华北平原区蒙古栎幼苗栽培条件研究

原阳晨,庞久帅,周苗苗,任俊杰,刘洪山,张国伟,刘建英,王利佳,杨敏生

(1 河北省洪崖山国有林场,河北 保定 071000;2 河北农业大学 林学院,河北 保定 071000)

蒙古栎(Quercusmongolica)又名柞栎、柞树等,为壳斗科(Fagaceae)栎属(Quercus)落叶阔叶木本植物[1]。蒙古栎主要分布于我国华北及东北部,既是我国温带、暖温带地区落叶阔叶混交林和针阔混交林的主要树种,也是经济用材林、薪炭林、防风固沙、森林防火的优良树种[2-4]。随着中国经济和科技的飞速发展,生态环境保护和生态文明建设成为人类社会关注的焦点,蒙古栎作为我国北方典型乡土树种,根系发达,树体高大,树冠优美,适应性强,是环境绿化和平原地区荒漠化改造的潜力树种[5]。

蒙古栎生于海拔200～2 100 m的山地,在华北地区海拔800 m以上生长良好,大苗抗逆性较强,由山地移栽平原易成活,但幼苗在平原苗圃栽植常出现黄叶焦边、生长不良等现象[6]。截至目前,国内外学者对蒙古栎的研究主要集中在分布范围、地理变异、种源差异、种间关系、林分结构、群落学特征和蒙古栎的生物学、生态习性、病虫害防治等方面,关于蒙古栎栽培的研究均基于其适宜的海拔和气候等环境条件下,对播种育苗、苗期管理、苗木移栽和造林抚育等技术的探讨,有关蒙古栎幼苗在平原地区的培育和栽植鲜见报道[7-27]。本研究通过对华北平原地区蒙古栎幼苗栽植条件的正交试验,探究光照、有机质、FeSO4肥料和铁、锰等微量元素对蒙古栎幼苗生长的影响,以期解决蒙古栎幼苗期因环境因素影响所造成生长发育不良、黄叶焦边现象,为蒙古栎在华北平原地区的健康生长和规模化生产提供理论依据和技术支撑。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

蒙古栎为河北易县七里亭示范场苗圃基地培育的健壮、无病虫害、长势一致的2年生实生苗木,试验共设计16个处理组,每组200株苗木,共选取3 200株蒙古栎幼苗。

1.2 试验地概况

试验地位于河北易县七里亭示范场,属华北平原地区,海拔为50 m,覆盖层土壤以黄土和中粗砂为主,经测定试验地土壤平均pH值为7.73,地理坐标为E 115°33′3″,N 39°21′10″。该地区四季分明,属于暖温带大陆性季风气候,年平均气温13.5 ℃,极端最高气温41.0 ℃,最低气温-23.1 ℃,全年最低气温在1月,最高气温在7月。平均无霜期186 d,降水主要集中在7、8月,全年降水量在570～670 mm之间。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计、实施与管理 试验采用L16(45)的正交试验设计,设置4因素4水平的正交试验(表1)。2020年4月5日在河北易县七里亭示范场苗圃基地进行试验,遮阴棚搭建以及营养土(有机质)和FeSO4的施入同步进行。遮阴处理,搭建长20 m、宽12.5 m、高2 m的遮阴棚3个,分别覆盖1层、2层、3层遮阳网,外加不遮阴共4种处理;营养土(有机质)处理,将营养土与原土3∶7、1∶1、7∶3的比例进行混匀,外加不混营养土共4种处理;FeSO4处理,在已掺入营养土的处理中根据正交试验分别每0.3 m3土壤对应施入100、150、200 g的FeSO4混匀,外加不施用FeSO4共4种处理。将混匀营养土和FeSO4的土壤按照试验重复次数进行装盆(30 cm×30 cm),并将2年生的蒙古栎幼苗栽入盆中,同时根据正交试验设计将处理好的苗木放入对应层数遮阴棚下已开好的沟内,并覆土,然后灌水。微量元素处理,5月中旬蒙古栎展叶期,用自来水和微量元素(极量铁、极量锰)配置成5%、7%、9%的微量元素溶液,根据正交试验方案进行叶面喷肥,外加不喷施微量元素共4种不同处理。

试验期间,每隔半个月对试验地进行除草,防止杂草与蒙古栎进行养分竞争。根据天气情况进行灌水,土壤含水量保持在60%左右。在高温雨季,保证排水系统正常运转,根据苗木生长情况,适时喷施多菌灵1 000倍液和辛硫磷1 000倍液等药剂,预防病虫害的发生。

