指数施肥对美国山核桃幼苗根系形态的影响1)

王益明 万福绪 胡菲 李瑞瑞

(南京林业大学，南京,210037)

根系是植物从土壤中吸收和运输水分与矿质营养的器官,也是土壤资源的直接利用者和产量的重要贡献者[1]。植物可以通过其庞大的根系固着土壤，从而有效地控制土壤侵蚀的发生，是森林生态系统发挥水土保持功能的重要参与者[2]。根系在土体的穿插盘结就像混凝土中的钢筋一样，提高土壤的抗剪切能力，从而起到减少浅层土体受到剪切力破坏，起到了稳固土体、保护边坡的重要作用[3]。氮素是植物生长所必需的矿质元素之一，也是影响植物生长最重要的元素。根系吸收氮素是一个复杂的生理生态过程，表现出形态、解剖结构和生理等方面的变化[4]。

美国山核桃(又名薄壳山核桃、长山核桃)是胡桃科山核桃属的深根性树种，为世界四大干果树种之首，既是优良的果材兼用树种，又是很好的园林观赏树种和水土保持经济树种[5]。由于美国山核桃根系的深根性，侧根及须根较少,制约了美国山核桃幼苗的造林成活率，如何提高美国山核桃的造林成活率也成了我们研究的主要问题[6]。瑞典生理生态学家Ingestad et al.[7]通过试验研究创立了“养分指数承载理论”，该理论逐渐成为林业专家研究的热点。Timmer et al.[8]将稳态营养理论应用于轻基质育苗的研究中，明确提出指数施肥的理论方法。通过实践，指数施肥显著增加植物的细根数量，有利于形成健康根系[9]。目前，指数施肥对美国山核桃根系形态的影响尚未见报道。因此，本实验采用指数施肥法，探究不同施氮量对美国山核桃根系形态的影响，以期为美国山核桃容器育苗与精准施肥提供理论参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料来源于南京林业大学美国山核桃繁育基地，2017年4月选取生长相对一致的美国山核桃1年生实生苗300株，移栽于规格为16.5 cm×11.5 cm×24.0 cm的塑料花盆内用于试验。盆栽基质采用河沙(粒径0.2～1.0 mm)，因为指数施肥法每次所施入的肥料量非常少，采用河沙为基质可以避免养分干扰。待缓苗至5月初开始施肥试验。为防止水肥流失，盆内均套有双层白色塑料袋。试验过程中以重力法判断土壤水分状况，每隔2周移动1次苗盆以减少边缘效应。

1.2 试验设计

试验采用完全随机区组设计，共设置5个浓度指数施肥处理，以不施肥处理作为对照，设3个试验重复。试验采用目前使用最广泛的指数施肥模型[10]来计算相应施肥量，公式如下：

NT=Ns(ert-1)；Nt=NS(ert-1)-Nt-1。

式中：NT为施氮总量；Ns为幼苗在指数施肥处理前的初始氮质量分数；Nt为第t次的施氮量；Nt-1为(t-1)次的施肥总量；r为氮素相对添加率；t为指数施肥的次数。

根据参考文献[11]设定，经指数施肥处理前幼苗样品的测定NS=25.35 mg/株。指数施肥方式设置5个不同的氮素处理为：100、200、400、600和800 mg/株，分别用N100、N200、N400、N600和N800表示各个处理，不施肥(对照组)用CK表示。施肥间隔为1周，共进行12次施肥处理。试验中采用水溶施肥的方法，每株幼苗每次施用20 mL。该试验采用普罗丹水溶性复合肥，主要养分质量分数为N 20%、P2O520%、K2O 20%、螯合铁(Fe)0.10%、螯合锰(Mn)0.05%、螯合锌(Zn)0.05%、螯合铜(Cu)0.05%、硼(B)0.02%、钼(Mo)0.000 5%、EDTA螯合体1.00%。指数施肥的施氮量见表1。

