模拟氮沉降和混栽对杉木和浙江楠根系生长的影响1)

王镜如 陈圣贤 伊力塔 俞飞 刘美华 黄华宏 宋琦

(浙江农林大学，杭州，311300) (杭州万向职业技术学院)

20世纪初以来，人类活动向大气中排放含氮化合物逐年增加，导致全球性氮沉降逐年加剧[1]。我国已成为全球三大氮沉降集中区之一[2]，甚至被认为是未来氮沉降最严重的国家之一[3]，氮沉降加剧已经引起学界及公众的广泛关注[4-6]。而氮也是植物生长的必需元素，随着氮沉降的逐步加剧，植株和土壤中可利用氮不断累积增加，进而对植物生长发育产生影响[7-8]。已有研究表明，植物根系间竞争在资源有限条件下对植株生长极为重要[9]。在不同资源水平下，植株根系表现出不同的竞争策略[9-13]。目前较为普遍的看法是，氮沉降所带来的高氮有效性土壤环境将有利于氮需求高的物种生存竞争[14]，原有环境中因高资源需求而处于竞争劣势的物种可能因为土壤氮有效性升高而获得竞争优势，并由此改变一个地区的物种丰富度和多样性。适度的氮沉降将促进植物根系生长：在氮沉降的影响下，环境资源水平的增长将会极大地促进植物根系的生长与吸收作用，进而对植株整体生长产生影响[15-16]。而过高的氮沉降将会造成土壤酸化、营养失衡等问题从而抑制植物根系生长，最终导致森林衰退[17-19]。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我国特有的优良速生用材树种[20]，在我国分布广泛，长江以南多用它来造林[21]，杉木人工林在浙江省存量巨大。但诸多研究表明，杉木纯林经过多年采伐后会有地力衰退、产量下降及病虫害多发等一系列问题[21-24]。

浙江楠(Phoebechekiangensis)是我国特有的珍贵树种，浙江省乡土树种，国家Ⅱ级重点保护野生植物，它枝叶繁茂，林下凋落物丰富、易分解，有助于土壤养分归还，被列为浙江省新值一亿株珍贵树五年计划的重点发展珍贵树种[25-26]。相关研究表明，选用浙江楠与杉木混交既能够有效地改善杉木纯林地力衰退的问题[24]，又能获取较高的经济效益。

因此，本研究着重探究氮沉降条件下，混植杉木与浙江楠种间竞争特征。旨在阐明氮沉降对混值条件下根系形态结构的影响，并为针阔叶人工混交林的科学经营提供支撑依据。

1 试验地概况

试验地位于浙江省杭州市临安区浙江农林大学试验基地大棚(30°16′N，119°44′E)。该地属于中纬度北亚热带季风气候，年平均降水量约为1 628.6 mm，全年平均气温为16.4 ℃[27]。试验地土壤类型为红黄壤。

2 材料与方法

选取长势一致(株高35～40 cm，地径0.5～1.0 cm)的杉木幼苗和浙江楠幼苗为研究对象，并将其分为3组，即杉木纯栽、浙江楠纯栽、杉木浙江楠1∶1行状混栽。于2018年4月中旬移植到长8 m，宽0.45 m的苗床中，植株间距为30 cm，使用试验地黄壤作为栽培土，土壤基本性质为pH值5.26，全氮质量分数0.70 g·kg-1，全磷质量分数0.31 g·kg-1，全钾质量分数11.56 g·kg-1，速效氮质量分数80.16 mg·kg-1，速效磷质量分数35.61 mg·kg-1，速效钾质量分数169.07 mg·kg-1。在缓苗期间，用清水浇灌，保证幼苗生长有充足的水分，并且经常进行除草和防治病虫害等工作。

