不同土层深度及磷水平对番茄生物量及根系形态的影响

于洪杰　陈少灿　周新刚　吴凤芝

（东北农业大学园艺学院，黑龙江哈尔滨 150030）



不同土层深度及磷水平对番茄生物量及根系形态的影响

于洪杰陈少灿周新刚吴凤芝*

（东北农业大学园艺学院，黑龙江哈尔滨 150030）

摘 要：以番茄品种东农708为试验材料，取距地表0～15 cm，15～30 cm，30～45 cm的土壤为栽培土壤，各层土壤以施N、P、K肥为供磷处理，以施N、K肥为对照，研究不同土层深度及供磷水平对番茄生物量及根系形态的影响。结果表明，番茄植株地上部生物量受施磷水平和土层深度共同影响，同一土层中供磷条件下的番茄株高、地上部干、鲜质量均显著高于对照；在相同施磷水平下，0～15 cm土层的番茄株高、地上部鲜质量均显著高于15～30 cm和30～45 cm土层。番茄植株地下部干质量、总根长、根表面积、根体积及0～1.5 mm直径范围内总根长受施磷水平影响较大，受土层深度影响不明显。综上，不同土层深度及磷水平对番茄地上部生物量均有影响，且表层土壤施磷更利于番茄生物量的积累；根系形态受施磷水平影响较大，受土层深度影响不显著。

关键词：土壤深度；磷；番茄；生长发育；根系形态

于洪杰，女，硕士研究生，专业方向：设施园艺与蔬菜生理生态，E-mail：89116215@qq.com

磷是植物生长所必需的元素之一，它不仅是植物体内许多化合物的重要组分，而且还以多种途径参与植物体内代谢过程。随着磷肥施用量的逐年增加，过度的磷肥施入给一些发达国家和新兴国家带来了严重的环境问题（Cordell et al.， 2009；Gilbert，2009；Hinsinger et al.，2011）。由于磷在土壤中易被固定且移动性小等特性（Barber & Mackay，1986），土壤中可供植物吸收利用的有效磷含量远远低于植物正常生长所必需（王树起 等，2010）。研究发现，土壤磷素的空间分布特征为表层土壤磷素含量高于底层土壤，即磷素含量一般随土壤层次的加深而降低（沈汉，1990；Rubio et al.， 2001；Fang et al.，2011）。

根系是植物从土壤中吸收水分和养分的主要器官，植物吸收的磷大部分是靠根系从土壤中吸收的。由于磷在土壤中的移动性差，植物对磷素的吸收只能依靠根系在土壤中的分布及接触到的土壤体积，因此根系形态与植物的磷元素利用效率之间存在着紧密的相关性。通常，植物根系形态会随着磷供应水平的改变发生很多适应性变化来增加根系与土壤的接触面积，提高植株对土壤中有效磷的获取，从而提高磷素利用效率（严小龙 等，2000；Beebe et al.，2006；Shridevi et al.，2009；陈磊，2011）。近年来，磷素在土壤中垂直分布不均匀的特征吸引了越来越多人的注意，很多学者研究发现在有效磷含量相对较高的栽培介质表层，植物通常会分布更多的根系以提高对磷的吸收效率（严小龙 等，2000；Williamson et al.，2001；Fang et al.， 2011）。连年耕作的田间土壤不同深度土层中磷素分布差异更为显著，但是目前结合不同深度土层土壤研究磷肥施用效率的文章很少，研究不同深度土壤及施磷水平对作物生长发育及根系形态的影响可以为更好的深耕施肥提供参考依据。

番茄作为全世界栽培最为普遍的果菜之一，也是需肥较大的蔬菜之一，在栽培过程中对磷肥施用量要求严格，过高或过低的磷肥施用都会造成番茄产量的下降（王进 等，2006；张彦才 等，2008）。因此，本试验以番茄为试材，分别选取不同深度的土壤为栽培土壤，结合两个磷水平研究了番茄地上部和地下部生长指标，以期探明土壤深度和施磷水平与番茄生长发育之间的关系，旨在为进一步指导合理翻耕施肥提供可靠的理论依据。

