马尾松组培苗对氮素形态的生长响应

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  摘 要:  馬尾松属高氮需求树种,然而在苗木培育中马尾松对氮素,尤其是不同形态氮素的需求尚不明确。该文以马尾松组培苗为试验材料,采用基质培养方法,针对硝态氮、铵态氮两种氮素形态均分别设置了2、4、8、16 mmol·L-1 4个处理,以不添加氮素为对照,对苗木的高径生长、根构型参数(总根长、总表面积、总体积、平均直径和根尖数)以及生物量的变化进行了分析。结果表明:(1)在2~8 mmol·L-1硝态氮处理下,除根冠比外,苗高、地径、根构型参数、生物量均不低于对照,其中以2 mmol·L-1水平下苗木生长效果最好,苗高、地径、根构型参数、生物量均高于对照;在16 mmol·L-1硝态氮处理下,苗高、总根长与根尖数低于对照。(2)在2~16 mmol·L-1供试范围内,铵态氮处理下的苗木根冠比小于对照,但其苗高、地径、根构型参数、生物量均不低于对照,整体上以4 mmol·L-1处理下的苗木生长表现最佳。(3)在任一供氮水平,除根冠比和2 mmol·L-1处理下的根总表面积与根尖数在两种氮素形态间无明显差异外,铵态氮处理下的苗木生长情况显著优于硝态氮处理,这说明马尾松组培苗偏好于吸收和利用铵态氮。综上结果表明,外施硝态氮、铵态氮均能促进马尾松组培苗生长,但需控制在适宜浓度范围内,其中以2 mmol·L-1硝态氮和4 mmol·L-1铵态氮处理效果较佳。高浓度硝态氮会抑制苗木高度及根系发育,且在相同施肥水平下,对苗木生长的促进效果大多弱于铵态氮。因此,今后为达到培育优质壮苗和提高肥效、减少肥害的目的,可考虑使用铵态氮肥。
  关键词: 马尾松, 组培苗, 氮素形态, 氮素水平, 苗木生长
  中图分类号:  Q945; S722.8
  文献标识码:  A
  文章编号:  1000-3142(2021)06-0922-08
  收稿日期:  2020-01-14
  基金项目:  广西科技计划项目(2017GXNSFAA198037,桂科AD17195078,2018GXNSFDA281020,桂科AA17204087-1);国家自然科学基金(31960311,31360178);广西林业科技项目(桂林科字 [2016]第13号)  [Supported by Science and Technology Plan of Guangxi (2017GXNSFAA198037, AD17195078, 2018GXNSFDA281020, AA17204087-1); the National Natural Science Foundation of China (31960311, 31360178); Science and Technology Project of Guangxi Forestry Bureau ( [2016]13) ]。
  作者简介: 王胤(1978-),硕士,高级工程师,主要从事森林培育研究,(E-mail)yinvvang@163.com。
  *通信作者:  姚瑞玲,博士,研究员,主要从事林木生理及松树组培快繁技术研究,(E-mail)jullyudi@163.com。
  Growth responses of tissue cultured seedlings in Pinus massoniana  to nitrogen forms
  WANG Yin, YAO Ruiling*
  ( Guangxi Forestry Research Institute, Nanning 530002, China )
  Abstract:
  Nitrogen (N) directly affects Pinus massoniana  seedling growth, but the nitrogen demand, especially different nitrgen forms of nitrogen demand are not clear until now. In this study, four N levels, i.e. 2, 4, 8 and 16 mmol·L-1 were respectively set for each of two N forms (nitrate N, NO3--N; ammonium N, NH4+-N), and no N supply was used as the control using the matrix culture method. Variations for growth of plant height and basal diameter, root configuration parameters (RC), including total root length, total surface area, total