華北平原區蒙古櫟幼苗栽培條件研究

原陽晨,龐久帥,周苗苗,任俊杰,劉洪山,張國偉,劉建英,王利佳,楊敏生

(1 河北省洪崖山國有林場,河北 保定 071000;2 河北農業大學 林學院,河北 保定 071000)

蒙古櫟(Quercusmongolica)又名柞櫟、柞樹等,為殼斗科(Fagaceae)櫟屬(Quercus)落葉闊葉木本植物[1]。蒙古櫟主要分布于我國華北及東北部,既是我國溫帶、暖溫帶地區落葉闊葉混交林和針闊混交林的主要樹種,也是經濟用材林、薪炭林、防風固沙、森林防火的優良樹種[2-4]。隨著中國經濟和科技的飛速發展,生態環境保護和生態文明建設成為人類社會關注的焦點,蒙古櫟作為我國北方典型鄉土樹種,根系發達,樹體高大,樹冠優美,適應性強,是環境綠化和平原地區荒漠化改造的潛力樹種[5]。

蒙古櫟生于海拔200～2 100 m的山地,在華北地區海拔800 m以上生長良好,大苗抗逆性較強,由山地移栽平原易成活,但幼苗在平原苗圃栽植常出現黃葉焦邊、生長不良等現象[6]。截至目前,國內外學者對蒙古櫟的研究主要集中在分布范圍、地理變異、種源差異、種間關系、林分結構、群落學特征和蒙古櫟的生物學、生態習性、病蟲害防治等方面,關于蒙古櫟栽培的研究均基于其適宜的海拔和氣候等環境條件下,對播種育苗、苗期管理、苗木移栽和造林撫育等技術的探討,有關蒙古櫟幼苗在平原地區的培育和栽植鮮見報道[7-27]。本研究通過對華北平原地區蒙古櫟幼苗栽植條件的正交試驗,探究光照、有機質、FeSO4肥料和鐵、錳等微量元素對蒙古櫟幼苗生長的影響,以期解決蒙古櫟幼苗期因環境因素影響所造成生長發育不良、黃葉焦邊現象,為蒙古櫟在華北平原地區的健康生長和規?；a提供理論依據和技術支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

蒙古櫟為河北易縣七里亭示范場苗圃基地培育的健壯、無病蟲害、長勢一致的2年生實生苗木,試驗共設計16個處理組,每組200株苗木,共選取3 200株蒙古櫟幼苗。

1.2 試驗地概況

試驗地位于河北易縣七里亭示范場,屬華北平原地區,海拔為50 m,覆蓋層土壤以黃土和中粗砂為主,經測定試驗地土壤平均pH值為7.73,地理坐標為E 115°33′3″,N 39°21′10″。該地區四季分明,屬于暖溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫13.5 ℃,極端最高氣溫41.0 ℃,最低氣溫-23.1 ℃,全年最低氣溫在1月,最高氣溫在7月。平均無霜期186 d,降水主要集中在7、8月,全年降水量在570～670 mm之間。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計、實施與管理 試驗采用L16(45)的正交試驗設計,設置4因素4水平的正交試驗(表1)。2020年4月5日在河北易縣七里亭示范場苗圃基地進行試驗,遮陰棚搭建以及營養土(有機質)和FeSO4的施入同步進行。遮陰處理,搭建長20 m、寬12.5 m、高2 m的遮陰棚3個,分別覆蓋1層、2層、3層遮陽網,外加不遮陰共4種處理;營養土(有機質)處理,將營養土與原土3∶7、1∶1、7∶3的比例進行混勻,外加不混營養土共4種處理;FeSO4處理,在已摻入營養土的處理中根據正交試驗分別每0.3 m3土壤對應施入100、150、200 g的FeSO4混勻,外加不施用FeSO4共4種處理。將混勻營養土和FeSO4的土壤按照試驗重復次數進行裝盆(30 cm×30 cm),并將2年生的蒙古櫟幼苗栽入盆中,同時根據正交試驗設計將處理好的苗木放入對應層數遮陰棚下已開好的溝內,并覆土,然后灌水。微量元素處理,5月中旬蒙古櫟展葉期,用自來水和微量元素(極量鐵、極量錳)配置成5%、7%、9%的微量元素溶液,根據正交試驗方案進行葉面噴肥,外加不噴施微量元素共4種不同處理。

試驗期間,每隔半個月對試驗地進行除草,防止雜草與蒙古櫟進行養分競爭。根據天氣情況進行灌水,土壤含水量保持在60%左右。在高溫雨季,保證排水系統正常運轉,根據苗木生長情況,適時噴施多菌靈1 000倍液和辛硫磷1 000倍液等藥劑,預防病蟲害的發生。

