二代杉木良种苗木的施肥配方研究

宋政凯， 李惠通， 赖慧捷， 任衍敏， 苏 铁， 刘爱琴

(1.福建农林大学林学院，福建福州350002；2.国家林业局杉木工程技术研究中心，福建福州350002；3.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100)

杉木[Cunninghamia lanceolate(Lamb.)Hook.]具有生长快、经济价值高的特点，是我国重要的造林树种，也是目前我国人工林中面积最大的造林树种[1-2]。近年来，随着杉木育种水平的提高，大量二代杉木良种得到了广泛的应用，这些良种生长快、产量高、对林地养分需求高，传统的杉木育苗配方施肥已明显不能满足其养分需求，因此，筛选适合二代杉木良种育苗的施肥配方成为当前杉木林经营中亟待解决的重要课题。

营养诊断是一项重要的营林技术，有助于科学施肥和调控林木的营养环境，以达到高产、优质和高效的目标。植物需肥诊断一般有7种分析方法[3]，其中，综合营养诊断施肥法(diagnosis and recommendation integrated system，DRIS)[4-5]和肥料效应函数法[6-7]是两种常用的分析方法。DRIS是以养分平衡理论为依据，以植物体内养分浓度比值为诊断指标，将测定的营养元素含量值与建立起的DRIS标准值相比较来确定植物对营养元素的需求次序[8-9]。肥料效应函数法是以 “3414”试验设计为基础，构建肥料效应函数拟合模型[7]，再根据模型计算出推荐施肥量及肥料间的交互效应等施肥参数，具有直观、简便易行和利于宏观调控等优点[6]。有学者指出，DRIS的诊断结果只是反映了营养元素之间的相对平衡状态，容易受变异系数影响，由于营养水平的高或低也可能因养分间的不平衡造成养分过多或缺乏的假象，导致诊断结果的偏差，使用时还需与其它方法相结合[9]。肥料效应函数法在农作物栽培领域应用较多[10-11]，在林业中的应用研究较少，仅在少数经济树种中应用[5，12]。鉴于此，以经遗传改良的二代杉木良种苗木为研究对象，采用 “3414”法设计氮(N)、磷(P)、钾(K)和微量元素硼(B)、锌(Zn)配方，进行二代杉木良种配方施肥盆栽试验，利用DRIS和肥料效应函数进行配方施肥分析，比较不同施肥配方对杉木生长的影响，筛选适合二代杉木育苗的最佳施肥配方，为提高二代杉木良种苗木的生长质量和杉木人工林合理施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

盆栽试验在福建农林大学林学院温室大棚(26°04′58″N， 119°14′13″E)内进行， 该地属亚热带海洋性季风气候，常年温暖湿润、雨量充沛，全年无霜期326 d，年平均气温16～20℃，最高气温40.2℃，最低气温0.2℃，年平均日照时间1 700～1 980 h，年平均降水量1 980 mm，年相对湿度77%。

1.2 试验材料

供试苗木为长势一致、生长良好的半年生36号家系二代杉木实生苗。用干净河沙(过2 mm筛)和吸饱纯水的聚丙烯酸钠盐保水剂按体积比3∶1的比例混合作为培养基质，每盆基质干质量3.5 kg，其中有机质、全N、全P和全K含量分别为2.54、0.14、0.07和20.56 g·kg-1，水解N、有效P和速效K含量分别为28.18、0.96和35.52 mg·kg-1，pH值4.63。培养容器为口径19 cm、高18 cm的聚乙烯塑料花盆，每盆种植1株，缓苗2周后进行施肥处理。

供试肥料为福州联友化玻有限公司生产的尿素(N素的质量百分含量46%)、过磷酸钙(P2O5的质量百分含量16%)和氯化钾(K2O的质量百分含量60%)，B、Zn分别选用硼酸(有效B的质量百分含量11%)和乙二胺四乙酸锌钠(Zn的质量百分含量15%)。

