3种倍性青杨扦插苗对覆膜滴肥的生长响应

韦庆钰，黄海龙，吴纯泽，苏嘉熙，卫 星

(东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

青杨(Populuscathayana)为杨柳科杨属落叶乔木，在全国范围广泛分布，因其具有成活率高、生长迅速、适应性强等优点，成为北方重要的生态保护和用材树种之一[1]。青杨不仅在农林水土保护、木材、纸浆和造纸行业中广泛应用，也是潜在的生物能源资源[2]。多倍体杨植株在叶面积、叶厚及气孔大小等形态特征方面与2倍体杨相比均表现出巨大性，且生长迅速[3-5]；其次，由于多倍体次生代谢成分叶绿素增加[6-7]，其抗病、耐旱及抗旱能力优于2倍体[8]。因此多倍体青杨被更广泛地应用，市场需求量大。2年生插穗或二根一干苗是目前青杨主要的育苗和造林材料[9]，育苗时间较长。多倍体青杨速生高大的性状，依赖于优质肥沃的生长环境[3,10-11]。研发合理的养分管理方案，对指导多倍体青杨高效培育技术体系的建立具有重要意义。

覆膜滴灌技术是将滴灌技术与覆膜相结合，借助滴灌管道系统将水肥均匀、定时、定量在膜下浸润作物根系发育区域的一项有效增产栽培措施[12-13]。指数施肥是一项以苗木生长规律为基础，制定适宜的苗木营养负荷模型，有效促进苗木养分积累的同时避免养分毒害的养分管理技术[14]，在苗木培育中被广泛应用[15-18]。然而苗木类型不同，如种子实生苗[19-20]、扦插苗[21-23]、嫁接苗[24]、组培苗[25-27]等，其指数施肥作用效果差异较大。容器苗、裸根苗、覆膜等育苗设施的差异也可能造成指数施肥效果的不同。

为进一步完善多倍体青杨扦插苗覆膜滴肥培育技术体系，提高苗木质量，本研究以不同倍性青杨扦插苗(分别为2倍体、3倍体、4倍体)为研究对象，将覆膜滴灌技术与养分管理措施相结合，在覆膜滴灌条件下进行指数滴肥(EF)、常规滴肥(CF)、不施肥(CK)3种处理。根据笔者之前的研究，覆红色膜最有利于青杨扦插苗生长[28],所以本研究采用覆红色膜。通过对苗木地上部分生长状况、根系发育、生物量积累和苗木生理指标的测量，探索出覆膜滴灌下不同施肥方式对3种倍性青杨扦插苗生长的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及供试材料

试验地位于黑龙江省东北林业大学帽儿山实验基地(127°30′～127°34′E，45°21′～45°25′N)。该地区属寒温带大陆性季风气候，海拔300 m左右，年均气温2.8 ℃；无霜期120～140 d；年均降水量为723.8 mm，年均蒸发量为1 094 mm。

供试苗木来源于东北林业大学帽儿山试验林场1年生2倍体、3倍体和4倍体青杨枝条。2019年5月中旬选取不同倍性青杨优良枝条制作成长20 cm插穗，经生根液(聚丰春扦插用生根液)浸泡后进行扦插。试验采用床作育苗，垄长约为13 m，宽约1 m，在苗床两侧等距铺设滴灌管(厚0.3 mm，滴头距离30 cm)，滴灌设备由山东莱芜乐农节水灌溉有限公司提供。每垄为一种滴肥处理，垄内分别设置2倍体、3倍体和4倍体3个小区，各小区均铺设红色地膜(厚0.02 mm)，地膜由浙江家乐蜜园艺科技有限公司提供。不同小区间隔离带约为40 cm，3个小区随机排列；每小区栽植2列，苗间距为30 cm，即每小区共栽植40株扦插苗。扦插后对各小区进行施肥处理。苗木生长期内定期进行人工除草，每处理随施肥滴入等量的水。

1.2 滴肥试验设计

试验共设置覆膜滴灌下指数施肥(exponential fertilization，EF)[29]、常规施肥(conventional fertilization，CF)和不施肥(CK)3种处理，每种处理3个重复，共9垄。每垄随机分布上述3个试验小区，即共27个试验小区。肥料选用国光莱绿士大量元素水溶肥料(N 20%、P2O520%、K2O 20%，邵武龙川园艺有限公司)。覆膜滴肥时采用水驱动力将肥料输送到滴灌管中，从滴头匀速滴出，每15 d对苗木补充1次肥料，整个生长季共补充7次。

