不同氮磷水平下不同土层中紫花苜蓿细根周转特征

赵俊威，李生仪，孙延亮，刘选帅，马春晖，张前兵

（石河子大学动物科技学院，新疆 石河子 832003）

根系在植物生长过程中扮演着至关重要的角色，其作为植物与土壤沟通的桥梁，起着为植物吸收养分（氮、磷等）、向土壤返还养分（有机碳、全氮、全磷等）的关键作用［1］。根系在其自身生长和死亡的交替循环过程中，完成了碳和养分的转化［2］，并在陆地生态系统中承担着养分循环的作用［3］。在对根系的研究中，细根（直径＜2 mm）是植物吸收土壤养分、水分和微量元素的主要器官［4-5］。目前，随着人们对根系研究技术方法的提高，对植物地下部分的关注逐渐增加，细根生物量、细根寿命、细根周转和陆地生态碳循环等方面成为研究热点［6］。

细根是根系中对土壤养分吸收最敏感、最活跃的部分，同时也对环境因素（土壤温度、水分、土层深度和季节变化等）和生物因素（真菌、细菌和土壤动物等）反应敏感［7］。其在地下生态系统中所起到的作用是不可忽视的，主要表现为：细根分布浓密，因而有较大的可吸收表面积，是植物吸收水分和微量元素的重要器官；细根生物量虽然在整体根系生物量中占比不高，但细根周转对生态系统中初级净生产力的贡献比却能达到60%。细根周转的动态变化在各生态系统中扮演着重要角色，成为物质循环和养分再分配的关键枢纽［8］。细根现存量在表层土壤中含量较高，深层土壤中含量略低［9］；细根周转率在不同土层表现出不同差异［10］。研究细根生产和周转，对植物地上部分与地下部分碳分配与养分运输有着十分重要的生物学意义。

氮、磷在紫花苜蓿（Medicago sativa）生长发育过程中扮演着重要角色，是苜蓿不可或缺的营养物质［3，11］。合理施用氮肥能够增加叶绿素含量，促进苜蓿光合作用，进而增加干草产量［12］。磷元素是构成苜蓿遗传物质、能量的重要“部件”，同时可以促进苜蓿繁殖、根系生长、根瘤菌的附植［13-14］。研究表明，为了追求超高产，人类盲目地对作物施用化肥，但过量施肥可能对作物细根生长和周转产生负面影响，影响作物对养分的吸收，导致增产效果不佳，最终降低作物产量［15-16］。目前人们对氮添加如何影响细根生长和周转，主要存在两种争议：细根生产力和周转率都提高；细根生产力提高，周转率下降［17］。近年来，由于农业机械化水平的提高，土壤磷素水平日益匮乏，限制作物的生长。研究表明，磷肥能显著增加高寒草甸植物细根根长、根表面积和周转率，并促进根系向下生长［10］。目前的研究主要集中在单一施肥对苜蓿细根周转的影响方面，而对氮磷共同施加条件下不同土层苜蓿细根周转的研究相对较少，尤其是滴灌条件下，氮磷共同施加对不同土层苜蓿细根周转各指标之间关系的影响研究鲜见报道。

因此，本研究以紫花苜蓿为研究对象，通过微根管根系监测技术对氮磷共同施加条件下苜蓿细根生长状况、时空分布变化进行研究，明确在氮磷共同施加条件下不同土层苜蓿细根周转动态特征，分析苜蓿细根现存量、生长量、死亡量、细根周转率及根表面积密度之间的关系，以期为滴灌苜蓿优质高产过程中细根周转的作用机制研究、制定滴灌苜蓿优质高效生产的科学施肥制度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于石河子大学牧草试验站（44°20′N，88°30′E），属于温带大陆性气候，干燥少雨。年平均气温为7℃，无霜期为168～171 d，年降水量为190～260 mm，年蒸发量为1000～1500 mm。年均日照时间为2770 h。0～20 cm耕层土壤理化性质为：土壤质地为轻壤土，土壤有机质含量为39.5 g·kg-1，土壤年平均容重为1.54 g·cm-3，全氮含量为1.18 g·kg-1，碱解氮含量为145.47 mg·kg-1，全磷含量为0.53 g·kg-1，速效磷含量为19.30 mg·kg-1，速效钾含量为119.8 mg·kg-1，pH=7.59。

