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        二代杉木良種苗木的施肥配方研究

        2020-07-27 06:07:34宋政凱李惠通賴慧捷任衍敏劉愛琴
        森林與環(huán)境學(xué)報 2020年4期
        關(guān)鍵詞:杉木施肥量養(yǎng)分

        宋政凱, 李惠通, 賴慧捷, 任衍敏, 蘇 鐵, 劉愛琴

        (1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院,福建福州350002;2.國家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心,福建福州350002;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,陜西楊凌712100)

        杉木[Cunninghamia lanceolate(Lamb.)Hook.]具有生長快、經(jīng)濟(jì)價值高的特點,是我國重要的造林樹種,也是目前我國人工林中面積最大的造林樹種[1-2]。近年來,隨著杉木育種水平的提高,大量二代杉木良種得到了廣泛的應(yīng)用,這些良種生長快、產(chǎn)量高、對林地養(yǎng)分需求高,傳統(tǒng)的杉木育苗配方施肥已明顯不能滿足其養(yǎng)分需求,因此,篩選適合二代杉木良種育苗的施肥配方成為當(dāng)前杉木林經(jīng)營中亟待解決的重要課題。

        營養(yǎng)診斷是一項重要的營林技術(shù),有助于科學(xué)施肥和調(diào)控林木的營養(yǎng)環(huán)境,以達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效的目標(biāo)。植物需肥診斷一般有7種分析方法[3],其中,綜合營養(yǎng)診斷施肥法(diagnosis and recommendation integrated system,DRIS)[4-5]和肥料效應(yīng)函數(shù)法[6-7]是兩種常用的分析方法。DRIS是以養(yǎng)分平衡理論為依據(jù),以植物體內(nèi)養(yǎng)分濃度比值為診斷指標(biāo),將測定的營養(yǎng)元素含量值與建立起的DRIS標(biāo)準(zhǔn)值相比較來確定植物對營養(yǎng)元素的需求次序[8-9]。肥料效應(yīng)函數(shù)法是以 “3414”試驗設(shè)計為基礎(chǔ),構(gòu)建肥料效應(yīng)函數(shù)擬合模型[7],再根據(jù)模型計算出推薦施肥量及肥料間的交互效應(yīng)等施肥參數(shù),具有直觀、簡便易行和利于宏觀調(diào)控等優(yōu)點[6]。有學(xué)者指出,DRIS的診斷結(jié)果只是反映了營養(yǎng)元素之間的相對平衡狀態(tài),容易受變異系數(shù)影響,由于營養(yǎng)水平的高或低也可能因養(yǎng)分間的不平衡造成養(yǎng)分過多或缺乏的假象,導(dǎo)致診斷結(jié)果的偏差,使用時還需與其它方法相結(jié)合[9]。肥料效應(yīng)函數(shù)法在農(nóng)作物栽培領(lǐng)域應(yīng)用較多[10-11],在林業(yè)中的應(yīng)用研究較少,僅在少數(shù)經(jīng)濟(jì)樹種中應(yīng)用[5,12]。鑒于此,以經(jīng)遺傳改良的二代杉木良種苗木為研究對象,采用 “3414”法設(shè)計氮(N)、磷(P)、鉀(K)和微量元素硼(B)、鋅(Zn)配方,進(jìn)行二代杉木良種配方施肥盆栽試驗,利用DRIS和肥料效應(yīng)函數(shù)進(jìn)行配方施肥分析,比較不同施肥配方對杉木生長的影響,篩選適合二代杉木育苗的最佳施肥配方,為提高二代杉木良種苗木的生長質(zhì)量和杉木人工林合理施肥提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗地概況

        盆栽試驗在福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院溫室大棚(26°04′58″N, 119°14′13″E)內(nèi)進(jìn)行, 該地屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,常年溫暖濕潤、雨量充沛,全年無霜期326 d,年平均氣溫16~20℃,最高氣溫40.2℃,最低氣溫0.2℃,年平均日照時間1 700~1 980 h,年平均降水量1 980 mm,年相對濕度77%。

