指数施肥下不同氮素浓度对羊蹄甲2个家系幼苗的生长影响

魏 丹，胡柔璇，赵 庆，唐洪辉

氮素是植物体内重要的营养元素之一，是不可缺少的组成成分［1］。植物体内氮素的缺少或过多都会造成养分胁迫，研究植物生长过程中的合理施氮肥有重要的意义。V.R.Timmer［2］的研究运用了指数施肥法，根据植物的生长速率来控制单次施肥量和次数，可以有效地提高肥料的利用率，减少肥料的浪费和对环境的污染，同时也可以保证满足植物的生长需求［3-4］。这种施肥方法比传统方法更有利于植物对养分的吸收同时不造成肥料的浪费，对不同树种的指数施肥研究已取得了一些研究成果［5-11］。羊蹄甲(Bauhinia purpurea)是华南地区常见的公园道路绿化树种，适应性强，生长速度快，花期为秋冬季，该植物性喜温暖、湿润、阳光充足的环境，要求肥沃而排水良好的沙质土壤［12］，叶片性状独特为羊蹄形，花形优美，独具岭南特色，目前被广泛应用于园林绿化中，其栽培技术具有研究意义。目前对羊蹄甲的研究主要集中在景观应用、物候研究等方面［13-15］，关于羊蹄甲的指数施肥研究尚未见报道。本研究利用羊蹄甲2个优良家系(来源肇庆大南山)为试验材料开展指数施肥研究，通过对2个家系幼苗设置不同浓度氮肥处理组，分析对生长及根系、叶片的影响，为其合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料和培养方法

2015年在广州、肇庆等多个地区进行羊蹄甲优良单株调查评价，对筛选出来的优良单株进行编号标记，采集优良单株种子之后在广东省林业科学研究院苗圃进行分种源育苗，经过1 a的栽培后，进一步筛选出2个长势较好观赏性较强的优良家系进行指数施肥试验。这2个家系都来自肇庆大南山，编号分别为DNS06号、DNS16号。试验地点为广东省林业科学研究院苗圃，先将试验苗木的根系洗干净，混合基质(黄心土、泥炭土、蘑菇渣的比例2∶1∶1)之后，装于规格为30 cm×28 cm的塑料种植袋中，每个种植袋装基质约10 kg。为了防止水肥流失，种植袋内套有双层白色塑料袋。种植土的全N平均含量为 5.0 mg·g－1，全 P 平均含量为 0.7 mg·g－1，全K 含量 10.8 mg·g－1。

试验开始前，根据羊蹄甲2个家系幼苗的生长需水特性，以70%的最大持水量作为初始灌溉量，每天根据实际情况保证充足的灌溉量，做好管护工作，统一管理，确保苗木同一环境条件下正常生长。移苗后，从第3周开始试验，总共设置5个不同施肥梯度为 1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 mg·株－1氮肥，分别记为处理组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，每个处理组有16株苗木。施肥频率为1周1次，每周施肥量通过计算见表1。选用的肥料为加拿大水溶性肥［Plant Products 20∶20∶0(N ∶P ∶K)plus micromutrients Co.Ltd.，Brampton，Ontario］。

1.2 测定方法

1.2.1 地径苗高及生物量的测定 第10次施肥之后，在每一组处理组中随机抽取8株苗木，用钢尺和游标卡尺测定苗高和地径，精确到0.1 cm和0.01 mm。

从每一组处理组中随机抽取3株用来进行生物量的测定。将苗木整株用蒸馏水冲洗干净，擦拭干净之后在根茎处将其分为根系和叶茎两部分，放入烘箱内保持80℃连续烘干到质量不再变化，分别称取根系和叶茎的干质量。

表1 羊蹄甲DNS06号家系、DNS16号家系指数施肥方案Table 1 Schedule of exponential fertilization for Bauhinia purpurea DNS06 and DNS16 species seedlings mg·株－1

1.2.2 根系和叶片指标的测定 试验结束时，每个小区随机抽取3株苗木，先用蒸馏水多次冲洗苗木，之后擦拭干净，然后在根茎处将其分为根系部分和叶片2个部分，分别铺平根系和叶片之后扫描获取根系及叶片图片。运用专业图片处理的软件万深LA-S植物根系分析系统和万深LA-S叶面分析系统对扫描好根系和叶片图片进行根系总根长、体积、投影面积、表面积、平均直径、根尖数和叶片表面积等性状测定和数据处理。

