底部渗灌下薄壳山核桃容器苗的水分利用及生理响应

朱海军，张普娟，生静雅，刘广勤，曹福亮

(1.江苏省农业科学院果树研究所，江苏 南京 210014；2.南京林业大学林学院，江苏 南京 210037)



底部渗灌下薄壳山核桃容器苗的水分利用及生理响应

朱海军1,2，张普娟1，生静雅1，刘广勤1，曹福亮2*

(1.江苏省农业科学院果树研究所，江苏 南京 210014；2.南京林业大学林学院，江苏 南京 210037)

【目的】研究明确底部渗灌对薄壳山核桃水分利用及生长的影响。【方法】以薄壳山核桃一年生容器苗为材料，采用单因素随机区组设计，测定底部渗灌和上方喷灌处理下苗木水分利用效率、光合参数及养分含量。【结果】与上方喷灌相比，底部渗灌能节约灌溉水62 %，水分利用效率提高193 %；苗木株高、地径分别提高了11.7 %和41.5 %；净光合速率、气孔导度和蒸腾速率等光合作用指标显著提高；底部渗灌显著地促进了薄壳山核桃容器苗的养分积累，与上方喷灌苗木相比，根系中N增加53.8 %、K增加100 %，茎干中N增加35.3 % 、P增加48.3 %，叶片中N、P、K分别增加48.7 %、117.2 %、28.7 %。【结论】生产中薄壳山核桃容器苗培育建议采用底部渗灌的方式，节水同时也提高苗木品质。

底部渗灌；薄壳山核桃；营养生长；水分利用效率

【研究意义】目前，容器育苗中多采用上方喷灌的方式，49 %～72 %的水不能为植物利用而浪费[1]，在阔叶类和大冠幅树种育苗中尤为明显；同时，由于水肥一体化喷灌技术的应用，随水灌溉的肥料也大量损失，带来一系列的环境污染问题。底部渗灌是苗木利用基质的毛细管作用获得生长所需水分的一种新型技术，具有节水、节费、省工、省力等优点，特别是还具有促进苗木生长、提高苗木质量的特点[2-4]，近年来逐步开始受到重视。【前人研究进展】但国内在此方面开展的研究很少，公开报道的文献中仅在栓皮栎[5-6]、华北落叶松[7-9]上有初步研究。【本研究切入点】底部渗灌在容器育苗中有着越来越多的应用，不同的植物种类对水分的利用效率、适应机制有所差异。【拟解决的关键问题】本研究比较了底部渗灌和上方喷灌下苗木在水分利用、营养生长、光合生理以及养分积累等方面的响应，为底部渗灌应用于薄壳山核桃容器育苗提供了理论依据和实践基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为1年生薄壳山核桃实生苗，种子于2011年10月采自泗洪县科晖现代农业发展生态园，品种为‘Pawnee’，采收后种子置于网袋干藏。2012年3月25日种子催芽，10 d后挑选发芽种子，播种在无纺布营养袋(15 cm×30 cm)中，置于江苏省农业科学院园艺研究所日光温室内培养，基质为体积比3∶1的泥炭、珍珠岩，pH 5.4，土壤有机质含量51.6 %，大量元素含量为N(1.42 %)、P2O5(0.23 %)、K(0.119 %)；每立方米基质中添加APEX(19-6-12)控释肥6 kg。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 采用单因素随机区组设计，设置底部渗灌和上方喷灌2种处理，底部渗灌是将容器苗放置于周转箱中渗灌，上方喷灌是利用喷水壶在容器苗上方灌溉，均以浇水达到基质最大持水量的85 %为标准，每周单株称重补充水分，记录每次浇水量；出苗后，最初30 d采用上方喷灌的方式保证基质水分，然后再分别进行底部渗灌和上方灌溉处理，每处理60株，重复3次。

1.2.2 生长量与生物量测定 生长季末(10月30日)，每处理随机挑选10株，测定植株生长量和生物量，株高用钢卷尺测量、地径用电子游标卡尺测量；然后用蒸馏水将植株表面基质冲洗干净，分别称量根、茎、叶各部分鲜重，然后叶片105 ℃杀青2 h，与根、茎一起在80 ℃下烘干至恒重，称量各部分干重，重复3次。

水分利用效率=(苗木干重-种子干重)/耗水量

品质指数=苗木干重/(冠根比+高径比)

