揚 帆，南宏偉，高 尚，王雪劍，張 萌，劉衛(wèi)敏

（山西農(nóng)業(yè)大學 林學院，山西晉中 030801）

森林中，競爭是兩個及兩個以上物種為爭奪有限資源進行的生態(tài)活動[1-2]，是影響林木生長發(fā)育、群落功能結構乃至森林演替活動的重要因素[3]。植物通過競爭不斷擴大自身占有的生長空間，增加對資源空間和數(shù)量的可利用性，擴大對周圍林木的影響強度和范圍。植物競爭從組分角度可分為地上和地下競爭兩部分[4]，地上競爭（樹冠競爭）是指植物葉片對有效光資源的競爭，地下競爭（根系競爭）是指根系對土壤養(yǎng)分及水資源的競爭，實質上是地上和地下競爭的綜合反映[5-6]。

裴麗梅等[7]研究表明，弱光條件下打碗花（Calystegia hederacea）的地上競爭強度顯著強于強光。劉寶等[8]研究表明，隨苗木間距增大，閩楠（Phoebe bournei）苗木地上競爭增強，地下競爭減弱，且地上競爭對閩楠苗木的總競爭有重要影響。根系在地下的分布錯綜復雜，難以分析其分布規(guī)律，因此，對地下部分的研究較少。現(xiàn)有研究表明，地下競爭在水曲柳（Franixus mandshurica）苗木的總競爭中占重要地位[9]；植物的地下競爭指數(shù)隨土層深度的增加而減小[10]。植物根系作為植物從外界吸收水分和養(yǎng)分的主要途徑，其對水分和營養(yǎng)物質的吸收能力直接影響地上與地下碳的分配格局，進而影響森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。因此，在植物競爭過程中研究地下競爭對植物的影響、地下與地上競爭交互作用及其相對重要性，對揭示競爭機理有重要意義。

前人[6,7,9,11]在研究競爭對植物葉片和根系的影響時，主要利用生物量對競爭強度進行衡量，對地上與地下競爭對植物的影響進行量化。但在進行根系生物量測定時，只能粗略地依據(jù)根系直徑對地下部分進行區(qū)分（細根＜2 mm、小根2 ～5 mm 和中根＞5 mm），不能對根系進行精確分級，不利于根序的深入研究。隨著技術的進步，對根系形態(tài)的研究可借助精密分析軟件進行[2,12]，根系分級精度得到提高，便于對地下根系進行精細研究。

油松（Pinus tabuliformis）和云杉（Picea asperata）是我國北方天然林的優(yōu)勢樹種，其涵養(yǎng)水源、保持水土和固碳釋氧等生態(tài)服務功能對維持華北地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定有重要作用[13]。土壤養(yǎng)分在一定程度上影響植物間的個體競爭[14]。本研究基于形態(tài)學，以3年生油松和云杉幼苗為研究對象，探究不同養(yǎng)分濃度水平下地下競爭對二者葉片和根系的影響，分析地下競爭對油松和云杉幼苗形態(tài)的影響、地下和地上競爭的協(xié)同作用及地下與地上競爭對油松和云杉幼苗的相對重要性，旨在為針葉混交林幼苗撫育和管理提供理論基礎和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省呂梁市龐泉溝自然保護區(qū)（111°29′E，37°49′N），海拔1 758 m。該地屬暖溫帶季風大陸性氣候，夏季短暫多雨，冬季干燥寒冷，早晚溫差大；年均氣溫4.5 ℃，年均降水量600 ～800 mm，年均蒸發(fā)量1 268 mm，年均空氣相對濕度70%，年均無霜期100 ～125 天。喬木主要有云杉、油松、白樺（Betula platyphylla）和遼東櫟（Quercus mongolica）等；灌木主要有沙棘（Hippophae rhamnoides）、黃刺玫（Rosa xanthina）和三裂繡線菊（Spiraea trilobata）等；草本植物主要有山蒿（Artemisia brachyloba）和細葉薹草（Carex duriusculasubsp.stenophylloides）等。土壤母質為風積黃土，林下土壤多為淋溶褐土，pH為5.93 ～8.13[15]。

