施用沼液對(duì)楊樹人工林細(xì)根形態(tài)特征的影響

王潤(rùn)松，徐涵湄，曹國(guó)華，沈彩芹，阮宏華*

(1.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2.江蘇省東臺(tái)市林場(chǎng)，江蘇 東臺(tái) 224200)

近年來,隨著規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，畜禽糞便帶來的環(huán)境問題也日益突出[1]。由于沼氣等厭氧發(fā)酵工程能夠?qū)π笄菁S便等農(nóng)林廢棄物進(jìn)行無(wú)害化、資源化利用，因此得到了快速的發(fā)展[2]，但如何妥善處置沼液等發(fā)酵殘留物成為限制厭氧發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的瓶頸性問題[3]。農(nóng)田回用是沼液利用普遍采用的方式[4]。一方面，沼液含有豐富的N、P、K等植物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)元素[5]和大量腐殖酸等有機(jī)活性物質(zhì)[6]，能顯著提高土壤肥力[7-8]，促進(jìn)植物生長(zhǎng)[8-10]，提高果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)[10]，且效果優(yōu)于單施無(wú)機(jī)肥[9]；另一方面，施用沼液能減少化肥使用量，降低生產(chǎn)成本[2]，具有經(jīng)濟(jì)和生態(tài)雙重效益。但是受到農(nóng)戶意愿和農(nóng)田面積的限制，沼液回田利用具有一定的局限性[4]。近年來，沼液在林業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究逐漸引起關(guān)注[11-12]。這不僅為沼液無(wú)害化、資源化處理提供了新思路，也有助于提高人工林生產(chǎn)力和土壤肥力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

細(xì)根是林木吸收水分和養(yǎng)分的重要器官[13]。直徑、根長(zhǎng)、比根長(zhǎng)是研究細(xì)根形態(tài)、判斷細(xì)根功能的最常用參數(shù)[14]。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)根呼吸和直徑呈較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，細(xì)根越細(xì)代謝越活躍[15]。細(xì)根根長(zhǎng)對(duì)于細(xì)根有效獲取養(yǎng)分和水分具有直接影響[16]。比根長(zhǎng)指細(xì)根單位質(zhì)量的根長(zhǎng),一般認(rèn)為，比根長(zhǎng)較大的根系，其養(yǎng)分與水分吸收效率相對(duì)較高[17]。施肥是常見的營(yíng)林措施，將直接影響細(xì)根對(duì)土壤資源的吸收策略[9-10]。植物通過其根系形態(tài)可塑性獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[18]，以更有效地獲取養(yǎng)分。目前，關(guān)于對(duì)林木細(xì)根的施肥研究主要側(cè)重施用化肥[15-17]，而對(duì)施用有機(jī)肥的研究鮮有報(bào)道。

楊樹是世界中緯度平原地區(qū)栽培面積最大的速生用材樹種之一[19]。中國(guó)楊樹人工林面積達(dá)840多萬(wàn)hm2，居世界第一[20]。蘇北是全國(guó)最大的楊樹人工林種植集中區(qū)[21]。因此，本研究選取蘇北典型楊樹人工林作為試驗(yàn)樣地，開展施加沼液肥效試驗(yàn)，旨在揭示不同沼液施用量處理對(duì)細(xì)根平均直徑、平均長(zhǎng)度和比根長(zhǎng)的影響，以期為優(yōu)化楊樹施肥技術(shù)、促進(jìn)楊樹人工林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省鹽城市境內(nèi)的東臺(tái)國(guó)有林場(chǎng)(120°49′E, 32°52′N)。該研究區(qū)地貌屬泥沙淤積平原地貌，氣候?qū)賮啛釒Ш团瘻貛У倪^渡區(qū)，年均氣溫14.6 ℃，年均降雨量1 050 mm，無(wú)霜期225 d。研究區(qū)土壤類型為脫鹽草甸土，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土。

1.2 樣地設(shè)置及施肥試驗(yàn)

