劉俊萍 ,左繼林 ,秦 健 ,閆 夢(mèng) ,程 離 ,王翰琨 ,王振麗 ,胡冬南
(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,江西省森林培育重點(diǎn)試驗(yàn)室,江西 南昌 330045;2.江西省林業(yè)科學(xué)院,江西 南昌 330032)
油茶Camellia oleifera是山茶科山茶屬的灌木或小喬木,是我國(guó)特有的木本食用油料樹(shù)種[1]。覆蓋技術(shù)作為一項(xiàng)大面積推廣的田間管理技術(shù),能夠有效地改善土壤水熱狀況,提高土壤的理化性質(zhì)[2-4]。田日昌等[5]認(rèn)為,稻草、茶殼吸水且保水,對(duì)油茶的保墑效果較好,王玉娟等[6]研究發(fā)現(xiàn)油茶林地覆稻草后土壤理化性狀均優(yōu)于對(duì)照,土壤水分含量、土壤壌養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及微生物數(shù)量顯著提高,沈必滿(mǎn)等[7]對(duì)油茶幼林進(jìn)行地膜覆蓋與不覆蓋對(duì)其生長(zhǎng)量情況進(jìn)行分析比較,發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋有利于油茶的高生長(zhǎng)和提高成活率。相關(guān)學(xué)者在覆蓋上的研究多集中在對(duì)土壤理化性質(zhì)以及作物產(chǎn)量的影響上,而對(duì)植物細(xì)根影響的研究較少,尤其是利用微根管動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)研究覆蓋對(duì)油茶細(xì)根的影響還處于空白狀態(tài)。
根系是地下生物的重要組成部分,在植物生長(zhǎng)過(guò)程中起到關(guān)鍵性作用,是植物與土壤環(huán)境接觸的重要界面,它能夠直接通過(guò)自身的調(diào)節(jié),增強(qiáng)植物的生存能力[8-10]。林木細(xì)根(直徑小于2 mm)作為地下部分的主要生產(chǎn)者,是吸收養(yǎng)分和水分的主要器官[11],植物根系形態(tài)具有很強(qiáng)的可塑性,易受土壤環(huán)境的影響,同時(shí)根系形態(tài)的變化也改變根系對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收,進(jìn)而影響植物地上部分的生長(zhǎng)。細(xì)根吸收土壤中的水分、養(yǎng)分來(lái)供應(yīng)油茶地上部分的生長(zhǎng),對(duì)林木的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量起著舉足輕重的作用。本研究選取了生產(chǎn)實(shí)踐中常用的4種覆蓋材料,通過(guò)比較不同的覆蓋處理對(duì)油茶細(xì)根生長(zhǎng)指標(biāo)的影響,揭示不同覆蓋處理下油茶細(xì)根生長(zhǎng)的季節(jié)動(dòng)態(tài)和空間分布動(dòng)態(tài)特征,并對(duì)比其規(guī)律異同,為深入研究、完善油茶高效栽培管理措施以及促進(jìn)油茶可持續(xù)增產(chǎn)提供一定理論依據(jù)。
試驗(yàn)地位于江西省宜春市袁州區(qū)西村鎮(zhèn),典型亞熱帶季風(fēng)氣候,是油茶的適生區(qū)和主產(chǎn)區(qū)。該地區(qū)年降水量1 595.8 mm,年平均溫度16.4 ℃,土壤為紅壤。試驗(yàn)地面積為720 m2,油茶林種植密度為2 m×3 m,大約有120株油茶。該試驗(yàn)地地勢(shì)平緩,土壤基本養(yǎng)分含量如下:有機(jī)質(zhì)12.65 g·kg-1,硝態(tài)氮 4.37 mg·kg-1,銨態(tài)氮 69.81 mg·kg-1,有效磷 7.02 mg·kg-1,速效鉀 93.73 mg·kg-1,土壤 pH 值4.76。該基地土壤脫硅富鋁化較嚴(yán)重而致土壤酸性較強(qiáng),由于基地長(zhǎng)期施肥的緣故該基地土壤有機(jī)質(zhì)較高。供試材料為2011年種植的高產(chǎn)無(wú)性系‘長(zhǎng)林4號(hào)’油茶林,平均株高、冠幅以及地徑分別為180 cm、147 cm、50 mm。
