施鈣與覆膜對降香黃檀生長及心材形成的影響

黃彩虹 符韻林 韋鵬練

（廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西 南寧 530004）

降香黃檀（Dalbergia odorifera）是豆科（Leguminosae）黃檀屬（Dalbergia）常綠半落葉喬木，又名黃花梨、香枝木、降香木[1]。其心材質(zhì)地較堅(jiān)實(shí)，抗腐蝕能力較強(qiáng)，為國家一級重點(diǎn)保護(hù)珍稀瀕危樹種，本土紅木資源，是制作高端家具和精美工藝品雕刻的上等原材料[2]，也是中藥降香的基原。降香黃檀自然成材緩慢，一般6～8 a，胸徑達(dá)6～8 cm 時(shí)，才開始形成心材，30～40 a 才能成材[3]，自然資源短缺。加快和擴(kuò)大推廣降香黃檀種植，獲得高品質(zhì)降香黃檀木材成為降香黃檀人工培育亟待解決的關(guān)鍵性問題。目前的研究中，多采用樹干注射乙烯利[4]、6-芐氨基腺嘌呤[5]等植物生長調(diào)節(jié)激素，或接種真菌、填充外援氣體等方式促進(jìn)降香黃檀心材形成[6]，具有一定成效，但操作難度較大，難以推廣。因此，探尋操作簡單，易推廣的人工培育方式成為問題關(guān)鍵。林木土壤施肥是提高森林生產(chǎn)力的重要措施，操作簡單，是實(shí)現(xiàn)林分速生豐產(chǎn)的重要途徑，逐漸作為森林撫育經(jīng)營措施開展試驗(yàn)研究[7]。研究表明，施肥可以增加西部紅松（Thuja plicata）心材比例[8]。連續(xù)6 a 對桉樹（Eucalyptus globulus）進(jìn)行灌溉和施肥可以增加心材面積[9]。施鉀肥對降香黃檀心材出油率有一定的促進(jìn)作用，對心材特征物質(zhì)橙花叔醇等化合物的含量有一定的提升作用[10]。海南西部及西南部，海拔400 m 以下的平原或低山丘陵地區(qū)是降香黃檀天然林的分布區(qū)域[11]，土壤中發(fā)生Ca2+、Mg2+生物積累，土壤吸收復(fù)合體中始終以Ca2+、Mg2+居優(yōu)勢[12]。生長在該地區(qū)的降香黃檀木材品質(zhì)極好，可能是因?yàn)榻迪泓S檀是一種嗜鈣樹種[13]，適合生長在鈣含量豐富的地區(qū)。由此看來，可以通過施加鈣肥的方式模擬原產(chǎn)地的生長條件，在其他地區(qū)進(jìn)行降香黃檀培育推廣，提高降香黃檀的培育質(zhì)量。而降香黃檀喜熱怕冷的特性是制約其向北推廣種植的關(guān)鍵因素，原產(chǎn)地干旱缺水可能是導(dǎo)致降香黃檀植株生長十分緩慢的重要原因。地膜覆蓋技術(shù)具有保溫保墑的作用，能夠有效改善土壤溫度和水分狀況。因此，可以通過在降香黃檀推廣種植的過程中，結(jié)合地膜覆蓋技術(shù)，改善溫度和水分問題。

