施肥对喜马拉雅红豆杉生理指标及化学计量特征的影响

杨 红，白有志，邢 震，柳文杰，余应鹏，吕庆鑫，高文于，顾 琪

(西藏农牧学院资源与环境学院，西藏 林芝 860000)

【研究意义】喜马拉雅红豆杉(Taxushimalayana)，又称西藏红豆杉，为红豆杉科红豆杉属植物。喜马拉雅红豆杉是乔木或大灌木，叶条形，质地较厚[1]。红豆杉作为提取特效抗癌药紫杉醇的最佳植物资源[2]，国际上对其需求紧迫[3-4]，致使全球范围内大量野生红豆杉遭受掠夺性砍伐，现存量日趋匮乏，加之红豆杉属植物雌雄异株，生长缓慢，种子发芽率较低，更新较少。同时喜马拉雅红豆杉天然分布区狭窄、面积小、生长集中、无纯林、散生强以及散生于其它群落中，不构成建群种，资源十分有限。因此，积极采取异地繁殖栽培和保护工作，增加喜马拉雅红豆杉资源总量，以期为合理利用资源提供有力保障。【前人研究进展】施肥是促进苗木生长发育的重要措施[5]。由于各地气候条件的异质性及苗木对施肥的响应常因目标树种及树龄、肥料种类及施肥浓度、施肥方法和基质肥力条件的差异而有所不同[6-8]，贾瑞丰等[9]研究发现，施肥可以显著促进苗木生长；陈琳等[10]研究发现，西南桦(Betulaalnoides)苗木生长量随施肥量的增加表现出先增加后趋于稳定的变化趋势。亦有大量研究表明，施肥能促进苗木的生长发育，提高苗木的光合作用，改善苗木营养状况，增加苗木干物质积累，增强苗木抗逆性[11-13]。综上可知，在适宜范围内提高土壤养分供应水平，可有效提高苗木品质，然而过量施肥会导致苗木出现肥害现象[14]。故确定苗木适宜施肥量是实现其壮苗高效培育的关键环节之一。同时，目前关于红豆杉的研究主要集中在中国红豆杉、南方红豆杉、东北红豆杉、云南红豆杉等种的种子育苗[15]、组织培养[16]、遗传多样性[17]等方面。关于不同施肥对红豆杉苗木培育方面的研究较少，而关于不同施肥对喜马拉雅红豆杉苗木培育方面的研究更是鲜见报道。因此，本研究立足西藏高原高寒气候环境，分析不同施肥对喜马拉雅红豆杉苗木品质及生长的影响，为提高喜马拉雅红豆杉的人工移栽成活率提供参考。【本研究切入点】N、P、K是植物生长发育的必需元素，直接影响植物的生长发育[18]，而植株中的N、P、K含量主要来源于根系对土壤中该元素的吸收。因此，土壤中N、P、K养分的供应能力是影响苗木生长发育的关键。本研究通过不同N、P、K配比施肥，对喜马拉雅红豆杉根茎叶N、P、K养分含量及生理指标展开分析，筛选出本试验最适合喜马拉雅红豆杉生长发育的施肥配比，并通过计算不同施肥配比下喜马拉雅红豆杉根茎叶的化学计量比，探讨喜马拉雅红豆杉对N、P、K元素的需求特征。旨在为提高喜马拉雅红豆杉有效栽培方案提供科学依据。喜马拉雅红豆杉作为珍稀濒危植物群体和癌症治疗药物提取的重要资源，分布却十分有限。因此，人工培育和栽培显得尤为重要。然而，在西藏特殊的地理环境和恶劣的气候条件下，对喜马拉雅红豆杉人工繁育、人工栽培和管理方面的研究尚停留在初步阶段。【拟解决的关键问题】本试验以喜马拉雅红豆杉为研究对象，通过研究不同配比施肥对喜马拉雅红豆杉N、P、K库构建及生理指标的影响，计算其根茎叶化学计量比，分析喜马拉雅红豆杉的养分吸收特征，从而为高寒条件下喜马拉雅红豆杉营养诊断及人工栽培过程中施肥方案的制定提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为西藏农牧学院资源与环境学院苗圃培育的3年生喜马拉雅红豆杉扦插苗，其生长均一，苗高(平均苗高48 cm)、地径(平均0.92 cm)基本一致。容器盆栽(规格为长×宽×高=16 cm×16 cm×20 cm)，定植时间为2019年4月20日；基质为园土，每盆基质质量为5 kg。基质中有机碳(Soil organic carbon，SOC)、全氮(Total nitrogen，TN)、全磷(Total phosphorus，TP)、全钾(Total potassium，TK)含量分别为18.52、0.64、0.73和8.44 g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为28.74、5.17和29.83 mg/kg，土壤pH为6.54。

