功能葉作為枝葉樣本。距離標(biāo)準(zhǔn)木樹干南向30 cm的位置，使用鐵鍬挖取0～30 cm深的根系，根據(jù)根系直徑大小，分為粗根(>2 mm)和細(xì)根(≤2 mm)。所有樣本收集后，使用純水沖洗干凈，并置于干冰中保存，立即送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行殺青(105 ℃, 30 min)，隨后在65 ℃條件下烘干72 h。在進(jìn)行NSC分析前，將所有烘干樣品研磨成細(xì)粉，過(guò)0.2 mm篩，置于封口袋中保存。

在實(shí)驗(yàn)室使用蒽酮-硫酸法[22]對(duì)樣品NSC進(jìn)行測(cè)定。NSC主要包括可溶性糖(主要是葡萄糖、果糖和蔗糖)和淀粉兩部分。NSC含量用干重的百分比表示?？侼SC為可溶性糖與淀粉的總和。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

在方差分析前，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，使用Levene’s test進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)。當(dāng)處理間方差齊性或不齊性時(shí)，分別使用Duncan和Dunnett’s T3對(duì)均值進(jìn)行多重比較。使用雙因素方差分析(two-way ANOVA)來(lái)探究施肥和器官(或生長(zhǎng)時(shí)期)對(duì)NSC各組分含量的影響。使用Pearson對(duì)器官NSC進(jìn)行相關(guān)性分析。使用Origin(2021 Edition, OriginLab Company, US)進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥方式對(duì)幼齡楸樹生長(zhǎng)的影響

各施肥處理均不同程度提高了楸樹樹高和胸徑生長(zhǎng)(表1)。其中，在11月份，與不施肥對(duì)照相比，穴施和水肥一體化施肥處理的樹高分別提高了4.7%和7.1%，胸徑分別提高了7.1%和20.5%。水肥一體化施肥的胸徑顯著高于穴施和不施肥對(duì)照(P<0.05)。經(jīng)歷一個(gè)生長(zhǎng)季，楸樹的樹高、胸徑在各施肥條件下均有所增加，但是增加幅度略有不同，樹高增幅表現(xiàn)為水肥一體化(9.6%)>穴施(8.5%)>不施肥(3.7%)，胸徑則表現(xiàn)相反，為不施肥(24.5%)>穴施(23.6%)>水肥一體化(22.4%)?？傮w而言，水肥一體化的施肥效果要優(yōu)于穴施。

表1 楸樹林分生長(zhǎng)情況調(diào)查

2.2 施肥方式對(duì)幼齡楸樹NSC器官分配的影響

楸樹各器官中NSC各組分含量在施肥方式下的變化不盡相同(表2)。其中，楸樹葉、枝、粗根、細(xì)根的可溶性糖含量在不同施肥措施間差異均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)；楸樹葉、枝中淀粉含量在各施肥措施間仍無(wú)顯著差異，粗根和細(xì)根中的淀粉含量在水肥一體化處理(WF)下均顯著高于對(duì)照(CK)，增幅分別為70.2%和18.6%，但在穴施處理(HF)下均與CK無(wú)顯著差異；與淀粉含量表現(xiàn)類似，楸樹葉、枝總NSC含量并未受到施肥方式的顯著影響，但粗根中總NSC含量在WF處理下顯著高于CK(22.2%)，細(xì)根中總NSC含量在WF處理下顯著高于HF處理，而與CK無(wú)顯著差異，HF處理粗根和細(xì)根中總NSC含量均與CK無(wú)顯著差異；施肥方式對(duì)楸樹各器官糖淀比影響較小，葉、粗根以及細(xì)根糖淀比在不同施肥措施間差異均不顯著(P>0.05)，僅HF處理枝中的糖淀比顯著高于CK。同時(shí)，在相同施肥措施下，各器官間總NSC及其組分含量均存在顯著差異，但各器官NSC的分配特征在施肥方式間相似。其中，各施肥方式下楸樹的可溶性糖含量均表現(xiàn)為粗根和葉片顯著高于枝和細(xì)根，并以粗根最高；淀粉含量均表現(xiàn)為粗根和細(xì)根明顯高于枝和葉，并以粗根最高，均與枝和葉差異顯著；總NSC含量也表現(xiàn)為粗根和葉片明顯高于枝和細(xì)根，并以粗根最高，均與枝和細(xì)根差異顯著；糖淀比仍以葉和粗根較高?？梢?，水肥一體化施肥顯著提高了淀粉在楸樹粗根中的積累量，從而顯著提高了總NSC在粗根中的積累量；各施肥方式下楸樹可溶性糖、淀粉和總NSC均在粗根中分配最多，而在枝中均分配較少，施肥方式對(duì)NSC在器官中的分配沒有明顯影響。

