施肥對紅松嫁接樟子松生長和生理特性的影響

郭靜, 李曉光, 李明, 李鳳娟, 周宏, 王春光

(遼寧省國有昌圖縣付家林場,遼寧鐵嶺 112517)

樟子松(Pinussylvestnisvar.mongolica)為松科(Pinaceae)松屬(Pinus)喬木,在東北主要分布于我國大興安嶺和呼倫貝爾草原紅花爾基沙地,生長快、材質好,且抗寒抗旱性能優良[1],是我國北方半干旱風沙地區主要的防風固沙林、農田、草場防護林、水土保持林和用材林樹種。其能防風固沙,且材質優良、用途廣泛,成為中國三北防護林工程中重要的常綠針葉樹種[2]。

紅松(Pinuskoraiensis)為松科松屬的常綠高大喬木,是第三紀孑遺樹種。在我國只分布在小興安嶺到長白山一帶[3],具有食用、藥用以及工業用材等重要價值。紅松早期生長緩慢,要求立地條件較高。天然紅松保有量較少,人工造林成活率低,生長緩慢,短期內難以見成效,且只有在剛進入結果期時少量結實,以后逐年遞減[4]。

樟子松與紅松同為松科松屬,生長結構和生長特性近似,具有較強的親和力,以樟子松為砧木、紅松為接穗嫁接成活率較高。而且由于紅松接穗已經攜帶母體年齡信息,嫁接后可以促進提早結實,獲得早期效益[5]。

施肥是培育優良苗木的關鍵技術環節之一,傳統施肥存在土壤的富營養化和土壤板結等問題,同時基于樹木的養分需求規律,探究新型綠色施肥方式具有深遠意義[6]。許多研究表明,在樹木生殖生長階段進行合理的施肥可以提高苗木生長及代謝水平,有效地改善土壤條件,避免營養流失,提高結實量[7]。適量增加氮素能增加樹木生物量、提高光合利用效率及促進植株滲透調節物質的累積,增強植株抗旱性;磷肥在一定程度上可以降低植物葉片熱能的耗散,提升光合電子傳遞速率[8]。在施氮肥的同時,適當添加磷肥,可以保持土壤中植物可利用資源的平衡,合理的氮磷配比更能促進植物生長發育、節省肥料[9]。生物菌肥作為一種新型的生物“肥料”,不僅可以通過促進微生物的生命活動進而加快植物對土壤中營養元素的吸收利用,還能釋放生長激素、減少有害微生物的生成,從而促進植物生長[10]。因此,本研究通過設置氮肥、磷肥及生物菌肥8個不同配施處理,以不施肥樹木作為空白對照,探討氮肥、磷肥及生物菌肥配施對紅松嫁接樟子松的生長情況和生理特性的影響,以期為紅松嫁接樟子松的綠色生產和后期豐產栽培制定合理施肥方案提供有效理論依據與技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于鐵嶺市昌圖縣西北部,付家機械林場樟子松林木良種基地69林班13小班2004年建立的樟子松1.5代園。地理坐標為124°30′E,43°31′10″N。該地區屬于溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候區,年平均氣溫6.3 ℃,年平均降水量400～636 mm,年蒸發量1 843 mm,年無霜期為145～155 d,有效積溫3 333.6 ℃。土壤為沙壤土,pH為6～7[11]。該地區有機質含量低,其中有效磷含量13.8 mg/kg,速效磷含量為3.77 mg/kg。

1.2 試驗材料

試驗材料以16 a紅松嫁接樟子松為研究對象。通過施用不同尿素(含N量>46%)、過磷酸鈣(含P2O5>12%)、生物菌肥進行配施。本試驗于2021年6月末進行紅松嫁接樟子松施肥試驗。

