模擬氮沉降和混栽對杉木和浙江楠根系生長的影響1)

王鏡如 陳圣賢 伊力塔 俞飛 劉美華 黃華宏 宋琦

(浙江農林大學，杭州，311300) (杭州萬向職業技術學院)

20世紀初以來，人類活動向大氣中排放含氮化合物逐年增加，導致全球性氮沉降逐年加劇[1]。我國已成為全球三大氮沉降集中區之一[2]，甚至被認為是未來氮沉降最嚴重的國家之一[3]，氮沉降加劇已經引起學界及公眾的廣泛關注[4-6]。而氮也是植物生長的必需元素，隨著氮沉降的逐步加劇，植株和土壤中可利用氮不斷累積增加，進而對植物生長發育產生影響[7-8]。已有研究表明，植物根系間競爭在資源有限條件下對植株生長極為重要[9]。在不同資源水平下，植株根系表現出不同的競爭策略[9-13]。目前較為普遍的看法是，氮沉降所帶來的高氮有效性土壤環境將有利于氮需求高的物種生存競爭[14]，原有環境中因高資源需求而處于競爭劣勢的物種可能因為土壤氮有效性升高而獲得競爭優勢，并由此改變一個地區的物種豐富度和多樣性。適度的氮沉降將促進植物根系生長：在氮沉降的影響下，環境資源水平的增長將會極大地促進植物根系的生長與吸收作用，進而對植株整體生長產生影響[15-16]。而過高的氮沉降將會造成土壤酸化、營養失衡等問題從而抑制植物根系生長，最終導致森林衰退[17-19]。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國特有的優良速生用材樹種[20]，在我國分布廣泛，長江以南多用它來造林[21]，杉木人工林在浙江省存量巨大。但諸多研究表明，杉木純林經過多年采伐后會有地力衰退、產量下降及病蟲害多發等一系列問題[21-24]。

浙江楠(Phoebechekiangensis)是我國特有的珍貴樹種，浙江省鄉土樹種，國家Ⅱ級重點保護野生植物，它枝葉繁茂，林下凋落物豐富、易分解，有助于土壤養分歸還，被列為浙江省新值一億株珍貴樹五年計劃的重點發展珍貴樹種[25-26]。相關研究表明，選用浙江楠與杉木混交既能夠有效地改善杉木純林地力衰退的問題[24]，又能獲取較高的經濟效益。

因此，本研究著重探究氮沉降條件下，混植杉木與浙江楠種間競爭特征。旨在闡明氮沉降對混值條件下根系形態結構的影響，并為針闊葉人工混交林的科學經營提供支撐依據。

1 試驗地概況

試驗地位于浙江省杭州市臨安區浙江農林大學試驗基地大棚(30°16′N，119°44′E)。該地屬于中緯度北亞熱帶季風氣候，年平均降水量約為1 628.6 mm，全年平均氣溫為16.4 ℃[27]。試驗地土壤類型為紅黃壤。

2 材料與方法

選取長勢一致(株高35～40 cm，地徑0.5～1.0 cm)的杉木幼苗和浙江楠幼苗為研究對象，并將其分為3組，即杉木純栽、浙江楠純栽、杉木浙江楠1∶1行狀混栽。于2018年4月中旬移植到長8 m，寬0.45 m的苗床中，植株間距為30 cm，使用試驗地黃壤作為栽培土，土壤基本性質為pH值5.26，全氮質量分數0.70 g·kg-1，全磷質量分數0.31 g·kg-1，全鉀質量分數11.56 g·kg-1，速效氮質量分數80.16 mg·kg-1，速效磷質量分數35.61 mg·kg-1，速效鉀質量分數169.07 mg·kg-1。在緩苗期間，用清水澆灌，保證幼苗生長有充足的水分，并且經常進行除草和防治病蟲害等工作。

