樟樹(Cinnamomum camphora)幼苗細根形態對氮磷添加和幼苗密度的響應

余 明,蔡金桓,薛 立

華南農業大學林學與風景園林學院, 廣州 510642

根系是植物吸收水分和養分的主要器官[1],具有固定植物、保障其生長發育和維持生態系統養分循環等重要功能[2]。根系形態與功能之間的密切聯系能夠反映植物適應土壤環境的策略,而細根形態, 如根表面積、根長和根半徑決定了植物爭奪土壤養分的能力,這不僅與植株自身的遺傳因素有關, 且受到生境、外界干擾和土壤養分水平等因素的影響[3]。人類活動使得氮沉降在過去的一個世紀顯著增加[4]。我國南方地區是氮沉降的一個重點區域[5],另一方面,亞熱帶陸地生態系統通常受磷限制,苗圃地經常施磷肥以緩解磷元素的缺乏,因此氮沉降和磷添加會對幼苗根系形態產生重要影響。一些研究表明,土壤N的可利用性增加能夠改變細根形態,如增加細根長度和表面積等,從而促進植物細根生長[6,7],但也有不同的研究結果[8]。此外,有報道稱P流失會影響植物細根的形態結構[9]。

林分密度能夠影響植物個體可獲取的資源數量,所以植物的生長特征極易受到密度的制約[10]。目前對植物生理生態與種植密度的研究大多集中在地上部分,對植物根系部分的研究較少[11]。此外,營養元素與林分密度的交互作用對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],關于植物根系形態對氮添加[14-15]及磷添加[16]的響應也已有少量研究,但尚未見到磷添加和氮磷添加與密度交互作用對植物根系形態影響的報道。

樟樹(Cinnamomumcamphora)是亞熱帶地區廣泛種植的常綠喬木。前人對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]等領域。作者以一年生樟樹幼苗為實驗材料,研究氮磷添加和密度對樟樹幼苗根系形態的影響,旨在了解樟樹根系對氮沉降、磷添加和林分密度的響應過程和機制,以期為全球變化背景下樟樹林生態系統的管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣東省廣州市華南農業大學板栗園(113°21′E, 23°09′N),屬亞熱帶季風氣候,全年水熱同期,降雨量豐富。平均氣溫為21.9℃,平均相對濕度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。試驗地光線充足,適合幼苗的生長,土壤類型為砂頁巖發育的酸性紅壤,土壤的磷含量較低[23]。

1.2 試驗設計

試驗材料為廣東省國森苗圃提供的2016年3月播種的樟樹實生苗,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,基質為該試驗地0—20 cm土層的土壤。由于大氣氮沉降中近3/4為銨態氮,本試驗選擇氯化銨(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。我國華南地區氮沉降量約為4 g m-2a-1[5,24],由于未來的N沉降持續增加,本研究的氮和磷添加量根據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。

試驗時間為2017年6到9月,采用4×4雙因素析因設計。氮磷處理設置4 個水平：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。種植密度設置4個水平：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采用完全隨機區組設計,共16個處理,3次重復,48個小區,每個小區16株幼苗。根據處理水平的要求,氮磷添加時,將各處理每次所需質量的肥料溶于12升的水中,向每袋的幼苗澆灌200 mL溶液,保證不會引起燒苗的現象。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值及養分狀況見表1。

表1 處理前和處理后的土壤pH值及養分狀況(平均值±標準差)

1.3 試驗方法

試驗結束時,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清洗干凈,將幼苗的完整根系放入已編號密封袋里,立即將其放置在溫度為-4 ℃的冰箱內保存。

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)對根系進行掃描成像, 利用圖像分析軟件(萬深LA-S,)和植物根系分析系統(杭州萬深檢測科技有限公司)對微細根(根莖 ≤ 2 mm)的形態特征進行分析, 得到細根總長度、根系表面積、根系體積和根尖數等數據。

1.4 數據處理

用SAS 9.3統計分析軟件對植物根系形態進行Duncan多重比較,Microsoft Excel 2003對數據進行平均值、標準偏差分析和作圖。

2 結果分析

2.1 幼苗的細根長度

在達到10株/m2(密度I)的種植密度后,隨著種植密度增加,幼苗細根長度呈現下降趨勢(圖1)。在同一密度下,N、P、N+P處理對幼苗細根長度的整體表現為促進作用。與ck相比,N、P和N+P處理的種植密度I幼苗的細根長度分別增加了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處理對幼苗細根的促進效果最佳。

圖1 不同密度和處理下樟樹幼苗的細根長度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 幼苗的細根表面積

在達到10株/m2的種植密度后,幼苗的細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,氮磷添加處理促進了幼苗細根表面積的增加,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根表面積Fig.2 Root surface area of Cinnamomum camphora seedlings under different densities and treatments

2.3 幼苗的細根體積

達到10株/m2(密度I)的種植密度后,細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根體積的增大,其中N+P處理對幼苗細根體積的促進作用較強。

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

2.4 幼苗的細根根尖數

在達到10株/m2(密度I)的種植密度后,幼苗細根根尖數隨著種植密度的增大而減少(圖4)。N、P、N+P處理對同一密度幼苗的細根根尖數的整體表現為促進作用。與ck相比,N、P和N+P處理的種植密度I的幼苗細根根尖數分別增加了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處理的幼苗細根根尖數最多。

圖4 不同密度和處理下樟樹幼苗的細根根尖數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細根各項指標的影響

