Coupling effects of soil water and fertilizer application on the growth of Quercus variabilis seedlings

于2018年4−11月在中国林业科学研究院科研温室(40°00′10″N，116°14′38″E)中进行试验。海拔61 m，研究期间平均气温为24.0 ℃，夜间气温不低于10.0 ℃，白天气温不高于30.0 ℃，光合光子照度为200~1 000 μmol·m⁻²·s⁻¹，湿度为60%~70%。

2017年9−10月，于河南林州随机选取50株健康栓皮栎母树，母树间距不小于20 m，采集到的种子用60 ℃温水持续浸泡2 h杀虫处理后置于阴凉处阴干。对种子进行筛选、消毒，将成熟种子进行沙藏储存。2018年4月挑选已发芽的栓皮栎种子断根并播种，种子播在花盆(内径10 cm，高20 cm)内，培养基质为V(泥炭土)∶V(珍珠岩)=5∶3，基质容重为0.28 g·cm⁻³，田间持水量18.5%，pH 6.05，速效氮、速效磷、速效钾质量分数分别为74.67、27.17、11.63 mg·kg⁻¹。

种子播种后到幼苗出苗整齐，统一采用上方喷灌，每天喷水1次，使基质保持湿润。出苗后每隔1周喷洒质量浓度为0.1%的50%多菌灵可湿性粉剂。在培育过程中，采用自然光，所有苗木每周进行1次位置轮换，以减少边缘效应。待5月中旬出苗整齐后开始进行试验，试验处理前测定苗木平均高度和地径分别为16.8 cm和2.09 mm。肥料选用氮肥(尿素，含质量分数为46%的氮)、磷肥(磷酸二氢钠，含质量分数为26%磷)、钾肥(硫酸钾，含质量分数为50%钾)。

采用4因素5水平二次回归通用旋转设计(RCCD)，共30个处理。各试验因素和水平编码值见表1，试验结构矩阵见表2。土壤含水率上限设为田间持水量。采用FOM/mts便携式土壤湿度、温度和盐度计测量土壤水分，同时结合称量法进行校正。3 d测定1次土壤含水率，测定时将传感器的探针插入基质中进行测定，得到体积含水量，根据土壤容重，经换算得到质量含水率，测得土壤含水率(占田间持水量的比例)低于下限则灌水。灌水量(mL)=[(田间持水量−土壤含水率)/容重]×盆土质量/水的密度。于5月底到7月底，7 d施氮肥1次，共10次，15 d施1次磷肥和钾肥，共5次^[13]。每次施肥量固定，对苗木进行水分补充时将肥料溶于水中施入。此期间为栓皮栎苗木的速生期，水溶肥少量多施，符合植物根系不间断吸收养分的特点，以减少一次性大量施肥造成肥料损失。

2018年10月测量每处理苗木的苗高、地径，并对苗木进行破坏性取样。使用LI-3000(LI-COR Inc.，美国)测定叶面积，每处理测15株。随后将待测植株分成根、茎、叶，置于烘箱105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒量，称量。用Excel 365和SPSS 23.0进行数据整理，采用Design Expert 8.0.6与Matlab 2018建立模型并进行回归分析和回归系数显著性检验。各指标与土壤含水率和施肥量的回归分析采用如下模型：

式(1)中：y表示响应变量，x₁、x₂、x₃、x₄分别表示土壤含水率、施氮量、施磷量和施钾量的水平编码值，b表示回归系数^[14]。

如表2所示：各处理苗木的苗高、地径的趋势总体一致，且存在显著差异(P＜0.05)。低水、低肥处理生长量相对较低，其中处理17苗高、地径、单株叶面积数值最低。高水、高氮处理生长量较大，其中处理8、处理16、处理18苗高为40.20~44.57 cm，处理4、处理8、处理18地径为4.15~4.34 mm。处理8、处理16、处理18的叶面积为426.75~445.03 cm²。总的来说，不同水肥配比对各指标的影响有一定差异，适宜的水肥配比可以促进苗木生长。

如表2所示：各处理苗木总生物量间存在显著差异，低水、低氮肥的处理生物量较低，其中处理17生物量最低。高水、高氮肥处理生物量较大，其中处理12、处理8、处理16、处理18生物量为9.95~10.99 g，处理8、处理16、处理18的根系生物量为5.72~5.81 g。适宜的灌溉和施肥量对苗木生物量有促进作用，土壤水分含量过低，施肥水平过高或过低都可能抑制苗木生长。

