氮素是植物体内分布最广的营养元素之一，是构成各种重要有机化合物(如氨基酸、蛋白质、核酸)不可缺少的组成成分，因此植物氮素需求以及氮素施用的有效性一直是植物营养学家或生理学家的研究重点。瑞典生态生理学家Ingestad (1982)基于溶液培养体系研究, 提出按照植物相对生长速率及时、定量地供应各种营养物质的植物稳态矿质营养理论，使植物生长速率和体内营养状况均保持稳定状态，避免因供应的养分不能及时被植物所吸收或者淋洗作用而造成的养分有效性降低，提高养分利用率(Walters et al., 1990)。Timmer等(1987)将稳态矿质营养理论应用于轻型基质育苗研究中，明确提出指数施肥法，并对美国红松(Pinus resinosa)容器苗进行不同剂量指数施肥与常规施肥的对比研究，指出以每株9.75 mg氮的剂量进行指数施肥的效果等同于以每株39 mg氮的剂量进行常规施肥(Timmer et al., 1991)，提高施肥的有效性。此后指数施肥法被广泛地应用于牧豆树(Prosopis chilensis) (Timmer, 1996)、北方红栎(Quercus rubra)(Salifu et al., 2006)、黑云杉(Picea mariana) (Salifu et al., 2003)、铁杉(Tsuga heterophylla) (Hawkins et al., 2005)等树种的氮素营养研究。

我国自20世纪80年代初引入植物稳态矿质营养理论和相关技术，相继对小叶杨(Populus simonii)、泡桐(Paulownia tomentosa)等树种的幼苗施肥(郑槐明等, 1999)以及稳态营养对湿地松(Pinus elliottii)容器苗的土壤矿化作用(贾慧君等, 1998)、Pt外生菌根的形成和生长效应进行较为系统的研究(贾慧君等, 2004)。应用指数施肥法揭示不同氮素水平下林木幼苗的生长表现、养分状况从而提出其氮素需求以及适宜施氮量的研究尚鲜见报道, 尤其对于南方乡土阔叶树种幼苗氮素营养研究尚未见专门报道。

西南桦(Betula alnoides)是我国热带、南亚热带地区的一个优良乡土阔叶树种，具有较高的经济和生态价值。国内外对西南桦的生物学生态学特性、栽培技术、种质资源的收集、保存与应用以及人工林生态效益等方面已进行大量研究(曾杰等, 2006)，但有关西南桦施肥研究的报道还很少，仅见蒋云东等(2003)和郑海水等(2007)有关不同肥料处理间西南桦幼苗或幼林生长表现的比较研究。本文采用指数施肥法探究氮素供应水平对西南桦幼苗生长与养分状况的影响，旨在揭示西南桦幼苗的氮素需求，确定适宜施氮量，为指导西南桦施肥实践以及完善西南桦育苗技术提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

2008年10月选取生长正常且均匀一致的幼苗(平均高度约4 cm)，于中国林业科学研究院热带林业研究所温室内进行盆栽施肥试验。基质为经高压灭菌的混合基质(泥炭、蛭石、珍珠岩的比例为3:2:2，v/v)，塑料盆规格为8.5 cm×6 cm×7 cm，每盆装70 g基质。为了防止水肥流失，盆内套有双层白色塑料袋。参试肥料为普罗丹高浓度水溶性复合肥(加拿大植物营养产品公司)，其主要养分含量为N 20%，P₂O₅ 20%，K₂O 20%，螯合铁(Fe)0.10%，螯合锰(Mn)0.05%，螯合锌(Zn)0.05%，螯合铜(Cu)0.05%，硼(B)0.02%，钼(Mo)0.000 5%，EDTA螯合体1.00%，是一种适合植物生长需要的通用型肥料, 广泛应用于氮素施肥试验中(Hawkins et al., 2005; Miller et al., 2003; Salifu et al., 2003)。

