中齡林馬尾松細(xì)根固土作用的調(diào)控

周 瑋，周運(yùn)超，葉立鵬

(1.貴州民族大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

中齡林馬尾松細(xì)根固土作用的調(diào)控

周 瑋1，周運(yùn)超2，葉立鵬2

(1.貴州民族大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

研究不同施肥處理對(duì)中齡林馬尾松細(xì)根生長動(dòng)態(tài)的影響，結(jié)合根系與固土作用的關(guān)系，闡述施肥對(duì)細(xì)根固土作用的調(diào)控。結(jié)果表明：不同施肥處理下細(xì)根生物量及形態(tài)指標(biāo)均表現(xiàn)為夏季(8、9月份)最高，冬季(11、12月份)最低，施P肥或者NPK肥合理混施可促進(jìn)細(xì)根生物量及根長等的生長狀況，并延長細(xì)根生長時(shí)間，且在夏季顯著高于對(duì)照。因此在馬尾松中齡林下，通過施用P肥及NPK肥合理混施調(diào)控細(xì)根的生長，增強(qiáng)其固土效應(yīng)。

馬尾松中齡林；細(xì)根調(diào)控；施肥處理；固土效應(yīng)

馬尾松 Pinus massoniana是我國南方林區(qū)主要的造林樹種，也是貴州省的主要用材樹種。但長期種植馬尾松造成林下水土保持功能下降[1]，有近1 /4 馬尾松群落存在嚴(yán)重的林下水土流失[2]，特別是在幼齡林及中齡林林地土壤侵蝕強(qiáng)度一般在中度[2 500t/(km2·a)]以上[3-4]。施肥具有顯著促進(jìn)林木速生豐產(chǎn)的作用[5-6]，馬尾松近熟林、中齡林、幼林施肥試驗(yàn)研究結(jié)果均表明其促進(jìn)速生、豐產(chǎn)的效果[6-10]。作者[11-14]也就馬尾松幼苗根系對(duì)施肥的響應(yīng)變化做了相關(guān)研究，證明施肥對(duì)馬尾松根系有明顯影響，可以通過施肥措施對(duì)馬尾松根系生長進(jìn)行適當(dāng)調(diào)控。

植物根系通過盤繞、穿插等作用網(wǎng)絡(luò)土壤，且可改善土壤物理性質(zhì)，增強(qiáng)其抗沖性能[15-26]，實(shí)現(xiàn)其對(duì)土壤的固持作用。朱顯謨等[27]、吳彥等[16]、李德生[28]及李勇等[29]證實(shí)了植物根系通過改變土壤物理性質(zhì)而改善土壤的滲透性。國內(nèi)有關(guān)根系固土作用的研究也有報(bào)道[30-34]，而對(duì)施肥—根系調(diào)控—固土效益三者之間的研究則較少。因此本文就中齡林馬尾松根系在各施肥措施下形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化作相關(guān)研究，并根據(jù)根系的固土功能之間的研究結(jié)果，探討施肥—根系調(diào)控—固土效益三者之間的關(guān)系，試圖闡明施肥措施對(duì)馬尾松根系的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)固土作用的調(diào)控。

