桢楠耐热性研究：土壤肥力等级与热害指数相关性分析

摘要

以重庆市永川地区国有林场内40个场地的桢楠林为研究主体,探讨土壤肥力水平与植物耐热性之间的内在联系。通过详细测定40个土壤样本的pH值、有机质(OM)、全氮(TN)、碱解氮(AN)、速效钾(AK)、总磷(TP)、有效磷(AP)以及总钾(TK)8项肥力指标,运用模糊数学中的隶属度函数模型,对土壤肥力的综合指数(IFI)进行量化评估、热害指数统计分析,并进行两者相关性和回归分析。结果表明,土壤肥力综合指数(IFI)及碱解氮(AN)、总磷(TP)、总钾(TK)与桢楠热害指数呈显著负相关,表明土壤肥力等级与桢楠耐热性正相关,高肥力土壤有利于提升桢楠耐热性,并根据土壤肥力综合指数(IFI)得出土壤肥力分级,对林场的土壤改良与桢楠栽植提出分级针对的建议,以期为永川国有林场桢楠的种植和管理提供科学的依据。

关键词:土壤肥力;植物耐热性;桢楠;相关性分析

植物生长和发育对温度环境有着严格要求,而高温环境作为一种常见的逆境因子,对农作物的产量及其品质具有显著影响。近年来,极端高温事件频繁发生,已成为限制农业生产力发展的主要障碍之一。

在高温环境下,植物会在形态结构、生理功能、生化反应以及分子机制等多个层面发生复杂的变化,这些变化会进一步影响植物的生长和发育过程,最终可能导致其产量降低和品质劣化。

土壤肥力作为土壤的固有属性和核心特征,综合体现了土壤的物理、化学和生物特性。作为影响植物生长和发育的关键因素之一,土壤肥力与植物的耐热性紧密相连。因此,研究土壤肥力等级与植物耐热性的相关性,对于指导植物种植和管理具有重要意义。通过综合概括相关研究,发现已有的研究主要集中在植物耐热性机制和土壤肥力对植物生长影响方面,然而,将土壤肥力与植物耐热性联系起来,探讨二者之间相关性的研究尚不多见。本研究以永川国有林场的桢楠为研究对象,分析了土壤肥力等级与植物耐热性的相关性,旨在填补这一研究空白,为植物种植和管理工作提供科学的依据。

文章目录

1 材料与方法

1.1 研究区与研究材料概况

永川国有林场位于重庆永川区,长江北岸,属亚热带湿润气候,土壤以山地黄壤为主,肥力异质性显著。桢楠为喜温湿环境的常绿乔木,是我国特有树种,花期5-6月,果期11-12月,适宜生长在年均温17℃、1月均温7℃、年降水量1400~1600mm的环境中。

1.2 样品采集与处理

2022年夏季,采用网格布点技术和GPS标记,对桢楠树周围0~20cm深的土壤进行“S”型五点采样,共采集样本40个。经风干和筛分处理,进行理化性质分析,同时,对桢楠进行热害拍照记录和植物表型观察,以测定热害指数。

1.3 土壤肥力指标测定

1.3.1 分析项目和测定方法

土壤肥力的评估涉及多项指标,包括土壤的pH值、OM、TN、AN、AK、TP、AP以及TK含量,分别采用玻璃电极法、重铬酸钾氧化外加热法、自动定氮仪法、碱解扩散法、醋酸铵-火焰光度计法、碱熔-钼锑抗分光光度法、0.5mol/LNaHCO3溶液浸提-钼锑抗比色法、NaOH熔融-火焰光度法进行测定。

1.3.2 土壤养分状况分级标准

在评定土壤养分状况时,参照陆欣等提出的土壤养分分级体系,将土壤养分划分为5个不同的等级(见表1),土壤pH值分为5个等级(见表2),以提供更为精细的土壤养分评估标准。

1.3.3 土壤肥力评价方法

土壤肥力评估采用8项指标:pH值、OM、TNANAKTPAP和TK。其中,pH值与土壤肥力呈抛物线关系,其余7项指标呈S型函数关系。8项指标的隶属度函数曲线转折点取值见表3。评价指标的权重是通过变异系数法来确定,具体权重值详见表4。

土壤肥力综合指数(IFI)是通过计算各肥力指标的权重与分值乘积之和得出,IFI值越大,表明土壤肥力越高。根据计算出的IFI值和研究成果,将IFI分为4个等级(见表5)。

1.4 桢楠热害指数测定

热胁迫是一种对植物造成不可逆损害的不利温度条件。高温胁迫影响了植物的生理、生化过程和分子特性，阻碍其生长和发育，导致植物外观发生显著变化。热害程度因植物耐热机制而异，耐热性鉴定分为直接和间接2种方法，直接法是通过分析植物在高温下的表型特征，间接法是通过测定生理指标和细胞结构观察[5]。

观察并记录高温胁迫后植株的叶片变化和热害程度,对热害进行分级,并计算热害指数。在此过程中,参考张佳平等和朱玉雪等的方法,并对其进行适当调整,以适应本研究的具体需求(见表6)。