本研究結(jié)合利用地膜覆蓋技術(shù)，通過施加生石灰，模擬降香黃檀原產(chǎn)地鈣含量豐富的土壤環(huán)境，探究不同鈣量及覆膜處理對降香黃檀生長及心材質(zhì)量的影響。為降香黃檀人工培育方式提供新思路，對加快降香黃檀的植株生長以及降香黃檀的向北推廣種植具有重大意義，同時(shí)也為降香黃檀的人工培育和人工促進(jìn)其心材形成提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地位于廣西南寧良鳳江國家森林公園（22°34′31″～22°46′51″ N,108°15′14″～108°22′22″ E），丘陵盆地地貌，坡度較小，海拔80～220 m。南亞熱帶季風(fēng)氣候，水熱豐富，年平均氣溫21.6 ℃，1 月平均氣溫12.4 ℃，極端最低氣溫-1.4 ℃，7 月平均氣溫28.3 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃，年平均霜期5 d，年均降水量1 280 mm，4—9 月為雨季，相對濕度79 %，土壤類型為砂頁巖發(fā)育形成的赤紅壤，厚度在80 cm 以上[14-15]。試驗(yàn)材料為7 年生降香黃檀，平均樹高為3.96 m，平均胸徑為4.48 cm，行間距：2 m × 3 m。造林時(shí)，連續(xù)撫育4 a，定植當(dāng)年，種植1 個(gè)月后追肥，施復(fù)合肥500 g（N∶P∶K 質(zhì)量比為15∶15∶15），割灌除草1 次；第2～4 年，每年人工割灌除草1～2 次，擴(kuò)坎松土，施肥1 次。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)喜鈣植物鈣肥施用量[7]、降香黃檀苗木單肥施用量[16]以及預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取同一林分，長勢一致的降香黃檀無心材植株，采取單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，每處理選取植株至少15 株，單株重復(fù)，試驗(yàn)共計(jì)7 個(gè)處理，處理之間設(shè)保護(hù)行。各處理設(shè)置如下：

1）自然條件下的鈣處理：在距離樹根0.5 m 處，垂直等高線方向挖施肥溝，規(guī)格為20 cm × 20 cm × 5 cm，僅施加生石灰，生石灰用量 設(shè)3 個(gè) 梯 度，即：50 g/株（Ca50）、100 g/株（Ca100）、150 g/株（Ca150），將生石灰撒放均勻并及時(shí)覆土填埋。每個(gè)季度施1 次（3 月、6 月、9 月、12 月），連續(xù)施2 a。

2）覆膜的鈣處理：生石灰用量設(shè)置與上述單純施用生石灰處理的相同，同時(shí)覆膜，即：50 g/株（F + Ca50）、100 g/株（F + Ca100）、150 g/株（F +Ca150），每個(gè)季度施1 次，連續(xù)施2 a；鋪設(shè)黑色塑料薄膜時(shí)，先鏟平地面，以參試植株為中心，鋪設(shè)邊長為2 m 的正方形薄膜，鋪膜后覆土，確保自然降雨的雨水在該范圍內(nèi)無地表滲水。

3）CK：自然生長狀態(tài)下的降香黃檀植株。

試驗(yàn)開始時(shí)間為2017 年3 月份，于2018 年12 月完成最后1 次處理。在試驗(yàn)開始前對降香黃檀進(jìn)行樹高、胸徑的本底測定。2020 年7 月份再次測定降香黃檀樹高、胸徑。

2.2 取樣及試樣處理

于2019 年12 月份（處理結(jié)束后1 a），用內(nèi)徑5.15 mm 生長錐在樹干約30 cm 處自南向北鉆取木芯，每個(gè)處理隨機(jī)鉆取3 株重復(fù)，密封后放于裝有干冰的保溫箱，帶回后放入-80 ℃超低溫冰箱保存。由于通過人工干預(yù)后的降香黃檀木質(zhì)部的心材生長不一，為方便比較，統(tǒng)一選取年輪中心1 cm 范圍內(nèi)的木材進(jìn)行分析比較研究，如圖1 所示。因其不能被稱為嚴(yán)格意義上的心材，故在本研究中將其稱為中心材。將中心材取下后，用粉碎機(jī)將其粉碎成較為細(xì)小的木屑，倒入混合型球磨儀繼續(xù)研磨。將研磨好的木粉，過60 目篩，備用。