1.3 数据分析

试验数据表示为平均值±标准误差，运用SPSS11.0统计软件对数据进行方差分析和Duncan多重比较。综合评价采用主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮素处理对羊蹄甲幼苗高地径及生物量的影响

由表2可知，不同指数施肥处理下，羊蹄甲DNS06号家系的生长指标地径和生物量之间存在显著差异，其他生长指标苗高、叶茎根的鲜重之间差异不显著。经过处理Ⅴ的地径显著高于处理Ⅲ的;处理Ⅴ的地径平均值为0.84 mm;说明在一定的浓度范围(N=0～5 000 mg·株－1)内，高浓度的氮素对羊蹄甲DNS06号的地径生长有促进作用。处理Ⅲ、Ⅳ的生物量显著＞处理Ⅰ的;处理Ⅴ比处理Ⅳ的平均值有少量下降，但差异不显著;说明浓度在一定范围内，施肥对羊蹄甲DNS06号的生理量有促进作用，施氮浓度过大时，施氮对生物量不能起到促进作用。处理Ⅴ的地径、叶、茎鲜重和根部鲜重平均值比其他处理高。

不同指数施肥处理下，羊蹄甲DNS16号处理Ⅴ的地径与其他处理的地径有显著差异，处理Ⅴ的高于其他处理的，平均值为0.91 mm。处理Ⅱ的苗高高于其他处理，但与处理Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ之间无显著差异。处理Ⅱ的叶、茎鲜重＞其他处理，平均值为47.35 g。各处理的根部鲜重无显著差异。处理Ⅱ～Ⅴ的生物量均＞处理Ⅰ。

2.2 不同氮素处理对羊蹄甲幼苗根系生长的影响

羊蹄甲根的表型性状由总根长、体积、投影面积、表面积、根直径和根尖数等因素构成，植物对土壤里营养元素的获取主要依赖于根系，根系参数反映了植物根系吸收水分、获取营养的能力，根系参数越大，说明植物根部越健康，对植株的生长有促进作用。土壤中氮肥的含量对植株的根系生长起到了调控作用［16］。适合剂量的氮素加入土壤能促进木本植物根的分枝，根长等相关性状也相对应有所增加［17］，因此，根系的这些参数是植物研究中重要的考察对象［18］。

表2 不同浓度指数施肥对羊蹄甲DNS06号、DNS16号家系生长表现及生物量的影响Table 2 Effects of different concentrations of exponential fertilization on growth performanceand Biomass of Bauhinia purpurea DNS06 and DNS16 species seedlings

2.2.1 不同氮素处理对羊蹄甲DNS06号家系幼苗根系生长的影响 由图1看出，羊蹄甲DNS06号家系的根系长度、体积、投影面积、表面积、平均直径、根尖数随着氮素浓度的增加呈现出先上升后下降的趋势，说明在一定范围内，增加氮素浓度对羊蹄甲DNS06号家系的根系有促进生长的作用，而过高浓度的氮肥加入会使其根系生长受到了一定的抑制作用。根系参数基本上在施氮量4 000 mg·株－1时达到峰值，而其中施氮量4 000 mg·株－1时的总根长、体积、平均直径的根系性状＞其他施氮量，施氮量3 000 mg·株－1与 4 000 mg·株－1的投影面积、表面积、根尖数差异性不大，都优于其他施氮量。说明不同的施氮浓度对羊蹄甲DNS06号家系的根系生长有很大的作用，其中以施氮量4 000 mg·株－1的作用效果最佳，其次为施氮量3 000 mg·株－1和2 000 mg·株－1，施氮量 1 000 mg·株－1和 5 000 mg·株－1的促进效果都比较差。

图1 不同氮素浓度对羊蹄甲DNS06号家系根系生长的影响Fig.1 Effects of different concentrations of exponential fertilization on root of DNS06 species seedlings

图2 不同氮素浓度对羊蹄甲DNS16号根系生长的影响Fig.2 Effects of different concentrations of exponential fertilization on root of DNS16 species seedlings