1.3.2 生长指标测定 每隔15 d统计幼苗的苗高、基径和叶片数(5月份展叶期进行观测),观察苗木长势,苗高使用卷尺测量,精确到0.01 cm;基径使用游标卡尺测量,精确到0.01 mm。观察苗木的生长发育情况以及苗木死亡情况。10月份待苗木停止生长后进行生物量测定,每组处理随机选取3株,并编号。在实验室于根颈处剪断,测量地上部茎叶鲜重和根鲜重,然后置于烘箱,经105 ℃杀青15 min,再85 ℃烘至恒重,冷却后,测定茎叶干重和根干重。

1.3.3 生理指标测定 8月31日下午5时在处理7和处理1(对照组)中随机选取3株蒙古栎苗木,每株苗木东、南、西、北4个方向摘取一定数量的功能叶片,将相同处理植株的叶片混匀,然后进行生理指标测定。叶绿素、叶色参数和花色素苷含量的测定均为3次重复,质膜相对透性的测定10次重复。

蒙古栎叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量和类胡萝卜素的测定参照邹琦、李合生的方法[28-29];花色素苷含量的测定参照李昕蔓的方法[30];质膜相对透性以相对电导率的大小表示,参照邸锐的方法[31];叶色参数L*、a*、b*的测定参照Wang的方法[32]。

1.4 统计与分析

运用Excle 2007对试验调查数据进行整理统计,再用SPSS 21.0软件对试验数据进行方差分析、极差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理组合对蒙古栎生长的影响

不同处理组合蒙古栎的生长结果,见表2。

表2 不同处理组合蒙古栎的生长结果(均值±标准误)Table 2 Growth results of Q. mongolica in different treatment combinations(Mean ± SE)

由表2可知,苗木高度以处理7最高,为93.67 cm,显著高于除处理2、处理3、处理5、处理14、处理15外的其他处理;基径以处理7最高,为12.33 mm,显著高于除处理3、处理12、处理15外的其他处理;叶片总数以处理7最高,为90.67片,显著高于处理1、处理4、处理6、处理16;茎叶干重以处理7最高,为37.36 g,显著高于除处理3、处理15外的其他处理;茎叶鲜重、根鲜重、根干重均以处理7最高,分别为75.56、72.87、35.54 g,显著高于除处理15外的其他处理。在16个处理中,处理7与处理15的7个生长指标并无显著差异,但各指标的数值均大于处理15,所以处理7的蒙古栎幼苗生长情况最好,即30%有机质、2层遮阳网、200 g/m2FeSO4、0%微量元素为最佳。

2.2 正交试验结果的方差和极差分析

正交试验结果的方差和极差分析,见表3、表4。

表3 正交试验结果的方差分析和极差分析Table 3 Analysis of variance and range of orthogonal test results

表4 正交试验结果的方差分析和极差分析Table 4 Analysis of variance and range of orthogonal test results

由表3、表4可知,苗高指标中遮阴的P=0.030<0.05,有机质的P=0.588>0.05,FeSO4的P=0.256>0.05,微量元素的P=0.896>0.05,说明遮阴对蒙古栎幼苗高生长的影响达到显著水平,而有机质、FeSO4和微量元素对蒙古栎幼苗高生长的影响未达到显著水平。同理分析可知,基径、茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重、根干重5个生长指标,仅遮阴的影响达到显著水平,另外3种因素均无显著影响,同时,4种因素对叶片总数的影响均未达到显著水平。极差分析表明,蒙古栎幼苗的苗高、基径、叶片总数、茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重、根干重7个生长指标中,遮阴在7个指标中极差值均最大,位居首位;FeSO4在6个指标中极差值位居第二,1个指标第三;微量元素在1个指标中极差值位居第二,4个指标第三,2个指标第四;有机质在2个指标中极差值位居第三,5个指标第四。综上所述,4个因素对蒙古栎幼苗7个生长指标的影响排序为：遮阴>FeSO4>微量元素>有机质。根据方差分析和极差分析结果,最佳组合仍为30%有机质、2层遮阳网、200 g/m2FeSO4、0%微量元素。

2.3 遮阴对蒙古栎幼苗生长情况的多重比较结果

遮阴对蒙古栎幼苗生长情况的多重比较结果,见表5。

根据方差和极差分析结果,有机质、微量元素和FeSO4对蒙古栎生长影响不显著,所以只对遮阴因素进行多重比较分析。由表5可知,遮阴因素影响中,水平2层的基径、茎叶鲜重、茎叶干重显著高于水平0层、1层和3层;水平0层、3层的苗高、根鲜重、根干重显著低于水平2层,水平1层的苗高、根鲜重、根干重与其他水平均无显著差异;4个水平的叶片总数无显著差异。可见,6项测定指标最优为水平2层,因为叶片总数的4个水平无显著差异,所以综合7项指标最优为水平2层。