試驗(yàn)樣地設(shè)立于2012年9月，根據(jù)經(jīng)營(yíng)條件和立地條件基本一致的原則，在東臺(tái)國(guó)有林場(chǎng)選擇10年生楊樹(Populusdeltoidescv.35)人工林進(jìn)行樣地布置。樣地約126 000 m2，株行距5 m×6 m。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)置樣方，每個(gè)樣方大小10 m×12 m，有9棵樹。樣方之間設(shè)立10 m寬的緩沖帶，重復(fù)之間設(shè)立30 m左右空間間隔。林下植被主要有胡枝子(Lespedezabicolor)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、枸杞(Lyciumchinense)等灌木和車前子(Plantagoasiatica)等草本植物。

1.3 樣品采集及指標(biāo)測(cè)定

2018年10月(生長(zhǎng)季末期)，采用連續(xù)土鉆法，在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)取樣點(diǎn)，去除凋落物層，使用內(nèi)徑為5 cm 的根鉆由上至下分3層(分別為0～20 cm、≥20～40 cm、≥40～60 cm)鉆取土芯樣品，同一樣方內(nèi)3個(gè)樣點(diǎn)采集的土樣混合均勻后裝入塑料袋內(nèi)做好標(biāo)簽帶回實(shí)驗(yàn)室。

細(xì)根分級(jí)：實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將取回的土芯樣放在土壤套篩上，用自來水浸泡、漂洗、過篩，根據(jù)外形、顏色、彈性、根皮與中柱分離的難易程度分揀出楊樹活細(xì)根。對(duì)結(jié)構(gòu)完整的根系，將根系最末端的沒有分支的根劃分為1級(jí)根，1級(jí)根著生的根段為2級(jí)根，依次類推至5級(jí)根，而結(jié)構(gòu)不完整根系的細(xì)根根序等級(jí)依據(jù)完整根系的1～5級(jí)根的長(zhǎng)度和直徑的范圍來劃分[23]。將每一根段用鑷子分離出1～5級(jí)根。

指標(biāo)測(cè)定：使用Epson數(shù)字化掃描儀對(duì)分級(jí)后各級(jí)細(xì)根進(jìn)行掃描，保存掃描圖片。再按照細(xì)根分級(jí)標(biāo)記順序，用濾紙包好，在65 ℃下烘干48 h至質(zhì)量恒定，然后用電子天平(±0.000 1 g)稱質(zhì)量。將分好的根樣于80 ℃ 烘箱中烘48 h至質(zhì)量恒定后用電子天平(±0.000 1 g)稱量。最后，采用根系分析軟件WinRHIZO(Pro 2005c,Regent instruments Inc,Canada)分析掃描圖片，結(jié)合生物量數(shù)據(jù)，得出細(xì)根平均直徑、平均根長(zhǎng)、比根長(zhǎng)(比根長(zhǎng)=根總長(zhǎng)度/生物量)指標(biāo)數(shù)據(jù)。細(xì)根生物量=m×104/[π×(d/2)2]。式中：m為細(xì)根質(zhì)量，g；d為土鉆內(nèi)徑，cm[24]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 19.0和Origin 8.5統(tǒng)計(jì)分析程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表處理。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)法對(duì)不同處理下不同徑級(jí)的差異性做方差分析，同時(shí)采用最小顯著差法(LSD)進(jìn)行多重比較(顯著性水平設(shè)為0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液施用量對(duì)不同土層細(xì)根平均直徑的影響

不同沼液施用量處理下各級(jí)細(xì)根平均直徑均隨著根序增加呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),且差異顯著(P<0.05)(圖1)。

不同小寫字母代表處理間差異顯著，不同大寫字母代表同一土層不同根序間差異顯著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters represented significant differences among treatments, and different uppercase letters represented significant differences among different root orders in the same soil layer. The same below.圖1 沼液施用量對(duì)不同土層不同根序細(xì)根平均直徑的影響Fig.1 Effects of different amount of biogas slurry on average diameter of fine roots in different soil layers

