山毛豆/桉树间种系统中植物生长对施N与根系隔离的响应

刘晓璐，韦铄星，蒋 燚，高 风，王智慧，刘雄盛，欧汉彪，刘 菲

（1.广西壮族自治区国有雅长林场，广西百色 533000；2.广西壮族自治区林业科学研究院 国家林业与草原局中南速生材繁育重点实验室 广西优良用材林资源培育重点实验室，广西南宁 530002；3.中南林业科技大学，湖南长沙 410004）

农林复合经营可充分利用林间空地，通过立体种植发挥多种效益，有效平衡木粮生产和环境保护，是解决人工纯林集约经营带来的生态问题的有效途径之一[1]。国内学者对农林复合经营的研究时间较长，近年来主要集中在经营技术[2]、养分循环[3]、物种选择[4]、效益评价[3-4]和种间关系[5]等方面。研究发现，优化种间关系是间种系统中植物增产的生态学基础[6]，物种选择[7]和经营模式[8]是调控间作系统种间关系的重要措施[9]。

桉树（Eucalyptusspp.）是南方主要速生丰产林树种，在广西的种植面积为256 万hm2，约占中国桉树总面积的47%[10]。桉树人工林种植多为集约型纯林连栽，出现人工林生产力下降、生物多样性降低、病虫害加重和地力衰退等问题[11]。通过进行林下林药、林草和林农模式物种选择[12]、典型设计和营建技术[13]等研究，发现复合经营可明显改善桉树人工林土壤理化性质[14]，获得更好的生态和经济效益[15]。在桉树人工林林下间种山毛豆（Tephrosia candida）可充分利用山毛豆的根瘤固氮功能，提高土壤肥力，促进桉树生长，同时收获牧草，是一种具有良好生态和经济效益的桉树复合经营模式[16-17]；桉树和山毛豆复合经营能有效促进桉树根系生长，促进根系下沉和外延，增加桉树地下竞争能力[12，15，18]。目前，对桉树复合经营系统的研究多在田间生产中开展试验，试验结果受土壤、气候和人为干扰等因素影响较大，较难清楚解析桉树复合经营系统中物种间养分的作用关系。本研究通过盆栽控制试验，研究施氮（N）和根系隔离处理对山毛豆/桉树间种系统中植物生长的影响，探索该系统中物种间相互作用的途径，为桉树人工林复合经营模式提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

桉树选用广西壮族自治区林业科学研究院培育的尾巨桉（E.urophylla×E.grandis）优质壮苗，植株规格为地径0.6 cm、树高50 cm；采用种子直播获得山毛豆幼苗。塑料容器体积为2 m（3长2 m、宽1 m、高1 m）。采用薄膜或尼龙网将塑料容器分隔，一边种植1 株桉树苗，另一边播种10 ～20 粒山毛豆种子，待种子萌芽生长后，保留3 株地径和高度基本一致的山毛豆幼苗。试验在广西林科院苗圃（108°21′E，22°55′N）的塑料温棚内进行，保障充足的光照和水分。

1.2 试验方法

1.2.1 隔根与施肥试验设计

采用双因素完全随机交叉分组试验设计。根系隔离处理包括完全隔离、尼龙网隔离和不隔离3个水平；施N 处理包括不施N（-N）和施N（+N）2 个水平，共计6 个组合，每组合4 个重复。完全隔离：塑料容器间用薄膜分隔，并涂抹密封胶，使其不漏水，根系间无相互作用；尼龙网隔离：塑料容器间用30 μm 尼龙网分隔，根系被隔开，但根系间有物质交换。供试土壤为红心土，施N量为105 mg/kg。为满足桉树和山毛豆正常生长所需养分，补充磷110 mg/kg、钾130 mg/kg、镁50 mg/kg 及铁、锰、铜、锌和钼各5 mg/kg。按质量比例，将肥料和红心土均匀混合后装入塑料容器中；3月中旬种植，11月下旬测定植株生物量和总N含量。