考虑到苗木无法吸收全部所滴肥料，总会存在部分养分流失，本试验按照稳态奢侈养分来增加苗木体内养分承载，因此总滴肥量应大于苗木最终养分含量[14,30-31]。两种N素滴肥方案每次施肥量设计见表1。

表1 不同滴肥方式下1年生青杨扦插苗不同时期N素用量Table 1 N supply level at different time with Populus cathayana seedlings under different fertilization regimes g/株

两种施肥方案如下：

1)常规滴肥。在相同时间内等量滴肥。每次滴肥量Nt=NT/t。式中：NT表示总滴肥量，t表示滴肥次数。

2)指数滴肥。每次滴肥所需要的滴肥量根据指数施肥模型[29]来确定，即：Nt=Ns(er t-1)-N(t-1)。式中：Nt表示在相对增加率r下的第t次滴肥时的滴肥量，Ns表示苗木在滴肥最初阶段的养分含量，N(t-1)表示前t-1次的养分滴入总量[32]。

根据Dumroese等[29]的方法确定r，即：NT=Ns(er t-1)。式中：NT表示第t次滴肥后苗木的最终养分含量, 假设肥料利用率为100%。其中Ns、NT的确定参考试验前一年(2018年)1年生青杨播种苗苗木(未做任何滴肥处理)初期和生长结束后的养分含量(Ns为46.30 mg/株；NT为613.65 mg/株)，经计算，r=0.699 2。

1.3 试验指标测定

1.3.1 形态指标和生物量的测量

从试验初期开始，每次滴肥前(观测至9月初)用游标卡尺、直尺测量所有扦插苗的苗高和地径，并在第1次测量时在每株扦插苗上挂好号码标签。生长结束时用手持激光叶面积仪(美国CID公司，CI-203)测量叶面积。生长结束后每处理取样6株，将取样后的苗木分成根、茎和叶3部分，用蒸馏水将其表面泥垢洗净。用Epson 扫描仪 (Expression 10000XL 1. 0，Regent Instruments Company，Canada) 扫描苗木根系，使用 Win RHIZO Pro2004b 软件对根系形态指标进行分析，即根系总长度、根系直径、根系表面积、根系体积和根尖数量。用滤纸吸干根、茎和叶表面水分，分别装进信封后放入烘箱，在105 ℃下杀青10 min，70 ℃烘48 h至质量恒定，用电子天平(±0.01 g)称量其干质量，即为苗木各营养器官的生物量。

1.3.2 生理指标的测定

2019年8月下旬9:00—11:00，选择生长势相同的每处理下3种倍性材料各3株。使用LI-6400便携式光合仪(LI-COR, Inc. Lincoln NE, USA)测量第5片功能叶。光强为1 000 μmol/(m2·s)条件下对净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)等气体交换参数进行测定。每片叶测量3次。根据单株光合产量(photosynthetic yield per stem)YPYPS=净光合速率×叶面积[33]，计算每处理下3种倍性材料的单株光合产量。另选6株苗木，用SPAD-502型叶绿素仪(日本柯尼卡美能达公司)测定其第5、6、7片功能叶片叶绿素含量(SPAD)。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 19.0统计分析软件对数据进行描述统计和正态检验，然后进行方差分析。并用LSD法进行多重比较分析(α=0.05)。用SigmaPlot 12.5(SYSTAT公司)作图。利用 Canoco 4.5 进行主成分分析(PCA)并作图。

2 结果与分析

2.1 覆膜滴肥对青杨扦插苗生长的影响

2.1.1 对青杨扦插苗地上部分的影响

滴肥后苗木生长仍呈现慢—快—慢的“S”形趋势，但速生期生长速率均高于对照(图1、图2)。常规滴肥CF处理下的苗高和地径生长始终大于指数施肥和对照。生长结束时苗高、地径和叶面积(图3)从大到小均表现为CF>EF>CK。CF处理下苗高和地径比指数施肥显著提高27.80%和13.81%(P<0.05)。EF、CF滴肥形式下，3种倍性青杨苗木苗高和地径没有显著的差异，但4倍体叶面积显著优于2倍体(P<0.05)。

