赤皮青冈容器苗根系生长和构型对缓释肥和菌根菌的响应

杨孟晴，吴仁超，王秀花，徐卫可，黄盛怡，周志春，王 斌*

（1 中国林业科学研究院亚热带林业研究所 / 浙江省林木育种技术研究重点实验室，浙江杭州 311400；2 浙江省庆元县实验林场，浙江庆元 323800）

根系作为植物的营养器官之一，其主要作用是从土壤中吸收水分和养分。植物的根系构型不仅是其长期适应环境的进化结果，其在应对短时间内的环境变化时也具有形态可塑性的改变[1]。容器苗培育过程中，常采用缓释肥添加和接种菌根真菌方法培育具有良好构型的根系，以提高苗木出圃质量。缓释肥具有养分释放与植物吸收基本同步的特点[2-3]，对于容器苗养分库构建有着较好的改善与促进作用，能促进容器苗生长、生物量积累和根系发育。外生菌根真菌是一种附着于高等植物细根上的真核微生物类群，在森林生态系统中较为常见[4]。外生菌根真菌侵染林木根系，有利于促进林木生长，提高林木抗逆性和生产力，维持森林生态系统的稳定性[5]。接种外生菌根真菌能够显著影响宿主根长、根表面积和根体积，进而促进植株生长[6-7]。但也有研究表明，接种外生菌根真菌对根长、根表面积、根系平均直径和平均角度等构型参数无显著性影响[8-9]。针对紫花苜蓿(Medicagosativa)、杜鹃(Rhododendron simsii)、油松(Pinustabuliformis) 和马尾松(P.massoniana)等的研究表明，施肥和接种菌根菌对植物的生长和根系发育有显著促进作用[10-13]。

赤皮青冈(Cyclobalanopsisgilva) 属于壳斗科(Fagaceae)青冈属(Cyclobalanopsis)常绿阔叶大乔木，树干通直高大、生长速度较快、材质优良、适应性强，是我国浙江、福建、江西和湖南等地重要的生态修复树种和极具发展前景的珍贵树种。自然条件下赤皮青冈菌根多样性丰富[14]，是典型的外生菌根树种。随着赤皮青冈在造林中的推广应用，关于其容器苗培育的研究逐年增加。研究显示，施肥可促进赤皮青冈幼苗生长，提高苗木质量[15-16]，接种菌根菌对不同缓释肥梯度下1 年生赤皮青冈容器苗生长均有促进作用[17]。然而在实际造林过程中，赤皮青冈实生苗常因其主根发达，侧根稀少而影响造林成活率。相较于苗高和地径等地上性状，根系作为植物营养和水分吸收的重要器官，对提高容器苗造林成活率意义更大。作为典型的外生菌根依赖性树种，施肥和接种是否能更好促进赤皮青冈容器苗根系生长，改善根系构型尚鲜有报告。本研究在前期缓释肥添加和接种菌根真菌对赤皮青冈容器苗生长和养分性状影响研究基础上[17]，进一步研究了施肥和接种对容器苗根系生长、构型和不同径级根长、根表面积和根体积的影响，分析了不同缓释肥添加量和接种菌根菌条件下容器苗根系的适应策略，以期为赤皮青冈菌根化容器苗培育提供理论指导。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验在浙江省庆元县实验林场(119°01′25″E，27°38′48″N)育苗基地钢构大棚内进行，大棚仅提供日常管理的灌溉和遮荫功能。林场所在地属亚热带季风气候，温暖湿润，四季分明，海拔510 m，年均气温17.6℃，年均降水量 1721 mm，无霜期245天。供试材料为庆元县国家珍贵树种良种基地采集的赤皮青冈种子所育实生苗。

育苗基质为泥炭、谷壳和珍珠岩(体积比为6∶1∶3)。泥炭pH 为5.8，全氮、全磷和全钾含量分别为14.2、0.7 和2.7 g/kg。谷壳和珍珠岩在育苗期间主要发挥疏松基质作用，谷壳基本无分解。所用缓释肥为美国辛普劳公司生产的爱贝施(Apex)长效控释肥，其全氮含量为180 g/kg，有效磷含量为60 g/kg，全钾含量为120 g/kg，肥效6～7 个月。外生菌根真菌选用寄主范围广，生产上应用较多，对林木幼苗成活、营养吸收和抗病能力有显著促进作用的彩色豆马勃(Pisolithustinctorius)[18-19]，所用菌种从北京百欧博伟生物技术有限公司购买，由中国林业科学研究院亚热带林业研究所培养繁殖。