1.3 試驗方法

本試驗采用隨機區組設計,共設置了8個處理組、1個對照組(CK)(表1),每個小區隨機選取6棵樹,進行3次實驗重復,共162棵樹。施肥方式采用環狀溝施肥法,在樹冠滴水線外側稍遠處挖寬5～10 cm,深度約20 cm。將提前配好的肥料均勻地撒入溝內后,回土蓋平,并對試驗植株掛牌標記。

表1 紅松嫁接樟子松氮肥、磷肥及生物菌肥配肥設計Table 1 Design plan for nitrogen fertilizer, phosphorus fertilizer, and biomicrobial fertilizer blending of Pinus koraiensis grafted with Pinus sylvestris var. mongolica

1.4 生長指標及生理指標測定

1.4.1 生長指標測定

施肥前對紅松嫁接樟子松進行生長量調查,施肥后于2022年4月進行紅松嫁接樟子松各處理生長量測定。胸徑采用立木測定法,用胸徑尺測量樹木地面向上1.3 m處直徑即可,樹高采用布魯萊測高器測定。

1.4.2 生理指標測定

施肥后第二年的7月中旬,每個處理選取向陽面生長良好的針葉,取樣后將針葉放入冰盒帶回實驗室,用于生理指標測定。葉綠素含量測定選用丙酮法[11];可溶性糖含量和淀粉含量采用蒽酮比色法測定[12];可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍染色法測定;游離脯氨酸含量采用茚三酮法測定[13];丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測定[14];過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法測定[15];電導率采用浸泡法測定。

1.5 數據分析

使用IBM SPSS Statistics 25.0與Microsoft Excel 2010軟件對數據進行處理及分析,采用Duncan法對所測數據進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同配比施肥對紅松嫁接樟子松生長的影響

從圖1可以看出:不同施肥處理對于紅松嫁接樟子松的樹高生長具有極顯著影響(P<0.01)。各施肥處理紅松胸徑平均增長量從小到大依次為處理3<處理6<處理9<處理8<處理5<處理7<處理2<處理1<處理4。處理4的胸徑增長量比CK增加了9.17%,且對胸徑增長影響最大。樹高平均增長量從小到大依次為處理1<處理4<處理3<處理2<處理5<處理7<處理8<處理6<處理9。處理9的樹高增長量比CK增加了47.90%。施肥對胸徑和樹高增長均有較好促進作用,處理4能更好地促進莖直徑生長,增加胸徑;處理9能夠更好地促進根或莖生長,增加樹高。綜合分析,處理9是促進生長的最佳配比施肥方案。

2.2 不同施肥處理對紅松嫁接樟子松葉綠素的影響

由表2可知,不同氮肥、磷肥、生物菌肥配比施肥對葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量均具有顯著性影響(P<0.05)。與CK相比,其余8個處理葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總含量大多明顯升高。處理4與處理9的總葉綠素含量均較高,其中處理9水平下葉綠素含量最高達到1.656 mg/g,是CK(0.852 mg/g)的194.37%,意味著在其生長期單位時間內,較其他處理制造有機物更多,生物量增長更快。施肥處理下,葉綠素總含量最低的處理6(0.958 mg/g)仍是CK的112.44%。結果表明,施肥能顯著提高葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總含量,處理9為最佳配比施肥方案。

圖1 不同施肥處理對紅松嫁接樟子松胸徑、樹高生長的影響Figure 1 Effects of different fertilization treatments on the growth of Pinus koraiensis grafted withPinus sylvestris var. mongolica at chest diameter and tree height注:不同小寫字母表示相同時間下不同處理間差異極顯著(P<0.01)。

表2 不同施肥處理對紅松嫁接樟子松葉綠素含量的影響Table 2 Effect of different fertilization treatments on chlorophyll content of Pinus koraiensis grafted withPinus sylvestris var. mongolica

