皇后花（Lagerstroemia speciosa）种质资源维护的精准肥料管理

《Frontiers in Horticulture》：Precision fertilizer management for germplasm maintenance of queen’s flower (Lagerstroemia speciosa)

　　

摘要

引言：容器栽培观赏植物的氮素管理需要在保持植物品质与降低养分向周边水体流失风险之间取得平衡，这一挑战在亚热带苗圃环境中尤为突出。本研究通过将淋溶液监测与基于植物的光学传感相结合，评估了日益受欢迎的景观树种大花紫薇（Lagerstroemia speciosa）‘Big Pink’的精准氮素管理策略。

方法：研究人员在佛罗里达州南部的亚热带苗圃条件下，以容器栽培的大花紫薇（Lagerstroemia speciosa）‘Big Pink’为材料，评估了6种杜鹃花肥（8-4–8 N-P-K）处理的效果：T0（25 g）、T1（15 g+10 g补充肥，SF）、T2（20 g+10 g SF）、T3（25 g+10 g SF）、T4（30 g+10 g SF）和T5（35 g+10 g SF），每处理5次重复。每月测定植物生长指标（叶片数）、基于叶绿素的指数（SPAD、atLEAF）、冠层反射率（归一化植被指数，NDVI）以及淋溶液化学性质（Ca²⁺、NO₃^?、K⁺、Na⁺、pH、盐度和电导率EC），并在早期、中期和晚期生长阶段采用方差分析（ANOVA）、Tukey HSD检验和Pearson相关分析进行数据处理。

结果：两个较高施肥处理T4（30 g基肥+10 g补充肥）和T5（35 g基肥+10 g补充肥）在所有生长阶段均持续产生较高的淋溶液NO₃^?和K⁺浓度，表明养分迁移性和淋失风险升高。T5处理还在晚期降低了基质pH并提高了盐度和EC，反映根区盐分累积。中等施肥水平（T2–T4）叶片产量最大，而施肥不足（T0–T1）和过量（T5）均降低生长。叶绿素指数（SPAD、atLEAF）从中期开始可靠检测到T0下的氮缺乏，而NDVI仅在晚期冠层发育增加后才成为响应指标。相关分析显示，淋溶液变量之间的关联随时间逐渐增强，同时SPAD与atLEAF在所有阶段保持一致的一致性。

结论：中等施肥水平（T2–T3）在容器栽培大花紫薇（Lagerstroemia speciosa）‘Big Pink’中优化了叶片生长和植物氮素状态，同时减少了养分损失，支持将其作为亚热带观赏苗木生产的精准氮素管理策略。

观赏树木生产正面临水资源与气候胁迫日益加剧，以及对养分管理保护水质的更高要求。在美国佛罗里达州南部，降雨强度大、灌溉频繁、土壤质地粗，养分容易随水移出根区，而沙质土壤保水保肥能力低，进一步加剧了淋失风险。大花紫薇（Lagerstroemia speciosa）‘Big Pink’是由美国农业部-农业研究服务局（USDA-ARS）在迈阿密选育的粉花品种，适合亚热带城市景观和容器苗圃生产。氮素供应直接影响冠层发育、叶绿素含量和观赏品质；过量施肥会破坏根区养分平衡、增加渗透压、促进盐分累积，并导致硝酸盐淋失，威胁周边水体。为此，精准氮素管理通过将氮输入与作物需求同步，结合光学传感和淋溶液监测，成为兼顾品质与环保的重要策略。然而，容器栽培大花紫薇中尚缺乏将植物传感与淋溶液化学监测整合优化氮素管理的研究。本研究因此开展，成果发表于《Frontiers in Horticulture》。

研究人员于2023年10月至2024年5月在美国农业部-农业研究服务局亚热带园艺研究站（USDA-ARS-SHRS）完成试验。研究对象为来自该站种质资源圃的30株2年生大花紫薇‘Big Pink’，每株移入18.9 L容器，基质由37.5%松树皮、30%椰糠、25%珍珠岩和7.5%沙组成。试验设置6种杜鹃花肥（8-4–8 N-P-K）处理：T0为25 g；T1为15 g+10 g补充肥（SF），在1月和3月分两次施用；T2为20 g+10 g SF；T3为25 g+10 g SF；T4为30 g+10 g SF；T5为35 g+10 g SF。采用完全随机设计，每处理5次重复。每月采集叶片数、SPAD叶绿素指数、atLEAF叶绿素指数和GreenSeeker冠层传感器测定的NDVI，并用pour-through法收集淋溶液测定Ca²⁺、NO₃^?、K⁺、Na⁺、pH、盐度和电导率（EC）。数据按早期（1–2个月）、中期（3–5个月）和晚期（6–8个月）分别进行方差分析、Tukey HSD检验和Pearson相关分析。

