藺芳，劉曉靜，童長春，吳勇

(1.甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院，甘肅 蘭州 730070;2.新鄉(xiāng)學院生命科學技術學院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

根系是土壤的利用者和產量的貢獻者，其起到上接地上部植株下啟地境的關鍵作用[1]，因此對根系特性進行研究具有十分重要的現實意義。越來越多的事實證明，根系構型是影響植物生長的重要因素，反映了植物具有的營養(yǎng)遺傳性狀[2]，所以根系的許多指標，如根長、根尖數、根表面積、根體積等，均可以作為衡量植物個體生長發(fā)育狀況和代謝能力的重要參數[3]。由于作物根系生長過程中的不可見性，根系形態(tài)檢測與研究發(fā)展緩慢，傳統(tǒng)的根系研究方法主要是利用挖掘法、剖面法和土鉆法[4]對根系樣本開展研究，均屬于破壞性取樣，不但會對研究對象的正常生長產生干擾，而且也不能長期對同一根系的生長和分布進行追蹤，操作方法費時費力，誤差較大。實現對根系形態(tài)的實時、準確獲取是農業(yè)生產中提高作物品質和產量的前提和關鍵[5]。目前，微根管法是監(jiān)測根系生長動態(tài)的新技術，可在非破壞條件下真實地反映植物的根系生長情況[6]，是一種成本低、操作方便并更能接近作物田間實際狀態(tài)的根系形態(tài)原位測定方法。

植物的根系特性對地上部植株的生長和碳、氮代謝能力等方面具有重要影響[7]。作物的生長和發(fā)育所需的養(yǎng)分主要通過根系的吸收獲得，根系吸收水和養(yǎng)分輸送到地上部，地上部通過碳、氮代謝合成有機物質，供植物體正常生長與發(fā)育[8]。碳代謝和氮代謝作為植物體內兩大最基本的代謝過程，在植物的生長發(fā)育過程中起到了至關重要的作用，二者共同調節(jié)碳水化合物和蛋白質的合成，共同影響且決定著作物的產量和品質[9]。其中，植物葉片中的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase, RuBPCase)和蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase, SPS)分別是光合固定與糖轉化過程中的關鍵酶，硝酸還原酶(nitrate reductase, NR)與谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase, GS)分別是植物體內硝態(tài)氮轉化與銨態(tài)氮同化過程中的關鍵酶，它們作為碳、氮代謝的關鍵酶，在碳、氮代謝過程中發(fā)揮著重要作用[10]。

豆科/禾本科間作是目前我國農業(yè)生產中應用最為廣泛的一種多元種植模式。在豆科/禾本科間作系統(tǒng)中，豆科固氮不僅可以維持間作系統(tǒng)運轉所需的養(yǎng)分，還可以通過減少氮素的投入降低土壤環(huán)境中硝酸鹽含量，因此不論是從資源利用方面還是對環(huán)境的貢獻方面，這種組合都是一個可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)[11]。在間作種植模式中，由于兩種作物種植在同一塊土地上，這兩種作物既可能發(fā)生相互促進作用，同時也會競爭環(huán)境資源和生長空間，包括植株地上部、地下部對資源的競爭。目前普遍認為在豆科/禾本科間作系統(tǒng)中禾本科作物具有更強的競爭優(yōu)勢，是系統(tǒng)中的優(yōu)勢物種，并且對系統(tǒng)的總生物量有決定性的影響[12]。目前，在豆科/禾本科間作的研究中，有關其根系和碳、氮代謝的研究多集中于糧食作物/牧草間作，而在牧草/牧草間作上進行的研究較少。本研究通過原位掃描技術對4種豆科/禾本科牧草間作模式[紫花苜蓿(Medicagosativa)/小黑麥(Secalesylvestre)、紫花苜蓿/燕麥(Avenasativa)、紫花苜蓿/玉米(Zeamays)、紫花苜蓿/甜高粱(Sorghumdochna)]下的牧草根系特性及其碳、氮代謝特征進行監(jiān)測分析，以便于更好地認識和了解4種豆/禾牧草間作系統(tǒng)地下根系-地上碳、氮代謝連續(xù)體的相互關系。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于新鄉(xiāng)市洪門鎮(zhèn)原堤村(35°16′7″ N，113°57′31″ E)，地處豫北平原，該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冬寒夏熱，秋涼春早。年均氣溫14.2 ℃，年均降水量573.4 mm，年均日照時數2400 h，年均濕度68.0%，無霜期220 d。降水年際間分配不均，主要集中在7-8月。供試土壤類別為砂壤土，供試土壤0～20 cm的理化性質為：全氮1.22 g·kg-1，全磷0.68 g·kg-1，全鉀15.44 g·kg-1，堿解氮42.67 mg·kg-1，速效磷18.35 mg·kg-1，速效鉀89.57 mg·kg-1，有機質9.56 g·kg-1，pH值7.88。前茬作物為玉米。