1.3.2 生長指標測定 每隔15 d統計幼苗的苗高、基徑和葉片數(5月份展葉期進行觀測),觀察苗木長勢,苗高使用卷尺測量,精確到0.01 cm;基徑使用游標卡尺測量,精確到0.01 mm。觀察苗木的生長發育情況以及苗木死亡情況。10月份待苗木停止生長后進行生物量測定,每組處理隨機選取3株,并編號。在實驗室于根頸處剪斷,測量地上部莖葉鮮重和根鮮重,然后置于烘箱,經105 ℃殺青15 min,再85 ℃烘至恒重,冷卻后,測定莖葉干重和根干重。

1.3.3 生理指標測定 8月31日下午5時在處理7和處理1(對照組)中隨機選取3株蒙古櫟苗木,每株苗木東、南、西、北4個方向摘取一定數量的功能葉片,將相同處理植株的葉片混勻,然后進行生理指標測定。葉綠素、葉色參數和花色素苷含量的測定均為3次重復,質膜相對透性的測定10次重復。

蒙古櫟葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素的測定參照鄒琦、李合生的方法[28-29];花色素苷含量的測定參照李昕蔓的方法[30];質膜相對透性以相對電導率的大小表示,參照邸銳的方法[31];葉色參數L*、a*、b*的測定參照Wang的方法[32]。

1.4 統計與分析

運用Excle 2007對試驗調查數據進行整理統計,再用SPSS 21.0軟件對試驗數據進行方差分析、極差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同處理組合對蒙古櫟生長的影響

不同處理組合蒙古櫟的生長結果,見表2。

表2 不同處理組合蒙古櫟的生長結果(均值±標準誤)Table 2 Growth results of Q. mongolica in different treatment combinations(Mean ± SE)

由表2可知,苗木高度以處理7最高,為93.67 cm,顯著高于除處理2、處理3、處理5、處理14、處理15外的其他處理;基徑以處理7最高,為12.33 mm,顯著高于除處理3、處理12、處理15外的其他處理;葉片總數以處理7最高,為90.67片,顯著高于處理1、處理4、處理6、處理16;莖葉干重以處理7最高,為37.36 g,顯著高于除處理3、處理15外的其他處理;莖葉鮮重、根鮮重、根干重均以處理7最高,分別為75.56、72.87、35.54 g,顯著高于除處理15外的其他處理。在16個處理中,處理7與處理15的7個生長指標并無顯著差異,但各指標的數值均大于處理15,所以處理7的蒙古櫟幼苗生長情況最好,即30%有機質、2層遮陽網、200 g/m2FeSO4、0%微量元素為最佳。

2.2 正交試驗結果的方差和極差分析

正交試驗結果的方差和極差分析,見表3、表4。

表3 正交試驗結果的方差分析和極差分析Table 3 Analysis of variance and range of orthogonal test results

表4 正交試驗結果的方差分析和極差分析Table 4 Analysis of variance and range of orthogonal test results

由表3、表4可知,苗高指標中遮陰的P=0.030<0.05,有機質的P=0.588>0.05,FeSO4的P=0.256>0.05,微量元素的P=0.896>0.05,說明遮陰對蒙古櫟幼苗高生長的影響達到顯著水平,而有機質、FeSO4和微量元素對蒙古櫟幼苗高生長的影響未達到顯著水平。同理分析可知,基徑、莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重、根干重5個生長指標,僅遮陰的影響達到顯著水平,另外3種因素均無顯著影響,同時,4種因素對葉片總數的影響均未達到顯著水平。極差分析表明,蒙古櫟幼苗的苗高、基徑、葉片總數、莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重、根干重7個生長指標中,遮陰在7個指標中極差值均最大,位居首位;FeSO4在6個指標中極差值位居第二,1個指標第三;微量元素在1個指標中極差值位居第二,4個指標第三,2個指標第四;有機質在2個指標中極差值位居第三,5個指標第四。綜上所述,4個因素對蒙古櫟幼苗7個生長指標的影響排序為：遮陰>FeSO4>微量元素>有機質。根據方差分析和極差分析結果,最佳組合仍為30%有機質、2層遮陽網、200 g/m2FeSO4、0%微量元素。

2.3 遮陰對蒙古櫟幼苗生長情況的多重比較結果

遮陰對蒙古櫟幼苗生長情況的多重比較結果,見表5。

根據方差和極差分析結果,有機質、微量元素和FeSO4對蒙古櫟生長影響不顯著,所以只對遮陰因素進行多重比較分析。由表5可知,遮陰因素影響中,水平2層的基徑、莖葉鮮重、莖葉干重顯著高于水平0層、1層和3層;水平0層、3層的苗高、根鮮重、根干重顯著低于水平2層,水平1層的苗高、根鮮重、根干重與其他水平均無顯著差異;4個水平的葉片總數無顯著差異?？梢?6項測定指標最優為水平2層,因為葉片總數的4個水平無顯著差異,所以綜合7項指標最優為水平2層。