1.2 试验设计

本试验为接种菌根菌和缓释肥加载两因素析因设计，其中菌根菌处理分为接种和不接种两个处理，缓释肥以3 kg/m3的生产常规用量为中间值，设置5 个施用量，分别为1.50、2.25、3.00、3.75和4.50 kg/m3，共10 个处理。育苗容器规格为4.5 cm×10 cm (直径×高)的无纺布网袋，温室大棚沙床中培育的赤皮青冈芽苗于2021 年4 月中旬移入育苗袋，育苗袋放置在育苗盘中，每盘64 株，每个处理移栽300 株。7 月上旬幼苗长到10 cm 左右，此时幼苗叶片相互挤压，影响生长，从每个处理中随机选取苗高基本一致的容器苗60 株，分成两组，每组30株，摆放到30 孔一盘的育苗盘内继续培养。其中一组接种菌根菌，一组不接种菌做对照。将菌剂在育苗袋中间部位进行注射，每袋接种10 mL 彩色豆马勃菌剂溶液(浓度36.28 mg/mL)。接种和不接种容器苗育苗盘间保持1 m 以上间隔。容器苗按育苗基地常规育苗流程进行喷灌和遮阳等生产管理。

1.3 指标测定与方法

容器苗于2021 年11 月中旬收获，分别用钢卷尺和游标卡尺测量容器苗株高和地径，之后用剪刀剪开无纺布网袋，小心抖落网袋内土壤，以免伤害根系结构，再用剪刀将容器苗地上部分与根系分开，用清水将根系清洗干净，储存于0～2℃冰箱中备用。用植物根系扫描仪(EPSON Perfection V700/V750 3.83)进行根系扫描，用WinRHIZO 软件系统分析根长、根表面积、根系平均直径、根体积、分形维数、平均连接长度、平均连接角度和根尖数等根系生长和构型数据[20]。然后按照根系直径，以0.5 mm 分梯度进行分级，共分5 级：0～0.5、0.5～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0、＞2.0 mm，分别测定各级根系根长、根表面积和根体积。

接种处理的容器苗，每株随机选择20 个根尖，在显微镜下观察菌根侵染的根尖数量[21]。将所有苗木根、茎和叶置于105℃烘箱中杀青30 min，然后在60℃下烘干至恒重，称量根、茎和叶各器官干重。

基于WinRHIZO 分形分析，获得用于覆盖根系的正方形边长(r)和数目(Nr)，以lgr为横坐标，lgNr为纵坐标，作线性回归，得到方程lgNr= -Dlgr+lgK，回归直线方程的斜率D值为分形维数，lgK为分形丰度。分形维数通常介于1～2，D值越大表明根系越发达，分形丰度越大表明根系在土壤中拓展的体积越大[20]。

基于WinRHIZO 链接分析，获得根系所有外部连接数(M)和最长根通道内部连接数(A)，依据方程TI= lgA/lgM计算根系拓扑指数，TI为拓扑指数。TI值越接近 1，表明A和M数值越接近，即根系分支较少，根系越近似鱼尾型分支结构；TI值越接近0.5，表明根系外部连接数越多，根系越近似叉状分支结构[20]。