volume, average diameter and the total number of root tip), and biomass of tissue cultured seedlings of P. massoniana were investigated exposed to N treatments. The results were as follows: (1) Under the treatment of 2 to 8 mmol·L-1 NO3--N, plant height (H), basal diameter (D), RC and biomass (B) were not lower than that under the control except for ratios of root to shoot biomass (RRS), and the best growth performance of seedlings was observed at the 2 mmol·L-1, where H, D, RC and B were higher than that at the control. However, H, total root length (RL) and number of root tips (NR) were lower under the treatment of 16 mmol·L-1 NO3--N compared with the control. (2) In the range of 2 to 16 mmol·L-1 tested levels, NH4+-N supply caused the reduced RRS, while H, D, RC and B were not decreased in comparison to the control without NH4+-N addition. In general, the optimal growth results were investigated at the 4 mmol·L-1 of NH4+-N. (3) There was no significant differences in RRS between NO3--N and NH4+-N within a N supply level, while the growth of seedlings was better under NH4+-N treatment than that under NO3--N treatment, except for the observed similar values of total root surface area (RS) and NR between NO3--N and NH4+-N treatments at 2 mmol·L-1 level. This indicated that P. massoniana preferred to absorb and utilize NH4+-N. In summary, it was initially concluded that the application of exogenous NO3-N and NH4+-N were all able to promote growth of tissue cultured seedlings in P. massoniana on the assumption of controlling the applied concentration of N at optimal level. The best promotive effects of N on seedling growth were found at 2 mmol·L-1 level of NO3--N and 4 mmol·L-1 level of NH4+-N, respectively. High supply level of NO3--N was prohibitive to the development of shoot and root. Furthermore, the promotive effect of NO3--N to seedling growth was weaker in contrast with that of NH4+-N in the case of equal fertilization level. Hence, the application of NH4+-N fertilizer should be considered in the future cultivation of P. massoniana seedlings.   Key words: Pinus massoniana, tissue cultured seedlings, nitrogen forms, nitrogen levels, seedling growth