2.3 施肥對紅松嫁接樟子松可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量的影響

從表3可以看出:所有處理中可溶性糖含量均高于CK,存在顯著差異(P<0.05)?？扇苄蕴呛孔罡呤翘幚?(18.378 mg/g),其次是處理2(7.706 mg/g)和處理7(6.197 mg/g),與CK(3.49 mg/g)的可溶性糖含量相比分別提髙了426.59%、120.80%和77.56%。說明施肥能夠使樹體在冬季存儲能量與物質。淀粉是植物細胞生命活動的能量來源。處理9的淀粉含量是CK處理的29.03倍且具有極顯著差異(P<0.01)。從大到小排序為處理9>處理6>處理7>處理8>處理4>處理3>處理5>處理2>處理1。不同施肥處理紅松嫁接樟子松可溶性蛋白含量具有極顯著性差異(P<0.01),可溶性蛋白含量最高為處理9(3.071 mg/g),其次為處理3(2.116 mg/g)和處理5(1.545 mg/g)。較CK(0.253 mg/g)相比分別提高了1 113.83%、736.36%和510.67%。施肥處理下,可溶性蛋白含量最低的處理7(0.303 mg/g)較CK也提高了19.76%。綜合分析,處理9是促進樹木體內可溶性糖、淀粉與可溶性蛋白含量增長的最佳配比施肥組合。

表3 不同施肥處理對紅松嫁接樟子松可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量Table 3 Soluble sugar, starch and soluble protein contents ofPinus koraiensis grafted with Pinus sylvestris var. mongolicaby different fertilization treatments

2.4 施肥對紅松嫁接樟子松抗逆性生理指標的影響

由表4可知不同施肥處理下紅松嫁接樟子松的丙二醛含量具有極顯著差異(P<0.01),過氧化物酶活性及游離脯氨酸具有顯著性差異(P<0.05)。丙二醛含量從大到小排序為處理1>處理7>處理5>處理4>處理8>處理3>處理6>處理2>處理9;過氧化物酶活性從大到小排序為處理9>處理2>處理7>處理8>處理6>處理3>處理4>處理5>處理1,處理9的過氧化物酶活性最強,為2 157.778,其次為處理2,為2 073.333,活性最低的為CK,為1 023.333。處理9和處理2分別較CK高出110.86%與102.61%。由此可知處理9(N2P2S2)的施配比能夠使紅松嫁接樟子松具有更好的抗逆性。游離脯氨酸含量的變化趨勢與丙二醛含量相似,從大到小排序為處理1>處理3>處理7>處理8>處理4>處理9>處理6>處理5>處理2,其中游離脯氨酸含量在CK取得最大值88.410 μg/g,在處理2取得最小值18.046 μg/g,CK的游離脯氨酸含量為處理2的4.9倍。相對電導率的從大到小排序為處理1>處理5>處理8>處理2>處理9>處理6>處理4>處理3>處理7。處理7的細胞膜透性最小,傷害最低。CK細胞膜透性最大,傷害最大。由此可見,施肥處理可以降低細胞膜透性。

表4 不同施肥處理對紅松嫁接樟子松抗逆性生理指標的影響Table 4 Effect of different fertilization treatments on the physiological indexes of stress resistance ofPinus koraiensis grafted with Pinus sylvestris var. mongolica

2.5 施肥后與紅松嫁接樟子松不同生理指標之間的相關性分析

對各生理指標進行Pearson相關性分析,如表5所示。結果表明:葉綠素a濃度與葉綠素b濃度呈極顯著正相關(r=0.799,P<0.01),葉綠素a濃度與淀粉含量顯著正相關(r=0.452,P<0.05),葉綠素a與丙二醛含量呈顯著負相關(r=0.463,P<0.05),葉綠素a濃度與過氧化物酶活性呈顯著正相關(r=0.476,P<0.05)。葉綠素b濃度與葉綠素含量呈極顯著正相關(r=0.885,P<0.01),葉綠素b濃度與淀粉含量呈極顯著正相關(r=0.493,P<0.01),葉綠素b含量與過氧化物酶活性呈顯著正相關(r=0.426,P<0.05)。葉綠素含量與淀粉含量呈顯著正相關(r=0.417,P<0.05),葉綠素含量與過氧化物酶活性呈顯著正相關(r=0.421,P<0.05)。淀粉含量與過氧化物酶活性呈顯著正相關(r=0.447,P<0.05)?？扇苄缘鞍缀颗c丙二醛含量呈顯著負相關(r=-0.428,P<0.05)。丙二醛含量與過氧化物酶活性呈極顯著負相關(r=-0.497,P<0.01),丙二醛含量與游離脯氨酸呈顯著正相關(r=0.435,P<0.05)。過氧化物酶活性與相對電導率呈顯著負相關(r=-0.437,P<0.05)。

