氮磷鉀肥配施對黃櫨生長和葉片呈色的影響*

吳焦焦 田秋玲 譚 星 樂佳興 張 文 高 嵐 李林珂 王一諾 劉 蕓

(1.西南大學資源環境學院 重慶 400716；2.重慶市銅梁區雙碾林場 重慶 402560；3.重慶市涪陵區永勝林場 重慶 408000)

黃櫨(Cotinuscoggygria)屬漆樹科(Anacardiaceae)黃櫨屬(Cotinus)落葉灌木或小喬木，喜光，耐寒，耐干旱瘠薄和堿性土壤，萌蘗性強，可作為荒山造林的先鋒樹種，原產于中國西南、華北和浙江以及南歐、敘利亞、伊朗、巴基斯坦及印度北部(Daetal.,2018)。黃櫨樹姿優美，葉片秋天變為紅色，是中國重要的觀賞樹種。然而，受氣候和土壤等因素影響，自然生長的黃櫨往往出現長勢差，葉片呈色暗淡以及秋季葉片直接由綠變黃現象(周肖紅等,2009;鄭緒辰等,2013;葛雨萱等,2014)，嚴重影響觀賞效果。植物葉片呈色主要受葉綠素、類胡蘿卜素和花青苷組成和比例變化共同作用，其中，葉綠素和類胡蘿卜素是重要的光合色素，其含量高低直接影響光合產物的形成和累積，從而影響葉片的生理代謝過程(Macintyreetal.,2002)。花青苷是廣泛存在于植物中的水溶性天然色素，屬類黃酮化合物，參與其合成最初反應的關鍵酶是苯丙氨酸解氨酶(PAL)(Achnineetal.,2004)，植物體中的可溶性糖和可溶性蛋白能通過能量供給和物質轉化間接影響花青苷合成(Bianetal.,2018)。有研究表明，土壤中氮、磷、鉀養分含量與植物葉片中色素含量存在一定相關性。高宏梅等(2011)認為，鉀肥會促進紫葉小檗(Berberisthunbergii‘Atropurpurea’)葉片糖分轉化和運輸，提高花青苷含量，對葉片呈色的影響較大。Messenger等(1990)研究發現，低氮和低磷有利于葉片花青苷表達，促使秋葉呈現鮮艷的顏色；姜衛兵等(2005)對黃櫨的研究表明，土壤中氮肥多，葉綠素大量合成占據主導地位，影響彩葉的顯色，適度缺磷、缺氮或二者同時缺少時，能促進花青素含量增加，提升葉片色彩質量。但對多年生植物黃櫨，長時間缺磷、缺氮也會顯示出缺素癥狀，不利于生長，甚至影響到生存競爭力。在植物生長發育階段，氮和磷在葉綠素合成中都起著重要作用，長時間低氮和低磷會影響光合作用和有機物合成，因此，從長期來看，有缺素癥的植株葉片不會呈現健康的色彩，最終失去觀賞價值。氮、磷、鉀作為肥料三要素，在植物生長發育中起著十分重要的作用。陸秀君等(2015)研究發現，促進美國紅楓(Acerrubrum)生長的最佳氮磷鉀配方與促進葉色的最優配方并不一致，這是因為生長和呈色是不同的生理過程，但二者之間又相互作用。因此，植物配方施肥不僅要考慮生長需求，還要結合目標培育器官綜合考慮。本研究利用氮磷鉀三因素三水平正交試驗，研究影響黃櫨生長和葉片呈色的氮磷鉀配比，探索既能讓植株健康生長發育又能在秋冬季呈現靚麗色彩的施肥方案，為提升黃櫨觀賞價值提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地概況 位于西南大學后山試驗園(106°25′54″ E，29°47′56″ N)，海拔227 m。該研究地屬亞熱帶季風性濕潤氣候，雨量充沛，年均氣溫18.2 ℃，8月最高氣溫為44.3 ℃，1月最低氣溫-3.1 ℃。年均日照時數1 368 h，無霜期336天，年均降水量1 345 mm，土壤類型為紫色土。土壤理化性質為：有機質11.40 g·kg-1，pH7.65，全氮0.10 g·kg-1，全磷0.93 g·kg-1，全鉀4.19 g·kg-1，堿解氮76.55 mg·kg-1，有效磷16.67 mg·kg-1，速效鉀84.79 mg·kg-1。