        1.2 試驗材料

        供試苗木為長勢一致、生長良好的半年生36號家系二代杉木實生苗。用干凈河沙(過2 mm篩)和吸飽純水的聚丙烯酸鈉鹽保水劑按體積比3∶1的比例混合作為培養(yǎng)基質(zhì),每盆基質(zhì)干質(zhì)量3.5 kg,其中有機(jī)質(zhì)、全N、全P和全K含量分別為2.54、0.14、0.07和20.56 g·kg-1,水解N、有效P和速效K含量分別為28.18、0.96和35.52 mg·kg-1,pH值4.63。培養(yǎng)容器為口徑19 cm、高18 cm的聚乙烯塑料花盆,每盆種植1株,緩苗2周后進(jìn)行施肥處理。

        供試肥料為福州聯(lián)友化玻有限公司生產(chǎn)的尿素(N素的質(zhì)量百分含量46%)、過磷酸鈣(P2O5的質(zhì)量百分含量16%)和氯化鉀(K2O的質(zhì)量百分含量60%),B、Zn分別選用硼酸(有效B的質(zhì)量百分含量11%)和乙二胺四乙酸鋅鈉(Zn的質(zhì)量百分含量15%)。

        1.3 試驗設(shè)計

        試驗采用 “3414”完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,在N、P、K 3個因素、4個水平、14個處理的基礎(chǔ)上,增加B、Zn兩種微量元素處理,共28個施肥處理(表1),每個處理重復(fù)4次,合計112盆。二代杉木需肥量比普通杉木大,因此,采用《杉木苗期栽培營養(yǎng)的研究》[13]推薦的最優(yōu)肥料配比上限進(jìn)行試驗。

        表1 配方施肥試驗因素水平設(shè)計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日進(jìn)行盆栽試驗,分別于2015年10月12日、2016年3月12日、2016年6月12日和2016年7月12日進(jìn)行4次施肥處理,施肥量分別為施肥總量的20%、30%、40%和10%處理。

        1.5 測定方法

        1.5.1 生物量和養(yǎng)分含量的測定 分別收獲根、莖、葉,采用烘干秤重法測定其生物量。用碳氮元素分析儀(Elementar,VarioIII,德國)測定C、N含量,用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES,Pekin-Elmer,美國)測定P、K、B、Zn含量。

        1.5.2 綜合營養(yǎng)診斷施肥法分析 DRIS有圖解法和指數(shù)法兩種,指數(shù)法的實際指導(dǎo)意義較大[14],故選用指數(shù)法進(jìn)行營養(yǎng)診斷。通過構(gòu)建函數(shù)計算N、P、K元素的DRIS指數(shù),可準(zhǔn)確診斷苗木的需肥順序和需肥緊迫程度[15-16]。所有元素的DRIS指數(shù)絕對值的代數(shù)和稱為養(yǎng)分不平衡指數(shù)(nutrient imbalance index,INI)[14],INI越小,說明樹體營養(yǎng)元素間越平衡。N、P、K、B、Zn診斷指數(shù)的計算通式[4,17]如下:

        式中:A表示被診斷營養(yǎng)元素;B、C、Z表示與A組成比例的其他營養(yǎng)元素;IA表示A元素的DRIS指數(shù);f(A/B)表示A、B兩元素比值的函數(shù);n為參與營養(yǎng)診斷的元素種類數(shù)。

        式中:X、Y為任意兩元素質(zhì)量百分含量的實測值;CV表示高產(chǎn)組比值的變異系數(shù);x/y為相對應(yīng)的高產(chǎn)組元素質(zhì)量百分含量比值的均值。當(dāng)f(X/Y)<0時,表明X元素不足,而Y元素過量;當(dāng)f(X/Y)=0時,表明兩種元素平衡;當(dāng)f(X/Y)>0時,表明X元素過量,Y元素不足。

