CN113424739A - 一种水肥耦合对栓皮栎生长的调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水肥耦合对栓皮栎生长的调控方法。通过分析不同土壤水分(W)、施氮量(N)、施磷量(P)、施钾量(K)对栓皮栎苗木的生长指标、生物量指标、养分积累及分配指标的影响，并建立相关模型进行多目标决策分析，得出：田间最大持水量79.81％、氮肥220.78mg·株^‑1、磷肥43.30mg·株^‑1和钾肥19.96mg·株^‑1，为适宜栓皮栎生长的最佳水肥组合，可以用于更好的培育珍贵树种栓皮栎苗木、节约肥水。

Description

一种水肥耦合对栓皮栎生长的调控方法

技术领域

本发明属于栓皮栎生长技术领域，尤其涉及一种水肥耦合对栓皮栎生长的调控方法。

背景技术

栓皮栎属壳斗科栎属植物，栓皮栎主根发达，适应范围广，是生产木材、软木、栲胶、薪炭、食用菌等的主要原料，也是发展燃料乙醇重要的“非粮”原料，在国际市场的地位仅次于栓皮槠(Quercus suber)，是我国软木的主要来源，在发展地方经济、保护生态平衡等方面有着巨大的作用。栓皮栎在天然林中种群更新困难，种子萌发率低，结实大小年明显，育苗成活率低、苗木质量不高。因此开展集约化、科学化的种苗培育对提高栓皮栎苗木质量和造林成活率具有重大意义。

水和肥是半干旱区农作物和林业苗木生长的两大限制因子，在水分缺乏的条件下营养亏缺对植物生长不利。灌溉和施肥可以满足树木对水分和养分的需求，单纯灌溉或施肥不能大幅改善林木状况。试验表明，采取合理的水肥组合，可以显著改善苗木的营养状况，促进器官生长和提早开花结实。不同水肥耦合对作物产量及植物的生物量有显著影响，氮肥与土壤水分、磷肥、钾肥等养分之间存在着耦合效应，肥料对生物量的作用在很大程度上受水因子的影响，不同的水肥配合的生物量积累情况不同。在用材林的苗木培育阶段，土壤水分和养分能够在很大程度上影响苗木的生长，合理利用水肥，能够提高苗木对水分和养分的利用效率，这是保证苗木质量，提高造林成活率的关键措施。粗放的经营方式造成资源的极大浪费，苗木质量得不到保障，深入开展栓皮栎苗木水肥需求规律的研究工作，建立科学合理的栓皮栎苗期水肥管理制度，对节约资源、保护环境、提高栓皮栎苗木质量，发展栓皮栎珍贵优质用材林具有重要作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种水肥耦合对栓皮栎生长的调控方法，本发明旨在探索水肥双因子的交互作用，找到合理的水肥耦合模式，达到以肥调水、以水促肥，发挥水肥耦合的协同作用。

本发明是这样实现的，一种水肥耦合对栓皮栎生长的调控方法包括：

一种水肥耦合对栓皮栎生长的调控方法，其特征在于，所述水肥耦合对栓皮栎生长的调控方法包括：利用不同水分管理模式和不同肥料处理方式对栓皮栎水分利用率和肥料利用率进行统计计算，获取节水、节肥方案；

调节水肥耦合方式对栓皮栎生长发育进行调控；

统计不同的水分处理、肥料处理对栓皮栎的苗高、地径、可溶性糖、可溶性淀粉、可溶性蛋白的影响，以及生物量积累对水肥耦合的响应规律，得到栓皮栎生长与不同肥水处理的相关关系；

利用水肥互作机理，优化水肥协调综合管理方式。

在一个实施方案中，采用Microsoft Excel和SPSS进行数据记录和整理，采用Design Expert 8.0.6、Matlab2018、Originpro 9.1进行试验设计、模型建立、回归系数显著性检验和图表制作，栓皮栎生长与不同肥水处理的相互关系的公式为

y＝b₀+b₁x₁+b₂x₂+b₃x₃+b₄x₄+b₁b₂x₁x₂+b₁b₃x₁x₃+b₁b₄x₁x₄+b₂b₃x₂x₃ +b₂b₄x₂x₄+b₃b₄x₃x₄+b₁₁x₁ ²+b₂₂x₂ ²+b₃₃x₃ ²+b₄₄x₄ ²