1.2 供試材料

試驗材料均為飼用型牧草，其中小黑麥由河北省農業(yè)科學院提供，燕麥和甜高粱由北京克勞沃草業(yè)技術開發(fā)中心提供，玉米由河南省農業(yè)科學院提供，紫花苜蓿由北京猛犸種業(yè)有限公司提供。供試材料的品種及生育期見表1。

1.3 試驗設計

試驗設計為完全隨機區(qū)組，設紫花苜蓿、燕麥、小黑麥、玉米、甜高粱5種單作模式以及紫花苜蓿分別與以上4種禾本科牧草間作，共9個處理，每處理重復3次，共27個小區(qū)，小區(qū)面積4 m×5 m=20 m2，總面積540 m2。為了防止小區(qū)間的相互影響，每個小區(qū)之間用70 cm小田埂分開，每個小區(qū)一側有水渠，排灌分開。各處理以生產中常見的種植方式進行單作或間作，其中，單作紫花苜蓿的播量為15 kg·hm-2，條播，行距20 cm；單作小黑麥的播量為225 kg·hm-2，條播，行距20 cm；單作燕麥的播量為180 kg·hm-2，條播，行距20 cm；單作玉米和甜高粱的播種密度為60606株·hm-2，穴播，行距50 cm，株距33 cm。紫花苜蓿/小黑麥和紫花苜蓿/燕麥間作系統(tǒng)中，種植比例為3∶2，即3行紫花苜蓿和2行小黑麥(燕麥)，間作下紫花苜蓿與小黑麥(燕麥)的行間距為30 cm，間作下紫花苜蓿、小黑麥、燕麥的播量和行距同單作；紫花苜蓿/玉米和紫花苜蓿/甜高粱間作系統(tǒng)中，種植比例為5∶2，即5行紫花苜蓿和2行玉米(甜高粱)，間作下紫花苜蓿與玉米(甜高粱)的行間距為35 cm，間作下紫花苜蓿、玉米、甜高粱的播種密度和行距同單作。于2016年10月2日播種紫花苜蓿，2016年10月6日和2017年10月2日播種小黑麥，2017年3月23日和2018年3月25日播種燕麥，2017年和2018年5月20日同時播種玉米和甜高粱。試驗期間不施用任何肥料，田間常規(guī)管理。

表1 供試品種及生育期Table 1 Tested varieties and growth period

1.4 測定指標與方法

1.4.1測定時期與測定位點 于紫花苜蓿的初花期(10%開花)進行刈割，共刈割5茬，分別是2018年5月1日(第1茬)、6月10日(第2茬)、7月15日(第3茬)、8月20日(第4茬)和10月1日(第5茬)。其中，5月1日同時進行了紫花苜蓿(第1茬)和小黑麥(抽穗期)的各指標測定，6月10日同時進行了紫花苜蓿(第2茬)和燕麥(抽穗期)的各指標測定，8月20日同時進行了紫花苜蓿(第4茬)和玉米(乳熟期)、甜高粱(乳熟期)的各指標測定。測定位點分別為單作禾本科帶、單作紫花苜蓿帶、間作禾本科帶以及間作紫花苜蓿帶。

1.4.2指標測定 根系參數：于2017年3月安裝CI-600植物根系監(jiān)測系統(tǒng)(美國CID，Inc)，在每個小區(qū)中安裝一根直徑10 cm、長100 cm的有機透明玻璃管(簡稱根管)，根管與地面角為45°，地下埋深約90 cm，管子露出地面約10 cm，不測量時蓋上蓋子，以防灰塵、水或降水和其他物體落入管中，同時保持管子內壁干凈，從而保證獲得清晰的圖片。根系掃描完成后，用WINRHIZO TRON 2009a軟件分析數據，導出數據后整理并通過函數計算得出最終數據，數據包括根長、根尖數、根表面積和根體積等。