以栓皮栎苗木苗高、地径、叶面积、根干质量、总生物量为目标函数，土壤含水率、施氮量、施磷量和施钾量为自变量，运用方差分析和F-test对方程的可靠性和匹配程度进行检验，回归方程均为显著(P＜0.05)，R²为0.950 1~0.981 7，因此，模拟结果与实际情况拟合较好。剔除不显著的回归系数后，模型表达如下：

式(2)~(6)中，y表示响应变量，x₁、x₂、x₃、x₄分别表示土壤含水率、施氮量、施磷量和施钾量的水平编码值。

土壤含水率、施氮量、施磷量对苗高、单株叶面积、根干质量、生物量有显著正效应，效应从高到低依次为土壤含水率、施氮量、施磷量；土壤含水率、施氮量对地径有显著正效应，且土壤含水率效应高于施氮量。施钾量对所有指标的效应不显著，施磷对地径无显著效应。此外，土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量对苗高有显著正交互效应，且后者大于前者；土壤含水率×施磷量对地径有显著正交互效应，施氮量×施钾量有显著负交互效应，且施氮量×施钾量的负效应大于土壤含水率×施磷量的正效应；土壤含水率×施氮量、施氮量×施磷量对单株叶面积有显著正交互效应，且后者大于前者；土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量、施氮量×施磷量、土壤含水率×施钾量对生物量有显著正交互效应，且从高到低依次为土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量、施氮量×施磷量、土壤含水率×施钾量；土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量、施氮量×施磷量根系生物量有显著正交互效应，且从高到低依次为土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量、施氮量×施磷量。土壤含水率和施氮量的交互效应对植物的生长影响更大。

为了更直观地分析水肥因素对生长的影响效应，对回归模型进行降维处理，分析各个因素对苗高、地径、单株叶面积、根干质量、生物量的单独效应。如图1所示：氮、磷和钾效应对各指标的影响均为抛物线形状，呈现出先增加后减小的变化趋势，符合“报酬递减”的规律，但各指标达到峰值时对应的土壤水分、施肥量因子不同。当土壤含水率达到一定程度(x₁=1.0)时，增长速率减缓。5个指标均随着施氮量的增加而显著增加，当施氮量达到一定水平(x₂=1.0)时，苗木的生长会受到抑制，开始出现下降的趋势。磷肥对各指标的影响趋势为先促进后抑制，x₃=0.5时，开始对根系生长和总生物量产生抑制作用。在较低水平(x₄=−0.5)的钾肥下5个指标均可达到最高值，且x₄=2.0时比不施钾肥的苗木生长量和生物量更小。土壤水分对幼苗的生长影响更大，其次为氮肥。增加土壤水分和施肥量可以显著促进幼苗的生长和生物量的积累，但过度灌溉和施肥会限制幼苗生长。

Figure 1.  Monofactor effects of soil water content, N, P and K fertilizers on stem height, ground diameter, root weight, biomass, leaf area of Q. variabilis seedlings

根据各指标的回归方程，对其中效应显著的交互项做耦合效应分析。如图2所示：土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量对苗高有显著正效应。苗高随着土壤含水率和施氮量的增加而显著增加，当x₁=−2.0、x₂=1.5时，苗高达到最大，为45.79 cm。低水分条件下，低磷肥和高磷肥均不利于苗高生长，苗高随着水分和磷肥同时增加而增大，达到一定程度时增加速率减缓，当x₁=2.0、x₃=0.7时，苗高最大可达44.84 cm。土壤含水率×施磷量对地径有显著正效应。水分较低时，磷肥过高或者过低都会抑制地径生长。水分较高时，添加适量磷肥有利于地径生长，当x₁=2.0、x₃=1.6，地径可达4.40 mm。施氮量×施钾量对地径有显著负效应，氮肥和钾肥都较低时地径生长受到抑制，但随着氮肥的增加，添加少量钾肥可以促进地径的增加，随后继续添加钾肥会对地径产生显著的抑制作用。

Figure 2.  Coupling effects of water and fertilizeron stem height, ground diameter, leaf area, root weight of Q. variabilis seedlings