由圖1可見，各土層1～5級(jí)細(xì)根平均直徑均隨沼液量的增加呈下降趨勢(shì)。對(duì)于0～20 cm土層，與對(duì)照(CK)相比125 m3/hm2低量沼液處理(L)下1～5級(jí)細(xì)根平均直徑降幅分別為17.7%、18.8%、6.2%、2.7%、4.6%；250 m3/hm2中量沼液處理(M)下1～5級(jí)細(xì)根平均直徑降幅分別為24.2%、22.3%、2.5%、4.3%、4.6%；375 m3/hm2高量沼液處理(H)下1～5級(jí)細(xì)根平均直徑降幅分別為25.8%、20.0%、5.6%、4.7%、5.6%。方差分析表明，與CK相比，低、中和高量沼液處理均顯著降低了0～20 cm土層的1、2級(jí)根平均直徑(P<0.05)。

對(duì)于≥20～40 cm土層，與對(duì)照(CK)相比低量沼液處理(L)下1～5級(jí)細(xì)根平均直徑降幅分別為8.0%、10.0%、5.0%、2.2%、3.8%；中量沼液處理(M)下1～5級(jí)細(xì)根平均直徑降幅分別為9.3%、7.0%、2.0%、5.6%、2.5%；高量沼液處理(L)下1～5級(jí)細(xì)根平均直徑降幅分別為12.0%、4.0%、1.0%、4.4%、4.5%。方差分析表明，與CK相比，低、中和高量沼液處理對(duì)1～5級(jí)細(xì)根平均直徑均無(wú)顯著影響(P>0.05)。

對(duì)于≥40～60 cm土層，與對(duì)照相比，低量沼液處理(L)下1～5級(jí)細(xì)根平均直徑降幅分別為5.3%、1.9%、4.4%、8.0%、3.6%；中量沼液處理(M)下1～5級(jí)細(xì)根平均直徑降幅分別為9.2%、3.8%、3.0%、2.3%、1.4%；高量沼液處理(H)下1～5級(jí)細(xì)根平均直徑降幅分別為3.9%、8.6%、6.0%、8.0%、7.1%。方差分析表明，與CK相比，低、中和高量沼液處理對(duì)1～5級(jí)細(xì)根平均直徑均無(wú)顯著影響(P>0.05)。

2.2 沼液施用量對(duì)不同土層細(xì)根平均長(zhǎng)度的影響

不同沼液施用量處理下各土層細(xì)根平均長(zhǎng)度隨著根序增加均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)且差異顯著(P<0.05)(圖2)。

圖2 沼液施用量對(duì)不同土層不同根序細(xì)根平均長(zhǎng)度的影響Fig.2 Effects of different amount of biogas slurry on average length of fine roots in different soil layers

隨著沼液量的增加，各級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度均隨沼液量的增加呈下降趨勢(shì)。對(duì)于0～20 cm土層，低量沼液處理(L)下1～5級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度與對(duì)照相比降幅分別為8.5%、13.4%、8.1%、3.8%、2.4%；中量沼液處理(M)下1～5級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度降幅分別為12.3%、21.2%、12.1%、5.5%、5.0%；高量沼液處理(H)下1～5級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度降幅分別為11.5%、20.3%、13.1%、6.5%、5.0%。方差分析表明，與CK相比，低量沼液處理顯著降低了1、2級(jí)根平均長(zhǎng)度(P<0.05)，中、高量沼液處理顯著降低了0～20 cm土層的1～3級(jí)根平均長(zhǎng)度(P<0.05)。

對(duì)于≥20～40 cm土層，與CK相比，低量沼液處理下1～5級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度降幅分別為6.5%、11.0%、6.3%、4.7%、6.8%；中量沼液處理下1～5級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度降幅分別為8.8%、17.6%、11.2%、8.6%、9.4%；高量沼液處理下1～5級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度降幅為8.8%、17.0%、11.6%、8.5%、8.9%。方差分析表明，與CK相比， 低量沼液處理顯著降低了1級(jí)根平均長(zhǎng)度(P<0.05)，中量沼液處理顯著降低了1、4和5級(jí)根平均長(zhǎng)度(P<0.05)，高量沼液處理顯著降低了1、3、4和5級(jí)根平均長(zhǎng)度(P<0.05)。