1　材料与方法

1.1供试材料

供试番茄（Solanum lycopersicum L．）品种为东农708；供试土壤为距地表0～15 cm，15～30 cm，30～45 cm的大田土壤，土壤的基本化学性状如表1所示。

表1 不同土层土壤的基本化学性状

1.2试验设计

试验于 2014年10～12月在东北农业大学设施工程中心的人工气候室内进行。设供磷处理（施N、K、P肥）：以尿素、磷酸二氢钾、硫酸钾作为肥料，使用硫酸钾配平K2O含量，使每千克土壤施N 100 mg、K2O 100 mg、P2O5100 mg；对照处理（施N、K肥）：以尿素、硫酸钾作为肥料，每千克土壤施N 100 mg、K2O 100 mg（Fontes et al.，1986）。将肥料均匀拌于各处理土层土壤中，装入直径13 cm、高12 cm的塑料盆，每盆浇水200 mL（确保肥料不会随水分流出），沤肥3 d。

将番茄浸种催芽后，选取发芽一致的种子播于育苗盘中，待两叶一心将番茄幼苗分苗至8 cm×8 cm的营养钵中，置于人工气侯室内进行培养，培养条件为28 ℃/14 h光照，18 ℃/10 h暗处理，湿度为70%。四叶一心后定植到高17 cm、内径11 cm的塑料盆中，共6个处理，每个处理3次重复，每个重复3盆，共9盆。定植后20 d对不同处理的番茄植株生长指标和根系形态特征进行测定。

1.3测定项目及测定方法

1.3.1幼苗生长指标的测定 株高（茎基部到植株生长点最高处）用米尺测量。地上部和地下部干、鲜质量：用剪刀从茎基部剪断，测定地上部鲜质量；将植株根系用清水冲洗干净，测定根鲜质量；用牛皮信封分别包起各植株地上部、地下部样品，105℃杀青30 min，然后70 ℃烘干至恒重，用1/1000电子天平测定地上部、地下部干质量。

1.3.2番茄根系形态学的测定 将剪下来的根系在自来水中浸泡30 min，并用流水冲洗干净，扫描前用镊子小心地梳理根系，使根系间不重叠。采用万深（LA-S2400）型植物图像扫描仪根系分析仪对整株根系进行扫描，并利用根系分析系统对根系的总根长（cm·株-1）、根体积（cm3·株-1）、根表面积（cm2·株-1）、根系平均直径（cm）以及根系直径分别在0～1.5 mm、1.5～3.0 mm、3.0～4.5 mm、4.5 mm以上范围内的总根长进行分析。

1.4数据分析

数据处理采用SAS 8.1软件，用one-way ANOVA分析不同土层土壤及不同施磷水平对番茄根系形态的影响，多重比较使用Tukey’s HSD法（P＜0.05）。

2　结果与分析

2.1不同深度土壤及磷水平对番茄生长指标的影响

2.1.1不同深度土壤及磷水平对番茄株高的影响不同土层土壤中，供磷处理的番茄株高均显著高于对照；在供磷处理和对照中，0～15 cm土层的番茄株高均显著高于15～30 cm和30～45 cm土层 （图1）。

图1 不同土层土壤及施磷水平对番茄株高的影响

2.1.2不同深度土壤及磷水平对番茄植株地上部鲜、干质量的影响 不同土层土壤中，供磷条件下的番茄地上部鲜质量均显著高于对照。供磷处理中，0～15 cm、15～30 cm、30～45cm土层的番茄地上部鲜质量差异显著；而对照中，0～15 cm土层的番茄地上部鲜质量显著高于15～30 cm和30～45 cm土层（图2-a）。供磷条件下的番茄地上部干质量均显著高于对照；而对照中0～15 cm土层中番茄地上部干质量显著高于其他土层（图2-b）。

