崔 晶 薛興燕 吳明作 薛建林 付保中 伊 煥

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,河南 鄭州 450002；2.商丘市梁園區(qū)林業(yè)局，河南 商丘 476000)

根系處理技術(shù)對農(nóng)桐間作地植物根系與生長的影響

崔 晶1薛興燕1吳明作1薛建林2付保中2伊 煥2

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,河南 鄭州 450002；2.商丘市梁園區(qū)林業(yè)局，河南 商丘 476000)

對黃淮海平原地區(qū)常見間作形式之一的農(nóng)桐間作3年生泡桐進(jìn)行覆膜與挖溝2種根系處理，利用土柱法對間作地塊0～20 cm與20～40 cm土層內(nèi)植物根系的長度與現(xiàn)存量、土壤含水率進(jìn)行測定，還對植物地上部分的現(xiàn)存量進(jìn)行測定。結(jié)果表明，間作地塊內(nèi)的植物根系生長受到一定程度的脅地影響，植物地上部分現(xiàn)存量受脅地影響較為明顯，土壤含水率受降雨影響較大；脅地影響范圍大致為樹高的0.7倍，但根系受影響的范圍可達(dá)到林帶中心位置；采取切根處理措施后，脅地影響的主要因素為樹冠，2種根系處理技術(shù)對植物根系及其地上部分生物的影響差異不顯著。

根系處理；根系長度；現(xiàn)存量；農(nóng)桐間作；黃淮海平原

樹木根系是地下生態(tài)系統(tǒng)的核心，細(xì)根的分布直接影響其擁有土壤水分和營養(yǎng)空間的大小[1-2]，環(huán)境條件對根系生長及其分布具有重要作用[3]。農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)以其良好的多種特性被國內(nèi)外的理論研究與生產(chǎn)實(shí)踐所普遍關(guān)注[4-5]，目前對脅地的研究多集中在地上部分的現(xiàn)存量或產(chǎn)量、地下部分的根系生長、根系處理技術(shù)等[4-8]。泡桐(Paulowniaspp.)是黃淮海平原地區(qū)農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的常見組成樹種之一，農(nóng)桐間作是其十分典型且具有廣泛推廣價(jià)值的間作形式之一；但關(guān)于泡桐與農(nóng)作物間作的理論研究明顯落后于實(shí)踐，尤其缺乏定量研究，使農(nóng)桐間作復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的巨大潛力和優(yōu)勢尚未充分發(fā)揮出來[9]，對于其脅地的研究尚未見報(bào)道[4-5,10-13]。本研究通過觀測農(nóng)桐間作模式中不同根系處理技術(shù)對植物根系生長及其分布、土壤水分，以及間作植物生長的影響，了解植物根系分布與植物生長狀況，旨在探索其脅地規(guī)律與解除機(jī)制，為進(jìn)行脅地克服、指導(dǎo)農(nóng)田防護(hù)林樹種選擇、結(jié)構(gòu)配置與優(yōu)化等提供理論依據(jù)，從而為發(fā)揮農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)及社會(huì)效益提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在位于黃淮海平原的商丘市梁園區(qū)黃河故道森林公園內(nèi)，地處東經(jīng)115°65′，北緯34°45′。試驗(yàn)區(qū)屬黃河沖積平原地貌類型，平均海拔30～47 m，地勢平坦，土壤為黃河沖積形成的潮土類細(xì)沙土，質(zhì)地以沙質(zhì)和壤質(zhì)為主。屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫13.9 ℃，1月平均氣溫-9.0 ℃，7月平均氣溫27.0 ℃，平均無霜期206 d；年平均降水量711.9 mm。林區(qū)內(nèi)主要樹種以泡桐為主，其他尚有楊樹(Populusspp.)、刺槐(Robiniapseudoacacia)，森林覆蓋率26.7%；泡桐主要以中幼齡的農(nóng)田防護(hù)林帶和老齡的片林為主，間作模式主要包括泡桐-辣椒、泡桐-金銀花等類型。