1.4 数据统计分析

采用EXCEL 2019 进行数据处理及相关表格制作，利用SPSS 20.0 软件进行双因素方差分析和Duncan’s检验。

2 结果与分析

2.1 施肥和接种对赤皮青冈容器苗根系生长的影响

表1 显示，不接种菌根菌处理下，施肥量对赤皮青冈容器苗根系生物量、表面积、平均直径和体积均无显著影响，只有施肥量4.50 kg/m3处理的根长显著低于常规施肥量的F3 处理(3.00 kg/m3)。接种菌根菌处理下，赤皮青冈容器苗根系生物量、表面积、平均直径和体积等增幅较大，相比不接种平均分别增加了10.94%、18.73%、18.23%和42.77%。接种后施肥量偏低2.25 kg/m3或者偏高的3.75、4.50 kg/m3均较常规施肥量3.00 kg/m3显著降低根生物量和根长，施肥量4.50 kg/m3处理还显著降低了根系表面积，而施肥量对根系直径和体积均无显著影响。但是同一施肥量下，接种菌根菌总体有利于根系的生长。施肥量3.00 kg/m3处理下，接种可显著提高根系的生物量、表面积和体积(P＜0.05)。接种可弥补施肥量偏低的1.50、2.25 kg/m3或偏高的3.75 kg/m3对根系表面积、平均直径和体积可能产生的不利影响，但是对较高施肥量下4.50 kg/m3的根系各指标无显著影响。因此，接种菌根菌可以缓解不适宜化肥量的副效应，进一步提高适宜施肥量的正效应，有利于赤皮青冈容器苗根系的生长。

表1 施肥量和菌根接种对赤皮青冈容器苗根系生长的影响Table 1 Root growth of C.gilva container seedlings as affected by mycorrhizal inoculation and fertilizer rate

2.2 施肥和接种对赤皮青冈容器苗根系构型的影响

不论是否接种菌根菌，施肥量对赤皮青冈容器苗根系构型的影响均较小(表2)。不接种菌根菌处理，施肥量对赤皮青冈容器苗拓扑系数、连接长度、连接角度和根尖数无显著影响，只有施肥量1.50 kg/m3处理的分形维数和施肥量4.50 kg/m3处理的分形丰度显著低于常规施肥量3.00 kg/m3处理。接种菌根菌处理下，施肥量对赤皮青冈容器苗分形维数、分形丰度、拓扑系数、连接长度和根尖数无显著影响，只有施肥量1.50 kg/m3处理的连接角度显著低于常规施肥量3.00 kg/m3处理。相对来说，接种后赤皮青冈容器苗根尖数增幅较大，相比不接种平均增加了72.33%；拓扑系数和平均连接长度则呈降低趋势，相比不接种平均分别降低了3.11%和6.10%。同一施肥量下，接种菌根菌对根系构型的影响有限，仅施肥量偏低的1.50、2.25 kg/m3或者偏高的3.75、4.50 kg/m3较常规施肥量3.00 kg/m3显著降低根尖数。

表2 施肥和接种对赤皮青冈容器苗根系构型的影响Table 2 Root architecture of C.gilva container seedlings as affected by mycorrhizal inoculation and fertilizer rate

2.3 施肥和接种对赤皮青冈容器苗根系性状径级分布的影响

表3 显示，不接种菌根菌处理下，施肥量对赤皮青冈容器苗0～0.5 mm 径级根长无显著影响，施肥量2.25 kg/m3处理的0.5～2.0 mm 及＞2.0 mm 径级根长显著高于施肥量4.50 kg/m3处理(P＜0.05)；施肥量对赤皮青冈容器苗＞2.0 mm 径级根表面积和根体积无显著影响，施肥量2.25 kg/m3处理的0.5～2.0 mm径级根表面积和根体积、施肥量3.00 kg/m3处理的0～0.5 mm 径级根表面积和根体积显著高于施肥量4.50 kg/m3处理(P＜0.05)。接种菌根菌处理下，施肥量对赤皮青冈容器苗0.5～1.5 mm 径级根长无显著影响，施肥量3.00 kg/m3处理的0～0.5 mm 径级根长显著高于其它施肥处理(P＜0.05)，施肥量3.75 kg/m3处理的1.5～2.0 mm 及＞2.0 mm 径级根长显著高于施肥量1.50 kg/m3处理(P＜0.05)；施肥量对赤皮青冈容器苗0.5～2.0 mm 径级根表面积和根体积无显著影响；施肥量3.00 kg/m3处理的0～0.5 mm 径级根表面积显著高于其它施肥处理，根体积显著高于施肥量3.75 和4.50 kg/m3处理(P＜0.05)；施肥量3.00 kg/m3处理的＞2.0 mm 径级根表面积和根体积显著高于施肥量1.25 kg/m3处理(P＜0.05)。同一施肥量下，接种菌根菌对0～1.5 mm 径级根长、根表面积和根体积无显著影响；施肥量1.50 kg/m3处理下，接种可显著降低＞2.0 mm 径级根长和根表面积(P＜0.05)；施肥量3.00 kg/m3处理下，接种可显著提高1.5～2.0 mm 和＞2.0 mm 径级根长和根表面积，以及1.5～2.0 mm 径级根体积(P＜0.05)；施肥量4.50 kg/m3处理下，接种可显著提高＞2.0 mm 径级根表面积(P＜0.05)；施肥量2.25 和3.75 kg/m3处理下，接种可显著提高＞2.0 mm 径级根体积(P＜0.05)。总的来看，接种后高施肥量4.50 kg/m3处理下0.5～2.0 mm 径级根长、根表面积和根体积与其它施肥处理的差异明显缩小。