1.2 試驗設計 本試驗采用露天盆栽方式(栽培土壤選自試驗園)，2017年10月選擇長勢基本相同的4 年生黃櫨實生苗，植于直徑30 cm、高40 cm的控根容器內，根據植物生長發育需肥規律采用氮、磷、鉀三因素三水平正交設計(表 1)。供試肥料及水平為：總氮含量46.40%的尿素(每株0、7.5和15 g)，P2O5含量12%的過磷酸鈣(每株0、12.5和25 g)、K2O含量20%的硫酸鉀(每株5、10和15 g)，以不施肥為空白對照，共10個處理。每個處理重復3次，每個重復8株，共240株。在距離苗木基干15 cm的四周挖4個直徑10 cm、深15 cm的施肥穴，將肥料與表土混勻填入，分別在2018年3月、5月、7月和9月施入總施肥量的30%、20%、30%和20%，并在同年以下各時期測定相關指標：5月10日(生長初期)、8月10日(生長旺盛期)、11月5日(變色初期)、11月20日(變色中期)、12月5日(變色末期)。

表1 黃櫨施肥處理的試驗方案Tab.1 Test scheme of fertilization treatment for C. coggygria

1.3 測定指標及方法 用鋼卷尺和電子游標卡尺測量株高(H)和地徑(D)；采集植株中上部 4～6片健康葉片，立即帶回實驗室，洗凈擦干，用Canon EOS-7 D數碼相機葉片信息采集和YMJ-C型號智能葉面積測量系統(浙江托普云農科技股份有限公司)測定葉面積(LA)；參照鄒琦(2003)測定葉片葉綠素(Chls)、類胡蘿卜素(Car)、花青苷(Ant)、可溶性蛋白(SP)和可溶性糖(SS)含量；用上海優選生物科技有限公司生產的苯丙氨酸解氨酶試劑盒(貨號YX-C-A604)測定苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性。

利用Adobe Photoshop CS6軟件測定葉色L*、a*、b*值后，計算葉片彩度C*值和色相角h，計算公式為：C*=[(a*)2+(b*)2]1/2；h=arctan (b*/a*)(葛雨萱，2008)。

冗余分析(RDA)是一種回歸分析結合主成分分析的排序方法，主要用來反映解釋變量與響應變量的相互關系(貢璐等，2017)，可反映氮磷鉀肥與黃櫨生長、葉片呈色的關系。生成圖中的箭頭連線長度表示相應的環境因子與研究對象的相關程度大小，連線越長相關性越大，反之越小；箭頭連線和排序軸的夾角以及箭頭連線之間的夾角表示相關性，銳角表示正相關，夾角越小相關性越高。

1.4 數據處理 采用Excel 2010 軟件進行數據統計，SPSS 22.0 軟件進行顯著性差異分析(Duncan法進行多重比較)和聚類分析；利用Origin 2018 進行圖表制作，Canoco 5.0進行冗余分析。

2 結果與分析

2.1 氮磷鉀配施對黃櫨生長的影響 由圖1可知，T3和T9的株高增長量顯著高于對照(P<0.05)，各處理的增長量范圍在(38.00 ± 4.09)～(68.67 ± 4.51)cm；除T5和T7的地徑增長量與對照差異不顯著(P>0.05)外，其余施肥處理的效果均顯著高于對照(P<0.05)，增長幅度在(0.47 ± 0.06)～(1.17 ± 0.24)cm；除T1、T4和T7的葉面積增長量與對照差異不顯著(P>0.05)外，其余施肥處理的效果均顯著高于對照(P<0.05)，增長幅度在(2 275.77 ± 109.3)～(4 623.22 ± 215.37)mm2。以上結果表明，配比施肥能促進黃櫨的株高、地徑和葉面積生長，其中T3和T9對株高和地徑影響最大，T9對葉面積影響最大。

圖1 不同氮磷鉀配施處理對黃櫨株高、地徑和葉面積的影響Fig.1 Effects of combined N,P and K fertilization on plant height,ground diameter and leaf area of C. coggygria

2.2 氮磷鉀配施對黃櫨葉色參數的影響 各處理的葉色參數L*、a*、b*值隨時間的變化如表2所示，L*值在生長旺盛期最低，之后逐漸上升；a*值隨時間逐漸上升，其中變色中期至變色末期上升趨勢增大，變色末期達最高值，b*值在變色初期最低，之后逐漸上升。經進一步計算得到葉片彩度C*值和色相角h(表3)，表明葉片彩度C*值在變色初期最低，之后逐漸增大，變色末期達最高值；各處理的色相角h在生長初期和生長旺盛期維持在相同水平，之后逐漸增大，變色末期達最高值。

