水分和磷處理對建植當年柳枝稷根系生長和形態(tài)特征的影響

王世琪，劉金彪，康繼月，安勤勤，王 智,，徐炳成,

（1. 西北農(nóng)林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2. 中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

半干旱黃土丘陵區(qū)是國家實施退耕還林還草及生態(tài)建設(shè)的重點區(qū)域，作為植被恢復的重要組成部分，栽培草地建設(shè)一直難成規(guī)模，其原因包括干旱和土壤貧瘠，以及缺乏優(yōu)良草種[1]。柳枝稷(Panicum virgatum)為禾本科黍?qū)俣嗄晟鶦4草本植物，根系發(fā)達，適應(yīng)性強，具有較高的生物量和水肥利用效率，較強的耐旱和耐貧瘠能力；既可作為牧草，也是很好的生物質(zhì)能源作物[2-4]。在陜北半干旱黃土丘陵區(qū)不同立地條件下，柳枝稷表現(xiàn)出高生物量和抗旱能力強等特征，是一種優(yōu)良的水土保持植物[3-4]。

磷是植物體內(nèi)許多有機化合物的組成成分，又以多種方式參與植物代謝過程[5]。干旱限制了土壤中磷的遷移和有效性及植物對磷的獲取，使磷成為侵蝕環(huán)境中限制植物生長的主要因素之一[6]。干旱條件下，施磷可促進植物根冠生長，提高植物氣孔調(diào)節(jié)能力，降低蒸騰耗水量，提高水分利用效率及抵御干旱脅迫的能力[7]。根系是植物吸收土壤水分和養(yǎng)分的主要器官，根系生長、形態(tài)特征及生理特性的適應(yīng)性變化是植物高效利用有限土壤水肥資源的基礎(chǔ)[8-9]。低磷條件下，植物通常通過提高根冠比、總根長和根表面積，以擴大其在土壤中的分布范圍以及與土壤的接觸面積，提高對磷的吸收利用[6,10]。當水分和磷同時虧缺時，根系通常形成“表層細根吸磷、深層根系吸水”的分布特征以提高其吸收和利用[6]。干旱條件下，適當施磷可促進細根生長，提高根系水分吸收及傳輸能力[11]。

半干旱黃土丘陵區(qū)年降水量低且土壤有效磷含量低，這將影響植物的生長與發(fā)育[2,12]。柳枝稷在黃土丘陵區(qū)的研究多集中于其對干旱、低溫和鹽脅迫的適應(yīng)性，以及育種、苗期管理、種植密度和施氮等農(nóng)藝措施對柳枝稷生長的影響，而對磷供應(yīng)條件下柳枝稷生長和適應(yīng)性特征的研究開展較少[13]。建植當年柳枝稷根系的良好發(fā)育是其成功越冬并建植的關(guān)鍵。本研究在控制條件下，通過設(shè)置兩種水分供應(yīng)水平和3個施磷處理，對比水分和磷處理對建植當年柳枝稷根冠生長與根系形態(tài)特征的影響，以期為認識柳枝稷對半干旱區(qū)的適應(yīng)性及其栽培草地建植管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

柳枝稷品種為Alamo，引自美國，種子于2014年10月采自陜西安塞農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站山地試驗場 (36°05'60'' N、109°19'23'' E)，海拔1 068 - 1 309 m。曬干后在自然狀態(tài)下儲藏，千粒重為2.110 5 g，試驗開始前的種子發(fā)芽試驗表明其發(fā)芽率在90%以上。

盆栽土壤采自安塞農(nóng)田耕層(0 - 20 cm)。土壤養(yǎng)分含量：有機質(zhì) 2.60 g·kg-1、速效氮 2.80 mg·kg-1、速效磷11.67 mg·kg-1、全氮0.97 g·kg-1、全磷0.61 g·kg-1，土壤田間持水量(field capacity, FC)為20%。盆栽使用規(guī)格為 30 cm × 20 cm(高度 × 直徑)、底部封堵的PVC管。裝桶時桶底鋪碎石子，沿桶內(nèi)壁安置一根內(nèi)徑為2 cm、長25 cm的PVC管作為灌水管道。每桶裝干土9 kg。