表3 不同施肥和接种处理下赤皮青冈容器苗各径级根系性状Table 3 Traits of C.gilva seedling roots in different diameter classes as affected by fertilizer rate and inoculation of P.tinctorius

2.4 赤皮青冈容器苗根系生长和构型指标相关性分析

基于赤皮青冈1 年生容器苗根系生长和构型数据，研究接种与不接种各指标之间的相关性及其变化(表4)。不接种菌根菌处理，赤皮青冈容器苗根长、根表面积、根体积、分形丰度和根尖数与其它指标间的相关性较高，其中根表面积与分形丰度相关系数最高(0.945，P＜0.01)。接种菌根菌处理下，容器苗根系构型指标间的相关性有的增强，有的减弱，如接种后根长与分形维数、根体积与根尖数等相关性(分别为0.671 和0.636)均变得显著，而根长与根尖数和拓扑系数相关性(分别为-0.372 和-0.177)变得不显著。未接种时赤皮青冈容器苗根长与根尖数、根体积与分形维数呈正相关关系(P＜0.01)，接种后呈负相关关系，意味着菌根形成后，苗木在保持适宜根长的同时增加根尖数以更好吸收养分，根系形态也因此变得复杂。接种处理后容器苗根长越长，根生物量和根表面积越大，相应分形维数越高，根系越发达，可见菌根的形成增加了容器苗根系的复杂程度。

表4 赤皮青冈容器苗根系生长和构型指标之间的相关系数Table 4 Correlation coefficient between root growth and architecture traits of C.gilva container seedlings

3 讨论

外生菌根具有促进林木生长、增强林木抗逆性的作用。不同施肥处理下，接种菌根真菌能改变植物根系形态，促进碳水化合物向根系积累和分配，增强植物耐受性[22-23]。本研究接种后，施肥量1.50～3.75 kg/m3梯度容器苗根生物量均大于不接种，即≤3.75 kg/m3施肥水平下接种有助于根系碳水化合物积累，其中以3.00 kg/m3施肥水平对根系生长促进效果最好，根生物量最大，可能是接种后容器苗由于菌根的存在，在养分获取方式相对多样的情况下将营养物质更多用于干物质累积，以获得更多的生长空间[24-25]。根长、根表面积和根体积是衡量植物根系分布范围的重要参数，接种后赤皮青冈容器苗根表面积和根体积增加，根长在低肥力水平下(≤2.25 kg/m3)小于不接种，高肥力水平下(≥3.75 kg/m3)大于不接种，主要是低肥力下，菌根共生关系强，苗木减少根长而增加根粗，依靠菌丝吸收养分，而高肥力下，菌根共生关系弱，苗木增加根长生长，扩大根系分布范围增加养分吸收能力[26-27]。本研究施肥量1.50～4.50 kg/m3施肥梯度菌根侵染率分别为48.35%、35.28%、34.25%、9.30%和2.26%，随着缓释肥添加量的增加，菌根侵染率显著降低(P＜0.05)，亦表明不同肥力水平下菌根效应的差异。根系平均直径和根尖数是衡量根系吸收功能的重要参数，接种后赤皮青冈容器苗根系平均直径和根尖数显著增加，与油松[12]和马尾松[28]等苗木上的研究结果一致。关于缓释肥对苗木生长和根系发育的影响，不同研究结果不尽相同。本研究缓释肥添加量为2.25～3.00 kg/m3时赤皮青冈容器苗根长、根表面积和根体积较大，缓释肥添加量为4.50 kg/m3时根长、根表面积和根体积相比最大值下降明显，与针对木荷(Schima superba)[29]和长白落叶松(Larixolgensis)[30]等树种的缓释肥效应变化规律一致。