1.3 试验设计

试验采用 “3414”完全随机区组设计，在N、P、K 3个因素、4个水平、14个处理的基础上，增加B、Zn两种微量元素处理，共28个施肥处理(表1)，每个处理重复4次，合计112盆。二代杉木需肥量比普通杉木大，因此，采用《杉木苗期栽培营养的研究》[13]推荐的最优肥料配比上限进行试验。

表1 配方施肥试验因素水平设计Table 1 Factors and level design of formula fertilization experiment

1.4 苗期管理

2015年8月20日—2016年9月1日进行盆栽试验，分别于2015年10月12日、2016年3月12日、2016年6月12日和2016年7月12日进行4次施肥处理，施肥量分别为施肥总量的20%、30%、40%和10%处理。

1.5 测定方法

1.5.1 生物量和养分含量的测定 分别收获根、茎、叶，采用烘干秤重法测定其生物量。用碳氮元素分析仪(Elementar，VarioIII，德国)测定C、N含量，用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES，Pekin-Elmer，美国)测定P、K、B、Zn含量。

1.5.2 综合营养诊断施肥法分析 DRIS有图解法和指数法两种，指数法的实际指导意义较大[14]，故选用指数法进行营养诊断。通过构建函数计算N、P、K元素的DRIS指数，可准确诊断苗木的需肥顺序和需肥紧迫程度[15-16]。所有元素的DRIS指数绝对值的代数和称为养分不平衡指数(nutrient imbalance index，INI)[14]，INI越小，说明树体营养元素间越平衡。N、P、K、B、Zn诊断指数的计算通式[4，17]如下:

式中:A表示被诊断营养元素；B、C、Z表示与A组成比例的其他营养元素；IA表示A元素的DRIS指数；f(A/B)表示A、B两元素比值的函数；n为参与营养诊断的元素种类数。

式中:X、Y为任意两元素质量百分含量的实测值；CV表示高产组比值的变异系数；x/y为相对应的高产组元素质量百分含量比值的均值。当f(X/Y)＜0时，表明X元素不足，而Y元素过量；当f(X/Y)＝0时，表明两种元素平衡；当f(X/Y)＞0时，表明X元素过量，Y元素不足。

1.5.3 肥料效应函数分析 根据不同施肥处理下苗木的质量指数，建立杉木苗期施肥试验的肥料效应函数回归方程，通过求解回归方程的极值，计算出理论最优解，即苗木的最优施肥量。当求出值为负值时，意味着施肥不增产，推荐的施肥量可视为0。在选用方程式时，选择所求最佳理论施肥量为正值且复测定系数(R2)和复相关系数较高的肥料效应回归方程。

苗木质量指数＝苗木总干质量/[(苗高/地径)+(茎干质量/根干质量)]。

1.6 数据处理

应用SPSS 17.0、Excel 2010软件进行数据统计分析和图表制作。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对杉木苗木生物量的影响

不同施肥处理对盆栽杉木苗生物量的影响如图1所示，所有施肥处理对杉木苗木生物量的影响均达显著水平(P＜0.01)。除处理2、4、24和26外，有微肥处理的生物量均高于无微肥处理。所有施肥处理中，生物量最高的为处理11、22，分别是对照(处理1、2)的1.83和1.95倍，处理22较处理11高6.40%。按照DRIS[5，18]的要求，将不同处理按苗木生物量高低分成高产组和低产组，无微肥处理中，高产组的处理号分别为11、21、23、25，其余10个处理为低产组；有微肥处理中，高产组的处理号分别为6、12、14、20、22、24、26，其余7个处理为低产组。

图1 不同施肥处理对杉木苗木生物量的影响Figure 1 Effects of fertilization on biomass of Chinese fir seedlings

2.2 不同施肥处理的综合营养诊断施肥法诊断参数

对高产组和低产组中每两个元素的含量比及其倒数的形式(如N/P、P/N)进行统计，共40个诊断参数，分别计算其平均值、标准差、变异系数及方差，并对方差比进行显著性检验。每对表示形式只选择差异性最显著或方差比值较大的1个作为重要参数，最终选取20个诊断参数(表2)。大部分高产组的标准差和变异系数均比低产组小，表明高产组杉木苗体内养分含量较低产组杉木苗平衡，低产组杉木苗体内不同养分含量的比例严重失衡。