1.2 試驗設(shè)計

采用裂區(qū)試驗設(shè)計，以兩個水分水平80% FC(高水, high water, HW)和 40% FC (低水, low water,LW)[14]為主區(qū)，各主區(qū)內(nèi)設(shè)置3個施磷處理(以每千克干土施P2O5的量計算；0、0.05、0.1 g·kg-1，分別記為P0、P0.05、P0.1)[11]為3個副區(qū)，共6個處理，每個處理5個重復。磷肥為過磷酸鈣(P2O5含量為15%)，裝桶時隨土均勻一次混入。

于2016年4月17日開始，10月28日結(jié)束。采用種子播種，每穴約5粒種子，穴深1 cm，每盆12穴。苗期保持充足供水。第1次間苗(4月30日)每穴留兩株，第2次間苗(5月20日)每穴留壯苗1株，每盆保留12株。7月20日(柳枝稷處于拔節(jié)期)開始水分控制，控水前每盆覆蓋2 cm厚珍珠巖以減少土壤水分蒸發(fā)。同時，設(shè)置3桶無植株對照用于核算日土壤水分蒸發(fā)量。

土壤含水量采用稱重法測定與控制，每天18:00進行稱重控水和記錄計算每日耗水量，水從桶內(nèi)側(cè)灌水管加入。每周調(diào)整盆栽擺放位置，及時清除雜草，并隨時收集枯落物。試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點試驗室外防雨棚下進行。

1.3 測定指標和方法

生物量與根冠比：參考Wang等[15]的測定方法。2016年10月28日生育期結(jié)束時統(tǒng)一毀桶。將地上部分收獲完畢后，所有根系在0.25 mm的孔篩中用自來水沖洗干凈，用吸水紙吸干水分后，每桶隨機選取兩株柳枝稷根系用于形態(tài)特征測定。根系掃描后，將地上部分和全部根系分別裝入紙袋，于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重后得到地上生物量(aboveground biomass, AGB, g)和根系生物量(root biomass, RB, g)。根冠比(root to shoot ratio,RSR)為根系生物量與地上生物量之比，即RSR =RB/AGB。

蒸騰耗水量與水分利用效率：參考Hund等[8]的測定方法，根據(jù)每日稱重獲取的總耗水量減去土壤蒸發(fā)量為當日蒸騰耗水量。蒸騰耗水量(transpiration water, T, kg)為整個試驗過程中日蒸騰耗水量之和。水分利用效率(water use efficiency, WUE,g·kg-1)為總生物量與蒸騰耗水量比值，即WUE =(AGB + RB)/T。

根系形態(tài)特征：參考Wang等[15]和Li等[16]的測定方法，將每桶隨機選取兩株柳枝稷根系平鋪在透明膠片上，利用EPSON掃描儀(Perfection V700 Photo, Long Beach, CA, USA)進行掃描，然后用根系分析軟件WinRHIZO (v2009, Regent Instruments,Montreal, QC, Canada)分析得到總根長(total root length,TRL, m)、根表面積(root surface area, RSA, m2)、總根體積(cm3)、根系平均直徑(root average diameter,RAD, mm)以及根系每0.1 mm徑級的根長、根表面積和根體積。研究表明，柳枝稷根系主要為0～0.5 mm徑級的一級根，占總根長的67%～83%[17]。因此，本研究按照0.5 mm劃分柳枝稷粗根與細根：細根長(fine root length, m)為0～0.5 mm徑級的根長，粗根長(coarse root length, m)為 ＞ 0.5 mm徑級的根長。細根生物量(fine root biomass, g)為0～0.5 mm徑級的根系生物量，即細根生物量 = 根系生物量 × (細根體積/總根體積)。粗根生物量(coarse root biomass, g)為 ＞ 0.5 mm徑級的根系生物量，即粗根生物量 = 根系生物量 × (粗根體積/根體積)。

比根長(specific root length, SRL, m·g-1)為總根長和根系生物量比值，即SRL = TRL/RB。比根面積(specific root area, SRA, m2·g-1)為根表面積與根系生物量比值，即SRA = RSA/RB。根組織密度(root tissue density, RTD, mg·cm-3)為根系生物量與總根體積比值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

圖表中數(shù)據(jù)均為單株柳枝稷的對應(yīng)指標，用平均值和標準誤表示測定結(jié)果。采用Sigmaplot 12.0(Systat, USA)繪圖，用Genstat 19.1 (VSN international Ltd., UK)進行統(tǒng)計分析。不同水分水平和磷處理間各指標差異顯著性采用單因素方差分析(One-way ANOVA)，并用Duncan法進行多重比較。Genstat中用于裂區(qū)試驗設(shè)計(Split-plot design)的方差分析來檢驗水分、磷及二者互作對根冠生物量和根系形態(tài)特征的影響(P = 0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物量與根冠比