表5 遮陰對蒙古櫟幼苗生長情況的多重比較結果Table 5 Multiple comparison results of shading on the growth of Q. mongolica seedlings

2.4 “處理1”與“處理7”蒙古櫟幼苗的形態特征和生理差異

2.4.1 “處理1”與“處理7”蒙古櫟幼苗形態特征 “處理1”與“處理7”蒙古櫟幼苗形態特征,見圖1。

注：(a)(b)(c)表示處理1(對照組)蒙古櫟幼苗形態;(d)(e)(f)表示處理7蒙古櫟幼苗形態。圖1 “處理1”與“處理7”蒙古櫟幼苗形態特征Figure 1 Morphological characteristics of "Treatment 1" and "Treatment 7" of Q. mongolica seedlings

由圖1可知,處理1(對照組a、b、c)的蒙古櫟苗木葉片表現為失綠、變黃、卷縮和邊緣焦枯現象,同時處理1的平均苗高48.67 cm、基徑6.81 mm、葉片總數36.67片、莖葉鮮重20.91 g、莖葉干重9.96 g、根鮮重24.52 g、根干重10.50 g;圖中處理7(d、e、f)的蒙古櫟葉片翠綠、厚實、葉面積大,無黃葉焦邊現象,同時處理7的平均苗高93.67 cm、基徑12.33 mm、葉片總數90.67片、莖葉鮮重75.76 g、莖葉干重37.36 g、根鮮重72.87 g、根干重35.54 g。對比2個處理的生長形態和生長指標,處理1蒙古櫟葉片發黃、焦枯、數量少,枝條纖細,根系細弱且側根少,因此導致苗木葉片較容易脫落,光合作用嚴重受限,生長發育不良,樹勢逐漸衰弱;處理7蒙古櫟葉片墨綠、寬大、數量多,枝條粗壯,根系發達且側根多,因此苗木具備旺盛的光合能力可制造大量的營養物質,苗木生長健壯、發育充實。

2.4.2 “處理1”與“處理7”蒙古櫟幼苗各項生理指標差異 “處理1”與“處理7”的各項生理指標對比,見表6。

表6 “處理1”與“處理7”的各項生理指標對比(均值±標準誤)Table 6 Comparison of various physiological indexes between "treatment 1" and "treatment 7"(Mean ± SE)

由表6可知,處理7葉片的葉綠素a含量、葉綠素b含量和葉綠素總量分別較處理1高出8.42倍、30.50倍和10.12倍,表明處理7葉片的葉綠素含量遠高于處理1,光合作用能力遠強于處理1;處理7的類胡蘿卜素含量較處理1高出2.91倍,表明處理7葉片的輔助采光能力遠強于處理1;處理1的a*值、b*值和L*值均大于處理7,試驗中處理1的葉片顏色呈現亮、白、黃,處理7葉片顏色為暗綠色;處理7的花色素苷含量較處理1高出1.93倍,表明處理7葉片的抗氧化能力遠強于處理1;處理7葉片的相對電導率較處理1低5.8%,表明處理7的抗逆性強于處理1?？傮w來看,處理7葉片的光合作用、光保護作用、抗氧化作用和抵抗能力均優于處理1。

3 討論與結論

3.1 討論

通過正交試驗發現,遮陰對蒙古櫟的6個生長指標影響顯著,FeSO4雖然對所有測定指標均無顯著影響,但在6個生長指標的極差值位居第二,有機質和微量元素對測定指標均無顯著影響,極差值也普遍位于第三或第四。這是因為光照對地球天氣和氣候的形成起決定性作用,是地球氣候形成的最主要影響因子,也是植物生長進行光合作用的必要元素[33-34]。不同海拔高度的光輻射不同,氣候環境不同,蒙古櫟在華北地區海拔800 m以上生長良好,因此在平原低海拔地區對光照表現極為敏感。多重比較結果2層遮陽網效果顯著優于其他水平,莖葉生物量和根生物量最高,這與李東勝等的研究全光照和輕度遮陰條件下總生物量和根生物量最高的結論相反,原因是平原地區全光照和輕度遮陰條件下光輻射強溫度較高,導致蒙古櫟葉片變黃焦枯和氣孔關閉,凈光合速率下降,營養物質積累少,因此蒙古櫟各器官生物量小[35]。