1.2 试验设计

试验于西藏农学院资源与环境学院苗圃日光大棚进行，地处尼洋河下游河谷(29°40′22.8534″N，94°20′28.2768″E)，海拔2960 m，属藏东南温暖半湿润气候区，年日照时数2000 h左右，年总辐射量为6.1×109～70×109J/m2，光合有效辐射为2.5×109～3.0×109J/m2。采用完全随机区组试验设计，试验设1个对照和4个处理，各5次重复，对照组(CK)不施肥，处理1(F1)中N、P2O5、K2O分别为1.20、0.60和0.60 g，处理2(F2)中N、P2O5、K2O分别为1.80、1.20和1.20 g，处理3(F3)中N、P2O5、K2O分别为2.40、1.80和1.80 g，处理4(F4)中N、P2O5、K2O分别为3.00、2.40和2.40 g。不同处理肥料于2020年4月以基肥的形式施入基质中。

1.3 指标测定

于2020年11月20日，从每个施肥处理中随机采集红豆杉植株上、中、下部叶片的混合样品及一年生枝条样品和对应植株的部分根系带回实验室，一部分叶片混合样品，全部的一年生枝条及根系样品用蒸馏水清洗表面，置于(90±2)℃的烘箱中杀青30 min后置于40 ℃烘箱中烘至恒重，进行OC、TN、TP和TK含量的测定，OC含量采用重铬酸钾—外加热法测定，TN含量采用半微量凯氏定氮法测定，TP、TK含量采用H2SO4-H2O2消煮法测定，即准确称取0.2～0.5 g新鲜样品，经H2SO4-H2O2消化后，定容至100 mL容量瓶中，静置过夜，上清液中的磷采用磷钼蓝比色法测定。上清液中的钾稀释10倍后采用火焰光度法测定。另一部分新鲜叶片样品用于测定生理指标，叶绿素(Chlorophyll，Chl)含量采用丙酮浸提比色法测定，丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量采用双组分分光光度法测定，可溶性糖含量采用蒽酮法测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定。

1.4 数据分析

采用Excel 2007进行数据处理，养分含量及生理指标之间的差异分析采用单因素方差分析(One-way ANOVA)法进行，显著性分析采用配对样本T检验。作图及相关性分析采用Origin 9.0进行。

2 结果与分析

2.1 不同施肥量对喜马拉雅红豆杉幼苗叶片生理指标的影响

由表1可知，随着施肥量的增加，红豆杉叶片Chla及Chlb含量逐渐增加，在F3处达到最大，其值分别为(3.91±0.71)和(1.90±0.41) mg/L(±后为SD，下同)，之后随着施肥量的进一步增加，Chla及Chlb分别降至(3.46±0.44)和(1.48±0.28) mg/L，较F3时降低了23.68%和22.11%。类胡萝卜素含量表现为：F1>F2>F3>F4>CK，各处理间差异不显著(P>0.05)。随着施肥量的增加，可溶性糖和可溶性蛋白含量变化特征与Chla及Chlb一致，最大值亦出现在F3处理，其值分别为(15.80±2.71) mmol/L和(1.22±0.08) mg/g，CK组含量最低，分别降低了30.00%和32.79%，F3处理均显著高于CK和F1处理(P<0.05)。丙二醛含量随着施肥量的增加呈逐渐增加的趋势，到F4处理时，其值达到了(1.38±0.67) μmol/L，各处理间差异不显著(P>0.05)。

