施钙与覆膜对降香黄檀生长及心材形成的影响

黄彩虹 符韵林 韦鹏练

（广西大学林学院，广西 南宁 530004）

降香黄檀（Dalbergia odorifera）是豆科（Leguminosae）黄檀属（Dalbergia）常绿半落叶乔木，又名黄花梨、香枝木、降香木[1]。其心材质地较坚实，抗腐蚀能力较强，为国家一级重点保护珍稀濒危树种，本土红木资源，是制作高端家具和精美工艺品雕刻的上等原材料[2]，也是中药降香的基原。降香黄檀自然成材缓慢，一般6～8 a，胸径达6～8 cm 时，才开始形成心材，30～40 a 才能成材[3]，自然资源短缺。加快和扩大推广降香黄檀种植，获得高品质降香黄檀木材成为降香黄檀人工培育亟待解决的关键性问题。目前的研究中，多采用树干注射乙烯利[4]、6-苄氨基腺嘌呤[5]等植物生长调节激素，或接种真菌、填充外援气体等方式促进降香黄檀心材形成[6]，具有一定成效，但操作难度较大，难以推广。因此，探寻操作简单，易推广的人工培育方式成为问题关键。林木土壤施肥是提高森林生产力的重要措施，操作简单，是实现林分速生丰产的重要途径，逐渐作为森林抚育经营措施开展试验研究[7]。研究表明，施肥可以增加西部红松（Thuja plicata）心材比例[8]。连续6 a 对桉树（Eucalyptus globulus）进行灌溉和施肥可以增加心材面积[9]。施钾肥对降香黄檀心材出油率有一定的促进作用，对心材特征物质橙花叔醇等化合物的含量有一定的提升作用[10]。海南西部及西南部，海拔400 m 以下的平原或低山丘陵地区是降香黄檀天然林的分布区域[11]，土壤中发生Ca2+、Mg2+生物积累，土壤吸收复合体中始终以Ca2+、Mg2+居优势[12]。生长在该地区的降香黄檀木材品质极好，可能是因为降香黄檀是一种嗜钙树种[13]，适合生长在钙含量丰富的地区。由此看来，可以通过施加钙肥的方式模拟原产地的生长条件，在其他地区进行降香黄檀培育推广，提高降香黄檀的培育质量。而降香黄檀喜热怕冷的特性是制约其向北推广种植的关键因素，原产地干旱缺水可能是导致降香黄檀植株生长十分缓慢的重要原因。地膜覆盖技术具有保温保墒的作用，能够有效改善土壤温度和水分状况。因此，可以通过在降香黄檀推广种植的过程中，结合地膜覆盖技术，改善温度和水分问题。

本研究结合利用地膜覆盖技术，通过施加生石灰，模拟降香黄檀原产地钙含量丰富的土壤环境，探究不同钙量及覆膜处理对降香黄檀生长及心材质量的影响。为降香黄檀人工培育方式提供新思路，对加快降香黄檀的植株生长以及降香黄檀的向北推广种植具有重大意义，同时也为降香黄檀的人工培育和人工促进其心材形成提供参考依据。

1 研究区概况

研究地位于广西南宁良凤江国家森林公园（22°34′31″～22°46′51″ N,108°15′14″～108°22′22″ E），丘陵盆地地貌，坡度较小，海拔80～220 m。南亚热带季风气候，水热丰富，年平均气温21.6 ℃，1 月平均气温12.4 ℃，极端最低气温-1.4 ℃，7 月平均气温28.3 ℃，极端最高气温39.5 ℃，年平均霜期5 d，年均降水量1 280 mm，4—9 月为雨季，相对湿度79 %，土壤类型为砂页岩发育形成的赤红壤，厚度在80 cm 以上[14-15]。试验材料为7 年生降香黄檀，平均树高为3.96 m，平均胸径为4.48 cm，行间距：2 m × 3 m。造林时，连续抚育4 a，定植当年，种植1 个月后追肥，施复合肥500 g（N∶P∶K 质量比为15∶15∶15），割灌除草1 次；第2～4 年，每年人工割灌除草1～2 次，扩坎松土，施肥1 次。

