余 明,蔡金桓,薛 立

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院, 廣州 510642

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官[1],具有固定植物、保障其生長(zhǎng)發(fā)育和維持生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)等重要功能[2]。根系形態(tài)與功能之間的密切聯(lián)系能夠反映植物適應(yīng)土壤環(huán)境的策略,而細(xì)根形態(tài), 如根表面積、根長(zhǎng)和根半徑?jīng)Q定了植物爭(zhēng)奪土壤養(yǎng)分的能力,這不僅與植株自身的遺傳因素有關(guān), 且受到生境、外界干擾和土壤養(yǎng)分水平等因素的影響[3]。人類活動(dòng)使得氮沉降在過去的一個(gè)世紀(jì)顯著增加[4]。我國(guó)南方地區(qū)是氮沉降的一個(gè)重點(diǎn)區(qū)域[5],另一方面,亞熱帶陸地生態(tài)系統(tǒng)通常受磷限制,苗圃地經(jīng)常施磷肥以緩解磷元素的缺乏,因此氮沉降和磷添加會(huì)對(duì)幼苗根系形態(tài)產(chǎn)生重要影響。一些研究表明,土壤N的可利用性增加能夠改變細(xì)根形態(tài),如增加細(xì)根長(zhǎng)度和表面積等,從而促進(jìn)植物細(xì)根生長(zhǎng)[6,7],但也有不同的研究結(jié)果[8]。此外,有報(bào)道稱P流失會(huì)影響植物細(xì)根的形態(tài)結(jié)構(gòu)[9]。

林分密度能夠影響植物個(gè)體可獲取的資源數(shù)量,所以植物的生長(zhǎng)特征極易受到密度的制約[10]。目前對(duì)植物生理生態(tài)與種植密度的研究大多集中在地上部分,對(duì)植物根系部分的研究較少[11]。此外,營(yíng)養(yǎng)元素與林分密度的交互作用對(duì)植物影響的研究大多集中在氮素與密度的交互作用方面[12-13],關(guān)于植物根系形態(tài)對(duì)氮添加[14-15]及磷添加[16]的響應(yīng)也已有少量研究,但尚未見到磷添加和氮磷添加與密度交互作用對(duì)植物根系形態(tài)影響的報(bào)道。

樟樹(Cinnamomumcamphora)是亞熱帶地區(qū)廣泛種植的常綠喬木。前人對(duì)樟樹的研究主要集中在生理[17-18]、凋落物量[19-20]及分解[21]和土壤特性[22]等領(lǐng)域。作者以一年生樟樹幼苗為實(shí)驗(yàn)材料,研究氮磷添加和密度對(duì)樟樹幼苗根系形態(tài)的影響,旨在了解樟樹根系對(duì)氮沉降、磷添加和林分密度的響應(yīng)過程和機(jī)制,以期為全球變化背景下樟樹林生態(tài)系統(tǒng)的管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣東省廣州市華南農(nóng)業(yè)大學(xué)板栗園(113°21′E, 23°09′N),屬亞熱帶季風(fēng)氣候,全年水熱同期,降雨量豐富。平均氣溫為21.9℃,平均相對(duì)濕度77%,年降雨量約為1736 mm,4至6月為雨季,7至9月天氣炎熱,3月、10月和11月氣溫適中,12至2月為溫暖冬季。試驗(yàn)地光線充足,適合幼苗的生長(zhǎng),土壤類型為砂頁巖發(fā)育的酸性紅壤,土壤的磷含量較低[23]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為廣東省國(guó)森苗圃提供的2016年3月播種的樟樹實(shí)生苗,幼苗平均株高為0.47 m,平均地徑為0.36 cm,平均冠幅為11.1 cm。采用直徑35 cm,深30 cm無紡布美植袋種植,基質(zhì)為該試驗(yàn)地0—20 cm土層的土壤。由于大氣氮沉降中近3/4為銨態(tài)氮,本試驗(yàn)選擇氯化銨(NH4Cl)模擬大氣氮沉降,并且以二水合磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O)模擬磷添加。我國(guó)華南地區(qū)氮沉降量約為4 g m-2a-1[5,24],由于未來的N沉降持續(xù)增加,本研究的氮和磷添加量根據(jù)樣地的氮沉降水平背景值以及參考同類研究方法[25,26],模擬飽和N沉降水平,添加NH4Cl 40 g m-2a-1,磷添加量為NaH2PO4·2H2O 20 g m-2a-1。