圖2 不同氮磷鉀配施下各時期黃櫨葉Fig.2 Photos of C. coggygria leaf color under combined N,P and K fertilization in various period

2.3 氮磷鉀配施對黃櫨葉片色素的影響 1)氮磷鉀配施對葉綠素含量的影響 各處理的葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)和葉綠素總含量[Chl(a+b)]隨時間呈波動變化(圖3)，生長期呈先上升再下降趨勢，生長旺盛期含量總體最高，平均值分別為2.645、1.066和3.710 mg·g-1；進入變色期后，同樣呈先上升再下降趨勢，變色中期含量總體最高，平均值分別為1.193、0.419和1.611 mg·g-1；變色末期含量最低，平均值分別為0.030、0.062和0.092 mg·g-1。各處理生長期的葉綠素a/b(Chl a/b)與Chl a、Chl b和Chls變化趨勢相反，但進入變色期后變化趨勢相同，生長旺盛期平均值為2.496，變色中期為3.043，變色末期為0.672。T6、T7、T8和T9的Chls含量在生長旺盛期和變色中期顯著高于對照。

2)氮磷鉀配施對類胡蘿卜素含量的影響 各處理的黃櫨葉片Car含量隨時間變化規律相同(圖3)，生長期呈先上升再下降趨勢，生長旺盛期時T5、T7、T8和T9的含量較高，且該時期的總體含量處于最高水平，平均值為3.154 mg·g-1；進入變色期后，各處理間的差異較小，開始呈逐漸上升趨勢，變色初期值最小，平均值為0.677 mg·g-1，變色末期值最大，平均值為1.672 mg·g-1。T5、T7、T8和T9的Car含量在生長旺盛期顯著高于對照。

3)氮磷鉀配施對花青苷含量的影響 各處理的Ant含量隨時間呈波動變化趨勢(圖3)，生長期呈先上升再下降趨勢，生長旺盛期含量總體最高，平均值為28.942 U；進入變色期后，開始呈逐漸上升趨勢，其中變色初期至變色中期葉片Ant含量上升幅度較小，變色中期至變色末期葉片Ant含量大幅上升，變色初期值最小，平均值為12.379 U，變色末期達最大值，T3、T4、T5和T6的Ant含量顯著高于對照。

2.4 氮磷鉀配施對可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響 1)氮磷鉀配施對可溶性蛋白(SP)含量的影響 氮磷鉀配施下黃櫨葉片變色末期SP含量相對較低，在T6、T7、T8和T9顯著高于對照(P<0.05)(圖4)，分別是其1.50、2.52、2.17和2.31倍；生長旺盛期和變色中期的SP含量近似，且各處理間的差異較小。

2)氮磷鉀配施對可溶性糖(SS)含量的影響 氮磷鉀配施下黃櫨葉片在變色中期和變色末期的SS含量相對較低，變色中期T4為對照的1.5倍(P<0.05)(圖4)，T1、T3、T5、T6、T8和T9顯著低于對照(P<0.05)，對照分別是它們的1.29、1.66、1.21、1.21、1.35和1.91倍；變色末期除T1與對照差異不顯著(P<0.05)外，其余處理均顯著高于對照(P<0.05)，為對照的1.40、1.56、1.86、1.63、1.19、1.98、1.10和1.34倍。生長旺盛期SS含量總體最高，在T4和T7顯著高于對照(P<0.05)，分別為對照的1.08和1.18倍。

圖4 不同氮磷鉀配施處理對黃櫨葉片可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響Fig.4 Effects of combined N,P and K fertilization on contents of soluble protein and soluble sugar in leaves of C. coggygria

2.5 氮磷鉀配施對苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性的影響 氮磷鉀配施下黃櫨葉片變色初期的PAL活性相對較低，在T2、T3、T5、T7和T9顯著高于對照(P<0.05)(圖5)，分別為對照的1.25、1.34、1.29、1.31和1.31倍；變色末期的PAL活性最高，除T1與對照差異不顯著(P>0.05)外，其余處理均顯著高于對照(P<0.05)，分別為對照的1.10、1.28、1.16、1.23、1.16、1.17、1.14和1.18倍。