表2 杉木苗木综合营养诊断施肥法的诊断参数Table 2 Diagnosis and recommendation integrated system diagnostic parameter statistics of Chinese fir seedlings

2.3 不同施肥处理的综合营养诊断施肥法分析

通过公式(2)、(3)计算各参数的函数值，进而根据公式(1)计算各个元素的DRIS指数，得出苗木对某一元素需要的强度及各种元素的平衡状况，结果如表3所示。无微肥处理中，处理13的INI最小，说明其N、P、K养分含量较其它处理相对平衡。其中，N、P、K、B、Zn元素的DRIS指数最高的处理分别为17、1、3、3、11，表明这些处理相应元素含量过剩，应适当减少相应元素的施肥量；N、P、K、B、Zn元素的DRIS指数最低的处理分别为处理3、11、15、17、15，表明这些处理相应元素含量不足，应适当增加相应元素的施肥量。根据需肥顺序排在首位的数量可看出，K、B排在首位的数量最多(均为4次)，表明二代杉木良种苗木对K肥需求量大，其次是N肥和P肥。因此，无微肥处理的平衡施肥应注重K肥的施用，以满足苗木养分需求。

有微肥处理中处理12的INI最小，说明该处理的N、P、K养分相对平衡。其中，N、P、K、B、Zn元素的DRIS指数最高的处理分别为18、2、4、2、24，表明这些处理相应元素的施肥量过高，应适当减少相应元素的施肥量；N、P、K、B、Zn元素的DRIS指数最低的处理分别为2、18、16、22、4，表明应适当增加处理中对应元素的施肥量。此外需肥顺序中N、Zn排在首位的数量最多，均为4次。根据需肥顺序排在首位的数量可看出，在施入微肥后，二代杉木良种苗木对N肥需求量大，其次是P肥，对K肥需求量较小。因此，有微肥处理的平衡施肥应注重N肥的施用，以满足苗木的养分需求。

INI综合指数最小的是处理12，其次是处理20和处理14，说明这3个处理的苗木体内各营养元素含量相对平衡，是杉木苗期施肥的合适配比。此时，N、P、K的养分浓度比例分别是2.06∶1∶1.76、2.06∶1∶2.65和1.37∶1∶1.18，而且这3个处理中均有增施微肥，可见，微肥对二代杉木良种苗木体内的养分平衡有重要作用。

表3 基于综合营养诊断施肥法诊断的杉木苗木养分需求Table 3 Diagnosis and recommendation integrated system index method of nutrient requirements of Chinese fir seedlings

2.4 不同施肥处理对杉木苗木质量指数的影响

苗木质量指数能够综合反映苗木质量优劣，指数越大，苗木质量越好[19]。不同施肥处理对杉木苗木质量指数的影响如图2所示。与无微肥处理相比，有微肥处理的苗木质量指数整体上有所提高，有10个微肥处理高于相应的无微肥处理，占比高达71.43%，除处理8显著高于处理7外，其余均未达到显著差异。其中，有微肥处理的最高质量指数(处理12)较无微肥处理中最高质量指数(处理11)高10.10%，而有微肥处理中最低质量指数为处理2，较无微肥处理中最低质量指数(处理7)高29.32%。

图2 不同施肥处理对杉木苗木质量指数的影响Figure 2 Effects of fertilization on quality index about Chinese fir seedlings

2.5 肥料效应回归方程与理论施肥量分析

根据不同施肥处理下杉木苗木的质量指数，建立杉木苗期施肥试验的肥料效应函数回归方程，优选的肥料效应函数回归方程见表4。理论施肥量是通过被选中方程式所对应的各个肥效的施肥量求均值而得，由此可得出无微肥处理N、P、K的理论施肥量分别为0.407、0.193和0.262 g·kg-1，与试验中的均衡施肥处理N、P、K施肥量0.350、0.170和0.300 g·kg-1较为接近。有微肥处理N、P、K理论施肥量分别为0.474、0.214和0.273 g·kg-1，没有施肥量与之相近的试验处理。

