土壤氮養(yǎng)分空間異質(zhì)性對(duì)油松根系的影響1)

李芳 張西西 吳建芝 劉倩 金瑩杉

(北京市園林綠化科學(xué)研究院,北京,100102)

土壤是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),其中廣泛存在著植物根系、凋落物、動(dòng)物排泄物和尸體等,這些物質(zhì)被微生物分解后,土壤局部孔隙增大,有效性養(yǎng)分含量升高。光照、溫度和水分等因素影響土壤干濕程度,進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速率和溶質(zhì)流動(dòng)性。土壤中生物及非生物因素共同作用形成了養(yǎng)分和水分等在時(shí)間和空間上的異質(zhì)性[1-2]。土壤中營養(yǎng)豐富斑塊會(huì)因微生物或植物根系吸收營養(yǎng)而消失[3-4],因此,即使同一株植物,處于不同深度的根系所處空間的養(yǎng)分也可能相差1個(gè)數(shù)量級(jí)[5-7]。綠地土壤來源多樣,質(zhì)地、結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分有效性出現(xiàn)因點(diǎn)而異的現(xiàn)象,使得土壤資源在空間和時(shí)間上有較強(qiáng)的異質(zhì)性。

土壤養(yǎng)分異質(zhì)性對(duì)根系的影響因樹種而異,馬尾松(Pinusmassoniana)在土壤營養(yǎng)豐富的斑塊中,根系長度和生物量等都有所增加[8],而杉木(Cunninghamialanceolata)的生物量則降低[9]。油松(Pinustabulaeformis)是常見的綠化樹種,其生長立地的土壤存在養(yǎng)分空間異質(zhì)性的現(xiàn)象,但關(guān)于油松根系的研究多集中在菌根形態(tài)和功能[10-11]、群落中根系分布特征[12],施肥[11,13]、覆蓋[14]和覆膜[15]等管理措施對(duì)其根系特性的影響等。施肥(施肥方式和施肥量)對(duì)油松根系特性影響的研究是在均勻施肥條件下的結(jié)果,而養(yǎng)分空間異質(zhì)性對(duì)根系特性的影響還未見報(bào)道。因此,本文通過在不同深度土層施氮肥,模擬研究土壤氮養(yǎng)分空間異質(zhì)性對(duì)油松生長及根系特性的影響,分析油松根系對(duì)養(yǎng)分空間異質(zhì)性的適應(yīng)性,為研究油松根系獲取土壤養(yǎng)分資源特性以及為油松施肥管理提供參考。

1 材料和方法

試驗(yàn)材料:所用油松種子購于中國林木種子公司。所用土壤為試驗(yàn)地表土,除去石塊等雜質(zhì)后過孔徑為0.5 cm的篩,所用土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72.5 mg·kg-1,有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.6 mg·kg-1,速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為135.3 mg·kg-1,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0 g·kg-1,pH為8.44,電導(dǎo)率為254 μS·cm-1。試驗(yàn)裝置采用有機(jī)玻璃板制成的40 cm(長)×12 cm(寬)×80 cm(高)栽培容器,容器底部有3個(gè)直徑為1 cm的圓孔。

試驗(yàn)設(shè)計(jì):試驗(yàn)設(shè)3個(gè)施肥深度(h)(圖1),施肥深度1為0

白色圓點(diǎn)表示施肥區(qū)域;栽培容器上表面深色圓點(diǎn)表示土壤表面覆蓋的陶粒。

栽植油松的容器放置在植物培養(yǎng)溫室中,為防止陶粒和表層土壤干燥及灌溉水下滲引起土壤養(yǎng)分離子運(yùn)移,每個(gè)栽培容器表面用噴壺噴150 mL水(每1～2 d噴1次)。油松培養(yǎng)時(shí)間為2020年8月—2021年10月。

地上部處理:培養(yǎng)結(jié)束后,直尺測(cè)量試驗(yàn)的12株油松株高后,收集油松地上部,裝入樣品袋中,帶回實(shí)驗(yàn)室。

根系收獲:打開栽培容器一側(cè)的有機(jī)玻璃板,栽培土壤過篩,得到位于0

根系長度、直徑、表面積和體積測(cè)定:主根長使用鋼卷尺(精確到0.1 cm)測(cè)量根基部至主根根尖的長度。用精工愛普生株式會(huì)社的Epson Perfection V700雙光源專用掃描儀掃描清洗后的根系,用WinRhizo 2012根系圖像分析系統(tǒng)對(duì)掃描的根系樣品進(jìn)行分析,獲得根系長度、表面積、平均直徑和體積。