1.2 研究方法

1.2.1 供試材料

試驗材料為3年生油松和云杉幼苗；幼苗長勢良好，株高和地徑基本一致，源于同一種批。

競爭草本為草地早熟禾（Poa pratensis），此草本與目標植物大量伴生且蓋度較高[16]，草種千粒重約為6 ～8 g，發(fā)芽率90%以上。

肥料為進口緩釋奧綠復合肥（N∶P∶K = 15∶9∶11），肥效11 ～14個月，滿足本試驗需求。

試驗所需土壤為試驗地天然油松林與云杉林林下土。在油松和云杉純林中，分別挖取林下0 ～15 cm 表層土壤，去除較大雜物（小的石塊、動植物殘體等）后，將土翻拌均勻并過2 mm 篩，充分混勻，確保養(yǎng)分條件一致。土壤總氮含量為0.24 g/kg，總磷含量為0.05 g/kg，速效氮含量為19.42 mg/kg，速效磷含量為3.76 mg/kg，速效鉀含量為123.42 mg/kg。將土壤裝入由37.5 cm×37.5 cm×30.0 cm PVC板組成的特制花盆中，將花盆置于林下的裸露地帶。

1.2.2 試驗設計

采用完全隨機試驗設計。2015年5月，為量化根系競爭在幼苗地上、地下競爭效應中的貢獻，設置4 種競爭處理，分別為無競爭（NN）、地上競爭（SN）、地下競爭（RN）和地上＋地下競爭（AN）。設置兩個施肥梯度，分別為低濃度（4 g/m2）和高濃度（24 g/m2）[11,17]。共8 個處理，每處理6 次重復。每個樹種48盆，共計96盆。

NN 處理既無樹冠競爭，也無根系競爭（圖1a）。AN 處理既有地上競爭，又有地下競爭；將目標苗移栽在花盆中央，在幼苗周圍撒播競爭草草種，并在草種上方覆蓋一層薄土；為保持競爭強度一致，每盆內(nèi)均勻播撒草種13 g（圖1b）。SN 處理只有地上競爭，無地下競爭；在AN 處理的基礎上，用高30 cm、半徑5 cm的PVC管將目標苗根系與草本根系分開，PVC 管底部墊放棉紗布，去除地下競爭的影響（圖1c）。RN 處理只有地下競爭，無地上競爭；在AN 處理的基礎上，將目標苗與競爭草的地上部分用鐵絲網(wǎng)隔開，去除地上競爭的影響（圖1d）。

圖1 競爭處理Fig.1 Competitive treatments

1.2.3 苗木管理

幼苗生長期內(nèi)定期澆水，保證目標苗正常的水分需求。定期除草，保證NN 處理無任何雜草影響。競爭草本生長較快，高于目標苗時會影響目標苗的光合能力，產(chǎn)生地上競爭，因此，定期將RN 處理中長高的草本撥出鐵絲網(wǎng)，以免草本對目標苗的地上部分產(chǎn)生影響。花盆底部墊放塑料薄膜，防至土壤養(yǎng)分流失。

1.2.4 樣品采集與處理

2018年10月，將完整的植株地上部分剪下裝入自封袋中，存放于裝有冰塊的4 ℃保溫盒中。將地下部分土塊整塊挖出后，小心仔細地清洗附著于根系表面的泥土、動植物殘體等雜物，將根系分別編號裝入自封袋中帶回實驗室。在實驗室中，用蒸餾水進一步清洗帶回的根系，并挑揀和區(qū)分。草地早熟禾根系為白色，須根根系長且稠密，有韌勁，不易斷；目標苗根系為深棕色鱗狀，根系較脆，易斷，進行根系處理時需仔細，以免損壞根系。將收集的完整根系放入4 ℃冰箱內(nèi)低溫保存，備用[12]。

1.2.5 指標測定及計算

依據(jù)根系直徑，利用電子游標卡尺（精確至0.01 cm）將清洗干凈的油松和云杉根系劃分為細根（＜2 mm）和小根（2 ～5 mm）；將分級后的根系樣品放入恒溫烘箱中，105 ℃殺青2 h，70 ℃烘48 h 至恒重，稱量生物量。

將幼苗葉片樣品置于EPSON Perfection V800中，獲取葉片形態(tài)指標；利用專業(yè)分析軟件Win RHIZO 計算葉片表面積。將完成分級的根系樣品置于EPSON Perfection V800中，獲取根系形態(tài)指標；利用專業(yè)分析軟件Win RHIZO 計算根系的長度和表面積，包括小根和細根，并將細根分為3個亞徑級（0 ～0.5、0.5 ～1.0 和1.0 ～2.0 mm）。葉片和根系形態(tài)指標包括葉片表面積、比葉面積、根長、根表面積、比根長和根系比表面積。