2.1 試驗設計

本試驗為不同種植方式與不同氮處理的雙因素交叉實驗。3種種植方式分別為杉木純栽、浙江楠純栽、杉木浙江楠1∶1行狀混栽。氮處理設置為0(對照)、45 kg·hm-2·a-1(施氮)。模擬氮沉降處理采用噴灑NH4NO3(45 kg·hm-2·a-1)的方法(目前，浙江省氮沉降本底值為30 kg·hm-1·a-1[28])，處理時間為2018年5月中旬至2018年10月，每3 d噴灑一次，對照組在相同時間內噴施相同量的清水(0)。試驗包括6個處理：不施氮純栽杉木、不施氮純栽浙江楠、不施氮混栽杉木和浙江楠、施氮純栽杉木、施氮純栽浙江楠、施氮混栽杉木和浙江楠。每個處理設置20個重復，純栽組每重復一株幼苗，混栽組每重復杉木浙江楠各一株幼苗，共160株幼苗(圖1)。

2.2 測定指標

1)根系形態特征。試驗結束后，每個處理分別隨機選取6株杉木和浙江楠幼苗，共36株，全株收獲，經清水沖洗后分出根系，平鋪在EperoScannar數字掃描儀上掃描，使用WinRHIZO根系分析軟件對掃描圖像進行分析，得出根系總根長、表面積、平均直徑、體積、徑級等數據。

2)生物量。試驗結束后，每個處理分別隨機選取6株杉木和浙江楠幼苗，共36株，全株收獲，經清水沖洗后分出根、莖、葉3部分，在70 ℃下烘干72 h至恒質量，稱量其各部分的干質量，得出根生物量、莖生物量、葉生物量，并計算得到全株生物量、地上生物量、地下生物量，通過以上指標進行根冠質量比的換算。

3)植物元素質量分數。氮元素采用凱氏定氮法進行測量，磷元素采用鉬銻抗比色法進行測量，鉀元素采用火焰光度計法進行測量。具體測量方式參見文獻[29]。

4)土壤元素質量分數。土壤氮質量分數采用硫酸+催化劑消解凱氏定氮法測定；土壤磷質量分數采用濕法消解鉬藍比色法測定；土壤鉀質量分數采用濕法消解火焰光度計法測定；土壤銨態氮質量分數采用氯化鉀浸提靛酚藍比色法測定；土壤硝態氮質量分數采用雙波段紫外比色法；土壤速效磷質量分數采用鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀質量分數采用火焰光度計法測定。具體測量方式參見文獻[29]。

由左至右，由上至下，分別為：混栽施氮組、純栽施氮杉木處理、純栽施氮浙江楠處理、混栽處理、混栽杉木處理、混栽浙江楠處理。其中，混栽處理使用1∶1行狀混栽。

2.3 數據處理

數據采用SPSS 22.0和Origin 2018進行以統計處理分析。對所有數據進行正態性檢驗后，使用雙因素方差分析確定影響因素，并使用LSD法比較處理間的差異顯著性(p<0.05)。

3 結果與分析

3.1 不同處理對杉木和浙江楠幼苗生物量的影響

由表1可知，杉木和浙江楠對3種處理所產生的響應差異性較大。杉木生物量整體上差異不顯著，僅根冠比受種植方式和氮處理的顯著影響(p<0.05)。而浙江楠生物量在不同處理下差異則更加顯著，其根生物量、根冠比在種植方式影響下差異顯著(p<0.05)，其根冠比在氮處理影響下差異顯著(p<0.05)，其總生物量、莖生物量、葉生物量及根冠比在種植方式與氮處理的交互作用影響下差異顯著(p<0.05)。

表1 不同處理下杉木幼苗和浙江楠幼苗生物量及其分配的方差分析

由表2可知，杉木各部分生物量差異均不顯著。但其根冠比有顯著差異，純栽及純栽施氮處理下的根冠比顯著高于混栽施氮處理下的根冠比(p<0.05)，混栽施氮處理下的根冠比又顯著高于混栽處理下的根冠比(p<0.05)。混栽帶來的種間競爭使杉木根冠比下降，而氮處理則使杉木根冠比升高。