表1 美国山核桃不同指数施肥处理的施氮量

1.3 指标测定

分别于施肥前(5月1日)、第4周(5月29日)、第8周(6月26日)和第12周(7月24日)，每个处理取生长相对一致的苗木5株，进行苗木根系形态的测定。将整个苗木分根、茎、叶进行破坏性取样，根系用枝剪从根颈处剪下，放在尼龙网筛上用水冲去泥土，获得整株根系，用流水缓缓冲洗干净，冲洗时在根系下面放置100目筛以防止脱落的根系被水冲走，之后迅速将根系带入有空调控温的室内，用EPSON根系扫描仪扫描各处理根系图片，并用专业根系扫描分析系统WinRHIZO(WinRhizo Pro STD 1600+，egentInc．Canada)对不同处理的根系图像进行分析，获得根形态指标(根长、根表面积、根体积)。扫描后的根系放置在85 ℃烘箱中烘干至恒质量获得根系生物量。整理获得以下数据:比根长=根长/干质量。

用Excel 2013对试验数据进行图表处理，用SPSS22.0进行方差分析及LSD多重比较。

2 结果与分析

2.1 指数施肥对美国山核桃幼苗总根长的影响

由表2可知，在第4周，美国山核桃总根长随着施氮量的增大而呈现先增后减的趋势，N600处理达到最大值(1 414 cm)，是CK的1.21倍，而N800处理的根长只有948 cm，是CK的0.81倍，说明施氮量过大对美国山核桃幼苗根长生长产生了明显抑制作用；在第8周和第12周，美国山核桃总根长均随着施氮量的增大而减小。指数施肥结束时，美国山核桃根系总根长由大到小顺序为：N100、N200、CK、N400、N600、N800处理。多重比较表明，除N400与对照组不显著外，其余施肥处理均与对照组差异显著，说明指数施肥对美国山核桃根系根长产生了明显影响，以N100处理效果最好。

表2 指数施肥对美国山核桃幼苗根长的影响

注:表中数值为“平均值±标准误差”；同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

2.2 指数施肥对美国山核桃幼苗根表面积的影响

由表3可知，指数施肥下美国山核桃幼苗根表面积的变化规律与根长的相似。在第4周，美国山核桃根表面积随着施氮量的增大而呈现先增后减的趋势，N600处理达到最大值(204 cm2)，是CK的1.28倍，而N800处理的根表面积只有127 cm2，是CK的0.78倍，说明施氮量过高抑制了美国山核桃幼苗根表面积的生长;在第8周和第12周，随着施氮量加大，美国山核桃根系表面积呈现递减趋势。美国山核桃根表面积从大到小依次为：N100(830 cm2)、N200(592 cm2)、N400(476 cm2)、N600(472 cm2)、N800(404 cm2)处理，分别为CK的1.55、1.11、0.89、0.89、0.76倍。多重比较表明，除N400、N600处理与CK组差异不显著之外，其余处理均与CK差异显著，说明指数施肥对美国山核桃根系根表面积产生了明显影响，以N100处理效果最好，其次是N200处理，而N800处理产生了明显的抑制作用。

表3 指数施肥对美国山核桃根系表面积的影响

注:表中数值为“平均值±标准误差”；同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

2.3 指数施肥对美国山核桃幼苗根体积的影响

如表4所示，在指数施肥处理的前4周，美国山核桃根体积随着施氮量的增大而呈现先增后减的趋势，N600处理根体积达到最大值(2.86 cm3),是CK的1.31倍。在第4周至第8周和第8周至第12周，美国山核桃N600、N800处理的根系体积生长的速率减慢。指数施肥结束时，N100处理的根系体积最大，比对照组提高了78.6%，其次是N200处理。N400、N600、N800处理的根系体积低于对照，说明当施氮量大于200 mg·株-1时，高剂量的氮添加对美国山核桃根系体积的增大起到了抑制作用。多重比较表明，除N400和N600处理间差异不显著外，其余各处理均差异显著。

