Effects of different nitrogen and phosphorus combinations on seedling growth and nutrient accumulation of Pinus yunnanensis seedlings

2020年6月底在西南林业大学苗圃选择2年生的云南松塑料盆栽苗，苗木长势均匀，健康无病虫害，平均苗高为8.1 cm，平均地径为9.8 mm，平均针叶长为11.6 cm，基质为V(腐殖土)∶V(红壤)=1∶3的混合土。根据情况适时对云南松进行浇水，苗木在管理措施上保持完全相同，以排除外部环境条件不同带来的干扰。

采用2因素3水平3×3回归设计，共组成9个处理(表1)。氮肥磷肥用量参照张跃敏等^[13]的方法。外源性氮肥为尿素(CH₄N₂O)，磷肥为过磷酸钙(CaP₂H₄O₈)。表1数据为纯氮、纯磷用量。

于2020年12月底，对指标进行测量。各处理选取3株长势一致的苗木用于生物量及养分的测定，各处理重复3次。用游标卡尺测量地径，直尺测定苗高。将每株苗木分为根、茎和叶，分别装入标记好的纸袋中，在105 ℃烘箱中杀青30 min后，调至80 ℃烘干至恒量，测量根、茎、叶的生物量。将根、茎、叶样品烘干后，研磨过筛，用H₂SO₄-H₂O₂法消煮植物样品制备待测液用于养分测定。全氮采用奈氏比色法测定，全磷采用钼锑抗比色法测定，全钾采用火焰光度法测定^[14]。器官养分储量=器官养分质量分数×器官生物量；器官养分分配比=器官养分储量/单株养分储量×100%；苗木质量指数=苗木总生物量/(苗高/地径+茎生物量/根生物量)^[15]

利用SPSS对各指标进行单因素方差分析及回归分析，采用Origin、SAS软件作图。

由图1A看出：除P₁、N₂P₂处理外，其余各施肥处理的苗木总生物量均显著大于对照组(P＜0.05)。苗木总生物量积累从大到小依次为N₁P₁、N₂P₁、N₁P₂、N₂、N₁、P₂、P₁、N₂P₂、ck。由图1B看出：除P₁、P₂、N₂P₂处理外，其余各施肥处理的苗木质量指数均显著大于对照组(P＜0.05)。苗木质量指数从大到小依次为N₁P₁、N₂P₁、N₁P₂、N₂、N₁、P₁、P₂、N₂P₂、ck。N₁P₁处理下苗木具有最大的总生物量及苗木质量指数，分别是ck的1.92、1.98倍。在单施氮肥的处理中，总体上随施氮量的增加，苗木总生物量及质量指数逐渐升高；单施磷肥时，随施磷量的增加，苗木总生物量也逐渐积累，而苗木质量指数几乎没有发生变化，较为稳定。在氮磷配施的处理中，苗木质量随施氮或施磷量的增加，呈降低趋势。

Figure 1.  Change of biomass and quality index of P. yunnanensis seedlings under nitrogen and phosphorus combined application treatments

由表2可知：各器官的氮、磷、钾储量总体从大到小依次为叶、茎、根。各施肥处理的器官及单株氮、磷、钾储量间具有显著差异(P＜0.05)，较对照组均有不同程度的增加。但各处理的器官及单株氮、磷、钾储量大小顺序并不唯一，N₁P₁处理下苗木根、茎、单株的氮、钾储量最大，根、茎、叶、单株的磷储量也最大，N₂P₁处理下苗木叶的氮、钾储量最大。在单施氮肥和磷肥的处理中，总体上随施氮量和施磷量的增加，各器官及单株的氮、磷、钾储量逐渐增加。在氮磷配施的处理中，养分储量随施氮或施磷量的增加，呈减小趋势。

就氮分配情况而言，平均有19.68%分配到根，34.15%分配给茎，46.17%分配到叶(图2A)。就磷分配情况而言，平均有26.66%分配到根，36.17%分配给茎，37.16%分配到叶(图2B)。就钾分配情况而言，平均有20.93%分配到根，38.01%分配给茎，41.07%分配到叶(图2C)。从各处理的氮分配情况看(图3)：除P₂、N₁、N₂P₂处理外，其余各施肥处理的根氮分配比与对照间差异显著(P＜0.05)，除P₁、P₂、N₁、N₂P₂处理外，其余各施肥处理的茎、叶氮分配比与对照间差异显著(P＜0.05)。各施肥处理的根氮分配比较对照均有不同程度的增加，茎氮分配比中有6个处理较对照有不同程度的增加，而叶氮分配比较对照均有不同程度的减少。