2015年6月對(duì)油茶林地進(jìn)行了樹(shù)盤(pán)覆蓋,單株油茶樹(shù)盤(pán)覆蓋面積為2 m×2 m。設(shè)置了對(duì)照、黑地膜、花生稈+稻草、生態(tài)膜以及油茶殼共5個(gè)處理。各處理養(yǎng)分管理一致,具體處理內(nèi)容見(jiàn)表1。2016年2月從每個(gè)處理中選取6株長(zhǎng)勢(shì)均一、無(wú)病蟲(chóng)害的油茶,參照 Johnson等[12]介紹的方法,與樹(shù)干距離約30 cm處,按同一方向與地面呈45°角埋設(shè)微根管并編號(hào),共埋設(shè)30根微根管。微根管(長(zhǎng)90 cm,外徑5.5 cm,內(nèi)徑5.0 cm)與地面呈45°角,露出地面約33 cm,垂直觀(guān)測(cè)距離約40 cm。安裝完微根管后將管口用蓋子密封好,避免雨水進(jìn)入管子里,造成對(duì) BTC 探頭的損壞,并對(duì)露出地面部分進(jìn)行噴漆處理。為減少管的安裝造成對(duì)根生長(zhǎng)的影響,使管與土壤達(dá)到良好的接觸,在微根管安裝近1 a后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[13-15]。
表1 試驗(yàn)處理Table1 Test treatment
采用BTC圖像采集系統(tǒng)(美國(guó)Bartz技術(shù)公司生產(chǎn))進(jìn)行圖像的采集,觀(guān)測(cè)窗面積為1.8 cm×1.4 cm,每次每個(gè)微根管可收集40張圖片,可觀(guān)測(cè)0 ~ 40 cm土層的油茶細(xì)根。從2016年2月到2017年12月,每月月底采集一次細(xì)根圖像,共取樣11次。用WinRHIZOTron圖像分析軟件對(duì)所采集的圖像進(jìn)行描根處理,根據(jù)圖像采集時(shí)間、微根管號(hào)、觀(guān)測(cè)框位置、細(xì)根編號(hào)等建立細(xì)根數(shù)據(jù)庫(kù)[16-17]。
本研究所采用的主要細(xì)根指標(biāo)為總根尖數(shù)、總表面積、平均直徑、根長(zhǎng)密度以及根表面積密度,以下均分別以TRT、TSA、ARD、RLD以及RSAD簡(jiǎn)稱(chēng)。本研究以根長(zhǎng)密度和根表面積密度作為基本參數(shù)[18-19],其計(jì)算公式如下[20]:
式(1)~(2)中,RL(mm)為觀(guān)測(cè)窗中觀(guān)測(cè)到的細(xì)根根長(zhǎng),RSA為觀(guān)測(cè)窗中觀(guān)測(cè)到的細(xì)根表面積,A(cm2)為觀(guān)測(cè)窗面積。由于本研究側(cè)重于對(duì)油茶細(xì)根現(xiàn)存量的分析,所以本研究中所有細(xì)根指標(biāo)均以觀(guān)測(cè)到的活根為依據(jù)。DOF(cm)為田間深度,本研究中的DOF取0.2 cm[20]。
用Microsoft Excel 2013對(duì)描根后的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,采用IBM Statistcis SPSS 20.0軟件對(duì)重要的細(xì)根生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以其中的Dunca法進(jìn)行多重比較。用單因素方差分析對(duì)不同覆蓋處理下不同土層的油茶細(xì)根生長(zhǎng)指標(biāo)是否具有顯著差異進(jìn)行檢驗(yàn),并對(duì)其進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析,從而比較不同覆蓋處理下油茶細(xì)根的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)以及空間分布差異。并用Origin 8.1制圖軟件對(duì)相關(guān)重要指標(biāo)進(jìn)行圖表繪制。