FeSO4能夠補充植物鐵元素,促進多種元素的吸收,改良土壤酸堿平衡和降低其堿性等作用,蒙古櫟喜于pH為5.5～7.0的土壤,而試驗地土壤pH均值為7.73,因此FeSO4對蒙古櫟的生長影響較大。蒙古櫟耐寒、耐旱、耐瘠薄,且多生長于山地,對有機質需求量少,平原地區(苗圃基地)土壤結構好,孔隙度好,因此試驗中有機質和微量元素對蒙古櫟的影響較弱[36-37]。

葉綠素是植物進行光合作用吸收光能的主要色素分子,強光一般會抑制植物葉綠素的合成[38]。處理1(對照組)葉綠素a、葉綠素b含量顯著低于處理7,葉片黃化和葉綠素的含量有直接關系,因此葉綠素a、葉綠素b含量的降低是處理1葉片變黃的主要原因[39]。b*由負轉正由藍變黃,L*由小變大由暗轉亮,處理1葉色參數b*、L*明顯高于處理7,表明處理1葉片較處理7更黃更亮。葉片色素比例和種類是葉片呈現色彩的直接原因,處理1葉片類胡蘿卜素/葉綠素總量遠大于處理7,同時花色素苷只有占主導地位時才會呈現顏色,所以推測類胡蘿卜素/葉綠素總量決定了蒙古櫟葉片的呈色,本試驗處理1葉片呈現黃色,原因是蒙古櫟在平原地區因光照強度過大,葉綠素合成的前體物質受阻或加速了葉綠素的降解,葉綠素a與葉綠素b的含量在高光下顯著下降,致使葉片中類胡蘿卜素占比變大,葉片呈現黃色[40]。

本研究發現處理7葉色參數b*、L*明顯低于處理1,同時葉綠素a含量、葉綠素b含量和花色素苷含量均顯著高于處理1,葉綠素含量和花色素苷含量越高葉色參數b*、L*越低,所以得到葉綠素和花色素苷含量同葉色參數成負相關關系,這與潘晶晶等的研究結果一致[41]。處理7與處理1的葉色參數a*相近均為負值,原因可能是2個處理組葉片色相分別為綠色和黃色,沒有轉變為紅色的跡象。處理1葉片的電導率較處理7大,表明處理1葉片電解質外滲量大,膜透性增大程度高,原因是處理7蒙古櫟生長健壯,樹勢強,抗逆性強,細胞膜受損傷小,電解質外滲量小,所以電導率小。本試驗研究了華北平原地區影響蒙古櫟幼苗正常生長的外界因子,探明了主要影響因子和因子的最佳處理水平,今后將繼續加深對健康蒙古櫟幼苗的生理和分子評價。

3.2 結論

本研究以蒙古櫟2年生幼苗為材料,采用L16(45)正交試驗設計,通過多重比較、方差分析和極差分析以及最佳處理組與對照組生理指標的對比,研究遮陰、FeSO4、有機質和微量元素對蒙古櫟生長的影響。(1)在各因素對蒙古櫟生長指標影響的方差分析中,只有遮陰對苗高、基徑、莖葉干重、莖葉鮮重、根鮮重、根干重影響顯著,FeSO4、有機質和微量元素對蒙古櫟生長指標的影響均未達到顯著水平,表明蒙古櫟的生長對光照表現最為敏感;(2)在各因素對蒙古櫟生長指標影響的極差分析中,遮陰在7個生長指標中極差值均最大,位居首位;FeSO4在6個生長指標中極差值位居第二;微量元素在1個指標中極差值位居第二;有機質的極差值在7個生長指標中均位居第三或第四。表明遮陰對蒙古櫟生長的影響占主導地位,FeSO4次之,微量元素和有機質分別位居第三和第四。(3)16個不同處理組合的正交試驗中,處理7的苗高93.67 cm、基徑12.33 mm、葉片總數90.67片、莖葉鮮重75.76 g、莖葉干重37.36 g、根鮮重72.87 g、根干重35.54 g,7項生長指標均表現最佳,表明處理7(2層遮陽網、200 g/m2FeSO4、30%有機質和0%微量元素)最適宜蒙古櫟幼苗的生長。(4)生理指標顯示,處理7葉片的葉綠素總量較處理1高出10.12倍,類胡蘿卜素含量較處理1高出2.91倍,花色素苷含量較處理1高出1.93倍,相對電導率較處理1低5.8%,表明處理7葉片的光合作用、抗氧化作用、光保護能力和抗逆性均優于處理1。在平原區按照處理7(2層遮陽網、200 g/m2FeSO4、30%有機質和0%微量元素)的栽培方式培育蒙古櫟,有利于蒙古櫟的健康生長和規?；a。