式中：

y——响应变量；

x₁——土壤水分(W)水平编码值；

x₂——施氮量(N)水平编码值；

x₃——施磷量(P)水平编码值；

x₄——施钾量(K)水平编码值；

b——模型的回归系数。

由于各因素水平已经过无量纲线性编码代换，偏回归系数已经标准化，故直接比较其系数绝对值的大小，可以判断各因素对响应变量的影响效应程度，正负号表示各因素对变量的影响方向。

在一个实施方案中，采用TDR便携式土壤水分测定仪测量土壤水分含量，同时结合称重法进行校正；每隔3d对土壤含水量进行测定，得到体积含水量，根据土壤容重换算得到质量含水量；所述水分管理模式的计算公式如下：灌水量(mL)＝[(田间持水量－土壤含水量) /容重]×盆土质量/水的密度。

在一个实施方案中，所述施肥的施用方法为N肥于5月底到7月底，每7天施N肥1次，共10次，P、K肥于5月底到7月底，每15天施一次，共5次。此期间为栓皮栎苗木的速生期，一次性大量施肥会造成肥料损失，而水溶肥少量多施符合植物根系不间断吸收养分的特点。因此，施肥采用随水施肥，即将肥料溶于所补充的水分中一起施入。

在一个实施方案中，根据其生长情况确定了苗木的最适水肥投入量，多目标决策模型优化结果分析最优水肥组合为：田间最大持水量的79.81％、氮肥220.78mg·株^-1、磷肥43.30mg·株^-1和钾肥19.96mg·株^-1。

探究水肥耦合对栓皮栎苗期生长发育的影响规律，比较不同处理下栓皮栎幼苗生长、生物量、叶片等生长指标的差异，从而确定其最佳施肥和灌水范围。比较不同水肥处理下，栓皮栎幼苗光合指标，叶绿素荧光指标和生理生化指标的差异，从而分析其在水肥耦合下的生理响应，为栓皮栎苗木建立精准灌溉施肥制度。

本发明以采集的栓皮栎种子为试验材料，于4月份在中国林科院温室进行育苗，待5月底出苗整齐后选择长势一致的苗木进行控水施肥处理。试验设计采用四因素五水平二次通用旋转组合设计，N肥为尿素，P肥为NaH₂PO₄，K肥为K₂SO4。采用TDR土壤水分速测仪，同时结合称重法对基质含水量进行控制，及时灌水。

结果表明，土壤水分和氮肥显著影响栓皮栎苗木生长，而土壤水分是限制苗木生长最主要的原因。氮、磷、钾对栓皮栎的生长量有最适投入量，随着施肥量的增加，苗木的生长量和生物量都逐渐增加，当达到最适投入量时，生长量和生物量达到最大，再加大投入量就会抑制苗木的生长。较高的水分和氮肥会促进苗木吸收磷、钾肥，而较低的水分和氮肥条件下施加较高的磷、钾肥对苗木产生毒害作用。

根据其生长情况确定了苗木的最适水肥投入量，多目标决策模型优化结果分析最优水肥组合为：田间最大持水量的79.81％、氮肥220.78mg·株^-1、磷肥43.30mg·株^-1和低钾肥19.96 mg·株^-1。