不同小写字母表示同一倍性植株生长结束时在各指标不同施肥处理间差异显著(P<0.05)。下同。The different lowercase letters represent the significant difference of indexes in same ploidy type Populus cathayana seedlings among different fertilization regimes(P<0.05). The same below．图1 不同滴肥方式对3种倍性青杨扦插苗苗高生长趋势的影响Fig.1 Effects of different fertilization regimes on height growth trend with Populus cathayana seedlings of three ploidy types

图2 不同滴肥方式对3种倍性青杨扦插苗地径生长趋势的影响Fig.2 Effects of different fertilization regimes on collar diameter growth trend with Populus cathayana seedlings of three ploidy types

2.1.2 对青杨扦插苗地下部分及各营养器官生物量的影响

与对照相比，覆膜滴肥显著增加了青杨扦插苗根系总长度、根系直径、根系表面积、根系体积和根尖数量(P<0.05，图3)，从大到小表现为CF>EF>CK。指数滴肥下，根系各指标从大到小均表现为4倍体>3倍体>2倍体。常规滴肥下，根系直径和根系体积则从大到小表现为3倍体>4倍体>2倍体(P<0.05)。

不同小写字母表示同一施肥处理各指标在不同倍性青杨间差异显著(P<0.05)。下同。The different lowercase letters represent the significant difference of indexes among different ploidy types Populus cathayana seedlings (P<0.05) under same fertilization regime. The same below．图3 不同滴肥方式对3种倍性青杨扦插苗叶面积和根系发育的影响Fig.3 Effects of different fertilization regimes on leaf area and root morphology index with Populus cathayana seedlings of three ploidy types

从覆膜滴肥对青杨扦插苗各营养器官生物量的影响来看，施肥处理显著增加了青杨扦插苗根、茎和叶生物量的积累(P<0.05，表2)。CF处理下的苗木根、茎和叶生物量最高，分别比对照显著高出102.25%、191.02%和102.90%(P<0.05)，且4倍体青杨扦插苗根生物量显著大于2倍体和3倍体(P<0.05)。EF处理下的青杨扦插苗根、茎和叶生物量分别显著高出对照39.42%、73.36%和53.23%(P<0.05)，且4倍体青杨扦插苗的根、茎和叶生物量最大。EF和CF处理下的根茎比分别显著较对照小32.52%和36.67%，但3种倍性苗木根茎比无显著差异。

表2 不同滴肥方式对3种倍性青杨扦插苗生物量的影响Table 2 Effects of different fertilization regimes on root biomass, stem biomass and leaf biomass with Populus cathayana seedlings among three ploidy types g

2.2 覆膜滴肥对青杨扦插苗光合生理指标的影响

EF和CF处理下叶片叶绿素含量分别较对照显著增加25.30%和14.66%(P<0.05，图4)。施肥显著增加了4倍体青杨叶片叶绿素含量(P<0.05)。EF和CF处理下苗木单株光合产量分别显著较对照提高33.95%和38.79%(P<0.05)，大小顺序表现为4倍体>3倍体>2倍体，且差异显著(P<0.05)。施肥显著增加了叶片胞间CO2浓度(P<0.05)。3倍体叶片胞间CO2浓度在EF处理下显著高于其他倍性类型(P<0.05)，在CF处理下各倍性类型间无显著差异。EF处理显著增加了叶片气孔导度，而CF与对照之间无显著差异，且多倍体叶片气孔导度大于2倍体。施肥显著提高了苗木叶片的蒸腾速率(P<0.05)，但3种倍性类型之间无显著差异。

图4 不同滴肥方式对3种倍性青杨扦插苗光合生理指标的影响Fig.4 Effects of different fertilization regimes on photosynthetic physiological index of three ploidy types Populus cathayana seedlings

2.3 不同滴肥方式下2倍体和多倍体青杨扦插苗各指标间的关系

多倍体和2倍体青杨扦插苗叶生物量、总叶面积、根系形态指标和光合生理指标的PCA第1排序轴分别解释总样本的88.1%和88.3%。两种滴肥方式在2倍体上差异更为明显，在多倍体上差异较小(图5)。且滴肥条件下，3倍体与4倍体之间差异不大。与2倍体相比，多倍体根系形态指标与其余各指标之间具有更好的相关性，其中根尖数量、根系直径与叶面积、单株光合产量以及叶绿素在多倍体中有极强的相关性。