表2 楸樹器官NSC分配隨施肥方式的變化

2.3 施肥方式對(duì)楸樹體內(nèi)NSC生長(zhǎng)季變化的影響

表3顯示，施肥方式對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)期楸樹體內(nèi)可溶性糖含量均沒有顯著影響(P>0.05)；施肥方式對(duì)生長(zhǎng)中期楸樹體內(nèi)淀粉含量也無(wú)顯著影響，而對(duì)生長(zhǎng)初期和末期淀粉含量均有顯著影響，均表現(xiàn)為WF處理顯著高于HF處理和CK，而HF處理與CK之間無(wú)顯著差異，WF處理初期和末期淀粉含量分別比CK顯著提高了24.6%和46.0%；施肥方式對(duì)生長(zhǎng)初期、中期的總NSC含量影響也不顯著(P>0.05)，末期總NSC含量在水肥一體化施肥后比不施肥對(duì)照顯著提高21.5%，而在穴施后無(wú)顯著變化；穴施方式對(duì)楸樹不同生長(zhǎng)時(shí)期糖淀比均無(wú)顯著影響，水肥一體化施肥楸樹生長(zhǎng)中期和末期糖淀比也均與對(duì)照無(wú)顯著差異，僅導(dǎo)致生長(zhǎng)初期糖淀比比對(duì)照顯著降低。同時(shí)，從楸樹各生長(zhǎng)時(shí)期NSC組分含量分配情況來(lái)看，各施肥方式下不同時(shí)期的NSC組分含量分配規(guī)律基本一致。其中，可溶性糖和總NSC含量大致呈“V”型變化，即初期含量顯著較高，中期含量迅速大幅降低，末期含量有所回升；淀粉含量隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，至末期達(dá)到峰值，且各生長(zhǎng)期之間大多存在顯著差異。

表3 楸樹生長(zhǎng)季NSC變化對(duì)施肥方式的響應(yīng)

2.4 楸樹器官NSC及其組分含量間的相關(guān)性

由圖1可知，楸樹葉可溶性糖、總NSC含量與枝、粗根和細(xì)根淀粉含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；枝可溶性糖含量與粗根、細(xì)根可溶性糖含量呈正相關(guān)關(guān)系；粗根可溶性糖含量與細(xì)根可溶性糖含量呈正相關(guān)關(guān)系，但與細(xì)根淀粉含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?？v觀整個(gè)生長(zhǎng)季，隨著楸樹各器官中可溶性糖以及葉、枝和細(xì)根中總NSC含量的消耗，提高了細(xì)根中淀粉，以及粗根中淀粉和總NSC的積累(表4)。

表4 生長(zhǎng)季楸樹器官NSC含量變化

3 討 論

施肥可明顯改變樹木的生產(chǎn)力。本研究發(fā)現(xiàn)，與不施肥對(duì)照相比，穴施條件下楸樹胸徑提高了7.1%，尤其是水肥一體化施肥的增產(chǎn)效果十分明顯，胸徑提高了20.5%。這與秘洪雷等[23]的研究結(jié)果部分一致。他們發(fā)現(xiàn)，與不施肥對(duì)照相比，滴灌施肥(水肥一體化)條件下歐美楊107(Populuseuramericanacv.‘74/76’)的胸徑年增量提高了19.9%～44.7%，蓄積年增量提高了18.2%～54.6%。賀曰林[24]研究發(fā)現(xiàn)，與空白對(duì)照相比，最佳的水肥配比下，‘毛白楊S86’(PoplartomentosaS86)人工林的胸徑、樹高和林地生產(chǎn)力分別提高了15.6%、4.9%和51.0%。究其原因可能是水肥一體化施肥增強(qiáng)了磷、鉀等元素在土壤中的移動(dòng)性，提高其利用效率，改善了土壤理化性質(zhì)，提高了土壤孔隙度，進(jìn)而有利于植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育；同時(shí)增強(qiáng)了葉片光合作用能力，促進(jìn)了光合產(chǎn)物的積累，特別是增加了根系中的碳分配比例，進(jìn)而提高了樹木生物量和生產(chǎn)力[25-27]。