本发明还深入分析了苗木对水肥耦合效应的生理响应，适当的水肥配比对栓皮栎苗木的生理指标有较大影响，土壤水分、氮肥、磷肥对苗木叶片非结构性碳水化合物、可溶性蛋白有显著的正向效应。对苗木养分分配的研究发现，叶片中的N元素浓度最高，其次为根和枝，而适当的水肥配比可以提高植物对养分的吸收能力，养分的储存对于苗木越冬及来年生长具有重要作用。较高的水分和施肥量的处理苗木养分浓度较高，这些处理对应苗木的生长情况也较好。对叶片碳、氮同位素的研究发现，低土壤水分、高氮肥处理的苗木叶片δ13C相对较高，而高土壤水分、高氮肥处理的苗木叶片δ15N相对较高。氮浓度、δ15N与生长指标呈极显著正相关，表明苗木对氮肥的吸收利用效率较高，氮浓度为主要影响栓皮栎苗木生长的营养元素。本发明指出，在不同的水肥配比处理下，栓皮栎苗木的生长及生物量、生理响应规律、养分积累情况规律有所不同，各水肥因素对生长和生理指标的影响效应不同。当土壤水分含量和氮肥较高的时候，会促进苗木对于其他营养元素的吸收，否则，苗木吸收的其他营养元素还会对苗木造成伤害。总体来说，在栓皮栎苗木生长初期，要保证苗木有充足的水分供应，其次是有足够量的氮肥。

附图说明

图1为本发明实施例提供的栓皮栎苗期的苗高、地径生长动态图；

图2为本发明实施例提供的土壤水分、施氮量、施磷量和施钾量对栓皮栎苗高、地径、单株叶面积的影响；

图3为本发明实施例提供的水肥耦合对栓皮栎苗木苗高、地径和单株叶面积的影响；

图4为本发明实施例提供的水肥耦合对栓皮栎苗木叶干重、枝干重和根干重的影响；

图5为本发明实施例提供的水肥耦合对栓皮栎苗木生物量的影响；

图6为本发明实施例提供的不同处理栓皮栎苗木各器官的N、P、K浓度分配情况；

图7为本发明实施例提供的水肥耦合效应对栓皮栎幼苗叶片N、P、K浓度的影响。

表3本发明实施例提供的栓皮栎各处理苗木生物量积累情况

表4本发明实施例提供的栓皮栎各处理苗木可溶性糖、淀粉、蛋白积累情况

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对目前栓皮栎水肥耦合研究有许多方面亟需研究的现状，本发明以栓皮栎当年生播种苗为材料，设置了水、氮、磷、钾的交互试验，测定各处理栓皮栎苗木的生长指标、生物量指标、叶片光合及荧光参数、养分积累及分配指标，并建立相关模型分析水肥耦合效应对栓皮栎苗木生长的影响，得出适宜栓皮栎生长的最佳水肥组合，实现节水、省肥、提高水肥利用率和利用效率的目的。

进一步地，调控调节水肥耦合方式对栓皮栎苗木生长的影响中，采用四因素五水平二次回归通用旋转组合设计(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。因素x₁为基质含水量，因素x₂为N(尿素)施用量，因素x₃为P(NaH2PO4)施用量，因素x₄为K(K2SO4)。根据前期研究，每个因素设置5个梯度。每个处理设置10个样木，重复3次，共计900株样木。

表1试验因素和水平编码值

表2试验结构矩阵

下面结合附图对本发明作详细的说明。

1.试验基本情况

栓皮栎种子采收于河南省林州市，太行山脉北坡山(36°00′N，113°73′E)。采种地属暖温带大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。林州年平均气温12.8℃，年降水量672.1 mm，年日照时间2251.6小时，平均无霜期192天，最热月(7月)平均温度25.8℃，最冷月(1月)平均温度-2.5℃。

试验在中国林业科学研究院科研温室中进行(40°0′10"N，116°14′38"E)，海拔61m，平均温度为24℃，夜间温度不低于10℃，白天温度不高于30℃，试验期间光照强度为200～1000 μmol m^-1s^-1，湿度为60％～70％。

2.试验设计

2.1供试材料

试验材料为栓皮栎(Q.variabilis)当年生播种苗。2017年9月，在采种地选取50株栓皮栎健康母树，母树间距不小于20m，采集一定数量无破损、健康的种子用60℃温水持续浸泡2h进行杀虫后，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贮存。2018 年4月挑选已经发芽的栓皮栎种子断根并播种，种子播在花盆(内径10cm，高20cm)内，培养基质为泥炭土：珍珠岩＝5：3。基质容重为0.28，田间持水量18.5％，pH＝6.05，速效氮74.67mg·kg^-1，速效磷27.17mg·k^-1，速效钾11.63mg·kg^-1。

