山毛豆/桉樹(shù)間種系統(tǒng)中植物生長(zhǎng)對(duì)施N與根系隔離的響應(yīng)

劉曉璐，韋鑠星，蔣 燚，高 風(fēng)，王智慧，劉雄盛，歐漢彪，劉 菲

（1.廣西壯族自治區(qū)國(guó)有雅長(zhǎng)林場(chǎng)，廣西百色 533000；2.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 國(guó)家林業(yè)與草原局中南速生材繁育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530002；3.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410004）

農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)可充分利用林間空地，通過(guò)立體種植發(fā)揮多種效益，有效平衡木糧生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)，是解決人工純林集約經(jīng)營(yíng)帶來(lái)的生態(tài)問(wèn)題的有效途徑之一[1]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)的研究時(shí)間較長(zhǎng)，近年來(lái)主要集中在經(jīng)營(yíng)技術(shù)[2]、養(yǎng)分循環(huán)[3]、物種選擇[4]、效益評(píng)價(jià)[3-4]和種間關(guān)系[5]等方面。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化種間關(guān)系是間種系統(tǒng)中植物增產(chǎn)的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)[6]，物種選擇[7]和經(jīng)營(yíng)模式[8]是調(diào)控間作系統(tǒng)種間關(guān)系的重要措施[9]。

桉樹(shù)（Eucalyptusspp.）是南方主要速生豐產(chǎn)林樹(shù)種，在廣西的種植面積為256 萬(wàn)hm2，約占中國(guó)桉樹(shù)總面積的47%[10]。桉樹(shù)人工林種植多為集約型純林連栽，出現(xiàn)人工林生產(chǎn)力下降、生物多樣性降低、病蟲(chóng)害加重和地力衰退等問(wèn)題[11]。通過(guò)進(jìn)行林下林藥、林草和林農(nóng)模式物種選擇[12]、典型設(shè)計(jì)和營(yíng)建技術(shù)[13]等研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合經(jīng)營(yíng)可明顯改善桉樹(shù)人工林土壤理化性質(zhì)[14]，獲得更好的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益[15]。在桉樹(shù)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(jìn)桉樹(shù)生長(zhǎng)，同時(shí)收獲牧草，是一種具有良好生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益的桉樹(shù)復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式[16-17]；桉樹(shù)和山毛豆復(fù)合經(jīng)營(yíng)能有效促進(jìn)桉樹(shù)根系生長(zhǎng)，促進(jìn)根系下沉和外延，增加桉樹(shù)地下競(jìng)爭(zhēng)能力[12，15，18]。目前，對(duì)桉樹(shù)復(fù)合經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)的研究多在田間生產(chǎn)中開(kāi)展試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(shù)復(fù)合經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)中物種間養(yǎng)分的作用關(guān)系。本研究通過(guò)盆栽控制試驗(yàn)，研究施氮（N）和根系隔離處理對(duì)山毛豆/桉樹(shù)間種系統(tǒng)中植物生長(zhǎng)的影響，探索該系統(tǒng)中物種間相互作用的途徑，為桉樹(shù)人工林復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

桉樹(shù)選用廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院培育的尾巨桉（E.urophylla×E.grandis）優(yōu)質(zhì)壯苗，植株規(guī)格為地徑0.6 cm、樹(shù)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(zhǎng)2 m、寬1 m、高1 m）。采用薄膜或尼龍網(wǎng)將塑料容器分隔，一邊種植1 株桉樹(shù)苗，另一邊播種10 ～20 粒山毛豆種子，待種子萌芽生長(zhǎng)后，保留3 株地徑和高度基本一致的山毛豆幼苗。試驗(yàn)在廣西林科院苗圃（108°21′E，22°55′N）的塑料溫棚內(nèi)進(jìn)行，保障充足的光照和水分。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 隔根與施肥試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用雙因素完全隨機(jī)交叉分組試驗(yàn)設(shè)計(jì)。根系隔離處理包括完全隔離、尼龍網(wǎng)隔離和不隔離3個(gè)水平；施N 處理包括不施N（-N）和施N（+N）2 個(gè)水平，共計(jì)6 個(gè)組合，每組合4 個(gè)重復(fù)。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(wú)相互作用；尼龍網(wǎng)隔離：塑料容器間用30 μm 尼龍網(wǎng)分隔，根系被隔開(kāi)，但根系間有物質(zhì)交換。供試土壤為紅心土，施N量為105 mg/kg。為滿足桉樹(shù)和山毛豆正常生長(zhǎng)所需養(yǎng)分，補(bǔ)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(zhì)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(cè)定植株生物量和總N含量。

1.2.2 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

山毛豆萌芽后，每30 天測(cè)量1 次地徑和高度等生長(zhǎng)指標(biāo)。11月下旬，分別測(cè)定桉樹(shù)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(nèi)105 ℃殺青30 min后，80 ℃烘干至恒重，磨機(jī)粉碎過(guò)0.149 mm篩，備用。

1.2.3 全N含量測(cè)定

按植株各器官生物量比例，分別將桉樹(shù)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(gè)重復(fù)。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(diǎn)由綠色變?yōu)榉奂t色，參照LY/T 1271-1999[20]測(cè)定樣品全N含量。