        1.5.3 肥料效應(yīng)函數(shù)分析 根據(jù)不同施肥處理下苗木的質(zhì)量指數(shù),建立杉木苗期施肥試驗的肥料效應(yīng)函數(shù)回歸方程,通過求解回歸方程的極值,計算出理論最優(yōu)解,即苗木的最優(yōu)施肥量。當(dāng)求出值為負(fù)值時,意味著施肥不增產(chǎn),推薦的施肥量可視為0。在選用方程式時,選擇所求最佳理論施肥量為正值且復(fù)測定系數(shù)(R2)和復(fù)相關(guān)系數(shù)較高的肥料效應(yīng)回歸方程。

        苗木質(zhì)量指數(shù)=苗木總干質(zhì)量/[(苗高/地徑)+(莖干質(zhì)量/根干質(zhì)量)]。

        1.6 數(shù)據(jù)處理

        應(yīng)用SPSS 17.0、Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和圖表制作。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同施肥處理對杉木苗木生物量的影響

        不同施肥處理對盆栽杉木苗生物量的影響如圖1所示,所有施肥處理對杉木苗木生物量的影響均達(dá)顯著水平(P<0.01)。除處理2、4、24和26外,有微肥處理的生物量均高于無微肥處理。所有施肥處理中,生物量最高的為處理11、22,分別是對照(處理1、2)的1.83和1.95倍,處理22較處理11高6.40%。按照DRIS[5,18]的要求,將不同處理按苗木生物量高低分成高產(chǎn)組和低產(chǎn)組,無微肥處理中,高產(chǎn)組的處理號分別為11、21、23、25,其余10個處理為低產(chǎn)組;有微肥處理中,高產(chǎn)組的處理號分別為6、12、14、20、22、24、26,其余7個處理為低產(chǎn)組。

        圖1 不同施肥處理對杉木苗木生物量的影響Figure 1 Effects of fertilization on biomass of Chinese fir seedlings

        2.2 不同施肥處理的綜合營養(yǎng)診斷施肥法診斷參數(shù)

        對高產(chǎn)組和低產(chǎn)組中每兩個元素的含量比及其倒數(shù)的形式(如N/P、P/N)進(jìn)行統(tǒng)計,共40個診斷參數(shù),分別計算其平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)及方差,并對方差比進(jìn)行顯著性檢驗。每對表示形式只選擇差異性最顯著或方差比值較大的1個作為重要參數(shù),最終選取20個診斷參數(shù)(表2)。大部分高產(chǎn)組的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均比低產(chǎn)組小,表明高產(chǎn)組杉木苗體內(nèi)養(yǎng)分含量較低產(chǎn)組杉木苗平衡,低產(chǎn)組杉木苗體內(nèi)不同養(yǎng)分含量的比例嚴(yán)重失衡。

        表2 杉木苗木綜合營養(yǎng)診斷施肥法的診斷參數(shù)Table 2 Diagnosis and recommendation integrated system diagnostic parameter statistics of Chinese fir seedlings

        2.3 不同施肥處理的綜合營養(yǎng)診斷施肥法分析

        通過公式(2)、(3)計算各參數(shù)的函數(shù)值,進(jìn)而根據(jù)公式(1)計算各個元素的DRIS指數(shù),得出苗木對某一元素需要的強(qiáng)度及各種元素的平衡狀況,結(jié)果如表3所示。無微肥處理中,處理13的INI最小,說明其N、P、K養(yǎng)分含量較其它處理相對平衡。其中,N、P、K、B、Zn元素的DRIS指數(shù)最高的處理分別為17、1、3、3、11,表明這些處理相應(yīng)元素含量過剩,應(yīng)適當(dāng)減少相應(yīng)元素的施肥量;N、P、K、B、Zn元素的DRIS指數(shù)最低的處理分別為處理3、11、15、17、15,表明這些處理相應(yīng)元素含量不足,應(yīng)適當(dāng)增加相應(yīng)元素的施肥量。根據(jù)需肥順序排在首位的數(shù)量可看出,K、B排在首位的數(shù)量最多(均為4次),表明二代杉木良種苗木對K肥需求量大,其次是N肥和P肥。因此,無微肥處理的平衡施肥應(yīng)注重K肥的施用,以滿足苗木養(yǎng)分需求。