對(duì)于≥40～60 cm土層，與CK相比，低量沼液處理下1～5級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度降幅分別為8.0%、2.0%、7.8%、6.1%、5.9%；中量沼液處理下1～5級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度降幅分別為11.1%、24.0%、13.7%、10.8%、7.4%；高量沼液處理下1～5級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度降幅分別為8.9%、22.6%、11.2%、8.0%、6.2%。方差分析表明，與CK相比，低量沼液處理對(duì)1～5級(jí)細(xì)根平均直徑均無(wú)顯著影響(P>0.05)，中量沼液處理顯著降低了1、2和4級(jí)根平均長(zhǎng)度(P<0.05)，高量沼液處理顯著降低了2～4級(jí)根平均長(zhǎng)度(P<0.05)。

2.3 沼液施用量對(duì)不同土層細(xì)根比根長(zhǎng)的影響

不同沼液施用量處理下各土層細(xì)根比根長(zhǎng)隨著根序增加均呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)且差異顯著(P<0.05)(圖3)。

圖3 沼液施用量對(duì)不同土層不同根序細(xì)根比根長(zhǎng)的影響Fig.3 Effects of different amount of biogas slurry on specific root length of fine roots in different soil layers

隨著沼液量的增加，各級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)均隨沼液量的增加呈增加趨勢(shì)。對(duì)于0～20 cm土層，與對(duì)照相比，低量沼液處理下1～5級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)增幅分別為18.2%、12.9%、21.2%、8.0%、4.8%；中量沼液處理下1～5級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)增幅分別為2.8%、18.3%、30.3%、20.0%、14.3%；高量沼液處理下1～5級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)增幅分別為37.1%、33.6%、24.2%、28.0%、19.0%。方差分析表明，與CK相比，低量沼液處理顯著提高了2級(jí)根比根長(zhǎng)(P<0.05)，中量沼液處理顯著提高了1～3級(jí)根比根長(zhǎng)(P<0.05)，高量沼液處理顯著提高了1、2、4和5級(jí)根比根長(zhǎng)(P<0.05)。

對(duì)于≥20～40 cm土層，與對(duì)照相比，低量沼液處理下1～5級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)增幅分別為8.0%、14.6%、7.7%、4.5%、10.0%；中量沼液處理下1～5級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)增幅分別為12.7%、17.1%、19.2%、13.6%、14.7%；高量沼液處理下1～5級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)增幅分別為9.4%、19.5%、19.2%、18.2%、17.6%。方差分析表明，與CK相比，低量沼液處理對(duì)1～5級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)均無(wú)顯著影響(P>0.05)，中量沼液處理顯著提高了1級(jí)根比根長(zhǎng)(P<0.05)，高量沼液處理顯著提高了2～5級(jí)根比根長(zhǎng)(P<0.05)。

對(duì)于≥40～60 cm土層，與對(duì)照相比，低量沼液處理下1～5級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)增幅分別為22.1%、3.2%、1.5%、13.3%、7.1%；中量沼液處理下1～5級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)增幅分別為32.9%、22.9%、5.0%、20.0%、14.3%；高量沼液處理下1～5級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)增幅分別為45.7%、33.8%、20.0%、26.7%、21.4%。方差分析表明，與CK相比，低量沼液處理對(duì)1～5級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)均無(wú)顯著影響(P>0.05)，中量沼液處理顯著提高了2級(jí)根比根長(zhǎng)(P<0.05)，高量沼液處理顯著提高了1、2、4和5級(jí)根比根長(zhǎng)(P<0.05)。