2.2 不同施肥量对喜马拉雅红豆杉幼苗不同器官碳、氮、磷、钾含量的影响

2.2.1 不同施肥量对喜马拉雅红豆杉不同器官碳、氮的影响 由图1可知，OC在喜马拉雅红豆杉不同器官中的含量存在明显差异，5种处理均表现为：茎>叶>根。随着施肥量的增加，根、茎、叶的OC含量分别介于(366.90±45.75)～(431.47±60.42)、(386.60±28.49)～(511.83±42.25)和(372.06±37.04)～(478.34±50.63)g/kg，F4分别较CK增加了17.59%、32.39%和28.56%。可见，在本研究施肥范围内，施肥增加了喜马拉雅红豆杉根、茎、叶的碳累积量，且以茎的碳累计效率最高，叶、根次之。

TN含量在不同器官之间亦存在明显差异，其中CK和F1处理全氮含量均表现为：叶>根>茎，F2、F3和F4表现为：叶>茎>根。随着施肥量的增加，根、茎、叶全氮含量均呈增加的趋势，至F4时，其值分别达到(6.33±0.38)、(9.38±1.41)和(18.72±0.75) g/kg，较CK组分别增加了3.60%、75.98%和50.48%，且F4处理茎TN含量显著高于CK和F1处理(P<0.05)，叶TN含量显著高于CK(P<0.05)，而根TN含量在不同处理间差异不显著(P>0.05)。

表1 不同施肥量对喜马拉雅红豆杉幼苗叶片生理指标

2.2.2 不同施肥量对喜马拉雅红豆杉不同器官磷、钾含量的影响 由图2可知，CK组TP含量表现为：叶>茎>根，其值分别为(1.47±0.28)、(1.24±0.11)、(1.13±0.22) g/kg，其中叶片中TP含量分别较茎和根高出了18.55%、30.09%。F1、F2、F3和F4处理TP含量均表现为：叶>根>茎，叶片TP含量分别较根高出了24.51%、27.34%、1.90%和0.01%，较茎高出了29.24%、59.14%、65.27%和61.91%。随着施肥量的增加，根、茎、叶TP含量均呈增加的趋势，其值分别为(1.13±0.22)～(2.53±0.91)、(1.24±0.11)～(1.56±0.17)和(1.47±0.28)～(2.52±0.25)g/kg，且F4处理的根中TP含量显著高于F2、F1和CK(P<0.05)，叶片中TP含量显著高于F1和CK(P<0.05)，茎中的TP含量显著高于CK(P<0.05)。可见，施肥明显提高了根、茎、叶种营养元素P的含量，提高幅度表现为：根(122.33%)>叶(70.93%)>茎(25.36%)。

CK、F1和F2处理的TK含量表现为：叶>茎>根，F3和F4处理表现为：叶>根>茎。随着施肥量的增加，根系中的TK含量呈增加的趋势，至F4处理时TK含量为(8.70±1.04) g/kg，显著高出CK组80.30%(P<0.05)，茎、叶中的TK含量随着施肥量的增加呈先增加后降低的趋势，且均在F3处理时达到最高，其值分别为(7.67±0.50)和(12.25±1.29) g/kg，分别较CK组高出了42.76%和73.16%。可见，随施肥量的增加，根系TK含量的增加幅度大于叶片和茎，可进一步说明，根系中矿质养分的累积程度明显受到土壤中该种矿质元素含量的影响。

2.3 不同施肥量对喜马拉雅红豆杉幼苗化学计量特征的影响

由图3可知，CK、F1和F2处理的碳氮比表现为：茎>根>叶，F3和F4表现为：根>茎>叶。说明在CK、F1和F2处理水平，大量的N元素流入叶片，进行叶片细胞的形态建成，其次为根，茎主要是以碳累积为主，进行维管系统构建。当施肥水平提高后，碳累积由茎转换为根系。随着施肥量的增加，根系碳氮比呈增加的趋势，其中F4较CK高出了13.53%，茎、叶器官呈先降低后增加的趋势，最小值出现在F3处理，其值分别为53.90和24.59。

随着施肥量的增加，根、茎、叶器官的碳磷比分别为166.01～323.68、311.33～328.79和183.69～252.33的范围。且根系和叶片的碳磷比呈先降低后增加的趋势，最大值出现在CK组，最小值出现在F3处理，茎的碳磷比呈逐渐增加的趋势，至F4时最大。在同一处理水平，CK组表现为：根>茎>叶，F1、F2、F3和F4均表现为：茎>根>叶。

