四川桤木不同无性系1 a生嫁接幼苗生长及叶片养分含量特征

白文玉，张林成 ，铁烈华，冯茂松*，汪亚琳，高嘉翔，赖 娟，戴晓康

（1.四川农业大学林学院/长江上游森林资源保育与生态安全国家林业和草原局重点实验室/长江上游林业生态工程四川省重点实验室，成都 611130；；2.平昌县林业局，四川 平昌 636400）

四川桤木（Alnusledgeriana）为桦木科（Betulaceae）桤木属（Alnus）落叶乔木，具有适应性强、生长迅速和材质优良等特点，已成为我国长江防护林工程及国家造林项目的重要树种[1-2]。四川桤木根系具有根瘤，可以有效改良土壤，选择桤木良种对于生态林和用材林基地建设应用具有重要意义[3-4]。林木优良无性系的选育是林业研究的重要内容之一[5]。生物量反映了植物的物质积累状况和对环境资源利用的能力[6-7]，是衡量林木生长情况的重要指标[8]。叶是植物光合作用和养分储存的重要器官，能灵敏反映植物对环境（如土壤养分含量）变化的适应性及植株的生长发育状况[9]。叶片养分化学计量是研究植物生长速度、植物氮（N）和磷（P）利用效率的有效方法[10]。因此，研究植物生物量和叶片养分含量及化学计量对了解植物对环境的适应能力和对资源的利用能力具有重要的意义。

四川桤木不同无性系长期处于不同的生境中，由于受遗传变异和自然选择的影响，其对环境中营养元素吸收的能力可能不同，其生长情况也可能存在差异，这为四川桤木良种育苗提供了选育材料。近20年来，众多学者对四川桤木混交林营造[11]、生物固氮[12]以及光合特征[13]等开展了研究，但目前对于四川桤木种子园建设中不同无性系生长与叶片养分含量特征的研究鲜有报道。有研究发现，不同树种的生长状况、叶片元素含量及化学计量比存在一定程度的差异。此外，叶片养分含量会影响植物的生长发育，然而不同树种的养分调控元素可能不同。例如罗汉东等[14]研究了不同施钾（K）水平对油茶树体生长和林地养分含量的影响，结果表明叶片N、P、K是油茶生长（地径、冠幅乘积、株高）的影响因子；而刘士玲等[15]研究表明，西南桦无性系幼苗叶片N、P及N/P含量是生物量的影响因子。基于此，本研究依托国家级桤木种子园和桤木良种基地建设平台，在四川桤木的适生区（平昌县），采集30株四川桤木优树的穗条，将穗条按无性系分别嫁接于生长势一致的实生四川桤木砧木上，测定四川桤木无性系嫁接幼苗的生长和叶片养分含量，研究不同无性系嫁接幼苗间的生长及叶片养分含量特征，探究四川桤木无性系嫁接幼苗生长与叶片元素含量之间的关系，为桤木无性系初级种子园和国家级桤木良种基地建设提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

本次试验地位于平昌县元山镇的桤木良种育苗基地（31°37′18.6′N，107°7′57.4′E），属于中亚热带湿润季风气候，海拔650 m，年均降雨为1 200 mm，年均温为16.8℃，四季分明，年均日照时数1 239.3 h，无霜期297 d。境内植被丰富，主要乔木树种有桤木、柏木（Cupressus funebris）、马尾松（Pinus massoniana）等。基地坡向为东南方，坡度约10°，具有灌溉等配套设备，光照充足，土壤为紫色壤土，呈弱酸性，土层深度大于40 cm。

