秋季施肥對不同砧木類型紅松嫁接苗生長、生理及開花的影響

楊一帆,黃河,吳海波,劉名昱,姜貴勇,任開宇,孟天麗,周楠楠,李辰,姚思營,李洋,張嘉薔,張鵬*

(1.東北林業大學 林學院,森林生態系統可持續經營教育部重點實驗室,哈爾濱 150040;2.國家林業草原紅松工程技術研究中心,哈爾濱 150040;3.鶴北林業局有限公司林業工作總站,黑龍江 鶴崗 154212)

0 引言

已有研究表明,施肥可以促進針葉樹種提早開花結實,提高種子質量,改善大小年現象[1]。生長季末苗木頂芽形成后,莖干形成層和根系繼續生長,若不及時補充營養,導致的“營養稀釋”效應可能會抑制翌年生長,不利于苗木開花結實[2]。有研究通過在苗木木質化期的施肥來減少苗木體內的這種養分稀釋,促進苗木翌年生長季的開花結實[3-4]。該施肥方式在不同研究中的表達通常為秋季施肥(Autumn fertilization, Fall fertilization)。目前,苗木秋季施肥方案的研究主要集中于實生苗[5-9],而對嫁接苗研究較少,秋季施肥對嫁接苗開花結實的影響尚不清楚。針葉樹種的嫁接研究發現,選擇同屬樹種優良砧木嫁接,接穗雌球花和雄球花開花數更多,有利于促進接穗提早開花結實[10]。但不同砧木嫁接苗對秋季施肥的響應是否存在差異仍需深入研究。

紅松(Pinuskoraiensis)是我國溫帶地區地帶性頂極群落闊葉紅松林的建群種,也是我國東北珍貴的鄉土用材和經濟林樹種[11]。紅松因材質優良,種子的營養價值高、滋補功效顯著,經營模式由單一的用材林向果材兼用林轉變[12]。近年來,東北地區紅松果林發展迅速[13],對于促進紅松提早開花結實的技術需求也不斷增加[12]。但紅松從出苗到可以進行開花結實所需的培育周期漫長,且個體間結實數量差異較大、結實質量參差不齊,同時紅松具有明顯的結實豐年、歉年之分[14]。為保持優良結實的紅松母樹特性,將優良紅松穗條嫁接,可以促進其提早開花結實,嫁接苗是紅松經濟林造林的主要來源[11]。目前秋季施肥對于促進紅松嫁接苗生長和開花的效應尚不清楚,且不同砧木紅松嫁接苗對秋季施肥的響應也需深入研究。本研究以3種(樟子松、紅松、華山松)砧木的紅松嫁接苗為試驗材料,探究秋季施肥和砧木類型對紅松嫁接苗生長、生理和開花的影響,旨在為紅松果用林培育和經營提供理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于東北林業大學帽兒山實驗林場苗圃(45°29′ N,127°51′E),該區域位于長白山系張廣才嶺西坡小嶺余脈,為山區丘陵地貌,地勢南高北低。氣候屬溫帶大陸性季風氣候,冬長夏短。年均氣溫2.8 ℃,年均降水量723 mm,年均蒸發量為1 094 mm,年均相對濕度70%,無霜期為120～140 d,年總日照2471 h。

1.2 試驗材料

試驗所用3種紅松嫁接容器苗(分別為樟子松嫁接紅松,以下稱為樟嫁紅;紅松嫁接紅松,以下稱為紅嫁紅;華山松嫁接紅松,以下稱為華嫁紅)于2021年春季從吉林省柳河縣安口鎮綠園苗木培育基地購得。該批苗木于2019年嫁接,嫁接時3種砧木均為4年生容器苗(紅松和樟子松砧木裸根苗在原床培育2 a,然后移植到容器中再培育2 a;華山松砧木裸根苗在原床培育1 a,然后移植到容器中再培育3 a)。雖然3種砧木苗均為4年生,但因華山松較樟子松和紅松生長快,因此其砧木嫁接位點高于樟子松和紅松砧木苗。3種紅松嫁接苗嫁接后在苗圃地培育2 a。將購入的嫁接苗移植至直徑46 cm、高46 cm的無紡布容器袋中,于東北林業大學帽兒山實驗林場苗圃培養。育苗基質的理化性質為:容重1.338 g/cm3、pH 7.27、全碳7.27 g/kg、全氮0.72 g/kg、有效磷33.24 g/kg、速效鉀71.54 g/kg。2021年生長季末,選擇生長正常、長勢相近的苗木用于試驗。

