山毛豆/桉樹間種系統中植物生長對施N與根系隔離的響應

劉曉璐，韋鑠星，蔣 燚，高 風，王智慧，劉雄盛，歐漢彪，劉 菲

（1.廣西壯族自治區國有雅長林場，廣西百色 533000；2.廣西壯族自治區林業科學研究院 國家林業與草原局中南速生材繁育重點實驗室 廣西優良用材林資源培育重點實驗室，廣西南寧 530002；3.中南林業科技大學，湖南長沙 410004）

農林復合經營可充分利用林間空地，通過立體種植發揮多種效益，有效平衡木糧生產和環境保護，是解決人工純林集約經營帶來的生態問題的有效途徑之一[1]。國內學者對農林復合經營的研究時間較長，近年來主要集中在經營技術[2]、養分循環[3]、物種選擇[4]、效益評價[3-4]和種間關系[5]等方面。研究發現，優化種間關系是間種系統中植物增產的生態學基礎[6]，物種選擇[7]和經營模式[8]是調控間作系統種間關系的重要措施[9]。

桉樹（Eucalyptusspp.）是南方主要速生豐產林樹種，在廣西的種植面積為256 萬hm2，約占中國桉樹總面積的47%[10]。桉樹人工林種植多為集約型純林連栽，出現人工林生產力下降、生物多樣性降低、病蟲害加重和地力衰退等問題[11]。通過進行林下林藥、林草和林農模式物種選擇[12]、典型設計和營建技術[13]等研究，發現復合經營可明顯改善桉樹人工林土壤理化性質[14]，獲得更好的生態和經濟效益[15]。在桉樹人工林林下間種山毛豆（Tephrosia candida）可充分利用山毛豆的根瘤固氮功能，提高土壤肥力，促進桉樹生長，同時收獲牧草，是一種具有良好生態和經濟效益的桉樹復合經營模式[16-17]；桉樹和山毛豆復合經營能有效促進桉樹根系生長，促進根系下沉和外延，增加桉樹地下競爭能力[12，15，18]。目前，對桉樹復合經營系統的研究多在田間生產中開展試驗，試驗結果受土壤、氣候和人為干擾等因素影響較大，較難清楚解析桉樹復合經營系統中物種間養分的作用關系。本研究通過盆栽控制試驗，研究施氮（N）和根系隔離處理對山毛豆/桉樹間種系統中植物生長的影響，探索該系統中物種間相互作用的途徑，為桉樹人工林復合經營模式提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

桉樹選用廣西壯族自治區林業科學研究院培育的尾巨桉（E.urophylla×E.grandis）優質壯苗，植株規格為地徑0.6 cm、樹高50 cm；采用種子直播獲得山毛豆幼苗。塑料容器體積為2 m（3長2 m、寬1 m、高1 m）。采用薄膜或尼龍網將塑料容器分隔，一邊種植1 株桉樹苗，另一邊播種10 ～20 粒山毛豆種子，待種子萌芽生長后，保留3 株地徑和高度基本一致的山毛豆幼苗。試驗在廣西林科院苗圃（108°21′E，22°55′N）的塑料溫棚內進行，保障充足的光照和水分。

1.2 試驗方法

1.2.1 隔根與施肥試驗設計

采用雙因素完全隨機交叉分組試驗設計。根系隔離處理包括完全隔離、尼龍網隔離和不隔離3個水平；施N 處理包括不施N（-N）和施N（+N）2 個水平，共計6 個組合，每組合4 個重復。完全隔離：塑料容器間用薄膜分隔，并涂抹密封膠，使其不漏水，根系間無相互作用；尼龍網隔離：塑料容器間用30 μm 尼龍網分隔，根系被隔開，但根系間有物質交換。供試土壤為紅心土，施N量為105 mg/kg。為滿足桉樹和山毛豆正常生長所需養分，補充磷110 mg/kg、鉀130 mg/kg、鎂50 mg/kg 及鐵、錳、銅、鋅和鉬各5 mg/kg。按質量比例，將肥料和紅心土均勻混合后裝入塑料容器中；3月中旬種植，11月下旬測定植株生物量和總N含量。

