杨树与冬小麦间作细根分布特征范文

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《生态与农村环境学报》2015年第四期

近年来，氮肥的大量施用成为农业面源污染的主要污染源之一。太湖流域自20世纪80年代以来，农作物种植存在超高量使用氮肥的普遍现象，施氮量甚至达到600～675kg•hm－2，而其平均利用率为20%～25%，致使多余的氮素成为太湖流域面源污染的重要来源［3］。细根是植物从土壤吸收水分和矿质元素的主要器官［4］。据估计，高达33%的全球年净初级生产力被用于细根周转［5］。在农林间作系统中，农作物和林木间通过对光、水分和养分等资源的吸收利用而存在着相互关系，且较大程度上源自根系的相互作用［6－7］。细根的空间结构和分布特征决定了植物个体间或种群间对土壤中水分、养分资源的竞争能力和强度［8－9］。在太湖流域构建农林间作系统，已成为维持农作物生产、减少养分流失的重要措施之一。然而，目前对于太湖流域间作系统中植物根系分布特征的研究尚鲜见报道，不能有效评价间作系统构建对控制养分随近地表径流或地下径流流失的作用。该文采用分层挖掘法，研究不同施氮肥水平下，杨树－冬小麦间作(简称杨麦间作)系统中不同生育阶段冬小麦与杨树细根的空间分布特征，探讨间作系统中林木根系在减少养分流失方面的作用，旨在为探讨太湖地区杨麦间作系统养分分布特征及流失特征提供理论依据。

1研究方法

1.1研究区概况研究区位于太湖之滨的江苏省宜兴市周铁镇沙塘港村(31°07'～31°37'N，119°31'～120°03'E)，属亚热带季风气候区，年平均气温15.7℃，平均无霜期为239d，平均降水量为1277.1mm，降水集中于6—8月。当地主要耕作方式为麦菜轮作，研究区土壤的基本理化性质见表1。杨麦间作(P-W)系统中杨树为4年生欧美35杨(Populus×euramericanacv．‘I－35’)，株行距为2m×5m，冬小麦品种为扬麦15。以冬小麦单作〔W(CK)〕为对照。

1.2试验设计在杨麦间作系统与单作地，各设4个施氮水平，分别为不施肥(N0)、减量施氮70kg•hm－2(N70)、常规施氮140kg•hm－2(N140)和增量施氮210kg•hm－2(N210)。每个处理设3次重复，共24个小区，随机区组排列，小区面积为102m2。各小区之间用PVC板隔开，隔板地上部分高度为15cm，插入地下部分深度为40cm。每个小区在60cm深度埋设淋溶装置，淋溶装置由直径为10cm的白色PVC管制成，底端封闭，防止漏水，顶端管盖可以打开抽取水样。埋设的淋溶管与树行的距离分别为0.5、1.5m或位于单作小麦田中心。冬小麦于2010年11月19日播种，2011年6月5日收获，氮肥按质量比6∶4分别在播种时作为基肥及冬小麦孕穗期追肥施入。所用基肥为复合肥和碳酸氢铵，追肥为尿素，磷肥和钾肥在施基肥时一次性施入，撒施后翻耕覆土。

1.3测定指标与方法

1.3.1细根样品的采集分别于冬小麦拔节期、孕穗期、灌浆期和成熟期，对单作地、杨麦间作系统内距树行东西两侧0.5〔P-W(0.5)〕和1.5m〔P-W(1.5)〕处用土钻采集根系样品，分0～20、＞20～40、＞40～60和＞60～80cm这4层采样。将采集的样品先用清水浸泡数小时，再置于孔径为0.25mm的土壤筛内用水冲洗，细根用清水冲洗干净后剔除杂质，按照杨树和冬小麦的根系形态特征区分根系，4℃条件下冷藏，以备测定。

1.3.2根长密度和根干质量的测定根长密度(根系总长/体积，cm•cm－3)采用WinRHIZO根系扫描仪与Reg2005c软件进行测定分析。将扫描完毕的根系进行烘干，测定根干质量(根系总质量/体积，g•cm－3)。