1.3 試驗設計

采用雙因素完全隨機設計。因素1為嫁接苗的砧木類型,設置樟子松、紅松、華山松3種砧木類型;因素2為秋季施氮量,由于紅松嫁接苗秋季施肥尚未有過研究,因此根據紅松同屬樹種歐洲黑松[10]的秋季施氮量來設置3種砧木類型紅松嫁接苗的秋季施氮量。設置4個施氮水平(選用尿素為氮源,含N量≥46%),總施氮量分別為0 g/株(對照)、0.5 g/株(低氮水平)、1.0 g/株(中氮水平)、1.5(高氮水平)g/株,編號為AF0、AF1、AF2、AF3。試驗共12種處理,每種處理設置3個重復,每個重復20株苗木,共計720株。

于2021年9月7日起進行秋季施肥,每周施肥1次,4個施氮水平每次施氮量分別為0、0.125、0.250、0.375 g/株,連續施肥4周。每次施肥將尿素溶解于20 mL無氮營養液(配方見表1)中,均勻施于嫁接苗基部,AF0(對照)僅施20 mL無氮營養液。

1.4 取樣與指標測定

2021年9月6日,秋季施肥前逐株測量所有紅松嫁接苗的接穗高度和接穗基徑。10月15日,秋季施肥后逐株測量所有紅松嫁接苗的接穗基徑。每種處理每個重復隨機選取2株苗木,每個處理共選取6株苗木,用枝剪取得接穗莖及接穗針葉后置于5 ℃冰箱,8 h內帶回實驗室測定相關生理指標。采用Arnon法測定樣品葉綠素含量[15],凱氏定氮法測定氮含量[16],考馬斯亮藍 G-250 染色法]測定可溶性蛋白含量[17],蒽酮比色法測定非結構性碳水化合物含量[18]。

2022年4月中下旬,調查統計紅松嫁接苗越冬情況。6月中下旬,逐株調查統計所有紅松嫁接苗的開花株數、雌球花和雄球花的開花數量,計算每種處理每個重復的開花株率與總開花數。

開花株率(%)=開花株數/苗木總株數×100

總開花數=所有苗木開花數量之和

2022年9月末逐株測量所有紅松嫁接苗的接穗高度和接穗基徑,計算所有紅松嫁接苗2022年生長季的接穗高生長量和接穗基徑生長量。

1.5 數據處理

采用Excel進行數據整理,采用SPSS Statistics 22中的雙因素方差分析(ANOVA)檢驗砧木類型和秋季施氮量及其交互作用對紅松嫁接苗秋季施氮后接穗葉綠素含量、氮含量、可溶性蛋白含量、非結構性碳水化合物含量及翌年生長季接穗生長量、開花總數和開花株率的影響。當數據在α=0.05水平上有顯著差異時,采用Duncan檢驗進行多重比較。采用Origin 2023制圖。

2 結果與分析

2.1秋季施肥對不同砧木紅松嫁接苗越冬成活和翌年接穗生長的影響

翌年春季,調查紅松嫁接苗越冬成活情況發現,華嫁紅苗木出現越冬死亡現象,樟嫁紅、紅嫁紅苗木未發生越冬死亡。華嫁紅秋季施氮苗木共180株,死亡29株,死亡率為16.11%,未進行秋季施氮苗木共180株,死亡91株,死亡率為50.56%,經秋季施氮的華嫁紅苗木越冬死亡率較未進行秋季施氮苗木降低34.45%。

方差分析結果(表2)表明:砧木類型對紅松嫁接苗翌年接穗高生長量和接穗基徑生長量影響顯著(P<0.05);施氮量對紅松嫁接苗翌年接穗高生長量和接穗基徑生長量影響極顯著(P<0.01);砧木類型和施氮量的交互作用對紅松嫁接苗翌年接穗高生長量和接穗基徑生長量影響顯著(P<0.05)。

表2 砧木類型和秋季施肥對不同砧木紅松嫁接苗翌年生長季接穗生長、開花影響的方差分析Tab.2 Variance analysis of the effects of rootstock type and autumn fertilization on scion growth and flowering of different rootstock grafted seedlings in the next growing season