圖1和圖2所示分別為2017年2—12月不同覆蓋處理下油茶細(xì)根根長(zhǎng)密度(RLD)和根表面積密度(RSAD)的年生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。T1~T11表示從第1次到第11次的觀(guān)測(cè)日期。由圖1可知,各處理的RLD與RSAD在觀(guān)測(cè)期內(nèi)整體呈雙峰曲線(xiàn),3月與6—7月為其峰值時(shí)期。黑地膜處理的RLD與RSAD在2月顯著大于對(duì)照處理,在3月出現(xiàn)峰值和最大值。5—12月,黑地膜處理的RLD與RSAD上升后緩慢下降?;ㄉ?稻草處理的RLD與RSAD從5月開(kāi)始急劇上升,于7月出現(xiàn)峰值,后緩慢下降。在2017年后半年,花生稈+稻草處理的RLD與RSAD遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它處理,其差異性達(dá)到顯著水平(P<0.05)。
圖1 根長(zhǎng)密度的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of root length density
圖2 根表面積密度的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of root surface area density
將0~40 cm土層的油茶細(xì)根分成了0~10、10~ 20、20~ 30、30~ 40 cm 共 4個(gè) 土層,圖3~圖5分別為不同覆蓋處理下,油茶細(xì)根總根尖數(shù)(TRT)、總根長(zhǎng)(TRL)以及總表面積(TSA)在不同土層的分布規(guī)律。如圖3可知,對(duì)照處理下的TRT有58.24%分布在30~40 cm土層,15.93%分布在20~30 cm土層,20.00%分布在10~20 cm土層,僅5.83%分布在0~10 cm土層。與對(duì)照處理相比,黑地膜處理減少了0~10 cm與30~40 cm土層的TRT比例,在20~30 cm的比例增大到了32.73%?;ㄉ?稻草處理增大了10~20 cm與20~30 cm土層的TRT比例,而在30~40 cm土層的比例降至32.77%。生態(tài)膜處理降低了30~40 cm土層的TRT比例,而其它3個(gè)土層的比例均有所增大。油茶殼處理增大了20~30 cm土層的TRT比例,而其它3個(gè)土層的比例均較對(duì)照有所減小。
圖3 總根尖數(shù)的空間分布規(guī)律Fig.3 Spatial distribution pattern of total root tips
如圖4可知,對(duì)照處理下的TRL有61.22%分布在30~40 cm土層,14.80%分布在20~30 cm土層,18.50%分布在10~20 cm土層,僅5.47%分布在0~10 cm土層。黑地膜處理在20~30 cm的TRL比例達(dá)到了36.47%,其TRL在20~30 cm與30~40 cm這2個(gè)土層分布較均勻,在0~10 cm土層分布最少。花生稈+稻草處理在30~40 cm土層的TRL比例降至32.82%,這使得除0~10 cm土層外,其它3個(gè)土層的TRL分布較均勻。與對(duì)照處理相比,生態(tài)膜處理是唯一一個(gè)增大了TRL在0~10 cm土層比例的處理,該處理除了在30~40 cm土層的TRL比例降低了,在其它土層的比例較對(duì)照均有所提高。油茶殼處理的TRL在0~10 cm土層僅占2.65%,與對(duì)照處理相比,該處理減小了除20~30 cm土層的其它3個(gè)土層的TRL比例。
圖4 總根長(zhǎng)的空間分布規(guī)律Fig.4 Spatial distribution pattern of total root length
