毛白楊人工林物候特征和生長對施肥的可塑性響應*

王 燁 李廣德 劉國彬 廖 婷 郭麗琴 姚硯武 曹 均

（1. 北京市農林科學院林業果樹研究所 北京 100093；2. 國家開放大學農林醫藥教學部 北京100039）

表型可塑性可定義為相同基因型在不同環境下產生的不同表型，是生物對環境的適應（Sultan, 2000）。植物在生長發育過程中對外界的反應可以是主動或者被動的（Valladareset al., 2007）。被動過程是指受個體發育影響，植物表型會隨著年齡增加和個體大小而發生變化，稱為表觀可塑性，如植物的根冠比會隨著年齡的增加而逐漸減小。植物的個體發育可表示為異速生長關系，生物體多種特征之間普遍存在異速生長。異速生長是生物體不同特征之間的一種固定的不成比例生長關系，是由物種遺傳性所決定的一種固有特性（Weiner, 2004）。主動過程是指植物為適應外界環境而發生的表型改變，稱為真實可塑性（McConnaughayet al., 1999）。表型可塑性的關注點是植物對外界的反應，但有研究認為可觀察到的真實可塑性卻不常見（Fisheret al., 2005），即使處于變化的環境中，植物的表型改變主要還是由個體發育控制（Mülleret al., 2000）。

施肥是重要的森林集約經營技術措施（胡建文等，2020），尤其對于速生樹種。研究表明，施氮肥可提高短輪伐林40.3%的產量（Fabioet al., 2018）；同時，施肥后能在短期內引起土壤養分的顯著增加，為應對環境的變化，植物的一些表型可能會產生可塑性響應。例如，施肥后會引起植物階段性生長的改變（Possenet al., 2021）；根系生物量分配比例往往會隨著土壤氮養分的減少而增加（Giardinaet al., 2003），在氮養分充足時，光合產物則更多的分配到地上部分（王力朋等,2012）。也有研究認為，施肥引起植物表型變化是因為加快了植物個體發育，并非因可獲得資源的增加而做出表型調整策略（Coyleet al., 2005）。由此可見，環境因子是否能引起植物表型的“真實改變”這個問題依然存在爭論。

前期研究發現，施肥能夠提高毛白楊林分的胸徑生長量和地上部分生物量，對地下生物量則無明顯影響（席本野等, 2017），從而引起了地上地下生物量分配比例的改變，這種現象可能是植物生長表型對養分添加的真實響應。為進一步探明植物生長對施肥響應的作用機制，本研究以我國速生豐產林重要造林樹種毛白楊（Populus tomentosa）為研究對象，設置不同施氮量處理試驗，針對以下目標開展研究：1）分析施肥對毛白楊葉生長和胸徑生長物候特征的影響；2）運用異速生長方程分析施肥對毛白楊生物量分配模式的影響。該研究發現將為我國楊樹及其它樹種用材林高效養分管理技術的制定與優化提供理論依據。

1 研究地概況

研究地位于魯西北中部黃泛沖積平原，山東省聊城市高唐縣（36°58′N，116°14′E）。氣候類型為暖溫帶半濕潤季風氣候：年平均氣溫為13.8 ℃，春季干旱，夏季炎熱，月平均氣溫最高在7 月，約為27.2 ℃，月平均氣溫最低出現在1 月份，約為-1.5 ℃。多年平均降水量589.3 mm，主要集中于7—8 月。年均蒸發量（水面）2 249 mm。全年日照總時數2 652 h，無霜期191～217天。試驗地土壤類型為潮土，土壤質地在 0～120 cm土層為粉土，120 cm 以下為粉壤土。試驗地 0～90 cm淺土層的理化性質見表1。

表1 試驗地土壤物理和化學性質Tab. 1 Soil physical and chemical characteristics at the experimental site

試驗時間為2010—2012 年，研究對象為三倍體毛白楊人工林。造林時間為2008 年春季，苗木為1 年生三倍體毛白楊無性系B301（（P. tomentosa×P.bolleana）×P. tomentosa）裸根苗。采用寬窄行栽植模式造林，窄行株行距（林帶內）為1.5 m×1.5 m，寬行（帶距）行距8 m，種植密度為1 404 株·hm-2。2008—2009年對林分進行常規灌溉管理。試驗開始前，林分平均胸徑5.0 cm，平均樹高6.67 m。采用滴灌系統進行灌溉施肥，滴灌管布設在寬行內距樹體60 cm 的區域，滴灌管埋深20 cm，滴頭間距為50 cm，流量為2 L·h-1。灌溉水源為地下水。