如图2所示：土壤含水率×施氮量、施氮量×施磷量对叶面积有显著正效应。单株叶面积随着水分和氮肥的增加而逐渐增大，当x₁=2.0、x₂=0.9时，单株叶面积达到最大为467.00 cm²。氮肥和磷肥的交互效应相比水氮交互效应小，且随着氮肥和磷肥的增加，单株叶面积先增加后降低，当x₂=0.5、x₃=0.4时，单株叶面积最大达到390.00 cm²。

如图2所示：土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量、施氮量×施磷量对根干质量有显著正效应。随着水分和氮肥的同时增加，根干质量逐渐增大，水分较氮肥的影响更大，当x₁=2.0、x₂=2.0时，根干质量达到最大为6.40 g。水磷交互作用较水氮交互作用小，随着磷肥和水分的增加，根干质量逐渐增大，当x₁=2.0、x₃=1.2时，根干质量可达最大，为5.80 g。肥料之间的交互作用较水分和肥料的交互作用小，氮肥和磷肥均处于较低水平时根干质量较小，随着施肥量的增加，根干质量呈现出先增大后减小的趋势，当x₂=1.3、x₃=1.0时，根干质量可达最大为5.10 g。

如图3所示：土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量、土壤含水率×施钾量、施氮量×施磷量对苗木生物量有显著正效应。低水分和氮肥苗木的生物量较小，随着水分和氮肥的增加，生物量逐渐增大，当x₁=2.0、x₂=2.0时，植株生物量可达到11.95 g。低磷肥和高磷肥均能抑制苗木生长，随着水分和磷肥的增加，生物量呈现先增加后减小的变化趋势，直到x₁=1.9、x₃=1.4，生物量可以达到11.20 g。低钾肥和高钾肥均会抑制苗木生长，且在低水和高钾肥的条件下生物量较小，当x₁=2.0、x₄=0.5时，生物量最高可达10.88 g。氮和磷肥的交互作用相对水肥交互作用的影响小，且生物量随施氮量和施磷量的增加先增大后减小；在低水分条件下，过高的磷、钾肥比低磷、钾肥更易对生物量产生抑制作用，当x₂=1.7、x₃=1.0时，生物量达到最大为9.43 g。适宜的水肥比有利于苗木生长和生物量的积累。

Figure 3.  Coupling effects of water and fertilizer on biomass of Q. variabilis seedlings

综合各个指标进行多目标决策模型分析，在各因素取−2.0≤x≤2.0时，用计算机对模型进行模拟寻优，以寻求可促进栓皮栎生长量最大化的最佳水肥条件组合。得出当x₁=1.9，x₂=1.3，x₃=0.8，x₄=−0.9，即土壤含水率为79%，施氮量为215.3 mg·株⁻¹，施磷量46.0 mg·株⁻¹，施钾量为18.1 mg·株⁻¹，苗木生长可达最优，苗高可达45.14 cm，地径达4.40 mm，根干质量达6.30 g，生物量达11.70 g，单株叶面积可达460.83 cm²。

土壤水分和养分(氮、磷、钾)是影响植物生长的重要因素且发挥着不同的作用^[15-16]，并与植物生理生长紧密相关，对植物的生物量积累、光合作用、营养分配和根系生长有着显著影响^[17]。本研究中水分、氮肥和磷肥对苗木生长有着显著影响，并且水分大于施氮量和施磷量的影响，这与之前研究结论类似^[18-20]。本研究中测定的5个指标均随着土壤含水率的增加而快速增长，当土壤含水率达到一定程度(70%)时，增长速率减缓。5个指标均随着施氮量的增加而显著增加，当施氮量达到一定水平时(大于225.0 mg·株⁻¹)，苗木生长减缓，各指标开始出现下降的趋势。磷肥大于45.0 mg·株⁻¹，开始对苗木生物量产生抑制作用。5个指标均在较低水平的钾肥(22.5 mg·株⁻¹)下达到最高值，但钾肥单因素影响较其他3个因素的影响不显著。这说明合理增施肥料可促进栓皮栎苗木生长发育，施肥量过高会导致土壤水分亏缺，此时再施加肥料会产生拮抗效应，引起水分胁迫，进而使苗木生长受阻。