种子播种后统一上方喷灌，每天1次，使基质保持湿润，直至出苗整齐。出苗后每隔1 周喷洒浓度为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16.8cm和2.09mm。肥料选用氮肥(尿素H₂NCONH₂含N46％)、磷肥(NaH₂PO₄含P26％)、钾肥(K₂SO₄含K50％)。

2.2试验设计

试验采用四因素五水平二次回归通用旋转组合设计(RCCD)，共30个处理。各试验因素和水平编码值见表2-1，试验结构矩阵见表2-2。因素x₁为基质含水量，因素x₂为N(尿素)施用量，因素x₃为P(NaH₂PO₄)施用量，因素x₄为K(K₂SO₄)。根据前期研究，每个因素设置5个梯度。每个处理设置10个样木，重复3次，共计900株样木。

N素设定为0～300mg·株^-1·年^-1(0，75，150，225，300mg·株^-1·年^-1)，对应的尿素含量为(0，160.7，321.4，482.1，642.9mg·株^-1·年^-1)。

P素设定为0～60mg·株^-1·年^-1(0，15，30，45，60mg·株^-1·年^-1)，对应的NaH₂PO₄含量为(0，58.1，116.1，174.2，232.3mg·株^-1·年^-1)；K素为0～60mg·株^-1·年^-1(0，15，30，45， 60mg·株^-1·年^-1)，对应的K₂SO₄含量为(0，33.5，66.9，100.4，133.9mg·株^-1·年^-1)。

土壤水分含量(占最大田间持水量的比例±5％)，水分控制梯度如表2-1。试验开始后采用称重法进行水分控制，同时结合TDR便携式土壤水分测定仪进行校正。每隔3d对土壤含水量进行测定，得到体积含水量，根据土壤容重换算得到质量含水量。对水分含量不足试验设计的处理进行补水。

N肥于5月底到7月底，每7天施N肥1次，共10次，P、K肥于5月底到7月底，每 15天施一次，共5次(杨自立，2011)。此期间为栓皮栎苗木的速生期，一次性大量施肥会造成肥料损失，水溶肥少量多施有利于植物根系吸收养分。因此，施肥采用随水施肥，即将肥料溶于所补充的水分中一起施入。

3指标测定项目

3.1栓皮栎苗期生长指标(苗高、地径、单株叶面积)

苗高、地径：试验正式开始前，苗木基本长齐后测定一次苗高、地径数据。试验开始后每处理、每隔15天测定苗高、地径，每处理随机选取15株。

单株叶面积：10月中旬，待苗木高生长基本停止后，使用便携式叶面积仪LI-3000(LI-COR Inc.,Lincoln,NE,USA)测定单株叶面积(cm²)，每处理选择15株。

3.2生物量

生长基本停止后，将全部试验苗木的根、枝、叶分别进行收获，置于烘箱105℃杀青30min，后80℃烘干至恒重。用天平对根、枝和叶烘干样品进行称重，记录各器官干重(g)，三者之和为苗木总生物量(g)。

3.3叶片非结构性碳水化合物及可溶性蛋白测定

于10月底，苗木高生长基本停止时对苗木叶片进行取样，每处理选择3株苗木的叶片测定生理指标。可溶性蛋白采用考马亮蓝G-250染色法，可溶性糖、可溶性淀粉采用蒽酮比色法。

3.4苗木各器官养分，叶片碳、氮同位素测定

对苗木叶片烘干称重后混合均匀，选取一定量的叶片样品过100目筛，采用稳定同位素比质谱仪(DELTA-plus-XP，Thermo Fisher，美国)测定δ¹³C，δ¹⁵N值。将上述干燥粉碎的植物样品采用H₂SO₄-H₂O₂法消煮后，离心后吸取上清液，测定养分含量。氮含量采用蒸馏滴定法，磷含量采用钼蓝比色法，钾含量采用火焰光度计法。

