奚 旺 劉 勇 馬履一 李國雷 賈忠奎 陳 闖 史文輝

(省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

灌水和施肥是容器育苗的兩大關(guān)鍵措施，這兩方面在苗木生長中互為制約、互為調(diào)節(jié)又互為平衡，合理控制水肥的施用量對苗木質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境等方面都有顯著影響［1－2］。目前，容器育苗主要采用上方噴灌，水資源浪費(fèi)高達(dá)72%，同時(shí)，未經(jīng)苗木利用的養(yǎng)分隨排出水流失，僅氮淋溶量就高達(dá)50 kg·hm－2［3］，極易造成環(huán)境污染。容器苗底部滲灌技術(shù)是利用育苗基質(zhì)毛細(xì)管作用從容器下方吸收水分對苗木進(jìn)行灌溉的育苗技術(shù)［4］。該系統(tǒng)是由儲水箱、壓力泵、輸水管、施水槽、回流管等組成的水分循環(huán)利用系統(tǒng)［5］，可實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥和避免肥料淋溶污染。

目前，國外已開展了該技術(shù)在云杉(Picea pungens Engelm)［6］、花旗松(Pseudotsuga menziesii (Mirbel)Franco)［7］、北美紅櫟(Quercus rubra L.)［8］、合歡(Acacia koa A.Gray)［9］、山楊(Populus tremuloides Michx.)［10］、紫松果菊(Echinacea pallida Nutt.)［11］、刺槐(Robinia pseudoacacia L.)［11］、鐵心木(Metrosideros polymorpha Gaud.)［12］等樹種容器育苗中的相關(guān)研究，涉及底部滲灌對節(jié)水節(jié)肥、苗木生長、光合特性、水分利用效率等的影響。證明該技術(shù)減少水肥資源浪費(fèi)，減少環(huán)境污染，且不降低苗木質(zhì)量［10－12］，還發(fā)現(xiàn)在底部滲灌條件下使用緩釋肥可以避免施肥過量，提高肥料利用效率，達(dá)到節(jié)肥、環(huán)保、省工的綜合效益［3，7］。

我國對底部滲灌條件下的容器苗培育技術(shù)研究較少［4］，針對華北落葉松容器苗的研究更是未見報(bào)道。與很多國家相比，我國水資源更缺乏，水污染更嚴(yán)重，且容器苗生產(chǎn)量更大，年產(chǎn)達(dá)40 億株［13］，采用底部滲灌技術(shù)更為迫切，因此，研究我國造林樹種對底部滲灌系統(tǒng)的響應(yīng)很有必要。本研究以我國華北地區(qū)主要造林樹種之一的華北落葉松(Larix principis-rupprechtii Mayr)為代表樹種，探討底部滲灌條件下不同水肥處理與苗木質(zhì)量及光合特性間的關(guān)系，以期找出底部滲灌條件下華北落葉松容器育苗的最佳水肥組合，為底部滲灌技術(shù)在我國造林樹種容器育苗中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)地位于北京林業(yè)大學(xué)妙峰山教學(xué)實(shí)驗(yàn)林場的森林培育學(xué)科科研基地，試驗(yàn)用溫室晝/夜溫度平均為28/18 ℃，采用自然光照，濕度控制在55% ～85%。

華北落葉松種子來源于河北省承德市圍場縣林木種苗站，種子質(zhì)量為5.93mg/粒。育苗容器上口直徑3.8 cm、高度21 cm，單個(gè)容器體積164 cm3，每49 個(gè)容器置于一個(gè)育苗架內(nèi)，育苗密度為528 株·m－2。育苗基質(zhì)V(泥炭)∶ V(蛭石)=3∶ 1。肥料為包裹型緩釋復(fù)合肥，w(氮)∶ w(磷)∶ w(鉀)=13∶13∶ 13，緩釋期為150 ～180 d。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)時(shí)間為2013年4月至11月，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)灌水和施肥2 個(gè)因素，其中底部滲灌設(shè)置4 個(gè)水分梯度，水分控制下限分別為基質(zhì)飽和重的55%、65%、75%、85%，另設(shè)一個(gè)上方灌溉處理作對照(CK)，采用常規(guī)的噴灌方法［14］，當(dāng)基質(zhì)田間持水量低于85%時(shí)，上方噴灌至飽和。施肥設(shè)置3 個(gè)緩釋肥量，以施氮量為基準(zhǔn)，分別為50、100、150 mg·株－1。共15 個(gè)處理，重復(fù)5 次，每個(gè)重復(fù)40 株苗(表1)。