碳、氮含量和碳、氮代謝關鍵酶：分別對4種禾本科牧草的功能葉(小黑麥和燕麥為旗葉、玉米和甜高粱為穗位葉)和紫花苜蓿功能葉[13](頂葉向下第3片完全展開的健康完整葉片)進行碳、氮含量和碳、氮代謝關鍵酶的測定。每小區(qū)于晴天上午9: 00-10: 00隨機測定5片葉片，重復3次。其中，采用Somogyi法[14]測定碳水化合物含量；采用半微量凱式定氮法[15]測定全氮含量；采用RuBP ELISA試劑盒(上海杰美科技有限公司)測定核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBPCase, μmol·g-1·min-1)活性；采用分光光度法[14]測定蔗糖磷酸合成酶(SPS, mg·g-1·h-1)活性；采用離體法[16]測定硝酸還原酶(NR, μg·g-1·h-1)活性；參照鄒琦[16]的方法測定谷氨酰胺合成酶(GS, μg·g-1·h-1)活性。

1.5 數據處理

用Excel 2007軟件整理試驗數據后，采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析(ANOVE)和Pearson相關性分析(雙側檢驗)。

2 結果與分析

2.1 4種間作模式下禾本科牧草和紫花苜蓿的根系特性

2.1.1禾本科牧草的根系特性 從根長和根表面積來看(圖1A,C)，在0～14 cm和28～42 cm土層中，只有小黑麥和燕麥間作下顯著高于單作(P<0.05)，在14～28 cm土層中4種禾本科牧草(小黑麥、燕麥、玉米、甜高粱)間作下根長和根表面積均顯著高于單作(P<0.05)；從根尖數和根體積來看(圖1B,D)，4種禾本科牧草各土層均顯著高于單作(P<0.05)。此外，從土壤剖面來看，根系主要分布在0～14 cm和14～28 cm，其次是28～42 cm。

圖1 4種間作模式下各土層禾本科牧草的根系特性Fig.1 Root system characteristics of gramineae grasses under 4 kinds of intercropping patterns in different soil layers MC:單作Monocropping; IC:間作Intercropping; T:小黑麥 Triticale; O:燕麥 Oat; M:玉米 Maize; S:甜高粱 Sweet sorghum。不同小寫字母表示同一土層不同種植模式之間差異顯著(P<0.05)，下同。Different lowercase letters indicate significant differences between different planting modes in the same soil layer (P<0.05), the same below.

2.1.2紫花苜蓿的根系特性 從根長、根表面積和根體積來看(圖2 A,C,D)，在0～14 cm和14～28 cm土層中，與小黑麥和燕麥間作下的紫花苜蓿與單作比無顯著性差異(P>0.05)，而與玉米和甜高粱間作下的紫花苜蓿則顯著低于單作(P<0.05)，而在28～42 cm土層中紫花苜蓿所有間作下與單作比無顯著性差異(P>0.05)；從根尖數來看(圖2B)，在3個土層中，與小黑麥和燕麥間作的紫花苜蓿與單作相比無顯著性差異(P>0.05)，而與玉米和甜高粱間作的紫花苜蓿顯著低于單作(P<0.05)；此外，從土壤的垂直分布來看，根系主要分布在14～28 cm范圍內，其次是0～14 cm，最后是28～42 cm。

圖2 4種間作模式下各土層紫花苜蓿的根系特性Fig.2 Root system characteristics of alfalfa under 4 kinds of intercropping patterns in different soil layers AM:紫花苜蓿單作Alfalfa monocropping; AI-T:與小黑麥間作的紫花苜蓿Alfalfa intercropping with triticale; AI-O:與燕麥間作的紫花苜蓿Alfalfa intercropping with oat; AI-M:與玉米間作的紫花苜蓿Alfalfa intercropping with maize; AI-S:與甜高粱間作的紫花苜蓿Alfalfa intercropping with sweet sorghum. 下同 The same below.