4统计分析

采用Microsoft Excel 365和Spss 20.0进行数据记录和整理，采用DesignExpert 8.0.6、 Matlab2018、Origin Pro 9.1进行试验设计、模型建立和图表制作。

5结果与分析

5.1水肥耦合对栓皮栎苗高、地径、单株叶面积的影响

苗高：由图1-3可知，在不同生长时期栓皮栎的水肥规律有差异，它的粗生长、高生长在不同的水肥影响下，呈现出不同的季节规律性。不同处理栓皮栎苗木的苗高生长动态均为先增加后减缓的趋势。总体来看，各处理苗木苗高开始快速增长，至7月30日后，增长速率趋于平缓，到9月上旬时，所有苗木苗高生长基本停止。由此说明，栓皮栎幼苗的高生长快速增长期为5月23日～7月30日，此阶段栓皮栎生长旺盛；7月30日之后苗木高生长减缓，此阶段为栓皮栎的生长末期。

地径：由图1-3可知，栓皮栎苗木地径生长趋势，呈现出先缓慢增加，后快速增长，最后再缓慢变化的趋势。试验开始至6月底，为地径生长较缓慢的时期。6月30日至7月中旬，此阶段苗木的地径快速增长，各处理苗木地径大幅度增加。此后至9月中旬，此阶段地径增加速率较为缓慢，为地径生长的末期。9月中旬过后，地径几乎停止生长。

单株叶面积：对苗木单株叶面积的影响中，T9、T13、T17整株叶面积较小，介于245.46 cm²～259.70cm²，其中T17最小；T8、T16、T18的叶面积较大，介于426.75cm²～445.03cm²，其中T16叶面积最大。总体而言，较高土壤水分含量(W＞70％FC)、氮肥(N＞150mg)情况下，苗木的单株叶面积较大；较低土壤水分含量(W＜50％FC)、氮肥(N＜75mg)，苗木整株叶面积较小。在较高水分和氮肥下，单株叶面积数值较大，但不同水肥配比对各指标的影响也有一定差异。

5.2水肥耦合对苗木生物量积累和分配的影响

由表3、图4-5可知，各处理苗木生物量间存在显著差异。其中T13(W50％FC，N75mg， P45 mg，K45 mg)、T17、T9、T5(W50％FC，N75 mg，P15 mg，K45 mg)生长情况较差，叶、枝、根的干重均较低，叶干重介于1.41g～1.59g、枝干重介于0.84g～1.13g、根干重介于 2.60g～3.48g，总生物量介于4.85g～6.47g之间，其中T17生长情况最差，由此可见苗期水分缺乏可严重抑制苗木的生长。总得来说，与苗高、地径相似，较高的土壤水分含量(W＞ 70％FC)和施氮量(N＞150mg)对苗木生物量有促进作用，较低的土壤水分含量(W＜50％ FC)和施氮量(N＜75mg)会抑制苗木生物量积累。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。

表3栓皮栎各处理苗木生物量积累情况

5.3水肥耦合对栓皮栎非碳水化合物及可溶性蛋白的影响

树木光合产物的主要储存形式包括结构性碳水化合物和非结构性碳水化合物。非结构性碳水化合物包括可溶性糖、可溶性淀粉，这些物质既能维持细胞代谢、渗透调节，也能促进植物组织生长。土壤水分和养分可以显著影响树木的光合作用，进而影响可溶性糖和可溶性淀粉。可溶性糖、淀粉在植物渗透调节过程中必不可少，并且可以维持植物蛋白的稳定。可溶性蛋白是一种代谢酶类，在植物体内参与各种代谢，是鉴定植物是否产生了抗性基因的最直观指标。

由表4可知，苗期栓皮栎可溶性糖含量的变化范围为23.38mg·g-1～43.85mg·g-1，在较高水分和较高氮肥的条件下，以及一定水肥配比的条件下，苗木叶片的可溶性糖含量较高。可溶性淀粉与可溶性糖含量的变化趋势较一致，水肥充足时植株可溶性淀粉含量较高，抗性较强，土壤水分含量较低时，可溶性淀粉含量也较低。苗期栓皮栎叶片可溶性蛋白含量的变化范围为6.08mg·g-1～11.06mg·g-1。栓皮栎叶片的可溶性蛋白含量随着水分、磷肥、氮肥添加量的增加呈现逐渐升高的趋势，这与可溶性糖和可溶性淀粉的变化趋势一致。