1.2 试验设计与育苗措施

根据Timmer等(1989)的方法确定基质的最大持水量。移苗时，先用去离子水将幼苗冲洗干净，然后将其移植到塑料盆内。根据西南桦幼苗的需水特性，以70%的最大持水量作为初始浇水量，此后每天称重浇水，浇水量视天气和苗木生长状况进行适当调整。从移苗后第3周开始施肥，设置每株施氮0, 50, 100, 200, 300, 400和600 mg 7个处理，4次重复，每个小区48株。每周施肥1次，共12次，按照Timmer(1996)的方法求算指数模型的各项参数，并计算每次的施肥量(表 1)。为了减小边际效应，在试验过程中，每隔2周移动1次苗盘。试验期间温室内未使用人工光源，白天的平均温度为20~27 ℃，平均湿度为23%~68%，平均光照强度约为6 000~7 500 lx。

1.3 幼苗生长调查与养分测定

西南桦幼苗较小，试验开始时，抽取668株，测定幼苗的初始生物量为每株0.009 g(干质量)，初始N, P和K含量分别为16.90, 2.59和17.34 g·kg^-1; 试验结束时(最末次施肥之后1周)，调查苗高、地径以及生物量，测定叶面积和叶片养分浓度。

1.3.1 苗高、地径及生物量测定

每个小区随机抽取20株苗木，测定苗高、地径; 随机抽取7株测定生物量。用去离子水将苗木冲洗干净，于根茎处将其分为地上和地下2部分，放入65 ℃的烘箱内连续烘48 h至恒质量，分别称取其干质量。

1.3.2 叶面积测定

采用扫描法测叶面积。每个小区随机抽取5株苗木，分别摘取其所有叶片，应用Microtek ScanMaker 9700XL扫描仪获取叶片图像，运用Photoshop图像处理软件求算叶片像素，根据叶面积和叶片像素成正比的关系换算出叶面积。

1.3.3 叶片养分含量测定

每个小区随机抽取5株苗木，每株摘取2片初展叶(顶芽以下第3, 4片)，混合(每个小区1个混合样)后用去离子水洗净、晾干，于65 ℃烘箱内连续烘48 h至恒质量，研磨后分别采用扩散法、钼锑抗比色法和火焰光度计法测定叶片全氮、全磷、全钾含量(LY/T 1269-1999和LY/T 1270-1999)。

1.4 数据分析

运用SPSS11.5软件进行方差分析、Ducan多重比较和回归分析。试验末期，处理Ⅶ的苗木叶片出现枯萎脱落、顶芽下垂而后大部分死亡，因此不参与数据分析。

2 结果与分析 2.1 氮素供应水平对西南桦幼苗生长表现及生物量的影响

西南桦幼苗地径、苗高以及地上、地下部分生物量和总生物量随着氮素供应水平的增加先呈递增趋势，至氮施用量为每株200 mg时达到最大值，此后这些指标呈递减趋势(表 2)。方差分析表明:各氮素处理间西南桦幼苗的地径、苗高以及生物量均差异显著(P＜0.05)。经多重比较进一步发现，处理Ⅲ, Ⅳ和Ⅴ之间苗高差异不显著，而3个处理的苗高均显著高于其他处理(P＜0.05)，是对照(处理Ⅰ)的近3倍; 处理Ⅳ和Ⅴ之间地径差异不显著，其地径均为对照的近2.5倍; 处理Ⅳ, Ⅴ和Ⅵ之间地上部分生物量和总生物量均差异不显著，其地上部分生物量和总生物量分别约为对照的10和8倍; 而各施肥处理间地下部分生物量差异不显著，其地下部分生物量均显著(P＜0.05)高于不施肥处理(处理Ⅰ)，说明本研究中施氮量的差异并未引起植株根系生长的显著变化。