  马尾松(Pinus massoniana)属松科(Pinaceae)松属(Pinus Linn),广泛分布于秦岭、淮河以南,是我国南方生态建设和脂材两用的主要造林树种,其利用价值高,用途广泛,推广应用前景广阔(周政贤,2000)。马尾松育种周期长,加之近年来种子园母树老化,良种匮乏,林分遗传分化差异大,人工林生产力整体不高,行业竞争力弱,限制了当前马尾松产业的发展(姚瑞玲和王胤,2015)。良种壮苗是实现速生、丰产、优质、高抗人工林高效集约经营的前提与保障(丁贵杰等,2005)。利用无性快繁技术进行良种产业化,是推动马尾松产业快速发展的有效途径。在前期研究中,姚瑞玲和王胤(2015)以马尾松优良种质为繁殖材料,通过组培快繁技术,实现了马尾松组培苗的生产与应用。受培育苗木质量、育苗周期等影响,育苗成本偏高,这些阻碍了马尾松组培育苗工厂化进程,而通过科学施肥提高苗木质量,是解决上述问题的关键。
  氮在植物光合、呼吸,以及氨基酸、蛋白质的生物合成等生理代谢活动中起重要作用,是植物生长发育过程中必不可少的重要元素(陶爽等,2017)。植物生长对氮的需求较大,调控氮素供给量可对植物生长、叶片形态、根系构型和生物量分配产生不同程度的影响(Niinemets et al., 2002;崔纪菡等,2017)。自然界中的氮素分为有机氮和无机氮,其中可供植物吸收利用的无机氮主要以硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)两种形态存在。植物品种不同,对不同氮素形态吸收利用的选择性和偏好性也不同(崔雪梅等,2015;史婵等,2016)。马尾松属高氮需求树种,从以往有关马尾松施肥方面的报道来看,大多侧重于施肥技术对马尾松生长的影响(秦国峰等,2000;卢立华等,2004;谌红辉等,2012;杨石清,1996;曾嬿冰,2016),且施用氮肥多以尿素为主,而有关苗木培育中马尾松对不同形态氮素的选择与偏好性尚不明确。鉴于此,本文以国家级马尾松优良地理种源桐棉松为研究对象,以通过优树茎芽离体组培技术繁育的组培苗为试验材料,研究不同氮素形态(NO3--N、NH4+-N)对马尾松苗木生长、根构型参数、生物量积累等方面的影响,以期揭示马尾松组培苗生长对不同形态氮素的吸收利用特征,为马尾松良种壮苗的标准化、规模化培育以及科学施肥提供依据。
  1 材料与方法
  1.1 材料
  在广西壮族自治区国有派阳山林场桐棉松优良林分内,按优势木对比法选择生长良好、干形通直、无病虫害的优良单株,采集当年新抽芽条回苗圃进行嫁接。嫁接成活后,截顶促萌,取半木质化嫩茎为外植体,按Wang & Yao (2017)的方法进行组培苗培育。待生根瓶苗在自然条件下炼苗2周后,移入装有蛭石和珍珠岩按1∶1(体积比)配制的基质、规格为4 cm × 6 cm的无纺布育苗袋中培育1个月。于2018年6月选择生长情况和培育时间基本一致的组培苗,轻轻剥去育苗袋,用去离子水冲洗干净根部基质后,移植入规格为10 cm × 15 cm大无纺布育苗袋,育苗袋中基质同前。待苗木完全恢复生长,于2018年8月开始试验。
  1.2 试验设计
  试验在广西壮族自治区林业科学研究院生物所苗圃进行,采用完全随机区组设计。根据不同氮素形态(NO3--N、NH4+-N)分别设置2、4、8、16 mmol·L-1 4個供氮水平,以不添加氮素(0 mmol·L-1)的营养液为对照(CK),每个处理6株苗木,重复3次。浇灌营养液采用改良Hoagland配方配制,其中,NO3-由Ca(NO3)2提供,NH4+ 由(NH4)2SO4提供;K+由KH2PO4和K2SO4提供;PO43-由KH2PO4提供;Ca2+由CaCl2提供;Mg2+由MgSO4提供。pH值调到5.5左右,为防止NH4+硝化,在NH4+处理的营养液中加入7 μmol·L-1的硝化抑制剂(C2H4N4)。每隔15 d浇灌1次营养液,每株苗木浇灌150 mL。整个试验期到2018年12月结束,共浇灌营养液10次。试验期内除施肥外,苗木其余管理与常规生产相同。
  1.3 指标及测定方法
  用直尺测量苗高;游标卡尺测量地径;沿基质表面剪取苗木地上部分称取鲜重;用水浸泡和冲洗干净育苗袋中基质获得苗木根系,用吸水纸和纱布吸干根系表面水分后称量根系鲜重。利用Microtek ScanMaker 9700XL扫描仪获取根系图像,同时用万深LA-S植物根系分析系统对总根长、总表面积、总体积、平均直径和根尖数进行定量分析。将苗木地上部分和根系分别装入信封,放入105 ℃烘箱中杀青30 min后,在75 ℃下持续烘干48 h至恒重,分别称量地上部分和根系干重。根冠比为根系干重与地上部分干重之商。
  1.4 数据处理分析