表4 指数施肥对美国山核桃根系体积的影响

注:表中数值为“平均值±标准误差”；同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

2.4 指数施肥对美国山核桃幼苗根生物量的影响

如表5所示，根生物量在处理的前4周增长不大，主要在第8周和第12周增长较快。在第4周，此时苗木处于养分亏缺阶段，美国山核桃根生物量随着施氮量的增大而增加，N800处理达到最大值(1.18 g)，是CK的1.23倍;在第8周和第12周，美国山核桃根生物量均随着氮素施入量的增大而减小;指数施肥结束时，美国山核桃根生物量由大到小的顺序为：N100、N200、N400、N600、N800处理，分别是对照组的1.59、1.35、1.11、1.10、1.04倍。多重比较表明，除N100和N200处理外，其余处理差异均不显著，以N100处理效果最佳，其次是N200处理。

表5 指数施肥对美国山核桃根生物量的影响

注:表中数值为“平均值±标准误差”；同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

2.5 指数施肥对美国山核桃幼苗根系比根长的影响

比根长决定着根系吸收水分和养分的能力，与根系的功能、分泌物、寿命、呼吸、可塑性和增殖等密切相关，是反映根系生理功能的重要指标[12]。

如表6所示，在第4周各指数施肥处理美国山核桃幼苗比根长均低于对照组，呈现先增后减趋势，N600处理取得最大值，其次是N400处理；第8周，随着施氮量的增加各施肥处理的比根长仍呈现先增后减趋势，但N400处理取得最大值，其次是N600处理；随着施氮量的增加各施肥处理比根长呈现递减趋势，各处理都低于对照组。多重比较表明，各处理均与CK对照组差异显著，说明指数施肥显著降低了美国山核桃幼苗的比根长。

表6 指数施肥对美国山核桃根系比根长的影响

注:表中数值为“平均值±标准误差”；同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

2.6 美国山核桃幼苗根系形态特征值的相关性

由表7可知，根生物量和根长、根表面积、根体积成极显著正相关(P<0.01)，说明根系形态参数的增加均可促进美国山核桃生物量的增大，这和王力朋[4]对楸树无性系的研究一致。比根长、根长、根表面积、根体积和根生物量均成正相关，但并未达到显著水平。

表7 对美国山核桃幼苗根系形态特征值的相关性

注：** 表示极显著相关(P<0.01)，*表示显著相关(P<0.05)。

3 结论与讨论

植物生长依靠光合作用合成有机物，而根系吸收水分和养分是有机物合成的基础[13]。氮素是对植物生长影响最大的矿质元素，根系与氮素的反应是一个复杂的生理生态过程，表现出形态方面、解剖结构方面及生理方面的变化[4]。一定范围内，增加氮素供应，能够提高植物光合效率，使更多的光合产物向根系分配，进而促进根系生长，增加根系表面积和体积以扩大根系吸收范围，储藏碳水化合物满足苗木在胁迫环境下生长的养分需求[14]。

植物根系形态对基质中养分变化的反应敏感，施肥能促进根系总根长增长和分枝数增加[15]。本试验中，经过指数施肥处理的美国山核桃根系形态发生了很大变化，低氮处理(N100、N200)的根长、根表面积、根体积、根生物量有显著的增长，这与王力朋等[4]对楸树无性系的研究结果类似，说明适量施氮对根系的发育和形态建成有促进作用。根长、根表面积、根体积、根生物量等形态指标的增加对提高根系的水分和养分吸收能力有巨大作用。中高氮处理(N400、N600、N800)在中期和后期，对根长、根表面积、根体积、根生物量均受到了不同程度的抑制。这是因为指数施肥后期氮素施入量较大，供给量超过了苗木的养分需求量，从而对根系形成养分毒害，抑制了美国山核桃根系的生长[16]。