1.2.2 生长指标测定

山毛豆萌芽后，每30 天测量1 次地径和高度等生长指标。11月下旬，分别测定桉树和山毛豆地上部分和根系的生物量，根系收集采用湿筛法[19]。将采集的根、枝和叶等样品在烘箱内105 ℃杀青30 min后，80 ℃烘干至恒重，磨机粉碎过0.149 mm筛，备用。

1.2.3 全N含量测定

按植株各器官生物量比例，分别将桉树及山毛豆根、枝和叶粉碎后的样品混合均匀，分别称取混合样品0.5 g，4 个重复。在消煮管中加入5 mL H2SO4、1.5 g K2SO4和0.15 g CuSO4，摇匀后放置12 h。消煮至清亮，冷却后直接蒸馏；馏出液用硼酸指示剂收集，稀硫酸滴定，终点由绿色变为粉红色，参照LY/T 1271-1999[20]测定样品全N含量。

1.2.4 根瘤测定

采用QT-RWC 洗根系统对山毛豆根系进行清洗，确保根毛的完整性，擦干并晾干根系表面水分，平整放入成像盘，通过根系扫描仪进行图像扫描；采用万深LA-S 系列植物根系分析系统进行图像分析，确定根瘤数量，采用电子称（精度为0.001 g）称取重量。

1.3 数据处理

采用Excel 软件进行数据整理，采用SPSS 软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 施N和根系隔离处理对桉树生长的影响

2.1.1 施N和根系隔离处理对桉树株高的影响

根系不隔离处理的桉树株高均显著高于根系隔离处理（P＜0.05），完全隔离处理与尼龙网隔离处理差异不显著（表1）。-N 处理下，不隔离处理比完全隔离和尼龙网隔离处理分别高出12.37% 和22.18%；+N 处理下，不隔离处理比完全隔离和尼龙网隔离处理分别高出11.06%和18.32%。这可能是因为根系不隔离处理下，山毛豆与桉树根系接触的紧密程度较高，促进桉树的高生长。+N处理的桉树株高均显著高于-N 处理（P＜0.05），根系完全隔离、尼龙网隔离和不隔离处理分别高出36.12%、38.91%和34.52%，说明土壤中的N是山毛豆/桉树间种系统中影响桉树高生长的重要因子。

表1 施N和根系隔离处理对桉树株高的影响Tab.1 Effects of N application and root separation treatments on plant height of eucalypt (m)

2.1.2 施N和根系隔离处理对桉树地径的影响

根系不隔离处理的桉树地径均大于根系隔离处理；尼龙网隔离处理的地径均显著低于不隔离和完全隔离处理（P＜0.05），不隔离处理与完全隔离处理差异不显著（表2）。-N 处理下，不隔离处理比完全隔离和尼龙网隔离处理分别高出8.97% 和12.46%；+N 处理下，不隔离处理比完全隔离和尼龙网隔离处理分别高出3.54%和17.29%。+N 处理的桉树地径均显著高于-N 处理（P＜0.05），根系完全隔离、尼龙网隔离和不隔离处理分别高出55.86%、41.99%和48.10%。

表2 施N和根系隔离处理对桉树地径的影响Tab.2 Effects of N application and root separation treatments on ground diameter of eucalypt (cm)

2.1.3 施N和根系隔离处理对桉树生物量的影响

根系不隔离处理的桉树生物量均显著高于根系隔离处理（P＜0.05），完全隔离处理与尼龙网隔离处理差异不显著（表3）。-N 处理下，不隔离处理比完全隔离和尼龙网隔离处理分别高出10.20%和12.33%；+N 处理下，不隔离处理比完全隔离和尼龙网隔离处理分别高出11.09%和12.21%。+N处理的桉树生物量均显著高于-N 处理（P＜0.05）；根系完全隔离、尼龙网隔离和不隔离处理分别高出27.43%、28.60%和28.46%。

表3 施N和根系隔离处理对桉树生物量的影响Tab.3 Effects of N application and root separation treatments on biomass of eucalypt (g/pot)

