不同氮磷水平下不同土層中紫花苜蓿細根周轉特征

趙俊威，李生儀，孫延亮，劉選帥，馬春暉，張前兵

（石河子大學動物科技學院，新疆 石河子 832003）

根系在植物生長過程中扮演著至關重要的角色，其作為植物與土壤溝通的橋梁，起著為植物吸收養分（氮、磷等）、向土壤返還養分（有機碳、全氮、全磷等）的關鍵作用［1］。根系在其自身生長和死亡的交替循環過程中，完成了碳和養分的轉化［2］，并在陸地生態系統中承擔著養分循環的作用［3］。在對根系的研究中，細根（直徑＜2 mm）是植物吸收土壤養分、水分和微量元素的主要器官［4-5］。目前，隨著人們對根系研究技術方法的提高，對植物地下部分的關注逐漸增加，細根生物量、細根壽命、細根周轉和陸地生態碳循環等方面成為研究熱點［6］。

細根是根系中對土壤養分吸收最敏感、最活躍的部分，同時也對環境因素（土壤溫度、水分、土層深度和季節變化等）和生物因素（真菌、細菌和土壤動物等）反應敏感［7］。其在地下生態系統中所起到的作用是不可忽視的，主要表現為：細根分布濃密，因而有較大的可吸收表面積，是植物吸收水分和微量元素的重要器官；細根生物量雖然在整體根系生物量中占比不高，但細根周轉對生態系統中初級凈生產力的貢獻比卻能達到60%。細根周轉的動態變化在各生態系統中扮演著重要角色，成為物質循環和養分再分配的關鍵樞紐［8］。細根現存量在表層土壤中含量較高，深層土壤中含量略低［9］；細根周轉率在不同土層表現出不同差異［10］。研究細根生產和周轉，對植物地上部分與地下部分碳分配與養分運輸有著十分重要的生物學意義。

氮、磷在紫花苜蓿（Medicago sativa）生長發育過程中扮演著重要角色，是苜蓿不可或缺的營養物質［3，11］。合理施用氮肥能夠增加葉綠素含量，促進苜蓿光合作用，進而增加干草產量［12］。磷元素是構成苜蓿遺傳物質、能量的重要“部件”，同時可以促進苜蓿繁殖、根系生長、根瘤菌的附植［13-14］。研究表明，為了追求超高產，人類盲目地對作物施用化肥，但過量施肥可能對作物細根生長和周轉產生負面影響，影響作物對養分的吸收，導致增產效果不佳，最終降低作物產量［15-16］。目前人們對氮添加如何影響細根生長和周轉，主要存在兩種爭議：細根生產力和周轉率都提高；細根生產力提高，周轉率下降［17］。近年來，由于農業機械化水平的提高，土壤磷素水平日益匱乏，限制作物的生長。研究表明，磷肥能顯著增加高寒草甸植物細根根長、根表面積和周轉率，并促進根系向下生長［10］。目前的研究主要集中在單一施肥對苜蓿細根周轉的影響方面，而對氮磷共同施加條件下不同土層苜蓿細根周轉的研究相對較少，尤其是滴灌條件下，氮磷共同施加對不同土層苜蓿細根周轉各指標之間關系的影響研究鮮見報道。

因此，本研究以紫花苜蓿為研究對象，通過微根管根系監測技術對氮磷共同施加條件下苜蓿細根生長狀況、時空分布變化進行研究，明確在氮磷共同施加條件下不同土層苜蓿細根周轉動態特征，分析苜蓿細根現存量、生長量、死亡量、細根周轉率及根表面積密度之間的關系，以期為滴灌苜蓿優質高產過程中細根周轉的作用機制研究、制定滴灌苜蓿優質高效生產的科學施肥制度提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于石河子大學牧草試驗站（44°20′N，88°30′E），屬于溫帶大陸性氣候，干燥少雨。年平均氣溫為7℃，無霜期為168～171 d，年降水量為190～260 mm，年蒸發量為1000～1500 mm。年均日照時間為2770 h。0～20 cm耕層土壤理化性質為：土壤質地為輕壤土，土壤有機質含量為39.5 g·kg-1，土壤年平均容重為1.54 g·cm-3，全氮含量為1.18 g·kg-1，堿解氮含量為145.47 mg·kg-1，全磷含量為0.53 g·kg-1，速效磷含量為19.30 mg·kg-1，速效鉀含量為119.8 mg·kg-1，pH=7.59。