1.2.4 根瘤測(cè)定

采用QT-RWC 洗根系統(tǒng)對(duì)山毛豆根系進(jìn)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(pán)，通過(guò)根系掃描儀進(jìn)行圖像掃描；采用萬(wàn)深LA-S 系列植物根系分析系統(tǒng)進(jìn)行圖像分析，確定根瘤數(shù)量，采用電子稱（精度為0.001 g）稱取重量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施N和根系隔離處理對(duì)桉樹(shù)生長(zhǎng)的影響

2.1.1 施N和根系隔離處理對(duì)桉樹(shù)株高的影響

根系不隔離處理的桉樹(shù)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)隔離處理分別高出11.06%和18.32%。這可能是因?yàn)楦挡桓綦x處理下，山毛豆與桉樹(shù)根系接觸的緊密程度較高，促進(jìn)桉樹(shù)的高生長(zhǎng)。+N處理的桉樹(shù)株高均顯著高于-N 處理（P＜0.05），根系完全隔離、尼龍網(wǎng)隔離和不隔離處理分別高出36.12%、38.91%和34.52%，說(shuō)明土壤中的N是山毛豆/桉樹(shù)間種系統(tǒng)中影響桉樹(shù)高生長(zhǎng)的重要因子。

表1 施N和根系隔離處理對(duì)桉樹(shù)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(duì)桉樹(shù)地徑的影響

根系不隔離處理的桉樹(shù)地徑均大于根系隔離處理；尼龍網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)隔離處理分別高出3.54%和17.29%。+N 處理的桉樹(shù)地徑均顯著高于-N 處理（P＜0.05），根系完全隔離、尼龍網(wǎng)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(duì)桉樹(shù)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(duì)桉樹(shù)生物量的影響

根系不隔離處理的桉樹(shù)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)隔離處理分別高出11.09%和12.21%。+N處理的桉樹(shù)生物量均顯著高于-N 處理（P＜0.05）；根系完全隔離、尼龍網(wǎng)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(duì)桉樹(shù)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(duì)山毛豆生長(zhǎng)的影響

2.2.1 施N和根系隔離處理對(duì)山毛豆根瘤生長(zhǎng)的影響

根系不隔離處理的山毛豆根瘤數(shù)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(shù)量比完全隔離和尼龍網(wǎng)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(shù)量比完全隔離和尼龍網(wǎng)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(shù)量和重量均顯著低于-N 處理（P＜0.05），根瘤數(shù)量在根系完全隔離、尼龍網(wǎng)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(shuō)明土壤中的N 是影響山毛豆根瘤生長(zhǎng)的重要因子，山毛豆根區(qū)N 含量主要受人工施肥和桉樹(shù)養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)吸收兩方面的影響。

表4 施N和根系隔離處理對(duì)山毛豆根瘤生長(zhǎng)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(duì)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(wǎng)隔離處理（P＜0.05），高出25.36%；+N處理下，根系隔離處理對(duì)山毛豆生物量的影響不顯著，尼龍網(wǎng)隔離處理的山毛豆生物量最大，說(shuō)明山毛豆/桉樹(shù)間種系統(tǒng)中，山毛豆與桉樹(shù)間存在營(yíng)養(yǎng)促進(jìn)作用，桉樹(shù)從間種體系的N 養(yǎng)分轉(zhuǎn)化吸收過(guò)程中得到好處，山毛豆的生長(zhǎng)未因桉樹(shù)的N 養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)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(wǎng)隔離處理的山毛豆生物量增加，但差異不顯著。這可能是因?yàn)?N處理后，桉樹(shù)生長(zhǎng)迅速，其橫向和縱向的輻射截獲競(jìng)爭(zhēng)能力增加，對(duì)山毛豆的生長(zhǎng)有所抑制。

表5 施N和根系隔離處理對(duì)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(duì)N濃度和吸N量的影響

2.3.1 施N 和根系隔離處理對(duì)桉樹(shù)N 濃度和吸N 量的影響

-N 處理下，根系不隔離處理的桉樹(shù)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(wǎng)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(wǎng)隔離處理分別高出8.35%和21.69%（表6）。間種系統(tǒng)中，山毛豆和桉樹(shù)根系無(wú)接觸或小部分接觸時(shí)，樹(shù)種間根系的相互作用較小，對(duì)桉樹(shù)的N濃度和吸N量影響不大；根系不隔離處理下，樹(shù)種間根系接觸緊密，桉樹(shù)的N 濃度和吸N量出現(xiàn)顯著變化，說(shuō)明間種系統(tǒng)中根系接觸是物種間發(fā)生相互作用的主要途徑。+N處理下，根系不隔離處理的桉樹(shù)N濃度顯著低于隔離處理（P＜0.05），完全隔離處理與尼龍網(wǎng)隔離處理差異不顯著；根系不隔離處理的桉樹(shù)吸N 量顯著高于隔離處理（P＜0.05），完全隔離處理與尼龍網(wǎng)隔離處理差異不顯著。桉樹(shù)吸N 量在不隔離處理下較高的原因一部分是桉樹(shù)對(duì)山毛豆根區(qū)N 的競(jìng)爭(zhēng)，另一部分是根系不間隔處理下桉樹(shù)根系營(yíng)養(yǎng)吸收面積較大，這兩部分的貢獻(xiàn)各占比多少，需進(jìn)一步驗(yàn)證。+N處理的桉樹(shù)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(wǎng)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(duì)桉樹(shù)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(duì)山毛豆N 濃度和吸N量的影響