植株体内的生物量分配很大程度上受到氮素供应水平的影响。由表 2可以看出:西南桦幼苗根冠比随着供氮量的增加而呈现单调递减趋势，处理Ⅰ的根冠比最大，约为其余处理的2~3倍，说明氮素的增加使苗木将营养物质更多地分配至地上部分，从而导致根冠比下降。

从各处理间西南桦幼苗生长表现的变化情况分析，各生长指标受氮素影响的大小顺序依次为:根冠比＞地上部分生物量＞总生物量＞地下部分生物量＞苗高＞地径(表 2)。

2.2 氮素供应水平对西南桦幼苗叶面积的影响

各处理间西南桦幼苗的叶面积差异显著(P＜0.05)。由图 1可知:随着氮素施用量的增加，叶面积呈现出先递增后递减的变化趋势，处理Ⅳ的叶面积最大，为每株240.29 cm²，显著高于其他处理(P＜0.05)，是处理Ⅰ的15.76倍，是其他处理的1.13~1.44倍。植物通过光合作用进行有机物质积累需要大量氮素供应，因此当施氮量每株＜200 mg时，西南桦幼苗的叶面积随着施氮量的增加而增大; 当每株施氮量＞200 mg时，随着施氮量的增加叶面积反而减小，这可能是由于养分的吸收量超过了西南桦幼苗的需求量，过多的养分导致参与碳同化的关键酶——RuBP羧化酶活性降低，造成光合作用减弱，而且养分过多亦使得幼苗的呼吸作用增强(Manter et al., 2005)，从而导致新叶萌发以及叶片生长放缓，叶面积减小，这亦可能是施氮量每株＞200 mg之后幼苗生长量和生物量逐渐减少(表 2)的原因。

2.3 氮素供应水平对西南桦幼苗叶片养分含量的影响

不同氮素处理间西南桦幼苗叶片养分含量差异显著(P＜0.05)。由图 2可知:随着氮素供应量的增加，叶片N和K含量的变化趋势一致，即处理Ⅱ(每株50 mg)的叶片N和K含量显著高于处理Ⅰ(未施肥)，而处理Ⅱ和Ⅲ(每株100 mg)之间叶片N和K含量差异不显著，此后植株的总生物量保持稳定(处理Ⅳ, Ⅴ, Ⅵ之间差异不显著)，而处理Ⅵ的叶片N和K含量相对于处理Ⅳ分别提高了19.3%和19.6%，比处理Ⅴ高8.3%和7.3%，说明植株对N和K的奢侈消耗造成植株体内的养分积累。而氮供应水平对幼苗P吸收的影响则与之不同，氮施用量每株＜100 mg时，叶片P含量随着氮施入量的增加而递增，氮施入量每株＞100 mg后处理间叶片P含量和总生物量均差异不显著，即趋于稳定，说明植株对P的吸收与对N和K的吸收不同，当植株的总生物量达到稳定之后，其对P的吸收已达饱和，养分含量不再随氮施入量的增加而继续增加。

2.4 适宜施氮量的确定

根据幼苗生物量与叶片N, P, K含量及其比值绘制散点图可以看出，叶片N, P, K含量以及N/K与生物量呈抛物线关系(图 3)。应用西南桦幼苗生物量与叶片N, P, K的含量及其比值拟合一元二次抛线物方程，经显著性检验发现，4个方程的显著性水平达到0.01(表 3)，依据这些曲线上最大生物量的90%相对应的养分含量作为临界值和最适含量范围。西南桦幼苗叶片N, P, K含量以及N/K的临界值分别为37.8, 4.1, 24.4 g·kg^-1和1.66，最适含量或比值范围分别为37.8~59.1, 4.1~6.3, 24.4~34.7 g·kg^-1和1.66~2.23。叶片N/P和P/K与生物量的抛物线关系不显著，因此不宜用于养分临界值、最适含量范围的估算，这与植物对N, P, K等3种元素的吸收快慢有关。而叶片N/K的临界值和最适范围均超出了各处理的N/K值，从图 3也可以看出:尽管N/K与生物量呈现一元二次抛物线关系，但是本研究中该比值似乎尚未达到最大值，难以准确估算临界值和最适含量范围，亦不宜用于确定适宜施氮量。因此仅根据叶片N, P, K的最适浓度范围确定西南桦幼苗的适宜施氮量范围分别为每株200~400, 100~400和200~400 mg，综合3种元素的最适含量范围得出，每株200~400 mg为西南桦幼苗的适宜施氮范围，而且用叶片N和K的最适含量范围估算幼苗的适宜施氮范围比用叶片P更可靠。

