林业科学  2015, Vol. 51 Issue (6): 36-43   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150605
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文章信息

奚旺, 刘勇, 马履一, 李国雷, 贾忠奎, 娄军山, 胡家伟, 王琰
Xi Wang, Liu Yong, Ma Lüyi, Li Guolei, Jia Zhongkui, Lou Junshan, Hu Jiawei, Wang Yan
底部渗灌条件下水肥对华北落叶松容器苗生长及基质pH值、电导率的影响
Effects of Sub-Irrigation with Different Water and Fertilizer Supplies on Growth,Media pH and Electric Conductance of Containerized Larix principis-rupprechtii Seedlings
林业科学, 2015, 51(6): 36-43
Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(6): 36-43.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150605

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收稿日期:2014-04-02
修回日期:2014-07-04

作者相关文章

奚旺
刘勇
马履一
李国雷
贾忠奎
娄军山
胡家伟
王琰

底部渗灌条件下水肥对华北落叶松容器苗生长及基质pH值、电导率的影响
奚旺, 刘勇, 马履一, 李国雷, 贾忠奎, 娄军山, 胡家伟, 王琰    
北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室 北京 100083
摘要【目的】 探索底部渗灌条件下华北落叶松容器育苗的最佳水肥组合,完善华北落叶松容器育苗技术,为规范底部渗灌技术下容器育苗提供科学参考。【方法】 以华北落叶松播种容器苗为研究对象,采用完全随机区组设计,设5个灌水梯度、3个施肥浓度,共15个水肥处理,对华北落叶松容器苗培育1年,通过对苗木生物量及根系形态结构、基质化学性质等指标进行测定并与对照相比较,研究容器苗底部渗灌条件下不同水肥处理对华北落叶松苗木生长、根系形态结构及基质化学性质的影响,探讨水肥效应与苗木质量之间的关系,从而找出华北落叶松容器苗底部渗灌的最佳灌水量和缓释肥量。【结果】 苗木生物量及根系形态指标均随灌水梯度及施肥量的增大呈先逐渐增大再减小的趋势; 根冠比随水分梯度的增大逐渐减小,随施肥量的增加呈先增后减的趋势; 底部渗灌条件下,华北落叶松当年生容器苗最佳水肥组合为75%灌水梯度和100 mg·株-1施氮量,此处理下的苗木生物量达到0.64 g·株-1,根系细根(0.0<D≤0.5 mm)所占比例最大,根累计长度、根累计表面积和根累计体积分别为82%,62%和46%。各处理的基质pH5.5~6.5之间,电导率 0.75~2.0 mS·cm-1,均在苗木生长的适宜范围内。【结论】 与上方灌溉相比,底部渗灌下适宜的水肥配比利于苗木根系的生长,细根更发达,利于苗木吸收营养,苗木质量明显提高; 而且底部渗灌条件下育苗基质的pH值、EC值均在植物生长安全范围内,这为底部渗灌技术在我国造林树种容器育苗中的应用提供理论依据。
关键词底部渗灌    水肥    华北落叶松    容器苗    根系    基质    
Effects of Sub-Irrigation with Different Water and Fertilizer Supplies on Growth,Media pH and Electric Conductance of Containerized Larix principis-rupprechtii Seedlings
Xi Wang, Liu Yong, Ma Lüyi, Li Guolei, Jia Zhongkui, Lou Junshan, Hu Jiawei, Wang Yan    
Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education Beijing Forestry University Beijing 100083
Abstract: [Objective] The sub-irrigation is an effective irrigation method whereby water is moved upward into the growing medium by capillary action, in which water is allowed to be reused through a closed-circuit loop. This method can avoid nutrient leaching loss and whereby reduce environmental contamination and financial cost while producing high quality seedlings. Plant roots, as an important organs absorbing water and nutrients and synthesizing materials, have a direct influence on plant aboveground. However, the study on effects on container seedling cultivation technology with sub-irrigation is less in China. This study aims at finding the best combination treatments of irrigation and fertilization for the growth of Larix principis-rupprechtii container seedlings with sub-irrigation. [Method] In this study, L. principis-rupprechtii, an important forestation species in northern China, was used as the experimental material to study the effects of the sub-irrigation with different water and fertilizer supplies on morphological and physiological indexes of the containerized seedlings, and on pH and EC values of media by setting five irrigation gradients and three fertilization concentrations. The effects of the sub-irrigation with different water and fertilizer supplies on growth, media pH and EC values of containerized L. principis-rupprechtii seedlings were analyzed to determine the best combination treatment of irrigation and fertilization. [Result] The seedling biomass and root morphological index increased and then decreased with the increase of irrigation water gradient and fertilization amount. The root shoot ratio gradually decreased with the moisture gradient increase, and first increased and then decreased with the increase of fertilizer. The results showed that watering with 75% of the field saturated water holding capacity and fertilizing with 100 mg slow release fertilizer (N:P:K=13:13:13) per plant were the best combination in improving the development of containerized L. principis-rupprechtii seedlings. The average seedling biomass reached 0.64 g per plant, the total root length, root surface area and root volume in this watering and fertilizing pattern reached maximum value, and the proportion of fine roots (0.0<D≤0.5 mm) was 82% (length), 62% (surface area), 46% (volume), respectively. The media pH was between 5.5-6.5, and the media EC was between 0.75-2.0 ms·cm-1, which all was suitable for seedling growth. [Conclusion] Compared with the overhead irrigation method, the sub-irrigation was an more effective way to improve the quality of seedlings. Through comprehensive analysis, it was concluded that the A2B3 treatment had the best effect on L. principis-rupprechtii container seedling growth. This study would provide a theoretical basis for applying the sub-irrigation in the container seedlings cultivation.
Key words: sub-irrigation    irrigation and fertilization    Larix principis-rupprechtii    container seedling    root system    media    