2 研究方法

2.1 试验设计

根据喜钙植物钙肥施用量[7]、降香黄檀苗木单肥施用量[16]以及预实验基础上，选取同一林分，长势一致的降香黄檀无心材植株，采取单因素完全随机设计，每处理选取植株至少15 株，单株重复，试验共计7 个处理，处理之间设保护行。各处理设置如下：

1）自然条件下的钙处理：在距离树根0.5 m 处，垂直等高线方向挖施肥沟，规格为20 cm × 20 cm × 5 cm，仅施加生石灰，生石灰用量 设3 个 梯 度，即：50 g/株（Ca50）、100 g/株（Ca100）、150 g/株（Ca150），将生石灰撒放均匀并及时覆土填埋。每个季度施1 次（3 月、6 月、9 月、12 月），连续施2 a。

2）覆膜的钙处理：生石灰用量设置与上述单纯施用生石灰处理的相同，同时覆膜，即：50 g/株（F + Ca50）、100 g/株（F + Ca100）、150 g/株（F +Ca150），每个季度施1 次，连续施2 a；铺设黑色塑料薄膜时，先铲平地面，以参试植株为中心，铺设边长为2 m 的正方形薄膜，铺膜后覆土，确保自然降雨的雨水在该范围内无地表渗水。

3）CK：自然生长状态下的降香黄檀植株。

试验开始时间为2017 年3 月份，于2018 年12 月完成最后1 次处理。在试验开始前对降香黄檀进行树高、胸径的本底测定。2020 年7 月份再次测定降香黄檀树高、胸径。

2.2 取样及试样处理

于2019 年12 月份（处理结束后1 a），用内径5.15 mm 生长锥在树干约30 cm 处自南向北钻取木芯，每个处理随机钻取3 株重复，密封后放于装有干冰的保温箱，带回后放入-80 ℃超低温冰箱保存。由于通过人工干预后的降香黄檀木质部的心材生长不一，为方便比较，统一选取年轮中心1 cm 范围内的木材进行分析比较研究，如图1 所示。因其不能被称为严格意义上的心材，故在本研究中将其称为中心材。将中心材取下后，用粉碎机将其粉碎成较为细小的木屑，倒入混合型球磨仪继续研磨。将研磨好的木粉，过60 目筛，备用。

图1 木芯取样区域划分Fig. 1 Division of core sampling area

2.3 测定方法

降香黄檀提取液总黄酮含量的测定，参考黄星[17]的方法，稍作修改：称取各处理木粉适量，分别放入25 mL 具塞比色管中，各加5 mL 50 %乙醇溶液，盖好玻璃塞，超声抽提1 h 后，真空抽滤，用50 %乙醇定容至10 mL，待测。采用NaNO2—Al(NO3)3—NaOH 的显色方法，测定反应液在 510 nm 处的吸光值。以芦丁作为标准品，建立芦丁标准曲线，如图2，得回归方程：y=0.008 6x+0.012 1（R2=0.999 3），其 中y表示吸光值，x表示芦丁的浓度，测定范围：5～80 μg/mL。总黄酮含量的计算公式为：

图2 芦丁标准曲线Fig. 2 Standard curve of rutin

式中：X表示通过计算得到的芦丁浓度，M表示样品的质量，V表示提取液浓缩或稀释后的溶液体积。

2.4 分析方法

2.4.1 气相色谱-质谱（GC-MS）分析

称取中心材木粉50 mg，分别放入25 mL 具塞比色管，各加入5 mL 无水乙醇，盖好玻璃塞，超声抽提1 h 后，真空抽滤，用无水乙醇定容至10 mL。过双层0.22 μm 有机滤膜后，取1.5 μL于进样瓶中，待测。