        有微肥處理中處理12的INI最小,說明該處理的N、P、K養(yǎng)分相對平衡。其中,N、P、K、B、Zn元素的DRIS指數(shù)最高的處理分別為18、2、4、2、24,表明這些處理相應(yīng)元素的施肥量過高,應(yīng)適當(dāng)減少相應(yīng)元素的施肥量;N、P、K、B、Zn元素的DRIS指數(shù)最低的處理分別為2、18、16、22、4,表明應(yīng)適當(dāng)增加處理中對應(yīng)元素的施肥量。此外需肥順序中N、Zn排在首位的數(shù)量最多,均為4次。根據(jù)需肥順序排在首位的數(shù)量可看出,在施入微肥后,二代杉木良種苗木對N肥需求量大,其次是P肥,對K肥需求量較小。因此,有微肥處理的平衡施肥應(yīng)注重N肥的施用,以滿足苗木的養(yǎng)分需求。

        INI綜合指數(shù)最小的是處理12,其次是處理20和處理14,說明這3個處理的苗木體內(nèi)各營養(yǎng)元素含量相對平衡,是杉木苗期施肥的合適配比。此時,N、P、K的養(yǎng)分濃度比例分別是2.06∶1∶1.76、2.06∶1∶2.65和1.37∶1∶1.18,而且這3個處理中均有增施微肥,可見,微肥對二代杉木良種苗木體內(nèi)的養(yǎng)分平衡有重要作用。

        表3 基于綜合營養(yǎng)診斷施肥法診斷的杉木苗木養(yǎng)分需求Table 3 Diagnosis and recommendation integrated system index method of nutrient requirements of Chinese fir seedlings

        2.4 不同施肥處理對杉木苗木質(zhì)量指數(shù)的影響

        苗木質(zhì)量指數(shù)能夠綜合反映苗木質(zhì)量優(yōu)劣,指數(shù)越大,苗木質(zhì)量越好[19]。不同施肥處理對杉木苗木質(zhì)量指數(shù)的影響如圖2所示。與無微肥處理相比,有微肥處理的苗木質(zhì)量指數(shù)整體上有所提高,有10個微肥處理高于相應(yīng)的無微肥處理,占比高達(dá)71.43%,除處理8顯著高于處理7外,其余均未達(dá)到顯著差異。其中,有微肥處理的最高質(zhì)量指數(shù)(處理12)較無微肥處理中最高質(zhì)量指數(shù)(處理11)高10.10%,而有微肥處理中最低質(zhì)量指數(shù)為處理2,較無微肥處理中最低質(zhì)量指數(shù)(處理7)高29.32%。

        圖2 不同施肥處理對杉木苗木質(zhì)量指數(shù)的影響Figure 2 Effects of fertilization on quality index about Chinese fir seedlings

        2.5 肥料效應(yīng)回歸方程與理論施肥量分析

        根據(jù)不同施肥處理下杉木苗木的質(zhì)量指數(shù),建立杉木苗期施肥試驗的肥料效應(yīng)函數(shù)回歸方程,優(yōu)選的肥料效應(yīng)函數(shù)回歸方程見表4。理論施肥量是通過被選中方程式所對應(yīng)的各個肥效的施肥量求均值而得,由此可得出無微肥處理N、P、K的理論施肥量分別為0.407、0.193和0.262 g·kg-1,與試驗中的均衡施肥處理N、P、K施肥量0.350、0.170和0.300 g·kg-1較為接近。有微肥處理N、P、K理論施肥量分別為0.474、0.214和0.273 g·kg-1,沒有施肥量與之相近的試驗處理。

        表4 施肥試驗的肥料效應(yīng)回歸方程與施肥量Table 4 Regression equation of fertilizer effect and fertilizer application rate in fertilization experiment