### 3.1 淋溶液养分动态（Ca²⁺、NO₃^?、K⁺）

早期阶段，NO₃^?和K⁺处理效应极显著，T4和T5的NO₃^?浓度高于T0–T3，T5的K⁺浓度高于其他处理。中期NO₃^?处理效应仍显著，T4保持较高浓度，T5居中；K⁺继续表现为T5显著高于所有其他处理。晚期Ca²⁺首次出现显著处理间差异，T5高于T0；NO₃^?和K⁺差异显著，T5最高、T4次之。这表明高施肥量持续增加硝酸盐和钾的淋失风险。

### 3.2 淋溶液化学性质（pH、盐度、EC、Na⁺）

中期pH和EC出现显著处理效应，T4的pH低于T2和T3，T5和T2的EC高于T1。晚期盐度和EC均显著受处理影响，T5高于T0；pH也出现显著差异，T5低于T0。结果说明高肥处理在生长后期促使基质酸化及可溶性盐在根区累积。

### 3.3 叶片数和传感器指数（SPAD、atLEAF、NDVI）对施肥处理的响应

早期叶片数处理效应显著，T2、T3和T4显著高于T0、T1和T5。中期叶片数、SPAD和atLEAF均受显著处理影响，T0始终低于其他处理，表明无补充施肥的处理出现氮缺乏。晚期所有变量均显著，叶片数仍以T2–T4最高，T0、T1和T5较低；SPAD和atLEAF继续检测到T0最低；NDVI仅在晚期才呈现显著处理效应，T0低于其他处理，反映其受冠层发育影响。

### 3.4 淋溶液化学性质之间的相关分析

早期盐度与EC呈强正相关（r=0.92），NO₃^?与K⁺正相关（r=0.54），pH与NO₃^?、Ca²⁺和盐度显著负相关。中期相关性总体减弱，NO₃^?与K⁺仍正相关，但盐度与EC关联变弱。晚期各变量相关性增强且网络化，盐度与EC几乎完全正相关（r=0.98），NO₃^?与K⁺正相关（r=0.67），pH与K⁺和NO₃^?显著负相关。这说明随施肥时间延长，基质中离子累积效应趋于明显。

### 3.5 叶片数与传感器指数之间的相关分析

早期SPAD与atLEAF、NDVI均呈弱正相关，atLEAF与NDVI也正相关。中期SPAD与atLEAF相关性明显增强（r=0.72），两者一致性高；叶片数与NDVI呈弱正相关，而NDVI与SPAD和atLEAF关联较弱。晚期SPAD与atLEAF仍保持强相关（r=0.73），NDVI与atLEAF及叶片数的相关性增强。结果显示atLEAF可低成本替代SPAD用于氮状态监测，而NDVI对冠层结构的依赖性更强。

讨论部分指出，高施肥处理导致NO₃^?和K⁺持续高浓度淋失，与硝酸盐和钾的高溶解性及易移动性有关。T5后期pH降低，机制上符合铵态氮硝化过程释放H⁺的酸化作用；盐度和EC升高则反映根区可溶性盐累积。中等施肥量足以支持叶片生长，但过量或不足均不利于生长。研究人员还强调，T0并非完全不施氮，而是一次性施用25 g的处理，其较差表现反映的是分次施用的时间效应。此外，本研究仅记录叶片数作为直接生长指标，未测定株高、冠幅和生物量，是评估生长响应的一项局限。

结论部分翻译为：较高施肥处理（30 g+10 g和35 g+10 g补充肥）在所有生长阶段持续提高淋溶液NO₃^?和K⁺浓度，表明养分迁移性和淋失风险较高。基质pH、盐度和EC在早中期相对稳定，但晚期随可溶性盐在基质溶液中累积而显著变化。植物生长响应表明，中等施肥量（20 g+10 g、25 g+10 g和30 g+10 g补充肥）产生最高叶片数，而施肥不足和过量均降低生长；光学传感器进一步确认施肥植物氮素状态改善。虽然T4（30 g+10 g SF）的叶片数与T2（20 g+10 g SF）和T3（25 g+10 g SF）统计相当，但因其淋溶液NO₃^?和K⁺浓度持续高于T2–T3，养分损失风险相对于生长收益增加，故不推荐为最优处理。T2–T3在获得与T4相当生长和氮素状态的同时淋失更少养分，是更养分高效的选择。在佛州南部亚热带条件下，中等施肥量T2–T3足以支持大花紫薇‘Big Pink’的优化生长并减少过量养分流失，因此推荐其替代T4用于该种质资源的精准氮素管理。