試驗(yàn)地為泡桐-辣椒間作模式，其中泡桐為南北走向，單行，株行距為3 m×15 m。泡桐為3年生，平均樹高5.6 m，平均胸徑10.8 cm，平均基徑14 cm，東西向平均冠幅3.4 m。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在2個(gè)林帶地塊的中央地帶以消除地塊兩頭的邊際效應(yīng)，在試驗(yàn)地內(nèi)分別設(shè)置3條東西向的平行樣帶貫穿試驗(yàn)地。分別在林冠邊緣的兩側(cè)內(nèi)沿林帶方向挖長10 m、寬50 cm、深1 m的土溝，設(shè)置根系處理技術(shù)試驗(yàn)1(覆膜法，T1)、試驗(yàn)2(挖溝法，T2)、對照3條與喬木行垂直的試驗(yàn)樣帶，每條樣帶寬度10 m,以消除相互影響；各樣帶采用完全自然管理。試驗(yàn)方法均為沿樹干挖好土溝后，用合適工具將樹根全部斬?cái)啵桓材しㄊ峭跍虾筚N上一層地膜再用原土覆蓋；挖溝法是挖溝后留寬約50 cm左右合適的溝并保持該狀態(tài)[5,13]。

2.2 測定指標(biāo)與方法

試驗(yàn)于2012年8月開始，每月觀測1次至2013年7月達(dá)1個(gè)完整年，每月中旬在每個(gè)試驗(yàn)樣帶內(nèi)由西向東方向設(shè)置觀測小樣方，樣方面積1 m×1 m；每條樣帶布設(shè)5個(gè)樣方，第1個(gè)樣方距離喬木行1 m，然后間距2 m；為減少取樣影響，規(guī)定每次取樣均從每條觀測樣帶的南側(cè)開始逐次向北側(cè)進(jìn)行。

在每個(gè)小樣方內(nèi)分別取0～20、20～40 cm 2個(gè)層次的土壤及根系，土壤含水率用鋁盒取樣帶回實(shí)驗(yàn)室，于105 ℃用烘干法測定。用環(huán)刀自上向下分層取8 cm×8 cm×40 cm的土柱，挑揀出根系，直到所取土柱內(nèi)無根系為止；將根系帶回室內(nèi)，放入篩子里用水沖洗干凈，利用愛普生V 700 Photo平板掃描儀進(jìn)行分析，得出長度，最后稱其干質(zhì)量得其現(xiàn)存量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

選取2012年10月、2013年4月、2013年7月各月份的數(shù)據(jù)代表秋季、春季與夏季的植物生長狀況(冬季無植物生長，故未測定)。采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，采用 SPSS 19.0進(jìn)行比較與檢驗(yàn)等分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同根系處理技術(shù)對土壤含水率的影響

不同季節(jié)0～20 cm與20～40 cm 2個(gè)土壤層次中土壤含水率的變化見圖1～2，圖中距離指林帶內(nèi)樣方與喬木行的距離(由西向東方向，以后各圖與此相同)。

由圖1～ 2可以看出：0～20 cm與20～40 cm土層的含水率整體上沒有太大差別，但均表現(xiàn)出7月份數(shù)值較低的現(xiàn)象。這與當(dāng)年降水較少有關(guān)，也可能與7月份植物生長旺盛、根系吸收土壤水分較多有關(guān)。黃淮海平原地區(qū)降水一般集中在7月下旬至9月上旬，因此，10月份的數(shù)值整體上較高。

0～20 cm土層的土壤含水率表現(xiàn)出西側(cè)林帶處較高、東側(cè)林帶處較低且與中心處差別較小的現(xiàn)象，而20～40 cm土層的這種現(xiàn)象不明顯；表土層容易受降水影響，因此，0～20 cm土層比20～40 cm土層的變化較為明顯。根系生長與土壤含水率呈正相關(guān)[14-15]，因此，土壤含水率的變化可能影響到不同根系處理技術(shù)下的根系狀況。

3.2 不同根系處理技術(shù)對植物根系長度的影響

不同季節(jié)0～20 cm與20～40 cm 2個(gè)土壤層次中植物根長的分布狀況見圖3～4。

由圖3～4可以看出：2個(gè)土壤層次中，4月份為根系萌動(dòng)時(shí)期，根長相對較小，至7月份達(dá)到比較高的數(shù)值，10月份植物通常已經(jīng)開始休眠(辣椒9月份已經(jīng)收獲)，其根長也相對較小，但由于測定的是整個(gè)土壤中的根系，辣椒收獲后尚有殘留的根系以及其他草本植物的根系，因此，其數(shù)值仍然較大。推測此后根系的分解占比例較生長的大，根系數(shù)量減少，根長也減小，至4月份時(shí)數(shù)值就減小較多。

