马尾松球果和种子发育过程及其营养元素的变化1)

陈虎 颜培栋 杨章旗 黄永利

(国家马尾松工程技术研究中心/广西马尾松工程技术研究中心(广西壮族自治区林业科学研究院)，南宁，530002) (南宁市林业科学研究所)



马尾松球果和种子发育过程及其营养元素的变化1)

陈虎 颜培栋 杨章旗 黄永利

(国家马尾松工程技术研究中心/广西马尾松工程技术研究中心(广西壮族自治区林业科学研究院)，南宁，530002) (南宁市林业科学研究所)

以马尾松球果为材料，采用整个发育周期的样品，进行发育过程形态变化观察和大量元素、微量元素等营养元素的测定。结果表明：马尾松球果整个生长周期为20个月，球果外形和质量在前12个月增长较为缓慢，之后经历2个迅速增长期。种子发育过程与球果发育外形观察不同，在雌配子体受精后，种子已经形成并开始发育，种子在前6个月的变化较大，种子饱满度不断增加，外部颜色开始变化，在最后1个月出现一次快速增长期。球果和种子在发育过程中，各营养元素质量分数在前8个月出现不同程度的上升，随后各元素质量分数逐步下降，在整个发育过程中大量元素质量分数由大到小依次为N、K、Ca、P、Mg，微量元素质量分数由大到小依次为Mn、Fe、Zn、Cu、B。

马尾松；球果；种子；营养元素

马尾松是我国南方特有的速生用材林树种，其利用价值极高，尤其对我国松脂产业发展做出了重大贡献[1-2]。目前，我国虽拥有马尾松林1 400多万公顷，但低产林改造、混交林培育等人工林面积不断加大，因此，对于马尾松优良材料和良种的需求不断加大。种子园是生产改良种子的重要途径，是育种与育林的桥梁，许多国家从上世纪40年代开始营建种子园[3]，我国从70年代开始较大规模营建种子园，建立了马尾松不同用途和高世代种子园1 200多公顷，但种子园种子产量低且不稳定，严重影响了良种产出和良种化造林的进程。

科研人员不断探讨影响产量原因，对马尾松雌雄配子体发育形态、枝条营养动态、树体与结果量关系、建园材料选择、雌雄配子体在树体分布等进行研究[4-10]，采用建园材料选择、激素处理、施肥、土壤营养诊断、树体矮化等措施来提高种子产量，取得较好的效果[11-14]。种子园是以生产良种为主，因此，在栽培管理措施上与营林有着很大的区别，必须全面深入了解球果和种子生长动态以及营养变化规律，才能有效的提高种子产量。早在1995年科研人员较详细的研究了马尾松球果发育及其营养变化特点[15-16]，为提高马尾松种子产量奠定了坚实基础。但经过20多年的气候、土壤变化，加之研究材料不同，马尾松球果发育及营养变化具有新的特点。为此，本研究通过对马尾松球果和种子发育整个周期的形态和营养元素变化进行全面分析，为提高马尾松种子产量提供指导。

1 材料与方法

球果发育期材料采自南宁市林科所国家马尾松良种基地基因库，选取有代表性的古蓬种源为材料。基因库2007年营建，株行距4 m×4 m，每个无性系种植8～10株。基因库所在地年平均气温21.5 ℃，无霜期358 d，年降水量1 246 mm，全年平均相对湿度79%，属于南亚热带南缘季风气候。海拔120 m，土壤为赤红壤，土壤pH为4.5。试验材料从2014年3月至2015年10月，于每月下旬从10株母株不同方位采集相同量的球果混合(见图1)。每次采集的球果，进行纵横径测定和称质量后，放入烘箱内，108 ℃恒温烘干至恒质量，保存备用。

2014、2015为年份，1～12为月份。

常规测定：在每次采集球果后，用分析天平(0.01)称15个球果的鲜质量；用游标卡尺测量每个样品球果的纵横径；选取样品中3个球果，拨开相同部位(球果下部第3层)鳞片，用体视镜SZX16(奥林巴斯)进行拍照和种子长宽测量。