圖5 不同氮磷鉀配施處理對黃櫨葉片苯丙氨酸解氨酶的影響Fig.5 Effects of combined N,P and K fertilization on phenylalanine ammonia-lyase of C. coggygria leaves

2.6 氮磷鉀與黃櫨生長、葉片呈色的關系 冗余分析(RDA)方法可直觀表達氮磷鉀與黃櫨生長、葉片呈色的相互關系。由表4可知，前2個排序軸解釋了2組變量特征的79.30%，它們的累計解釋量達96.11%，說明排序結果可信，能較好解釋2組變量的關系。由圖6可知，氮磷鉀對黃櫨生長、葉片呈色均有重要影響，其中肥料貢獻率表現為氮肥>磷肥>鉀肥；葉片生理指標對葉色的影響程度由強至弱依次是Ant>PAL>SS>Chl a/b>Chls>Chl a>Car>SP。氮和鉀對黃櫨的H、LA、Chls和Car影響大，磷對D、Ant和PAL的影響大。葉色參數L*、a*、b*值和彩度C*值與Ant、PAL正相關；Ant與D、PAL正相關，與SS、SP負相關；PAL與Chl a和Chls正相關，與Chl a/b、SS和SP負相關；SS與SP、Chl a/b和Car正相關。

表4 氮磷鉀與黃櫨生長及葉片呈色的RDA分析Tab.4 RDA analysis of growth and leaf color of C. coggygria with N,P and K

圖6 氮磷鉀與黃櫨生長及葉片呈色的RDA排序Fig.6 RDA diagram of growth and leaf color rendering of C. coggygria with N,P and KN:氮肥;P:磷肥;K:鉀肥;LA:葉面積;H:株高;D:地徑;Chl a:葉綠素a;Chl b:葉綠素b;Chl a/b:葉綠素a/b ;Chls:總葉綠素;Car:類胡蘿卜素;Ant:花青苷;SP:可溶性蛋白;SS:可溶性糖;PAL:苯丙氨酸解氨酶;L*、a*、b*:葉色值;C*:彩度;h:色相角。N:Nitrogen fertilizer;P:Phosphate fertilizer;K:Potassium fertilizer;LA:Leaf area;H:Height;D:Diameter;Chl a:Chlorophyll a;Chl b:Chlorophyll b;Chl a/b:Chlorophyll a/b ;Chls:Total chlorophyll;Car:Carotenoid;Ant:Anthocyanin;SP:Soluble protein;SS:Soluble sugar;PAL:Phenylalanine ammonia-lyase;L*、a*、b*:Leaf color value;C*:Chromaticity;h:Hue angle。

2.7 聚類分析 所有處理可分為3個類型(圖7)，第1類包括T3、T5、T6、T8和T9，其特點是PAL活性和Ant含量最高，葉片呈色效果好；第2類包括T2、T4、T7和T10，其特點是PAL活性和Ant含量中等，葉片呈色效果中等；第3類包括T1，其特點是PAL活性和Ant含量最低，葉片呈色效果差。

圖7 不同氮磷鉀配施處理對黃櫨葉片呈色的聚類分析Fig.7 Cluster analysis on physiology of C. coggygria leaves combined N,P and K fertilization