圖1 木芯取樣區(qū)域劃分Fig. 1 Division of core sampling area

2.3 測定方法

降香黃檀提取液總黃酮含量的測定，參考黃星[17]的方法，稍作修改：稱取各處理木粉適量，分別放入25 mL 具塞比色管中，各加5 mL 50 %乙醇溶液，蓋好玻璃塞，超聲抽提1 h 后，真空抽濾，用50 %乙醇定容至10 mL，待測。采用NaNO2—Al(NO3)3—NaOH 的顯色方法，測定反應(yīng)液在 510 nm 處的吸光值。以蘆丁作為標(biāo)準(zhǔn)品，建立蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖2，得回歸方程：y=0.008 6x+0.012 1（R2=0.999 3），其 中y表示吸光值，x表示蘆丁的濃度，測定范圍：5～80 μg/mL?？傸S酮含量的計(jì)算公式為：

圖2 蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig. 2 Standard curve of rutin

式中：X表示通過計(jì)算得到的蘆丁濃度，M表示樣品的質(zhì)量，V表示提取液濃縮或稀釋后的溶液體積。

2.4 分析方法

2.4.1 氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）分析

稱取中心材木粉50 mg，分別放入25 mL 具塞比色管，各加入5 mL 無水乙醇，蓋好玻璃塞，超聲抽提1 h 后，真空抽濾，用無水乙醇定容至10 mL。過雙層0.22 μm 有機(jī)濾膜后，取1.5 μL于進(jìn)樣瓶中，待測。

取待測樣品，利用7890B-7000D 氣相色譜-質(zhì)譜儀（Agilent，美國）對降香黃檀木材乙醇提取液的化學(xué)成分進(jìn)行鑒定。氣相條件：色譜柱：HP-5 msUltraInert 毛細(xì)管柱（30 m × 250 μm × 0.25 μm），載氣：高純氦氣；載氣恒流速：2.25 mL/min；進(jìn)樣量：1.5 μL，不分流；升溫程序：柱溫起始溫度為60 ℃，保持3 min，再以10 ℃/min，升至250 ℃，保持6 min。

質(zhì)譜條件：離子源EI，電子能量：70 eV；離子源溫度230 ℃；輔助加熱溫度250 ℃；溶劑延時(shí)：3 min；掃描質(zhì)量范圍30～500 amu。

化學(xué)成分分析：對GC-MS 分析得到的總離子色譜圖采用數(shù)據(jù)庫檢索，各色譜峰相應(yīng)質(zhì)譜圖經(jīng)計(jì)算機(jī)質(zhì)譜庫（NIST17.L）檢索定性鑒別，結(jié)合人工圖譜解析確認(rèn)化合物的成分。采用面積歸一化法，以各組分的峰面積占總峰面積之比表示各化合物的相對含量。

2.4.2 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019 對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，SPSS Statistics 19.0 進(jìn)行方差分析以及Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，Origin 2018 制作圖表。

3 結(jié)果與分析

3.1 施鈣與覆膜處理對降香黃檀生長的影響

由表1 可知，單獨(dú)外源施加鈣的處理中，隨著鈣的施加量的增長，樹高增長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，樹高增長量均比CK 的樹高增長量高，并在100 g 生石灰施加量處達(dá)到峰值，顯著高于CK（P＜ 0.05）。表明外源施加鈣對降香黃檀植株樹高的增長有一定的促進(jìn)作用。通過地膜覆蓋技術(shù)并施加鈣的各處理的降香黃檀樹高的增長量均顯著高于CK（P＜ 0.05），且樹高增長量比單獨(dú)外源施加相同量的鈣處理的樹高增長量高，隨著鈣施加量的增加，樹高增長呈先升后降的趨勢，并在100 g 生石灰施加量處達(dá)到峰值。

表1 施鈣與覆膜處理對降香黃檀樹高、胸徑增長量的影響Table 1 Effects of calcium application and film mulching on growth of height and DBH of D. odorifera

由表1 可知，施鈣與覆膜對降香黃檀植株胸徑生長的促進(jìn)作用不顯著。其中，單獨(dú)外源施加鈣的處理，隨著鈣（生石灰）的施加量的增長，降香黃檀的胸徑增長量呈先下降后上升的趨勢，僅Ca50的胸徑增長量略高于CK。在覆膜并施加鈣的處理中，隨著外源施加鈣含量的增加胸徑增長量呈上升趨勢，且F + Ca100和F + Ca150的胸徑增長量顯著高于F + Ca50（P＜ 0.05）。