营养元素测定：植株叶片养分测定方法参考LY/T-1999《中华人民共和国林业行业标准》：全氮(N)采用蒸馏法测定；全钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、铜(Cu)、锌(Zn)、铁(Te)、锰(Mn)分别采用硝酸-高氯酸消煮，原子吸收分光光度法测定；全磷采用硝酸-高氯酸消煮法测定；全硼(P)采用干灰化-甲亚胺比色法测定。每个样品进行3次生物学重复。

数据用Excell进行数据分析、图表制作及标准差分析，用SPSS软件进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 球果发育周期内生长动态变化

由图1和表1可知，马尾松球果整个生长周期从第1年的2月中下旬完成授粉到第2年的10月下旬进行球果采摘，历经20个月，在整个发育过程中，球果的单果质量，在发育的前12个月内的球果物质增长较为缓慢，虽然单果质量在不断增加，生长发育到第12个月时，单果质量为第3个月的1.70倍，单果都未达到1.0 g。从第13个月开始，球果发育经历2个迅速增长期，第一个发育期是第13—18个月，单果质量由1.14 g迅速增长至13.23 g，增加11.61倍；第二个快速生长发育期为球果生长的最后两个月，在第19个月时，单果质量达到23.6 g，是第一个迅速增长期(第18个月时)的1.78倍，最后1个月球果质量变化不大，比上个月增长0.46 g，球果达到成熟采收期。

球果发育过程中，球果纵横径变化与球果质量显示较为相似的过程，总体上分为3个阶段：第一阶段为生长缓慢期，也就是球果生长发育的前14个月；第二阶段为发育期(第15—18个月)，这时球果纵横径达到4.34 cm和2.35 cm；第三阶段为发育后期(第19—20个月)，后期膨大主要表现在球果纵径上，达到5.69 cm。

球果整个发育周期内，球果纵横径比值为1.37～1.94，在发育初期第1个月和第4个月球果纵横径比值达到1.9，其它月份球果纵横径比值为1.67～1.77，总体上变化不大。发育到第13—14个月时，球果纵横比值达到最小值1.37，说明此时球果长度生长速度明显加快，开始进入球果膨大期，到发育的最后3个月，球果纵横比值达到最大，这时球果形态和大小趋于稳定。

表1 球果和种子发育过程中特征变化

2.2 种子发育周期内生长动态特征

由表1和图2可以看出，1个鳞片下包含2粒种子，在雌花进行授粉后，种子开始发育，种翅和鳞片紧密相连。种子发育到6个月时，种子长宽分别达到280.5 μm和193.58 μm，是第1个月的1.96和1.79倍，说明内部籽仁发育变化较大；种子发育到第11个月时，许多鳞片下种子出现不生长现象，后期逐渐消退。到第13个月时，种子饱满度和大小明显变大，种皮颜色变白，种翅颜色也从开始的透明状，逐渐变黄，种子长宽分别达到350 μm和213 μm，比第6个月时，增加了1.25和1.97倍。17—18个月，虽然种子大小变化不大，但成熟度和饱满度变化较大，种皮颜色变为淡棕色，此时种子含水量较高。再经历2个月发育，种子达到成熟。最后2个月也是种子一个快速发育阶段，种子长宽分别达到551 μm和314 μm，是发育初期的3.85和2.91倍，此时种子完全成熟，可以进行采收。

2.3 球果发育周期营养元素变化规律

由表2可知，大量元素中N、P表现出相同的变化规律，即除在第1年9—10月份N、P质量分数有些轻微上调外，其它生长发育期N、P质量分数出现波浪状的连续下降，在球果即将完全成熟时(第2年的9月份)N、P质量分数达到最小值，只有生长发育初期的34.40%和26.66%。K、Ca、Mg质量分数与N、P质量分数变化规律相比，整个发育周期表现为“升-降”模式。其中Ca的质量分数在第1年3—10月份出现一个急速上升阶段，在10月时，Ca的质量分数达到最大值，是初期的4.24倍，随后Ca的质量分数快速下降，第2年5月份以后，Ca的质量分数平缓下降。Mg的质量分数上升期变化较为缓慢，到第1年10月份时，Mg的质量分数达到初期的1.33倍。K的质量分数上升期较长且缓慢，上升期一直持续到第2年2月份，较Ca、Mg的质量分数变化较小。在整个发育过程中，只有在发育初期(第1年3—5月份)P的质量分数高于Ca的质量分数，因此，大量元素的质量分数由高到低依次为：N、K、Ca、P、Mg。