1.3 數(shù)據(jù)處理

植物競爭組分（地上競爭、地下競爭）效應的數(shù)學模型[14]：

式中，Yijk為實際觀察值；μ為參照水平；αi為地上競爭效應；βj為地下競爭效應；αi βj為地上與地下競爭交互作用的效應；εijk為樣本隨機誤差。

依據(jù)上述模型，地下競爭效應等價于地下競爭效應與無競爭效應的差值，亦等價于地上競爭效應與總競爭效應的差值；檢驗兩種計算方法計算出來的地下競爭效應是否有差異，確定地上與地下競爭是否存在協(xié)同作用。

采用SPSS 25.0 軟件進行雙因素方差分析（Two-way ANOVA），并采用LSD 法進行多重比較分析；采用Excel 16.0 軟件進行數(shù)據(jù)處理；采用Graph-Pad Prism8軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 地下競爭對油松和云杉幼苗葉片形態(tài)的影響

競爭處理對油松葉片表面積影響極顯著（P＜0.001），對云杉葉片表面積影響顯著（P＜0.05）；施肥濃度與競爭處理的交互作用對油松比葉面積影響顯著（P＜0.05）；施肥濃度對油松和云杉的葉片形態(tài)影響不顯著（表1）。

表1 油松和云杉幼苗葉片形態(tài)指標的方差分析Tab.1 Variance analysis on leaf morphological indexes of P.tabuliformis and P.asperata seedlings

地下競爭對油松和云杉的葉片表面積影響顯著（P＜0.05），對比葉面積影響不顯著（圖2）。與NN 處理相比，油松葉片表面積在低濃度水平RN 處理下減少6.83%，在高濃度水平RN 處理下減少18.65%；云杉葉片表面積在低濃度水平RN 處理下增加3.77%，在高濃度水平RN處理下增加1.03%。

圖2 地下競爭對油松和云杉幼苗葉片形態(tài)的影響Fig.2 Effects of underground competition on leaf morphology of P.tabuliformis and P.asperata seedlings

2.2 地下競爭對油松和云杉幼苗根系形態(tài)的影響

地下競爭對油松小根根長和表面積均影響顯著（P＜0.05），對云杉小根根長、表面積、比根長和比表面積均影響顯著（P＜0.05）；施肥濃度對云杉小根根長、比根長和比表面積均影響顯著（P＜0.05）（圖3）。與NN 處理相比，油松小根根長和表面積在低濃度水平RN 處理下分別減少21.18%和21.06%，在高濃度水平RN 處理下分別減少11.71%和18.79%；云杉小根根長、表面積、比根長和比表面積在低濃度水平RN 處理下分別減少22.61%、24.62%、5.54%和5.95%，在高濃度水平RN 處理下分別減少4.12%、4.87%、11.03%和11.24%。在NN 和RN 處理下，高濃度施肥處理下云杉的小根根長、比根長和比表面積均低于低濃度施肥處理。

圖3 地下競爭對油松和云杉幼苗小根形態(tài)的影響Fig.3 Effects of underground competition on small root morphology of P.tabuliformis and P.asperata seedlings

地下競爭對油松細根根長、表面積和比表面積均影響顯著（P＜0.05），對云杉細根表面積影響顯著（P＜0.05）；施肥濃度對所有指標均無顯著影響（圖4）。與NN 處理相比，油松細根根長、表面積和比表面積在低濃度水平RN 處理下分別減少0.62%、0.54%和2.52%，在高濃度水平RN 處理下分別減少12.13%、16.42%和2.52%；云杉細根表面積在低濃度水平RN 處理下減少4.25%，在高濃度水平RN 處理下減少6.89%。

圖4 地下競爭對油松和云杉幼苗細根形態(tài)的影響Fig.4 Effects of underground competition on fine root morphology of P.tabuliformis and P.asperata seedlings

細根亞徑級根的形態(tài)指標可通過EPSON Perfection V800 掃描后經(jīng)Win RHIZO 軟件進行分析得到其根長和表面積，但人工不能精準地對0 ～2 mm的細根進行進一步的分級，生物量獲取有難度，不能計算比根長和比葉面積，因此只對其根長和根表面積進行分析。施肥濃度僅對云杉1.0 ～2.0 mm 細根根長影響顯著（P＜0.05）；競爭處理除對云杉0 ～0.5 和0.5 ～1.0 mm 細根根長影響不顯著外，對油松和云杉其他亞徑級根系形態(tài)指標均影響顯著（P＜0.05），競爭處理顯著減少云杉和油松各亞徑級細根根長和表面積（圖5）。