1.2 試驗設計

試驗采用雙因素隨機區組設計，試驗設置2種施氮梯度，分別為施N：0（N0）和120 kg·hm-（2N1），4種施磷梯度，分別為施P2O5：0（P0）、50（P1）、100（P2）和150 kg·hm-（2P3），氮磷耦合共計8個處理，分別為：N0P0、N0P1、N0P2、N0P3、N1P0、N1P1、N1P2、N1P3，3次重復，所用氮肥為尿素（含N≥46%），所用磷肥為磷酸一銨（含P≥52%，含N≥10%）。肥料在返青后的分枝期、第1茬、第2茬、第3茬刈割后3～5 d隨水滴施，具體施肥時間分別為2020年5月9日、5月30日、7月6日 和8月12日。

供試紫花苜蓿品種為WL366HQ，紫花苜蓿于2019年4月29日播種，播種方式為人工條播，苜蓿行距為20 cm，播種量為18 kg·hm-2，播種深度為2.0 cm。每個小區面積為4 m（寬）×6 m（長）＝24 m2，每個小區之間均設置1 m寬的人行通道，防止小區之間水分、養分的互相滲透。灌溉方式采用滴灌，滴灌帶淺埋于地表8～10 cm，滴灌帶間距60 cm，所用滴灌帶為內鑲式滴灌帶（北京綠源有限公司生產），滴頭間距為20 cm，滴灌帶與苜蓿條播方向平行。返青后的分枝期、每茬刈割前10～12 d及刈割后3～5 d進行充分灌溉。田間管理除施肥因素外，其他水分、除草等管理均按當地滴灌苜蓿高產田進行。

1.3 研究方法

利用CI-600根系監測系統（美國CID BIO-Science公司生產）連續觀察苜蓿根系的生長死亡動態，于2019年7月進行微根管的安裝。在試驗小區中心位置安裝微根管，微根管長度為1 m，據文獻報道45°角更有利于監測苜蓿細根的生長，故微根管安裝在與地面成45°角的位置［18］，露出土壤表面部分約12～15 cm，微根管垂直深度約為60 cm。將配套的黑色微根管黑塑膠蓋套在微根管管口，將露出地面的部分微根管用黑色塑料袋包裹2層，用黃色橡皮筋扎緊，以防止在測根時掃描儀曝光，以及微根管蓋子滑落或破損后灰塵和水分進入微根管內壁。用長約1 m的木棍插在離微根管5 cm處的位置，以備在觀測時能直觀地找到微根管的位置，并防止在苜蓿刈割時人為破壞微根管。

于2020年5-10月，每茬刈割前用CI-600根系監測系統進行微根管內的根系生長圖像分層掃描并進行影像收集，共計4次，具體細根圖像掃描日期分別為2020年5月22日、6月27日、8月12日和10月4日。每管收集圖片16張，單張圖片的面積為21.59 cm（長）×19.56 cm（寬）＝422.3 cm2。將收集好的圖片帶回實驗室用根系圖像分析軟件（WinRHIZO TRON MF 2014b）進行處理。觀測窗中出現的根顯現為白色記為活根，變成褐色記為老根，而觀測窗中出現的黑色，或者當細根完全變成黑色、皮層脫落或出現明顯褶皺以及消失時，則記為死根。微根管的垂直深度約為60 cm，將其從上至下分為0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm和45～60 cm，共計4個土層。只記錄觀測窗中＜2 mm的根，其中將活根和老根的根長密度（具體見下方計算公式）合計為現存量。

1.4 測定指標

1.4.1 細根根長密度和根表面積密度的測定 細根根長密度和根表面積密度采用以下公式計算：

式中：RLD（root length density production，cm·cm-3）為根長密度；RSAD（root surface area density，cm2·cm-2）為細根表面積密度；RL（root length，cm）為整個微根管的細根根長；A（area，cm2）為掃描圖片的面積（422.3 cm2）；A×4為整個微根管的面積（cm2）；FRA（fine root surface area，cm2）為細根根表面積；DOF（depth of field，cm）為土層厚度，一般為0.2～0.3 cm。本研究中的DOF取0.2 cm［18］。因微根管與地面呈45°，故需要將所得細根根長密度再乘以sin45°得到垂直高度單位體積根長密度和根表面積密度。以根長密度作為基本參數，將整個微根管中的細根現有的長度作為一個整體，求出整個根管的根長密度即為總現存量。

1.4.2 苜蓿細根生產量和死亡量的計算 細根根長生產量指取樣間隔期內將同一張圖片的后一次采樣時期所記錄的新生根長和老根的伸長量減去前一次采樣時期的細根現存量，細根死亡量則包括原有根的死亡量和食根動物取食導致原有根長的減少量。