相同樣方內(nèi)0～20 cm與20～40 cm土層的根長，經(jīng)SPSS雙尾t檢驗(yàn)，除10月的T2處理與7月的對照達(dá)到0.05顯著水平外，其余均無顯著性差異，說明2個(gè)土層內(nèi)的根長在整體上沒有顯著差別，但對根系處理措施的響應(yīng)不完全一致。0～20 cm土層中，相同時(shí)間相同處理方式的植物根系多數(shù)在4 m與10 m處出現(xiàn)較低值，但與中心(7 m)處差別不大；而20～40 cm土層則基本上是在7 m處出現(xiàn)最低值(7月份較明顯)，但10月份最低值則是在10 m處；2個(gè)土層均在兩側(cè)林帶邊緣出現(xiàn)較大值，且10月份西側(cè)的數(shù)值較大，一定程度上表現(xiàn)出“東脅西不脅”的特征[11-13]，其影響范圍大致在4～10 m。

辣椒根系一般可以達(dá)到20～40 cm土層，而且試驗(yàn)地的辣椒在種植初期進(jìn)行整地除草后再?zèng)]有施加人工管理措施，一些耐蔭雜草侵入地塊，隨著時(shí)間推移，其根系深入土層，使得2個(gè)土層內(nèi)的根長沒有顯著差別。

因?yàn)?種處理(T1、T2)均是針對泡桐根系的，且2個(gè)土層內(nèi)的土壤含水率并未出現(xiàn)上述變化(圖1、圖2)，因此，泡桐對間作地塊內(nèi)植物根長的影響應(yīng)主要來自樹冠，是因?yàn)闃涔谡谑a引起光照不充足，植物根系生長導(dǎo)致根/莖比值較?。灰蚺萃潺g較小，雖有一定的脅地影響但并不十分明顯。在泡桐生長初期(4月份)，樹冠較小，其影響也較小，自7月份旺盛生長時(shí)期至10月份生長完成，樹冠伸展較大，而林帶寬度較窄，因光照與樹冠投影等因素，其影響主要集中在樹冠邊緣直到林帶中心(林帶中心距喬木行7.5 m，平均冠幅3.4 m)；而鄰近喬木帶處，因泡桐樹冠較高，光照可以透過，該處光照比較充足。

3.3 不同根系處理技術(shù)對植物根系現(xiàn)存量的影響

不同季節(jié)0～20 cm和20～40 cm土層中植物根系現(xiàn)存量的變化見圖5～6。

由圖5～6可以看出，0～20 cm與20～40 cm土層中的根系現(xiàn)存量隨距離的變化與20～40 cm土層中根長的變化較為一致，并且變化程度更明顯,與根長一樣，也表現(xiàn)出“東脅西不脅”的特征[11-13]，影響范圍大致在4～10 m，以泡桐樹高5.6 m計(jì)算，大致為兩側(cè)樹高的0.7～1.0倍。這也是泡桐樹冠影響到其中植物生長所導(dǎo)致的結(jié)果，說明在較窄的間作模式中，脅地現(xiàn)象可能發(fā)生在中間部位。結(jié)合植物根長的水平分布狀況，表明根系生長與土壤含水率的關(guān)系并不完全與已有研究那樣明顯[14-15]。

3.4 不同根系處理技術(shù)對植物生長的影響

為說明間作植物辣椒生長的最終現(xiàn)存量，本研究只選取了收獲前2個(gè)月的數(shù)據(jù)，不同根系處理技術(shù)下其現(xiàn)存量見圖7。

從辣椒的現(xiàn)存量看，表現(xiàn)出較為明顯的脅地現(xiàn)象，從兩側(cè)林帶附近到中心，2個(gè)月份的現(xiàn)存量均表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(圖7)。9月份數(shù)據(jù)只所以部分比8月份的低，主要是因?yàn)楣麑?shí)收獲的影響。

從脅地克服的處理方式看，2個(gè)月的表現(xiàn)并不一致。8月T2處理在林帶中心雖然現(xiàn)存量沒有T1處理高，但從變化趨勢來看，其脅地范圍相對較小，兩者均比對照大；9月對照處于2種處理之間，以T2處理的現(xiàn)存量最小，T1處理的現(xiàn)存量最大，但均呈現(xiàn)出4 m左右的脅地范圍。

試驗(yàn)地泡桐雖為3年生，但因其速生性，已具有較大的冠幅、較高的樹高，因而具有一定的脅地影響；因?yàn)橐堰M(jìn)行過根系處理，故其脅地因素主要表現(xiàn)為樹冠影響。從圖7可大致確定其脅地影響范圍為4 m左右，約為樹高的0.7倍，這與楊樹的研究結(jié)果基本一致[5,10-13]。