圖5所示為各處理下TSA的空間分布規(guī)律。如圖5可知,對(duì)照處理下的TSA在0~10 cm土層、10~20 cm土層、20~30 cm土層以及30~40 cm土層所占的比例分別為:5.66%、17.29%、12.21%以及64.84%。黑地膜處理的TSA在0~10 cm土層僅占1.86%,在30~40 cm土層的比例與對(duì)照相比亦有所下降,但在20~30 cm土層所占比例增大到了37.82%。花生稈+稻草處理和生態(tài)膜處理的TSA在除0~10 cm土層外的其它3個(gè)土層內(nèi)所占比例較均勻,與對(duì)照處理比之,它們?cè)?0~40 cm土層均明顯降低,分別為35.14%和40.25%;而這2個(gè)處理的TSA在20~30 cm所占的比例較對(duì)照處理均明顯提高,分別為34.87%和27.36%。油茶殼處理的TSA在20~30 cm達(dá)到了32.65%,遠(yuǎn)大于對(duì)照,但其它3個(gè)土層的TSA比例均較對(duì)照有所下降。
圖5 總表面積的空間分布規(guī)律Fig.5 Spatial distribution pattern of total root surface area
從圖6可知,在0~10 cm土層中,花生稈+稻草處理的TRT顯著大于其它4個(gè)處理,生態(tài)膜處理的TRT顯著大于油茶殼處理。在10~20 cm土層中,花生稈+稻草處理的TRT顯著大于其它4個(gè)處理,但其它處理間差異不顯著。在20~30 cm土層與30~40 cm土層中,花生稈+稻草處理的TRT依然顯著大于其它4個(gè)處理,但在20~30 cm土層,黑地膜處理的TRT顯著大于對(duì)照,其它處理間無(wú)顯著差異;而在30~40 cm土層中,黑地膜處理與對(duì)照差異不顯著,卻顯著大于生態(tài)膜處理。
圖6 不同土層總根尖數(shù)的差異Fig.6 Differences in total number of root tips in different soil layers
對(duì)照處理在30~40 cm土層中的TRT顯著大于其它3個(gè)土層,在10~20 cm土層與20~30 cm土層的TRT顯著大于0~10 cm土層。黑地膜處理在20~30 cm土層與30~40 cm土層中的TRT顯著大于0~10 cm土層與10~20 cm土層,且在10~20 cm土層中的TRT顯著大于0~10 cm土層?;ㄉ?稻草處理分布在0~10 cm土層的TRT顯著小于其它3個(gè)土層,其它土層間差異不顯著。生態(tài)膜處理的TRT雖表現(xiàn)為30~40 cm土層 > 20~30 cm土層和10~20 cm土層 > 0~10 cm土層,但除0~10 cm土層的TRT顯著小于其它土層,其余各土層間差異不顯著。油茶殼處理分布在30~40 cm土層中的TRT顯著大于其它3個(gè)土層,分布在20~30 cm土層的TRT顯著大于0~10 cm土層與10~20 cm土層。
從圖7可知,在0~10 cm土層中,花生稈+稻草處理的RLD顯著大于其它4種處理,生態(tài)膜處理的RLD顯著大于油茶殼處理。在10~20 cm土層中,花生稈+稻草處理的RLD顯著大于其它4種處理,其它處理間無(wú)顯著差異。在20~30 cm土層中,對(duì)照處理、生態(tài)膜處理以及油茶殼處理的RLD均顯著小于黑地膜處理,且黑地膜處理顯著小于花生稈+稻草處理。在30~40 cm土層中,花生稈+稻草處理對(duì)增大RLD的作用依然是最為顯著的,其它處理間差異不顯著。
圖7 不同土層根長(zhǎng)密度的差異Fig.7 Differences in root length density between different soil layers
對(duì)照處理在30~40 cm土層中的RLD顯著大于其它3個(gè)土層,且在0~10 cm土層的RLD顯著小于10~20 cm土層和20~30 cm土層。黑地膜處理在20~30 cm土層與30~40 cm土層的RLD顯著大于0~10 cm土層與10~20 cm土層,且該處理在0~10 cm土層的RLD顯著小于10~20 cm土層?;ㄉ?稻草處理與生態(tài)膜處理的RLD在除0~10 cm土層外的其它3個(gè)土層分布較平均,且在0~10 cm土層的RLD顯著小于其它3個(gè)土層。油茶殼處理在的RLD在各土層中表現(xiàn)為:0~10 cm土層與10~20 cm土層 < 20~30 cm土層 < 30~40 cm土層,且差異顯著。