根系是苗木吸收水分和养分并进行物质合成的重要器官,其发育好坏直接影响苗木利用土壤水分及养分的能力,进而决定苗木质量(张德健等,2011杨延杰等,2013)。科学的水肥调控可改善根系生长发育环境,促进苗木根系对养分吸收,对苗木质量、生态环境等方面都有显著影响(李国雷等,2012刘勇等,2013)。当前容器苗培育所采用的上方喷灌和随水施肥技术,水资源浪费高达72%(Dumroese et al.,1995),且未经苗木利用的养分随排出水流失,易造成环境污染,如氮淋溶量高达50 kg·hm-2(Dumroese et al.,2006)。容器苗底部渗灌技术是利用育苗基质毛细管作用从容器下方吸收水分对苗木进行灌溉的育苗技术(Coggeshall et al.,2002祝燕等,2013)。该技术采用封闭循环系统,未被苗木利用的水肥回流至储水箱(Dumroese et al.,2007),可避免养分淋溶流失,节约灌溉水。

目前,国外对容器苗底部渗灌技术的研究主要涉及底部渗灌对节水节肥、苗木生长、光合特性、水分利用效率等方面的影响(Davis et al.,2011b),而对苗木根系及基质性质影响的研究较少。研究树种主要包括美国红栎(Quercus rubra)(Davis et al.,2008)、柯阿金合欢(Acacia koa)(Dumroese et al.,2011)、淡紫松果菊(Echinacea pallida)(Pinto et al.,2008)、铁心木(Metrosideros polymorpha)(Landis et al.,2004)、北美蓝云杉(Picea pungens)(Landis et al.,2006)、黑核桃(Juglans nigra)、美国山核桃(Carya illinoensis)(Coggeshall et al.,2002)等。该技术不仅可减少水肥资源浪费,减少环境污染,而且不降低苗木质量,基质的pH值、EC值均在植物生长安全范围内(Ahmed et al.,2000Caron et al.,2005),使用缓释肥可以避免施肥过量,提高肥料利用效率,达到节肥、环保、省工的综合效益(Dumroese et al.,2006Richards et al.,2004)。