水分和磷均顯著影響柳枝稷根冠生物量，水分和磷交互作用對根冠生物量無顯著影響(表1)。不論施磷與否，HW水平下柳枝稷地上生物量和根系生物量均大于LW。HW水平下，P0.05和P0.1處理分別較P0的地上生物量顯著增加58%和100% (P ＜0.05)，根系生物量顯著增加57%和67%。LW水平下，各施磷處理間地上生物量和根系生物量均無顯著差異(P ＞ 0.05) (圖1)。這些表明水分是影響柳枝稷根冠生長的主要因素，施磷對柳枝稷生物量累積的效應(yīng)與土壤水分條件有關(guān)。

表 1 水分、磷及其交互作用對柳枝稷根冠生物量及水分利用效率的影響Table 1 Analysis of variance for the effects of water and phosphorus on aboveground biomass,root biomass and water use efficiency of switchgrass

圖 1 不同水分與磷處理下柳枝稷地上生物量、根系生物量和根冠比Figure 1 Aboveground Biomass, root biomass and root/shoot ratio of switchgrass under different water regime and phosphorus treatments高水：80%田間持水量，低水：40%田間持水量。P0：不施磷，P0.05：0.05 g P2O5·kg-1干土，P0.1：0.1 g P2O5·kg-1干土。柱上不同大寫字母表示同一水分下磷處理間差異顯著(P ＜ 0.05)，不同小寫字母表示同一磷處理下水分水平間差異顯著(P ＜ 0.05)。下圖同。HW: high water, 80% field capacity； LW: low water, 40% field capacity. P0: no phosphorus application，P0.05: 0.05 g P2O5·kg-1 dry soil, P0.1: 0.1 g P2O5·kg-1 dry soil. Different uppercase above the columns indicate significant differences among phosphorus treatments under each water regime (P ＜ 0.05),while different lowercase indicate significant differences between different water regimes under each phosphorus treatment (P ＜ 0.05)； similarly for the following figures.

隨著施磷量的增加，柳枝稷根冠比呈降低趨勢。HW水平下，柳枝稷的根冠比以P0.1處理顯著最低 (P ＜ 0.05)，P0.05和 P0間無顯著差異 (P ＞ 0.05)。LW水平下，P0.1處理的根冠比顯著低于P0，但均與P0.05處理間無顯著差異。水分和磷交互作用對根冠比無顯著影響(表1)。

2.2 蒸騰耗水量與水分利用效率

水分對蒸騰耗水量有顯著影響(表1)，HW水平下柳枝稷蒸騰耗水量顯著大于LW(P ＜ 0.05)。HW水平下，P0.1的蒸騰耗水量顯著大于P0處理，但均與P0.05處理無顯著差異。LW水平下，P0.05和P0.1分別較P0處理的蒸騰耗水量顯著降低了28%和16%(圖 2)。

水分和磷顯著影響柳枝稷水分利用效率，水磷交互作用對水分利用效率無顯著影響(表1)。不論施磷與否，HW水平下柳枝稷水分利用效率顯著小于LW (P ＜ 0.05)。施磷顯著提高了兩個水分水平下柳枝稷水分利用效率(圖2)。

2.3 根系形態(tài)指標

HW水平下柳枝稷總根長和根表面積均顯著大于LW(P ＜ 0.05)。HW水平下，P0.05和P0.1分別較P0處理的總根長顯著提高35%和49%，根表面積顯著提高43%和50% (表2)。LW水平下，P0.1較P0處理的總根長和根表面積顯著提高33%和23%，P0.05和P0間無差異。水分和磷對總根長和根表面積有顯著影響，水分和磷互作對總根長無顯著影響(表3)。

圖 2 不同水分與磷處理下柳枝稷蒸騰耗水量和水分利用效率Figure 2 Transpiration water and water use efficiency of switchgrass under different water and phosphorus treatments

表 2 不同水分與磷處理下柳枝稷總根長、根表面積和根系平均直徑Table 2 Total root length (TRL), root surface area (RSA) and root average diameter (RAD) of switchgrass under different water regime and phosphorus treatments