1.2.3 用水量的测定 采用称重法。通过称重充分吸水前后容器中基质重量确定达到饱和状态时容器中的水重；2012年5月1日，苗木开始底部渗灌和上方喷灌处理，每天称重容器重量，当基质中水分小于基质最大持水量的85 %时，将容器苗放在周转箱中进行底部渗灌，浸水时保持周转箱中水深为5 cm，待底部渗灌使基质达到饱和水重，称量容器重量，计算用水量；上方喷灌采取同样的方法，每天称重容器，基质含水量低于最大持水量的85 %时，喷水壶上方喷灌直至达到既定含水量，记录喷水壶总用水量。

1.2.4 光合参数的测定 利用LiCor-6400XT便携式光合测定系统(美国LI-COR公司生产)测定光合参数。每处理随机选取3株容器苗，每株选取自下往上第4、5张功能叶片，分别于当年5月20日、7月20日、9月20日上午10:00-11:00测定各光合参数，包括净光合速率(Net photosynthetic rate,Pn)、气孔导度(Stomata conductance,Gs)、胞间CO2浓度(Internal CO2concentration,Gi)、蒸腾速率(Transpiration rate,Tr)。

1.2.5 养分含量的测定 生物量测定后，根、茎、叶分别粉碎过筛，消煮后测定养分含量，其中全氮采用凯氏定氮法测定；全磷采用硫酸-高氯酸消煮法测定；钾含量采用原子吸收分光光度计(Zeenit700，德国Analytik Jena AG)测定。

1.3 数据处理

数据采用Excel 2010整理作图、SPSS 13.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 底部渗灌对薄壳山核桃容器苗生长及水分利用状况的影响

表1 底部渗灌对薄壳山核桃容器苗生长及水分利用效率的影响

注：*表示同行两指标达到显著性差异(P<0.05)，**表示同行两指标差异达到极显著水平(P<0.01)。

Notes：*indicated a significant difference at 0.05 level, **indicated a significant difference at 0.01 level.

如表1，2种灌溉方式下，薄壳山核桃容器苗耗水量及水分利用效率差异达到极显著水平。采用上方喷灌，苗木平均每株耗水量为18.56 L，而采用底部渗灌的苗木平均株耗水量仅为7.12 L，因此，底部渗灌比上方喷灌节约了62 %的用水；从水分利用效率看，底部渗灌为2.57 g/L，为上方喷灌水分利用效率的2.6倍，两者差异极显著。

不同的灌溉方式对容器苗生长有显著影响，底部灌溉下苗木株高、地径达到67.7 cm和7.78 mm，比上方喷灌苗木株高、地径分别提高了11.7 %和41.5 %，其中对地径的影响达到极显著水平，两者高径比也具有极显著差异。说明，相对于高生长，底部渗灌对薄壳山核桃容器苗地径的促进作用更大；灌溉方式也明显影响了植株根系和地上部干物质积累，底部渗灌下容器苗根冠比为1.38，是上方喷灌的苗木根冠比的1.28倍，差异达极显著水平，说明底部渗灌促进了薄壳山核桃容器苗根系的生长；总的来看，相比上方喷灌，底部渗灌更能促进薄壳山核桃容器苗的生长，苗木品质指数分别为1.97和2.75，差异显著。

2.2 底部渗灌对薄壳山核桃容器苗光合特性的影响

2.2.1 净光合速率 如图1，5月生长初期，不同灌溉方式下，容器苗净光合速率差异不显著，分别为11.95和12.82 μmol·m-2·s-1；7月，2种灌溉方式对薄壳山核桃容器苗净光合速率影响较大，达到极显著水平(P<0.01)，底部渗灌容器苗的净光合速率为10.15 μmol·m-2·s-1，较上方喷灌容器苗提高19.0 %；9月，2种灌溉方式下，容器苗净光合速率也达到极显著差异，底部渗灌苗木净光合速率比上方喷灌苗木高出27.6 %。方差分析表明，灌溉方式和不同月份间无互作效应。

2.2.2 气孔导度 灌溉方式对薄壳山核桃容器苗气孔导度的影响与净光合速率趋势一致(图1)，5月，2种灌溉方式对气孔导度影响不明显，未达到显著性差异；7月，2种灌溉方式对薄壳山核桃容器苗气孔导度影响较大，达到显著水平(P<0.05)，底部渗灌容器苗的气孔导度12.59 mmol·m-2·s-1，比上方喷灌容器苗提高10.3 %；9月，2种灌溉方式也对容器苗气孔导度产生了明显影响，达到极显著差异(P<0.01)，底部渗灌苗木净光合速率为93.1 mmol·m-2·s-1，比上方喷灌苗木高17.6 %。方差分析表明，灌溉方式和不同月份间无互作效应。