由表2可知,樟樹幼苗的細根長度、表面積、體積和根尖數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根系形態各指標均沒有顯著影響。

表2 不同處理和密度對幼苗細根形態的交互作用

3 討論

土壤氮磷含量是植物生長的限制因素,施加氮磷肥能夠維持和促進植物的快速生長[7]。也有研究認為N沉降會引起土壤酸化以及重金屬離子的活化,導致植物細根形態特征受到危害[27,28],抑制植物細根的生長。而另一些研究則認為氮磷添加對細根形態未產生顯著影響[6,29,30]。這可能是因為氮沉降往往通過改變土壤狀況來影響根系特征,且并存多種影響機制,這導致了不同物種和不同區域植被根系對N沉降響應的差異。另外,N 添加對根系形態的影響還可能取決于土壤環境對N 添加的響應強度[31]。在本研究中, 氮濃度與根系生長之間關系密切,磷添加對樟樹幼苗細根形態也有明顯的促進效果。相比于對照,氮和磷添加均能促進植物的細根顯著伸長,并且能使植物獲得更大的細根長度、細根表面積、細根體積和根尖數。這可能是因為N的輸入提高了土壤養分水平[32]和植物凈初級生產力[33],有利于植物生物量的積累[34],進而對幼苗細根形態各參數產生促進作用。試驗地土壤中的磷素較為缺乏,磷添加處理有利于促進土壤的氮磷平衡,緩解土壤磷的限制并提高氮素的利用效率,從而促進根系生長發育。

細根長度能夠反映植物根系吸收養分的效率[35]。普遍認為,外源性N和P會改變植物的根系系統的生長形態、生物量及生理活性以適應土壤養分的變化[31],是植物獲取土壤有效養分資源的生存策略[36]。Noguchi等[37]的研究結果顯示,與對照組相比,施氮肥促進了植物細根伸長率。陳海波等[38]的研究也發現,N添加增加了水曲柳(Fraxinusmandschurica)苗木細根長度的生長。也有研究認為模擬氮沉降會降低細根的生物量,因為植物根系要獲取氮必須消耗大量的碳來進行交換[39]。本研究中,模擬氮磷沉降處理促進了幼苗細根長度的增長,其中N+P處理優于其余處理。這可能是因為樟樹幼苗處于旺盛生長期,對土壤氮的需求較大,所以施氮處理促進了根系的生長[40]。此外,在土壤養分較為缺乏的情況下,通過促進土壤有效養分的增加可以加快細根的生長速率,從而產生不同的分支結構以適應環境變化[41],且N+P處理能同時向土壤中輸入N和P,有效的緩解幼苗所受的N和P限制,從而促進植物根系的生長以吸收更多的養分。植物細根長度越大表明其不僅側根水平穿插范圍廣,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分[32]。

根系的表面積是植物細根的重要指標,根尖具有吸收功能,而根的體積與維持植物生長相關[6],均反映根系的發達程度,且能夠影響植物對養分和水分的吸收利用,是保證植物健康生長的重要因素之一[42]。閆小莉等[43]的研究報道,施肥能夠促進歐美108楊(Populus×euramericanacv．‘Guariento’)的細根表面積和體積的增長。本研究中,氮磷添加處理也促進了樟樹幼苗細根體積、表面積和根尖數的增大,且N+P處理的效果優于單一N或P處理。因為外源性養分輸入能夠提高土壤養分有效性,從而影響細根的生產和生物量的累積,并且N和P共同輸入有利于土壤有效養分的平衡,促進細根的生長,進一步增大其吸收利用水分和養分范圍。根尖數的明顯增加可能是根中的細胞分裂素增加而產生的結果[44]。

植物根系部分對地下土壤養分資源的競爭是自然界中的普遍現象,甚至比地上部分的競爭更激烈[45]。有研究表明,種植密度對北京側柏(Platycladusorientalis)人工林根系形態產生顯著影響[34]。本研究表明,隨著種植密度的增加,N、P和N+P處理的幼苗細根長度、表面積、體積和根尖數呈現下降趨勢。由此可見,幼苗間的競爭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分資源的空間,從而導致單株幼苗的養分吸收不足,抑制了幼苗細根的生長。此外,由于氮磷添加處理可以向幼苗土壤提供養分,在一定程度上緩解了株間競爭強度,所以N、P和N+P處理的幼苗細根形態指標在高密度時優于ck。也有研究表明,植物根系的生長與分布狀況受土壤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處理的幼苗細根生長形態優于P處理,在高種植密度下其優勢不明顯。這可能是因為高種植密度幼苗對養分的競爭更加激烈,而本試驗地區土壤的磷含量較低,不足以維持和促進幼苗的生長發育,而補充的氮素進一步加劇了P的匱乏程度[46],從而限制了根系的生長。

本研究表明,氮磷添加對細根形態具有顯著正效應, 密度對細根形態具有顯著負效應,而氮磷添加和密度的交互作用對細根形態沒有顯著影響,說明密度消除了氮磷添加對細根形態的正效應。華南地區的土壤缺磷,植物的生長和發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,促進了根系生長發育。隨著種植密度的增大, ck、N和N+P處理下幼苗土壤有機質呈現下降的趨勢,且高種植密度減少了幼苗根系生長發育的空間,抑制了幼苗細根的生長,消除了因土壤養分增加而促進根系生長發育的正效應。