3種砧木類型紅松嫁接苗翌年接穗高生長量和接穗基徑生長量在低氮水平時顯著高于對照,但低于中氮及高氮水平。砧木類型為樟子松和紅松時,嫁接苗翌年接穗高生長量和接穗基徑生長量對秋季施氮量的增加表現先上升后下降的趨勢,在中氮水平時最高,紅嫁紅和樟嫁紅苗木的接穗高生長量較對照分別增長33.63%和26.16%,接穗基徑生長量較對照分別增長24.15%和37.14%;砧木類型為華山松時,嫁接苗翌年接穗高生長量和接穗基徑生長量對秋季施氮量的增加表現上升的趨勢,在高氮水平時最高,較對照分別增長16.42%和27.35%。中氮水平、砧木類型為紅松處理的接穗高生長量顯著高于中氮水平、砧木類型為樟子松處理和高氮水平、砧木類型為華山松處理的苗木;中氮水平、砧木類型為紅松處理的接穗基徑生長量顯著高于中氮水平、砧木類型為樟子松處理苗木,與高氮水平、砧木類型為華山松處理的苗木差異不顯著,如圖1所示。

字母為Duncan多重比較結果,數據為均值±標準誤,不同小寫字母表示接穗生長量在α=0.05水平上存在顯著差異。AF0代表總施氮量為0 g/株,AF1代表總施氮量為0.5 g/株,AF2代表總施氮量為1.0 g/株,AF3代表總施氮量為1.5 g/株,下同。The letters are Duncan multiple comparison results, and the data are mean ± standard error. Different lowercase letters indicate significant differences at the level of α=0.05. AF0 represents the total nitrogen application rate of 0 g/plant, AF1 represents the total nitrogen application rate of 0.5 g/plant, AF2 represents the total nitrogen application rate of 1.0 g/plant, AF3 represents the total nitrogen application rate of 1.5 g/plant, the same below.圖1 砧木類型和秋季施肥對紅松嫁接苗接穗翌年生長量的影響Fig.1 Effects of rootstock type and autumn fertilization on the growth of Korean pine scion in the next growing season

2.2 秋季施肥對不同砧木紅松嫁接苗接穗翌年開花的影響

調查發現,華山松為砧木的嫁接苗接穗都沒有開花,而樟子松和紅松為砧木的部分嫁接苗接穗開雄球花。

方差分析結果(表2)表明:砧木類型對紅松嫁接苗翌年接穗開花株率影響極顯著(P<0.01);施氮量對紅松嫁接苗翌年接穗開花株率影響極顯著(P<0.01);但砧木類型和施氮量的交互作用對紅松嫁接苗翌年接穗開花株率影響不顯著(P>0.05)。

砧木類型為樟子松和紅松時,翌年生長季接穗開花株率對秋季施氮量的增加表現先上升后下降的趨勢,在中氮水平時最高,樟嫁紅和紅嫁紅苗木接穗的開花株率分別為30.22%和16.42%,砧木類型為樟子松的接穗開花株率顯著高于砧木類型為紅松的苗木,如圖2所示。

方差分析結果(表2)表明:砧木類型對紅松嫁接苗翌年接穗總開花數影響極顯著(P<0.01);施氮量對紅松嫁接苗翌年接穗總開花數影響極顯著(P<0.01);砧木類型和施氮量的交互作用對紅松嫁接苗翌年接穗總開花數影響極顯著(P<0.01)。

砧木類型為樟子松和紅松時,翌年生長季接穗總開花數對秋季施氮量的增加表現先上升后下降的趨勢,在中氮水平時最高,分別為65.67和13.67,砧木類型為樟子松的接穗總開花數顯著高于砧木類型為紅松的苗木,如圖3所示。

字母為Duncan多重比較結果,數據為均值±標準誤,不同小寫字母表示總開花數在α=0.05水平上存在顯著差異。The letters are Duncan multiple comparison results, and the data are mean ± standard error. Different lowercase letters indicate significant differences at the level of α=0.05.圖3 砧木類型和秋季施肥對紅松嫁接苗接穗翌年總開花數的影響Fig.3 Effects of rootstock type and autumn fertilization on total flowering number of Korean pine scion in the next growing season

2.3 秋季施肥對不同砧木紅松嫁接苗接穗生理的影響

方差分析結果(表3)表明:砧木類型、施氮量、砧木類型和施氮量的交互作用對紅松嫁接苗接穗針葉葉綠素a、葉綠素b及總葉綠素含量影響均極顯著(P<0.01);砧木類型、施氮量、砧木類型和施氮量的交互作用對紅松嫁接苗接穗針葉葉綠素a/b影響均不顯著(P>0.05)。