2.2 施N和根系隔离处理对山毛豆生长的影响

2.2.1 施N和根系隔离处理对山毛豆根瘤生长的影响

根系不隔离处理的山毛豆根瘤数量和重量均显著高于根系隔离处理（P＜0.05）；-N 处理下，不隔离处理的根瘤数量比完全隔离和尼龙网隔离处理分别高出32.20%和105.26%，根瘤重量分别高出43.56%和98.31%；+N 处理下，不隔离处理的根瘤数量比完全隔离和尼龙网隔离处理分别高出369.23%和117.86%，根瘤重量分别高出108.70%和77.78%（表4）。+N 处理的山毛豆根瘤数量和重量均显著低于-N 处理（P＜0.05），根瘤数量在根系完全隔离、尼龙网隔离和不隔离处理下分别降低88.98%、63.16% 和60.90%，根瘤重量分别降低57.67%、31.36%和38.46%。说明土壤中的N 是影响山毛豆根瘤生长的重要因子，山毛豆根区N 含量主要受人工施肥和桉树养分竞争吸收两方面的影响。

表4 施N和根系隔离处理对山毛豆根瘤生长的影响Tab.4 Effects of N application and root separation treatments on root nodule growth of T.candida

2.2.2 施N和根系隔离处理对山毛豆生物量的影响

-N 处理下，不隔离处理的山毛豆生物量最大，显著高于尼龙网隔离处理（P＜0.05），高出25.36%；+N处理下，根系隔离处理对山毛豆生物量的影响不显著，尼龙网隔离处理的山毛豆生物量最大，说明山毛豆/桉树间种系统中，山毛豆与桉树间存在营养促进作用，桉树从间种体系的N 养分转化吸收过程中得到好处，山毛豆的生长未因桉树的N 养分竞争受到抑制（表5）。+N 处理后，根系完全隔离和不隔离处理的山毛豆生物量减少，尼龙网隔离处理的山毛豆生物量增加，但差异不显著。这可能是因为+N处理后，桉树生长迅速，其横向和纵向的辐射截获竞争能力增加，对山毛豆的生长有所抑制。

表5 施N和根系隔离处理对山毛豆生物量的影响Tab.5 Effects of N application and root separation treatments on biomass of T.candida (g/pot)

2.3 施N和根系隔离处理对N浓度和吸N量的影响

2.3.1 施N 和根系隔离处理对桉树N 浓度和吸N 量的影响

-N 处理下，根系不隔离处理的桉树N 浓度和吸N 量均显著高于根系隔离处理（P＜0.05），完全隔离处理与尼龙网隔离处理差异不显著；不隔离处理的N 浓度和吸N 量比完全隔离处理分别高出13.87%和25.47%，比尼龙网隔离处理分别高出8.35%和21.69%（表6）。间种系统中，山毛豆和桉树根系无接触或小部分接触时，树种间根系的相互作用较小，对桉树的N浓度和吸N量影响不大；根系不隔离处理下，树种间根系接触紧密，桉树的N 浓度和吸N量出现显著变化，说明间种系统中根系接触是物种间发生相互作用的主要途径。+N处理下，根系不隔离处理的桉树N浓度显著低于隔离处理（P＜0.05），完全隔离处理与尼龙网隔离处理差异不显著；根系不隔离处理的桉树吸N 量显著高于隔离处理（P＜0.05），完全隔离处理与尼龙网隔离处理差异不显著。桉树吸N 量在不隔离处理下较高的原因一部分是桉树对山毛豆根区N 的竞争，另一部分是根系不间隔处理下桉树根系营养吸收面积较大，这两部分的贡献各占比多少，需进一步验证。+N处理的桉树N 浓度和吸N 量均显著高于-N 处理（P＜0.05），根系完全隔离、尼龙网隔离和不隔离处理分别高 出79.68%、73.77%、57.16%和128.93%、123.43%、102.98%，均随根系接触程度增加，增幅逐渐变小。

表6 施N和根系隔离处理对桉树N浓度和吸N量的影响Tab.6 Effects of N application and root separation treatments on N concentration and N acquisition of eucalypt