1.2.2 生長指標測定

山毛豆萌芽后，每30 天測量1 次地徑和高度等生長指標。11月下旬，分別測定桉樹和山毛豆地上部分和根系的生物量，根系收集采用濕篩法[19]。將采集的根、枝和葉等樣品在烘箱內105 ℃殺青30 min后，80 ℃烘干至恒重，磨機粉碎過0.149 mm篩，備用。

1.2.3 全N含量測定

按植株各器官生物量比例，分別將桉樹及山毛豆根、枝和葉粉碎后的樣品混合均勻，分別稱取混合樣品0.5 g，4 個重復。在消煮管中加入5 mL H2SO4、1.5 g K2SO4和0.15 g CuSO4，搖勻后放置12 h。消煮至清亮，冷卻后直接蒸餾；餾出液用硼酸指示劑收集，稀硫酸滴定，終點由綠色變為粉紅色，參照LY/T 1271-1999[20]測定樣品全N含量。

1.2.4 根瘤測定

采用QT-RWC 洗根系統對山毛豆根系進行清洗，確保根毛的完整性，擦干并晾干根系表面水分，平整放入成像盤，通過根系掃描儀進行圖像掃描；采用萬深LA-S 系列植物根系分析系統進行圖像分析，確定根瘤數量，采用電子稱（精度為0.001 g）稱取重量。

1.3 數據處理

采用Excel 軟件進行數據整理，采用SPSS 軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 施N和根系隔離處理對桉樹生長的影響

2.1.1 施N和根系隔離處理對桉樹株高的影響

根系不隔離處理的桉樹株高均顯著高于根系隔離處理（P＜0.05），完全隔離處理與尼龍網隔離處理差異不顯著（表1）。-N 處理下，不隔離處理比完全隔離和尼龍網隔離處理分別高出12.37% 和22.18%；+N 處理下，不隔離處理比完全隔離和尼龍網隔離處理分別高出11.06%和18.32%。這可能是因為根系不隔離處理下，山毛豆與桉樹根系接觸的緊密程度較高，促進桉樹的高生長。+N處理的桉樹株高均顯著高于-N 處理（P＜0.05），根系完全隔離、尼龍網隔離和不隔離處理分別高出36.12%、38.91%和34.52%，說明土壤中的N是山毛豆/桉樹間種系統中影響桉樹高生長的重要因子。

表1 施N和根系隔離處理對桉樹株高的影響Tab.1 Effects of N application and root separation treatments on plant height of eucalypt (m)

2.1.2 施N和根系隔離處理對桉樹地徑的影響

根系不隔離處理的桉樹地徑均大于根系隔離處理；尼龍網隔離處理的地徑均顯著低于不隔離和完全隔離處理（P＜0.05），不隔離處理與完全隔離處理差異不顯著（表2）。-N 處理下，不隔離處理比完全隔離和尼龍網隔離處理分別高出8.97% 和12.46%；+N 處理下，不隔離處理比完全隔離和尼龍網隔離處理分別高出3.54%和17.29%。+N 處理的桉樹地徑均顯著高于-N 處理（P＜0.05），根系完全隔離、尼龍網隔離和不隔離處理分別高出55.86%、41.99%和48.10%。

表2 施N和根系隔離處理對桉樹地徑的影響Tab.2 Effects of N application and root separation treatments on ground diameter of eucalypt (cm)

2.1.3 施N和根系隔離處理對桉樹生物量的影響

根系不隔離處理的桉樹生物量均顯著高于根系隔離處理（P＜0.05），完全隔離處理與尼龍網隔離處理差異不顯著（表3）。-N 處理下，不隔離處理比完全隔離和尼龍網隔離處理分別高出10.20%和12.33%；+N 處理下，不隔離處理比完全隔離和尼龍網隔離處理分別高出11.09%和12.21%。+N處理的桉樹生物量均顯著高于-N 處理（P＜0.05）；根系完全隔離、尼龍網隔離和不隔離處理分別高出27.43%、28.60%和28.46%。

表3 施N和根系隔離處理對桉樹生物量的影響Tab.3 Effects of N application and root separation treatments on biomass of eucalypt (g/pot)