3.2 施鈣與覆膜處理對降香黃檀木材總黃酮含量的影響

由圖3 可知，施鈣與覆膜對降香黃檀總黃酮含量的影響顯著（P＜ 0.05），具體表現(xiàn)為F +Ca150＞ F + Ca50＞ Ca150＞ Ca50＞ CK ＞ F + Ca100＞ Ca100。僅外源施加鈣的處理中，降香黃檀的總黃酮含量隨著鈣施加量的增加，呈先下降后上升的趨勢。Ca100的總黃酮含量顯著低于CK（P＜ 0.05），Ca50和Ca150中總黃酮含量顯著高于CK（P＜ 0.05）。覆膜處理中，隨著外源施加鈣含量的增加，總黃酮含量呈先降后升的趨勢。F + Ca100的總黃酮含量顯著低于CK（P＜ 0.05），F(xiàn) + Ca50和F +Ca150中總黃酮含量顯著高于CK（P＜ 0.05）。無論降香黃檀植株是否進(jìn)行覆膜處理，在施加相同量的生石灰時(shí)，其總黃酮含量的變化趨勢一致。當(dāng)外源施加鈣的含量相同時(shí)，覆膜處理的降香黃檀的總黃酮含量均顯著高于未覆膜的處理（P＜ 0.05）。

圖3 施鈣與覆膜對降香黃檀總黃酮含量的影響Fig. 3 Effects of calcium application and film mulching on the content of total flavonoids in D. odorifera

3.3 施鈣與覆膜處理對降香黃檀心材特征成分的影響

由表2 可知，順式-橙花叔醇僅Ca150中含有，F(xiàn) + Ca50和F + Ca150中均含有的反式-橙花叔醇，且后者是前者含量的1.56 倍。Ca50中橙花叔醇的含量是CK 的1.45 倍；F + Ca150中含有的橙花叔醇是CK 的1.56 倍。綜上，施鈣并覆膜的處理比單獨(dú)施加鈣的處理中所含的橙花叔醇（含順反異構(gòu)體）的含量高。Ca50、F + Ca50和F + Ca150中，降香黃檀乙醇提取液的環(huán)氧化蛇麻烯Ⅱ含量分別是CK 的3.89 倍、1.94 倍和2.69 倍。單獨(dú)外源施加適量的鈣（Ca50）能促進(jìn)環(huán)氧化蛇麻烯Ⅱ的生成，但隨著鈣施加量的增加，環(huán)氧化蛇麻烯Ⅱ受到抑制。覆膜處理后，在低鈣含量（F +Ca50）和高鈣含量（F + Ca150）時(shí)，均會(huì)生成環(huán)氧化蛇麻烯Ⅱ。本研究中，Ca100、Ca150和F + Ca100中未鑒定含有美迪紫檀素，而Ca50、F + Ca50和F + Ca150中含有較多的美迪紫檀素。其中，Ca50是CK 的4.95 倍；F + Ca50中，美迪紫檀素的含量是CK 的11.82 倍，F(xiàn) + Ca150是CK 的14.13 倍。當(dāng)外源鈣的施加量相同時(shí)，覆膜的F + Ca50中，美迪紫檀素的含量是未覆膜的Ca50的2.39 倍。表明，Ca50、F + Ca50、F + Ca150均能促進(jìn)形成具有較優(yōu)質(zhì)心材，而覆膜處理后，其促進(jìn)作用更佳。

表2 施鈣與覆膜后降香黃檀乙醇提取物部分化學(xué)成分分析Table 2 Analysis of some chemical constituents of ethanol extract of D. odorifera after calcium application and plastic film mulching