施磷處理下，HW水平的柳枝稷根系平均直徑均顯著大于LW (P ＜ 0.05)。HW水平下，各施磷處理間根系平均直徑無顯著差異(P ＞ 0.05)。LW水平下，P0.05和P0.1處理分別較P0的根系平均直徑顯著降低5%和8% (表2)。水分水平對根系平均直徑有顯著影響，施磷及其與水分交互作用對根系平均直徑無影響 (表 3)。

各處理下，0～0.5 mm徑級的根長約占柳枝稷總根長的75%，約占根表面積的60% (圖3)，表明0～0.5 mm是對總根長和根表面積貢獻最多的徑級組成。HW水平下，P0.05和P0.1分別較P0處理的0～0.5 mm徑級根長顯著提高25%和56% (P ＜ 0.05)，根表面積分別提高 28% (P ＞ 0.05)和 53% (P ＜ 0.05)；P0.05和P0.1分別較P0處理的0.5～1.0 mm徑級根長顯著提高49%和43%，根表面積顯著提高50%和42%。LW水平下，P0.05和P0.1分別較P0處理的0～0.5 mm 徑級根長提高 5% (P ＞ 0.05)和 34% (P ＜ 0.05)，根表面積提高 3% (P ＞ 0.05)和 30% (P ＜ 0.05) (圖 3)，表明LW下施磷可促進柳枝稷細根生長。

HW水平下，柳枝稷的比根長均小于LW，僅P0.1施磷處理下HW與LW間差異顯著。LW水平下，P0.05和P0.1分別較P0處理的比根長提高5% (P ＞ 0.05)和18% (P ＜ 0.05) (表4)。水分水平對比根長有顯著影響，磷及其與水分的互作對比根長無顯著影響(表 3)。

各處理下，柳枝稷根組織密度介于260～310 mg·cm-3，比根面積介于0.036～0.043 m2·g-1(表 4)。各施磷處理下，根組織密度或比根面積在HW與LW間無顯著差異(P ＞ 0.05)。各水分水平下，不同施磷處理間根組織密度或比根面積均無顯著差異(P ＞ 0.05)(表4)。水分水平、磷處理及其交互作用對二者均無顯著影響(P ＞ 0.05)(表3)。

表 3 水分與磷及其交互作用對柳枝稷根系形態(tài)特征參數(shù)的影響Table 3 Analysis of variance for the effects of water and phosphorus on root morphological characteristics of switchgrass

圖 3 不同水分與磷處理下柳枝稷根長與根表面積的直徑分布Figure 3 Root length and root surface area of different root diameters of switchgrass under different water regime and phosphorus treatments

粗根和細根的根長與根生物量間均呈極顯著的線性關(guān)系(P ＜ 0.01)，且不受水分水平的影響(圖4)?？偢L與根系生物量間也存在極顯著線性關(guān)系(P ＜0.01)，其中HW下回歸直線斜率為21.18，LW下為40.56，表明LW下單位根生物量的根系更長。

3 討論與結(jié)論

水分影響植物根冠發(fā)育以及磷肥的有效性[2,6,14]，充分利用水分和磷間的耦合關(guān)系可顯著提高植物生物量[9]。本研究中，水分是影響柳枝稷根冠生長的主要因素(圖1)，施磷對柳枝稷生物量累積的效應(yīng)與土壤水分條件有關(guān)，表明水分和磷同時添加有利于提高柳枝稷根冠生物量[9]。研究表明，柳枝稷生物量的提高會增加其體內(nèi)磷含量[17]，建植多年的柳枝稷其每年生物量的收獲會導致土壤磷和植株體內(nèi)磷含量的持續(xù)降低[17]，因此，柳枝稷草地可適當追施磷肥以維持年度產(chǎn)量和質(zhì)量。

表 4 不同水分與磷處理下柳枝稷的根組織密度、比根長和比根面積Table 4 Root tissue density (RTD), specific root length (SRL) and specific root area (SRA) of switchgrass under different water and phosphorus treatments

圖 4 不同水分與磷處理下柳枝稷根長(y)與根系生物量(x)的關(guān)系Figure 4 Relationships of root length (y) with root biomass (x) of switchgrass under different water and phosphorus treatments細根：0～0.5 mm徑級的根；粗根：＞ 0.5 mm徑級的根。Fine roots (0～0.5 mm), coarse roots (＞ 0.5 mm).