拓扑结构和分形特征可衡量植物根系的分支模式和功能特点，二者结合能更准确的反映根系构型特征和生态适应策略[31]。本研究赤皮青冈根系拓扑系数较大，近似为鱼尾状分支结构，次级根分支较少，重叠较少，内部竞争较小，这类分枝结构有助于其扩大水分和养分获取范围，同时将更多的碳分配到主根中，以利于其在容器育苗基质环境下生存，这与对胡杨(Populuseuphratica)根系构型研究结果[32]一致。植物根系构型与其对营养物质的竞争力密切相关，如根系连接长度直接关系到植物对土壤养分的获取能力，连接长度越长，其空间拓展能力就越强[33]；根系分支角度影响根系对土壤、营养空间的探索，较大分支角度更有利于侧根趋于水平分布以扩大根系的有效觅养空间[34]。本研究显示，接种对赤皮青冈容器苗分形丰度、平均连接角度和根尖数有促进作用，分形维数略微增加，拓扑系数和平均连接长度则表现出一定的菌根负效应(接种低于不接种)，即接种菌根菌后容器苗有向叉状分枝发展的趋势，通过增加次级分支提高空间占有能力，以便更有效地获取水分和养分[32]，根系结构也因此变得复杂，根系间的连接变得更紧密，这可能是接种促进容器苗根系更好生长的重要原因。研究表明不同根系构型性状之间是相互关联的，多方面影响着植物的生长发育，同时也存在着相互作用[31]。接种后容器苗根长与分形维数显著相关，说明菌根在介质中的分布显著影响着植物根系分支策略，进而影响根系对养分的吸收效率。

细根(≤2.0 mm) 是植物吸收营养的关键部位，与植物生长发育紧密相关，植物根系中不同径级细根的分配格局常因环境条件的变化而改变[35-36]。本研究中无论接种与否，赤皮青冈容器苗在3.00 kg/m3缓释肥添加量下0～0.5 mm 径级根长和表面积最大，说明适当的缓释肥添加量能促进容器苗0～0.5 mm细根的生长。接种后赤皮青冈容器苗0～0.5 和＞2.0 mm 径级根长和根表面积在不同施肥处理间差异显著(P＜0.05)，可能与0～0.5 mm 径级细根直径较小，木质化程度较低，菌根菌侵染后其对土壤养分的变化更为敏感有关。相较于直径较大的根，直径较细的根其根长和根表面积更容易响应土壤环境的变化。有研究表明，植物根系吸收养分的主要功能单位与根尖区紧密相关，在直径＞2.0 mm 的根系中未发现与养分吸收相关的解剖结构[37]。＞2.0 mm 径级差异显著可能与赤皮青冈主根发达，接种可促进根系生物量增加有关。从细根的占比来看，不接种赤皮青冈容器苗直径≤1.5 mm 的根长和根表面积占总根长和总根表面积的比例分别在86%和49%以上，接种后直径≤1.5 mm 的根长和根表面积占总根长和总根表面积的比例分别在85%和36%以上，根表面积直接受须侧根数量多少的影响，因赤皮青冈须侧根少，故其占比较低，接种处理后因主根更加发达，导致直径≤1.5 mm 的根表面积占比相对更低。

4 结论

一定施肥范围下，缓释肥施用水平对赤皮青冈容器苗根系生长和构型影响相对较小，但施用量达到4.50 kg/m3时，显著降低了根长。接种外生菌根菌彩色豆马勃可促进赤皮青冈容器苗根系生长，改善根系构型，弥补施肥量偏低或偏高对根系表面积、平均直径和体积的不利影响，且低肥料用量时的促生效果更显著。生产中可通过接种菌根菌以提高缓释肥利用效率，培育优质菌根苗同时降低生产成本。