圖5 地下競爭對油松和云杉幼苗亞徑級細根形態(tài)的影響Fig.5 Effects of underground competition on sub-diameter fine root morphology of P.tabuliformis and P.asperata seedlings

2.3 地下與地上競爭協(xié)同作用的檢驗

樹種對葉片表面積影響顯著（P＜0.05），對比葉面積影響不顯著（表2）。相同施肥濃度下，油松和云杉葉片表面積差異顯著（P＜0.05）；云杉葉片表面積在低濃度下比油松高出1.57%，在高濃度下高出3.37%；不同施肥濃度下，油松和云杉的葉片比葉面積差異不顯著（圖6）。

圖6 樹種和施肥濃處理對葉片形態(tài)的影響Fig.6 Effects of tree species and fertilizer concentrations on leaf morphology

表2 兩種地下競爭效益形態(tài)指標方差分析Tab.2 Variance analysis on morphological indexes of benefits of two underground competitions

樹種對細根根長影響顯著（P＜0.05），對細根比表面積和細根比根長影響極顯著（P＜0.001）（表2）。相同施肥濃度下，油松和云杉的細根根長、比根長和比表面積均差異顯著（P＜0.05）；云杉細根根長、比根長和比表面積在高濃度下分別比油松高出4.07%、0.06% 和0.89%，在低濃度下分別高出4.80%、2.71%和6.75%（圖7）。施肥濃度對小根比表面積和細根表面積均影響顯著（P＜0.05）；高濃度下油松和云杉的小根比表面積分別比低濃度高出6.02%和0.72%；高濃度下油松和云杉的細根表面積分別比低濃度高出14.65%和6.51%（圖7 ～8）。施肥濃度和樹種的交互作用對細根比表面積影響顯著（P＜0.05），即地上與地下競爭的交互作用存在。

圖7 樹種和施肥濃度處理對細根形態(tài)的影響Fig.7 Effects of tree species and fertilizer concentrations on fine root morphology

圖8 樹種和施肥濃度對小根形態(tài)的影響Fig.8 Effects of tree species and fertilizer concentrations on small root morphology

相同施肥濃度下，云杉0 ～0.5 mm 細根根長及表面積與油松差異顯著（P＜0.05）（圖9）。云杉0 ～0.5 mm 細根根長和表面積在高濃度下分別比油松高出2.90%和6.53%，在低濃度下分別高出1.02%和7.83%。

圖9 樹種和施肥濃度處理對細根各亞徑級根形態(tài)的影響Fig.9 Effects of tree species and fertilizer concentrations on sub-diameter fine root morphology

2.4 地下與地上競爭對油松和云杉幼苗生長的相對重要性

樹種對細根比表面積和比根長影響顯著（P＜0.05）（表3）。云杉細根比根長和細根比表面積在低濃度下分別比油松高出11.38%和26.39%，在高濃度下分別高出80.99%和8.04%（圖10）。地上與地下競爭對幼苗其他形態(tài)基本無顯著影響，即地下和地上競爭對幼苗葉片和根系形態(tài)同等重要。

圖10 樹種和施肥濃度對油松和云杉幼苗細根形態(tài)的影響Fig.10 Effects of tree species and fertilizer concentrations on fine root morphology of P.tabuliformis and P.asperata seedlings

表3 油松和云杉幼苗生長相對重要性方差分析Tab.3 Variance analysis on relative importance of growths of P.tabuliformis and P.asperata seedlings

3 討論與結論

3.1 地下競爭對葉片形態(tài)的影響

植物主要依靠葉片進行光合作用將養(yǎng)分運輸?shù)礁鱾€營養(yǎng)器官。葉片性狀不僅可以影響植物獲取資源的能力，還可以反映物種在生長過程中對環(huán)境變化和資源搶奪的響應[18]。當發(fā)生地下競爭時，云杉葉片表面積顯著增加，葉片對競爭環(huán)境的適應機制發(fā)揮作用，通過增加葉片表面積提高葉片光合能力，以此來適應競爭環(huán)境。油松則相反，這可能是由于根系競爭強度增加，根系對土壤養(yǎng)分吸收量下降，供應給地上部分的氮含量也相應下降，降低了葉片光合能力。在培育油松苗時，需清理雜草，降低競爭對幼苗的影響。