2.2.2 不同氮素处理对羊蹄甲DNS16号家系幼苗根系生长的影响 由图2看出，羊蹄甲DNS16号家系幼苗的根系长度在施氮量为2 000 mg·株－1时显著＞其他施氮量，当施氮量高于 2 000 mg·株－1时羊蹄甲的根系长度显著下降;而根系体积呈现出先上升后下降再上升的趋势，不同处理组的根系体积之间无显著差异;不同处理组的投影面积、表面积的变化趋势与根系体积相同，也是先上升后下降再上升，不同处理组间无显著差异;根系的平均直径、根尖数呈现出先上升后下降趋势，施氮量3 000、4 000、5 000 mg·株－13个处理组之间无显著差异。说明不同的施氮浓度对羊蹄甲DNS06号的根系生长有不同的作用效果，综合不同的根系参数可以看出，当施氮量2 000 mg·株－1时对羊蹄甲DNS16号家系的根系作用效果最佳。

2.3 不同氮素处理对羊蹄甲叶片生长的影响

由图3可知，不同指数施肥处理下，羊蹄甲DNS06号家系的叶片表面积的处理组之间差异显著。经过指数施肥处理，施肥量4 000 mg·株－1和5 000 mg·株－1的叶片表面积显著高于其他施肥量的。4 000 mg·株－1的叶面积平均值最大，1 000 mg·株－1的叶面积平均值最小，说明浓度在一定范围内，施肥对羊蹄甲DNS06号家系的叶面积有促进作用。

图3 不同氮素浓度对羊蹄甲DNS06号叶片表面积的影响Fig.3 Effects of different concentrations of exponential fertilization on leaves of DNS06 species seedlings

由图4可知，不同指数施肥处理下，羊蹄甲DNS16号家系的叶片表面积在不同处理组之间差异显著。经过指数施肥处理，施肥量2 000 mg·株－1的叶片表面积显著＞其他施肥量，平均值为1 246.11 cm2。当施肥量＞2 000 mg·株－1，其叶面积平均值逐步减少，4 000 mg·株－1的叶面积平均值最小，平均值为741 cm2，说明浓度在一定范围内，施肥对羊蹄甲DNS06号家系的叶面积有促进作用，氮肥浓度过高时，其叶片生长速率减缓，对苗木产生了一定的“毒害”作用。

2.4 主成分分析

2.4.1 羊蹄甲DNS06号家系 利用主成分分析法研究不同浓度的指数施肥对羊蹄甲DNS06号家系的综合生长影响。本研究以性状累积方差贡献率达到90%以上确定主成分个数，通过计算重要主成分值，最后进行排名。

由表3看出，前3个主成分的累积贡献率达98.291%，基本上涵盖了12个指标的绝大信息，前3个主成分可以作为指数施肥生长评价的综合分析指标。

图4 不同氮素浓度对羊蹄甲DNS16号家系叶片表面积的影响Fig.4 Effects of different concentrations of exponential fertilization on leaves of DNS16 species seedlings

利用前3个主成分中各个指标对应的特征向量，与标准化后的数据相乘，得到主成分表达式F1、F2、F3;再根据3个主成分的特征值计算出主成分综合得分模型F如下:

根据主成分综合得分模型以及标准化后的数据，对不同施肥量的生长指标进行综合评价(表4)，羊蹄甲DNS06号家系幼苗的最佳氮素施肥量为总施肥量 4 000 mg·株－1。

2.4.2 羊蹄甲DNS16号家系 利用主成分分析法研究不同浓度的指数施肥对羊蹄甲DNS16号家系的综合生长影响。本研究以性状累积方差贡献率达到90%以上确定主成分个数，通过计算重要主成分值，最后进行排名。

由表5看出，前3个主成分的累积贡献率达98.478%，基本上涵盖了12个指标的绝大信息，前3个主成分可以作为指数施肥生长评价的综合分析指标。

利用前3个主成分中各个指标对应的特征向量，与标准化后的数据相乘，得到主成分表达式F1、F2、F3;再根据3个主成分的特征值计算出主成分综合得分模型F如下:

根据主成分综合得分模型以及标准化后的数据，对不同施肥量的生长指标进行综合评价(表6)，羊蹄甲DNS16号的最佳氮素施肥总量为5 000 mg·株－1。

表3 羊蹄甲DNS06号家系幼苗综合生长协方差矩阵的特征值Table 3 The eigenvalue of coveriance matrix of the DNS06

表4 羊蹄甲DNS06号家系幼苗的指数施肥综合评价值Table 4 Comprehensive assessment values of drought Index fertilization of the DNS06

表5 羊蹄甲DNS16号家系幼苗综合生长协方差矩阵的特征值Table 5 The eigenvalue of coveriance matrix of the DNS16

表6 羊蹄甲DNS16号家系幼苗的指数施肥综合评价值Table 6 Comprehensive assessment values of drought Index fertilization of the DNS16

3 结论与讨论

苗木培育中施肥对苗木苗高、地径、根系、叶片有促进作用，适合的施肥量可以提高合格苗产量，合理施肥是培育苗木的关键技术之一。氮素含量对植物的光合产物有所影响，在适当的范围内提高氮素含量可以提高光合产物，从而促进根系和叶片的生长，根系长度、根系表面积的增大可以扩大营养吸收面。本研究发现，不同浓度的氮素对羊蹄甲幼苗的生长有显著差异。适量氮素浓度对羊蹄甲的生长有促进作用，过量氮素浓度会抑制羊蹄甲的生长，氮素的利用率下降［19］，不同家系的羊蹄甲生长差异有所不同。

适量增加氮素供应，能够促进植物根、茎、叶的生长，但往往对茎叶生长的促进作用＞根系，不同浓度氮素指数施肥处理的羊蹄甲幼苗地径和生物量差异显著。在一定的范围内，适当增加氮素的浓度对苗木的苗高、地径和生物量有促进作用，这与王燕［20］等的研究认为指数施肥方式下氮素浓度能促进苗木苗高、地径和根茎叶生物量累积相一致。陈琳［21］等对西南桦幼苗的施肥试验结果也表明苗高、地径随氮肥浓度的增加而增大，说明在苗木生长过程中，氮肥在一定程度上能够满足苗木对养分的需求。黄复兴［22］等的研究表明，施加浓度适宜的氮肥，对盆栽香樟幼苗细根平均根长和平均直径有促进作用，本研究也有相似的结论，羊蹄甲DNS06号家系、DNS16号家系的根系长度、体积、投影面积、表面积、平均直径等根系指标均随着施氮量的增加呈现上升的趋势，根系指标之间差异显著。施氮总量为4 000 mg·株－1时，羊蹄甲DNS06号家系幼苗总根长、体积、平均直径＞其他处理组，羊蹄甲DNS16号处理组Ⅱ的根系长度、投影面积、表面积、根尖数比其他处理组大，处理Ⅲ的根系体积、平均直径比其他处理组大。说明在浓度2 000～4 000 mg·株－1的范围内指数施肥能够有效增加羊蹄甲幼苗的根长、根体积、根投影面积、根表面积、根平均直径、根尖数，从而提高根系吸收养分和水分的能力，促进苗木生长。

羊蹄甲的最佳施肥量无法用单一的指标客观反映，同一家系在不同生长指标中可能表现不同，为了让结论更为客观，本研究测定了不同指标，并综合多个指标进行整体分析。通过主成分分析对2个家系的不同施肥量的生长指标进行综合评价。指数施肥在苗木生长期间能更有效地利用肥料，施肥量随着苗木生长需求逐步增大，指数施肥相对于传统施肥方法在苗木生长末期给予更多的营养，有利于生长末期生物量的累积。施肥总量过低时，土壤会相对贫瘠，植株整体的生长速率较低，本研究中2个家系施肥效果表现最差的都为施肥总量1 000 mg·株－1的植株。施肥总量的提高促进根系伸长生长和生物量的积累，其中羊蹄甲DNS06号家系最佳施肥量为4 000 mg·株－1，羊蹄甲DNS16号家系最佳施肥量为5 000 mg·株－1。当施肥总量过剩时，会造成肥料的浪费，对苗木的生长也会造成生长速率减缓，产生一定的“毒害”作用。