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

4.1.1 鈣對降香黃檀生長和心材形成的影響

鈣（Ca）作為植物的第二信使，植物所必需的營養(yǎng)元素之一，在植物生長發(fā)育的過程中起著至關(guān)重要的作用，對植物的生長發(fā)育、光合作用、有關(guān)酶的調(diào)控、維持細(xì)胞膜穩(wěn)定、調(diào)控植物生理活動(dòng)均具有重要作用[18]。本研究中外源施加鈣后降香黃檀樹高的增長優(yōu)于CK，且隨著鈣的施加量的增長，降香黃檀株高增長量呈現(xiàn)先上升后降低的變化趨勢，說明鈣對株高生長有促進(jìn)作用，但鈣含量過高或過低都會(huì)影響在植物的生理生化過程[19-21]，這一研究結(jié)果中國林科院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心1980 年對降香黃檀在鈣豐富的石山巖溶地區(qū)進(jìn)行引種栽培的生長表現(xiàn)一致，雖然引種栽培植株的樹高年平均生長量（1.16 m）遠(yuǎn)高于原產(chǎn)地最優(yōu)林分樹高年平均生長量（0.80 m），而胸徑年平均增長量（0.77 cm）接近原產(chǎn)地最優(yōu)林分的胸徑增長量（0.80 cm）[22]。外源施加礦質(zhì)元素鈣對降香黃檀樹高生長的促進(jìn)隨著鈣濃度的升高呈現(xiàn)先增后降的趨勢，在其他植物如月季（Rosa hybrida）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）等也有相似的變化規(guī)律[23-24]。

植物生長發(fā)育過程中，黃酮類化合物的生成與鈣元素存在著一定的聯(lián)系，Ca2+與細(xì)胞衰老息息相關(guān)。章子貴等[25]在衰老的細(xì)胞當(dāng)中發(fā)現(xiàn)有大量的鈣和色素沉積。降香黃檀心材的主要成分是黃酮類化合物和揮發(fā)油[26]，而心材中不含活細(xì)胞[27]，黃酮類化合物是植物次生代謝過程中的重要產(chǎn)物[28]，是天然的色素成分。鈣作為植物生長所需的重要礦質(zhì)元素，影響著植物次生代謝運(yùn)轉(zhuǎn)[29]，最終影響植株著色，對降香黃檀色澤具有重要影響。植株中的Ca 和Fe 存在協(xié)同吸收的關(guān)系，施加鈣肥能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)植株關(guān)于Fe 積累量的富集，一定含量的鐵元素可以促進(jìn)植株類黃酮途徑關(guān)鍵酶的表達(dá)，有利于植物代謝過程中，類黃酮色素物質(zhì)的積累和增長，穩(wěn)定植物外觀色素[30-32]。在本研究外源施加鈣的處理中，Ca50和Ca150的總黃酮含量顯著高于CK。美迪紫檀素屬于黃酮類化合物，是降香黃檀心材化學(xué)成分的標(biāo)志性物質(zhì)，10 年生瓊產(chǎn)降香黃檀心材部分的甲醇和乙酸乙酯提取液中，其主要化學(xué)成分均為美迪紫檀素，含量高達(dá)22.93%[33]。本研究中，Ca50中美迪紫檀素的相對含量是CK 的4.95 倍。表明，外源施加適量的鈣可能造成其他營養(yǎng)元素的協(xié)同吸收，從而直接或間接影響促進(jìn)降香黃檀黃酮類物質(zhì)的代謝積累。

鈣離子信號途徑對萜類揮發(fā)性物質(zhì)的代謝過程也起著重要作用[34]。橙花叔醇（含順反異構(gòu)體）、環(huán)氧化蛇麻烯Ⅱ都屬于倍半萜類化合物，是降香黃檀心材揮發(fā)油的特征產(chǎn)物[35]。本研究中，在外源施鈣的處理中，僅Ca50含有兩種萜類物質(zhì)，總含量為7.59%，是CK 中2 種萜類物質(zhì)總含量的3.37 倍。外源施加適量的鈣可以促進(jìn)萜類物質(zhì)的代謝積累，從而促進(jìn)降香黃檀心材標(biāo)志性物質(zhì)的生成。