取待测样品，利用7890B-7000D 气相色谱-质谱仪（Agilent，美国）对降香黄檀木材乙醇提取液的化学成分进行鉴定。气相条件：色谱柱：HP-5 msUltraInert 毛细管柱（30 m × 250 μm × 0.25 μm），载气：高纯氦气；载气恒流速：2.25 mL/min；进样量：1.5 μL，不分流；升温程序：柱温起始温度为60 ℃，保持3 min，再以10 ℃/min，升至250 ℃，保持6 min。

质谱条件：离子源EI，电子能量：70 eV；离子源温度230 ℃；辅助加热温度250 ℃；溶剂延时：3 min；扫描质量范围30～500 amu。

化学成分分析：对GC-MS 分析得到的总离子色谱图采用数据库检索，各色谱峰相应质谱图经计算机质谱库（NIST17.L）检索定性鉴别，结合人工图谱解析确认化合物的成分。采用面积归一化法，以各组分的峰面积占总峰面积之比表示各化合物的相对含量。

2.4.2 数据处理

采用Microsoft Excel 2019 对数据进行整理统计，SPSS Statistics 19.0 进行方差分析以及Duncan新复极差法进行显著性检验，Origin 2018 制作图表。

3 结果与分析

3.1 施钙与覆膜处理对降香黄檀生长的影响

由表1 可知，单独外源施加钙的处理中，随着钙的施加量的增长，树高增长呈现先上升后下降的趋势，树高增长量均比CK 的树高增长量高，并在100 g 生石灰施加量处达到峰值，显著高于CK（P＜ 0.05）。表明外源施加钙对降香黄檀植株树高的增长有一定的促进作用。通过地膜覆盖技术并施加钙的各处理的降香黄檀树高的增长量均显著高于CK（P＜ 0.05），且树高增长量比单独外源施加相同量的钙处理的树高增长量高，随着钙施加量的增加，树高增长呈先升后降的趋势，并在100 g 生石灰施加量处达到峰值。

表1 施钙与覆膜处理对降香黄檀树高、胸径增长量的影响Table 1 Effects of calcium application and film mulching on growth of height and DBH of D. odorifera

由表1 可知，施钙与覆膜对降香黄檀植株胸径生长的促进作用不显著。其中，单独外源施加钙的处理，随着钙（生石灰）的施加量的增长，降香黄檀的胸径增长量呈先下降后上升的趋势，仅Ca50的胸径增长量略高于CK。在覆膜并施加钙的处理中，随着外源施加钙含量的增加胸径增长量呈上升趋势，且F + Ca100和F + Ca150的胸径增长量显著高于F + Ca50（P＜ 0.05）。

3.2 施钙与覆膜处理对降香黄檀木材总黄酮含量的影响

由图3 可知，施钙与覆膜对降香黄檀总黄酮含量的影响显著（P＜ 0.05），具体表现为F +Ca150＞ F + Ca50＞ Ca150＞ Ca50＞ CK ＞ F + Ca100＞ Ca100。仅外源施加钙的处理中，降香黄檀的总黄酮含量随着钙施加量的增加，呈先下降后上升的趋势。Ca100的总黄酮含量显著低于CK（P＜ 0.05），Ca50和Ca150中总黄酮含量显著高于CK（P＜ 0.05）。覆膜处理中，随着外源施加钙含量的增加，总黄酮含量呈先降后升的趋势。F + Ca100的总黄酮含量显著低于CK（P＜ 0.05），F + Ca50和F +Ca150中总黄酮含量显著高于CK（P＜ 0.05）。无论降香黄檀植株是否进行覆膜处理，在施加相同量的生石灰时，其总黄酮含量的变化趋势一致。当外源施加钙的含量相同时，覆膜处理的降香黄檀的总黄酮含量均显著高于未覆膜的处理（P＜ 0.05）。

图3 施钙与覆膜对降香黄檀总黄酮含量的影响Fig. 3 Effects of calcium application and film mulching on the content of total flavonoids in D. odorifera