2 研究方法

2.1 試驗設計

施肥試驗包括施氮（N）量和施肥頻率兩個因素，肥料為尿素（46% N）。施N 量設3 個水平，分別為115（N115）、230（N230）和345（N345）kg·hm-2a-1；施肥頻率設2 個水平，分別為生長季內施肥4 次（F4）和施肥2次（F2），共計6 個施肥處理，并設置一個不施肥對照CK。前期研究（席本野等, 2017）發現，施肥頻率對毛白楊生長和生物量無顯著影響，與施肥量也無交互作用，因此本研究將2 個施肥頻率進行合并，僅分析施肥量因素。試驗采用完全隨機區組設計，重復3 次，每個重復小區含80 棵樹，小區外側2 條林帶為保護行，共計21 個小區。施肥時先把肥料溶于水配置成含氮肥料溶液（濃度為86 g· L-1），然后將肥料溶液注入到滴灌系統中，施肥時間為每年5 月初和7 月初。為保證植物的正常生長，除施肥外，在4—7 月自林木展葉時起，對所有處理采取每隔10 天灌水20 mm 的灌溉制度，同時保持對照接受的灌溉量與施肥處理相同。

2.2 試驗方法

2.2.1 胸徑生長物候特征 2010—2012 年，在各試驗小區中間林帶隨機選定10 株樣樹，在樹干1.3 m 處標記固定測定位置，用胸徑尺定期測量生長季內（4—9 月）胸徑，每隔15 d 測量1 次，記錄胸徑生長的起始時間和停止時間。然后，計算不同時期的胸徑平均生長速率：

式中，AGR 代表胸徑平均生長速率（mm·d-1），DBHincrement為此時期的胸徑生長量 (mm)，n是對應時期內的天數 (d)。

2.2.2 葉生長物候特征 2011 年4 月分別在各小區隨機布設2 個固定測點進行林分葉面積指數（LAI,m2·m-2）的測定，每個處理共計6 個測點，測點位于中間林帶窄行中央。采用WinSCANOPY 冠層分析儀（Régent Instruments Inc., Quebec, Canda）進行測定，測定時間為4 月初—10 月底，約每隔15 天測定1 次，記錄不同處理展葉時間、落葉時間和不同時期的LAI。

2.2.3 生物量 分別在2010、2011 和2012 年10 月進行生物量的采樣工作。2010 年只對CK 處理采樣，2011 和2012 年對全部處理進行采樣。根據林木生長調查的結果，發現各處理內林木生長勢較為一致（胸徑變異系數為5.5%～13%，樹高變異系數在6.3%～11%），因此，在每個小區選擇1 株（每個處理3 株）代表不同處理的平均標準木進行整株采伐。其中，2010年采伐3 株（CK），2011 年和2012 年各采伐21 株，共計采伐45 株樣樹。根系樣品采集范圍為：以樹干為中心，邊長為 1.5 m 的正方形區域，采集深度至地下60 cm 土層。采伐后，將地上部分分為樹干、樹枝和葉片3 個器官，將地下部分分成根樁、粗根（直徑＞2 mm）和細根（直徑≤2 mm）3 個器官。在田間對不同器官鮮重進行稱量，然后采集代表樣品帶回實驗室，在70 ℃下烘干至恒質量，測定樣品含水量，以計算不同器官的干物質量。

2.2.4 氣象數據 在距離試驗地約100 m 處的空地上安裝一臺全自動氣象站（Delta-T Devices Ltd.，Cambridge，England），用于獲得降雨量等氣象數據。

為切實保障服務質量和服務效果，河北省圖書館對選派人員優中選優，從中層干部中選拔副研究館員以上職稱的業務骨干13名，由分管館長帶隊，到受援單位進行前期調研，了解基本情況和基層館需求，結合各館實際情況，分別制定了對應的工作方案。13名業務骨干以分組的形式到各受援圖書館開展服務，每組選定一名組長，負責整體工作的組織協調和安排部署，輪流、定期上門提供工作指導、業務輔導與講座培訓。最終建立了“前期有調研、過程有日志、完成有總結、結束有評價”的工作機制。

2.3 數據分析

2.3.1 施肥與降雨對胸徑生長的交互作用 利用公式（2）分析降雨對施肥效應的影響，計算生長季不同時期施肥處理相對于CK 胸徑增長量的提高比例。

式中，IFi表示滴灌施肥處理在時期i的胸徑生長量，ICi為CK 處理在時期i的胸徑生長量，DIF 表示不同時期施肥處理較CK 胸徑增長量的提高比例。將DIF與對應時期降雨量做相關性分析，以研究胸徑生長對施肥的響應是否受降雨影響。