1.3.3淋溶水样收集与指标测定采样时间为降水结束后的第2天，每次所有点位的水样在1d之内采集完。淋溶水用小型水泵抽取，装入250mL塑料瓶中，每瓶滴1～2滴0.1mol•L－1硫酸，带回实验室后放入－4～0℃冰箱内冰冻保存。水样中硝态氮含量采用紫外分光光度法测定，铵态氮含量采用靛酚蓝比色法测定。

1.3.4数据分析及计算公式采用MicrosoftExcel2007软件进行数据处理分析。

2结果与分析

2.1不同施肥量下冬小麦细根根长密度和根干质量的时空分布2.1.1根长密度细根根长密度能直观地说明根系在土体中的分布状况。不同施氮量处理下，单作地与间作系统冬小麦各生育期0～80cm土层的细根根长密度见表2。由表2可知，随着施氮量的增加，单作地与间作系统冬小麦细根根长密度增加。单作地N210处理各生育期冬小麦平均根长密度分别比N0、N70和N140处理高33.53%、17.69%和8.03%。间作系统中距离杨树1.5m处N210处理各生育期冬小麦平均根长密度分别比N0、N70和N140处理高38.80%、21.35%和7.36%，而距离杨树0.5m处N210处理各生育期冬小麦平均根长密度分别比N0、N70和N140处理高45.07%、24.57%和12.46%。结果表明，施肥量的增加有利于促进根系的生长，增加细根的分布。农林间作系统内越靠近林带的冬小麦根系越少，根长密度越小。以拔节期为例，N210处理在0～80cm土层内，距树行0.5m处根长密度为5.42cm•cm－3，低于1.5m处的5.82cm•cm－3。对比分析单作地与间作系统冬小麦细根根长密度得出，0～80cm土层内，单作冬小麦细根根长密度均大于间作根长密度。以N210处理为例，间作系统距树行0.5和1.5m处冬小麦根长密度比单作地分别降低15.31%和11.56%，这意味着间作系统中杨树与冬小麦根系的生长与分布之间存在竞争。不同生育期冬小麦细根根长密度具有明显差异，单作地和间作系统冬小麦细根根长密度最大值均出现在灌浆期(表2)。2.1.2根干质量根干质量亦是根系研究的重要指标之一。不同施氮量处理下，单作地与间作系统中各生育期单位土体冬小麦的根干质量见表3。由表3可知，随着施氮量的增加，单作地与间作系统冬小麦根干质量增加。单作地N210处理各生育期冬小麦平均根干质量分别比N0、N70和N140处理高36.19%、17.49%和8.65%。间作系统中距离杨树1.5m处N210处理各生育期冬小麦平均根干质量分别比N0、N70和N140高39.57%、19.23%和10.47%，而距离杨树0.5m处N210处理各生育期冬小麦平均根干质量分别比N0、N70和N140处理高41.38%、21.55%和11.13%。间作系统内距离林带近的冬小麦根干质量减少。以成熟期为例，在0～80cm土层内，N210处理距树行距0.5m处根长密度为14.83×10－4g•cm－3，低于1.5m处的15.30×10－4g•cm－3。与单作地相比，不同生育期间作系统冬小麦根干质量减少。以N210处理为例，间作系统距树行0.5和1.5m处冬小麦根干质量比单作地分别降低9.66%和7.02%，但减少幅度小于根长密度。冬小麦细根根干质量在不同生育期具有明显的动态性，与根长密度相同，单作地和间作系统冬小麦细根干质量最大值出现在冬小麦灌浆期(表3)。

2.2不同施氮量下杨树细根的空间分布对4年生杨树细根的空间分布规律(表4)进行分析，发现越靠近林带，细根根长密度与根干质量越大。就N0处理而言，距树行距0.5m处平均根长密度和根干质量比距树行距1.5m处分别高39.29%和47.66%，这意味着杨树根系密集分布在树干周围，有利于吸收更多的土壤养分和水分。随着土壤深度的增加，杨树细根分布量呈总体下降趋势。0～20cm土壤中杨树细根根长密度与根干质量均约占总量的50%，是细根主要分布区域，且会与冬小麦根系产生土壤水分和养分的竞争。40cm以下土层杨树根干质量占总量的25.07%，显著高于冬小麦的分布(13.82%)。随着施氮量的增加，杨树细根根长密度与根干质量均增加。N210处理距树干0.5和1.5m处根长密度分别比N0处理增加16.75%和14.81%，N210处理距树干0.5和1.5m处根干质量分别比N0处理增加11.88%和18.77%。另外，随着施肥量的增加，＞40～80cm土壤层杨树细根根长密度与根干质量所占比例增加(表5)。由表5可知，N210处理距树干0.5和1.5m处＞40～80cm杨树细根根长密度所占比例比N0处理分别高21.15%和28.16%，N210处理距树干0.5和1.5m处＞40～80cm杨树细根根干质量分别比N0处理增加8.83%和10.27%。