2.2 4種間作模式下禾本科牧草和紫花苜蓿的碳代謝特征

小黑麥、燕麥、玉米和甜高粱間作下RuBPCase活性與相應單作比分別增加了21.42%、20.89%、13.71%和11.79%，均呈顯著性差異(P<0.05)，其中小黑麥和燕麥間作下RuBPCase活性的增幅最大(>20%)(圖3A)。4種禾本科牧草間作下SPS活性和碳水化合物含量與單作比均無顯著性差異(P>0.05)(圖3B,C)；與小黑麥和燕麥間作下的紫花苜蓿其RuBPCase活性與單作比無顯著性差異(P>0.05)，而與玉米和甜高粱間作下分別比單作減少21.70%和24.38%，呈顯著性差異(P<0.05)(圖3D)；紫花苜蓿4種間作模式下SPS活性和碳水化合物含量均略低于單作，但并無顯著性差異(P>0.05)(圖3E,F)。

圖3 4種間作模式下禾本科牧草和紫花苜蓿的碳代謝特征Fig.3 Carbon metabolism characteristics of gramineae grasses and alfalfa under 4 kinds of intercropping patterns

2.3 4種間作模式下禾本科牧草和紫花苜蓿的氮代謝特征

小黑麥、燕麥、玉米和甜高粱間作下NR活性與相應單作比分別增加了24.54%、21.87%、12.87%和11.29%，均顯著高于單作(P<0.05)，其中小黑麥和燕麥間作下NR活性的增幅最大(>20%)(圖4A)； 4種禾本科牧草間作下GS活性和全氮含量均高于單作，但無顯著性差異(P>0.05)(圖4B,C)。紫花苜蓿間作下NR活性、GS活性和全氮含量均低于單作(圖4D～F)。其中，與小黑麥、燕麥間作下的紫花苜蓿與單作相比NR活性無顯著性差異(P>0.05)，而與玉米、甜高粱間作下與單作比分別降低了22.49%和25.85%，均顯著低于單作(P<0.05)；4種間作下的紫花苜蓿GS活性和全氮含量與單作相比均無顯著性差異(P>0.05)。

2.4 根系特性與碳、氮代謝特征之間的相關性

根系主要參數(根長、根尖數、根表面積、根體積)與碳、氮代謝主要指標(碳水化合物、RuBPCase、SPS、全氮、NR、GS)均呈正相關關系(表2)。其中，根長與RuBPCase和NR之間呈極顯著正相關關系(P<0.01)，相關系數分別達0.801和0.863，與SPS和GS之間呈顯著正相關關系(P<0.05)，相關系數分別是0.707和0.730。根表面積與RuBPCase和NR之間也呈極顯著正相關關系(P<0.01)，相關系數分別達0.864和0.894，與SPS和GS之間呈顯著正相關關系(P<0.05)，相關系數分別是0.716和0.763。

表2 根系特性與碳、氮代謝的相關性分析Table 2 Correlation analysis of root system characteristics and carbon and nitrogen metabolism

注：**代表相關極顯著(P<0.01)；*代表相關顯著(P<0.05)。

Note: ** indicate significant difference atP<0.01; * indicate significant difference atP<0.05.

3 討論與結論

植物根系作為提供養(yǎng)分和水分的“源”，其在介質中的延伸顯著影響著地上部分干物質的積累，地上部分代謝產物的形成和轉運也同時反饋到根系的生長特性上。Tjoelker等[17]、Withington等[18]和Freschet等[19]研究表明，在獲取和分配有限的環(huán)境資源方面，植物地上和地下部分之間存在較強的相關性。本研究中，根長、根表面積與RuBPCase活性呈極顯著正相關(P<0.01)，與SPS活性呈顯著正相關(P<0.05)，說明5種供試牧草的根系發(fā)育狀況直接影響光合碳代謝，Hou等[20]、汪順義等[21]和文蓮蓮等[22]在對甘薯(Dioscoreaesculenta)和番茄(Lycopersiconesculencum)的研究中也發(fā)現隨著根長的增加，RuBPCase和SPS活性均顯著提高。同時，本研究中，根長、根表面積與NR活性呈極顯著正相關(P<0.01)，與GS活性呈顯著正相關(P<0.05)，說明根長和根表面積對氮代謝也起到了積極的促進作用，王佳等[23]和宋淑英等[24]在對小麥(Triticumaestivum)根系的研究中也證實存在此現象。由此可見，無論是禾本科牧草還是豆科牧草，根長和根表面積與碳、氮代謝有著直接關系，根系的發(fā)育狀況直接決定了碳、氮代謝的活躍程度。