2.2 施N和根系隔離處理對山毛豆生長的影響

2.2.1 施N和根系隔離處理對山毛豆根瘤生長的影響

根系不隔離處理的山毛豆根瘤數量和重量均顯著高于根系隔離處理（P＜0.05）；-N 處理下，不隔離處理的根瘤數量比完全隔離和尼龍網隔離處理分別高出32.20%和105.26%，根瘤重量分別高出43.56%和98.31%；+N 處理下，不隔離處理的根瘤數量比完全隔離和尼龍網隔離處理分別高出369.23%和117.86%，根瘤重量分別高出108.70%和77.78%（表4）。+N 處理的山毛豆根瘤數量和重量均顯著低于-N 處理（P＜0.05），根瘤數量在根系完全隔離、尼龍網隔離和不隔離處理下分別降低88.98%、63.16% 和60.90%，根瘤重量分別降低57.67%、31.36%和38.46%。說明土壤中的N 是影響山毛豆根瘤生長的重要因子，山毛豆根區N 含量主要受人工施肥和桉樹養分競爭吸收兩方面的影響。

表4 施N和根系隔離處理對山毛豆根瘤生長的影響Tab.4 Effects of N application and root separation treatments on root nodule growth of T.candida

2.2.2 施N和根系隔離處理對山毛豆生物量的影響

-N 處理下，不隔離處理的山毛豆生物量最大，顯著高于尼龍網隔離處理（P＜0.05），高出25.36%；+N處理下，根系隔離處理對山毛豆生物量的影響不顯著，尼龍網隔離處理的山毛豆生物量最大，說明山毛豆/桉樹間種系統中，山毛豆與桉樹間存在營養促進作用，桉樹從間種體系的N 養分轉化吸收過程中得到好處，山毛豆的生長未因桉樹的N 養分競爭受到抑制（表5）。+N 處理后，根系完全隔離和不隔離處理的山毛豆生物量減少，尼龍網隔離處理的山毛豆生物量增加，但差異不顯著。這可能是因為+N處理后，桉樹生長迅速，其橫向和縱向的輻射截獲競爭能力增加，對山毛豆的生長有所抑制。

表5 施N和根系隔離處理對山毛豆生物量的影響Tab.5 Effects of N application and root separation treatments on biomass of T.candida (g/pot)

2.3 施N和根系隔離處理對N濃度和吸N量的影響

2.3.1 施N 和根系隔離處理對桉樹N 濃度和吸N 量的影響

-N 處理下，根系不隔離處理的桉樹N 濃度和吸N 量均顯著高于根系隔離處理（P＜0.05），完全隔離處理與尼龍網隔離處理差異不顯著；不隔離處理的N 濃度和吸N 量比完全隔離處理分別高出13.87%和25.47%，比尼龍網隔離處理分別高出8.35%和21.69%（表6）。間種系統中，山毛豆和桉樹根系無接觸或小部分接觸時，樹種間根系的相互作用較小，對桉樹的N濃度和吸N量影響不大；根系不隔離處理下，樹種間根系接觸緊密，桉樹的N 濃度和吸N量出現顯著變化，說明間種系統中根系接觸是物種間發生相互作用的主要途徑。+N處理下，根系不隔離處理的桉樹N濃度顯著低于隔離處理（P＜0.05），完全隔離處理與尼龍網隔離處理差異不顯著；根系不隔離處理的桉樹吸N 量顯著高于隔離處理（P＜0.05），完全隔離處理與尼龍網隔離處理差異不顯著。桉樹吸N 量在不隔離處理下較高的原因一部分是桉樹對山毛豆根區N 的競爭，另一部分是根系不間隔處理下桉樹根系營養吸收面積較大，這兩部分的貢獻各占比多少，需進一步驗證。+N處理的桉樹N 濃度和吸N 量均顯著高于-N 處理（P＜0.05），根系完全隔離、尼龍網隔離和不隔離處理分別高 出79.68%、73.77%、57.16%和128.93%、123.43%、102.98%，均隨根系接觸程度增加，增幅逐漸變小。

表6 施N和根系隔離處理對桉樹N濃度和吸N量的影響Tab.6 Effects of N application and root separation treatments on N concentration and N acquisition of eucalypt