2.3间作系统对淋溶水硝态氮和铵态氮含量的影响不同施氮量处理下杨麦间作系统与小麦单作地淋溶水中硝态氮与铵态氮含量见表6。由表6可知，杨麦间作系统不同施氮量处理淋溶水中硝态氮含量绝大部分情况下低于小麦单作地。在间作系统中，距树干不同距离处其淋溶水硝态氮含量也有差异，灌浆期差异最大，距树干0.5和1.5m处淋溶水硝态氮含量比单作小麦地分别减少55.49%和49.08%。间作系统中各施氮量处理淋溶水中铵态氮含量与冬小麦单作地的差异较小，说明间作系统主要减少淋溶水中硝态氮流失量，而对铵态氮影响较小。

3讨论

养分的空间有效性与植物根系在土体中的空间分布密切相关，根长密度与根干质量是评价植物吸收氮磷等养分效率的重要参数，其大小与近地表土层对硝态氮的吸收效率密切相关。笔者研究发现，间作系统中冬小麦细根根长密度与单位土体根干质量低于冬小麦单作，间作系统中土壤深层及靠近杨树树干的冬小麦根系量逐渐减少，这与马长明等和彭晓邦等［15］分别对核桃(Juglansre-gia)－黄芩(Scutellariabaicalensi)农林复合系统的研究结果表现出相似的规律，研究结果表明杨树的存在影响冬小麦根系的分布，尤其离树干50cm范围内胁地现象明显，抑制冬小麦细根的生长与分布。0～20cm土层杨树细根根长密度和根干质量均约占总量的50%，与冬小麦细根分布产生重叠，这意味着两者对近地表土壤养分的利用会产生竞争，与XU等和朱首军等［17］分别对核桃－大豆和花椒－小麦间作系统的研究结果相似。因此，通过优化农林间作各组分的时空配置来降低对养分的竞争，有利于促进和提高系统的养分循环效率。不同生育期冬小麦细根根长密度与根干质量最大值出现在灌浆期，随后减少，说明生长后期根系死亡和腐解速度增加，这与冯福学等［18］和李鸿斐等［19］对冬小麦的研究结果一致，表现出相同的动态变化规律。施肥可以改善土壤的养分状况，促进根系生长，为植物吸收水分和养分创造有利条件，从而提高植物产量［20］。笔者研究结果表明，随着施肥量的增加，冬小麦与杨树的细根根长密度和根干质量增加，有利于促进冬小麦产量的提高。另外，有研究表明，太湖地区农田硝态氮淋溶量随着施肥量的增加而增加。因此，杨树细根增加，尤其是＞40～80cm土壤层细根所占比例高于冬小麦，有利于增加对氮素的吸收，从而减少养分随近地表径流或地下径流的流失。

4结论

(1)单作地冬小麦根长密度与单位土体根干质量均大于间作系统，间作系统中越靠近林带的冬小麦根长密度和单位土体根干质量越小，杨树明显抑制冬小麦根系的生长与分布。(2)单作地和间作系统冬小麦细根根长密度和单位土体根干质量最大值均出现在灌浆期。(3)随着施氮量的增加，冬小麦和杨树细根根长密度和单位土体根干质量均有所增加，且在间作系统中＞40～80cm土层杨树细根根长密度与单位土体根干质量所占比例增加。(4)间作系统减少了硝态氮随淋溶的流失量，灌浆期减少幅度为49.08%～55.49%。

作者：吴永波 吴殿鸣 薛建辉 褚军 单位：南京林业大学南方现代林业协同创新中心 南京林业大学江苏省林业生态工程重点实验室