試驗(yàn)時(shí)間為2017年6到9月,采用4×4雙因素析因設(shè)計(jì)。氮磷處理設(shè)置4 個(gè)水平：不加N和P(ck),加N,加P,加N和P。N、P及N+P的添加量分別為NH4Cl 40 g m-2a-1,NaH2PO4·2H2O 20 g m-2a-1,NH4Cl 40 g m-2a-1+ NaH2PO4·2H2O 20 g m-2a-1。種植密度設(shè)置4個(gè)水平：10株/m2(密度I)、20株/m2(密度II)、40株/m2(密度III)和80株/m2(密度IV)。相同種植密度的試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),共16個(gè)處理,3次重復(fù),48個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)16株幼苗。根據(jù)處理水平的要求,氮磷添加時(shí),將各處理每次所需質(zhì)量的肥料溶于12升的水中,向每袋的幼苗澆灌200 mL溶液,保證不會(huì)引起燒苗的現(xiàn)象。不施肥處理的只澆灌相同量的水。自6月起每月月初和月中分2次向幼苗施肥直至收獲,共施肥8次。處理前后的土壤pH值及養(yǎng)分狀況見表1。

表1 處理前和處理后的土壤pH值及養(yǎng)分狀況(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)結(jié)束時(shí),各處理分別選取4株幼苗,將根系與地上部分分離,用去離子水將根系表面上的土壤顆粒及其他雜質(zhì)清洗干凈,將幼苗的完整根系放入已編號(hào)密封袋里,立即將其放置在溫度為-4 ℃的冰箱內(nèi)保存。

處理前,將根系樣品從冰盒中取出。用根系掃描儀(中晶ScanMaker i800 Plus)對(duì)根系進(jìn)行掃描成像, 利用圖像分析軟件(萬深LA-S,)和植物根系分析系統(tǒng)(杭州萬深檢測(cè)科技有限公司)對(duì)微細(xì)根(根莖 ≤ 2 mm)的形態(tài)特征進(jìn)行分析, 得到細(xì)根總長(zhǎng)度、根系表面積、根系體積和根尖數(shù)等數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SAS 9.3統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)植物根系形態(tài)進(jìn)行Duncan多重比較,Microsoft Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差分析和作圖。

2 結(jié)果分析

2.1 幼苗的細(xì)根長(zhǎng)度

在達(dá)到10株/m2(密度I)的種植密度后,隨著種植密度增加,幼苗細(xì)根長(zhǎng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖1)。在同一密度下,N、P、N+P處理對(duì)幼苗細(xì)根長(zhǎng)度的整體表現(xiàn)為促進(jìn)作用。與ck相比,N、P和N+P處理的種植密度I幼苗的細(xì)根長(zhǎng)度分別增加了56.53%、24.12%、93.90%,種植密度II的幼苗分別增加了40.61%、40.24%、144.41%,種植密度III的幼苗分別增加了165.68%、222.38%、304.57%,種植密度IV的幼苗下分別增加了267.62%、319.16%、267.93%。總體而言,N+P處理對(duì)幼苗細(xì)根的促進(jìn)效果最佳。

圖1 不同密度和處理下樟樹幼苗的細(xì)根長(zhǎng)度Fig.1 Root length of Cinnamomum camphora seedlings under different densities and treatments不同小寫字母表示差異顯著，P<0.05

2.2 幼苗的細(xì)根表面積

在達(dá)到10株/m2的種植密度后,幼苗的細(xì)根表面積隨著種植密度的增加而減小(圖2)。與ck相比,N、P和N+P處理的種植密度I幼苗的細(xì)根表面積分別增加了56.07%、26.51%、87.26%,種植密度II的幼苗分別增加了40.25%、44.47%、135.62%,種植密度III的幼苗分別增加了165.90%、220.12%、303.05%,種植密度IV的幼苗分別增加了199.54%、213.31%、207.97%。整體上,氮磷添加處理促進(jìn)了幼苗細(xì)根表面積的增加,其中N+P的效果最好。

圖2 不同密度和處理下樟樹幼苗的細(xì)根表面積Fig.2 Root surface area of Cinnamomum camphora seedlings under different densities and treatments

2.3 幼苗的細(xì)根體積

達(dá)到10株/m2(密度I)的種植密度后,細(xì)根體積隨著幼苗種植密度的增加而減小(圖3)。相同密度的N、P和N+P處理與ck相比,種植密度I的幼苗細(xì)根體積分別增加了55.16%、28.43%、82.16%,種植密度II的幼苗分別增加了39.70%、48.48%、128.25%,種植密度III的幼苗分別增加了168.35%、220.10%、305.06%,種植密度IV的幼苗分別增加了211.35%、202.98%、229.24%。總體而言,N、P和N+P處理均有利于幼苗細(xì)根體積的增大,其中N+P處理對(duì)幼苗細(xì)根體積的促進(jìn)作用較強(qiáng)。

圖3 不同密度和處理下樟樹幼苗的細(xì)根體積Fig.3 Root volume of Cinnamomum camphora seedlings under different planting densities and treatments