2.2.3 胞间CO2浓度 如图1所示，灌溉方式对薄壳山核桃容器苗的胞间CO2浓度具有一定的影响，但与净光合速率和气孔导度的趋势相反。在5月生长初期，2种灌溉方式下薄壳山核桃容器苗胞间CO2浓度差异不显著；7月，不同灌溉方式下，薄壳山核桃容器苗胞间CO2浓度产生了明显差异，且达到极显著水平(P<0.01)，底部渗灌处理容器苗的胞间CO2浓度值为266.5 μmol·mol-1，较上方喷灌底部渗灌苗木降低了16.3 %；9月，2种灌溉方式也对容器苗胞间CO2浓度产生了明显影响，达到了极显著差异(P<0.01)，底部渗灌苗木胞间CO2浓度值为326.73 μmol·mol-1，较上方喷灌底部渗灌苗木降低了8.6 %。方差分析表明，灌溉方式和不同月份间无互作效应。

小写字母表示差异达显著性水平(P<0.05)；大写字母表示差异达极显著水平(P<0.01)；下同Small letter indicated a significant difference at 0.05 level; Capital letter indicated a significant difference at 0.01 level. The same as below图1 底部渗灌对薄壳山核桃容器苗净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率的影响Fig.1 Effect of sub-irrigation on net photosynthetic rate, stomata conductance, internal CO2 concentration and transpiration rate of pecan containerized seedling

图2 底部渗灌对薄壳山核桃容器苗叶片、茎干、根系养分含量的影响Fig.2 Effect of sub-irrigation on leaf, stem and root nutrient content of pecan containerized seedling

2.2.4 蒸腾速率 上方喷灌和底部渗灌对容器苗蒸腾速率的影响与净光合速率和气孔导度的趋势一致(图1)，5月，2种灌溉方式对薄壳山核桃容器苗蒸腾速率影响不显著，均保持了较高的水平；而后逐渐降低，到7月，2种灌溉方式对薄壳山核桃容器苗的蒸腾速率产生了明显影响，差异达到显著性(P<0.05)，底部渗灌容器苗的蒸腾速率为23.5 mmol·m-2·s-1，比上方喷灌容器苗的蒸腾速率高26.6 %；随着苗木生长速度减缓，蒸腾速率也逐渐下降，到9月生长末期，2种灌溉方式下，容器苗蒸腾速率均下降，但两者之间显著差异，底部渗灌的容器苗的蒸腾速率仍比上方喷灌苗高，前者比后者高出19.3 %。方差分析表明，灌溉方式和不同月份间无互作效应。

2.3 底部渗灌对薄壳山核桃容器苗养分含量的影响

如图2所示，不同灌溉方式对薄壳山核桃容器苗叶片养分含量有显著影响，其中叶片中N、P含量差异达到极显著水平，K含量差异达显著水平。底部渗灌容器苗叶片N含量为1.68 %，比上方喷灌苗木叶片N含量增加48.7 %；叶片P含量达0.21 %，比上方喷灌苗木叶片P含量增加117.2 %；底部渗灌容器苗叶片中K的含量达到1.09 %，比上方喷灌苗木叶片K含量增加28.7 %。

不同灌溉方式下，薄壳山核桃容器苗茎干中养分含量也有差异。底部渗灌容器苗茎干中N含量为1.29 %，比上方喷灌苗木增加35.3 %，具有显著性差异；同样地，底部渗灌苗木茎干中P含量也显著高于上方喷灌苗木，增加量为48.3 %；而2种灌溉方式对茎干中K含量没有明显影响，两者差异不显著。

不同灌溉方式对薄壳山核桃容器苗根系中养分含量具有明显影响，除根系中P含量无显著差异，N和K含量都具有显著差异。底部渗灌苗木根系中N含量为1.02 %，比上方喷灌苗木N含量增加53.8 %；根系中P的含量分别为0.12 %和0.09 %，差异不显著；根系中K含量为0.18 %，为上方喷灌苗木K含量的2倍。