2.1 试验设计

本试验为不同种植方式与不同氮处理的双因素交叉实验。3种种植方式分别为杉木纯栽、浙江楠纯栽、杉木浙江楠1∶1行状混栽。氮处理设置为0(对照)、45 kg·hm-2·a-1(施氮)。模拟氮沉降处理采用喷洒NH4NO3(45 kg·hm-2·a-1)的方法(目前，浙江省氮沉降本底值为30 kg·hm-1·a-1[28])，处理时间为2018年5月中旬至2018年10月，每3 d喷洒一次，对照组在相同时间内喷施相同量的清水(0)。试验包括6个处理：不施氮纯栽杉木、不施氮纯栽浙江楠、不施氮混栽杉木和浙江楠、施氮纯栽杉木、施氮纯栽浙江楠、施氮混栽杉木和浙江楠。每个处理设置20个重复，纯栽组每重复一株幼苗，混栽组每重复杉木浙江楠各一株幼苗，共160株幼苗(图1)。

2.2 测定指标

1)根系形态特征。试验结束后，每个处理分别随机选取6株杉木和浙江楠幼苗，共36株，全株收获，经清水冲洗后分出根系，平铺在EperoScannar数字扫描仪上扫描，使用WinRHIZO根系分析软件对扫描图像进行分析，得出根系总根长、表面积、平均直径、体积、径级等数据。

2)生物量。试验结束后，每个处理分别随机选取6株杉木和浙江楠幼苗，共36株，全株收获，经清水冲洗后分出根、茎、叶3部分，在70 ℃下烘干72 h至恒质量，称量其各部分的干质量，得出根生物量、茎生物量、叶生物量，并计算得到全株生物量、地上生物量、地下生物量，通过以上指标进行根冠质量比的换算。

3)植物元素质量分数。氮元素采用凯氏定氮法进行测量，磷元素采用钼锑抗比色法进行测量，钾元素采用火焰光度计法进行测量。具体测量方式参见文献[29]。

4)土壤元素质量分数。土壤氮质量分数采用硫酸+催化剂消解凯氏定氮法测定；土壤磷质量分数采用湿法消解钼蓝比色法测定；土壤钾质量分数采用湿法消解火焰光度计法测定；土壤铵态氮质量分数采用氯化钾浸提靛酚蓝比色法测定；土壤硝态氮质量分数采用双波段紫外比色法；土壤速效磷质量分数采用钼锑抗比色法测定；土壤速效钾质量分数采用火焰光度计法测定。具体测量方式参见文献[29]。

由左至右，由上至下，分别为：混栽施氮组、纯栽施氮杉木处理、纯栽施氮浙江楠处理、混栽处理、混栽杉木处理、混栽浙江楠处理。其中，混栽处理使用1∶1行状混栽。

2.3 数据处理

数据采用SPSS 22.0和Origin 2018进行以统计处理分析。对所有数据进行正态性检验后，使用双因素方差分析确定影响因素，并使用LSD法比较处理间的差异显著性(p<0.05)。

3 结果与分析

3.1 不同处理对杉木和浙江楠幼苗生物量的影响

由表1可知，杉木和浙江楠对3种处理所产生的响应差异性较大。杉木生物量整体上差异不显著，仅根冠比受种植方式和氮处理的显著影响(p<0.05)。而浙江楠生物量在不同处理下差异则更加显著，其根生物量、根冠比在种植方式影响下差异显著(p<0.05)，其根冠比在氮处理影响下差异显著(p<0.05)，其总生物量、茎生物量、叶生物量及根冠比在种植方式与氮处理的交互作用影响下差异显著(p<0.05)。

表1 不同处理下杉木幼苗和浙江楠幼苗生物量及其分配的方差分析

由表2可知，杉木各部分生物量差异均不显著。但其根冠比有显著差异，纯栽及纯栽施氮处理下的根冠比显著高于混栽施氮处理下的根冠比(p<0.05)，混栽施氮处理下的根冠比又显著高于混栽处理下的根冠比(p<0.05)。混栽带来的种间竞争使杉木根冠比下降，而氮处理则使杉木根冠比升高。