2.4 幼苗的細(xì)根根尖數(shù)

在達(dá)到10株/m2(密度I)的種植密度后,幼苗細(xì)根根尖數(shù)隨著種植密度的增大而減少(圖4)。N、P、N+P處理對(duì)同一密度幼苗的細(xì)根根尖數(shù)的整體表現(xiàn)為促進(jìn)作用。與ck相比,N、P和N+P處理的種植密度I的幼苗細(xì)根根尖數(shù)分別增加了68.20%、42.40%、69.35%,種植密度II的幼苗分別增加了81.7%、75.61%、150.00%,種植密度III的幼苗分別增加了132.14%、144.05%、255.36%,種植密度IV的幼苗分別增加了108.73%、145.78%、139.76%。除了高密度外,N+P處理的幼苗細(xì)根根尖數(shù)最多。

圖4 不同密度和處理下樟樹幼苗的細(xì)根根尖數(shù)Fig.4 Root tips of Cinnamomum camphora seedlings under different densities and treatments

2.5 密度和氮磷處理交互作用對(duì)細(xì)根各項(xiàng)指標(biāo)的影響

由表2可知,樟樹幼苗的細(xì)根長(zhǎng)度、表面積、體積和根尖數(shù)在各密度間和不同氮磷添加處理間均有顯著性差異,密度和氮磷處理間的交互作用對(duì)根系形態(tài)各指標(biāo)均沒有顯著影響。

表2 不同處理和密度對(duì)幼苗細(xì)根形態(tài)的交互作用

3 討論

土壤氮磷含量是植物生長(zhǎng)的限制因素,施加氮磷肥能夠維持和促進(jìn)植物的快速生長(zhǎng)[7]。也有研究認(rèn)為N沉降會(huì)引起土壤酸化以及重金屬離子的活化,導(dǎo)致植物細(xì)根形態(tài)特征受到危害[27,28],抑制植物細(xì)根的生長(zhǎng)。而另一些研究則認(rèn)為氮磷添加對(duì)細(xì)根形態(tài)未產(chǎn)生顯著影響[6,29,30]。這可能是因?yàn)榈两低ㄟ^改變土壤狀況來影響根系特征,且并存多種影響機(jī)制,這導(dǎo)致了不同物種和不同區(qū)域植被根系對(duì)N沉降響應(yīng)的差異。另外,N 添加對(duì)根系形態(tài)的影響還可能取決于土壤環(huán)境對(duì)N 添加的響應(yīng)強(qiáng)度[31]。在本研究中, 氮濃度與根系生長(zhǎng)之間關(guān)系密切,磷添加對(duì)樟樹幼苗細(xì)根形態(tài)也有明顯的促進(jìn)效果。相比于對(duì)照,氮和磷添加均能促進(jìn)植物的細(xì)根顯著伸長(zhǎng),并且能使植物獲得更大的細(xì)根長(zhǎng)度、細(xì)根表面積、細(xì)根體積和根尖數(shù)。這可能是因?yàn)镹的輸入提高了土壤養(yǎng)分水平[32]和植物凈初級(jí)生產(chǎn)力[33],有利于植物生物量的積累[34],進(jìn)而對(duì)幼苗細(xì)根形態(tài)各參數(shù)產(chǎn)生促進(jìn)作用。試驗(yàn)地土壤中的磷素較為缺乏,磷添加處理有利于促進(jìn)土壤的氮磷平衡,緩解土壤磷的限制并提高氮素的利用效率,從而促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育。

細(xì)根長(zhǎng)度能夠反映植物根系吸收養(yǎng)分的效率[35]。普遍認(rèn)為,外源性N和P會(huì)改變植物的根系系統(tǒng)的生長(zhǎng)形態(tài)、生物量及生理活性以適應(yīng)土壤養(yǎng)分的變化[31],是植物獲取土壤有效養(yǎng)分資源的生存策略[36]。Noguchi等[37]的研究結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,施氮肥促進(jìn)了植物細(xì)根伸長(zhǎng)率。陳海波等[38]的研究也發(fā)現(xiàn),N添加增加了水曲柳(Fraxinusmandschurica)苗木細(xì)根長(zhǎng)度的生長(zhǎng)。也有研究認(rèn)為模擬氮沉降會(huì)降低細(xì)根的生物量,因?yàn)橹参锔狄@取氮必須消耗大量的碳來進(jìn)行交換[39]。本研究中,模擬氮磷沉降處理促進(jìn)了幼苗細(xì)根長(zhǎng)度的增長(zhǎng),其中N+P處理優(yōu)于其余處理。這可能是因?yàn)檎翗溆酌缣幱谕⑸L(zhǎng)期,對(duì)土壤氮的需求較大,所以施氮處理促進(jìn)了根系的生長(zhǎng)[40]。此外,在土壤養(yǎng)分較為缺乏的情況下,通過促進(jìn)土壤有效養(yǎng)分的增加可以加快細(xì)根的生長(zhǎng)速率,從而產(chǎn)生不同的分支結(jié)構(gòu)以適應(yīng)環(huán)境變化[41],且N+P處理能同時(shí)向土壤中輸入N和P,有效的緩解幼苗所受的N和P限制,從而促進(jìn)植物根系的生長(zhǎng)以吸收更多的養(yǎng)分。植物細(xì)根長(zhǎng)度越大表明其不僅側(cè)根水平穿插范圍廣,還可以往土壤更深處扎根,從而吸收更大范圍的土壤表層和更深土層的養(yǎng)分[32]。