表3 砧木類型和秋季施氮量對紅松嫁接苗接穗生理影響的方差分析Tab.3 Variance analysis of physiological effects of rootstock type and nitrogen application rate in on scion of Korean pine grafted seedlings mg/g

砧木類型為樟子松和紅松時,接穗針葉葉綠素a含量、葉綠素b含量、總葉綠素含量對施氮量的增加表現先上升后下降的趨勢,在中氮水平時最高,樟嫁紅苗木接穗針葉葉綠素a含量、葉綠素b含量、總葉綠素含量較對照分別增長25.96%、57.05%、36.22%,紅嫁紅苗木接穗針葉葉綠素a含量、葉綠素b含量、總葉綠素含量較對照分別增長25.12%、66.41%、56.24%;砧木類型為華山松時,接穗針葉葉綠素a含量、葉綠素b含量、總葉綠素含量對施氮量的增加表現增大的趨勢,在高氮水平時最高,接穗針葉葉綠素a含量、葉綠素b含量、總葉綠素含量較對照分別增長25.80%、45.37%、48.48%。中氮水平時,砧木類型為紅松的接穗針葉葉綠素a含量、葉綠素b含量、總葉綠素含量顯著高于中氮水平砧木類型為樟子松處理和高氮水平砧木類型為華山松處理的苗木,如圖4所示。

方差分析結果(表3)表明:砧木類型對紅松嫁接苗接穗莖氮含量影響顯著(P<0.05),但對接穗針葉氮含量影響不顯著(P>0.05);施氮量對紅松嫁接苗接穗莖氮含量和接穗針葉氮含量影響極顯著(P<0.01);砧木類型和施氮量的交互作用對紅松嫁接苗接穗莖氮含量影響極顯著(P<0.01),對接穗針葉氮含量影響顯著(P<0.05)。

砧木類型為樟子松和紅松時,接穗莖氮含量和接穗針葉氮含量對施氮量的增加表現先上升后下降的趨勢,在中氮水平時最高,樟嫁紅苗木接穗莖氮含量和針葉氮含量較對照分別增長32.88%和13.29%,紅嫁紅苗木接穗莖氮含量和針葉氮含量較對照分別增長29.67%和12.98%;砧木類型為華山松時,接穗莖氮含量和接穗針葉氮含量對施氮量的增加表現增大的趨勢,在高氮水平時最高,接穗莖氮含量和針葉氮含量較對照分別增長30.63%和12.26%。由圖5可知,中氮水平時,紅嫁紅苗木的接穗莖氮含量顯著高于中氮水平樟嫁紅和高氮水平華嫁紅的苗木;紅嫁紅苗木的接穗針葉氮含量顯著高于中氮水平樟嫁紅的苗木,但與高氮水平華嫁紅苗木間無顯著差異。

字母為Duncan多重比較結果,數據為均值±標準誤,不同小寫字母表示氮含量在α=0.05水平上存在顯著差異。The letters are Duncan multiple comparison results, and the data are mean ± standard error. Different lowercase letters indicate significant differences at the level of α=0.05.圖5 砧木類型和秋季施肥對紅松嫁接苗接穗氮含量的影響Fig.5 Effects of rootstock type and autumn fertilization on nitrogen concentration in scion of Korean pine grafted seedlings

方差分析結果(表3)表明:砧木類型、砧木類型和施氮量的交互作用對紅松嫁接苗接穗針葉可溶性蛋白含量影響均不顯著(P>0.05),施氮量對紅松嫁接苗接穗針葉可溶性蛋白含量影響極顯著(P<0.01)。

無論哪種砧木類型,紅松嫁接苗接穗針葉可溶性蛋白含量對施氮量的增加均表現先上升后下降的趨勢,在中氮水平時最高,如圖6所示。與對照相比,砧木為樟子松、紅松和華山松的接穗針葉可溶性蛋白含量分別增加50.31%、63.63%和44.53%,但不同砧木類型間無顯著差異,如圖6所示。