2.3.2 施N 和根系隔离处理对山毛豆N 浓度和吸N量的影响

施N和根系隔离处理对山毛豆N浓度均无显著影响；根系不隔离处理的山毛豆吸N 量与根系隔离处理均差异显著（P＜0.05），完全隔离处理与尼龙网隔离处理差异不显著（表7）。-N 处理下，根系不隔离处理显著提高山毛豆吸N量（P＜0.05），比完全隔离和尼龙网隔离处理分别高出8.32%和11.74%；+N处理下，不隔离处理显著降低山毛豆吸N 量（P＜0.05），比完全隔离和尼龙网隔离处理分别低18.10%和14.65%。-N 处理下，土壤中N 含量较低，桉树生长受影响，未形成树冠郁闭，加上山毛豆自身的固氮作用，山毛豆前期生长快速并寻求更大的养分吸收空间，侵占桉树根区，所以根系不隔离处理下，山毛吸N 量显著增加。+N 处理下，养分充足，桉树生长快速，其根系寻找养分吸收空间，侵占山毛豆根区，加上桉树冠幅郁闭较快，所以根系不隔离处理下，山毛豆吸N量显著降低。

表7 施N和根系隔离处理对山毛豆N浓度和吸N量的影响Tab.7 Effects of N application and root separation treatments on N concentration and N acquisition of T.candida

3 讨论与结论

本研究中，根系不隔离处理下，桉树的株高、地径和生物量均显著高于隔离处理，说明山毛豆/桉树间种系统中，山毛豆与桉树的根系直接接触有利于桉树获取更多N。一方面，桉树根系生长范围广，对N 的吸收能力较好；另一方面，桉树对N 的需求刺激了山毛豆通过固氮、转移等途径向桉树输送更多的N。与-N处理对比，+N处理下根系不隔离处理的桉树株高和地径与完全隔离处理间的差距均变小，说明施N后山毛豆对桉树株高和地径生长的促进作用变小。施N后，土壤中肥力充足，降低了间种系统中山毛豆对桉树株高、地径和生物量生长的促进作用，实际生产中可控制施肥量，通过刺激复合系统中的种间竞争来促进植物生长。

前人研究发现，在大麦（Hordeum vulgare）与豌豆（Pisum sativum）间种系统中，由于物种间N 的竞争，大麦的生长得到改善，豌豆生长受到抑制[21-22]，这是典型的间作体系中种间N 竞争作用。本试验中，施N 处理对桉树株高、地径和生物量均影响显著，对山毛豆生物量的影响不显著。这表明山毛豆/桉树间作系统中存在营养促进作用，桉树从系统中得到好处，山毛豆生长未受到抑制。间作系统中，植物相互作用的最终结果一方面表现为竞争能力强的作物占有更多养分资源，形成营养促进；另一方面表现为竞争能力弱的作物占有相对少的养分资源，形成养分竞争，生长受到抑制。在山毛豆/桉树间作系统中，间种促进了桉树生长，桉树处于竞争的优势地位；山毛豆虽然处于竞争能力弱的位置，但其在根系不隔离处理下的根瘤数量和重量均显著高于隔离处理，说明其通过提升自身固氮能力，减少竞争带来的影响。+N处理显著减少山毛豆根瘤数量和重量，说明随土壤中N含量增加，山毛豆的固氮效果减弱，间作系统中桉树与山毛豆的相互促进作用减小。

施N 可显著提高山毛豆/桉树间种系统中桉树的N 浓度和吸N 量，根系不隔离处理的桉树N 浓度和吸N 量均显著增加；+N 处理的桉树N 浓度和吸N量均高于-N 处理，随根系接触程度增加，增幅逐渐变小；施N 和根系隔离处理对山毛豆N 浓度和吸N量影响均不显著。说明，间种系统中桉树生长的N需求主要来源于土壤，山毛豆生长所需的N 有部分来源于生物固氮，物种间的相互促进作用以物种间根系相互交叉接触产生养分传递为途径，但随土壤N含量增加，作用呈减弱趋势。