3 讨 论

目前，容器苗的培育多采用上方喷灌方式，缺点是水分容易被叶片拦截并发生偏斜，浪费严重，浪费的灌溉水达49 %～72 %[1]。同时，也导致大约11 %～19 %的氮和16 %～64 %的磷流失，随之带来环境污染问题[10]。底部渗灌可以很好地解决灌溉水的浪费和肥料流失问题，提高水肥利用率，与上方灌溉相比，底部渗灌可节水72 %、68 %[2,11]。同时，底部渗灌还能促进苗木质量的提升。陈闯[11]研究表明，底部渗灌下栓皮栎容器苗较上方灌溉苗高增加了6.1 %～14.6 %；Pinto等[12]的研究表明，与上方喷灌处理比，底部渗灌培育的紫松果菊的生物量提高14 %、苗高增加15 %。本试验结果表明，底部渗灌水分利用效率是上方喷灌的2.6倍，且节约了62 %的灌溉用水；薄壳山核桃容器苗株高、地径比上方喷灌苗木分别提高了11.7 %和41.5 %；底部渗灌下苗木根冠比、品质指数都显著高于上方灌溉苗木。

土壤水分是影响植物体内水分状况的重要因素，从而直接影响植物光合作用的进行。相关研究表明，较高的土壤含水量促进了栓皮栎的光合作用[13-14]；而土壤含水量过低，栓皮栎苗木净光合速率和蒸腾速率下降[15]。从本试验结果来看，底部渗灌促进了薄壳山核桃容器苗的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，而胞间CO2浓度则呈相反的趋势。在苗木生长初期，两种灌溉方式对光合指标影响无显著差异；在容器苗生长的中后期，底部渗灌显著促进了苗木净光合速率、气孔导度和蒸腾速率。

基质养分的有效性和吸收利用很大程度上由土壤的水分状况所决定，土壤水分不足影响根系生长，降低根系吸收能力，从而影响养分的吸收；充足的土壤水分能显著提高养分吸收的有效性[16-17]；土壤水分不足使蛋白质的合成减缓、降低植物N含量，从而影响植物的光合作用和光合产物的分配[18-19]。与上方喷灌相比，底部渗灌苗木N含量提高了15.79 %～32.18 %，P浓度提高了30.95 %～52.94 %[20]；在美国红栎、金合欢的研究上也表明，底部渗灌比上方喷灌更能促进苗木营养物质积累[21-22]。本试验结果显示，底部渗灌显著地促进了薄壳山核桃容器苗的养分积累，与上方喷灌苗木相比，根系中N增加53.8 %、K增加100 %，茎干中N增加35.3 % 、P增加48.3 %，叶片中N、P、K分别增加48.7 %、117.2 %、28.7 %。原因可能是底部渗灌下，植株体内养分损失较少从而保持较高的养分水平，同时由于植株光合作用得到促进，光合产物增加因而积累更多的营养。

4 结 论

薄壳山核桃容器苗能较好的适应底部渗灌的水分管理措施，比传统的上方喷灌提高水分利用效率，且苗木品质也大大提高，因此可以应用于容器苗的生产。

[1]Dumroese R K, Wenny D L, Page-Dumroese D S. Nursery waste water: the problem and possible remedies: PNW-GTR-365[R]. FortCollins, CO: USDA Forest Service, 1995:89-97.

[2]Dumroese R K, Pinto J R, Jacobs D F, et al. Subirrigation reduces water use, nitrogen loss, and moss growth in a container nursery[J]. Native Plants Journal, 2006, 7(3): 253-261.

[3]Dumroese R K, Davis A S, Jacobs D F. Nursery response ofAcaciakoaseedlings to container size, irrigation method, and fertilization rate[J]. Journal of Plant Nutrition, 2011, 34:877-887.

[4]Davis A S, Jacobs D F, Overton R P, et al. Influence of irrigation method and container type on northern red oak seedling growth and media electrical conductivity[J]. Native Plants Journal, 2008, 9(1):4-7.

[5]陈 闯,刘 勇,李国雷,等.底部渗灌灌水梯度对栓皮栎容器苗生长和养分状况的影响[J]. 林业科学, 2015, 51(7):21-27.

[6]陈 闯,刘 勇,李国雷,等.底部渗灌和容器规格对栓皮栎容器苗生长及营养元素含量的影响[J]. 南京林业大学学报:自然科学版, 2015(3):59-64.

[7]奚 旺,刘 勇,马履一,等.底部渗灌条件下水肥对华北落叶松容器苗生长及基质pH值、电导率的影响[J]. 林业科学, 2015, 51(6):36-43.

[8]奚 旺,刘 勇,马履一,等.底部渗灌对华北落叶松容器苗水肥利用状况及生长、光合特性的影响[J]. 东北林业大学学报, 2014(12):37-42.

[9]王 琰,刘 勇,李国雷,等.容器类型及规格对底部渗灌下华北落叶松容器苗的影响[J]. 中南林业科技大学学报, 2015(4):60-64.