表4栓皮栎各处理苗木可溶性糖、淀粉、蛋白积累情况

5.4水肥耦合对栓皮栎苗木养分积累和分配的影响

由图6-7可知，植物体内各器官养分含量对植物的生长发育具有极其重要的意义，氮、磷、钾三大营养元素的供应状况能够直接影响植物生长发育及作物产量，尤其叶片中养分含量的变化能较灵敏地反应施肥的有效性和植物生长对施肥的反应，其与作物的产量也有较为密切的关系。从图3可以看出，不同处理苗木的养分浓度存在较大差异，整体K浓度＞N浓度＞P浓度，其中N元素浓度为叶＞根＞枝，K元素浓度为叶＞根＞枝，P元素浓度为叶与根浓度相近、枝的浓度最小。因此，在水肥耦合条件下，栓皮栎苗木整体K浓度最高，而P 浓度最低，且元素在分配时，枝所含的营养元素最少，而叶片中所含的营养元素较多。

综上，土壤水分和氮肥显著影响栓皮栎苗木生长，而土壤水分是限制苗木生长最主要的原因。氮、磷、钾对栓皮栎的生长量有最适投入量，随着施肥量的增加，苗木的生长量和生物量都逐渐增加，当达到最适投入量时，生长量和生物量达到最大，再加大投入量就会抑制苗木的生长。较高的水分和氮肥会促进苗木吸收磷、钾肥，而较低的水分和氮肥条件下施加较高的磷、钾肥对苗木产生毒害作用。根据其生长情况确定了苗木的最适水肥投入量，多目标决策模型优化结果分析最优水肥组合为：田间最大持水量的79.81％，氮肥220.78mg·株^-1，磷肥43.30mg·株^-1，低钾肥19.96mg·株^-1。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水肥耦合对栓皮栎生长的调控方法，其特征在于，所述水肥耦合对栓皮栎生长的调控方法包括：利用不同水分管理模式和不同肥料处理方式对栓皮栎水分利用率和肥料利用率进行统计计算，获取节水、节肥方案；

调节水肥耦合方式对栓皮栎生长发育进行调控；

统计不同的水分处理、肥料处理对栓皮栎的苗高、地径、可溶性糖、可溶性淀粉、可溶性蛋白的影响，以及生物量积累对水肥耦合的响应规律，得到栓皮栎生长与不同肥水处理的相关关系；

利用水肥互作机理，优化水肥协调综合管理方式。

2.根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，所述栓皮栎生长与不同肥水处理的相互关系的公式为

y＝b₀+b₁x₁+b₂x₂+b₃x₃+b₄x₄+b₁b₂x₁x₂+b₁b₃x₁x₃+b₁b₄x₁x₄+b₂b₃x₂x₃+b₂b₄x₂x₄+b₃b₄x₃x₄+b₁₁x₁ ²+b₂₂x₂ ²+b₃₃x₃ ²+b₄₄x₄ ²

式中：

y——响应变量；

x₁——土壤水分(W)水平编码值；

x₂——施氮量(N)水平编码值；

x₃——施磷量(P)水平编码值；

x₄——施钾量(K)水平编码值；

b——模型的回归系数。

3.根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，所述水分管理模式的计算公式如下：水分量(mL)＝[(田间持水量－土壤含水量)/容重]×盆土质量/水的密度。

4.根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，所述施肥的施用方法为N肥于5月底到7月底，每7天施N肥1次，共10次，P、K肥于5月底到7月底，每15天施一次，共5次。

5.根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，所述水肥的组合为田间最大持水量79.81％、氮肥220.78mg·株^-1、磷肥43.30mg·株^-1和钾肥19.96mg·株^-1。

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