1.4.3 細根周轉率的計算 細根周轉率采用以下公式計算：

1.5 數據處理分析

利用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05進行數據處理分析，采用新復極差法（Duncan）對數據進行差異顯著性分析，采用Origin 2018軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 紫花苜蓿的總細根現存量

紫花苜蓿細根現存量受施氮和施磷水平交互作用的影響顯著（P＜0.05）（表1，圖1）。在相同施氮條件下，隨著施磷量的增加，紫花苜蓿細根總現存量呈先增加后降低的趨勢，N0P1處理在第一茬達到最大值，為1.916 cm·cm-3；N1P2處理在第二茬達到最大值，為2.362 cm·cm-3，且P1、P2處理顯著大于P0處理（除第四茬的N0處理外）（P＜0.05）。在N0條件下，P1和P2處理分別較P0處理增加了18.4%～23.5%和8.1%～16.8%。在N1條件下，P1和P2處理較P0增加了70.7%～76.2%和70.7%～79.1%。在相同施磷條件下，在相同茬次（除N0P0和N1P0處理外），N1處理紫花苜蓿的細根總現存量均顯著大于N0處理，N1較N0處理提高了8.1%～79.1%。

圖1 苜蓿細根總現存量Fig.1 Total fine root standing crop of alfalfa

表1 紫花苜蓿細根生長相關分析和統計結果Table 1 Correlation analysis and statistical results of fine root growth of alfalfa

2.2 紫花苜蓿細根表面積密度

細根表面積密度受氮磷的影響顯著（表1，圖2）。在相同施氮條件下，隨著施磷量的增加，紫花苜蓿細根表面積密度呈先增加后降低的趨勢，均在P2條件下達到最大值。在N0條件下，P1和P2處理顯著大于P0處理，且P1和P2處理分別較P0處理增加了4.5%～16.5%和22.2%～38.9%。在N1條件下，均為施磷處理（P1、P2、P3）顯著大于未施磷（P0）處理（P＜0.05），且P1、P2和P3處 理 分 別 較P0處 理 增 加 了56.6%～70.2%、76.5%～83.9%和26.9%～41.4%。在相同施磷條件下，N1處理下（除N0P0和N1P0處理）苜蓿細根表面積密度均顯著大于N0處理（P＜0.05）。

圖2 苜蓿細根表面積密度Fig.2 Root surface area density of alfalfa fine roots

2.3 紫花苜蓿不同土層細根現存量

在N0條件下，隨著施磷量的增加，苜蓿細根現存量在0～30 cm、45～60 cm土層中呈先增加后降低的趨勢，在30～45 cm土層中呈逐漸降低趨勢（圖3）；在0～15 cm土層中，P2處理苜蓿細根現存量顯著高于其他處理（除第3茬外）（P＜0.05），在15～30、45～60 cm土層中，P1處理顯著高于其他處理（除第4茬外）（P＜0.05）。在N1條件下，隨著施磷量的增加，苜蓿細根現存量在0～45 cm土層中呈先增加后降低的趨勢，在45～60 cm土層中呈逐漸增加趨勢；在0～30 cm土層中，P2處理苜蓿的細根現存量顯著高于其他處理（P＜0.05），在30～45 cm土層中，P1處理顯著高于其他處理（P＜0.05）；在45～60 cm土層中，P3處理顯著高于其他處理（P＜0.05）。從整個微根管分析來看，15～30 cm土層紫花苜蓿的細根現存量大于其他土層，說明紫花苜蓿的細根現存量主要集中在15～30 cm土層，占各土層細根現存量的比例為25.36%～38.10%。

圖3 不同土層細根現存量Fig.3 Fine root standing crop of alfalfa in different soil layers

2.4 紫花苜蓿細根生產量和死亡量

在氮磷配施條件下，苜蓿細根生產量與死亡量存在一定差異（表1，圖4）。在N0條件下，苜蓿細根生產量在Ⅰ階段內隨施磷量的增加呈先增加后降低的趨勢，并在P2處理下達到最大值。在Ⅱ階段內，隨施磷量的增加而增加，并在P3處理下達到最大值。在Ⅲ階段內，未施磷（P0）處理顯著大于施磷處理（P1、P2、P3）處理（P＜0.05）。在N1條件下，苜蓿細根生產量在Ⅰ階段內隨施磷量的增加呈先增加后降低的趨勢，在P2處理下達到最大值，在Ⅱ、Ⅲ階段內規律不明顯。

圖4 不同施肥處理下苜蓿細根生產量和死亡量Fig.4 Fine root production and mortality of alfalfa under different fertilization treatments