1 材料與方法

1.1 樣地基本情況

選擇12年生馬尾松二代人工純林作為研究對(duì)象，共設(shè)置12塊樣地，每塊樣地面積為20m×30m。樣地位于貴州省龍里林場播箕橋分場一碗井林區(qū)，北坡，海拔1 125～1 140m，林內(nèi)密度大，郁閉度0.9以上，林分平均胸徑在10.0～12.5cm之間，平均高為7.0～9.8m。林下植被主要有光皮樺Betual luminifera、麻櫟Quercus acutissima、青岡櫟Cyclobalanopsis glauca、構(gòu)樹Broussoneti papyrifera、楊梅Myrica rubra、火棘Pyracantha fortuneana、鼠刺Spinifex littore、木姜子Litsea pungens等。樣地內(nèi)土壤為黃壤，由砂巖發(fā)育而成，上層(0～20cm)為砂質(zhì)粘壤土，有機(jī)質(zhì)含量中等(3.13～6.41g/kg)，N、P、K素全量含量不多，分別為0.22、2.24及1.88g/kg，但有效N、K素的含量相對(duì)較高，為107.63及87.85mg/kg，有效P含量少，為28.24mg/kg；下層(20～40cm)為粘壤土，下層土壤中養(yǎng)分含量除全K外均低于上層土，且下層土壤中養(yǎng)分含量在各樣地中變化小于上層土，變異系數(shù)較上層土低2.4～4.7。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)進(jìn)行施肥，每個(gè)樣地為1個(gè)肥種，分別為N、P、K以及NPK不同配合，每個(gè)樣地分為4個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為150m2，分別為各肥種的4個(gè)施肥水平，每個(gè)處理重復(fù)3次。選用肥料為尿素(含N 460g/kg)、鈣鎂磷肥(含P2O5140g/kg)、硫酸鉀(含K2O 500g/kg)，于每株樹的坡上方樹冠投影下呈弧形開15cm溝施入。每種肥料均設(shè)置4 個(gè)水平，其中尿素為每株 0g(N1)、150g(N2)、300g(N3)、450g(N4)，鈣鎂磷肥為每株0g(P1)、500g(P2)、1 000g(P3)、1 500g(P4)，硫酸鉀為每株 0g(K1)、100g(K2)、200g(K3)、300g(K4)，不 同肥種配合設(shè)計(jì)4個(gè)水平，分別為CK、N1P3K2、N2P3K2、N2P1K2，其中CK為不施肥對(duì)照，N2P3K2有證明為對(duì)中齡林馬尾松林有較好施肥效應(yīng)的2個(gè)組合，N2P1K2為無P對(duì)照，N1P3K2為無N對(duì)照。

于2009年1月按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行施肥試驗(yàn)，施肥后采用尼龍網(wǎng)袋法，在每株施肥樹木的林冠下方用直徑為4.5cm、高為20cm的土鉆在樹干周圍鉆12個(gè)孔(0～20cm土層)，每個(gè)孔的土壤鉆出后將其中的根系全部撿掉，再將土壤分別裝入尼龍網(wǎng)袋中，填回原處。待施肥2年后，于2011年4月底至2012年3月底每月一次對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)的尼龍網(wǎng)袋進(jìn)行調(diào)查，將生長后通過網(wǎng)袋的馬尾松根全部取出，輕輕抖去粘在根上的土壤，裝入有編號(hào)的樣品袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，根系上有無法抖掉的土連根一起帶回。帶回的根置于0.1mm孔徑的細(xì)篩中，用清水輕輕反復(fù)沖洗，用游標(biāo)卡尺撿出篩中直徑≤2mm的根系，并注意將非馬尾松的根及死根區(qū)別和剔除。平鋪在干凈的濾紙上，以吸去多余水分以待測定。

1.3 研究方法

洗凈的根系應(yīng)用Epson數(shù)字化掃描儀(Expression 10000XL 1.0)掃描根系，并將掃描后的圖像存入計(jì)算機(jī)，用與掃描儀配套的Win RHIZOC Pro 2004b根系圖像分析系統(tǒng)軟件(加拿大Regentlnstruments公司)對(duì)根形態(tài)指標(biāo)(根系長度(Root length,cm)及根系體積(Root Volume,cm3)進(jìn)行定量分析，之后測定根系的鮮質(zhì)量后將其置于80℃的烘箱中烘至恒質(zhì)量，得到各處理下細(xì)根的生物量。