植物地上部分現(xiàn)存量在林帶內(nèi)的分布規(guī)律與根系現(xiàn)存量、20～40 cm土層中根長并不完全一致，主要有2個(gè)原因：1)所測定根系并非完全屬辣椒根系，還有其他雜草存在，因在土柱法測定中很難區(qū)分不同種類的根系，因此，在以后研究中應(yīng)考慮采用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ?)根系生長與植物地上部分生長在不同光照條件下具有不同的響應(yīng)，一般情況下，強(qiáng)光能促進(jìn)根系生長而增加根/莖比值，弱光能促進(jìn)地上部分的高生長而減小根/莖比值。

參照根系與現(xiàn)存量的影響，進(jìn)行根系處理后，脅地影響因素主要是樹冠，即冠脅地[11-13]。

3.5 2種根系處理技術(shù)的差異性分析

對上述脅地效應(yīng)進(jìn)行處理間的差異性檢驗(yàn)(SPSS中的Duncan分析)，結(jié)果見表1。

由表1可知，除4月份的土壤含水率外，0～20 cm土層的其他指標(biāo)在其他月份中在不同處理間均沒有顯著性差異(用SPSS雙尾t檢驗(yàn)，切根處理與對照達(dá)到顯著性差異)；表層土壤含水率主要受降水影響，與根系處理技術(shù)措施相關(guān)性較小。在20～40 cm土層，4月份與7月份的根系長度在處理間有顯著性差異(α=0.05)，其他沒有差異。植物地上部分的現(xiàn)存量在2個(gè)月份均沒有顯著性差異。表明因?yàn)榇嬖诠诿{地，只進(jìn)行根系處理，效果并不十分顯著；若要克服脅地影響，還應(yīng)考慮選擇冠幅較小的樹種。

從2個(gè)處理與對照的各指標(biāo)大小來看，0～20 cm土層在4月份與7月份以覆膜法(T1)的效果較好，但在10月份則以挖溝法(T2)的效果較好；20～40 cm土層除7月份的根系長度外，其他均以T2的效果好；從地上部分的植物現(xiàn)存量來看，2個(gè)月份均以T1的效果較好。這可能與2種處理方法的影響機(jī)制有關(guān)，挖溝法暴露了林帶邊緣的土壤層次，土壤中空氣可能充足，有利于根系生長。但地上部分主要為冠脅地，覆膜法能夠較好地保持土壤中的含水量，有利于植物生長。因此,從總體上特別是對植物產(chǎn)量的影響來看，覆膜處理(T1)的效果比挖溝處理(T2)的要好。

表1 脅地現(xiàn)象的差異性檢驗(yàn)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值；植物的地上現(xiàn)存量測定為括號內(nèi)的時(shí)間。

4 結(jié)論與討論

1) 農(nóng)林間作普遍存在著脅地現(xiàn)象，主要原因是根脅地與冠脅地[13]；因此，只對根系進(jìn)行處理后，冠脅地成為主要影響因素，對間作植物根系與地上部分的生長均有影響，對土壤含水率也有一定影響，其中，以植物地上部分現(xiàn)存量影響最大，其次是根系現(xiàn)存量與長度，土壤含水率主要受大氣降雨影響。脅地影響范圍大致為林帶樹高的0.7倍，這基本與已有研究的結(jié)果一致[10]，但也不盡相同[12-13]；這可能與不同級別根系的分布特點(diǎn)有關(guān)[1]，也可能與泡桐的年齡及其樹冠大小有關(guān)，其原因值得深入研究。

2) 根系處理技術(shù)對脅地有一定程度的減輕作用[5,10-13]，但從本研究的各指標(biāo)所受影響大小來看，2種根系處理技術(shù)之間及其與對照之間并沒有顯著性的差異，這應(yīng)與冠脅地的影響有關(guān)[10]；而從平均值的大小順序特別是間作植物的產(chǎn)量來看，以覆膜法(T1)的處理效果較好，這與已有報(bào)道并不完全一致[5]；可能與樹種特性、年齡、林帶寬度、間作植物種類等多種因素有關(guān)。如何根據(jù)具體的農(nóng)林間作系統(tǒng)的特征，提出有效地減輕脅地影響的途徑與方式，是農(nóng)林間作模式建設(shè)與推廣的基礎(chǔ)，仍需要深入研究。

3) 一般地，脅地范圍最大可以達(dá)到樹高的1.0～1.6倍距離處[10,12-13]，因此，當(dāng)防護(hù)林帶的行距較小時(shí)，脅地范圍可能會(huì)達(dá)到林帶中心。在進(jìn)行農(nóng)林間作規(guī)劃與設(shè)計(jì)等工作時(shí)，應(yīng)考慮這種可能地脅地范圍，盡量選用行距較大的間作模式，選擇冠幅較小的樹種，同時(shí)適當(dāng)考慮采用一定的根系處理技術(shù)。

[1] 胡海波,萬福緒,張金池,等.徐淮平原農(nóng)田防護(hù)林帶楊樹根系特征研究[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1996,20(1):12-16.