2.1.3不同深度土壤及磷水平对番茄植株地下部鲜、干质量的影响 不同土层土壤中，供磷条件下的番茄地下部鲜质量均显著高于对照；供磷处理中，0～15 cm和15～30 cm土层的番茄地下部鲜质量均显著高于30～45 cm土层；而对照中，0～15 cm土层番茄地下部鲜质量显著高于其他土层（图3-a）。从地下部干质量看（图3-b），15～30 cm和 30～45 cm土层中，供磷条件下的番茄地下部干质量显著高于对照。

图2 不同土层土壤及施磷水平对番茄地上部鲜、干质量的影响

图3 不同土层土壤及施磷水平对番茄地下部鲜、干质量的影响

2.1.4不同深度土壤及磷水平对番茄植株根冠比的影响 只有对照处理中，15～30 cm土层的番茄根冠比显著高于0～15 cm土层，其余各处理间差异均不显著（图4）。

2.2不同深度土壤及磷水平对番茄根系形态的影响

图4 不同土层土壤及施磷水平对番茄根冠比的影响

2.2.1不同深度土壤及磷水平对番茄总根长、根表面积、根体积、根系平均直径的影响 不同土层土壤中，供磷条件下的番茄总根长、根表面积、根体积均显著高于对照；供磷处理中，除0～15 cm土层的总根长显著高于其他土层，15～30 cm土层的根体积显著高于30～45 cm土层外，其余各处理间均无显著差异（表2）。

2.2.2不同深度土壤及磷水平对番茄根系不同直径范围内总根长的影响 由表3可以看出，0～1.5 mm根系直径范围内，0～15 cm和30～45 cm土层均表现出供磷处理的总根长显著高于对照；且供磷处理中，0～15 cm土层显著高于其他土层。1.5～3.0 mm和3.0～4.5 mm根系直径范围内，均只有15～30 cm土层表现出供磷处理总根长显著高于对照。＞4.5 mm根系直径范围内的3层土壤中，0～15 cm和15～30 cm土层的供磷处理总根长显著高于对照。

表2 不同土层土壤及施磷水平对番茄总根长、根表面积、根体积及根系平均直径的影响

表3 不同土层土壤及施磷水平对番茄根系不同直径范围内总根长的影响

3　讨论

磷是植物生长所必需的三大元素之一，在植物的整个生长发育过程中都起到至关重要的作用，因此农业生产中磷肥的施用对植物生物量和产量的积累起着决定性作用。磷在土壤中移动性很小，且植物根系一般仅能吸收距根表面1～4 mm根际土壤中的磷（李庆逵，1986；王树起 等，2010），因此研究根系形态对有效磷的适应性改变具有重要意义。本试验结果显示，在各层土壤中，番茄的地上部生物量及地下部的总根长、根表面积、根体积受施磷水平影响显著，均表现为供磷处理显著高于对照，可见磷肥的施用对番茄地上部、地下部的生长均具有显著的促进作用。研究表明，植物在低磷胁迫环境下，根系构型容易发生改变并且使植物根冠比增加（Fohse et al．，1991； Bates & Lynch，1996； Keerthisinghe et al.，1998；Williamson et al.，2001；王静，2014）。本试验结果表明，在不施磷肥（对照）条件下，较深层土壤中番茄的根冠比高于表层土壤，且在15～30 cm土层差异显著，与前人结果一致。由于15～30 cm和30～45 cm土壤中有效磷含量分别为16.2 mg·kg-1和11.4 mg·kg-1，低于番茄正常生长需要（Fontes et al.，1986），使番茄处于磷胁迫条件下，而磷胁迫环境下植物更趋向于增加根长和根表面积以便获得更多的磷营养（刘灵 等，2008），这种根系的空间、配置的改变，促使番茄地下部干质量增加，从而使根冠比增加。

