宋政凱， 李惠通， 賴慧捷， 任衍敏， 蘇 鐵， 劉愛琴

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

杉木[Cunninghamia lanceolate(Lamb.)Hook.]具有生長快、經(jīng)濟價值高的特點，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，有助于科學施肥和調(diào)控林木的營養(yǎng)環(huán)境，以達到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效的目標。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，將測定的營養(yǎng)元素含量值與建立起的DRIS標準值相比較來確定植物對營養(yǎng)元素的需求次序[8-9]。肥料效應函數(shù)法是以 “3414”試驗設計為基礎，構建肥料效應函數(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]。肥料效應函數(shù)法在農(nóng)作物栽培領域應用較多[10-11]，在林業(yè)中的應用研究較少，僅在少數(shù)經(jīng)濟樹種中應用[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”法設計氮(N)、磷(P)、鉀(K)和微量元素硼(B)、鋅(Zn)配方，進行二代杉木良種配方施肥盆栽試驗，利用DRIS和肥料效應函數(shù)進行配方施肥分析，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)林大學林學院溫室大棚(26°04′58″N， 119°14′13″E)內(nèi)進行， 該地屬亞熱帶海洋性季風氣候，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 試驗設計

試驗采用 “3414”完全隨機區(qū)組設計，在N、P、K 3個因素、4個水平、14個處理的基礎上，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)肥料配比上限進行試驗。

表1 配方施肥試驗因素水平設計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)法的實際指導意義較大[14]，故選用指數(shù)法進行營養(yǎng)診斷。通過構建函數(shù)計算N、P、K元素的DRIS指數(shù)，可準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為相對應的高產(chǎn)組元素質(zhì)量百分含量比值的均值。當f(X/Y)＜0時，表明X元素不足，而Y元素過量；當f(X/Y)＝0時，表明兩種元素平衡；當f(X/Y)＞0時，表明X元素過量，Y元素不足。

1.5.3 肥料效應函數(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。當求出值為負值時，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測定系數(shù)(R2)和復相關系數(shù)較高的肥料效應回歸方程。

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

應用SPSS 17.0、Excel 2010軟件進行數(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)進行統(tǒng)計，共40個診斷參數(shù)，分別計算其平均值、標準差、變異系數(shù)及方差，并對方差比進行顯著性檢驗。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)組的標準差和變異系數(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，表明這些處理相應元素含量過剩，應適當減少相應元素的施肥量；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，表明這些處理相應元素含量不足，應適當增加相應元素的施肥量。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，表明這些處理相應元素的施肥量過高，應適當減少相應元素的施肥量；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，表明應適當增加處理中對應元素的施肥量。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的無微肥處理，占比高達71.43%，除處理8顯著高于處理7外，其余均未達到顯著差異。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函數(shù)回歸方程，優(yōu)選的肥料效應函數(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，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種元素良好供應的結(jié)果，也說明了5種元素之間存在相互促進的配合效應[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，在田間條件下，當兩種營養(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。