2 結(jié)果與分析

2.1 根生物量

圖1是不同的施肥處理下中齡林馬尾松根系生物量的情況。經(jīng)方差分析，不同肥種及各肥種不同施肥量對(duì)根系生物量影響極顯著(p=0.001及0.0005＜0.01)，說明對(duì)中齡馬尾松進(jìn)行不同的施肥處理對(duì)根系有明顯影響，通過施肥措施對(duì)根系生物量進(jìn)行調(diào)控是可行的。從圖1中可以看出，對(duì)照在全年變化不明顯，9月最高，10月最低；施K肥細(xì)根生物量表現(xiàn)與對(duì)照一致；而施N、P肥及NPK混施均表現(xiàn)為8月最高，明顯高于同時(shí)期的對(duì)照，施N肥在11月生物量最低，P肥則到12月或者次年1月最低。從7月后迅速增加直至最低值時(shí)細(xì)根生物量顯著高于同時(shí)期對(duì)照。8月N2P3K2處理根生物量最大，顯著高于對(duì)照，并高于同時(shí)期其他處理，全年生物量均高于其他NPK處理及對(duì)照，說明NPK肥按照合理比例混合施用能較好地促進(jìn)根系生物量的生長。

圖1 不同施肥處理下根系生物量的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of root biomass under different fertilizer treatments

2.2 根 長

方差分析結(jié)果表明，肥種對(duì)根長影響達(dá)到極顯著水平(p=0.002＜0.01)，各肥種的不同施肥量對(duì)根長影響顯著(p=0.015＜0.05)，說明通過施肥措施可以對(duì)中齡馬尾松的細(xì)根總長度進(jìn)行調(diào)控。圖2是不同施肥處理下細(xì)根長度的年動(dòng)態(tài)變化。從圖2中可以看出，馬尾松細(xì)根1年內(nèi)均表現(xiàn)為夏季(8、9月)根長最長，冬季(11、12月)最低。施N肥及K肥處理在8月根長最長，之后迅速降低，直至11月到最低點(diǎn)，而后經(jīng)過12月后逐漸增加。施P肥處理則8月時(shí)根長達(dá)到對(duì)照(P1)最高值，而后仍持續(xù)增加，9月根長最長，10月緩慢降低，直至12月最低，而對(duì)照P1則是11月細(xì)根長最低；并且隨著P肥施用量的增加，全年細(xì)根根長有逐漸增加的趨勢；從最高值到最低值之間施P肥處理下細(xì)根根長遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)照。NPK混合施用結(jié)果則是，除NPK合理混施外其余處理下根長均在8月達(dá)到最高值，而N2P3K2處理下細(xì)根8月后持續(xù)生長直至9月最長，11月降到最低(高于同時(shí)期的其他處理)，而后逐漸增加；全年NPK混施細(xì)根根長高于對(duì)照。

2.3 體 積

根體積的大小與植物對(duì)養(yǎng)分、水分吸收的關(guān)系不大，但能夠體現(xiàn)根系在土壤中所占空間的大小，對(duì)水分在土壤中的運(yùn)輸及轉(zhuǎn)移有明顯影響。由圖3可知，不同肥種對(duì)細(xì)根體積影響不顯著(p=0.55＞0.05)，各肥種的不同施肥量對(duì)根體積影響顯著(p=0.012＜0.05)，隨著N、P肥施用量的增加，根系體積表現(xiàn)出增加的趨勢，P肥增加量較N肥高，特別是在細(xì)根生長旺盛期(8、9月)；施K肥則表現(xiàn)是K3處理下全年細(xì)根體積較高；不同處理下體積表現(xiàn)為夏季最高(8月)，冬季(12月)最低，P3、P4處理下則體積增長至9月達(dá)最高；P3、P4、N2P3K2在冬季降至最低后迅速增加；在細(xì)根生長旺盛期施P肥及NPK混施處理下體積明顯高于對(duì)照。

3 討 論

植物根系通過細(xì)根及根尖吸收土壤中的養(yǎng)分和水分，并且通過根系的穿插等作用增強(qiáng)土壤的抗侵蝕力和抗剪切力[35]，改善土壤的物理性質(zhì)，這些對(duì)于植物根系的固土作用有著很重要的意義。綜合國內(nèi)外學(xué)者[30-34,36-48]的研究成果，都一致肯定了植物根系的固土功能。