表2 杉木和浙江楠幼苗生物量及其分配

不同于杉木，浙江楠各部分生物量具有显著差异。浙江楠混栽及混栽施氮处理下的根生物量显著高于纯栽及纯栽施氮处理下的根生物量(p<0.05)，混栽及纯栽施氮处理下的茎生物量显著高于纯栽处理下的茎生物量(p<0.05)，混栽处理下的叶生物量显著高于纯栽及混栽施氮处理下的叶生物量(p<0.05)，纯栽施氮处理下的叶生物量显著高于纯栽处理下的叶生物量(p<0.05)。其根冠比也展现出与杉木不同的变化趋势。纯栽及混栽施氮处理下的浙江楠根冠比显著高于混栽处理下的浙江楠根冠比(p<0.05)，混栽处理下的浙江楠根冠比又显著高于纯栽施氮处理下的浙江楠根冠比(p<0.05)。种植方式和氮处理的单独作用均使浙江楠地上部分生物量增加，二者交互作用则对浙江楠地上部分生物量影响不显著。浙江楠地下部分生物量仅受种植方式影响，混栽带来的种间竞争使其地下部分生物量增加。

3.2 不同处理对杉木和浙江楠幼苗根系形态指标的影响

由表3可知，杉木幼苗根总长度、根表面积、根体积均受种植方式显著影响，根体积受氮处理显著影响(p<0.05)；浙江楠幼苗仅根总长度受氮沉降显著影响(p<0.05)。交互作用对二者根系形态指标均无显著影响(p>0.05)。

表3 不同处理下杉木幼苗和浙江楠幼苗根系形态指标的方差分析

由表4可知，杉木根系总长度、表面积和体积在纯栽及纯栽施氮处理下显著高于混栽及混栽施氮处理(p<0.05)；杉木根系平均直径在纯栽及纯栽施氮处理下显著高于混栽处理(p<0.05)；杉木根体积在纯栽施氮处理下显著高于纯栽处理(p<0.05)。另外，混栽和混栽施氮处理下的杉木幼苗，根系总长度、表面积、平均直径、体积虽无显著变化，但有升高趋势。结合各径级根长分析，细根量由大到小为杉木细根(直径0～1mm)量纯栽及纯栽施氮处理、混栽施氮处理、混栽处理。无论是纯栽还是混栽，施氮均增加了杉木细根量(直径0～1mm)，而无论是否施氮，混栽都降低了杉木细根量。

表4 杉木根系形态指标

由表5可知，浙江楠幼苗根系平均直径、表面积、体积均无显著差异(p>0.05)，纯栽处理下的根总长度显著高于纯栽施氮和混栽施氮处理(p<0.05)。各径级根长由大到小为浙江楠细根量在纯栽处理下、混栽处理、混栽施氮处理、纯栽施氮处理。

表5 浙江楠根系形态指标

3.3 氮处理、种植方式及其交互作用对土壤元素质量分数的影响

纯栽施氮浙江楠土壤氮质量分数显著高于纯栽浙江楠(p<0.05)。混栽施氮处理下的土壤磷质量分数显著高于其他处理(p<0.05)，纯栽施氮处理下的浙江楠土壤磷质量分数显著高于纯栽及纯栽施氮处理下的杉木土壤磷质量分数(p<0.05)。纯栽浙江楠土壤钾质量分数显著高于纯栽施氮处理下浙江楠土壤钾质量分数及混栽处理下土壤钾质量分数(p<0.05)。纯栽及纯栽施氮处理下杉木土壤硝态氮质量分数显著高于纯栽及纯栽施氮处理下浙江楠土壤硝态氮质量分数(p<0.05)。纯栽杉木土壤氨态氮质量分数显著高于纯栽施氮杉木、纯栽浙江楠及混栽施氮处理下土壤氨态氮质量分数(p<0.05)。混栽施氮处理下土壤速效磷质量分数显著高于其他各处理(p<0.05)。