2.3.2 生物量異速增長分析 采用異速生長方程分析不同處理毛白楊不同變量之間的異速增長關系：

式中，y和x代表不同變量。將植物分成葉、莖（枝+干）、地上（葉+枝+干）和地下（根樁+粗根+細根）4 個部分，分析生物量在這些部分間的分配關系。首先對上式做自然對數轉換，將二者的關系轉化為線性關系公式（4）：

式中，lnβ 為異速生長常數（allometric constant），表示為在Y 軸上的截距，α 為異速指數（scaling exponent），表示為方程的斜率；當α=1 時，x和y之間是等速增長關系；當α≠1 時，x和y之間則為異速增長關系。異速方程的斜率α 表示的是不同器官在生物量分配上的比例關系，截距β 表示二者在絕對量上的不同。

將數據進行轉換后，采用簡化主軸方法（reduced major axis, RMA）對上式的 β和 α進行擬合求值。RMA被認為是異速方程的最有效的專用分析方法（Falsteret al., 2006）。用本方法擬合出的β 和α 值被認為比一般線性回歸法更能表征2 個變量之間的關系。使用SMATR 程序包（Falsteret al., 2006）運行RMA 分析過程。該程序同時還可以對多條直線的斜率和截距的數值（α 和β）進行差異顯著性檢驗，如數據間差異顯著，可進行多重比較。該方法還可以給出α 和β 的95%置信區間。

3 結果與分析

3.1 林分葉生長物候特征

由圖1 可知，施肥處理（N115、N230和N345）林分葉面積變化與CK 相似，處理間的差異在2011 年整個生長季內均不顯著（P＞0.05）。毛白楊從4 月10 日左右開始展葉，4 月中旬至5 月中旬是樹冠葉片的迅速增長期：4 月中旬不同處理平均LAI 為0.47 m2·m-2，到5月中旬增至1.62 m2·m-2。5 月中旬—8 月葉面積指數較穩定，變化范圍在1.60～1.77 m2·m-2之間。8 月末進入落葉期，葉面積迅速下降。生長期內（4—8 月），N115、N230和N345處理的平均LAI 分別為1.64、 1.63 和1.64 m2·m-2，CK 處理為1.58 m2·m-2，施肥處理僅略大于CK，但未達到顯著水平（P＞0.05）。然而，在落葉期（8 月底之后），CK 林分的LAI 下降速度則要小于各施肥處理。

圖1 2011 年施肥處理與CK 處林分LAI 的動態變化Fig. 1 The dynamic changes of stand LAI in fertilization and control (CK) treatments in 2011

3.2 胸徑生長物候特征

試驗地毛白楊胸徑生長開始于4 月中旬，9 月停止生長（圖2a），胸徑生長節律呈現明顯“快-慢-快”的雙峰型生長模式（圖2b）：5 月初至中旬是第1 個速生期，5 月中旬至6 月生長速率整體下降；7 月初至中旬是第2 個速生期；8 月生長速率下降，8 月中旬至9月初，進入枝條封頂期，停止生長。2012 年同時期的生長速率多數小于2011 年同期。2 年的胸徑生長監測數據顯示，施肥并沒有改變毛白楊的胸徑生長物候特征，但施肥處理整體的胸徑生長速率大于CK（圖2），這種差異在生長季后期更為明顯。具體而言，施肥處理的生長速率，在2011 年8 月平均比CK 高71.6%（P＜0.05），在2012 年7 月和8 月分別比CK 高30.3%和85.1%（P＜0.05），而不同施肥量處理之間的差異不明顯（P＞0.05）。

圖2 2011—2012 年不同處理(a)胸徑累計生長量和(b)胸徑生長速率Fig. 2 The cumulative DBH increments (a) and the periodic DBH increment rates in different treatments in 2011 and 2012

2010、2011 和2012 年試驗地的總降雨量分別為791.2、593.6 和799.2 mm，最大降雨量出現在7 月和8 月，這2 個月的降雨量占總降雨量的33%和38%（圖3）。施肥處理與降雨對胸徑生長有明顯的交互作用，二者呈顯著的二次曲線關系（R2=0.59，P＜0.001）。具體表現為當月降雨量在0～200 mm 范圍內時，DIF的值隨著降雨量的增加逐漸增加，而當月降雨量接近400 mm 時，DIF 的值又迅速下降（圖4）。

圖3 2010—2012 年月降雨量分布Fig. 3 Monthly precipitation distribution in 2010—2012

圖4 施肥與降雨對胸徑生長的交互作用Fig. 4 The interaction effect between fertilization and precipitation on the growth of DBH