4.1.2 覆膜對降香黃檀生長和心材形成的影響

地膜覆蓋技術(shù)，可以改善土壤溫度、調(diào)節(jié)土壤水分狀況、增加土壤肥力、促進(jìn)土壤養(yǎng)分的利用。在農(nóng)業(yè)中覆膜技術(shù)可以達(dá)到增產(chǎn)增收的作用，在林業(yè)產(chǎn)業(yè)中覆膜造林可以縮短苗木的生長周期。董鑫[36]用植苗造林、覆膜造林及客土袋造林方法對側(cè)柏（Platycladus orientalis）進(jìn)行造林試驗(yàn)的研究表明，與植苗造林相比，覆膜造林對側(cè)柏樹高的影響差異極顯著，而對于地徑的影響差異不顯著。何金元等[37]的研究表明，相較于未覆膜的處理，地膜覆蓋對桉樹（Eucalyptus ro-busta）幼林的樹高、地徑生長具有促進(jìn)作用。本研究中，通過地膜覆蓋技術(shù)不僅保證了降香黃檀樹高的生長，同時(shí)改善了外源施加鈣對植株胸徑生長的促進(jìn)作用，即在施鈣與覆膜的協(xié)同作用下，比未覆膜的處理更能夠促進(jìn)降香黃檀樹高、胸徑的生長。其中，F(xiàn) + Ca100對樹高生長的促進(jìn)作用最佳，F(xiàn) + Ca150稍次之；F + Ca150對胸徑生長的促進(jìn)作用最佳，F(xiàn) + Ca100稍次之。

覆膜能夠促進(jìn)元素吸收，促進(jìn)土壤養(yǎng)分利用。鐵元素能夠影響類黃酮色素物質(zhì)的次生代謝積累和增長，王飛等[32]對花生（Arachis hypogaea）植株施鈣與覆膜的研究表明，覆膜栽培比露地栽培更加有利于Fe 積累量的富集。本研究中，當(dāng)外源施加相同量的鈣時(shí)，覆膜處理中總黃酮的含量顯著高于未覆膜處理中總黃酮的含量。同時(shí)，在施鈣與覆膜協(xié)同作用下，F(xiàn) + Ca50和F +Ca150中黃酮類化合物—美迪紫檀素的相對含量高于未覆膜的Ca50。覆膜栽培可以調(diào)節(jié)植物的蒸騰作用，促進(jìn)營養(yǎng)元素吸收，從而促進(jìn)植株次生代謝，產(chǎn)生更多的黃酮類化合物。萜類物質(zhì)也是植物次生代謝過程中的重要產(chǎn)物。覆膜處理中，F(xiàn) +Ca50和F + Ca150中橙花叔醇（含順反異構(gòu)體）和環(huán)氧化蛇麻烯Ⅱ兩種萜類物質(zhì)的總含量分別為9.86%、16.10%，分別是未覆膜處理中Ca50含量的1.30 倍和6.31 倍。在施鈣與覆膜的協(xié)同作用下比未覆膜的施鈣處理更能夠促進(jìn)降香黃檀次生代謝和積累，促進(jìn)心材物質(zhì)的生成，從而促進(jìn)降香黃檀心材的形成。

4.2 結(jié)論

綜上所述，外源施加鈣的方式可以促進(jìn)降香黃檀植株的生長，促進(jìn)降香黃檀植株的次生代謝產(chǎn)物的積累和增長，促進(jìn)降香黃檀心材的形成，提高降香黃檀的心材質(zhì)量；適量鈣與覆膜的協(xié)同作用下促進(jìn)效果更佳。其中，F(xiàn) + Ca150各方面促進(jìn)效果最佳。本研究中，外源施加鈣的方式與地膜覆蓋技術(shù)在降香黃檀培育上的綜合利用，為降香黃檀的人工培育提供了新的人工培育方式，為人工促進(jìn)降香黃檀心材形成提供了新的理論基礎(chǔ)。