1.2 试验材料

2015年11月，将苗圃地划分为3个区组，每个区组包含30个1.2 m×6 m的小区。将生长健壮、长势基本一致、无病虫害的当年生四川桤木实生营养袋苗（种子采自平昌县四川桤木母树林）按株行距20 cm×20 cm进行栽植，作为砧木。前期对四川省四川桤木的分布情况调查结果显示，平昌县为四川桤木适生区，区域内四川桤木生长良好，病虫害较少，分布相对集中成片。基于此，2015年12月底，在平昌县选择郁闭度大于0.6，林相整齐的15～20 a生四川桤木纯林，采用优势木对比法筛选出自然整枝良好、树干通直、无病虫害的四川桤木优树共30株，每株采集穗条约200枝。采集穗条时选择树冠中上部生长健壮、叶芽饱满、粗度 3～5 mm，长度 30～50 cm 的1 a生枝条，编号为平昌 1～30（PC1～30）。将采集好的穗条打捆，用湿报纸包裹，放入编号，做好登记，并尽快带回实验室，保存于4℃冰柜中待用。2016年1月初，采用随机区组设计方法，将采集的四川桤木优树的穗条嫁接于长势一致、无病虫害的砧木上，每小区内约嫁接100株，同株优树上采集的穗条重复3次（嫁接于3个小区）。挂上对应的标号牌，做好登记。

1.3 指标测定

2016年9月中旬，测定小区内所有嫁接幼苗的株高和基径，株高采用卷尺测量植株接穗处以上的高度，基径采用游标卡尺测定植株接穗处的直径。根据测定结果在每个小区内选出3株与均值相近的植株，作为待测植株，将待测植株全株挖起带回实验室测定各器官生物量和叶片养分。

生物量测定：将待测植株按器官（叶、茎、根）进行分离，将根系带回实验室后洗净表土，将植株的叶、茎、根放入烘箱105℃杀青30 min，在65℃的烘箱里烘干至恒重，分别称量其干重，并计算总生物量（叶生物量+茎生物量+根生物量）和根冠比（根生物量/地上部分生物量）。

叶片养分测定：叶片经烘干称量其干重后，剔除主要叶脉并被磨成粉末用以进行养分含量的测定。N-采用凯氏定氮法测定（LY/T 1269-1999）[16]，P-采用钼锑抗比色法测定，钾（K）-采用火焰光度计法测定（LY/T 1270-1999）[17]，同时计算N和P质量比值（N/P），N和K质量比值（N/K）以及P和K质量比值（P/K）。

1.4 数据统计与分析

用 Excel 2010 和 SPSS 25.0（IBM SPSS,Chicago，USA）统计分析软件对数据进行整理和统计分析，采用单因素方差分析方法（one-way ANOVA）比较四川桤木不同无性系嫁接幼苗间生长、生物量、叶片养分含量以及化学计量比的差异。采用系统聚类方法对四川桤木无性系嫁接幼苗的生长特征（株高、基径、叶生物量、茎生物量、根生物量和总生物量）进行聚类分析，根据分类结果，对不同类无性系嫁接幼苗的生长、生物量及叶片养分含量进行方差分析。并分析生长特征和叶片养分含量之间的皮尔森相关系数（pearson correlation coefficient）。本文数据统计的显著性水平设定为a=0.05。

2 结果与分析

2.1 四川桤木不同无性系嫁接幼苗生长特征

由表1可以看出，四川桤木不同无性系嫁接幼苗间的株高和基径存在显著差异（P＜0.05），株高范围为139.33～221.67 cm，基径范围为6.46～20.83 mm，其中无性系PC8的株高显著（P＜0.05）大于其他无性系，无性系PC7和PC9的基径显著（P＜0.05）大于其他无性系。此外，四川桤木不同无性系嫁接幼苗叶生物量范围为19.60～83.20 g，茎生物量范围为33.77～145.25 g，根生物量范围为 8.73～37.74 g，四川桤木不同无性系嫁接幼苗根冠比范围为0.12～0.26。其中无性系PC8的各器官生物量和总生物量值均最大，其中叶生物量显著（P＜0.05）大于其他无性系，PC7、PC8和PC9的茎生物量和根生物量差异不显著（P＞0.05）且均显著（P＜0.05）大于其他无性系，PC8总生物量最大（265.63 g），是总生物量最小无性系PC13（65.89 g）的4倍。可见，四川桤木不同无性系嫁接幼苗生长特征不同，其中无性系PC7、PC8和PC9的长势好于其他无性系。