表1 不同水肥處理組合

1.2 育苗方法

種子處理:2013年4月13日，將華北落葉松種子用0.5%的高錳酸鉀溶液浸泡2 h，然后用清水沖洗干凈，與含水量約為60%的細(xì)沙混合，置于溫度為20 ℃的培養(yǎng)箱中催芽7 d。

施肥準(zhǔn)備:按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的育苗株數(shù)計(jì)算所需緩釋肥量并提前稱好，將緩釋肥一次拌入基質(zhì)中。4月16日，將混合均勻后的基質(zhì)裝入容器內(nèi)，邊裝填邊壓實(shí)，播種前3 ～5 d，澆水至能從容器底部滲出。

播種:4月19日，用竹簽在基質(zhì)中央扎出1.0 cm 左右深的小洞，放入3 ～6 粒經(jīng)催芽的種子并覆表土，覆蓋厚度控制在0.5 ～0.8 cm。

播種后，每隔2 d 用噴霧器噴水保持土壤濕潤直至出苗，出苗1 個(gè)月后進(jìn)行間苗，每容器保留1 株健壯苗木。間苗后，從5月20日開始，每2 d 定時(shí)用電子秤(最大量程30 kg，最小感量0.1 g)對育苗架進(jìn)行稱其質(zhì)量，并逐一做好標(biāo)記，計(jì)算當(dāng)育苗基質(zhì)田間持水量低于該處理所設(shè)的水分梯度時(shí)，進(jìn)行底部滲灌至飽和(稱質(zhì)量法)［15］;上方灌溉用噴壺(容積為9 L)模擬噴灌，每次灌溉都做好稱質(zhì)量記錄，計(jì)算苗木用水量。用50%多菌靈可濕性粉劑600倍液噴霧防治病害，從幼苗期開始每2 周進(jìn)行1 次，共7 次，及時(shí)除草。

1.3 測定方法

8月4日早上09:00—11:30，用LI－6400XT 便攜式光合系統(tǒng)測定儀(LI－COR，USA)、6400－05 簇狀葉室對苗木進(jìn)行光合指標(biāo)測定。8月17日，采用丙酮浸提法，利用紫外可見分光光度計(jì)(Agilent 8453，USA)分別在波長663、646 nm 下測定不同處理苗木葉綠素含量，按Arnon 公式進(jìn)行計(jì)算［16］。11月12日，苗木落葉后進(jìn)行破壞取樣，每個(gè)處理取8株，5 次重復(fù)，測定其苗高、地徑及根、莖生物量。其他指標(biāo)計(jì)算公式如下:

總生物量=莖生物量+根生物量;

在葉片水平上，水分利用效率=凈光合速率/蒸騰速率［17］;

在苗木水平上，水分利用效率=干物質(zhì)量/總耗水量［17］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)記錄和整理采用Excel 2007 軟件，數(shù)據(jù)處理采用SPSS 18.0 進(jìn)行雙因素方差分析，如果差異顯著(p ＜0.05)，則用Duncan 法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 容器苗底部滲灌與上方灌溉用水量比較

從5月20日至10月20日對華北落葉松容器苗進(jìn)行5 個(gè)月的滲灌育苗，由表2可知，底部滲灌條件下，灌溉用水量隨所設(shè)水分梯度的減小而減少，其中，B1(55%)處理總灌溉用水量及單株苗木耗水量最少，分別為365.01 L 及1.86 L·株－1;B5(CK)處理總灌溉用水量及單株苗木耗水量最大，分別為1573.7 L 及8.03 L·株－1。在灌水梯度為85%條件下，底部滲灌比上方灌溉節(jié)省68.1%的灌溉用水。

2.2 不同水肥處理對苗高、地徑及生物量的影響

根據(jù)對不同水肥組合下華北落葉松容器苗苗高、地徑及生物量進(jìn)行雙因素方差分析結(jié)果表明，水和肥因素對苗木苗高、根和莖生物量、莖根比的影響達(dá)到顯著水平，其交互效應(yīng)僅對莖生物量及總生物量的影響效果顯著，F(xiàn) 值分別為2.704和3.126。