具有较长的根长和多而发达的侧根的植物，根系与介质中养分的接触面积大，因而对养分的吸收和产量形成有更大的潜力[17]。美国山核桃幼苗由于根系的深根性，侧根及须根较少，制约了其造林成活率[6]。本研究表明，指数施肥方式下适量施氮可以显著增加美国山核桃根系的根长、根表面积、根体积、根生物量。因此，适量施氮有利于提高其造林成活率。

在本研究中，施肥结束时，美国山核桃根系形态指标随着施氮量的增加呈现递减趋势，N100处理的所有根系形态指标都取得最大值。N100处理的总根长、根表面积、根体积、根生物量分别达到(4 882±356)cm、(830±66)cm2、(12.29±0.19)cm3、(3.84±0.11)g，分别为CK对照组的1.53、1.55、1.79、1.59倍。指数施肥方式下，100～200 mg·株-1的施氮量最有利于美国山核桃幼苗根系的生长。

[1] 王兵,高甲荣,陈琼,等.护岸柳树表层根系生长的影响因素[J].东北林业大学学报,2014,42(12):26-29，42.

[2] 宋维峰,陈丽华,刘秀萍.林木根系固土的理论基础[J].水土保持通报,2008,28(6):180-186.

[3] 徐少君,类淑桐,曾波.三峡库区4种库岸边坡的植被根系固土效应研究[J].水土保持研究,2017,24(2):119-123，131.

[4] 王力朋,晏紫伊,李吉跃,等.指数施肥对楸树无性系生物量分配和根系形态的影响[J].生态学报,2012,32(23):7452-7462.

[5] 赵靖明.水土保持经济树种薄壳山核桃的耐盐性及耐水性评价研究[D].重庆：西南大学,2013.

[6] 常君.美国山核桃苗木根系生长规律研究[D].重庆：西南大学,2008.

[7] TORSTENINGESTAD, ANN-BRITT LUND. Theory and techniques for steady state mineral nutrition and growth of plants[J]. Scandinavian Journal of Forest Research,1986，1(1/2/3/4):439-453.

[8] TIMMER V R, MUNSON A D. Site-specific growth and nutrition of planted Piceamariana in the Ontario clay belt. IV Nitrogen-loading response[J]. Canada Journal of Forestry Research,1991,20(8):1165-1171.

[9] 刘雪梅,金晓玲,伍江波,等.苗木氮素指数施肥的研究现状及应用前景[J].中国土壤与肥料,2014(5):1-4,26.

[10] HAWKINS B J， BURGESS D， MITCHELL A K． Growth and nutrient dynamics of western hemlock with conventional or exponential greenhouse fertilization and planting in different fertility conditions[J]. Canadian Journal of Forest Research，2005，35(4):1002-1016.

[11] DUMROESE R, PAGE-DUMROESE D, BROWN R. Allometry, nitrogen status, and carbon stable isotope composition of Pinus ponderosa seedlings in two growing media with contrasting nursery irrigation regimes[J]. Canadian Journal of Forest Research,2011,41(51):1091-1101.

[12] 王冉,李吉跃,张方秋,等.不同施肥方法对马来沉香和土沉香苗期根系生长的影响[J].生态学报,2011,31(1):98-106.

[13] 张岁歧,山仑.氮素营养对春小麦抗旱适应性及水分利用的影响[J].水土保持研究,1995,2(1):31-35+55.

[14] 何茜,丁晓纲,李吉跃,等.指数施肥下黑木相思根系特征值的动态变化[J].广东林业科技,2011,27(5):1-6.

[15] HODGE A. The plastic plant: root responses to heterogeneous supplies of nutrients[J]. New Phytologist，2004，162(1):9-24．

[16] 张彦东,范志强,王庆成,等.不同形态N素对水曲柳幼苗生长的影响[J].应用生态学报,2000,11(5):665-667.

[17] 黄高宝,张恩和,胡恒觉.不同玉米品种氮素营养效率差异的生态生理机制[J].植物营养与肥料学报,2001,7(3):293-297.