3 討 論

施肥能直接影響土壤資源有效性，而土壤養(yǎng)分直接影響細(xì)根生長(zhǎng)和碳水化合物分配，從而影響樹木細(xì)根生產(chǎn)和周轉(zhuǎn)[25-26]。沼液作為一種液態(tài)肥，不僅能增加土壤養(yǎng)分，且能夠短期內(nèi)提高土壤含水量[27]。但在本試驗(yàn)中，沼液施用量較小，以最高施用量375 m3/hm2計(jì)，一次施用的水量?jī)H為37.5 mm，而且水分一般通過蒸發(fā)、淋溶等途徑損失大部分[27]。因此，在本試驗(yàn)中，養(yǎng)分是影響細(xì)根形態(tài)特征的最主要因素。

以往的研究中，增加土壤養(yǎng)分含量對(duì)不同土層不同根序細(xì)根形態(tài)特征影響不同。楊麗君[28]研究表明，施肥顯著降低0～20 cm土層1、2級(jí)根平均直徑(P<0.05)，顯著提高0～20 cm和≥20～40 cm土層1級(jí)根比根長(zhǎng)(P<0.05)，而對(duì)平均根長(zhǎng)無(wú)顯著影響(P>0.05)。于立忠等[17]研究表明，施氮肥顯著降低了1、2級(jí)根的平均直徑(P<0.05)，施氮肥以及氮磷肥顯著降低了表層土壤1級(jí)根的平均根長(zhǎng)和比根長(zhǎng)(P<0.05)。黃復(fù)興[15]研究表明，施氮肥顯著增加了香樟幼苗1級(jí)根的平均直徑、平均根長(zhǎng)和比根長(zhǎng)(P<0.05)。林木特性和立地條件不同可能是造成研究結(jié)果存在較大差異的主要原因。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著根序增加，細(xì)根平均直徑和長(zhǎng)度增大，而比根長(zhǎng)減小。這與多數(shù)研究結(jié)果[15-16，18]相同，表明細(xì)根形態(tài)特征與根序之間存在普遍的規(guī)律性。隨著沼液施用量的增加，楊樹人工林各級(jí)細(xì)根平均直徑和長(zhǎng)度呈下降趨勢(shì)，而比根長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)。但不同土層不同根序細(xì)根形態(tài)指標(biāo)對(duì)沼液的響應(yīng)不同：低量沼液顯著降低了0～20 cm土層1、2級(jí)細(xì)根平均直徑和長(zhǎng)度，顯著增加了2級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)；顯著降低了≥20～40 cm土層1級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度。中量沼液顯著降低了0～20 cm土層1～3級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度，顯著增加了1～3級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)；顯著降低了≥20～40 cm土層1、4和5級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度，顯著增加了1級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)；顯著降低了≥40～60 cm土層1、2和4級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度，顯著增加了2級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)。高量沼液顯著降低了0～20 cm土層1～3級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度，顯著增加了1、2、4和5級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)；顯著降低了≥20～40 cm土層1、3、4和5級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度，顯著增加了2～5級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)；顯著降低了≥40～60 cm土層2～4級(jí)細(xì)根平均長(zhǎng)度,顯著增加了1、2、4和5級(jí)細(xì)根比根長(zhǎng)。這可能由于有效養(yǎng)分增加導(dǎo)致細(xì)根獲取養(yǎng)分資源的策略發(fā)生改變：當(dāng)有效養(yǎng)分增多時(shí)，細(xì)根可能更趨向于變細(xì)、變短，以增強(qiáng)代謝能力，而比根長(zhǎng)趨向于變大，以增加養(yǎng)分與水分吸收效率[16-18]。

總的來說，施用沼液對(duì)楊樹人工林細(xì)根形態(tài)特征的垂直特征和徑級(jí)分配影響明顯，這是植物對(duì)環(huán)境變化的一種適應(yīng)策略[31]。而沼液通過影響土壤環(huán)境其他要素(如土壤動(dòng)物、微生物)從而間接影響細(xì)根的效應(yīng)，其機(jī)制還需進(jìn)一步研究。