本研究采用了微根管觀測法對不同禾本科/豆科牧草間作模式下根系進行了研究，這種方法是由Bates[25]于1937年在對黑麥草根系進行研究時最早采用的，微根管法具有原位、定點、連續(xù)觀測、結果準確等優(yōu)點，是獲取根系構型和生長狀態(tài)的一種有效手段，可獲取植物根系分布及生長發(fā)育狀況、根長、根尖數等參數信息。近年來，這種方法得到了根系研究者的青睞，該技術逐漸在林地[26-27]、農田[28-29]和草地[30]等研究領域使用。并且在應用中不斷改進，不僅可以通過改進根管的埋設方式，利用長、短根管相結合的埋設方式加大根管的監(jiān)測范圍，還可通過調整根管的長度和直徑，使其適合大型深根植物的研究[29]，國外已經有利用超長根管(5～10 m)進行深層土壤養(yǎng)分和水分等的研究[31]。目前利用微根管法通過結合電子攝像技術或計算機斷層成像技術等其他技術手段，對根系的研究仍在進一步深化，尤其在對深層土壤養(yǎng)分、水分及其與植物、土壤微生物等的互作領域研究中。在本研究中應用的微根管法采用1 m的根管并結合計算機成像技術進行根系原位觀測和WINRHIZO TRON 2009a軟件進行后期圖像分析，最終得到根系特性相關數據，與傳統(tǒng)的破壞性根系研究法相比，本研究所用微根管法是在不影響植物正常生長的前提下對根系生長進行原位、無損、動態(tài)和連續(xù)的觀測，數據更為真實可靠，是目前根系原位研究最先進的方法。

本研究中，4種間作模式下禾本科牧草和豆科牧草的根系形態(tài)發(fā)生了改變，禾本科牧草的根長、根表面積等根系參數明顯優(yōu)化，而紫花苜蓿根系特性與單作相比表現不一，與玉米和甜高粱間作的紫花苜蓿其根系特性受到了明顯地抑制(顯著低于單作)，表現為競爭弱勢，而與小黑麥和燕麥間作的紫花苜蓿則未受影響，分析原因，可能是因為豆科/禾本科間作下，紫花苜蓿通過根瘤固氮及氮素轉移等作用促進禾本科氮素吸收，從而有利于禾本科牧草根系生長；另一方面，根的生長方式受基因控制，具有信號識別能力，單作下禾本科作物的根系會分布在原有區(qū)域，當發(fā)現異己植株時，禾本科植物為了占據更多的空間和吸收更多的養(yǎng)分，便生長出更多的根系，且根系有向豆科植物根系分布區(qū)域延伸和擴展的趨勢[12]，Hauggaard-Nielsen等[32]和李秋祝等[33]在豌豆(Pisumsativnm)/大麥(Hordeurnvulgare)和蠶豆(Vioiafaba)/玉米間作研究中也有相似的發(fā)現，說明間作體系中在營養(yǎng)吸收方面禾本科牧草較豆科牧草具有競爭優(yōu)勢，4種間作模式中紫花苜蓿/小黑麥和紫花苜蓿/燕麥2種間作模式在根系特性方面表現更佳。同時，本研究的4種間作模式下，禾本科牧草功能葉RuBPCase和NR活性與單作比均顯著性增加，而紫花苜蓿功能葉RuBPCase和NR活性與單作相比趨勢不盡相同，其中，與玉米和甜高粱間作的紫花苜蓿其RuBPCase和NR活性顯著低于單作，而與小黑麥和燕麥間作的紫花苜蓿則差異不顯著，唐秀梅等[34-35]在研究中也發(fā)現木薯(Manihotesculenta)/花生(Arachishypogaeo)間作系統(tǒng)中，木薯葉片碳、氮代謝關鍵酶均提高，而花生葉片則降低，這可能與高位作物(禾本科牧草)和低位作物(紫花苜蓿)對資源的占有和利用能力不同有關[36]，Keddy等[37]的研究表明，間作下不同的作物在獲取環(huán)境資源時存在競爭作用，通常葉面積較大及葉片位置較高的植物在競爭環(huán)境資源時處于競爭優(yōu)勢地位，因而具有競爭優(yōu)勢的作物代謝更為活躍，由此可見，間作體系中禾本科牧草的碳、氮代謝更加活躍與旺盛，并且紫花苜蓿/小黑麥和紫花苜蓿/燕麥這2種間作模式在碳、氮代謝方面表現更佳。此外，通過相關性分析發(fā)現，在本研究的單作和間作模式下，根系參數與碳、氮代謝各指標均呈正相關關系，表明根系特性與碳、氮代謝具有一致性。

本研究中，供試牧草根系特性和碳、氮代謝特征表現趨勢一致，在4種間作模式下均表現為禾本科牧草優(yōu)于豆科牧草；紫花苜蓿/小黑麥和紫花苜蓿/燕麥這2種間作模式下綜合表現最佳。