2.3.2 施N 和根系隔離處理對山毛豆N 濃度和吸N量的影響

施N和根系隔離處理對山毛豆N濃度均無顯著影響；根系不隔離處理的山毛豆吸N 量與根系隔離處理均差異顯著（P＜0.05），完全隔離處理與尼龍網隔離處理差異不顯著（表7）。-N 處理下，根系不隔離處理顯著提高山毛豆吸N量（P＜0.05），比完全隔離和尼龍網隔離處理分別高出8.32%和11.74%；+N處理下，不隔離處理顯著降低山毛豆吸N 量（P＜0.05），比完全隔離和尼龍網隔離處理分別低18.10%和14.65%。-N 處理下，土壤中N 含量較低，桉樹生長受影響，未形成樹冠郁閉，加上山毛豆自身的固氮作用，山毛豆前期生長快速并尋求更大的養分吸收空間，侵占桉樹根區，所以根系不隔離處理下，山毛吸N 量顯著增加。+N 處理下，養分充足，桉樹生長快速，其根系尋找養分吸收空間，侵占山毛豆根區，加上桉樹冠幅郁閉較快，所以根系不隔離處理下，山毛豆吸N量顯著降低。

表7 施N和根系隔離處理對山毛豆N濃度和吸N量的影響Tab.7 Effects of N application and root separation treatments on N concentration and N acquisition of T.candida

3 討論與結論

本研究中，根系不隔離處理下，桉樹的株高、地徑和生物量均顯著高于隔離處理，說明山毛豆/桉樹間種系統中，山毛豆與桉樹的根系直接接觸有利于桉樹獲取更多N。一方面，桉樹根系生長范圍廣，對N 的吸收能力較好；另一方面，桉樹對N 的需求刺激了山毛豆通過固氮、轉移等途徑向桉樹輸送更多的N。與-N處理對比，+N處理下根系不隔離處理的桉樹株高和地徑與完全隔離處理間的差距均變小，說明施N后山毛豆對桉樹株高和地徑生長的促進作用變小。施N后，土壤中肥力充足，降低了間種系統中山毛豆對桉樹株高、地徑和生物量生長的促進作用，實際生產中可控制施肥量，通過刺激復合系統中的種間競爭來促進植物生長。

前人研究發現，在大麥（Hordeum vulgare）與豌豆（Pisum sativum）間種系統中，由于物種間N 的競爭，大麥的生長得到改善，豌豆生長受到抑制[21-22]，這是典型的間作體系中種間N 競爭作用。本試驗中，施N 處理對桉樹株高、地徑和生物量均影響顯著，對山毛豆生物量的影響不顯著。這表明山毛豆/桉樹間作系統中存在營養促進作用，桉樹從系統中得到好處，山毛豆生長未受到抑制。間作系統中，植物相互作用的最終結果一方面表現為競爭能力強的作物占有更多養分資源，形成營養促進；另一方面表現為競爭能力弱的作物占有相對少的養分資源，形成養分競爭，生長受到抑制。在山毛豆/桉樹間作系統中，間種促進了桉樹生長，桉樹處于競爭的優勢地位；山毛豆雖然處于競爭能力弱的位置，但其在根系不隔離處理下的根瘤數量和重量均顯著高于隔離處理，說明其通過提升自身固氮能力，減少競爭帶來的影響。+N處理顯著減少山毛豆根瘤數量和重量，說明隨土壤中N含量增加，山毛豆的固氮效果減弱，間作系統中桉樹與山毛豆的相互促進作用減小。

施N 可顯著提高山毛豆/桉樹間種系統中桉樹的N 濃度和吸N 量，根系不隔離處理的桉樹N 濃度和吸N 量均顯著增加；+N 處理的桉樹N 濃度和吸N量均高于-N 處理，隨根系接觸程度增加，增幅逐漸變小；施N 和根系隔離處理對山毛豆N 濃度和吸N量影響均不顯著。說明，間種系統中桉樹生長的N需求主要來源于土壤，山毛豆生長所需的N 有部分來源于生物固氮，物種間的相互促進作用以物種間根系相互交叉接觸產生養分傳遞為途徑，但隨土壤N含量增加，作用呈減弱趨勢。