養(yǎng)分添加改變了植物的光合速率，進(jìn)而可能影響其體內(nèi)NSC數(shù)量及分配模式[28]。魏麗娜等[13]發(fā)現(xiàn)水曲柳(Fraxinusmandshurica)葉片可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著施氮量的增加而加大，細(xì)根淀粉和總NSC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在施磷水平相同的情況下，表現(xiàn)出隨施氮量的增加呈逐漸降低的趨勢(shì)。Kong 等[29]發(fā)現(xiàn)施氮、磷、鉀肥降低了尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)地下器官(主要是粗根)的可溶性糖含量，可溶性糖含量的消耗用以幫助樹木抵抗干旱脅迫。Peng 等[30]發(fā)現(xiàn)與對(duì)照相比，施氮、磷肥顯著降低了辣木(Moringaoleifera)葉片、莖和根中的NSC含量，這可能是由于施氮、磷肥后生物量增加引起的稀釋效應(yīng)。本研究發(fā)現(xiàn)，施肥雖然沒有顯著改變?nèi)~、枝中可溶性糖和淀粉含量，但是與不施肥對(duì)照和穴施相比，水肥一體化施肥明顯提高了淀粉在根中的積累。產(chǎn)生不同結(jié)果的原因可能是由于樹木的生活策略、施肥方式的不同引起的器官碳分配間的差異。從各器官總NSC分配情況來(lái)看，楸樹葉和粗根中總NSC分配較高，枝中總NSC分配較低。一方面由于初期葉芽生長(zhǎng)需要消耗枝中NSC引起枝NSC降低，另一方面葉通過(guò)光合作用固定了一部分碳，上一年光合產(chǎn)物的積累導(dǎo)致粗根中NSC含量升高。

不同施肥方式?jīng)]有明顯改變各生長(zhǎng)時(shí)期楸樹可溶性糖含量，但水肥一體化施肥明顯提高了生長(zhǎng)初期和末期淀粉和總NSC含量。楸樹體內(nèi)NSC含量的動(dòng)態(tài)變化可能是由于樹木在生長(zhǎng)季響應(yīng)環(huán)境變化(光照、溫度和降水等)以及施肥而啟動(dòng)的碳分配策略。此外，從各生長(zhǎng)時(shí)期NSC組分含量分配情況來(lái)看，可溶性糖和總NSC初期含量較高，中期含量迅速降低，末期含量有所回升，而淀粉含量一直增加。具體表現(xiàn)為，楸樹生長(zhǎng)初期葉、枝、粗根和細(xì)根中可溶性糖含量較高，至生長(zhǎng)末期各器官可溶性糖含量一直下降，而枝、粗根和細(xì)根中淀粉含量一直增加，這與Sch?del等[31]和Hoch等[8]的研究結(jié)果基本一致。一方面，消耗的可溶性糖用來(lái)幫助維持樹木呼吸與生長(zhǎng)；另一方面，可溶性糖轉(zhuǎn)化為淀粉主要儲(chǔ)存在枝和根中[31]。以上結(jié)果表明楸樹把更多的碳從葉轉(zhuǎn)移、供給到枝和根中，以促進(jìn)根吸收水分以及更多地參與到植物的形態(tài)建成中，引起楸樹葉片可溶性糖和NSC含量的降低。

本研究雖然詳細(xì)探討了楸樹不同器官NSC含量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化情況，但也存在以下幾點(diǎn)不足之處：其一，由于取樣原因，本研究未涉及樹干NSC方面的內(nèi)容，樹干NSC的徑向和縱向變異對(duì)樹木NSC分配產(chǎn)生較大影響[32]，是今后研究的重點(diǎn)；其二，冠層高度對(duì)枝葉碳分配也會(huì)產(chǎn)生一定的影響[33-34]，值得進(jìn)一步研究；其三，今后應(yīng)結(jié)合各器官生物量數(shù)據(jù)對(duì)林木甚至整個(gè)林分碳庫(kù)進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)估。

4 結(jié) 論

施肥提高了楸樹樹高和胸徑生長(zhǎng)，尤其應(yīng)用水肥一體化施肥技術(shù)增產(chǎn)效果十分明顯。不同施肥方式提高了楸樹體內(nèi)總NSC含量，且水肥一體化施肥明顯提高了楸樹的固碳能力。楸樹器官NSC含量存在明顯的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，生長(zhǎng)初期各器官可溶性糖和總NSC含量較高；隨著樹木進(jìn)入快速生長(zhǎng)階段(中期)，各器官總NSC含量迅速降低；樹木生長(zhǎng)減緩或者停止時(shí)(末期)，枝和根的總NSC含量逐漸升高，粗根中積累的淀粉用于維持楸樹冬季呼吸以及春季枝芽生長(zhǎng)。總之，從提高林木產(chǎn)量和碳儲(chǔ)量的角度來(lái)看，將水肥一體化施肥技術(shù)應(yīng)用于營(yíng)林上值得優(yōu)先考慮。

致謝：感謝盧奇鋒、陳動(dòng)對(duì)試驗(yàn)的幫助，感謝邱權(quán)、蘇艷、李吉躍、何茜老師對(duì)本文方案設(shè)計(jì)提出的寶貴意見以及對(duì)手稿的修改，感謝魯儀增、韓慶軍和栗寧寧老師對(duì)材料收集過(guò)程中提供的幫助，感謝王軍輝、麻文俊老師提供了試驗(yàn)材器以及試驗(yàn)林分，為本研究的順利開展提供了物質(zhì)保障。