表1 四川桤木不同无性系嫁接幼苗生长特征Table 1 Growth performance of grafted seedlings of different clones of Alnus ledgeriana

（续表1）

2.2 四川桤木不同无性系嫁接幼苗叶片养分含量及其化学计量比特征

由表2可知，四川桤木不同无性系嫁接幼苗叶片N含量范围为8.82～16.44 g/kg，叶片P含量范围为0.87～2.18 g/kg，叶片 K 含量范围为 5.92～14.64 g/kg。无性系PC8的叶片N含量（16.44 g/kg）最高，与PC2、PC9、PC20、PC30 差异不显著（P＞0.05），显著（P＜0.05）大于其他无性系。无性系 PC2、PC23与PC7、PC8、PC9、PC30之间的叶片P含量差异不显著（P＞0.05），均显著（P＜0.05）大于其他无性系。无性系PC8叶片K含量最高（14.64 g/kg），是 K 含量最低无性系（PC5）的2.5倍。四川桤木不同无性系嫁接幼苗叶片N/P范围为 5.61～12.27，N/K 范围为 1.13～1.99，K/P 范围为3.71～8.86。无性系PC11叶片的N/P和N/K最大，其中 N/P 与 PC10、PC12、PC16、PC20、PC25、PC26、PC28、PC29差异不显著（P＞0.05），N/K 与 PC8、PC10差异不显著（P＞0.05），且显著（P＜0.05）大于其他无性系；无性系PC8叶片N/K最低，仅为PC27的57%。可见，四川桤木不同无性系嫁接幼苗叶片养分及其化学计量比存在一定的差异，其中无性系PC7、PC8和PC9的叶片养分含量较高。

表2 四川桤木不同无性系嫁接幼苗叶片养分含量及其化学计量比Table 2 Leaf nutrient concentration and stoichiometric ratio of grafted seedlings of different clones of Alnus ledgeriana

(续表 2)

2.3 四川桤木不同无性系嫁接幼苗聚类分析

系统聚类分析结果表明，在平均欧式距离5处，可将30个四川桤木无性系嫁接幼苗按照生长表现划分为3类（图1）。第1类包含12个无性系（PC5、PC24、PC4、PC19、PC10、PC2、PC15、PC27、PC26、PC6、PC14、PC30），第 2类包含 15个无性系（PC11、PC28、PC13、PC29、PC20、PC12、PC25、PC16、PC1、PC21、PC3、PC18、PC17、PC22、PC23），第 3 类包含 3 个无性系（PC7、PC9、PC8）。通过对3类无性系嫁接幼苗的生长、生物量及叶片养分含量方差分析表明（图2），第3类无性系的株高、基径、各器官生物量、总生物量以及叶片N含量均显著大于第1类和第2类无性系（P＜0.05），第2类无性系叶片K含量显著大于第1类和第3类无性系（P＜0.05）。

图1 四川桤木不同无性系生长特征聚类分析Figure 1 Cluster analysis of Alnus ledgeriana clones based on growth performance

图2 3类四川桤木无性系嫁接幼苗生长特征和叶片养分含量Figure 2 Growth performance and leaf nutrient concentration of grafted seedlings of three classes of Alnus ledgeriana

2.4 四川桤木嫁接幼苗生长特征与叶片养分含量及化学计量比的相关关系

由表3可知，四川桤木嫁接幼苗叶片的N、P、K含量与株高、基径叶生物量、茎生物量、根生物量和总生物量呈极显著正相关关系（P＜0.01）。叶片N/P与株高、基径叶生物量、茎生物量、根生物量和总生物量呈极显著负相关关系（P＜0.01）。叶片N/K与叶生物量呈极显著负相关关系（P＜0.01），与基径、茎生物量和总生物量呈显著负相关关系（P＜0.05）。叶片K/P与株高呈极显著负相关关系（P＜0.01）。

表3 四川桤木嫁接幼苗生长与叶片养分之间的相关性Table 3 The correlations between growth performance and leaf nutrient concentrations for the grafted seedlings of Alnus ledgeriana