提高根冠比是植物適應(yīng)逆境的重要策略[9]。本研究中，兩種水分水平下，隨施磷量增加，柳枝稷根冠比均呈降低趨勢，說明柳枝稷是通過提高根冠比來適應(yīng)低磷環(huán)境條件(圖1)。一般來說，干旱脅迫會導致柳枝稷等禾本科植物的根冠比提高[2,9,14]；有研究表明，一定干旱條件下柳枝稷的根冠比降低或保持不變，這主要與其受到的干旱脅迫的時期和程度有關(guān)[4,18-19]。本研究進行水分控制時柳枝稷即將進入生殖生長期，前期良好的水分供應(yīng)條件使得根系發(fā)育良好[2,19]，控水后地上部光合產(chǎn)物向根系生物量分配減小，從而導致根冠比降低[20]。

HW水平下，施磷提高柳枝稷蒸騰耗水量和WUE，這是由于適宜的水分和磷營養(yǎng)可促進地上部生長，增加植株蒸騰水分消耗，而施磷使生物量的增加量遠大于蒸騰耗水增加量(圖1和圖2)[21]。LW水平下，施磷處理下柳枝稷蒸騰耗水量顯著降低，但WUE顯著提高，這是由于低水下植物體內(nèi)磷含量提高可增強其氣孔調(diào)節(jié)能力，降低蒸騰耗水量和提高WUE[7]。

總根長和根表面積反映植物根系在土壤中的分布空間和與土壤的接觸面積，一定程度上反映植物根系吸收能力[2,16]。LW水平下，適當施磷(P0.1處理)可顯著提高柳枝稷總根長和根表面積(表2)，說明施磷可促進低水條件下柳枝稷根系生長和吸收能力提高[6]。細根(0～0.5 mm)是植物根系中對土壤磷含量變化最為敏感的部分[16]。本研究中，0～0.5 mm的根系是對總根長和根表面積貢獻最多的徑級組成(圖3)。施磷均不同程度地提高了兩種水分水平下柳枝稷總根長和根表面積，其中LW下施磷對根系生物量無顯著影響(圖1)，但顯著提高了總根長和根表面積，表明低水下適當施磷主要促進柳枝稷細根生長(圖3)，有利于提高根系吸收能力和呼吸代謝速率[16]。施磷提高植物體內(nèi)的磷含量從而改變根系形態(tài)[5-6,10]，因此施磷對建植多年柳枝稷的根系生長可能具有類似效應(yīng)。

比根長增大說明單位根系生物量下根長增加，有利于提高根系對水分的吸收能力，是植物應(yīng)對干旱環(huán)境的重要適應(yīng)策略[6]。根組織密度反映根系的生長代謝速率和根系吸收能力。比根長的提高主要歸因于根組織密度的降低和根系平均直徑的降低[10,22]。本研究中，LW下柳枝稷比根長顯著提高，而根組織密度無顯著變化，說明根系平均直徑的降低是導致比根長提高的主要原因(表2、表3)，這是由于對禾本科植物來說，根系平均直徑的變化對比根長的調(diào)節(jié)更加高效[23]。研究表明，根系平均直徑的降低是由于粗根和細根直徑均降低或細根分配比例提高[22]，柳枝稷粗根和細根的根系直徑大小在土壤水分變化時具有較強的穩(wěn)定性[24](圖4)，說明LW水平下細根分配比例的提高會導致根系平均直徑降低，并提高了比根長。

綜上所述，水分是影響柳枝稷生物量和根系生長的主要因素。充分供水條件下，施磷可提高柳枝稷根冠生物量和促進根系生長；低水供應(yīng)條件下，適當施磷促進柳枝稷細根生長，提高其水分利用效率，表明低水下施磷有利于提高根系吸收能力和對干旱的適應(yīng)性。柳枝稷主要通過降低根系平均直徑和提高比根長適應(yīng)低水環(huán)境，通過提高根冠比適應(yīng)低磷環(huán)境。本研究重點探討柳枝稷建植當年水分供應(yīng)條件改變后，施磷與否對其生物量及根系形態(tài)特征的影響，有必要進一步研究干旱條件下施磷對建植多年柳枝稷根冠生長的影響，為黃土丘陵區(qū)柳枝稷栽培草地的水肥管理提供依據(jù)。