        3 討論與結(jié)論

        無微肥處理的杉木苗需肥順序為K>N>P,有微肥處理的杉木苗需肥順序為N>P>K,表明施加微肥使得杉木幼苗對養(yǎng)分需求程度發(fā)生了變化。有學(xué)者指出,Zn與K之間存在協(xié)同作用,施Zn肥能提高苗木對K的吸收和轉(zhuǎn)運能力[20],進(jìn)而使得苗木對K肥的需求程度相對降低。李惠通等[21]通過對杉木苗N、P和K的營養(yǎng)診斷研究得出,杉木苗的需肥次序為K>P>N,與本試驗無微肥處理的杉木苗需肥次序存在差異,可能與肥料的可溶性和試驗苗木家系有關(guān),但排在需肥首位的都是K肥,表明無微肥處理的杉木對K肥需求量大。目前,有微肥處理的杉木苗DRIS營養(yǎng)診斷研究鮮見報道,下一步可進(jìn)一步深入研究。

        通過DRIS營養(yǎng)診斷得出,INI最小的3個施肥處理(處理12、14、20)是杉木苗期施肥最合適配比。其中,N、P、K的最優(yōu)養(yǎng)分濃度比例為2.06∶1∶1.76,這與牛寧[22]通過不同配比施肥試驗得出的N、P、K各養(yǎng)分濃度的比值為2.3∶1∶1.6接近。INI最小的3個處理均是有施微肥處理,此外,施微肥處理較無微肥處理的苗木生物量和苗木質(zhì)量指數(shù)整體上都有所提高,表明微肥的施用對杉木苗體內(nèi)養(yǎng)分含量的平衡和生長有重要作用。

        通過肥料效應(yīng)函數(shù)得出,無微肥處理中,N、P、K的理論最佳施肥量分別為0.407、0.193和0.262 g·kg-1。有微肥處理中,N、P、K的理論最佳施肥量分別為0.474、0.214和0.273 g·kg-1。有無微肥處理的最佳施肥量相差不大,只是在有微肥處理中3種元素的需求量都稍高于無微肥處理,這是5種元素良好供應(yīng)的結(jié)果,也說明了5種元素之間存在相互促進(jìn)的配合效應(yīng)[23]。范少輝等[13]對杉木苗期栽培營養(yǎng)的研究表明,N、P、K的最佳施用量分別為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肥最佳施用量分別為0.051、0.027和0.134 g·kg-1,但本試驗的供試苗木為二代速生杉木半年生實生苗,對養(yǎng)分需求大大提高。同時,由于在室內(nèi)大棚進(jìn)行盆栽施肥試驗,受到光、熱、水分、基質(zhì)和施肥量等因素的影響,這些因素都可能是導(dǎo)致試驗結(jié)果與其它研究存在差異的原因。

        由于DRIS中的指數(shù)法僅以各養(yǎng)分元素比值為指標(biāo),在田間條件下,當(dāng)兩種營養(yǎng)元素同時成等比例的偏高或偏低變化時,都可能使其比例處于適宜范圍內(nèi),容易出現(xiàn)診斷誤差[24-26]。因此,采用兩種診斷方法,可以提高診斷的精確性和可靠性,篩選出杉木苗期施肥最優(yōu)配比。雖然這兩種方法得出的最佳施肥量有差異,但均是基于其理論計算得出的,每種方法均有側(cè)重點和可取之處。理論最佳施肥量應(yīng)該是一個區(qū)間,不同方法得出的結(jié)果有差異,需經(jīng)過多年的重復(fù)試驗研究和大量數(shù)據(jù)分析才能獲得精確的最佳施肥量。施肥時除考慮苗木種類、土壤等因素外,也應(yīng)考慮到采用不同統(tǒng)計方法獲得的最佳施肥量的差異,對于不同統(tǒng)計方法得出的施肥量在田間試驗中對杉木苗生長的影響還有待于進(jìn)一步驗證。本研究僅探討了溫室中不同施肥配比對杉木苗木生長的影響,今后要加強(qiáng)對杉木野外造林配方施肥驗證研究,才能更好地得出二代杉木良種苗木對環(huán)境養(yǎng)分的真正需求。

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