[2] 駱宗詩,向成華,章路,等.花椒林細(xì)根空間分布特征及椒草種間地下競爭[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(2):86-91.

[3] Boris R, Ephrath J E, Shimon R. A root is a root? Water uptake rates of citrus root orders [J]. Plant Cell Environment, 2011, 34(1):33-42

[4] Allen S C, Jose S, Nair P K R, et al. Safety net role of tree roots: Evidence from a pecan (CaryaillinoensisK. Koch) -cotton (GossypiumhirsutumL.) alley cropping system in the southern United States [J]. Forest Ecology and Management, 2004，192:395- 407.

[5] 吳明作,崔晶,王謙,等.豫東平原農(nóng)楊復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)脅地現(xiàn)象及其克服技術(shù)研究[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,42(12):115-121.

[6] Sudmeyer R A, Speijers J. Influence of windbreak orientation, shade and rainfall interception on wheat and lupin growth in the absence of below-ground competition [J].Agroforestry Systems,2007,71(3): 201-214.

[7] 程鵬,曹福亮,汪貴斌.農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營的研究進(jìn)展[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2010, 34(3):151-156.

[8] 孟平,張勁松.中國復(fù)合農(nóng)林業(yè)發(fā)展機(jī)遇與研究展望[J].防護(hù)林科技,2011(1):7-10.

[9] 蔣建平,劉延志,張秀榮,等.農(nóng)桐間作系統(tǒng)對小麥生態(tài)條件及產(chǎn)量影響的研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995,29(4):313-318.

[10] 孫國吉,張金池,王智,等.徐淮平原楊樹林帶的脅地規(guī)律[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,27(4): 67-71.

[11] 劉炳友,龐久華,王濤,等.齊齊哈爾地區(qū)農(nóng)防林脅地發(fā)生規(guī)律及其防治對策[J].防護(hù)林,2006(2)：66-67.

[12] 范仲玖,王登亞.農(nóng)田林網(wǎng)和林帶脅地原因及防治對策[J].農(nóng)技服務(wù),2008,25(3):86.

[13] 尚靜原,趙煥成,王寶珠.農(nóng)田防護(hù)林脅地效應(yīng)及其解決對策[J].防護(hù)林科技,2006(4):71-79.

[14] Daniel B M, Meir P, Lutz Eduardo O C, et al. The effects of water availability on root growth and morphology in an Amazon rainforest [J]. Plant Soil, 2008，311:189-199.

[15] 王文,蔣文蘭,謝忠奎,等.黃土丘陵地區(qū)唐古特白刺根際土壤水分與根系分布研究[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2013,22(1):20-28.

(責(zé)任編輯 趙粉俠)

Effect of Root Treatment Technique to Roots and Growth of Intercropping Plant inPaulowniaShelterbelt

CUI Jing1, XUE Xing-yan1, WU Ming-zuo1, XUE Jian-lin2, FU Bao-Zhong2, YI Huan2

(1. College of Forestry, Henan Agriculture University, Zhengzhou Henan 450002, China;2. Forestry Bureau of Liangyuan District of Shangqiu, Shangqiu Henan 476000, China)

Paulowniaintercropping is a common agroforestry form in the Huang-Huai-Hai Plain. In the paper, selected 3-yearPaulowniaintercropping field as research plot, and applied plastic film covering and trenching method to treat root, and then measured the length and existing biomass of plant root, soil moisture content in 0-20 cm and 20-40 cm layers using soil column method. Also, we measured plant standing crop of aboveground by using harvest method. The results showed that: in a certain degree, the plant root growth was affected by intercropping. The effect on aboveground biomass was more obviously. The soil moisture was mainly influenced by precipitation. The distance of trees′ negative effect was approximately 0.7 times of tree height, while for plant root; the effect could be reached to the center of the intercropping field. When the shelterbelt tree was treated by root cutting, the main factor of its negative effect was from tree′s crown; there was no significant difference between on root growth and aboveground biomass under 2 root treatments.

root treatment; root length; standing crop;Paulowniaintercropping; Huang-Huai-Hai Plain

2014-02-20

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201104049、201104068)資助。

吳明作(1965—),男，博士，副教授，研究方向：生態(tài)過程監(jiān)測與功能評價(jià)。Email:wumingzuo@hotmail.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.04.010

S725

A

2095-1914(2014)04-0053-06

第1作者：崔晶(1987—),男，碩士生。研究方向：農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。Email:beyon1006@163.com。