表5 不同施肥處理對紅松嫁接樟子松生理指標的相關性分析Table 5 Correlation analysis of different fertilization treatments on physiological indicators ofPinus koraiensis grafted with Pinus sylvestris var. mongolica

3 討 論

3.1 施肥對紅松嫁接樟子松形態生長及光合特性的影響

配比施肥能顯著促進樹木高生長和徑生長,提高林木抗逆性。姜岳閩[16]研究施肥對杉木的胸徑、材積生長都有較好的促進作用,而且施肥量越大效果越好,這一結果與本研究結論施肥對胸徑、樹高增長有較好促進作用相一致。在過去的研究中,樹高和胸徑的關系被廣泛視為整體生長特征,而很少有研究探究施肥對二者之間的影響差異。樹木在生長過程中需要合理分配養分和能量來支持不同部位的生長,不同施肥處理可能導致植物對養分的分配方式發生變化。

可能存在處理4情況,施肥后樹木優先支持胸徑增長,樹高增幅較少。因此,在施肥處理中需要謹慎權衡樹高和胸徑的需求,以達到最佳的生長效果。

光合作用是植物生長的基礎,葉綠素a是光合作用中最重要的光捕捉分子,調節植物對光能的吸收和利用。葉綠素b主要促進光合作用的進行,調節葉片顏色和光合作用效率,以及保護葉片原生質體不受環境脅迫的影響。葉綠素是光合作用中將光能轉化為化學能的關鍵物質,其含量高低可以直接影響到植物光合能力的大小[17]。本研究發現不同施肥處理下紅松嫁接樟子松葉綠素含量光合指標參數均高于不施肥CK,這與鄧家欣等[18]的研究結果基本一致,適量施用化肥、有機肥能促進植物生長,增大其葉面積,提高葉片葉綠素含量。同時說明適量施肥能增加紅松嫁接樟子松葉綠素含量,有利于改善植株光合性能,促進紅松嫁接樟子松干物質的積累。張明月等[19]對羅漢松的研究發現施肥后葉綠素a、葉綠素b含量均高于對照;葉綠素a/b比值越大,膜脂過氧化作用越強,品種抗旱性越弱,本實驗中進行施肥處理的比值均顯著高于CK,說明合理施肥可以提高植物抗旱性。羅帥[20]對油茶花的研究結果表明,施氮磷鉀肥有利于提高葉片葉綠素含量,本研究與以上研究結果一致。

3.2 施肥對紅松嫁接樟子松生理指標的影響

淀粉和可溶性糖是植物的主要光合產物,其中可溶性糖是淀粉合成的底物。而淀粉可以通過淀粉水解酶水解為可溶性糖?？扇苄蕴遣粌H是植物體內主要的能源物質和碳源,也是重要的滲透調節物質?？扇苄蕴呛吭黾佑欣诩毎ㄟ^提高細胞質的濃度與細胞內的能量供給來增強葉片的抗寒性。張相鋒等[21]對植物的耐鹽性研究表明施肥可以使植物體內滲透調節物質含量顯著升高。葉片中可溶性蛋白在植株的新陳代謝過程中起重要作用,可溶性蛋白含量可以反映其對惡劣環境的抵抗能力和維持自身生命活動的穩定性;植物體內可溶性蛋白含量的提高,可以提高植物的抗寒能力,使其更好地適應環境[22]。過氧化物酶是植物在逆境條件下酶促防御系統的關鍵酶之一,在逆境下維持其較高的生物活性,能夠使植物表現出較強的抗性,同時能使組織中所含的某些碳水化合物轉化成木質素,增加木質化程度[23]。研究表明過氧化物酶活性的高低是指示植物抗旱性強弱的重要指標,適量施肥可降低多種作物的細胞膜透性,提高葉片中過氧化物酶的活性[24]。