表6 不同处理下土壤元素质量分数

3.4 不同处理对杉木和浙江楠幼苗根系元素质量分数的影响

不同处理下，杉木幼苗根系氮元素质量分数无显著差异；混栽条件下的杉木幼苗根系磷元素质量分数显著高于纯栽条件下的杉木幼苗根系磷元素质量分数(p<0.05)，纯栽杉木幼苗根系磷元素质量分数又显著高于施氮的纯栽杉木幼苗根系磷元素质量分数(p<0.05)；混栽条件下的杉木幼苗根系钾元素质量分数显著高于纯栽条件下的杉木幼苗根系钾元素质量分数(p<0.05)，不施氮的混栽杉木幼苗根系钾元素质量分数又显著高于施氮的混栽杉木幼苗根系钾元素质量分数(p<0.05)；纯栽组杉木幼苗根系氮磷比显著高于混栽组(p<0.05)，施氮纯栽组杉木幼苗根系氮磷比又显著高于不施氮纯栽组。

不施氮纯栽浙江楠幼苗根系氮质量分数显著高于施氮混栽浙江楠幼苗根系氮质量分数(p<0.05)；不施氮纯栽浙江楠幼苗根系磷质量分数显著低于施氮混栽浙江楠幼苗根系磷质量分数(p<0.05)；各处理下，浙江楠幼苗根系钾质量分数均无显著差异(p>0.05)；不施氮纯栽浙江楠幼苗根系氮磷比显著高于施氮混栽浙江楠幼苗根系氮磷比(p<0.05)。

交互作用显著降低了浙江楠根系氮质量分数，显著增加了其磷质量分数，从而使其氮磷比显著下降。交互作用虽然抑制了浙江楠根形态指标，却增加了其根系磷元素质量分数。

表7 不同处理下杉木幼苗根系元素质量分数

表8 不同处理下浙江楠幼苗根系元素质量分数

4 讨论

4.1 杉木对不同处理的差异性响应

双因素方差分析显示，杉木生物量在各处理下无显著差异，而其根冠比及根形态指标在种植方式和氮处理各自的单独作用下产生了显著差异。

不施氮情况下，混栽显著降低了杉木根冠比，并显著抑制其根系总根长、表面积和体积。这可能是由于竞争带来的补偿机制促使植物改变地上、地下部分生物量比例[30]。相较地下部分更为重要的地上部分竞争促使杉木幼苗将更大比例的生物量投入到地上部分。Dingetal.[31]在对栎树与刺槐的研究中也得出了相关结论，即植物在竞争中倾向将更多的生物量分配到地上部分来优先进行对光照的竞争，从而获得最佳生长。

纯栽情况下，施氮使杉木根冠比和根系体积显著增加，而对其根总长度、表面积等无显著影响，纯栽处理与纯栽施氮处理各径级根长曲线也无明显区别。说明施氮虽然促进了杉木根冠比增加，但对其根系吸收能力并无促进作用。这可能是杉木根系在纯栽施氮处理下受磷限制影响导致的。

植物氮磷比临界值可以作为判断环境对植物生长的养分供应状况的指标，氮磷比小于14的植物会受到氮元素的限制，氮磷比大于16的植物会受磷元素的限制[32]。混栽条件下，杉木根系氮磷比在7左右，而纯栽状态下，杉木根系施氮前后氮磷比分别为11.02和19.16，纯栽施氮处理下，杉木根系氮磷比高于磷限制临界值16，因此纯栽施氮处理下杉木根系受到磷元素限制。

对纯栽杉木施氮，虽然对其土壤总磷质量分数没有显著影响，但却造成其土壤速效磷质量分数降低，施氮抑制了磷元素在土壤中的活性。这与袁颖红等[33]在对杉木人工林的模拟氮沉降研究中，得出的结论相似。说明氮添加并不直接影响土壤磷质量分数，而是通过造成土壤酸化，改变土壤中阴阳离子平衡，从而促使土壤中磷酸盐分解、Al3+增加，二者结合产生低溶性化合物，最终抑制磷酸盐活性，降低土壤中速效磷质量分数，导致根系磷质量分数降低[34-35]。