2 结果与分析

2.1 土壤肥力综合指数(IFI)与桢楠热害指数统计

采用模糊数学中的隶属度函数模型，计算土壤肥力综合指数（IFI），从而综合评估40个土壤样本养分状况。结果显示，在40个土壤样品中，土壤肥力呈高水平，等级为Ⅰ级的有12个；土壤肥力呈较高水平，等级为Ⅱ级的有4个；土壤肥力水平为中等，等级为Ⅲ级的有18个；土壤肥力水平较低，等级为Ⅳ级的有6个，各等级分别占30%、10%、45%、15%。肥力水平为中等与下等的土壤总占比为60%，据此推断永川国有林场总体土壤肥力水平有待优化。

通过统计40个桢楠样品的热害指数，结果显示，在40个样品中，热害等级为0的有5个；热害等级为1的有14个；热害等级为2的有15个；热害等级为3的有6个，各等级分别占12.5%、35.0%、37.5%、15.0%。遭受热害的桢楠样品为87.5%，据此推断，永川国有林场的桢楠树种遭受热害情况较为严重。

2.2 土壤肥力各指标与桢楠热害指数相关性分析

通过相关性分析发现，土壤肥力综合指数（IFI）、土壤pH值、全氮（TN）、速效钾（AK）、总磷（TP）、有效磷（AP）与桢楠热害指数之间存在显著的负相关关系，显著性P＜0.01，相关系数分别为-0.832、-0.488、-0.465、-0.720、-0.566、-0.497；总钾（TK）和桢楠热害指数之间存在显著的负相关关系，显著性P＜0.05，相关系数为-0.354。

2.3 土壤肥力各指标与桢楠热害指数回归分析

为了验证土壤肥力综合指数（IFI）对桢楠热害指数的影响关系，采用一元线性回归分析，R 2 =0.685表示自变量土壤肥力综合指数（IFI）对因变量（桢楠热害指数）有68.5%的说明解释能力，自变量（IFI）B=−3.264，P＜0.05，桢楠的热害指数与土壤肥力综合指数（IFI）之间存在显著的负相关关系。

在一元线性回归模型中，由于只有一个自变量，不存在多重共线性问题，故无需进行共线性检验；ANOVAX检验中，ANOVAX显著性＜0.01，检验通过；正态分布图检验中，线性回归模型要求残差服从正态分布，检验通过（见图1）。回归模型的检验通过，证明结果准确可靠、具有可信度。

为了验证土壤pH值、OM、TN、AN、AK、TP、AP、TK多项指标对桢楠热害指数的影响关系，采用多元线性回归分析，R 2 =0.635表示自变量（土壤肥力各指标）对因变量（桢楠热害指数）有63.5%的说明解释能力，独立变量（AN）B=−0.005，P＜0.05、（TP）B=−0.83，P＜0.05、（TK）B=−0.021，P＜0.05，这3个因素对桢楠的热害指数展现出显著的负相关性影响。为了验证多重共线性问题，检验容差和方差膨胀因子（VIF）的值，其中，方差膨胀因子（VIF）的值低于10，容差大于0.1，模型中不存在多重共线性问题，检验通过；ANOVAX检验中，ANOVAX显著性＜0.01，检验通过；正态分布图检验中，线性回归模型要求残差服从正态分布，检验通过（见图2）。回归模型的检验通过，证明结果准确可靠、具有可信度。

3 结论与讨论

本研究发现,土壤肥力综合指数(IFI)以及土壤中的碱解氮(AN)、总磷(TP)、总钾(TK)含量与桢楠的热害指数呈现显著的负相关。这一发现与其他研究者在不同植物上观察到的高温胁迫下营养元素的作用相呼应。例如,沈花等研究指出,对于草地早熟禾、氮、磷、钾的营养水平与植物的抗热性密切相关;尤雪琴等在茶树研究中发现,氮、磷、钾等营养元素对于促进茶树生长发育至关重要,特别是在高温环境下,促进作用更为明显。这些研究结果共同强调了土壤肥力在提高植物耐热性中的重要作用。

在本研究中,桢楠的耐热性随土壤肥力的提升而增强,表明土壤养分状况对植物的抗热能力有着显著影响，这可能是由于充足的营养供应能促进植物体内代谢活动的正常进行，增强植物对高温胁迫的生理适应能力。因此，通过改善土壤肥力，特别是增加土壤中的氮、磷、钾含量，可能是一种有效的策略，用以提高桢楠及其他植物在高温环境中的生存和生长能力。

本研究使用S型或抛物线型隶属度函数和变异系数法来确定土壤养分指标的隶属度和权重，进而计算土壤肥力综合指数。选用的土壤肥力指标较为全面，并且在评价土壤肥力等级时，采用的方法是较为科学和成熟的。但对于桢楠耐热指标的选取，仅选用了热害指数这一项，通过前人的研究表明，尽管热害指数是评价植物耐热性的有力指标，但植物的耐热性评价与其遭受高温胁迫后的多项变化均有关系，不能单一通过某一项变化得出植物的耐热性评价，往往需要将多项变化综合研究，才能得出相对准确的耐热性评价。建议后续研究土壤肥力与植物耐热性时，增加生理生化指标测定，以完善评价体系，获得精确结果，并为高温下土壤改良提供精细指导。