表2 杉木和浙江楠幼苗生物量及其分配

不同于杉木，浙江楠各部分生物量具有顯著差異。浙江楠混栽及混栽施氮處理下的根生物量顯著高于純栽及純栽施氮處理下的根生物量(p<0.05)，混栽及純栽施氮處理下的莖生物量顯著高于純栽處理下的莖生物量(p<0.05)，混栽處理下的葉生物量顯著高于純栽及混栽施氮處理下的葉生物量(p<0.05)，純栽施氮處理下的葉生物量顯著高于純栽處理下的葉生物量(p<0.05)。其根冠比也展現出與杉木不同的變化趨勢。純栽及混栽施氮處理下的浙江楠根冠比顯著高于混栽處理下的浙江楠根冠比(p<0.05)，混栽處理下的浙江楠根冠比又顯著高于純栽施氮處理下的浙江楠根冠比(p<0.05)。種植方式和氮處理的單獨作用均使浙江楠地上部分生物量增加，二者交互作用則對浙江楠地上部分生物量影響不顯著。浙江楠地下部分生物量僅受種植方式影響，混栽帶來的種間競爭使其地下部分生物量增加。

3.2 不同處理對杉木和浙江楠幼苗根系形態指標的影響

由表3可知，杉木幼苗根總長度、根表面積、根體積均受種植方式顯著影響，根體積受氮處理顯著影響(p<0.05)；浙江楠幼苗僅根總長度受氮沉降顯著影響(p<0.05)。交互作用對二者根系形態指標均無顯著影響(p>0.05)。

表3 不同處理下杉木幼苗和浙江楠幼苗根系形態指標的方差分析

由表4可知，杉木根系總長度、表面積和體積在純栽及純栽施氮處理下顯著高于混栽及混栽施氮處理(p<0.05)；杉木根系平均直徑在純栽及純栽施氮處理下顯著高于混栽處理(p<0.05)；杉木根體積在純栽施氮處理下顯著高于純栽處理(p<0.05)。另外，混栽和混栽施氮處理下的杉木幼苗，根系總長度、表面積、平均直徑、體積雖無顯著變化，但有升高趨勢。結合各徑級根長分析，細根量由大到小為杉木細根(直徑0～1mm)量純栽及純栽施氮處理、混栽施氮處理、混栽處理。無論是純栽還是混栽，施氮均增加了杉木細根量(直徑0～1mm)，而無論是否施氮，混栽都降低了杉木細根量。

表4 杉木根系形態指標

由表5可知，浙江楠幼苗根系平均直徑、表面積、體積均無顯著差異(p>0.05)，純栽處理下的根總長度顯著高于純栽施氮和混栽施氮處理(p<0.05)。各徑級根長由大到小為浙江楠細根量在純栽處理下、混栽處理、混栽施氮處理、純栽施氮處理。

表5 浙江楠根系形態指標

3.3 氮處理、種植方式及其交互作用對土壤元素質量分數的影響

純栽施氮浙江楠土壤氮質量分數顯著高于純栽浙江楠(p<0.05)?；煸允┑幚硐碌耐寥懒踪|量分數顯著高于其他處理(p<0.05)，純栽施氮處理下的浙江楠土壤磷質量分數顯著高于純栽及純栽施氮處理下的杉木土壤磷質量分數(p<0.05)。純栽浙江楠土壤鉀質量分數顯著高于純栽施氮處理下浙江楠土壤鉀質量分數及混栽處理下土壤鉀質量分數(p<0.05)。純栽及純栽施氮處理下杉木土壤硝態氮質量分數顯著高于純栽及純栽施氮處理下浙江楠土壤硝態氮質量分數(p<0.05)。純栽杉木土壤氨態氮質量分數顯著高于純栽施氮杉木、純栽浙江楠及混栽施氮處理下土壤氨態氮質量分數(p<0.05)?；煸允┑幚硐峦寥浪傩Я踪|量分數顯著高于其他各處理(p<0.05)。