与浙江楠混栽可以解决杉木根系在氮沉降下受磷限制的问题。氮沉降下，混栽处理中的土壤总磷和速效磷质量分数显著高于纯栽处理，缓解了杉木根系受磷限制的问题。这可能与针阔混交带来的凋落物增加及土壤酸性磷酸酶增加有关。已有研究表明，杉木和火力楠等阔叶树种混交均提高了土壤有机质质量分数[36-37]。另外，杉木与阔叶树种混交后，其林下土壤酸性磷酸酶活性均高于杉木纯林[38-40]，而南方山地红壤由于磷的固定率较高，速效磷质量分数相当低，酸性磷酸酶的增加，对提高土壤磷的供应水平有特别重要的意义[41]。

4.2 浙江楠对不同处理的差异性响应

双因素方差分析显示，浙江楠根生物量在种植方式影响下产生显著差异，茎、叶生物量及总生物量在种植方式和氮处理的交互作用下产生显著差异，根冠比在种植方式、氮处理和二者交互作用下均产生显著差异，浙江楠根形态指标仅在氮处理下于根总长度上显示出显著差异。

不施氮情况下，较纯栽处理而言，混栽显著增加了浙江楠根茎叶生物量，但显著降低其根冠比，使其细根量有不显著的下降趋势。说明浙江楠根系生物量虽然显著增加，但其根系吸收能力并无增长。这可能与杉木根系化感作用有关，已有研究证明，杉木根系会通过分泌化感物质干扰其他树种或自身的生长[42-45]。另外，在混栽带来的种间竞争影响下，浙江楠与杉木表现出相似的生物量分配策略—将更大比例的生物量分配到地上部分。但与杉木幼苗不同的是，浙江楠幼苗的地上部分建立了竞争优势，从而反馈到地下部分，促进其生物量增长。地上部分的竞争影响着地下部分[46]，地上部分的竞争优势会延续到地下部分的竞争当中。

纯栽情况下，施氮显著增加浙江楠茎叶生物量，显著降低其根冠比及根系总长度，大幅降低其细根量。结合纯栽条件下，施氮显著增加浙江楠土壤氮质量分数这一结果，可以认为，施氮提高了土壤的氮有效性,从而诱发了地上和地下权衡机制,使向根系分配的生物量减少[47]有关。此前已有研究指出，植物地上生物量对氮沉降的敏感性要显著高于地下[48]。此外，李明月[49]、毛晋花[7]和辛月[50]等人的研究中均得出：在外源施氮量增加的情况下，植株根冠比表现为降低趋势。

而混栽情况下，施氮却使浙江楠根冠比显著增加。结合根形态指标，浙江楠根形态指标在交互作用下表现出与混栽相似但更强烈的受抑制现象，而杉木根形态指标则在交互作用下表现出与混栽相似但相对更弱的受抑制现象。如果将根系竞争分为干扰式竞争和掠夺式竞争[51](即植物根系通过化感作用竞争[52]和植物根系通过争夺土壤空间和矿质养分[53])而生物量、根形态指标等表明，杉木根系掠夺式竞争较浙江楠明显弱势。因此，一个可能的解释是：施氮使得环境压力降低，从而缓解了掠夺式竞争对杉木的压力，Pugnaireetal.[9]的研究认为，竞争作用通常在相对贫瘠的条件下最强烈，随着外界压力降低而减弱。此消彼长，杉木根系竞争能力的提高使浙江楠根系迫于竞争压力调整其生物量分配策略，最终导致其根冠比增加。

5 结论

本研究以杉木和浙江楠为研究对象，探究种植方式和氮沉降对根系生长的影响。主要结论包括：混栽抑制杉木根系生长，促使杉木根冠比降低；纯栽条件下，施氮导致杉木根系生长受磷限制，与浙江楠混栽能够解决施氮造成的磷限制问题；氮沉降提高了浙江楠土壤氮有效性，导致其倾向将更大比例生物量分配至地上部分竞争光资源，从而抑制了自身根系生长；浙江楠一旦建立地上竞争优势，将反馈地下部分从而造成其根生物量升高。