從圖8可知,在0~10 cm土層中,花生稈+稻草處理的RSAD顯著大于其它4種處理,且油茶殼處理的RSAD顯著小于生態(tài)膜處理。在10~20 cm土層中,黑地膜處理的RSAD顯著大于油茶殼處理,花生稈+稻草處理的RSAD最大,且其它處理比之差異顯著。在20~30 cm土層與30~40 cm土層中,花生稈+稻草處理的RSAD依然顯著大于其它處理,并且黑地膜處理的RSAD顯著大于生態(tài)膜處理以及油茶殼處理。
圖8 不同土層根表面積密度的差異Fig.8 Differences in root surface area density of different soil layers
對(duì)照處理在0~10 cm土層中的RSAD顯著小于其它3個(gè)土層,但其它3個(gè)土層的RSAD差異不顯著。黑地膜處理與花生稈+稻草處理的RSAD在各土層中表現(xiàn)為0~10 cm土層 < 10~20 cm土層 < 20~30 cm土層與30~40 cm土層,且差異顯著。生態(tài)膜處理在0~10 cm土層的RSAD顯著小于其它3個(gè)土層,且在10~20 cm土層與 20~30 cm土層的RSAD顯著小于30~40 cm土層。油茶殼處理在0~10 cm土層與10~20 cm土層的RSAD顯著小于其它2個(gè)土層,其中在30~40 cm土層的RSAD最大。
從圖9可知,在0~10 cm土層中,對(duì)照處理的ARD顯著大于其它處理,其它處理間無(wú)顯著差異。在10~20 cm土層中,黑地膜處理的ARD顯著大于花生稈+稻草處理和油茶殼處理。在20~30 cm土層中,黑地膜處理、生態(tài)膜處理以及油茶殼處理的ARD均顯著大于對(duì)照處理和花生稈+稻草處理。在30~40 cm土層中,花生稈+稻草處理的ARD顯著小于其它處理。
圖9 不同土層平均直徑的差異Fig.9 Difference in average diameter of different soil layers
對(duì)照處理下,0~10 cm土層的ARD顯著大于10~20 cm土層與20~30 cm土層。黑地膜處理和生態(tài)膜處理下,0~10 cm土層的ARD顯著小于其它3個(gè)土層,但其它土層間差異不顯著?;ㄉ?稻草處理與油茶殼處理下,0~10 cm土層的ARD顯著小于10~20 cm土層與20~30 cm土層。
油茶細(xì)根的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)隨季節(jié)變化,不同的覆蓋處理下油茶細(xì)根現(xiàn)存量的變化基本一致,各處理的油茶細(xì)根根長(zhǎng)密度和根表面積密度在觀(guān)測(cè)期內(nèi)整體呈雙峰曲線(xiàn)變化,3月與6—7月為其峰值時(shí)期。但在不同的觀(guān)測(cè)時(shí)期,不同覆蓋處理對(duì)油茶細(xì)根根長(zhǎng)密度和根表面積密度影響有所差異,這是因?yàn)楦采w材料的理化性質(zhì)不一對(duì)細(xì)根的生長(zhǎng)環(huán)境影響不同。地表覆蓋直接改變了土壤的理化性質(zhì)[21-23],從而影響了油茶細(xì)根的生長(zhǎng)發(fā)育。本研究發(fā)現(xiàn)在3月之后,花生稈+稻草處理的油茶細(xì)根根長(zhǎng)密度和根表面積密度都顯著高于其它處理,這與習(xí)金根等[24]認(rèn)為花生秸稈有利于菠蘿根系生長(zhǎng)的研究結(jié)果相似。2017年后半年,花生稈+稻草處理的油茶細(xì)根根長(zhǎng)密度和根表面積密度遠(yuǎn)大于其它處理,一方面是因?yàn)樵撎幚韺?duì)調(diào)節(jié)土壤溫度的效果優(yōu)于其它處理,另一方面是因?yàn)榛ㄉ捄偷静輰儆陴B(yǎng)分添加型覆蓋材料,有利于土壤養(yǎng)分的積累[25-28]。黑地膜處理下的油茶細(xì)根根長(zhǎng)密度和根表面積密度在3月出現(xiàn)峰值和最大值,這可能是因?yàn)楹诘啬み@種材料透光率低,能夠降低土溫的日變化幅度[29-31],從而有助于促進(jìn)油茶抽梢期細(xì)根的正常生長(zhǎng),并且增大其現(xiàn)存量。