相對電導率是常用來衡量植物抗寒能力強弱的一個生理指標,自然環境氣溫降低時,植物會通過調節自身各項生理反應來適應低溫環境[25]。張璐等[26]對文冠果研究結果表明,植物細胞的細胞膜往往會發生細胞膜膜脂組成和滲透性的變化,從而導致電解質的滲出。相對電導率的數值越大,細胞膜的透性就越大,從而細胞內部就越不穩定。游離脯氨酸是植物體內滲透壓調節物質[27]。丙二醛是細胞受到脅迫后細胞膜過氧化作用分解的最終產物,是植物的抗逆性指標,含量越多說明植物受到的活性氧毒害越嚴重,從而導致植株代謝能力越弱。王瑞等[28]研究表明配比施肥合理時,植物葉片丙二醛含量會逐漸減少。

3.3 施肥與紅松嫁接樟子松生理指標的相關性分析

生理指標的相關性分析結果表明:葉綠素a、葉綠素b與葉綠素呈極顯著正相關,同時葉綠素a、葉綠素b和葉綠素之間的關系也受氮素水平的影響[29]。葉綠素含量與淀粉含量和過氧化物酶活性呈顯著正相關,淀粉通過影響植物的碳代謝和生理狀況進而影響葉綠素含量和分布[30]。葉綠素a濃度與可溶性蛋白含量呈極顯著正相關,可溶性蛋白是重要的蛋白質儲備,參與植物生理過程并影響葉綠素含量和分布,而光合作用中葉綠素a參與電子傳遞,水解的電子與可溶性蛋白結合生成氧化物影響植物代謝[31]。本研究結果表明施肥對改善植物體營養狀況,促進葉綠素合成,提高光合效率具有良好作用,進而有利于植物生長發育。

過氧化物酶活性與丙二醛含量呈極顯著負相關且與相對電導率呈顯著負相關,表明當施肥處理后的植株受到脅迫時,植物細胞膜會遭到一定程度的破壞,細胞膜的透性也隨之增大,這就使得電導率就出現不同程度的增大,從而導致細胞內的電解質不同程度地外滲[32]。通過迅速提高過氧化物酶活性調節細胞滲透勢,降低了丙二醛含量,直接保護了細胞膜[33]。

本研究表明,適當配比施肥能夠使與抗性有關的可溶性蛋白含量、過氧化物酶活性等生理生化指標顯著提高,而相對電導率、丙二醛含量下降。這些指標的變化意味著總體上可以避免因遭受不良氣候條件導致的代謝紊亂對細胞和膜造成的傷害,并且在一定程度上提高了抗氧化代謝能力,從而增強樹體抗性。

4 結 論

通過選取不同濃度氮肥、磷肥及生物菌肥配施,可以顯著促進紅松嫁接樟子松的生長,極大地提高果材兼用的質量和品質,提高樹木的抗逆性。研究篩選出N2P2S2處理9(尿素300 g/株,過磷酸鈣200 g/株,生物菌肥150 g/株)為最佳施肥組合。該配比施肥能顯著提高紅松嫁接樟子松生長量、可溶性糖、可溶性蛋白、淀粉及葉綠素的含量,降低丙二醛、游離脯氨酸含量,并能夠提升過氧化物酶活性,從而在一定程度上提高了紅松嫁接樟子松抗氧化代謝能力,從而增強樹體抗性。本研究結果為紅松嫁接樟子松的綠色生產和后期豐產栽培制定施肥方案提供理論依據與技術參考。