施N和根系隔離處理對(duì)山毛豆N濃度均無(wú)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(shù)生長(zhǎng)受影響，未形成樹(shù)冠郁閉，加上山毛豆自身的固氮作用，山毛豆前期生長(zhǎng)快速并尋求更大的養(yǎng)分吸收空間，侵占桉樹(shù)根區(qū)，所以根系不隔離處理下，山毛吸N 量顯著增加。+N 處理下，養(yǎng)分充足，桉樹(shù)生長(zhǎng)快速，其根系尋找養(yǎng)分吸收空間，侵占山毛豆根區(qū)，加上桉樹(shù)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(duì)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(jié)論

本研究中，根系不隔離處理下，桉樹(shù)的株高、地徑和生物量均顯著高于隔離處理，說(shuō)明山毛豆/桉樹(shù)間種系統(tǒng)中，山毛豆與桉樹(shù)的根系直接接觸有利于桉樹(shù)獲取更多N。一方面，桉樹(shù)根系生長(zhǎng)范圍廣，對(duì)N 的吸收能力較好；另一方面，桉樹(shù)對(duì)N 的需求刺激了山毛豆通過(guò)固氮、轉(zhuǎn)移等途徑向桉樹(shù)輸送更多的N。與-N處理對(duì)比，+N處理下根系不隔離處理的桉樹(shù)株高和地徑與完全隔離處理間的差距均變小，說(shuō)明施N后山毛豆對(duì)桉樹(shù)株高和地徑生長(zhǎng)的促進(jìn)作用變小。施N后，土壤中肥力充足，降低了間種系統(tǒng)中山毛豆對(duì)桉樹(shù)株高、地徑和生物量生長(zhǎng)的促進(jìn)作用，實(shí)際生產(chǎn)中可控制施肥量，通過(guò)刺激復(fù)合系統(tǒng)中的種間競(jìng)爭(zhēng)來(lái)促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

前人研究發(fā)現(xiàn)，在大麥（Hordeum vulgare）與豌豆（Pisum sativum）間種系統(tǒng)中，由于物種間N 的競(jìng)爭(zhēng)，大麥的生長(zhǎng)得到改善，豌豆生長(zhǎng)受到抑制[21-22]，這是典型的間作體系中種間N 競(jìng)爭(zhēng)作用。本試驗(yàn)中，施N 處理對(duì)桉樹(shù)株高、地徑和生物量均影響顯著，對(duì)山毛豆生物量的影響不顯著。這表明山毛豆/桉樹(shù)間作系統(tǒng)中存在營(yíng)養(yǎng)促進(jìn)作用，桉樹(shù)從系統(tǒng)中得到好處，山毛豆生長(zhǎng)未受到抑制。間作系統(tǒng)中，植物相互作用的最終結(jié)果一方面表現(xiàn)為競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)的作物占有更多養(yǎng)分資源，形成營(yíng)養(yǎng)促進(jìn)；另一方面表現(xiàn)為競(jìng)爭(zhēng)能力弱的作物占有相對(duì)少的養(yǎng)分資源，形成養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)，生長(zhǎng)受到抑制。在山毛豆/桉樹(shù)間作系統(tǒng)中，間種促進(jìn)了桉樹(shù)生長(zhǎng)，桉樹(shù)處于競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)地位；山毛豆雖然處于競(jìng)爭(zhēng)能力弱的位置，但其在根系不隔離處理下的根瘤數(shù)量和重量均顯著高于隔離處理，說(shuō)明其通過(guò)提升自身固氮能力，減少競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)的影響。+N處理顯著減少山毛豆根瘤數(shù)量和重量，說(shuō)明隨土壤中N含量增加，山毛豆的固氮效果減弱，間作系統(tǒng)中桉樹(shù)與山毛豆的相互促進(jìn)作用減小。

施N 可顯著提高山毛豆/桉樹(shù)間種系統(tǒng)中桉樹(shù)的N 濃度和吸N 量，根系不隔離處理的桉樹(shù)N 濃度和吸N 量均顯著增加；+N 處理的桉樹(shù)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(duì)山毛豆N 濃度和吸N量影響均不顯著。說(shuō)明，間種系統(tǒng)中桉樹(shù)生長(zhǎng)的N需求主要來(lái)源于土壤，山毛豆生長(zhǎng)所需的N 有部分來(lái)源于生物固氮，物種間的相互促進(jìn)作用以物種間根系相互交叉接觸產(chǎn)生養(yǎng)分傳遞為途徑，但隨土壤N含量增加，作用呈減弱趨勢(shì)。