在相同施氮條件下，苜蓿細根死亡量在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ階段內隨施磷量的增加均呈先增加后降低的趨勢，P2處理在Ⅰ階段N0處理及Ⅱ階段內均達到最大值。在N0條件下，P1和P2處理分別較P0處理增加了4.7%～45.5%和8.1%～52.3%。在N1條件下，P1、P2、P3處理較P0處理分別增加了46.0%～57.4%、29.4%～75.7%和28.7%～57.5%。在相同施磷條件下，N1處理細根生產量和死亡量整體大于N0處理（P＜0.05）。

2.5 氮磷耦合條件下紫花苜蓿細根周轉率

如表2所示，在N0條件下，苜蓿年細根生產量隨施磷量的增加呈先降低后增加的趨勢、年細根死亡量和年細根最大現存量隨施磷量的增加呈先增加后降低的趨勢，各施磷處理之間差異均顯著（P＜0.05）。在N1條件下，苜蓿年細根生產量、年細根死亡量和年細根最大現存量均隨施磷量的增加呈先增加后降低趨勢，均在N1P2處理下達到最大值。在相同施氮條件下，隨施磷量的增加，苜蓿細根周轉率呈先降低后增加的趨勢，分別在N0P3和N1P0處理下達到最大值，分別為0.526和0.697·a-1。各施肥處理中，苜蓿年細根生產量、年細根死亡量、年細根最大現存量和細根周轉率均受到氮肥（除苜蓿年細根死亡量外）、磷肥以及氮肥與磷肥交互作用的極顯著影響（P＜0.01）。

表2 苜蓿細根周轉率Table 2 Fine root turnover rate of alfalfa

2.6 苜蓿各指標相關性分析

為明確苜蓿細根周轉率、年細根最大現存量、年細根死亡量和年細根表面積密度之間的相互關系，將其分別進行擬合。結果表明（圖5），在苜蓿細根周轉過程中，年細根死亡量與細根周轉率擬合的決定系數（R2=0.8774）大于年細根最大現存量（R2=0.7928）。年細根最大現存量與年細根死亡量、年細根表面積密度擬合的二次方程的決定系數R2分別為0.8490和0.9101，苜蓿年細根最大現存量與年細根死亡量、年細根表面積密度有極高的相關性。

圖5 苜蓿各指標的相關性分析Fig.5 Correlation coefficients between indexes of alfalfa

3 討論

3.1 氮磷配施對苜蓿細根總現存量、根表面積密度和不同土層細根現存量的影響

苜蓿細根的生長受多種因素的影響，如土壤條件、施肥方式和刈割措施等，這些因素都會引起土壤環境的變化，進而影響細根現存量，而氮肥和磷肥是影響苜蓿細根生長的重要因素［19］。研究表明，在苜蓿生長過程中向土壤中施用氮/磷肥可促進苜蓿細根的生長，增加細根現存量和細根吸收養分的能力，進而增加苜蓿地上部分的物質積累［20］。本研究結果表明，低磷（P1）和中磷（P2）均能促進細根現存量，而高磷（P3）則表現出抑制效果，這是因為施磷能夠顯著增加土壤磷素水平，通過細根吸收和轉運進植物體內增加作物代謝能力，進而增加細根現存量，而高磷處理使苜蓿細根不需要過多的生長便可以吸收土壤磷素［21］。施磷和氮磷配施處理對苜蓿細根現存量影響較大，通過增加養分的運輸，可以有效提高根系生物量，促進根系生長和發育，進而顯著提高植株對土壤養分的吸收和獲取［22-23］。研究發現，根系通過調控根層養分進而優化植物—土壤系統中的根區養分輸入，增加根系生長發育，最終實現植物自身生長繁殖［24］。可見，氮磷配施能夠改善土壤有效氮、有效磷含量，進而提高苜蓿的細根現存量［25］。

施肥可通過改變土壤養分含量，進而改變作物根系形態，促進細根對養分的吸收［26］。本試驗條件下，適宜施磷量顯著提高了細根表面積，但高磷（P3）抑制根表面積，這與細根現存量變化一致。說明施磷后苜蓿細根根系形態發生顯著改變，植物根系利用其強大的可塑性予以應對，形成了“成本-效益”策略來適應各種土壤養分分布狀況［22］。本研究表明，與單施磷肥相比，氮磷配施顯著提高了苜蓿細根表面積。已有研究證實，根表面積增加可提高根系攝取土壤氮、磷的能力［27］，這是由于根系形態適應性可以改變對植物氮、磷的吸收［28］。