生物量測(cè)定:地上部和根系用蒸餾水清洗后,吸干水分,根系的根長、直徑、表面積和體積指標(biāo)測(cè)定完成后,將地上部和根系分別在105 ℃殺青30 min,60 ℃烘干,測(cè)定干質(zhì)量,備用。

地上部和根系的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定:烘干后的樣品,按照NY/T 2017-2011《植物中氮、磷、鉀的測(cè)定》[16]進(jìn)行氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定。

數(shù)據(jù)處理:本試驗(yàn)共3個(gè)施肥深度組,每個(gè)施肥深度組4個(gè)樣本。使用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),使用SAS 9.2對(duì)不同施肥深度間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。根據(jù)公式計(jì)算單位根長養(yǎng)分吸收量[17]。

單位根長養(yǎng)分吸收質(zhì)量=(地上部養(yǎng)分吸收質(zhì)量+地下部養(yǎng)分吸收質(zhì)量)/根系長度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥深度對(duì)株高及生物量的影響

由表1可知,不同施肥深度影響了油松的主根長。施肥深度0

表1 不同施肥深度的油松株高、生物量及根系特性

2.2 不同施肥深度對(duì)根系特性的影響

不同施肥深度對(duì)油松根系的影響不同,施肥深度0

由表2可知,3個(gè)施肥深度的油松根系最粗直徑分別為3.5、2.5和3.0 mm;3個(gè)施肥深度的0<根系直徑(D)≤1.00 mm徑級(jí)根系長度占總長度的94.8%以上,其中0

在0

表2 油松不同直徑(D)的根系特性

油松根系主要分布在0<土層深度(H)≤20 cm土層中,根系干質(zhì)量、長度、表面積和體積隨土層的加深而降低(表3)。分析不同施肥深度處理對(duì)各土層中根系特性的影響,0

20 cm

表3 不同土層深度的油松根系特性

2.3 不同施肥深度對(duì)油松地上部和根系養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及養(yǎng)分吸收質(zhì)量的影響

植株地上部的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于根系中,但施肥深度40 cm

表4 不同施肥深度油松植株氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氮吸收質(zhì)量

根系中,施肥深度為40 cm

施肥深度40 cm

表5 不同施肥深度油松單位根長氮養(yǎng)分吸收質(zhì)量

3 討論

施肥促進(jìn)了油松的生長。生物量能夠直觀反映植株的生長狀況[18-20]。本試驗(yàn)施肥深度0

在養(yǎng)分富集土壤中,油松根系增殖,形態(tài)發(fā)生改變。根系是植物吸收養(yǎng)分與水分的重要器官,根系長度、表面積和體積等形態(tài)指標(biāo)影響著植物獲取養(yǎng)分。根系長度衡量根系吸收養(yǎng)分和水分的能力,反映根系空間養(yǎng)分捕獲能力[22-23],根系越長,土壤空間開發(fā)能力越強(qiáng),獲取資源能力越強(qiáng)。根系的表面積和體積也影響著根系水分和養(yǎng)分的吸收能力[24]。本試驗(yàn)中,不同施肥深度形成了土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性,施肥深度0

在養(yǎng)分貧瘠土壤中,油松提高根系吸收能力。植株體內(nèi)的養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)反映植物吸收、運(yùn)輸及生理代謝能力[25],并能夠指示細(xì)根對(duì)土壤資源的獲取能力及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性[26-28]。由于不同施肥深度的油松主根長度和根系總長度不同,影響了根系所能到達(dá)的土壤范圍,影響?zhàn)B分吸收。因此,用單位根長養(yǎng)分吸收能力來表示根系吸收養(yǎng)分能力的差異。本試驗(yàn)3個(gè)施肥深度的油松細(xì)根根長占總根長的99%以上,因此以整株的根系總長度來代替細(xì)根長度計(jì)算單位根長養(yǎng)分吸收能力。施肥深度40 cm

4 結(jié)論

油松根系對(duì)土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性具有敏感性,改變其在不同養(yǎng)分空間中的形態(tài)和吸收功能以適應(yīng)土壤養(yǎng)分空間變化。

在土壤養(yǎng)分豐富區(qū)域,油松根系形態(tài)發(fā)生改變,增加根系長度、表面積和體積;在土壤養(yǎng)分貧瘠區(qū)域,油松根系吸收功能提高,增加單位根長養(yǎng)分吸收能力。油松通過改變根系形態(tài)和功能來提高對(duì)養(yǎng)分資源的利用。