3 討論

植物葉片呈現出的顏色變化與葉綠素、類胡蘿卜素和花青苷含量動態變化密切相關(錢見平等,2013)。本研究中黃櫨葉片變色期的葉綠素和類胡蘿卜素含量降低，花青苷含量升高，可能是由黃櫨葉片光合色素降解、花青苷積累所引起。同時，葉色參數a*值與花青苷含量隨時間變化趨勢一致，進一步說明花青苷是黃櫨葉片呈現紅色的主要色素。花青苷合成與其他次生代謝物復雜的形成機制有關，馮露等(2012)研究發現，紫葉紫薇(Lagerstroemiaindica‘Ebony Ember’)葉片花青苷含量與可溶性糖(SS)含量顯著正相關，與本研究結果相反。這可能是馮露等(2012)對紫葉紫薇的研究時間為5—6月，光合作用處于相對旺盛時期，產生的可溶性糖含量也較多，而本研究黃櫨葉片變色期處于秋冬季節，氣溫降低，葉綠素降解，光合作用減弱甚至停止，可溶性糖累積也隨之降低，而花青苷合成需消耗大量可溶性糖為其提供能量，因此，進入變色期的黃櫨葉片花青苷含量升高，可溶性糖含量因產出低且消耗量大而降低(卓啟苗等,2018)。另外，本研究還發現花青苷含量與苯丙氨酸解氨酶(PAL)含量在變色期均呈逐漸上升趨勢，但變色中期至變色末期的花青苷含量上升趨勢遠遠大于PAL，RDA分析顯示，二者呈正相關，研究表明PAL是能為花青苷合成提供前體物質，但并不是唯一的物質，可能還存在其他酶，有關花青苷生物合成途徑還有待深入研究。可溶性蛋白也是重要的光合產物，本試驗中，花青苷含量與可溶性蛋白(SP)含量負相關，一方面因秋冬季節葉片光合能力降低導致其累積量減少，另一方面，它是花青苷合成過程中一種信號機制，不僅能激活花青苷合成途徑中PAL活性，還會參與其他酶類和糖類物質的合成與轉化、促進花青苷合成，進而被大量消耗(Christopoulosetal.,2015)。

土壤中氮磷鉀互作影響植物體內營養物質的傳遞，進而影響植株養分積累和生長發育(李元敬等,2013)。姜天華等(2016)研究發現，增施氮肥能增加油用牡丹(Paeoniaostii‘Fengdan Group’)的株高、冠幅、花徑和產量；張永亮等(2020)認為，磷肥可顯著增加苜蓿(Medicago)產量，但生長中對磷素需求有個閾值，在閾值之下增施磷肥對生長有利，超過閾值生長受到抑制。王桂良等(2009)研究認為，鉀肥可增強小麥(Triticumaestivum)光合作用，促進光合產物向籽粒運輸，有利于增加小麥產量。合理配施更能促進養分轉運吸收、協調植物與土壤間養分供需矛盾。較高的鉀肥水平可促進植物對氮磷鉀的吸收，同時還能提高氮素吸收和轉運，通過增加葉面積接收更多太陽能(王進斌等,2019;汪順義等,2017)；氮磷鉀配施可增加土壤有效養分含量，有利于植物吸收，顯著提高苗高和地徑，進一步對生長發揮重要作用(王景燕等,2016)。本研究中，單施鉀肥的T1僅顯著增加了黃櫨地徑生長，但對葉片生理指標的影響不顯著，冗余分析結果進一步表明氮和鉀對黃櫨株高、葉面積和光合色素影響大，磷對地徑和花青苷的影響大，是因鉀能促進植物吸收利用氮素，加速細胞分裂和增長，改變形態建成，提高葉片光合色素含量(吳茜等,2011;馮志威等,2016;Vitouseketal.,2010;王桂良等;2009)，而磷的供應使可溶性糖積累，在健壯植株的同時為花青苷合成提供必要能量物質(Yanetal.，2018)。

不同植物以及植物生長不同時期的肥料需求量不同。李曉天等(2013)研究表明芒果(Mangiferaindica)在不同生理期內的氮磷鉀需求量各不相同，在營養生長階段的氮和鉀需求量增加，磷需求量減少；在果實膨大成熟階段的鉀需求較多。本研究中，生長旺盛期(8月10日)時的T7、T8和T9大量氮肥供應提高了光合色素含量，有利于促進光合作用，積累更多有機物促進生長(高嵐等,2018)。變色末期(12月5日)的T3、T4、T5和T6的花青苷含量較高，黃櫨對氮的需求量小于生長旺盛期，而對磷和鉀的需求量增加，這表明同一植物在不同生長期的需肥量不同。因此，為確保植物順利完成不同時期的生理過程，要通過合理配施才能實現培育目標。

4 結論

合理的氮磷鉀配施既能促進黃櫨生長，又能提高葉片呈色質量，花青苷(Ant)含量是黃櫨葉片呈現紅色的關鍵因素，而苯丙氨酸解氨酶活性(PAL)、可溶性糖(SS)和可溶性蛋白(SP)含量對花青苷合成具有促進作用；在本試驗中，T3(N、P和K單株施用量分別為0、25和15 g)和T9(N、P和K 單株施用量分別為15、25和10 g)處理利于植株生長和葉片呈色。但從長遠來看，為避免缺氮影響黃櫨生長，T9處理才能保持黃櫨正常生長發育和葉片呈色質量，提升觀賞價值。