  利用WPS软件进行数据整理和作图,采用IBM SPSS Statistics 25分析软件对测定数据进行方差分析,差异显著性采用t-test 和Duncan’s test(P<0.05)进行检验。
  2 结果与分析
  2.1 氮素形态对苗木高径生长的影响
  从图1:A可以看出,与对照(CK)相比,外施2~8 mmol·L-1硝态氮,苗高生长量显著提升,而在16 mmol·L-1硝态氮处理下苗高无明显变化;在2~16 mmol·L-1铵态氮处理下苗高均大于CK,其中以4 mmol·L-1铵态氮处理下的苗木最高。从氮素形态对苗高生长的影响来看,在任一供氮水平下,铵态氮处理下的苗高均大于硝态氮。这说明,相较硝态氮,施用铵态氮对苗高生长的促进效果更为明显。   N素形态对苗木地径生长量影响差异显著(图1:B)。与CK相比,2 mmol·L-1硝态氮处理下苗木地径明显增加,4~16 mmol·L-1硝态氮处理下地径无明显变化,而在2~16 mmol·L-1铵态氮处理下,苗木地径较对照增加了33.8%~44.6%。从N素形态对地径影响来看,任一供氮水平仍以铵态氮处理下苗木地径值大。综合苗高生长变化结果来看,外施硝态氮、铵态氮水平分别以2 mmol·L-1和4 mmol·L-1为宜,且铵态氮的效果优于硝态氮。
  2.2 氮素形态对苗木根构型的影响
  通过外施硝态氮、铵态氮肥试验观察,结果表明苗木根系的总长度、总表面积、总体积、根尖数及平均直径等根构型参数均以低供氮水平处理下较为理想。其中,在硝态氮处理下,以2 mmol·L-1处理的根构型参数值最大,而在铵态氮处理下,以4 mmol·L-1处理的根构型参数值最优(表1)。与CK相比,供试氮素水平为2~16 mmol·L-1范围内,铵态氮处理下根构型参数值均不低于对照,但在16 mmol·L-1硝态氮处理下,总根长、根尖数较对照分别降低了23.6%和7.3%。这说明,高浓度硝态氮对苗木根系发育具有抑制性。在相同供氮水平(除2 mmol·L-1处理外)下,两种氮素形态处理间根总表面积和根尖数无明显差异外;在4~16 mmol·L-1处理下,铵态氮处理的苗木根构型参数值均大于硝态氮处理。这说明铵态氮对促进马尾松组培苗根系生长发育更为有利。
  2.3 氮素形态对苗木生物量的影响
  与未施氮对照处理相比,外施硝态氮、铵态氮肥后,苗木地上生物量、根系生物量、總生物量以及根冠比均发生了明显的变化(表2,图2)。从硝态氮处理来看,苗木地上、根系及总的生物量在2~8 mmol·L-1浓度范围内均大于对照,在16 mmol·L-1水平时无明显变化,而根冠比在2~16 mmol·L-1供试范围内均小于对照。在2~16 mmol·L-1范围内,铵态氮处理下的苗木根冠比低于对照,而苗木地上生物量、根系生物量及总生物量均大于对照。从施用的最适浓度来看,硝态氮、铵态氮分别为2 mmol·L-1和4 mmol·L-1。根据两种氮素形态间生物量差异分析结果可以看出,苗木地上生物量、根系生物量及总生物量均以铵态氮处理下的大,而两者间根冠比无明显差异。这些结果表明,外施硝态氮、铵态氮能有效促进苗木生物量,尤其是地上生物量的累积,且以铵态氮的效果较为明显。
  3 讨论与结论
  3.1 氮素形态对马尾松组培苗高径生长的影响
  植物对氮素的需求量要高于磷和钾等元素,氮的可利用性对于提高植物的生产力具有决定性作用。自然界中氮素的利用效率主要由其在土壤中存在的形态所决定(Von Wien et al.,1997),由于硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)二者形态上的差异,会对植物的吸收利用和生长发育产生不同的影响(Ingestad,1979)。因此,深入研究并揭示氮素形态对植物生长的作用,对提高肥料利用效率、增加森林生产力有着重要的科学价值(张彦东和白尚斌,2003)。大量学者对氮素与植物地上部分生长的相互关系开展了研究。唐瑜等(2017)研究发现,铵态氮能显著增加草石蚕株高和茎粗生长,其效果优于硝态氮;马检和樊卫国(2016)研究表明,铵态氮比硝态氮更能促进枇杷株高和基径的生长;杜旭华和彭方仁(2010)对茶树的研究也发现类似的结果;申丽霞和王璞(2003)发现在施氮量较大的情况下,铵态氮比硝态氮更容易被小麦吸收利用。在氮素对马尾松苗木生长的影响研究中,曾嬿冰等(2016)和刘双娥等(2015)发现,当氮素添加量超过一定程度时,显著降低了马尾松苗木地径和苗高的生长。本文也得到了相似的结果。在自然条件下,当土壤中矿质营养缺乏或者有效性较低时,林木的生长发育会受到限制,及时施用相应的营养元素会对苗木的生长表现出积极的促进作用。本试验在营养缺乏的育苗基质中(CK)添加适量的硝态氮(2 mmol·L-1)、铵态氮(4 mmol·L-1)均显著促进了苗木高径生长,但氮素形态对苗木高径生长的影响显著。在2~16 mmol·L-1范围内任一供氮水平,施用铵态氮苗木的高径生长效果均优于施用硝态氮,这说明马尾松组培苗对铵态氮有明显的选择偏好性。此外,值得一提的是,在高浓度(16 mmol·L-1)硝态氮处理下,苗木高度显著低于未施氮处理,而该浓度铵态氮并未导致苗高生长量下降,这说明马尾松幼苗对硝态氮的耐受性较差。频繁或高浓度施肥引起的肥害,在育苗生产中是极为常见的。因此,今后针对肥害引起苗高生长缓慢这一问题,可考虑减少硝态氮肥的用量。