表5 遮阴对蒙古栎幼苗生长情况的多重比较结果Table 5 Multiple comparison results of shading on the growth of Q. mongolica seedlings

2.4 “处理1”与“处理7”蒙古栎幼苗的形态特征和生理差异

2.4.1 “处理1”与“处理7”蒙古栎幼苗形态特征 “处理1”与“处理7”蒙古栎幼苗形态特征,见图1。

注：(a)(b)(c)表示处理1(对照组)蒙古栎幼苗形态;(d)(e)(f)表示处理7蒙古栎幼苗形态。图1 “处理1”与“处理7”蒙古栎幼苗形态特征Figure 1 Morphological characteristics of "Treatment 1" and "Treatment 7" of Q. mongolica seedlings

由图1可知,处理1(对照组a、b、c)的蒙古栎苗木叶片表现为失绿、变黄、卷缩和边缘焦枯现象,同时处理1的平均苗高48.67 cm、基径6.81 mm、叶片总数36.67片、茎叶鲜重20.91 g、茎叶干重9.96 g、根鲜重24.52 g、根干重10.50 g;图中处理7(d、e、f)的蒙古栎叶片翠绿、厚实、叶面积大,无黄叶焦边现象,同时处理7的平均苗高93.67 cm、基径12.33 mm、叶片总数90.67片、茎叶鲜重75.76 g、茎叶干重37.36 g、根鲜重72.87 g、根干重35.54 g。对比2个处理的生长形态和生长指标,处理1蒙古栎叶片发黄、焦枯、数量少,枝条纤细,根系细弱且侧根少,因此导致苗木叶片较容易脱落,光合作用严重受限,生长发育不良,树势逐渐衰弱;处理7蒙古栎叶片墨绿、宽大、数量多,枝条粗壮,根系发达且侧根多,因此苗木具备旺盛的光合能力可制造大量的营养物质,苗木生长健壮、发育充实。

2.4.2 “处理1”与“处理7”蒙古栎幼苗各项生理指标差异 “处理1”与“处理7”的各项生理指标对比,见表6。

表6 “处理1”与“处理7”的各项生理指标对比(均值±标准误)Table 6 Comparison of various physiological indexes between "treatment 1" and "treatment 7"(Mean ± SE)

由表6可知,处理7叶片的叶绿素a含量、叶绿素b含量和叶绿素总量分别较处理1高出8.42倍、30.50倍和10.12倍,表明处理7叶片的叶绿素含量远高于处理1,光合作用能力远强于处理1;处理7的类胡萝卜素含量较处理1高出2.91倍,表明处理7叶片的辅助采光能力远强于处理1;处理1的a*值、b*值和L*值均大于处理7,试验中处理1的叶片颜色呈现亮、白、黄,处理7叶片颜色为暗绿色;处理7的花色素苷含量较处理1高出1.93倍,表明处理7叶片的抗氧化能力远强于处理1;处理7叶片的相对电导率较处理1低5.8%,表明处理7的抗逆性强于处理1。总体来看,处理7叶片的光合作用、光保护作用、抗氧化作用和抵抗能力均优于处理1。

3 讨论与结论

3.1 讨论

通过正交试验发现,遮阴对蒙古栎的6个生长指标影响显著,FeSO4虽然对所有测定指标均无显著影响,但在6个生长指标的极差值位居第二,有机质和微量元素对测定指标均无显著影响,极差值也普遍位于第三或第四。这是因为光照对地球天气和气候的形成起决定性作用,是地球气候形成的最主要影响因子,也是植物生长进行光合作用的必要元素[33-34]。不同海拔高度的光辐射不同,气候环境不同,蒙古栎在华北地区海拔800 m以上生长良好,因此在平原低海拔地区对光照表现极为敏感。多重比较结果2层遮阳网效果显著优于其他水平,茎叶生物量和根生物量最高,这与李东胜等的研究全光照和轻度遮阴条件下总生物量和根生物量最高的结论相反,原因是平原地区全光照和轻度遮阴条件下光辐射强温度较高,导致蒙古栎叶片变黄焦枯和气孔关闭,净光合速率下降,营养物质积累少,因此蒙古栎各器官生物量小[35]。