苜蓿是典型的直根型牧草，有發達的主根和豐富的側根，細根現存量隨土層深度的增加呈現降低的趨勢［14］。施磷處理對細根總現存量有顯著影響，但不同土層細根現存量對施用磷肥的響應不同，施用磷肥顯著增加了15～30 cm土層細根現存量，而對30～45 cm土層細根生物量有抑制效果。這可能與磷素濃度的土層分布不均勻有關［29］。一方面，磷肥通過滴灌隨水緩滲進土壤，營養主要集中在土壤表層，另一方面，土壤水分受熱蒸發的過程中將養分通過土壤毛管向上遷移，進而使養分在土壤表層富集［30］。氮磷配施條件下苜蓿細根現存量在各個土層中均大于未施肥處理。說明在細根生長過程中，氮磷協同作用使苜蓿細根現存量增加［21］。研究表明，養分均隨著土層的加深而降低，但植物對養分的吸收因土層的加深有滯后性，且深層土壤溫度也有一定的滯后性［31］，本研究中養分與溫度的同步性較差，進而導致0～15 cm、15～30 cm和30～45 cm、45～60 cm細根現存量存在較大差異。

3.2 氮磷配施對苜蓿細根生產量、死亡量和周轉率的影響

苜蓿作為多年生牧草，良好的根系發育情況決定地上部分干物質產量。苜蓿根系的生產量和死亡量與苜蓿地上部分積累密切相關。研究表明，細根從土壤中獲得的養分和水分越多，苜蓿分配到細根的碳就越多，細根的壽命也就越長［32］。磷是細根生長的主要限制養分之一，高磷和低磷都不利于苜蓿根系的生長［13］。在本研究中，施磷處理下，苜蓿細根生產量在Ⅰ階段內呈先增加后降低的趨勢，且與對照相比，P2處理細根生產量提高了85.1%，可見，適宜施磷量顯著提高了苜蓿的細根生產量，這可能主要與苜蓿地上和地下部分養分的分配有關。根據優化碳分配理論，如果苜蓿細根生長受到磷素水平影響，則會將作物獲取的碳分配到根系用于獲取足夠的氮、磷；反之，則降低轉運到根中碳的比例［33］。此外，氮、磷素作為構成植物體的重要元素，氮、磷配施對苜蓿細根生產量的影響表現為較復雜的交互效應，細根生產量僅在Ⅰ階段內表現出明顯的規律性，而細根死亡量在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段內表現出明顯的規律性，均隨施磷量的增加呈先增加后降低的趨勢。可見，苜蓿細根在適宜的氮、磷條件下，會通過調節生產量和死亡量的方式，以吸收土壤養分。本研究結果表明，細根生產量、死亡量主要集中在0～30 cm土層，隨著土層深度的增加，苜蓿細根生產量、死亡量均逐漸降低。另有研究表明，土壤40～60 cm土層的苜蓿細根生產量、死亡量顯著低于0～20 cm［18］。這主要是由于隨土層深度的增加，土壤溫度、土壤濕度、土壤養分含量和土壤容重不適宜細根生長，植物為了適應逆境而采用降低養分供給，減少細根生產和死亡的策略，降低自身養分消耗，進而降低了細根的生產量、死亡量［34］。

施肥增加了紫花苜蓿細根生產量而周轉降低，使細根的壽命增加。研究表明，土壤養分有效性對細根周轉與壽命有顯著影響［35］。在土壤養分不足的土地中，植株會向根系中分配更多的光合產物，因此細根表現出較高的周轉率；另有研究表明，在施肥處理下，細根生產量提高，周轉率降低，細根壽命有所延長［36］，本研究結果與前人研究結果一致。同時，植物為從土壤中獲取養分以滿足自身生長發育需要，會加快細根生長和死亡［23］。可見，高周轉率代表低細根現存量，這是植物在適應環境變化過程中所進化出的一種較優生存模式［34］。此外，細根在0～30 cm土層中表現出較高周轉，這是由于N添加提高了土壤氮的有效性，促進細根代謝，提高根呼吸速率，進而降低細根壽命，提高細根周轉率。而隨著土層深度的增加，細根受到的外界刺激減少，死亡危險率較表層土壤大幅降低，進而導致周轉率降低［37］。

4 結論

苜蓿細根生物量主要集中在地下15～30 cm土層，細根現存量存在時空上的差異，隨土層的增加和時間的推移而降低。通過擬合分析得知，苜蓿年細根死亡量對細根周轉率的影響高于年細根最大現存量。不同氮磷配施模式對苜蓿細根周轉存在顯著差異，氮磷配施比單一磷肥效果更好，當施磷（P2O5）量為100 kg·hm-2、施氮（N）量為120 kg·hm-2時，能夠顯著增加苜蓿細根的現存量和根表面積密度，進而促進苜蓿細根的生長。