Figure 2.  Nutrient distribution of different organs of P. yunnanensis seedlings

Figure 3.  Nitrogen distribution to each organ in P. yunnanensis seedlings under different fertilization treatments

由图4可知：除N₂P₂处理外，其余各施肥处理的根磷分配比与对照间差异显著(P＜0.05)。除N₁P₂处理外，其余各施肥处理的茎磷分配比与对照间无显著差异(P＞0.05)。除P₁、N₁、N₂P₂处理外，其余各施肥处理的叶磷分配比与对照间差异显著(P＜0.05)。各施肥处理的根磷分配比较对照均有不同程度的增加，茎磷分配比中有6个处理较对照有不同程度的增加，而叶磷分配比较对照均有不同程度的减少。

Figure 4.  Phosphorus distribution to each organ in P. yunnanensis seedlings under different fertilization treatments

由图5可知：除N₁、N₂P₂处理外，其余各施肥处理的根钾分配比与对照间均差异显著(P＜0.05)。各施肥处理的茎钾分配比与对照间无显著差异(P＞0.05)。除P₁、N₁、N₂P₂处理外，其余各施肥处理的叶钾分配比与对照间差异显著(P＜0.05)。各施肥处理的根钾分配比较对照均有不同程度的增加，茎钾分配比中有5个处理较对照有不同程度的增加，而叶钾分配比较对照均有不同程度的减少。

Figure 5.  Potassium distribution to each organ in P. yunnanensis seedlings under different fertilization treatments

由表3可知：苗木生长及养分指标与肥料用量回归方程的相关系数总体上较大，拟合程度较高，可以用来预测不同氮磷施肥处理下的云南松苗木生长及养分指标。

根据表3的回归方程，可得到产量效应曲面图(图6)。由图6可知：各生长指标反应曲面均呈单峰曲面模式，即各生长指标均存在一个最大值。峰值以前，各生长指标均随氮磷用量的增加而增加。峰值以后，各生长指标随氮磷用量的增加而下降。

Figure 6.  Effect surface of biomass and nutrient storage of P. yunnanensis seedlings on nitrogen and phosphorus combined application

由表4可知：施肥处理后，氮磷交互产量大于单施氮产量，单施氮产量优于单施磷产量。因此，在本研究中，针对2年生云南松苗木的肥料效应而言，氮磷配施的效果优于单施氮肥，单施氮肥的效果优于单施磷肥。

对表3构建的回归方程求偏导，确定了云南松苗木各项生长指标适宜的氮磷施肥量。由表5可知：2年生云南松苗木适宜的氮磷施肥量分别为氮0.42~0.65 g·株⁻¹，磷0.66~1.01 g·株⁻¹，适宜的氮磷配比为1.00∶1.15~1.00∶2.13。

生物量综合反映了苗木的各项生长指标，施肥对苗木生长的影响可以通过其对生物量的影响来反映^[16]。本研究发现：施肥显著促进了苗木生物量的积累。这与施肥显著提高紫椴Tilia amurensis^[17]、闽楠Phoebe bournei ^[3]苗木生物量的研究结果相似，说明施肥促进了苗木生长。苗木质量是衡量苗木生活力强弱的重要指标，关系到苗木成活、森林郁闭、森林经济和生态效益的发挥。造林后，苗木的存活及生长与苗木初始质量息息相关^[18]。苗木质量受到施肥调控的影响，如周磊等^[15]对细叶桢楠Phoebe hui容器苗进行施肥研究发现：施肥提高了细叶桢楠的苗木质量。罗仙英等^[19]研究表明：施肥提高了马尾松的苗木质量。另外，苗木质量在一定程度上还受到土壤基质的影响，但有些研究却提出了不同的观点，认为土壤基质对苗木质量的影响并不大，如刘婷岩等^[20]对不同基质与施肥处理下白桦Betula platyhylla的苗木质量进行研究发现：土壤基质对白桦苗木质量指数无显著影响。莎茹等^[21]研究表明：在低水平施肥情况下，土壤基质对樟子松Pinus sylvestris var. mongolica苗木质量指标的影响不明显。邱琼等^[22]研究表明：土壤基质对山桂花Paramichelia baillonii容器苗质量无显著影响，不同基质处理下苗木的根生物量、主根长、侧根数等苗木质量指标之间均无显著差异。而本研究在土壤基质一致的情况下，发现各施肥处理下的生物量、苗木质量均大于对照，说明施肥是提高苗木质量，促进苗木生长的有效途径之一。