我国对底部渗灌条件下的容器苗培育技术研究较少(郁书君等,2001祝燕等,2013),针对渗灌下华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)容器苗根系生长及基质pH值、电导率的研究未见报道。本研究旨在探讨底部渗灌下不同水肥处理对华北落叶松容器苗根系形态结构和基质化学特性的影响,以期寻找底部渗灌条件下华北落叶松容器育苗的最佳水肥组合,为底部渗灌技术在我国造林树种容器育苗中的应用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验地位于北京林业大学妙峰山教学实验林场的森林培育学科科研基地(116°28′ E,39°54′ N),试验用温室昼/夜温度平均为28/18 ℃,采用自然光照,空气湿度控制在65%~85%。

1.2 试验材料

华北落叶松种子来源于河北省承德市围场县林木种苗站,千粒质量为5.937 g。育苗容器(型号:SC10 Super,材料:ABS,Stuewe & Sons公司)上口直径3.8 cm、高度21 cm,内表面均匀分布4条凸起的导根肋,底部有4个小孔以利于排水和空气修根,单个容器体积164 cm3,每49个容器置于一个育苗架内,育苗密度为528 株·m-2。育苗基质为泥炭和蛭石,混合比例为3∶1(体积比)。肥料为包裹型缓释复合肥,氮磷钾元素的比例为13∶13∶13,缓释期为150~180天(济南乐喜施肥料有限公司生产)。

1.3 试验设计

试验时间为2013年4—11月,采用完全随机区组设计,设灌水和施肥2个因素,其中底部渗灌设置4个水分梯度,水分控制下限分别为基质饱和质量的55%,65%,75%,85%。另设一个上方灌溉处理作对照(CK),采用常规的喷灌方法(郁书君等,2001),当基质田间持水量低于85%时,上方喷灌至饱和。施肥设置3个缓释肥浓度,分别为50,100,150 mg·株-1(奚旺等,2014a)。共15个处理,重复5次,每个重复40株苗,具体见表 1

表 1 不同水肥处理组合 Tab.1 Treatments with different irrigation and fertilization
1.4 育苗方法 1.4.1 种子处理与播种

种子处理:2013年4月13日,将华北落叶松种子用0.5%的高锰酸钾溶液浸泡2 h,然后用清水冲洗干净,与约为饱和含水量60%的细沙混合,置于温度为20 ℃的培养箱中催芽7天。

施肥准备:按照试验设计的育苗株数计算所需缓释肥量并提前称好,将缓释肥一次拌入基质中。4月16日,将混合均匀后的基质装入容器内,边装填边压实,播种前3~5天,浇水至能从容器底部渗出。

播种:4月19日,用竹签在基质中央扎深1.0 cm左右的小洞,放入3~6粒经催芽的种子并覆表土,覆盖厚度控制在0.5~0.8 cm。

1.4.2 苗期管理

播种后,每隔2天用喷雾器喷水保持土壤湿润直至出苗,出苗1个月后进行间苗,每容器保留1株健壮苗木。间苗后,从5月20日开始,每2天定时用电子秤(最大量程30 kg,最小感量0.1 g)称育苗架质量,并逐一做好标记,计算当育苗基质田间持水量低于该处理所设的水分梯度时,进行底部渗灌至饱和(称质量法)(毛海颖等,2010); 上方灌溉用喷壶(容积为9 L)模拟喷灌,每次灌溉都做好称质量记录,计算苗木用水量。用50%多菌灵可湿性粉剂600倍液喷雾防治病害,从幼苗期开始每2周进行1次,共7次。及时除草。

1.5 测定方法

分别于7月28日、9月20日、11月12日对不同处理的育苗基质进行取样,采用1∶10浸提法(鲍士旦等,2008),用雷磁pHS-2F型pH计测定基质pH值,用DDS-307A型电导率仪测定电导率。11月12日,苗木落叶后进行破坏取样,每个处理取8株,5重复,将苗木根系洗净后采用EPSON V750 Pro根系扫描仪对根系进行扫描,Win RHIZO根系分析仪对根系累计长度、表面积和体积等指标进行分析(岳龙等,2010),根系形态的分级确定为0.0<根系直径(D)≤0.2 mm为第1径级、0.2<D≤0.5 mm为第2径级、0.5<D≤1.0 mm为第3径级、1.0<D≤2.0 mm为第4径级、D>2.0 mm为第5径级。用烘干法测定根、茎生物量。