FeSO4能够补充植物铁元素,促进多种元素的吸收,改良土壤酸碱平衡和降低其碱性等作用,蒙古栎喜于pH为5.5～7.0的土壤,而试验地土壤pH均值为7.73,因此FeSO4对蒙古栎的生长影响较大。蒙古栎耐寒、耐旱、耐瘠薄,且多生长于山地,对有机质需求量少,平原地区(苗圃基地)土壤结构好,孔隙度好,因此试验中有机质和微量元素对蒙古栎的影响较弱[36-37]。

叶绿素是植物进行光合作用吸收光能的主要色素分子,强光一般会抑制植物叶绿素的合成[38]。处理1(对照组)叶绿素a、叶绿素b含量显著低于处理7,叶片黄化和叶绿素的含量有直接关系,因此叶绿素a、叶绿素b含量的降低是处理1叶片变黄的主要原因[39]。b*由负转正由蓝变黄,L*由小变大由暗转亮,处理1叶色参数b*、L*明显高于处理7,表明处理1叶片较处理7更黄更亮。叶片色素比例和种类是叶片呈现色彩的直接原因,处理1叶片类胡萝卜素/叶绿素总量远大于处理7,同时花色素苷只有占主导地位时才会呈现颜色,所以推测类胡萝卜素/叶绿素总量决定了蒙古栎叶片的呈色,本试验处理1叶片呈现黄色,原因是蒙古栎在平原地区因光照强度过大,叶绿素合成的前体物质受阻或加速了叶绿素的降解,叶绿素a与叶绿素b的含量在高光下显著下降,致使叶片中类胡萝卜素占比变大,叶片呈现黄色[40]。

本研究发现处理7叶色参数b*、L*明显低于处理1,同时叶绿素a含量、叶绿素b含量和花色素苷含量均显著高于处理1,叶绿素含量和花色素苷含量越高叶色参数b*、L*越低,所以得到叶绿素和花色素苷含量同叶色参数成负相关关系,这与潘晶晶等的研究结果一致[41]。处理7与处理1的叶色参数a*相近均为负值,原因可能是2个处理组叶片色相分别为绿色和黄色,没有转变为红色的迹象。处理1叶片的电导率较处理7大,表明处理1叶片电解质外渗量大,膜透性增大程度高,原因是处理7蒙古栎生长健壮,树势强,抗逆性强,细胞膜受损伤小,电解质外渗量小,所以电导率小。本试验研究了华北平原地区影响蒙古栎幼苗正常生长的外界因子,探明了主要影响因子和因子的最佳处理水平,今后将继续加深对健康蒙古栎幼苗的生理和分子评价。

3.2 结论

本研究以蒙古栎2年生幼苗为材料,采用L16(45)正交试验设计,通过多重比较、方差分析和极差分析以及最佳处理组与对照组生理指标的对比,研究遮阴、FeSO4、有机质和微量元素对蒙古栎生长的影响。(1)在各因素对蒙古栎生长指标影响的方差分析中,只有遮阴对苗高、基径、茎叶干重、茎叶鲜重、根鲜重、根干重影响显著,FeSO4、有机质和微量元素对蒙古栎生长指标的影响均未达到显著水平,表明蒙古栎的生长对光照表现最为敏感;(2)在各因素对蒙古栎生长指标影响的极差分析中,遮阴在7个生长指标中极差值均最大,位居首位;FeSO4在6个生长指标中极差值位居第二;微量元素在1个指标中极差值位居第二;有机质的极差值在7个生长指标中均位居第三或第四。表明遮阴对蒙古栎生长的影响占主导地位,FeSO4次之,微量元素和有机质分别位居第三和第四。(3)16个不同处理组合的正交试验中,处理7的苗高93.67 cm、基径12.33 mm、叶片总数90.67片、茎叶鲜重75.76 g、茎叶干重37.36 g、根鲜重72.87 g、根干重35.54 g,7项生长指标均表现最佳,表明处理7(2层遮阳网、200 g/m2FeSO4、30%有机质和0%微量元素)最适宜蒙古栎幼苗的生长。(4)生理指标显示,处理7叶片的叶绿素总量较处理1高出10.12倍,类胡萝卜素含量较处理1高出2.91倍,花色素苷含量较处理1高出1.93倍,相对电导率较处理1低5.8%,表明处理7叶片的光合作用、抗氧化作用、光保护能力和抗逆性均优于处理1。在平原区按照处理7(2层遮阳网、200 g/m2FeSO4、30%有机质和0%微量元素)的栽培方式培育蒙古栎,有利于蒙古栎的健康生长和规模化生产。