施肥处理后苗木体内的养分累积有助于提高苗木的抗性和竞争力，从而提高造林成功的可能性^[23]。本研究发现：云南松苗木氮磷钾元素主要储存在叶内，总体上养分储量从大到小依次为叶、茎、根。这与王光如等^[24]、刘广路等^[25]的研究结果类似。植物各器官基本的生理需求不同，组织结构功能的分化导致氮磷钾储量的差异^[26]。植物的叶片是植物的同化器官，也是重要的养分储存器官，而茎作为植物养分的输送通道，较少储存养分，进而导致植物叶的氮磷储量高于茎^[27]。本研究发现：不同施肥处理的各器官及单株氮磷钾储量总体上均高于对照，说明施肥对苗木养分积累起到明显促进作用。王益明等^[28]对山核桃Carya cathayensis幼苗进行施肥研究表明：苗木各器官的氮积累量均显著高于对照组，常笑超等^[29]对毛白杨Populus tomentosa的苗木施肥研究也得出：硝态氮能显著促进毛白杨的养分积累，可见氮磷添加促进了植物对营养元素的吸收^[30]。在N₁P₁处理下，云南松苗木器官与单株储量总体最大，说明氮磷配施处理对养分积累的促进效果最佳。同时，也表明在适宜的施肥范围内，各项生长指标随施肥量的增加而增长，而超过一定的施肥量范围，则会抑制苗木生长。

营养元素在不同器官的分配是遗传差异与环境共同作用的结果，植物器官结构和功能差异影响到氮磷钾等营养元素在植物体内的分配^[31]，而养分元素在不同器官的合理分配是植物对外界环境变化响应与适应的重要机制。对于植物来说，叶及根分别是地上和地下的主要营养器官，茎则是植物各种物质的转运器官，叶、根与茎将植物的地上和地下部分联系起来^[32]。本研究发现：苗木分配给叶的营养元素最多，其次为茎，分配给根的较少，这与王维奇等^[33]的研究结果相似。这阐释了资源在各功能器官之间的分配权衡，将更多的营养物质分配给叶和茎，以保证物质充分生产维持苗木正常生长，同时增强苗木对资源以及空间的竞争能力^[34]。施肥会使植物的养分分配格局发生改变，影响幼苗的养分平衡。施侃侃等^[35]对红花玉兰Magnolia wufengensis幼苗养分分配格局研究发现：不同的氮磷钾配施会改变红花玉兰幼苗各营养器官内养分的分配。常云妮等^[36]对华润楠Machilus chinensis苗木养分分配格局研究发现：氮添加改变了氮磷在各器官中的分配比例。本研究也得到类似的结论，即施肥改变了苗木各器官的营养元素分配格局，增大了对根和茎的养分分配，减小了对叶的养分分配。根系是植物吸收水分和养分的主要器官，担负着供给地上部分养分的任务^[37]。当苗木生存的养分环境改变时，将更多的资源分配到根和茎，以扩大营养吸收范围，获取更多的水分、养分资源及增强对空间的竞争。同时，在根充分吸收养分和生长后，又可为相对较小的地上部分生长提供所需要的营养与能量，加大对环境资源的分享。这样不仅使有限的环境资源得到最大化的利用，也保证个体的存活与个体的生长，减少营养缺失对云南松幼苗生长的限制，增大了对不良环境的抵抗能力。因此，根系高比例的养分投资是云南松苗木的生态对策之一。

构建苗木养分指标与肥料用量的回归方程发现：氮磷配施的效果优于单施氮肥，单施氮肥的效果优于单施磷肥。林婉奇等^[11]对樟树幼苗进行施肥发现：氮磷配施对幼苗生长的促进效果最好。刘斌等^[38]对九连山次生阔叶林幼苗生长进行施肥发现：与对照相比，氮磷配施对苗木的冠幅增长率促进效果最佳，氮添加次之，磷添加抑制幼苗生长，这与本研究结果类似。根据回归方程求得2年生云南松苗木适宜的氮磷施用量分别为氮0.42~0.65 g·株⁻¹，磷0.66~1.01 g·株⁻¹，适宜的氮磷配比为1.00∶1.15~1.00∶2.13。从苗木的质量、生物量及养分积累量考虑，N₁P₁处理为本研究最优氮磷配施组合。