表2 不同水分梯度灌溉用水量比較

不同施肥濃度下苗木形態(tài)指標(biāo)存在顯著差異(表3)。多重比較結(jié)果表明，施氮質(zhì)量濃度為100 mg·株－1的苗木苗高達(dá)到21.59 cm，顯著高于其他處理(p ＜0.05);地徑也達(dá)到最大值，為2.91 mm，顯著高于150 mg·株－1施氮處理;苗木莖、根及總生物量均達(dá)到最大，分別為0.30、0.29、0.60 g·株－1;施氮量為150 mg·株－1的苗木莖根比顯著高于其他處理(p ＜0.05)，達(dá)到1.11。

與上方灌溉相比，底部滲灌處理下苗高顯著增加(表3)，增長幅度達(dá)到6.1% ～14.6%，且苗高和地徑均隨著灌水梯度的增加呈先逐漸增大再減小的趨勢。在灌水梯度為75%時(shí)苗高、地徑達(dá)到最大，分別為21.64 cm 和2.93 mm，55%的灌水梯度下苗高、地徑最小，顯著低于其他處理。苗木莖、根和總生物量最大值也出現(xiàn)在75%灌水梯度上，分別達(dá)到0.27、0.25、0.52 g·株－1，其莖及總生物量顯著高于55%和65%灌水梯度(p ＜0.05)，其他處理差異不顯著;莖根比最大值出現(xiàn)在85%灌水梯度上，為1.14，顯著高于B1(55%)和B5(CK)。

表3 不同水肥處理下華北落葉松1年生容器苗苗高、地徑及生物量

雙因素方差分析結(jié)果表明，水肥交互效應(yīng)對苗木莖和總生物量的影響效果顯著(p ＜0.05)。由表4、表2可知，處理A2B3、A2B4、A2B5 的苗木生物量處于較高水平，處理A3B1、A3B2、A3B3、A3B4 的苗木生物量處于較低水平。多重比較結(jié)果表明，水肥處理A2B3、A2B4 的生物量明顯高于其他處理(p ＜0.05)，且在施氮質(zhì)量濃度為100 mg·株－1、水分梯度為75%時(shí)(A2B3)達(dá)到最大，苗木莖、根及總生物量分別達(dá)到0.35、0.33、0.68 g·株－1;而水肥處理A3B1 下的苗木莖生物量(0.18 g·株－1)、根生物量(0.16 g·株－1)及總生物量(0.36 g·株－1)均低于其他處理。

2.3 不同水肥處理對苗木光和特性的影響

根據(jù)對不同水肥處理下苗木的光合指標(biāo)進(jìn)行雙因素方差分析結(jié)果表明，水和肥因素對苗木各項(xiàng)光合指標(biāo)的影響達(dá)到極顯著水平，其交互效應(yīng)對苗木的各項(xiàng)光合指標(biāo)也存在顯著影響。由表5可知，隨著水分梯度的增加，凈光合速率及氣孔導(dǎo)度呈先逐漸增大再減小且趨于穩(wěn)定的趨勢，在灌水梯度為75%時(shí)達(dá)到最大(9.81、0.20 mol·m－2·s－1)。隨著施肥量的提高，凈光合速率及氣孔導(dǎo)度呈先增大再減小的趨勢，在施氮量為100 mg·株－1時(shí)為最大(8.92、0.17 mol·m－2·s－1)。不同水肥處理下苗木凈光合速率及氣孔導(dǎo)度均存在顯著差異(p ＜0.05)，經(jīng)分析得知，氣孔導(dǎo)度與凈光合速率呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.804。處理A2B3 及A1B3 苗木的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度處于最高水平，分別為10.37 μmol·m－2·s－1、0.21 mol·m－2·s－1和9.78 μmol·m－2·s－1、0.19 mol·m－2·s－1。處理A1B1、A3B5 下的苗木凈光合速率處于最低水平，分別為7.62、7.43 μmol·m－2·s－1。處理A3B4 及A3B5 下的苗木氣孔導(dǎo)度最低，均為0.13 mol·m－2·s－1。