3 讨论与结论

植物生物量的大小能反应植物利用和积累资源的能力[18]，同一微环境内生物量越大往往表明单位时间内植物通过光合作用所生成的有机物质减去植物自身呼吸损耗后剩余的部分越大，净初级生产力也越大[19]。在本研究中，第3类无性系嫁接幼苗（PC7、PC9、PC8）各器官生物量和总生物量都最大，第1类无性系生物量次之，第2类无性系生物量最小。这暗示着3类无性系嫁接幼苗的净初级生产力可能存在差异，其中第3类无性系嫁接幼苗净初级生产力可能最大，积累的物质和吸收的光能最多；第1类无性系次之，第2类无性系积累的物质和吸收的光能最少。我们之前的研究也表明，四川桤木不同嫁接幼苗的光合作用存在差异[20-21]，这进一步支持了3类无性系嫁接幼苗的净初级生产力存在差异的推论。

N、P、K在植物体的各种生理与生物化学过程中起着重要作用，一般情况下植物的生长速率与叶片N、P、K元素含量密切相关[22-23]。在本研究表明，不同无性系嫁接幼苗叶片的N、P、K含量和生长特征存在差异。植株的遗传特性对叶片养分含量有重要影响[24-25]。在本研究中30株无性系嫁接幼苗所处的环境，特别是土壤条件一致，砧木的培育方法一致，然而不同无性系嫁接幼苗叶片养分含量却不同。这可能是因为，不同无性系嫁接幼苗的遗传特性存在差异，植株对养分的吸收和利用效率不同，因此造成不同无性系嫁接幼苗叶片的N、P、K含量的差异。相似的，刘落鱼等[26]对不同品种茶花苗木叶片养分特征的研究结果表明，茶花苗木遗传特性的差异是造成叶片养分含量不同的原因。本研究还发现，第3类无性系嫁接幼苗（PC7、PC9、PC8）叶片的 N、P、K含量较高，长势最佳。相关分析结果表明，四川桤木无性系嫁接幼苗叶片的N、P、K含量与其生长（株高、基径、各部分生物量）成极显著正相关关系（P＜0.01）（表3）。这表明，第3类无性系嫁接幼苗可能对土壤N、P、K养分的吸收能力更强，其无性系嫁接幼苗中叶片的N、P、K养分积累更多，进而对生长有明显的促进作用。可见，叶片N、P、K是四川桤木无性系嫁接幼苗生长（株高、基径、各部分生物量）的调控因子。这与罗汉东等[27]对不同模式施肥对油茶叶片生长及其养分含量的影响研究结果相似。此外，有研究表明植物叶片养分可以表征植物对环境的适应能力[28]和植物营养元素的丰缺情况[29-31]。在本研究中，第3类无性系嫁接幼苗（PC7、PC9、PC8）叶片营养含量丰富，同时其长势较好，表明无性系PC7、PC8、PC9对该环境的适应能力可能更强。因此，在后期初级桤木种子园建设中可以适当推广栽植无性系 PC7、PC8、PC9。

综上所述，四川桤木不同无性系嫁接幼苗生长特征和叶片养分含量及化学计量比存在显著差异。按照其生长和生物量特征可将30个四川桤木无性系嫁接幼苗分为3类，其中第3类无性系（PC7、PC8和PC9）长势最佳，叶片养分含量最高，各器官生物量最大；第1类无性系次之；第2类无性系长势最弱，各器官生物量最小，叶片养分含量相对最少。因此，在国家级桤木良种基地建设中应该重点关注无性系PC7、PC8和PC9的生长与叶片养分含量特征及其与其他无性系之间的差异，为桤木良种造林推广提供更为全面的数据。最后，四川桤木无性系嫁接幼苗生物量随着叶片中N、P、K含量的升高而增大，因此增加叶片N、P、K含量可能是加快桤木无性系生长的重要措施，这为初级种子园和国家级桤木良种基地的经营管理的提供了科学依据。