在自然和人為作用條件下，有近1 /4 馬尾松群落存在嚴(yán)重的林下水土流失[2]，而通過施肥措施可改變馬尾松根系的生長狀況[11,13-14]，本研究得出不同的施肥處理對(duì)馬尾松細(xì)根有極顯著或顯著影響，說明對(duì)馬尾松中齡林進(jìn)行施肥處理能夠明顯地促進(jìn)或者抑制根系，特別是細(xì)根的生長，可以通過施肥措施來實(shí)現(xiàn)對(duì)林木根系的調(diào)控，這與已有的研究結(jié)果[5-14]一致，進(jìn)一步說明施肥可調(diào)控馬尾松根系的生長，進(jìn)而影響其林地土壤的抗沖、抗蝕及滲透性，發(fā)揮林木根系的固土作用，實(shí)現(xiàn)根系固持土壤的效應(yīng)。

圖2 不同施肥處理下根長的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of root length density under different fertilizer treatments

圖3 不同施肥處理下根系體積的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of root volume under different fertilizer treatments

根系對(duì)土壤滲透性的影響是通過改善物理性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。根系在土壤中的盤繞能將土壤單粒粘結(jié)起來，通過其穿插作用將板結(jié)、實(shí)密的土壤分散[27]，并且通過土壤中微生物的分解作使其分解成為腐殖質(zhì)，使土壤有良好的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)和孔隙狀況。吳彥等[16]的研究證明對(duì)土壤寶盒滲透系數(shù)影響最主要的是須根，須根可增加土壤中大粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)粒，從而改善土壤的滲透性能。李德生[28]的研究結(jié)果也證明了土壤根系與土壤滲透性能的相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)施肥處理后馬尾松細(xì)根在夏季(8、9月份)最高，冬季(11、12月份)最低，對(duì)照則全年變化不明顯。該地區(qū)全年降水量分布不均，5～10月降雨量較多，6～8月占降雨量的一半，且多為大到暴雨。降雨是馬尾松林地土壤水土流失的一個(gè)重要因素[49]，因?yàn)楦邚?qiáng)度的降雨極易產(chǎn)生地表徑流和嚴(yán)重的土壤侵蝕[50]。而部分地區(qū)侵蝕性降雨占到該地區(qū)多年平均總降雨量的一半以上[51]。吳擢溪[52]研究也表明在其他條件基本相同的情況下，隨著降雨侵蝕力的增加，泥沙沖刷量最高可增加約205.18 倍。因此該地區(qū)夏季細(xì)根生長增加，生長期延長可增加土壤的滲透性，減少地表徑流，實(shí)現(xiàn)中齡林馬尾松細(xì)根固持土壤的效應(yīng)。而冬季則相反，降雨量少，發(fā)生地表徑流可能性小，因此通過施肥可調(diào)控對(duì)該地區(qū)1年內(nèi)馬尾松林細(xì)根的生長動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)細(xì)根固土效應(yīng)的調(diào)控。

施P肥或者NPK肥合理混施可促進(jìn)細(xì)根生物量、根長、表面積及體積的生長狀況并延長細(xì)根生長時(shí)間，且隨著P肥施用量的增加，全年表現(xiàn)出增加趨勢，而施K肥則無明顯效果，施N肥對(duì)馬尾松細(xì)根總的來說效果不明顯。而植物的固土抗蝕作用大小與其根系密切相關(guān)，根系特征決定了根的固土抗蝕作用的發(fā)揮[53]，張金池等[18]的研究結(jié)果表明樹木根系，尤其是＜2mm細(xì)根有較強(qiáng)的固持土壤的能力，而根長、根生物量與土壤的抗沖、抗蝕性和滲透性有明顯的相關(guān)性。小于1mm的細(xì)根在土壤中分布較廣，作用較明顯，從而使土體抵抗風(fēng)蝕和流水沖刷的能力大增，明顯提高抗沖性[16,19-21]。說明在馬尾松中齡林適當(dāng)施用P肥，或者NPK按照合理比例配合施用，對(duì)增強(qiáng)林下土壤的抗沖、抗蝕性及滲透性，減少地表徑流，固土效應(yīng)較施N、K肥更明顯。