表5 不同水肥處理下華北落葉松容器苗光和特性及水分利用效率

在葉片水平上，水分利用效率是指單位水量通過葉片蒸騰散失時(shí)植物光合所固定的CO2量，用凈光合速率與蒸騰速率的比值表示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，水分利用效率與凈光合速率呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.532。表5中，水分利用效率隨水分梯度的增大呈先增加后減小的趨勢，在水分梯度為75%時(shí)達(dá)到最大(4.15 μmol·mmol－1)。水分利用效率在不同水肥條件下存在顯著差異(p ＜0.05)，處理A2B2、A2B3、A2B4、A3B3、A3B4 的水分利用效率處于較高水平，顯著高于處理A1B1、A3B1，其中，處理A2B3 的水分利用效率最高，達(dá)到4.30 μmol·mmol－1，處理A1B1 的水分利用效率最低，為3.81 mmol·mol－1。

2.4 不同水肥處理對苗木葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

對不同水肥處理下苗木葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行雙因素方差分析，水和肥因素對苗木葉綠素a、b 及總?cè)~綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響達(dá)到極顯著水平，對w(葉綠素a)∶ w(葉綠素b)值的影響效果顯著;但兩者的交互效應(yīng)對苗木葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響效果不顯著。

由表6可知，施氮量為100 mg·株－1的苗木葉綠素a、b 及總?cè)~綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均明顯高于其他處理，分別達(dá)到1.09、0.50、1.60 mg·g－1，其w(葉綠素a)∶ w(葉綠素b)值顯著高于施肥處理A1(50 mg·株－1)，為2.15。

隨著灌水梯度的增加苗木葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先增后減的趨勢(表6)，多重比較表明，水分處理B3(75%)、B4(85%)下的苗木葉綠素a、b 及總?cè)~綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均明顯高于其他處理，水分處理B5(CK)下的苗木葉綠素a 質(zhì)量分?jǐn)?shù)也顯著高于其他處理，其中，水分處理B3(75%)的苗木葉綠素a 及總?cè)~綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大，分別為1.06 和1.56 mg·g－1;水分處理B4(85%)的苗木B1、B2、B3、B4、B5分別表示灌溉量為55%、65%、75%、85%、CK 值最低(1.97)，其他處理苗木w(葉綠素a)∶ w(葉綠素b)值差異不顯著。

表6 不同水肥處理下華北落葉松容器苗葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.5 不同水肥處理對苗木水分利用效率的影響

在苗木水平上，水分利用效率是干物質(zhì)量與總耗水量的比值，即植物消耗單位水量所生成的干物質(zhì)量。對不同水肥處理下苗木水分利用效率進(jìn)行雙因素方差分析，F(xiàn) 值達(dá)到3.126，說明其交互效應(yīng)對苗木水分利用效率的影響效果顯著。

由表7可以看出，不同水肥處理下水分利用效率隨灌水梯度的增加呈先逐漸增大再減小的趨勢，滲灌處理下苗木水分利用效率比上方灌溉處理(CK)高出1.17 ～3.46 倍，差異顯著(p ＜0.05)，其中，在B3(75%)滲灌處理下苗木水分利用效率達(dá)到最大。

在各個(gè)水分梯度下，隨著施肥量的提高，苗木水分利用效率呈先增后減的趨勢(表7)，其中，A2(100 mg·株－1)施肥處理下整體苗木水分利用效率均處于較高水平，其次是A1(50 mg·株－1)處理;15個(gè)水肥組合中，處理A2B1、A2B2、A2B3 的苗木水分利用效率處于較高水平，處理A2B3 達(dá)到最大，為0.89 g·L－1，處理A1B5、A2B5、A3B5 的苗木水分利用效率顯著低于其他處理，處理A1B5 最低為0.20 g·L－1。

表7 不同水肥處理下華北落葉松容器苗的苗木水分利用效率

3 結(jié)論與討論

底部滲灌是一個(gè)封閉系統(tǒng)，水分得以循環(huán)利用，因此，容器苗底部滲灌技術(shù)最明顯特點(diǎn)是節(jié)水。本研究表明，與上方灌溉相比，底部滲灌可節(jié)省68%的灌溉用水，這與Dumroese 等［3］節(jié)水72%的研究結(jié)果相近。同時(shí)，底部滲灌在大量節(jié)水基礎(chǔ)上不但不會降低苗木質(zhì)量，而且還能促進(jìn)苗木質(zhì)量的提升。本試驗(yàn)得出，底部滲灌下培育的苗木較上方灌溉在苗高上提高了6.1% ～14.6%。Pinto 等［11］也發(fā)現(xiàn)滲灌下培育的紫松果菊(Echinacea pallida Nutt.)苗木較上方噴灌在生物量上提高14%，苗高增加15%。原因可能是底部滲灌系統(tǒng)培育的苗木不存在養(yǎng)分淋溶，能夠長期保持充足的養(yǎng)分，對苗木生長有利，而上方噴灌會將容器中的肥料淋溶流失［3］。