3.3 異速生長分析

由表2 可知，毛白楊不同器官之間的異速生長關系極顯著（P＜0.01）。CK 和施肥處理的異速方程斜率α 無顯著差異（P＞0.05），即施肥未改變異速方程中的異速指數。當不同處理間的斜率和截距均無顯著差異時，以處理間的共同斜率和截距進行合并分析。CK 和施肥處理“地上—地下”的方程斜率均為0.7，二者的“莖干—胸徑”和“葉—胸徑”的共同斜率分別為2.4 和 3.5，均與1 有顯著差異（P＜0.05）。當異速指數α≠1 時，表示變量之間的增長關系為異速增長，即隨著年齡的增長，生物量分配比例受個體發育的控制而發生改變。CK 和施肥處理的“葉—地下”的方程斜率分別為1.2 和1.0，與1 無顯著差異（P＞0.05）。當異速指數α=1 時，表示這兩者為等速增長關系，即隨著年齡的增長，葉和地下這2 個部分的分配比例不會發生相對變化。

表2 不同處理生物量異速生長方程差異顯著性檢驗①Tab. 2 Test for significant differences in slope and intercept of the allometric equation of biomass among different treatments

由于“葉—地下”的生物量分配為等速增長，所以生物量分配比例的改變取決于異速生長常數β。如表2 所示，施肥雖然沒有改變生物量分配異速方程的斜率，但施肥處理“葉—地下”的異速生長常數β 與CK 有顯著差異（P＜0.05），施肥處理之間無顯著差異（P＞0.05）。各施肥處理“葉—地下”生物量分配異速方程β 值比CK 顯著高出0.4～0.6，表明當擁有相同根系生物量時，施肥比CK 有著更多的葉生物量，即施肥使得生物量分配從根向葉轉移。此外，“地上—地下”的方程截距也有不同程度地沿y 軸上升。

4 討論

4.1 生長物候特征對施肥的可塑性響應

植物的物候特征會受到多種環境因子如氣候和管理措施的影響，而具有一定的可塑性（Rossiet al.,2006; Duchesneet al., 2012; Primiciaet al., 2013; Allenet al., 1993; Gouldet al., 2012）。施N 肥能明顯改變木本幼苗和草本植物的物候特征（Olietet al., 2011; Xiaet al., 2013），然而，本研究結果顯示，施N 肥以及改變施N 量并未改變毛白楊林分葉生長和木質部生長的物候特征。在試驗前，筆者曾假設施肥可能會顯著提高毛白楊在6 月（最高耗水月份）的胸徑生長速率，但試驗結果并不支持這個假設。此外，本研究發現施肥使得毛白楊胸徑生長物候特征發生了表觀可塑性的改變，即施肥處理和CK 雖有相似的胸徑生長節律，但施肥處理在各時期的胸徑生長速率高于CK，且這種差異在生長季后期（7—8 月）達到顯著水平。栓皮櫟的木質部生長受N 添加和生長期交互作用影響顯著，但對同屬樹種麻櫟的影響不顯著（Yuet al., 2019）；在馬尾松的施肥研究中，也有學者發現施肥對莖干生長物候特征并無明顯影響（Zhanget al., 2017）。上述不同研究結果出現差異的原因可能是草本植物和幼苗對土壤養分的添加更為敏感（Nasholmet al., 2009）。有研究表明，物種和木質部結構的差異會導致植物莖干生長物候對環境變化的敏感性不同（Chenet al., 2022）。當木本植物的莖干生長節律對養分增加沒那么敏感時，水分卻能對其有顯著作用（D’Orangevilleet al.,2022）。灌溉后火炬松生長季封頂時間會推遲，由于生長期的延長，灌溉處理的林木生長量也更高（Gonzalez-Beneckeet al., 2010）。針對毛白楊的灌溉研究表明，灌溉提高了毛白楊胸徑生長量，但同樣對生長物候特征無影響（席本野等, 2012; Liet al., 2020）。因此，本研究認為毛白楊生長物候特征主要受樹種基因型或者其他環境因素的控制，而不受施肥灌溉的影響。