3.3 施钙与覆膜处理对降香黄檀心材特征成分的影响

由表2 可知，顺式-橙花叔醇仅Ca150中含有，F + Ca50和F + Ca150中均含有的反式-橙花叔醇，且后者是前者含量的1.56 倍。Ca50中橙花叔醇的含量是CK 的1.45 倍；F + Ca150中含有的橙花叔醇是CK 的1.56 倍。综上，施钙并覆膜的处理比单独施加钙的处理中所含的橙花叔醇（含顺反异构体）的含量高。Ca50、F + Ca50和F + Ca150中，降香黄檀乙醇提取液的环氧化蛇麻烯Ⅱ含量分别是CK 的3.89 倍、1.94 倍和2.69 倍。单独外源施加适量的钙（Ca50）能促进环氧化蛇麻烯Ⅱ的生成，但随着钙施加量的增加，环氧化蛇麻烯Ⅱ受到抑制。覆膜处理后，在低钙含量（F +Ca50）和高钙含量（F + Ca150）时，均会生成环氧化蛇麻烯Ⅱ。本研究中，Ca100、Ca150和F + Ca100中未鉴定含有美迪紫檀素，而Ca50、F + Ca50和F + Ca150中含有较多的美迪紫檀素。其中，Ca50是CK 的4.95 倍；F + Ca50中，美迪紫檀素的含量是CK 的11.82 倍，F + Ca150是CK 的14.13 倍。当外源钙的施加量相同时，覆膜的F + Ca50中，美迪紫檀素的含量是未覆膜的Ca50的2.39 倍。表明，Ca50、F + Ca50、F + Ca150均能促进形成具有较优质心材，而覆膜处理后，其促进作用更佳。

表2 施钙与覆膜后降香黄檀乙醇提取物部分化学成分分析Table 2 Analysis of some chemical constituents of ethanol extract of D. odorifera after calcium application and plastic film mulching

4 结论与讨论

4.1 讨论

4.1.1 钙对降香黄檀生长和心材形成的影响

钙（Ca）作为植物的第二信使，植物所必需的营养元素之一，在植物生长发育的过程中起着至关重要的作用，对植物的生长发育、光合作用、有关酶的调控、维持细胞膜稳定、调控植物生理活动均具有重要作用[18]。本研究中外源施加钙后降香黄檀树高的增长优于CK，且随着钙的施加量的增长，降香黄檀株高增长量呈现先上升后降低的变化趋势，说明钙对株高生长有促进作用，但钙含量过高或过低都会影响在植物的生理生化过程[19-21]，这一研究结果中国林科院热带林业实验中心1980 年对降香黄檀在钙丰富的石山岩溶地区进行引种栽培的生长表现一致，虽然引种栽培植株的树高年平均生长量（1.16 m）远高于原产地最优林分树高年平均生长量（0.80 m），而胸径年平均增长量（0.77 cm）接近原产地最优林分的胸径增长量（0.80 cm）[22]。外源施加矿质元素钙对降香黄檀树高生长的促进随着钙浓度的升高呈现先增后降的趋势，在其他植物如月季（Rosa hybrida）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）等也有相似的变化规律[23-24]。

植物生长发育过程中，黄酮类化合物的生成与钙元素存在着一定的联系，Ca2+与细胞衰老息息相关。章子贵等[25]在衰老的细胞当中发现有大量的钙和色素沉积。降香黄檀心材的主要成分是黄酮类化合物和挥发油[26]，而心材中不含活细胞[27]，黄酮类化合物是植物次生代谢过程中的重要产物[28]，是天然的色素成分。钙作为植物生长所需的重要矿质元素，影响着植物次生代谢运转[29]，最终影响植株着色，对降香黄檀色泽具有重要影响。植株中的Ca 和Fe 存在协同吸收的关系，施加钙肥能够实现整个植株关于Fe 积累量的富集，一定含量的铁元素可以促进植株类黄酮途径关键酶的表达，有利于植物代谢过程中，类黄酮色素物质的积累和增长，稳定植物外观色素[30-32]。在本研究外源施加钙的处理中，Ca50和Ca150的总黄酮含量显著高于CK。美迪紫檀素属于黄酮类化合物，是降香黄檀心材化学成分的标志性物质，10 年生琼产降香黄檀心材部分的甲醇和乙酸乙酯提取液中，其主要化学成分均为美迪紫檀素，含量高达22.93%[33]。本研究中，Ca50中美迪紫檀素的相对含量是CK 的4.95 倍。表明，外源施加适量的钙可能造成其他营养元素的协同吸收，从而直接或间接影响促进降香黄檀黄酮类物质的代谢积累。