3.2 地下競爭對根系形態(tài)的影響

植物對土壤養(yǎng)分的獲取主要依賴根系的結構和形態(tài)。根長作為植物地下部分最直觀的形態(tài)性狀，決定植物根系能延伸到的土壤深度，對植物獲取土壤資源的能力產(chǎn)生直接影響。Zamora 等[19]研究表明，植物可通過增加根長減少外界對自身的競爭壓力，這種行為變化有利于植物獲取更多養(yǎng)分和水分，尤其是在干旱期，植物能獲得更大的競爭優(yōu)勢。本研究結果顯示，油松在地下競爭的過程中，其小根和細根根長均顯著減少，不利于幼苗對養(yǎng)分與水分的吸收?？赡苁怯捎诓荼局参锔捣敝晨?、分支多，具有較強競爭力，影響油松幼苗根系的生長發(fā)育。有地下競爭時，云杉小根根長、比根長和比表面積在高濃度施肥處理下均顯著低于低濃度施肥處理，可能是由于高濃度施肥水平加劇草本植物與目標苗根系對養(yǎng)分的競爭，抑制幼苗生長，施肥對根系形態(tài)指標產(chǎn)生影響[16]。相同施肥濃度下，云杉細根根長、比根長和比表面積及0 ～0.5 mm 細根根長和表面積均顯著高于油松，表明在同等條件下，云杉的適應能力高于油松，對外界環(huán)境具有較強的適應性。

幼苗在生長初期主要是吸收養(yǎng)分和水分以供自身生長發(fā)育所需，細根是林木吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，小根主要起到支撐作用，在資源不足的情況下，幼苗優(yōu)先選擇發(fā)育細根，減少小根生長[20-21]。本研究結果顯示，根系間發(fā)生養(yǎng)分競爭時，云杉小根根長顯著變短，細根根長無顯著變化，此行為可能是云杉為應對競爭環(huán)境做出的適應性生長，提高幼苗對土壤養(yǎng)分的吸收與轉換，促進幼苗生長。

3.3 地下與地上競爭的交互作用檢驗

當植物在僅發(fā)生地上或地下競爭條件下引起的競爭效果之和大于（或小于）植物在地上+ 地下競爭條件下的競爭效果時，表明地上與地下競爭間存在交互作用[22]。本研究在此基礎上通過比較（地下競爭-無競爭）與（地上競爭-總競爭）兩種地下競爭效益值來反映地下與地上競爭間的交互作用。兩種地下競爭效益值差異顯著，表明地上與地下競爭存在交互作用，反之二者間無交互作用。本研究結果表明，兩種地下競爭效益值間差異顯著，即地上與地下競爭存在顯著的交互作用，且二者的交互作用對細根比表面積產(chǎn)生顯著影響。二者間交互作用的大小還需在后續(xù)研究中繼續(xù)探索，以期為針葉林的培育與管理提供參考。

3.4 地下與地上競爭對幼苗的相對重要性分析

植物葉片對光資源的競爭和根系對土壤養(yǎng)分與水分的競爭作用對植物生長發(fā)育存在影響，但二者對植物作用的大小不定，需將地上和地下競爭分開來，才能檢驗出根系競爭的效應，更好地比較二者對幼苗生長的相對重要性。前人的研究多從生物量的角度對地上與地下競爭作用進行量化[8-9,11,23-24]。研究表明，隨距離增加，苗木的生長空間變大，地上競爭作用增加，地下競爭程度減弱[23]，地下競爭在水曲柳苗木總競爭中占有重要地位[9]，地上競爭對閩楠苗木的總競爭有重要影響[8]。也有研究表明，地上和地下競爭對總競爭的直接競爭作用隨林分密度的降低而增大，地上競爭占據(jù)主要作用[11]。本研究從形態(tài)學角度進行研究，結果表明，地上與地下競爭間油松和云杉的葉片、根系形態(tài)基本無顯著差異，即地下與地上競爭對油松和云杉幼苗的生長同等重要。這與前人研究結果有差異，說明對根系競爭的研究應從多個角度進行。從形態(tài)學角度進行研究可彌補生物量研究中存在的不足，可為根系功能性研究提供理論支撐，是進行地下競爭研究的新方向。

植物根系在競爭條件下通過改變形態(tài)結構加快對土壤資源的吸收效率，提高植物生產(chǎn)力。草本植物生長較快，云杉幼苗雖對草本競爭有一定的適應能力，但適當?shù)爻ルs草有助于云杉幼苗更好地渡過幼苗定居期。對于油松幼苗的生長，除草更有必要。在森林撫育中，應注意清除草本根系，避免草本因生長過快占據(jù)過多地下生長空間，幫助油松和云杉幼苗成功渡過幼苗定居期，同時森林培育中的除草措施也在一定程度上有利于油松和云杉苗木的生長，可提高森林培育效果。