本研究中，随着施肥量的增加，根、茎、叶的氮磷比分别为2.50～5.39、4.15～6.08和7.42～8.44，且根系和叶片氮磷比均随施肥量的增加呈降低的趋势，茎的氮磷比最大值出现在F3，最小值出现在F1。在同一处理水平，氮磷比在CK和F1处理表现为：叶>根>茎，在F2、F3、F4处理氮磷比表现为：叶>茎>根。

3 讨 论

3.1 喜马拉雅红豆杉苗木生理指标的施肥效应

施肥可通过提高土壤养分含量，改善土壤理化形状，从而达到提高苗木质量的目的。大量研究表明，氮、磷、钾肥的施用可有效促进苗木的生长发育[19]、提高苗木质量[20]、增加有机物质的累积[21]。但是随着施肥量的增加，相关学者在不同树种间的研究结果存在差异，欧建德等[22]研究表明，施肥对南方红豆杉幼苗生物量及生理指标均有显著影响，但随着施肥量的增加，生物量及可溶性糖含量呈先增加后降低的趋势，丙二醛、脯氨酸等有机物质呈增加的趋势。郭祥泉等[23]研究表明，随着施肥量的增加南方红豆杉苗木的有机物质及氮、磷、钾含量均呈增加的趋势。魏厥云等[24]研究表明，m(氮肥)∶m(磷肥)∶m(钾肥)为2∶3∶1或2∶3∶2时，对苗木生长的促进作用最佳。本研究结果表明，喜马拉雅红豆杉生理指标具有显著的施肥效应，表现为随着施肥量的增加，喜马拉雅红豆杉Chla、Chlb、可溶性糖、可溶性蛋白含量呈先增加后降低的趋势，类胡萝卜素呈降低的趋势，丙二醛含量呈增加的趋势，与以上研究者的研究结果存在差异。可见在本研究施肥范围内，施肥量达到最大配比时，苗木可能处于养分供应的“奢侈”状态[25]，对氮、磷、钾养分的利用率和敏感性有所下降，从而使得Chla、Chlb、可溶性糖、可溶性蛋白含量等有机成分的累积量降低。同时，施肥对喜马拉雅红豆杉苗木的生长产生了胁迫作用，且随着施肥量的增加胁迫力度逐渐增加，故导致了本研究丙二醛含量随施肥量的增加呈增加的趋势。

3.2 喜马拉雅红豆杉苗木不同器官碳、氮、磷、钾库构建的施肥效应

在本研究施肥量范围内，碳、氮、磷、钾养分在喜马拉雅红豆杉不同器官的分配和累积存在差异，随施肥量的增加，各器官OC、TN、TP含量均呈增加的趋势，TK含量仅在根系中呈增加的趋势，在茎、叶中呈先增加后降低的趋势。这与魏红旭等[26]对长白落叶松(LarixolgensisHenry) 养分库构建的研究结果一致，其研究结果表明，肥料的施用有利于苗木生物量和氮、磷、钾养分的累积。其原因可能是施肥增加了土壤养分含量、改善了土壤中养分配比、提高了土壤养分的供应能力等有关。

从碳累积角度来看，同一施肥水平，OC含量均表现为：茎>叶>根；可见，喜马拉雅红豆杉茎部木质化和纤维化程度更高，根部最小。从氮素的累积情况来看，TN含量在CK和F1施肥水平表现为：叶>根>茎，在F2、F3和F4施肥水平表现为：叶>茎>根；可见在施肥水平较低的情况下，氮素供应先满足叶片的生长发育，根作为养分吸收的主要器官，具有吸收累积和转化养分的功能，因此，略低于叶片TN含量，茎作为水分和养分输送的通道，其TN含量最低。TP含量仅在CK组表现为：叶>茎>根，在F1、F2、F3和F4施肥水平均表现为：叶>根>茎。即在不施肥情况下，土壤磷素的供应能力较低，根系吸收的养分优先满足地上部分的生长，从而通过光合作用(磷是叶绿体的主要组成元素)来平衡植株生长发育对养分的需求，当施肥量较大时，土壤磷素供应能力增强，根系吸收的磷素除了能满足地上部分的生长发育外，有一部分磷素在根系中累积。TK含量在CK、F1和F2施肥水平表现为：叶>茎>根，F3和F4施肥水平表现为：叶>根>茎。