  3.2 氮素形态对马尾松组培苗根构型的影响
  根系是植物连接土壤的重要器官,其构型决定了植物从土壤中吸收水分和养分的能力。土壤中养分、水分分布不均会导致异质性(Forde & Lorenzo,2001;Hodge,2004),因此植物常通过调整根构型来提高对土壤中养分与水分的吸收能力(AL-Ghazi et al.,2003)。适当添加氮素能促进苗木根系的生长,进而增加根系与土壤的接触面积,促进对水分和养分的吸收(李生秀等,1994;王艳等,2003)。本试验通过外施硝态氮、铵态氮后,根据对总根长、总表面积、总体积、平均直径和根尖数等马尾松组培苗根构型参数的变化分析发现:(1)在最适浓度范围内两种氮素均促进了根构型参数的调整;(2)铵态氮促根效果优于硝态氮。这与氮素对马尾松组培苗高径生长的影响相同。在相同供氮水平,铵态氮对马尾松组培苗根系生长的促进效果较硝态氮更为显著,这一结果与Kou et al.(2015)对湿地松和叶义全等(2018)对杉木幼苗的研究结果一致。多数情况下,自然界中的植物在低供氮水平下会将较多的光合产物应用于形成较大根系以增加植株对氮素的获取能力(Eghball & Jerry,1993),而当氮素供应水平较高时,植物为维持地上部分和根系生长的功能平衡(邹娜等,2012),植物根系生长将受到抑制(Britto & Kronzucher,2002;赵姣姣等,2013),根构型参数降低。本研究中在16 mmol·L-1硝态氮处理下,与未施氮对照相比,苗木总根长和根尖数明显降低,而在相同水平铵态氮处理,根构型参数均无任何变化。这进一步说明,马尾松组培苗对高浓度硝态氮的耐受能力较弱,在壮苗培育中需谨慎控制硝态氮的用量。   3.3 氮素形态对马尾松组培苗生物量的影响
  氮在植物生长中起关键作用,当氮素成为限制其生长的主导因素时,外施氮素能有效促进其生物量的积累,但过高的施氮水平会导致植株生长减缓,生物量积累降低(Wang et al.,1998;刘士玲等,2019)。在本研究中,2~16 mmol·L-1供氮范围中,两种氮素形态均未导致马尾松组培苗生物量低于对照,但高浓度(8~16 mmol·L-1)施氮水平处理的生物量低于低水平(2~4 mmol·L-1)处理(NO3--N: 2 mmol·L-1;NH4+-N: 4 mmol·L-1)。在相同供氮水平,铵态氮对马尾松组培苗生物量积累促进效果仍优于硝态氮,进一步揭示了马尾松组培苗对铵态氮吸收的选择偏好性。大量研究表明,植物具有对氮素选择吸收的特性,生长于酸性土壤的植物通常喜铵态氮,来自于中性或碱性土壤的植物喜硝态氮(Stadler & Gebauer,1992;崔雪梅等,2015;史婵等,2016),多数针叶树种对铵态氮的吸收能力强于硝态氮(张彦东和白尚斌,2003)。我国马尾松分布区内土壤多为各种酸性基岩发育的酸性和微酸性土壤(周政贤,2000),较低pH的土壤会抑制土壤的硝化作用(李辉信等,2000)。因此,结合本研究结果可认为,在长期的进化过程中,马尾松形成了对铵态氮的吸收偏好,对铵态氮的吸收利用效率高于硝态氮。
  根冠比是反映植物根系与地上部分干物质积累与分配情况的重要指标。本研究中,供氮处理的马尾松组培苗根冠比均小于对照,而在同一氮素处理中,无论是铵态氮,还是硝态氮,高供氮水平(8~16 mmol·L-1)苗木根冠比均小于低供氮(2~4 mmol·L-1)水平,但氮素形態对苗木根冠比大小没有影响。结合马尾松组培苗生物量观察结果可以推测,外施2~16 mmol·L-1氮素具有促使马尾松组培苗调整地上与地下部分生长的作用,且这种作用表现为对地上部分生长的促进性大于对地下部分;同时,高水平供氮处理较低水平供氮处理的根冠比小,则暗示了高浓度氮素会导致马尾松组培苗根系生长量大幅下降。简而言之,氮素对马尾松组培苗具有“促上抑下”的作用,这有待进一步通过15N示踪法研究马尾松组培苗对氮素的吸收、利用特性来进行验证。
  综上所述,科学、合理地施用氮肥,是实现马尾松壮苗培育的关键。以铵态氮为氮源有利地促进了马尾松组培苗生长,其总体效果优于硝态氮。因此,在马尾松育苗生产实践中,可考虑施用适量的铵态氮肥料来进一步提高马尾松的育苗效率。此外,本试验中硝态氮处理起始浓度为2 mmol·L-1,试验苗木在该处理生长表现最好,马尾松组培苗是否在较低浓度硝态氮处理时会获得更好的生长效果,这有待进一步开展相关的试验研究。
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  (责任编辑 何永艳)
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