[10]Juntenen M L, Hammar T, Rikala R. Leaching of nitrogen and phosphorus during production of forest seedlings in containers[J]. Journal of Environmental Quality, 2002, 31(6):1868-1874.

[11]陈 闯. 底部渗灌对栓皮栎容器苗苗木质量的影响[D].北京:北京林业大学,2014.

[12]Pinto J R, Chandler R A, Dumroese R K. Growth, nitrogen use efficiency, and leachate comparison of subirrigated and overhead irrigated pale purple coneflower seedlings[J]. HortScience, 2008, 43(3):897-901.

[13]毛海颖.栓皮栎需水规律及灌溉制度的研究[D].北京:北京林业大学,2010.

[14]杨自立.栓皮栎播种苗水氮需求规律研究[D].北京:北京林业大学,2011.

[15]谢会成,姜志林,李际红. 栓皮栎林光合特性的研究[J]. 南京林业大学学报:自然科学版, 2004(5):83-85.

[16]Burgess S O, Adams M A, Turner N C, et al. The redistribution of soil water by tree root systems[J]. Oecologia, 1998, 115(3): 306-331.

[17]Khalili A, Akbari N, Chaichi M R. Limited irrigation and phosphorus fertilizer effects on yield and yield components of grain sorghum (SorghumbicotorL.var. Kimia)[J]. American-Eurasian Journal of Agricultural & Environmental Sciences, 2008, 3(5): 697-702.

[18]Poorter H, Nagel O. The role of biomass allocation in the growth response of plants to different levels of light, CO2, nutrients and water: a quantitative review[J]. Australian Journal of Plant Physiology, 2000, 27: 595-607.

[19]An-drews M, Raven J A, Sprent J I. Environmental effects on dry matter partitioning between shoot and root of crop plants: relations with growth and shoot protein concentration[J]. Annals of Applied Biology, 2001, 138: 57-68.

[20]奚 旺.基于底部渗灌技术的华北落叶松容器苗水肥效应研究[D].北京:北京林业大学,2014.

[21]Bumgarner M L, Salifu K F, Jacobs D F. Subinigation of Quercus rubra seedlings: Nursery stock quality, media chemistry and early field performance[J]. HortScience, 2008, 43(7): 2179-2185.

[22]Davis A S, Pinto J R, Jacobs D F. Early field performance ofAcaciakoaseedlings grown under subirrigation and overhead irrigation[J], Native Plants Journal, 2011, 12(2): 94-99.

(责任编辑 李山云)

Water Use and Physiological Characteristics ofCaryaillinoensisContainerized Seedling under Sub-irrigation

ZHU Hai-jun1,2, ZHANG Pu-juan1, SHENG Jing-ya1, LIU Guang-qin1, CAO Fu-liang2*

(1.Institute of Pomology, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Jiangsu Nanjing 210014,China; 2.College of Forestry, Nanjing Forestry University, Jiangsu Nanjing 210037,China)

【Objective】The present experiment was conducted to study the effect of sub-irrigation on water use and seedling growth.【Method】Water use efficency (WUE), vegetative growth, photosynthesis and nutrient status of one-year-old pecan containerized seedling were studied under sub-irrigation and overhead irrigation.【Result】Sub-irrigation might conserve at least 62 % of irrigation water, improve water use efficency (WUE) by 193 % compared with overhead irrigation. Seedling height and root collar diameter(RCD) were increased by 11.7 % and 41.5 %. Net photosynthetic rate, stomata conductance, transpiration rate were also improved significantly. N and K content of root increased by 53.8 % and 100 %, N and P content of stem increased 35.3 % and 48.3 %, N, P and K content of leaf increased by 48.7 %, 117.2 % and 28.7 % respectively.【Conclusion】Sub-irrigation should be suggested applying in pecan containerized seedling cultivation because of its water conservation characteristic and good seedling quality.

Sub-irrigation; Caryaillinoensis(Wangenh.) K. Koch; Vegetative growth; Water use efficency

1001-4829(2017)6-1325-05

10.16213/j.cnki·cjas.2017.6.015

2016-08-09

2015年中央财政林业科技推广项目“丘陵山区薄壳山核桃早期丰产栽培技术示范”([2015]TJS03号)

朱海军(1981-)，男，山东潍坊人，副研究员，主要从事经济林栽培研究；E-mail: zhuhj81_@126.com，*为通讯作者：曹福亮，flcao126@126.com。

S664.1

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