3.3 喜马拉雅红豆杉苗木不同器官化学计量特征的施肥效应

化学计量特征是在结合了生态学和化学计量学基本原理的基础上，研究生态系统多种元素之间平衡和系统能量循环的一种工具[27-28]。可为研究陆地生态系统物质循环和限制性养分判别提供重要手段和思路[29-31]。植物不同器官有着不同的结构并执行着不同的生理功能，受外界环境影响的响应也存在差异，故不同植物器官具有不同的化学计量特征[32-33]。本研究发现，在同一处理水平，CK、F1和F2处理的碳氮比表现为：茎>根>叶，F3和F4表现为：根>茎>叶。即低水平施肥情况下，茎的碳累积程度最高，其次为根，叶的碳累积程度最低；高水平施肥情况下，根的碳累积程度大于茎，远大于叶。其原因可能与低水平施肥情况下，植物在养分分配上会优先分配更多的碳水化合物到树干中以维持地上部分的正常生长，而在高水平施肥情况下，由于叶片合成较多的叶绿素，合成更多的碳水化合物，生命活动旺盛，大量的碳水化合物会被输送到根系，满足根系生长，达到支撑地上部分的目的。这与张天霖等[34]对针阔混交林不同器官碳氮林化学计量特征的研究结果一致。碳磷比作为反映植物养分利用率的重要指标[35]，在本研究不施肥情况下，可能出现了土壤磷元素的亏缺，导致土壤磷元素供应能力受限，植物吸收的磷元素优先满足地上部分的生长，尤其是叶的生长，根系中的磷元素累积量较少；在施肥情况下，土壤磷元素的供应能力有所提升，在能满足叶片对磷元素需求的前提下，将剩余的磷优先分配给茎以维持地上部分的生长，根有较高碳水化合物，其木质化程度更高，故导致了本研究中碳磷比在CK组表现为：根>茎>叶，F1、F2、F3和F4均表现为：茎>根>叶。一般地，氮磷比是用来反映生境条件对植物生长发育供应养分的能力[36]，Koerselman等[37]研究表明，当植株氮磷比<14.0时，说明植物生长受到N元素的限制，当植株14.0<氮磷比<16.0时，说明植物生长受到土壤N、P两种元素的共同限制或均不限制，当植株氮磷比>16.0时，说明植物生长受到土壤P元素的限制。本研究范围内，随着施肥量的增加，根、茎、叶的N∶P比分别介于2.50～5.39、4.15～6.08和7.42～8.44，远小于14.0，可见本研究中喜马拉雅红豆杉的生长受到N元素的限制。

4 结 论

(1)随着施肥量的增加，喜马拉雅红豆杉叶片Chla及Chlb含量呈先增加后降低的趋势，类胡萝卜素含量表现为：F1>F2>F3>F4>CK。可溶性糖和可溶性蛋白含量变化特征与Chla及Chlb一致，最大值出现在F3处理，其值分别为(15.80±2.71) mmol/L和(1.22±0.08) mg/g。丙二醛含量随着施肥量的增加呈逐渐增加的趋势，到F4处理时，其值达到了(1.38±0.67) μmol/L。

(2)随施肥量的增加，OC、TN、TP含量在根、茎、叶中均呈增加的趋势，TK含量仅在根系中呈增加的趋势，在茎、叶中呈先增加后降低的趋势；同一施肥水平，喜马拉雅红豆杉茎的OC含量大于叶和根，叶的TN、TP、TK含量均高于茎和根，可见，喜马拉雅红豆杉茎的碳累积能力大于叶和根，而叶片的氮、磷、钾累积能力大于茎和根。

(3)C∶N比在CK、F1和F2处理表现为：茎>根>叶，在F3和F4表现为：根>茎>叶。碳磷比在CK组表现为：根>茎>叶，在F1、F2、F3和F4均表现为：茎>根>叶。氮磷比在CK和F1处理表现为：叶>根>茎，在F2、F3、F4处理表现为：叶>茎>根。随着施肥量的增加，根系碳磷比呈增加的趋势，其中F4较CK高出了13.53%，茎、叶器官呈先降低后增加的趋势。根、茎、叶器官的碳磷比分别介于166.01～323.68、311.33～328.79和183.69～252.33，氮磷比分别介于2.50～5.39、4.15～6.08和7.42～8.44。鉴于此，在后期的施肥试验中应加大氮肥的投入。