本研究發現，施肥對不同時期胸徑生長的促進作用不是獨立的，而是會受到降雨的影響。當月降雨量在200 mm 范圍以內時，施肥對林木生長的促進效應（即施肥相對于CK 胸徑生長量的提高比例）與降雨量呈正相關關系，而當月降雨量大于300 mm 時，這種促進作用又急劇下降。過多降雨引起施肥促進效應下降的原因，可能是土壤水分含量過高造成土壤通氣性下降，從而導致根系缺氧而抑制了根系對養分的吸收（Schuur, 2003）。Van den Driessche 等（2003）在針對山楊幼苗的施肥試驗中也發現，山楊生長對施肥的響應受降雨的影響較大。除了降雨，其他環境因子也曾被發現與施肥對植物的物候有協同效應，最常見的為溫度。例如，在土壤增溫和施肥的協同作用下，黑云杉木質部的生長時間會延長（Lupiet al.,2012）。由此可見，環境因子與林地管理措施之間存在復雜的交互作用，因此今后在制定和優化相關森林管理技術措施時，應將環境因素對技術措施應用效果的影響考慮在內。例如，在試驗地條件下，當月降雨量大于300 mm 時，應考慮排水措施來提高肥效，或者應避免在降雨頻繁時進行施肥。

4.2 生物量分配對施肥的可塑性響應

當毛白楊林分的LAI 和胸徑生長物候特征對施肥的響應僅在表觀的可塑性時，其生物量分配模式對施肥的響應則表現較為復雜。本研究的異速生長分析結果表明，施N 肥僅引起了毛白楊葉片和根系的生物量分配發生了“真實改變”：在具有相同質量根系的情況下，施肥林分擁有比CK 林分更多的葉片生物量，林木莖干的生物量分配則受個體發育的影響更大。總體來說，施肥能部分改變毛白楊生物量的分配模式，但這種作用會受到個體發育的嚴格控制。許多在其他植物種類上[闊葉樹種（Heet al., 2020）、針葉樹種（Kinget al., 1999）和草本植物（Zhouet al., 2014）]開展的類似研究結果也表明，植物生物量分配模式對施肥產生的響應會因器官不同而異。除土壤養分以外，在植物對水分和光照響應的研究中也有類似發現（McCarthyet al., 2007; Schallet al., 2012）。這些研究結果表明，植物生物量分配的個體發育作用和對環境資源的響應之間并不相互排斥（Niklas, 2006）。然而有些研究認為，施肥后會提高植物的生長速率，加速了植物的個體發育進程從而引起生物量分配模式的變化，并非施肥本身直接導致的結果（Coyleet al.,2005; Colemanet al., 2004; Coyleet al., 2008）。造成這些研究結論差異的一個重要因素是不同植物不同器官生物量的異速增長關系并不是相同的。在本研究中，毛白楊葉和地下部分的異速生長關系為等速生長，也就是葉和根的生物量分配不會隨著年齡的變化而改變。當個體發育的作用可忽略時，生物量分配的任何改變都可視為真實的改變（McConnaughayet al.,1999），表明毛白楊的葉器官對施肥具有較強的表型可塑性響應。

本研究還發現，毛白楊莖干生物量和胸徑、地上與地下生物量分配的關系為異速增長關系，即支配這些變量變化的主要驅動力是個體發育（Weiner, 2004）。異速增長關系是植物在長期的進化過程中形成的穩定分配策略，是基因型決定的結果，對可獲得資源（光、水和養分）的變化不敏感（Weiner, 2004; Mülleret al.,2000）。因此，在本研究中，施肥處理與CK 莖干生物量分配比例的差異是由于施肥加快了莖干生長速率而引起的，并非莖干生物量分配發生了“真實變化”。莖干生物量分配的“表觀變化”也驗證了胸徑生長物候特征的“表觀變化”，對于這種現象筆者也進一步提出一個有待驗證的假設：如果植物莖干生長節律發生顯著變化，那么莖干生物量分配的真實改變則有可能發生。

5 結論

毛白楊生長和物候特征對施肥的響應是復雜的，施肥雖然能明顯提高不同階段的胸徑生長速率，但不能改變胸徑的生長節律。毛白楊莖干生物量和胸徑、地上和地下之間的生物量分配關系為異速分配，主要由個體發育作用控制。由此表明，施肥能引起毛白楊莖干生長速率和生物量分配的表觀變化，但施肥后莖干生物量分配比例的變化是由于施肥加速了林木的個體發育而造成。同時，施肥能引起葉和地下生物量分配的真實變化，使林木將更多的生物量分配到葉器官中，且該作用并不依賴于林木的個體發育。綜上，施肥條件下，毛白楊的生長表型不僅會發生真實的可塑性變化，而且也會受到個體發育改變的影響。本研究發現不僅可幫助深入理解速生樹種對環境養分變化的響應和適應策略，而且還可為“基于植物可塑性響應策略”的速生豐產林高效養分管理技術的優化（例如，應根據林分收獲目標的差別來調整施肥策略）提供理論依據。