字母為Duncan多重比較結果,數據為均值±標準誤,不同小寫字母表示不同施氮量的接穗針葉可溶性蛋白含量在α=0.05水平上存在顯著差異(P<0.05)。The letters in the figure are Duncan multiple comparison results, and the data are mean ± standard error. Different lowercase letters indicate that there are significant differences in different nitrogen application rates at the level of α=0.05 (P<0.05 ).圖6 砧木類型和秋季施肥對紅松嫁接苗接穗針葉可溶性蛋白含量的影響Fig.6 Effects of rootstock type and autumn fertilization on soluble protein content of scion needles of Korean pine grafted seedlings

方差分析結果(表4)表明:施氮量、砧木類型及其交互作用對紅松嫁接苗接穗莖和接穗針葉淀粉、可溶性糖、NSC含量影響均不顯著(P>0.05)。不同砧木類型和施氮量處理的紅松嫁接苗接穗莖和接穗針葉的非結構性碳水化合物含量無顯著差異,如圖7所示。

圖7 砧木類型和秋季施肥對紅松嫁接苗接穗非結構性碳水化合物含量的影響Fig.7 Effects of rootstock type and autumn fertilization on non-structural carbohydrate content in scion of Korean pine grafted seedlings

表4 砧木類型和秋季施氮量對紅松嫁接苗接穗NSC影響的方差分析Tab.4 Variance analysis of NSC effects of rootstock type and nitrogen application rate in autumn on scion of Korean pine grafted seedlings mg/g

3 討論

3.1 秋季施肥對接穗生長的影響

苗圃育苗中注重以形態指標作為合格苗木的評價方法。在過去的研究中,秋季施肥對苗木形態指標的調控呈現多樣性[19]。在本研究中,砧木類型為樟子松和紅松,秋季施氮量在中氮水平時,翌年接穗高生長量和接穗基徑生長量最大,而當砧木類型為華山松時,翌年接穗高生長量和接穗基徑生長量在秋季施氮量為高氮水平時最大。根據養分加載理論模型,當施肥量過大時,苗木發生毒害,影響生長[20]。這可能是由于不同樹種對氮的敏感性不同[21],華山松較樟子松和紅松對氮有更高的需求。

3.2 秋季施肥對越冬的影響

華山松嫁接紅松易受凍害,主要在遼寧地區推廣種植[22]。已有研究結果認為低溫條件下植物細胞膜最先受損[23-24],施用氮肥的苗木合成的蛋白較多,細胞膜的脂質/蛋白比值下降,會減少細胞膜受傷害[25]。本研究中,秋季施氮的華山松嫁接紅松死亡率顯著低于未進行秋季施氮的華山松嫁接紅松苗木,說明通過進行秋季合理施氮,可增強紅松嫁接苗抗寒性,減少越冬死亡率。

3.3 秋季施肥對接穗開花的影響

資源利用假說認為植物的生殖對策取決于環境中可利用的資源,當生境中可利用資源缺乏時,植物進行更多營養生長[26]。華接紅苗木秋季施氮后,將更多養分用于提高抗寒性,維持苗體在生長季的正常生長,因此翌年接穗未開花。開花是一個高度復雜的過程,Ichimura等[27]提出的理論認為當植物氮含量較高時,植株生殖生長會受到促進。在本研究中,樟子松、紅松為砧木時接穗開雄花,且均在中氮水平時擁有最大開花株率和總開花數,這與接穗莖和接穗針葉氮含量變化趨勢相符。已有研究結果表明,樟子松為砧木進行嫁接較紅松本砧嫁接更有利于促進紅松接穗開花結實[28]。生殖生長的養分分配是以犧牲營養生長的養分為代價[29]。紅嫁紅紅苗木接穗將更多的養分用于促進生長,這可能是樟嫁紅苗木在開花株率與總開花數方面優于紅嫁紅苗木的原因。

4 結論

秋季施肥可顯著提高紅松嫁接苗生長季末接穗葉綠素、氮和可溶性蛋白的積累,促進接穗翌年生長季的生長、提高開花株率與總開花數。砧木類型為樟子松和紅松,最佳秋季施氮量為中氮水平(1.0 g/株)。砧木類型為樟子松、秋季施氮量為中氮水平,接穗翌年開花表現最佳;砧木類型為紅松,秋季施氮量為中氮水平,接穗生長季末生理指標和翌年生長表現最佳。砧木類型為華山松,最佳秋季施氮量為高氮水平(1.5 g/株)。華嫁紅苗木發生越冬死亡現象,秋季施氮肥能夠提高華嫁紅苗木抗寒性,降低越冬死亡率。