1.6 数据分析

数据记录和整理采用Excel 2007软件,数据处理采用SPSS 18.0进行双因素方差分析,如果差异显著(P<0.05),则用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

根据不同水肥处理下苗木生物量及根系指标双因素方差分析结果(表 2)可知,水、肥因素各自对苗木生物量及根系形态指标的影响均达到显著水平,但其交互效应仅对苗木总生物量、根表面积及体积的影响效果显著。

表 2 水肥组合对华北落叶松容器苗生物量及根系指标影响的方差分析F Tab.2 F ratios derived from the analysis of ANOVA for the effects of fertilization(A) and irrigation(B)on the seedling biomass and root morphological attributes of containerized L. principis-rupprechtii seedlings
2.1 不同水肥处理对苗木根生物量、根冠比及总根长的影响

对没有交互作用的苗木根生物量、根冠比及总根长指标,进行主效应分析发现,相同灌水梯度不同施肥量情况下,施氮量为100 mg·株-1的苗木根生物量、总根长及根冠比均达到最大,分别为0.29 g·株-1、392.06 cm·株-1和0.96,显著高于其他施肥处理(P<0.05)(表 3)。相同施肥量不同水分梯度下,随着底部渗灌灌水量的增加,苗木根生物量及总根长均呈先逐渐增大再减小的趋势(表 3),在水分梯度为75%时根生物量及总根长达到最大,分别为每株0.25 g和399.14 cm; 灌水梯度为65%处理下苗木根生物量最小,为每株0.22 g·株-1; 55%灌水梯度下总根长最小,为每株349.96 cm·株-1,显著低于水分处理B3(75%),B4(85%)和B5(CK)。根冠比随水分梯度的增大呈逐渐减小的趋势,B4(85%)水分处理的根冠比最小,为0.88,显著低于处理B1(55%),其他处理差异不显著。

表 3 不同水肥处理下华北落叶松1年生容器苗根生物量、根冠比及总根长 Tab.3 Seedling root biomass,root-top ratio and root length in response to different irrigation and fertilization treatments
2.2 不同水肥处理对苗木总生物量、根表面积及根体积的影响

对具有交互作用的苗木总生物量、根表面积及体积指标,进行交互效应分析发现,处理A2B3,A2B4,A2B5的苗木总生物量处于较高水平,处理A3B1,A3B2,A3B3,A3B4的苗木总生物量处于较低水平。多重比较结果表明,水肥处理A2B3的总生物量最大,明显高于其他处理(P<0.05),为0.64 g·株-1,水肥处理A3B1下的苗木总生物量(0.35 g·株-1)最低(表 4)。随着底部渗灌灌水量的增加,苗木根表面积和体积呈先逐渐增大再减小且趋于稳定的趋势,在灌水梯度为75%时达到最大。随着施肥量的提高,根表面积和体积也呈先增大再减小的趋势,在施肥量为100 mg·株-1时为最大。多重比较结果表明,苗木根表面积在处理A2B3,A1B3及A2B4下处于较高水平,在处理A3B1及A1B1下处于较低水平; 苗木根体积在处理A2B3和A3B3下处于较高水平,在处理A3B1,A1B1,A1B5及A3B2下处于较低水平(表 4)。

表 4 不同水肥处理下华北落叶松1年生容器苗总生物量、根表面积及体积 Tab.4 Each end-member combination decomposition of corn planting area
2.3 不同水肥处理对苗木根系径级分布的影响

苗木根系累计长度随着径级的减小呈先逐渐增大再稍减小且趋于稳定的趋势,尤其从第4径级降低到第2级,根系累计长度增加最为剧烈(图 1)。不同施肥量下苗木根系累计长度在各径级分布比例上差异明显,处理A2在第1径级的根系累计长度占总根长的35%~42%,第2径级的根系累计长度占41%~45%,其细根(1径级+2径级,即0.0<D≤0.5 mm)所占比例大于其他处理。不同渗灌水分梯度下苗木细根所占比例随水分梯度的增加呈先逐渐增多后减少的趋势,处理B3(75%)的细根所占比例最大,达78%~87%。

图 1 不同水肥处理对华北落叶松1年生容器苗根系累计长度的影响 Fig. 1 Total root length in response to different irrigation and fertilization treatments1. 第1径级Diameter class(0.0<D≤0.2 mm); 2.第2径级Diameter class(0.2<D≤0.5 mm);3.第3径级Diameter class(0.5<D≤1.0 mm);4.第3径级Diameter class(1.0<D≤2.0 mm);5. 第3径级Diameter class(D>2.0 mm).下同。The same below.