植物的根在有效磷含量较高的区域分布越多，根系接触到的土壤面积越大，越有利于植物对土壤磷的吸收，即植物根长会随着土层深度的加深逐渐减小（Gajril，1985；魏其克，1987；卢振民，1991；郭再华 等，2005），原因可能是由于低磷胁迫抑制了植物根系的生长，所以使总根长较正常磷水平处理显著降低（黄爱缨 等，2008）。但也有研究表明，植物的根系在低磷条件下有时也会表现为总根长增加，以增加根系与土壤的接触面积，提高植株对磷的利用效率（Anuradha & Narayanan，1991；Hung et al.，1992；王秀荣 等，2004；曹丽霞 等，2009；吴俊江 等，2009）。本试验结果显示，只有在供磷条件下，番茄的总根长和0～1.5 mm直径范围内的细根长与土层深度有关，且在0～15 cm的土壤表层，总根长和细根长显著高于底层土壤，与郭再华等（2005）的研究结果保持一致，与Anuradha和Narayanan的（1991）研究结果相反。猜测其除了表层土壤养分高于下层土壤的原因外，也与表层土壤的其他性质有关，如表层土壤为腐殖质层，土质疏松，容重较小，动植物残体及好氧型微生物的集中分布等。有研究显示在腐殖质丰富或容重较小的土壤中，植物根长会表现为增加的趋势（邓坤枚 等，2005；才晓玲和李志洪，2009），这可能也是相同施肥条件下不同土层引起番茄地上部生物量变化的原因。

我国农业生产中习惯在土表或耕层增施磷肥，使得更多的磷肥残留在土壤表层（苏德纯，1995），同时表层土壤容重小，腐殖质、土壤动物、微生物及动植物残体丰富，均有利于植物的生长发育。充分利用表层土壤的宝贵资源，可以提高作物的养分吸收率以及减少磷肥的施用，同时减少环境污染。

4　结论

综上所述，番茄植株地上部的生物量受施磷水平和土层深度共同影响，而番茄植株地下部干质量、总根长、根表面积、根体积以及0～1.5 mm直径总根长受施磷水平影响较大，受土层深度影响较小。因此，深耕施肥时需综合考虑施磷水平及翻地深度，可适当将深度为0～15 cm的表层土壤翻耕至作物根系密集区域，以便植物更好地生长发育及养分吸收。

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Effects of Different Soil Depth and Phosphorus Level on Tomato Biomass and Root Morphology

YU Hong-jie ，CHEN Shao-can ，ZHOU Xin-gang，WU Feng-zhi*
（Department of Horticulture，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，Heilongjiang，China）

Abstract：Taking tomato cultivar ‘Dongnong 708’ as experimental material，and 3 layers soil from ground surface （0-15 cm，15-30 cm，30-45 cm） as cultivation soil，applying N、K fertilizer as the contrast and N、P、K fertilizer as treatment，this paper studied the effects of different soil depth and phosphorus level on tomato biomass and root morphology．Results showed that the biomass of above ground tomato plant was affected by both P application level and soil depth．In all 3 soil layers，every index at P application treatment was significantly higher than that in the contrast，and at the same P level，all indexes at 0-15 cm layer were significantly higher than the other layers．However，the underground biomass，total root length，root surface area，root volume and root length between 0-1.5 mm diameter were greatly influenced by P application level and the effect by soil depth was not obvious．In conclusion，soil depth and P level both can affect the biomass of aboveground tomato，and P application at soil surface was more beneficial for accumulation of tomato biomass．The root morphology was influenced greatly by P application level，but not by soil depth.

Key words：Soil depth；P；Tomato；Growth and development；Root morphology

*通讯作者（

Corresponding author）：吴凤芝，女，教授，博士生导师，专业方向：设施园艺与蔬菜生理生态，E-mail：fzwu2006@aliyun.com

收稿日期：2015-08-04；接受日期：2016-01-19

基金项目：大宗蔬菜产业技术体系项目（CARS-25-08）， 国家科技支撑计划项目（2014BAD05B01）