钙离子信号途径对萜类挥发性物质的代谢过程也起着重要作用[34]。橙花叔醇（含顺反异构体）、环氧化蛇麻烯Ⅱ都属于倍半萜类化合物，是降香黄檀心材挥发油的特征产物[35]。本研究中，在外源施钙的处理中，仅Ca50含有两种萜类物质，总含量为7.59%，是CK 中2 种萜类物质总含量的3.37 倍。外源施加适量的钙可以促进萜类物质的代谢积累，从而促进降香黄檀心材标志性物质的生成。

4.1.2 覆膜对降香黄檀生长和心材形成的影响

地膜覆盖技术，可以改善土壤温度、调节土壤水分状况、增加土壤肥力、促进土壤养分的利用。在农业中覆膜技术可以达到增产增收的作用，在林业产业中覆膜造林可以缩短苗木的生长周期。董鑫[36]用植苗造林、覆膜造林及客土袋造林方法对侧柏（Platycladus orientalis）进行造林试验的研究表明，与植苗造林相比，覆膜造林对侧柏树高的影响差异极显著，而对于地径的影响差异不显著。何金元等[37]的研究表明，相较于未覆膜的处理，地膜覆盖对桉树（Eucalyptus ro-busta）幼林的树高、地径生长具有促进作用。本研究中，通过地膜覆盖技术不仅保证了降香黄檀树高的生长，同时改善了外源施加钙对植株胸径生长的促进作用，即在施钙与覆膜的协同作用下，比未覆膜的处理更能够促进降香黄檀树高、胸径的生长。其中，F + Ca100对树高生长的促进作用最佳，F + Ca150稍次之；F + Ca150对胸径生长的促进作用最佳，F + Ca100稍次之。

覆膜能够促进元素吸收，促进土壤养分利用。铁元素能够影响类黄酮色素物质的次生代谢积累和增长，王飞等[32]对花生（Arachis hypogaea）植株施钙与覆膜的研究表明，覆膜栽培比露地栽培更加有利于Fe 积累量的富集。本研究中，当外源施加相同量的钙时，覆膜处理中总黄酮的含量显著高于未覆膜处理中总黄酮的含量。同时，在施钙与覆膜协同作用下，F + Ca50和F +Ca150中黄酮类化合物—美迪紫檀素的相对含量高于未覆膜的Ca50。覆膜栽培可以调节植物的蒸腾作用，促进营养元素吸收，从而促进植株次生代谢，产生更多的黄酮类化合物。萜类物质也是植物次生代谢过程中的重要产物。覆膜处理中，F +Ca50和F + Ca150中橙花叔醇（含顺反异构体）和环氧化蛇麻烯Ⅱ两种萜类物质的总含量分别为9.86%、16.10%，分别是未覆膜处理中Ca50含量的1.30 倍和6.31 倍。在施钙与覆膜的协同作用下比未覆膜的施钙处理更能够促进降香黄檀次生代谢和积累，促进心材物质的生成，从而促进降香黄檀心材的形成。

4.2 结论

综上所述，外源施加钙的方式可以促进降香黄檀植株的生长，促进降香黄檀植株的次生代谢产物的积累和增长，促进降香黄檀心材的形成，提高降香黄檀的心材质量；适量钙与覆膜的协同作用下促进效果更佳。其中，F + Ca150各方面促进效果最佳。本研究中，外源施加钙的方式与地膜覆盖技术在降香黄檀培育上的综合利用，为降香黄檀的人工培育提供了新的人工培育方式，为人工促进降香黄檀心材形成提供了新的理论基础。