水和肥作用是相互影響的，適宜的水分和養(yǎng)分配比可促進(jìn)苗木對養(yǎng)分吸收，提高苗木質(zhì)量［18］。試驗(yàn)表明，苗高和生物量在灌水梯度為75%、施氮量為100 mg·株－1(處理A2B3)時(shí)達(dá)到最大，分別為23.73 cm、0.68 g·株－1，處理A2B3 的莖根比與其他處理相比差異不顯著，這與Pinto 等［11］的研究結(jié)果相似。賀冬梅等［18］的研究也表明，適宜的水分和養(yǎng)分配比可促進(jìn)植株總生物量的累積，提高植株質(zhì)量，水分養(yǎng)分供給過低，不能滿足苗木的正常生長需求;養(yǎng)分過高則易造成“燒苗”，水分過多則不利于根系呼吸，阻礙其生長及養(yǎng)分吸收。

光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，水肥交互作用也對苗木光合特性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響苗木質(zhì)量［19］。由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光合速率和總?cè)~綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨灌水梯度及施肥量的增加呈先逐漸增大再減小的趨勢，以處理A2B3 最大，分別為10.37 μmol·m－2·s－1和1.85 mg·g－1(表5、表6)。這一結(jié)果說明①A1(50 mg·株－1)處理施肥量過低，不能滿足苗木的生長需求，葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，光合能力下降;A3(150 mg·株－1)處理施肥量過高，不利于苗木進(jìn)行光合作用，反而會抑制苗木的生長;A2(100 mg·株－1)處理的光合速率和總?cè)~綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，此施肥濃度最為合理。②B1(55%)、B2(65%)處理水分梯度過低，植物受到水分脅迫，水是光合作用原料之一，原料不足，光合速率降低，原因可能是植物為了減少水分散失，縮小或關(guān)閉氣孔，減少葉片的氣體交換，從而對光合作用產(chǎn)生不利影響;而對于B4(85%)處理可看出，過高的水分含量下基質(zhì)水氣平衡不好，氧氣不足，根系呼吸不暢，對光合作用也存在一定的抑制，且造成水資源浪費(fèi)，因此75%水分梯度(B3)較為合理，即施氮濃度為100 mg·株－1、底部滲灌水分梯度控制在75%左右為最佳水肥組合。王梓等［2］的相關(guān)試驗(yàn)也證明:植株生長對土壤水分狀況非常敏感，在植物達(dá)到最優(yōu)的水分條件后，再增加灌水是一種浪費(fèi)，灌水超過一定閾值后植物生物量及水分利用效率反而會降低［19］。

發(fā)展節(jié)水灌溉的目標(biāo)是在節(jié)水基礎(chǔ)上最大限度地提高植物水分利用效率，水分利用率是評價(jià)植物生長適宜程度的綜合生理生態(tài)指標(biāo)，本試驗(yàn)從葉片水平及苗木個(gè)體水平不同尺度分析植物水分利用率，表明水分利用率隨水分梯度的增大呈先逐漸增加后減小的趨勢，在水分梯度為75%時(shí)達(dá)到最大，葉片水平水分利用率為4.15 mmol·mol－1，苗木水平水分利用率為0.73g·L－1，滲灌處理下苗木水分利用率比上方灌溉處理(CK)高出1.17 ～3.46 倍(表7)，明顯提高了水分利用效率，Landis 等［12］的研究也證明了這一點(diǎn)。在各個(gè)水分梯度下，水分利用率隨施肥量的提高呈先增后減的趨勢，水肥組合A2B3(施氮量為100 mg·株－1、水分梯度為75%)下葉片及苗木水平的水分利用率均達(dá)到最大，分別為4.30 mmol·mol－1、0.89 g·L－1。

近年來，隨著我國水資源危機(jī)的加劇，如何在保證苗木質(zhì)量的前提下，改變傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)從而節(jié)約灌溉用水，減少水資源污染，已成為當(dāng)今林業(yè)苗圃容器育苗亟需解決的關(guān)鍵問題，容器苗底部滲灌技術(shù)為大幅減少育苗灌溉用水的可行性提供了理論依據(jù)，在我國林業(yè)容器育苗產(chǎn)業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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