4 結(jié) 論

本文中以中齡馬尾松為研究對(duì)象，通過對(duì)施肥后細(xì)根生物量及形態(tài)的動(dòng)態(tài)研究，得出施肥對(duì)細(xì)根生長變化的影響，從而達(dá)到通過施肥來調(diào)控根系的目的，實(shí)現(xiàn)通過施肥調(diào)控根系—固土的目的。得出如下研究結(jié)果：

(1)不同的施肥處理(包括肥種及各肥種不同施肥量)對(duì)根系的形態(tài)有極顯著或顯著影響。

(2)不同施肥處理下細(xì)根生物量及形態(tài)指標(biāo)均表現(xiàn)為夏季(8、9月份)最高，冬季(11、12月份)最低，而對(duì)照則全年變化不明顯。

(3)施P肥及NPK合理混施可延長細(xì)根生物量、根長及體積的生長時(shí)間，即細(xì)根生長到達(dá)最高值及最低值時(shí)間延后，或者同時(shí)期生長量較高，且在夏季生物量、根長及體積均明顯高于對(duì)照。施K肥處理則與對(duì)照相似，對(duì)馬尾松細(xì)根的影響不明顯。施N肥處理對(duì)細(xì)根影響不一致，對(duì)生物量、根長及表面積表現(xiàn)出旺盛期有一定的促進(jìn)作用，而對(duì)體積則不明顯。

(4)隨著P肥施用量的增加，全年表現(xiàn)出增加趨勢，而施N、K肥效果不明顯。

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Regulation of fertilization treatment on fi ne root fi xation in middle aged Pinus massoniana plantation

ZHOU Wei1,ZHOU Yun-chao2,YE Li-peng2
(1.Chemistry and Environmental Science School of Guizhou Minzu University,Guiyang 550025,Guizhou,China;2.Forestry College of Guizhou University,Guiyang 550025,Guizhou,China;)

The effects of fertilization treatments on middle-aged Pinus massoniana fi ne-root growth dynamics were investigated.By taking into account for the relations of root system and soil fi xation,the adjustive function of fertilization treatments on fi ne root soil fixation was expounded.The results show that the fine root biomass and morphology under different fertilizer treatments were the highest in summer(August and September),those were the lowest in winter months(November and December); the fertilizer P treatment or fertilizer NPK treatment could promoted the growth of fi ne root biomass and root length and extended the fi ne root reaction time,and in summer,the actions were signi fi cantly higher than the CK,the N,K fertilizer treatments had no signi fi cant effect.So the fi ne root biomass and morphology can be regulated through the application of P fertilizer and reasonable mixed NPK fertilizer.

middle-aged forest of Pinus massoniana; regulation of fi ne roots; fertilization treatment; soil reinforcement effect

S791.248；S725.5

A

1673-923X(2015)01-0018-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.01.004

2013-10-08

國家863課題(2011AA10020301)；貴州省重大專項(xiàng)(黔科合重大專項(xiàng)字[2012]6001號(hào))；貴州省人才基地建設(shè)項(xiàng)目(黔人領(lǐng)發(fā)[2009]9號(hào))；貴州省科技人才團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目(黔科合人才團(tuán)隊(duì)(2011)4003)；貴州民族大學(xué)引進(jìn)人才科研基金資助項(xiàng)目[校引才科研2014(03)號(hào)]

周 瑋，副教授；E-mail：zhwei1982802@126.com

周運(yùn)超，教授，博導(dǎo)：E-mail：fc.yczhou@gzu.edu.cn

周 瑋，周運(yùn)超，葉立鵬.中齡林馬尾松細(xì)根固土作用的調(diào)控[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35(1)：18-23.

[本文編校：謝榮秀]