表6 不同處理下土壤元素質量分數

3.4 不同處理對杉木和浙江楠幼苗根系元素質量分數的影響

不同處理下，杉木幼苗根系氮元素質量分數無顯著差異；混栽條件下的杉木幼苗根系磷元素質量分數顯著高于純栽條件下的杉木幼苗根系磷元素質量分數(p<0.05)，純栽杉木幼苗根系磷元素質量分數又顯著高于施氮的純栽杉木幼苗根系磷元素質量分數(p<0.05)；混栽條件下的杉木幼苗根系鉀元素質量分數顯著高于純栽條件下的杉木幼苗根系鉀元素質量分數(p<0.05)，不施氮的混栽杉木幼苗根系鉀元素質量分數又顯著高于施氮的混栽杉木幼苗根系鉀元素質量分數(p<0.05)；純栽組杉木幼苗根系氮磷比顯著高于混栽組(p<0.05)，施氮純栽組杉木幼苗根系氮磷比又顯著高于不施氮純栽組。

不施氮純栽浙江楠幼苗根系氮質量分數顯著高于施氮混栽浙江楠幼苗根系氮質量分數(p<0.05)；不施氮純栽浙江楠幼苗根系磷質量分數顯著低于施氮混栽浙江楠幼苗根系磷質量分數(p<0.05)；各處理下，浙江楠幼苗根系鉀質量分數均無顯著差異(p>0.05)；不施氮純栽浙江楠幼苗根系氮磷比顯著高于施氮混栽浙江楠幼苗根系氮磷比(p<0.05)。

交互作用顯著降低了浙江楠根系氮質量分數，顯著增加了其磷質量分數，從而使其氮磷比顯著下降。交互作用雖然抑制了浙江楠根形態指標，卻增加了其根系磷元素質量分數。

表7 不同處理下杉木幼苗根系元素質量分數

表8 不同處理下浙江楠幼苗根系元素質量分數

4 討論

4.1 杉木對不同處理的差異性響應

雙因素方差分析顯示，杉木生物量在各處理下無顯著差異，而其根冠比及根形態指標在種植方式和氮處理各自的單獨作用下產生了顯著差異。

不施氮情況下，混栽顯著降低了杉木根冠比，并顯著抑制其根系總根長、表面積和體積。這可能是由于競爭帶來的補償機制促使植物改變地上、地下部分生物量比例[30]。相較地下部分更為重要的地上部分競爭促使杉木幼苗將更大比例的生物量投入到地上部分。Dingetal.[31]在對櫟樹與刺槐的研究中也得出了相關結論，即植物在競爭中傾向將更多的生物量分配到地上部分來優先進行對光照的競爭，從而獲得最佳生長。

純栽情況下，施氮使杉木根冠比和根系體積顯著增加，而對其根總長度、表面積等無顯著影響，純栽處理與純栽施氮處理各徑級根長曲線也無明顯區別。說明施氮雖然促進了杉木根冠比增加，但對其根系吸收能力并無促進作用。這可能是杉木根系在純栽施氮處理下受磷限制影響導致的。

植物氮磷比臨界值可以作為判斷環境對植物生長的養分供應狀況的指標，氮磷比小于14的植物會受到氮元素的限制，氮磷比大于16的植物會受磷元素的限制[32]?；煸詶l件下，杉木根系氮磷比在7左右，而純栽狀態下，杉木根系施氮前后氮磷比分別為11.02和19.16，純栽施氮處理下，杉木根系氮磷比高于磷限制臨界值16，因此純栽施氮處理下杉木根系受到磷元素限制。

對純栽杉木施氮，雖然對其土壤總磷質量分數沒有顯著影響，但卻造成其土壤速效磷質量分數降低，施氮抑制了磷元素在土壤中的活性。這與袁穎紅等[33]在對杉木人工林的模擬氮沉降研究中，得出的結論相似。說明氮添加并不直接影響土壤磷質量分數，而是通過造成土壤酸化，改變土壤中陰陽離子平衡，從而促使土壤中磷酸鹽分解、Al3+增加，二者結合產生低溶性化合物，最終抑制磷酸鹽活性，降低土壤中速效磷質量分數，導致根系磷質量分數降低[34-35]。