表4 施肥试验的肥料效应回归方程与施肥量Table 4 Regression equation of fertilizer effect and fertilizer application rate in fertilization experiment

3 讨论与结论

无微肥处理的杉木苗需肥顺序为K＞N＞P，有微肥处理的杉木苗需肥顺序为N＞P＞K，表明施加微肥使得杉木幼苗对养分需求程度发生了变化。有学者指出，Zn与K之间存在协同作用，施Zn肥能提高苗木对K的吸收和转运能力[20]，进而使得苗木对K肥的需求程度相对降低。李惠通等[21]通过对杉木苗N、P和K的营养诊断研究得出，杉木苗的需肥次序为K＞P＞N，与本试验无微肥处理的杉木苗需肥次序存在差异，可能与肥料的可溶性和试验苗木家系有关，但排在需肥首位的都是K肥，表明无微肥处理的杉木对K肥需求量大。目前，有微肥处理的杉木苗DRIS营养诊断研究鲜见报道，下一步可进一步深入研究。

通过DRIS营养诊断得出，INI最小的3个施肥处理(处理12、14、20)是杉木苗期施肥最合适配比。其中，N、P、K的最优养分浓度比例为2.06∶1∶1.76，这与牛宁[22]通过不同配比施肥试验得出的N、P、K各养分浓度的比值为2.3∶1∶1.6接近。INI最小的3个处理均是有施微肥处理，此外，施微肥处理较无微肥处理的苗木生物量和苗木质量指数整体上都有所提高，表明微肥的施用对杉木苗体内养分含量的平衡和生长有重要作用。

通过肥料效应函数得出，无微肥处理中，N、P、K的理论最佳施肥量分别为0.407、0.193和0.262 g·kg-1。有微肥处理中，N、P、K的理论最佳施肥量分别为0.474、0.214和0.273 g·kg-1。有无微肥处理的最佳施肥量相差不大，只是在有微肥处理中3种元素的需求量都稍高于无微肥处理，这是5种元素良好供应的结果，也说明了5种元素之间存在相互促进的配合效应[23]。范少辉等[13]对杉木苗期栽培营养的研究表明，N、P、K的最佳施用量分别为0.080～0.120、0.048～0.072和0.032～0.135 g·kg-1。李惠通等[21]的研究表明，N、P、K肥最佳施用量分别为0.051、0.027和0.134 g·kg-1，但本试验的供试苗木为二代速生杉木半年生实生苗，对养分需求大大提高。同时，由于在室内大棚进行盆栽施肥试验，受到光、热、水分、基质和施肥量等因素的影响，这些因素都可能是导致试验结果与其它研究存在差异的原因。

由于DRIS中的指数法仅以各养分元素比值为指标，在田间条件下，当两种营养元素同时成等比例的偏高或偏低变化时，都可能使其比例处于适宜范围内，容易出现诊断误差[24-26]。因此，采用两种诊断方法，可以提高诊断的精确性和可靠性，筛选出杉木苗期施肥最优配比。虽然这两种方法得出的最佳施肥量有差异，但均是基于其理论计算得出的，每种方法均有侧重点和可取之处。理论最佳施肥量应该是一个区间，不同方法得出的结果有差异，需经过多年的重复试验研究和大量数据分析才能获得精确的最佳施肥量。施肥时除考虑苗木种类、土壤等因素外，也应考虑到采用不同统计方法获得的最佳施肥量的差异，对于不同统计方法得出的施肥量在田间试验中对杉木苗生长的影响还有待于进一步验证。本研究仅探讨了温室中不同施肥配比对杉木苗木生长的影响，今后要加强对杉木野外造林配方施肥验证研究，才能更好地得出二代杉木良种苗木对环境养分的真正需求。