与根系累计长度的变化曲线不同,苗木根系累计表面积随水分梯度和施肥量的变化相对缓和(图 2),径级较大的根系累计表面积也占有一定比例,第3,4,5这3个径级的根系累计表面积共占根系总表面积的40%。各施肥处理在第1和第2径级的根累计表面积占总表面积的59%~64%,其中,A2处理的细根所占比例最大(64%)。相同施肥量不同水分梯度的累计表面积均随根系径级的减小呈先平稳增加再减小的趋势,其中,水分处理B3在第1,2径级的根累计表面积占总表面积的比例最大,为63%,其次是B4。15个水肥处理中,A2B3,A2B4及A3B5的细根所占比例处于较高水平,A3B1,A1B4及A1B5的细根所占比例处于较低水平。

图 2 不同水肥处理对华北落叶松1年生容器苗根系累计表面积的影响 Fig. 2 Total root surface area in response to different irrigation and fertilization treatments

从根系累计体积在不同径级间的分布可知(图 3),各处理的根系累计体积随径级的减小呈先减小再逐渐增加再减小的趋势,不同水分梯度的3个施肥处理中,A2处理的细根所占比例最大,为44%~51%; 各施肥处理的5个水分梯度中,B3的细根所占比例最大,为45%~51%。15个水肥处理中,A2B3,A2B4及A3B3,A3B5的细根所占比例处于较高水平,A1B4,A3B1及A1B5的细根所占比例处于较低水平。

图 3 不同水肥处理对华北落叶松1年生容器苗根系累计体积的影响 Fig. 3 Total root volume in response to different irrigation and fertilization treatments
2.4 不同水肥处理对基质pH值及电导率的影响

图 4可见,不同水肥处理对育苗基质的pH值存在显著影响(P<0.05)。育苗初始基质pH值为5.86,11月份取样时各处理下基质平均pH值达到6.16,即随着育苗时间的增长基质pH值有所增加。随着灌水梯度的增加,基质pH值平缓减小且趋于稳定,渗灌处理下B1,B2,B3,B4的基质平均pH值分别为6.28,6.13,6.14,6.13,上方灌溉B5的基质pH值最小(6.12)。随着施肥量的增大,基质pH值逐渐减小,施肥处理A1,A2,A3的基质平均pH值分别为6.47,6.32,5.70。不同水肥组合中,A1B3,A2B1的基质pH值处于较高水平,显著高于初始基质pH值; A3B3,A3B4及A3B5的基质pH值处于较低水平(图 4)。

图 4 不同水肥处理对华北落叶松容器苗基质pH值的影响 Fig. 4 The pH values of media in response to different irrigation and fertilization treatments

根据表 5可知,基质电导率随着时间的变化呈先增大再逐渐减小的趋势,各处理平均值从初始的0.52 mS·cm-1增大到7月份的1.79 mS·cm-1,又下降到11月份的0.78 mS·cm-1。不同水肥处理对育苗基质的电导率存在显著影响(P<0.05),随着施肥量的增大,基质电导率逐渐增大,施肥处理A1,A2,A3的基质平均电导率分别为0.82,1.14,1.76 mS·cm-1。随着底部渗灌灌水量的增加,基质电导率呈先逐渐增大再减小的趋势,水分处理B1,B2,B3,B4,B5的基质平均电导率分别为1.79,1.81,1.81,1.76,1.77 mS·cm-1(表 5)。

表 5 不同水肥处理对华北落叶松容器苗基质电导率的影响 Tab.5 The EC values of media in response to different irrigation and fertilization treatments
3 讨论