在球果整个发育过程中，微量元素的质量分数变化表现模式较为一致，均为“升-降”模式，但变化程度较大。Mn和B的质量分数变化较大，Mn和B的质量分数都是在发育第1年3—10月份出现快速的上升，Mn和B的质量分数分别比初期增加2.25倍，经过第1年10月到第2年2月一个较为平缓下降后，在第2年2月开始，Mn和B的质量分数急剧下降，尤其是到第2年5月时，B的质量分数只有第1年10月份的0.1%，而Mn的质量分数在第2年7月达到最低，只有最高值的11.1%。Zn、Fe、Cu的质量分数变化规律较为一致，均是从发育开始，Zn、Fe、Cu的质量分数缓慢上升，到第2年2月时，Zn、Fe、Cu的质量分数达到高峰，之后随发育时间而减少，并且在第2年7月时，Zn、Fe、Cu的质量分数均达到低值，Fe的质量分数在整个过程中波动较小，最小值与发育初期基本相同。整个发育过程中微量元素的质量分数由高到低依次为：Mn、Fe、Zn、Cu、B。

从表2可以看出，所有大量和微量元素在整个球果发育过程中，单果营养元素含量变化规律是相似的，都呈现“升-降-升”的趋势，在第1年3月至第2年4月，由于球果发育较小，单果营养元素质量分数较低，从第2年4—6月份营养元素质量分数出现最大的升值过程，但营养元素质量分数均未达到最大，N、P、Ca、Mg、Zn的质量分数在6—7月份有下降趋势，之后逐步上升，在成熟期达到最大值，而K、Cu、Fe、Mn质量分数在第2年6—8月份出现一段平缓下降后开始上升，K、Cu的质量分数在成熟期达到最大值，Fe、Mn的质量分数则在第2年9月份出现最大值。另外，球果整个发育过程中B元素质量分数较低，只有在第2年5—8月份有相对较高的质量分数。

表2 球果发育过程中营养元素变化

时 间单果各营养元素质量分数/mg·个-1NPKCaMgCuZnFeMnB2014年3—5月 5．000．792．320．390．2200．010．010．030．00106—8月6．641．073．201．570．3800．010．030．060．00309—10月7．601．263．612．520．4500．010．040．100．004011—12月8．011．354．592．630．4800．020．050．110．00502015年1—2月8．521．425．342．720．500．010．020．050．110．01003—4月18．082．269．994．380．950．010．040．070．140．01005月73．329．1843．3412．733．800．040．140．360．440．01006月112．6613．7166．8225．395．880．050．230．570．590．02007月82．0410．7868．5313．344．260．050．160．480．300．01008月98．5911．5961．3319．705．660．050．200．480．470．01009月124．8415．3987．6024．058．400．080．291．141．030．000210月166．5019．06103．2935．588．590．090．381．020．910．0002

2.4 营养元素与球果发育的相关性

由表3可知，除B元素外，单果质量与其他所有营养元素和形态指标均显著相关，种子长与Fe元素、种子长与球果横径之间存在显著相关，球果横径、球果纵径、种子宽、种子长之间以及与各元素之间均存在极显著相关。

表3 各营养元素、球果形态指标间相关性系数

注：** 表示为极显著相关(p<0.01)，*表示为显著相关(p<0.05)。

3 结论与讨论

广西马尾松球果发育周期共20个月，与张云跃等[15]研究共18个月多了2个月时间，这是由于湖南和浙江等地马尾松开花期较广西晚1—2个月，但成熟期又相同；王培蒂等[16-17]研究马尾松授粉后，直到第2年5月份开始，花粉管才进行生长、受精过程，前期对球果和种子发育的影响，还需进一步研究。从球果单个质量和外形来看，第1年球果变化不大，在第2年3—5月份和8—9月份出现2个快速膨大期，也正是单球果中各营养元素快速增加的两个拐点期，这相互验证球果速生膨大吸收了树体内大量营养，树树木长势会相对偏弱。