油茶為軸狀根型深根性樹(shù)種,其根系幾乎集中在0~40 cm深的土層中[32]。細(xì)根的空間結(jié)構(gòu)是反映地下部分協(xié)調(diào)生長(zhǎng)的重要指標(biāo),植物在不同的土層深度呈現(xiàn)不同的根系形態(tài)和數(shù)量。多數(shù)研究表明,植物的根長(zhǎng)密度、根表面積以及生物量等根系參數(shù)一般都隨著土層深度的增加而下降[33-35];而本研究發(fā)現(xiàn),不管是哪種覆蓋處理,油茶細(xì)根在土壤最表層(0~10 cm)分布最少,在深土層(30~40 cm)分布最多,這與油茶自身根系的生物學(xué)特性相關(guān)。本研究亦發(fā)現(xiàn)不同的覆蓋處理對(duì)不同土層的油茶細(xì)根現(xiàn)存量影響有異;與對(duì)照相比,花生稈+稻草處理增加了總根尖數(shù)、總根長(zhǎng)以及根總表面積在10~20 cm土層和20~30 cm土層的比例,這可能是因?yàn)樵撎幚盹@著增加了這兩個(gè)土層的土壤養(yǎng)分含量。黑地膜作為一種調(diào)節(jié)土溫的覆蓋材料[32,36],此作用尤其體現(xiàn)在20~30 cm土層,因此黑地膜覆蓋之后油茶細(xì)根現(xiàn)存量在20~30 cm土層的比例大大增加。4種覆蓋處理均使得油茶細(xì)根現(xiàn)存量在30~40 cm土層的分布比例較對(duì)照有所下降,而在20~30 cm土層的比例均有所增加,這說(shuō)明覆蓋這種保墑措施對(duì)改善20~30 cm土層的土壤水分、養(yǎng)分以及溫度等影響細(xì)根生長(zhǎng)的環(huán)境因子的作用較為顯著。
王新新等[37-38]在覆蓋對(duì)油茶樹(shù)體養(yǎng)分影響的研究中表明,花生稈+稻草覆蓋、黑地膜覆蓋這兩個(gè)處理有助于油茶樹(shù)體養(yǎng)分的積累,本研究亦發(fā)現(xiàn)不管是在哪個(gè)土層,花生稈+稻草處理對(duì)增大油茶細(xì)根現(xiàn)存量的作用均最為顯著。生態(tài)膜處理對(duì)0~10 cm土層的細(xì)根現(xiàn)存量促進(jìn)作用相對(duì)其它土層較大,而黑地膜處理對(duì)10~40 cm土層的細(xì)根現(xiàn)存量有較大的促進(jìn)作用。0~10 cm土層中的油茶細(xì)根直徑經(jīng)4種覆蓋處理下都較對(duì)照處理有所減小,這可能是因?yàn)樵撎幚碓黾恿嗽撏翆有≈睆郊?xì)根數(shù)量,而致平均直徑有所下降。由于花生稈+稻草處理大量增加了各土層徑級(jí)較小的細(xì)根數(shù)量,使得其在10~40 cm土層的細(xì)根平均直徑都顯著低于其它處理。
綜上所述,3月和6—7月是油茶細(xì)根生長(zhǎng)旺期,花生稈+稻草處理對(duì)油茶細(xì)根現(xiàn)存量的促進(jìn)作用在油茶的整個(gè)生育期整體表現(xiàn)最佳,黑地膜次之。4種覆蓋處理均使得油茶細(xì)根現(xiàn)存量在30~40 cm土層的分布比例較對(duì)照有所下降,而在20~30 cm土層的比例均有所增加。4 種覆蓋措施在促進(jìn)油茶林地不同季節(jié)不同土層的細(xì)根現(xiàn)存量各具優(yōu)點(diǎn),以花生稈+稻草處理和黑地膜處理表現(xiàn)較為突出,可將花生稈、稻草等有機(jī)覆蓋材料結(jié)合黑地膜應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。本研究揭示了不同覆蓋處理下油茶細(xì)根的時(shí)空分布動(dòng)態(tài),但影響細(xì)根生長(zhǎng)和垂直分布的環(huán)境因素還需進(jìn)一步深入研究。