RL.根系总长度root length；RD.根系直径root diameter；RT.根系表面积root area；LB.叶生物量leaf biomass；LA.叶面积leaf area；PYPS为单株光合产量photosynthetic yield per stem。图5 不同滴肥方式下2倍体和多倍体青杨扦插苗叶生物量、总叶面积、根系形态指标和光合生理指标的主成分分析(PCA)Fig.5 PCA among root length(RL)，leaf area, root morphology index and photosynthetic physiological index with Populus cathayana seedlings of diploid and polyploid types under different fertilization regimes

3 讨 论

指数施肥因其具有促进苗木养分稳定积累并且避免养分毒害等优点[31]，在苗木培育中广泛采用[15-18]。然而，苗木不同、育苗方式不同，指数施肥作用效果也不尽相同[31]。本研究发现覆膜滴灌下常规施肥比指数施肥更显著促进了青杨扦插苗地上部分的生长，并且有效地促进了苗木根系发育，增加了根生物量。分析主要是因为插穗中储存的养分使扦插苗木快速进入生长期。Dong等[34]认为速生杨插穗的生长相对于插穗内部储存的养分更依赖于增施的N肥，同时Kelly等[35]对辽杨×美洲黑杨(P.nigra×P.maximowiczii)杂交无性系扦插苗的研究证明其对N素的吸收首先发生在前半个时期，且土壤中的N素不能满足苗木生长需求。所以常规滴肥在苗木生长前期充足的养分(尤其是N素)供给满足了插穗地上茎、叶和地下根系的发育[34, 36]。指数施肥在前期养分供给很少，不符合青杨扦插苗的需肥特点[36]，尽管后期指数施肥量增加，但此时常规滴肥苗木生长优势已经十分明显。因为在总肥量相同的情况下，常规施肥满足青杨插穗早期需肥要求，覆膜滴肥又可以有效减少因风、雨等因素冲刷造成的养分流失，从而为速生杨树插穗苗生长提供了充足的养分保障。常规施肥下苗木根系生物量和光合生理等结构和功能的变化，均进一步证明覆膜滴肥条件下常规施肥的作用优势。常规滴肥在生长初期比指数滴肥的肥量供给高，使土壤中N素充足，苗木在一定程度上减少了对根系中C的投入，降低了苗木的根生物量的占比，促进了茎叶生物量的增加[37-40]。林晓明等[33]认为107杨中86%生物量是由单株光合产量(净光合速率×叶面积)积累形成的。覆膜常规滴肥可在早期显著增加叶面积，在较低的气孔导度下保持较高的胞间CO2浓度。可见，覆膜常规滴肥下苗木可在减少水分蒸发的情况下获取较多的CO2进行光合作用，提高了苗木光合产量，进一步促进苗木根茎生物量的积累。

多倍体苗木生长迅速，往往在苗高、叶面积和叶片气孔等方面都表现出巨大性[41-43]。青杨扦插苗的苗高、地径、叶面积和生物量均表现为多倍体(3倍体和4倍体)优于2倍体。本研究发现覆膜滴肥在一定程度上缩小了不同倍性青杨扦插苗之间苗高地径和生物量的差异。分析原因可能是覆膜滴肥总肥量是基于前一年1年生2倍体苗木养分而来，并不能满足多倍体发挥其最高生产潜力所需肥量，但多倍体仍然在常规滴肥处理下最具优势。从根系形态与叶片生物量、叶面积及光合生理之间的PCA分析来看，覆膜常规滴肥改善了多倍体苗木的根系发育，多倍体苗木发达的根系为叶片提供充足的N素[44]，N素是植物叶绿体的重要组成成分，主要参与光合碳同化的过程[45-47]，为多倍体苗木叶片生物量的显著积累和总叶面积的增大提供了保障，光合场所的增大促进了叶片的光合作用[33]。一般来说，多倍体叶片的较大气孔容易使其在促进光合作用的同时也增大苗木水分的蒸腾[42]。本研究发现多倍体在常规滴肥条件下气孔导度很小，使植株在尽可能减少水分损失的情况下提高叶片的光合作用。

覆膜滴肥显著促进了青杨扦插苗的生长和根系发育以及各营养器官生物量的积累，同时提高了青杨扦插苗的叶绿素含量和单株光合产量，其中常规滴肥对青杨扦插苗生长的促进效果最好。多倍体青杨扦插苗在常规滴肥下最具生长优势，3倍体和4倍体植株生长差异不大。由于本研究中的肥料总量是基于2倍体苗木所需养分，建议在后期培育多倍体苗木时应适当增加肥量。