與浙江楠混栽可以解決杉木根系在氮沉降下受磷限制的問題。氮沉降下，混栽處理中的土壤總磷和速效磷質量分數顯著高于純栽處理，緩解了杉木根系受磷限制的問題。這可能與針闊混交帶來的凋落物增加及土壤酸性磷酸酶增加有關。已有研究表明，杉木和火力楠等闊葉樹種混交均提高了土壤有機質質量分數[36-37]。另外，杉木與闊葉樹種混交后，其林下土壤酸性磷酸酶活性均高于杉木純林[38-40]，而南方山地紅壤由于磷的固定率較高，速效磷質量分數相當低，酸性磷酸酶的增加，對提高土壤磷的供應水平有特別重要的意義[41]。

4.2 浙江楠對不同處理的差異性響應

雙因素方差分析顯示，浙江楠根生物量在種植方式影響下產生顯著差異，莖、葉生物量及總生物量在種植方式和氮處理的交互作用下產生顯著差異，根冠比在種植方式、氮處理和二者交互作用下均產生顯著差異，浙江楠根形態指標僅在氮處理下于根總長度上顯示出顯著差異。

不施氮情況下，較純栽處理而言，混栽顯著增加了浙江楠根莖葉生物量，但顯著降低其根冠比，使其細根量有不顯著的下降趨勢。說明浙江楠根系生物量雖然顯著增加，但其根系吸收能力并無增長。這可能與杉木根系化感作用有關，已有研究證明，杉木根系會通過分泌化感物質干擾其他樹種或自身的生長[42-45]。另外，在混栽帶來的種間競爭影響下，浙江楠與杉木表現出相似的生物量分配策略—將更大比例的生物量分配到地上部分。但與杉木幼苗不同的是，浙江楠幼苗的地上部分建立了競爭優勢，從而反饋到地下部分，促進其生物量增長。地上部分的競爭影響著地下部分[46]，地上部分的競爭優勢會延續到地下部分的競爭當中。

純栽情況下，施氮顯著增加浙江楠莖葉生物量，顯著降低其根冠比及根系總長度，大幅降低其細根量。結合純栽條件下，施氮顯著增加浙江楠土壤氮質量分數這一結果，可以認為，施氮提高了土壤的氮有效性,從而誘發了地上和地下權衡機制,使向根系分配的生物量減少[47]有關。此前已有研究指出，植物地上生物量對氮沉降的敏感性要顯著高于地下[48]。此外，李明月[49]、毛晉花[7]和辛月[50]等人的研究中均得出：在外源施氮量增加的情況下，植株根冠比表現為降低趨勢。

而混栽情況下，施氮卻使浙江楠根冠比顯著增加。結合根形態指標，浙江楠根形態指標在交互作用下表現出與混栽相似但更強烈的受抑制現象，而杉木根形態指標則在交互作用下表現出與混栽相似但相對更弱的受抑制現象。如果將根系競爭分為干擾式競爭和掠奪式競爭[51](即植物根系通過化感作用競爭[52]和植物根系通過爭奪土壤空間和礦質養分[53])而生物量、根形態指標等表明，杉木根系掠奪式競爭較浙江楠明顯弱勢。因此，一個可能的解釋是：施氮使得環境壓力降低，從而緩解了掠奪式競爭對杉木的壓力，Pugnaireetal.[9]的研究認為，競爭作用通常在相對貧瘠的條件下最強烈，隨著外界壓力降低而減弱。此消彼長，杉木根系競爭能力的提高使浙江楠根系迫于競爭壓力調整其生物量分配策略，最終導致其根冠比增加。

5 結論

本研究以杉木和浙江楠為研究對象，探究種植方式和氮沉降對根系生長的影響。主要結論包括：混栽抑制杉木根系生長，促使杉木根冠比降低；純栽條件下，施氮導致杉木根系生長受磷限制，與浙江楠混栽能夠解決施氮造成的磷限制問題；氮沉降提高了浙江楠土壤氮有效性，導致其傾向將更大比例生物量分配至地上部分競爭光資源，從而抑制了自身根系生長；浙江楠一旦建立地上競爭優勢，將反饋地下部分從而造成其根生物量升高。