3 结论与讨论

在本研究中，西南桦幼苗的地径、苗高、生物量以及叶面积随着氮素施用量的增加而递增，至每株200 mg后其生长表现和生物量趋于稳定，而叶面积则显著递减。地上部分的生长对于氮素供应的反应较地下部分敏感。随着氮素供应水平的增加，西南桦幼苗叶片N和K含量单调递增，而叶片P含量在氮施用量每株＞100 mg之后趋于稳定。总体而言，每株200 mg的施氮量是满足西南桦幼苗生长和养分吸收的临界点。

植物叶片的养分含量与生长量、产量关系密切, 这是植物施肥与营养诊断的理论基础。Ulrich等(1967)明确提出以植物最大理论生长量或产量的90%所对应的叶片养分含量作为临界含量。Shedley等(1995)运用临界浓度法，根据蓝桉(Eucalyptus globules)幼苗茎生物量与初展叶N含量的相关关系，确定出3种不同氮源供应条件下幼苗叶N的最适含量范围分别为29~47 g·kg^-1(硫酸铵), 26~43 g·kg^-1(硝酸铵)和24~33 g·kg^-1(硝酸钙)。黄益宗等(2002)对1年生尾叶桉(Eucalyptus urophylla)幼林进行叶片养分分析，确定其临界养分N, P, K含量范围分别为15.3~18.1, 1.2~1.7和4.2~5.6 g·kg^-1。而本研究中，西南桦幼苗叶片全N、全P、全K最适含量范围分别为37.8~59.1, 4.1~6.3, 24.4~34.7 g·kg^-1，明显高于上述树种，Ericsson等(1988)对于垂枝桦(Belula pendula)的养分和生长研究结果亦表明:其叶片养分N, P含量分别高达33.7和4.8 g·kg^-1，这可能与桦木属树种的喜肥特性有关。

增加移栽苗体内的氮含量将会促进苗木造林后的早期生长，特别是在养分贫瘠、竞争激烈的立地条件下，效果更加显著(Rytter et al., 2003; Rikala et al., 2004; Heiskanen et al., 2009)。因此, 适宜施氮量的确定自然成为苗木栽培中的重点。Salifu等(2003)应用指数施肥法，依据幼苗的生长表现以及养分状况确定出黑云杉幼苗的适宜施氮范围为每株30~64 mg，同样地，Salifu等(2006)确定出北美红栎的适宜施氮范围为每株25~100 mg。本文通过叶片的最适养分含量确定出西南桦幼苗的适宜施氮范围为每株200~400 mg，其适宜施氮量是上述2个树种的4~8倍，这与3个树种的生长速率有关，本研究中西南桦幼苗的最终生物量分别约为黑云杉和北美红栎的3倍和60倍，因此苗木的养分需求量差异极为明显，亦说明西南桦是1个速生、喜肥的树种。增加肥料的施用量使幼苗的N和K含量升高，可能会缩短其造林后的缓苗期，有待进一步研究。此外，根据本研究得出的西南桦幼苗适宜施氮量范围，进一步开展不同施氮量的常规施肥、指数施肥以及修正指数施肥(Timmer, 1996)对比研究，以探究3种施肥方法对西南桦幼苗生长及养分状况的影响，进而优化西南桦幼苗施肥方案，亦为其他树种相关研究提供借鉴。