水和肥作用是相互影响的,适宜的水分和养分配比可促进苗木对养分吸收,提高苗木质量(王力等,2004奚旺等,2014b)。本试验表明,在施肥量为100 mg·株-1(A2)时苗木生物量及根系指标达到最大(表 34),在此施肥量下,与上方灌溉(85%,CK)相比,灌水梯度为85%的底部渗灌处理下苗木在生物量、根系长度、表面积及体积上均有所提高,分别增加了1.69%,1.19%,2.10%及3.28%。Pinto等(2008)的研究也证明,底部渗灌下培育的淡紫松果菊苗木较上方喷灌处理在生物量上提高了14%,苗高增加了15%,苗木死亡率明显降低。Bumgarner等(2008)Davis等(2011a)对美国红栎、柯阿金合欢的研究也显示,底部渗灌处理下培育的苗木质量有所提高。Dumroese等(2011)Landis等(2006)对美洲山杨(Populus tremuloides)、北美蓝云杉树种的研究表明,容器苗底部渗灌培育的苗木在形态指标上相比上方喷灌没有明显差异,而苗木的养分浓度有所增多。另外,底部渗灌条件下,施肥处理A2(100 mg·株-1)的细根所占比例最大,显著高于其他施肥处理。原因可能是上方喷灌培育容器苗存在肥料的淋溶流失,导致苗木肥料利用效率降低,而底部渗灌系统不存在养分淋溶,可提高肥料的有效性,苗木水肥利用效率有所提高,Richards等(2004)的研究也证明了这一点。

细根的吸收能力强于粗根,一般细根所占比例越大,根系吸收能力越强,且大量的须根利于形成根团(张德健等,2011张金浩等,2014)。苗木生物量、根系形态指标均随灌水梯度和施肥量的增加呈先逐渐增大再减小的趋势,以处理A2B3最大,这说明适宜的水肥梯度下进行渗灌处理不仅利于节水节肥,而且可以促进苗木生物量的积累和根系的生长。对根系形态参数在各径级上的分布比例进行分析表明,随着水分梯度的增加,各处理细根(0.0<D≤0.5 mm)所占比例呈先逐渐增大再减小的趋势,这一结果说明水分梯度过低或过高均不利于苗木细根的发育,Lorenzo等(1998)张晓蕾等(2011)的研究也表明:植株生长对土壤水分状况非常敏感,在植物达到最优的水分条件后再增加灌水是一种浪费且不利于植物根系生长。

pH值是基质的重要理化参数,也是影响根系生长发育及吸收水分和养分能力的重要因素(张晓蕾等,2011杨延杰等,2013)。基质pH值随着育苗时间的变化有所增加,随着施肥量的增大而减小,随灌水梯度的增加平缓减小,底部渗灌条件下的基质pH值平均比上方灌溉高出0.18%~2.61%,但各处理下基质酸碱度均表现为微酸性(图 4),符合理想育苗基质的要求(张晓蕾等,2011)。

电导率是基质分析的一项重要指标,能够反映基质可电离盐类的溶液浓度,电导率太高,会造成盐渍伤害,降低根系吸收能力,苗木生长不良; 电导率过低则营养缺乏,对苗木生长不利(杨延杰等,2013)。基质电导率随育苗时间的变化呈先增大再逐渐减小的趋势,这可能是由苗木生长及缓释肥的释放规律造成的; 随水分梯度的增加呈先增大再减小的趋势,底部渗灌与上方灌溉的基质电导率差异不显著; 随施肥量的增加而增大,各处理的基质电导率在0.5~2.5 mS·cm-1(表 5),均在植物生长安全范围内(≤2.6 s·m-1)(杨延杰等,2013)。这与Landis等(2004)的研究结果相似。

总之,底部渗灌条件下,华北落叶松当年生容器苗最佳水肥组合为75%灌水梯度和100 mg·株-1施氮量,此处理下的根系细根(0<D≤0.5 mm)所占比例最大,根累计长度为82%、根累计表面积为62%、根累计体积为46%,苗木质量明显提高; 各处理的基质pH5.5~6.5之间,电导率0.5~2.5 mS·cm-1,均在苗木生长的适宜范围内。

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