根系的表面積是植物細(xì)根的重要指標(biāo),根尖具有吸收功能,而根的體積與維持植物生長(zhǎng)相關(guān)[6],均反映根系的發(fā)達(dá)程度,且能夠影響植物對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收利用,是保證植物健康生長(zhǎng)的重要因素之一[42]。閆小莉等[43]的研究報(bào)道,施肥能夠促進(jìn)歐美108楊(Populus×euramericanacv．‘Guariento’)的細(xì)根表面積和體積的增長(zhǎng)。本研究中,氮磷添加處理也促進(jìn)了樟樹幼苗細(xì)根體積、表面積和根尖數(shù)的增大,且N+P處理的效果優(yōu)于單一N或P處理。因?yàn)橥庠葱责B(yǎng)分輸入能夠提高土壤養(yǎng)分有效性,從而影響細(xì)根的生產(chǎn)和生物量的累積,并且N和P共同輸入有利于土壤有效養(yǎng)分的平衡,促進(jìn)細(xì)根的生長(zhǎng),進(jìn)一步增大其吸收利用水分和養(yǎng)分范圍。根尖數(shù)的明顯增加可能是根中的細(xì)胞分裂素增加而產(chǎn)生的結(jié)果[44]。

植物根系部分對(duì)地下土壤養(yǎng)分資源的競(jìng)爭(zhēng)是自然界中的普遍現(xiàn)象,甚至比地上部分的競(jìng)爭(zhēng)更激烈[45]。有研究表明,種植密度對(duì)北京側(cè)柏(Platycladusorientalis)人工林根系形態(tài)產(chǎn)生顯著影響[34]。本研究表明,隨著種植密度的增加,N、P和N+P處理的幼苗細(xì)根長(zhǎng)度、表面積、體積和根尖數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由此可見,幼苗間的競(jìng)爭(zhēng)情況隨著種植密度的增加而愈加激烈,高種植密度縮小了幼苗獲取養(yǎng)分資源的空間,從而導(dǎo)致單株幼苗的養(yǎng)分吸收不足,抑制了幼苗細(xì)根的生長(zhǎng)。此外,由于氮磷添加處理可以向幼苗土壤提供養(yǎng)分,在一定程度上緩解了株間競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度,所以N、P和N+P處理的幼苗細(xì)根形態(tài)指標(biāo)在高密度時(shí)優(yōu)于ck。也有研究表明,植物根系的生長(zhǎng)與分布狀況受土壤N的影響較大[33]。但是本研究中,只有在低種植密度下,N和N+P處理的幼苗細(xì)根生長(zhǎng)形態(tài)優(yōu)于P處理,在高種植密度下其優(yōu)勢(shì)不明顯。這可能是因?yàn)楦叻N植密度幼苗對(duì)養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈,而本試驗(yàn)地區(qū)土壤的磷含量較低,不足以維持和促進(jìn)幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育,而補(bǔ)充的氮素進(jìn)一步加劇了P的匱乏程度[46],從而限制了根系的生長(zhǎng)。

本研究表明,氮磷添加對(duì)細(xì)根形態(tài)具有顯著正效應(yīng), 密度對(duì)細(xì)根形態(tài)具有顯著負(fù)效應(yīng),而氮磷添加和密度的交互作用對(duì)細(xì)根形態(tài)沒有顯著影響,說明密度消除了氮磷添加對(duì)細(xì)根形態(tài)的正效應(yīng)。華南地區(qū)的土壤缺磷,植物的生長(zhǎng)和發(fā)育通常受到磷的限制,氮和磷的添加處理增加了土壤有效P的含量,促進(jìn)了根系生長(zhǎng)發(fā)育。隨著種植密度的增大, ck、N和N+P處理下幼苗土壤有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),且高種植密度減少了幼苗根系生長(zhǎng)發(fā)育的空間,抑制了幼苗細(xì)根的生長(zhǎng),消除了因土壤養(yǎng)分增加而促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育的正效應(yīng)。