从营养元素的变化规律来看，球果发育开始，只有N、P质量分数一直处于下降趋势，而其他元素的质量分数，经过8个月左右的上升期后才逐渐下降，N、K的质量分数要明显高于P，说明在球果生长过程中对P的需求相对较少，虽然立地营养元素存在差异，但球果发育总体上对P的需求与马尾松林木培育所需营养相反[18]，因此，在进行施肥时应相对适量减少对P的施入，过量施入P肥，会造成母树营养生长过旺，而对开花和球果发育不利。而微量元素中，Mn元素的质量分数要明显高于其它微量元素，因此，对于Mn元素较少的土壤，应考虑补充Mn元素，并结合其他微量元素混施，以促进球果和种子生长。

研究发现，第2年5月份种子不断发育饱满，到发育最后4个月时间种子物质积累加快，而部分种子则逐步衰退，可能原因是授粉不完全，或是花粉失去活性造成[19]，后续还将通过显微观察进行验证。相关性分析表明，各元素以及与单果质量、球果横径、球果纵径、种子宽、种子长等形态数据间存在显著和极显著关系，与对樟子松的研究结果一致[20]，说明在球果和种子发育过程中每个元素都有其作用，微量元素对植物生长发育有极其重要的作用，在合理的使用大量元素条件下，混合使用微量元素能够明显提高植物产量和品质，在种子园进行施肥时，大量元素、微量元素都应考虑，才能保证球果和种子健康发育[21-22]。

采收时间直接确定种子质量，采收过早造成种子物质积累还未完成，含水量较高，对种子的饱满度和发芽率有一定影响，红松种子提前采收会造成28%的损失，并对第2年结实产生影响[23]。根据本研究单果质量、纵横径和种子发育观察，种子在最后1个月有一个快速生长期，并且有4种营养元素还处在上升阶段，球果外部颜色还未发生变化，因此，马尾松采收期应为10月底或11月初。

目前，马尾松种子园基本采用矮化措施，如何在合适的时间，进行配方施肥是保证球果正常发育的重要措施。本研究结果表明，球果与种子发育过程中，大量和微量元素均对球果和种子发育有直接联系，因此，在马尾松种子园进行施肥时，应按照球果发育所需各营养量进行合理的配方施肥，在球果和种子两个膨大期前进行施肥，能够有效提高肥料利用率和种子产量。本课题组采用该方法，球果产量由2010年的2.74 kg提高到2015年的286.33 kg，效果十分显著[24]。

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Development and Nutrient Element Change in Cones and Seeds ofPinusmassonianaL.//

Chen Hu, Yan Peidong, Yang Zhangqi

(Guangxi Forestry Research Institute, Engineering Research Center of Masson Pine of State Forestry Administration/Engineering Research Center of Masson Pine of Guangxi, Nanning 530002, P. R. China); Huang Yongli(Nanning Forestry Division)//

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(5)：20-25.

With fine clones ofPinusmassonianain Guangxi, we collected cone sample of consecutive 20 months during whole cone development cycle, and observed fresh weight and morphologic changes of cones and seeds. Then, we tested the contents of macronutrient and micronutrient in this process of cones. Cone growth cycle ofP.massonianais 20 months. During this process, cone growth in the first 12 months is relatively slow, then will be much more rapid in two periods. Seed development process is different from cone growth. Seeds are formed and begin to develop after fertilization. External forms of seeds change largely in the first 6 months. Along with the development, seed plumpness increases and external color changes. In the last month the seed growth will be the most rapid than before. In the process of cone development, content of each nutrient element rises only in the first 8 months in different level, then declines gradually until maturation. During the whole development process, the macronutrient content in descending order is N, K, Ca, P, and Mg, and the micronutrient content in descending order is Mn, Fe, Zn, Cu, and B.

PinusmassonianaL.； Cone; Seed; Nutrient element

1)广西“八桂学者”专项经费(2011A015)；国家自然科学基金项目(31660219)；广西林业科技项目(桂林科研〔2015〕第24 号)；“十二五”农村领域国家科技计划课题(2012BAD01B0202-04)。

陈虎，男，1983年8月生，国家马尾松工程技术研究中心/广西马尾松工程技术研究中心(广西壮族自治区林业科学研究院)，高级工程师。E-mail:chenhubeijing-2008@163.com。

杨章旗，国家马尾松工程技术研究中心/广西马尾松工程技术研究中心(广西壮族自治区林业科学研究院)，教授级高级工程师。E-mail:yangzhangqi@163.com。

2016年11月25日。

S722.1

责任编辑：王广建。