水分与肥料之间的互作效应对栓皮栎苗木的生长影响显著。在一定范围内，土壤含水率×施氮量、土壤含水率×施磷量能产生正向协同效应。高水分和高氮肥有利于栓皮栎的生长，这与杨自立^[13]的研究结果不同，可能是因为样地条件和种源地不同而导致的苗木间的差异。然而，水氮交互能够显著影响其他树种的生长状况，如土壤含水率×施氮量对楸树苗高、地径、叶面积、生物量有显著正效应，土壤含水率×施磷量对楸树苗高有显著正效应^[7]；土壤含水率×施氮量对尾巨桉Eucalyptus urophylla × E. grandis生物量具有显著正效应^[21]。干旱环境中土壤养分会对植物生长产生互作影响，在水分亏缺的条件下，施肥可以提高植物的耐旱能力^[22]，如通过氮磷等养分的施入可以补偿小麦Triticum aestivum水分亏缺产生的不良反应，使生长抑制现象得到一定缓解^[23]。但也有研究表明，施肥会加剧植物生长后期的水分胁迫^[24]。本研究中，土壤含水率×施磷量除叶面积外，对其他4个指标均有显著交互正效应，且在低水分条件下，添加高磷肥比低磷肥更能抑制苗木生长。土壤含水率×施钾量对生物量有正向协同效应，低水分条件下施加氮肥可促进生物量积累，过量施加钾肥会明显产生拮抗作用。较高水分条件下，施加高氮肥、磷肥可促进苗木生长、根生物量和总生物量增加，低钾肥可促进地径增加和生物量的积累。原因是土壤水分增加时，土壤中的有机氮会矿化为更利于植物吸收的铵态氮和硝态氮，让有机态磷矿化为植物可以吸收的无机态磷，并增强钾元素的移动性。而土壤水分缺乏时，各营养元素进入根部会受到影响，各组织中的元素比例会失调，进而植物生长受到抑制^[25]。随着水分的增加，适宜的施肥量能够很快促进苗木生长，而养分过量和亏缺都会对植株生长造成伤害。MARIS等^[26]研究表明：土壤水分能促进植物对养分的吸收，且在很大程度上决定着养分的吸收，土壤中的养分只有溶解在水中才能被植物吸收，充足的灌溉能显著提高养分吸收的有效性。

除不同肥料与水分之间存在交互效应外，不同肥料之间也存在交互效应。水曲柳Fraxinus mandschurica苗木在氮、磷供给失衡的情况下，不能调整氮磷营养资源，单株总生物量显著下降^[27]。枣树Ziziphus jujuba施肥试验也表明：钾肥可促进氮肥的增产，但两者之间存在拮抗效应^[28]。此外，在低氮肥条件下，少量的磷肥可使叶面积、根干质量和总生物量达到最大，再继续添加磷肥会对苗木生长产生抑制作用，这与徐有明等^[29]对湿地松Pinus elliottii幼林研究的结论类似。在较高水平的氮肥下，适当添加磷肥可促进叶面积、根干质量和总生物量的增加。钾肥与氮肥交互对地径有负效应，即随着氮肥的增加，继续添加钾肥会对地径产生显著抑制效应。原因可能是栓皮栎幼苗对钾肥需求量较小，栓皮栎种子中所含的营养元素已经能够满足其当年生长过程对钾的需求，因此再施用钾肥不会对地径生长产生促进作用。有研究发现：钾肥能缓解氮肥过量所引起的有害作用^[30]，这也可能是钾肥产生负效应的原因，但具体原因还有待进一步研究。由此可见，在栓皮栎苗期，应当给予苗木充足的水分，适宜的氮肥和磷肥，在此基础上施加少量钾肥即可满足苗木生长的需求。单一种类的肥料并不能满足苗木生长的需求，需要各种肥料混合以适当的配比进行使用，并供给苗期充足的水分，从而促进植物更好地吸收养分，提高苗木的生长量。

土壤水分和氮肥是影响栓皮栎苗木的主要因子，而土壤水分是限制苗木生长的最主要因素。高水和高氮肥可以促进苗木吸收磷和钾，总体而言钾肥对苗木的增产效应较小。因此，本研究综合考虑单因素以及因素之间的耦合效应，对模型进行多目标决策分析得到：栓皮栎苗木苗高、地径、单株叶面积、根干质量和生物量的最大值出现在高水(田间最大持水量的79%)，高氮肥(215.3 mg·株⁻¹)，高磷肥(46.0 mg·株⁻¹)，低钾肥(18.1 mg·株⁻¹)的条件下。