1.2 试验设计

试验采用双因素随机区组设计，试验设置2种施氮梯度，分别为施N：0（N0）和120 kg·hm-（2N1），4种施磷梯度，分别为施P2O5：0（P0）、50（P1）、100（P2）和150 kg·hm-（2P3），氮磷耦合共计8个处理，分别为：N0P0、N0P1、N0P2、N0P3、N1P0、N1P1、N1P2、N1P3，3次重复，所用氮肥为尿素（含N≥46%），所用磷肥为磷酸一铵（含P≥52%，含N≥10%）。肥料在返青后的分枝期、第1茬、第2茬、第3茬刈割后3～5 d随水滴施，具体施肥时间分别为2020年5月9日、5月30日、7月6日 和8月12日。

供试紫花苜蓿品种为WL366HQ，紫花苜蓿于2019年4月29日播种，播种方式为人工条播，苜蓿行距为20 cm，播种量为18 kg·hm-2，播种深度为2.0 cm。每个小区面积为4 m（宽）×6 m（长）＝24 m2，每个小区之间均设置1 m宽的人行通道，防止小区之间水分、养分的互相渗透。灌溉方式采用滴灌，滴灌带浅埋于地表8～10 cm，滴灌带间距60 cm，所用滴灌带为内镶式滴灌带（北京绿源有限公司生产），滴头间距为20 cm，滴灌带与苜蓿条播方向平行。返青后的分枝期、每茬刈割前10～12 d及刈割后3～5 d进行充分灌溉。田间管理除施肥因素外，其他水分、除草等管理均按当地滴灌苜蓿高产田进行。

1.3 研究方法

利用CI-600根系监测系统（美国CID BIO-Science公司生产）连续观察苜蓿根系的生长死亡动态，于2019年7月进行微根管的安装。在试验小区中心位置安装微根管，微根管长度为1 m，据文献报道45°角更有利于监测苜蓿细根的生长，故微根管安装在与地面成45°角的位置［18］，露出土壤表面部分约12～15 cm，微根管垂直深度约为60 cm。将配套的黑色微根管黑塑胶盖套在微根管管口，将露出地面的部分微根管用黑色塑料袋包裹2层，用黄色橡皮筋扎紧，以防止在测根时扫描仪曝光，以及微根管盖子滑落或破损后灰尘和水分进入微根管内壁。用长约1 m的木棍插在离微根管5 cm处的位置，以备在观测时能直观地找到微根管的位置，并防止在苜蓿刈割时人为破坏微根管。

于2020年5-10月，每茬刈割前用CI-600根系监测系统进行微根管内的根系生长图像分层扫描并进行影像收集，共计4次，具体细根图像扫描日期分别为2020年5月22日、6月27日、8月12日和10月4日。每管收集图片16张，单张图片的面积为21.59 cm（长）×19.56 cm（宽）＝422.3 cm2。将收集好的图片带回实验室用根系图像分析软件（WinRHIZO TRON MF 2014b）进行处理。观测窗中出现的根显现为白色记为活根，变成褐色记为老根，而观测窗中出现的黑色，或者当细根完全变成黑色、皮层脱落或出现明显褶皱以及消失时，则记为死根。微根管的垂直深度约为60 cm，将其从上至下分为0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm和45～60 cm，共计4个土层。只记录观测窗中＜2 mm的根，其中将活根和老根的根长密度（具体见下方计算公式）合计为现存量。

1.4 测定指标

1.4.1 细根根长密度和根表面积密度的测定 细根根长密度和根表面积密度采用以下公式计算：

式中：RLD（root length density production，cm·cm-3）为根长密度；RSAD（root surface area density，cm2·cm-2）为细根表面积密度；RL（root length，cm）为整个微根管的细根根长；A（area，cm2）为扫描图片的面积（422.3 cm2）；A×4为整个微根管的面积（cm2）；FRA（fine root surface area，cm2）为细根根表面积；DOF（depth of field，cm）为土层厚度，一般为0.2～0.3 cm。本研究中的DOF取0.2 cm［18］。因微根管与地面呈45°，故需要将所得细根根长密度再乘以sin45°得到垂直高度单位体积根长密度和根表面积密度。以根长密度作为基本参数，将整个微根管中的细根现有的长度作为一个整体，求出整个根管的根长密度即为总现存量。

1.4.2 苜蓿细根生产量和死亡量的计算 细根根长生产量指取样间隔期内将同一张图片的后一次采样时期所记录的新生根长和老根的伸长量减去前一次采样时期的细根现存量，细根死亡量则包括原有根的死亡量和食根动物取食导致原有根长的减少量。

1.4.3 细根周转率的计算 细根周转率采用以下公式计算：

1.5 数据处理分析

利用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05进行数据处理分析，采用新复极差法（Duncan）对数据进行差异显著性分析，采用Origin 2018软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 紫花苜蓿的总细根现存量

紫花苜蓿细根现存量受施氮和施磷水平交互作用的影响显著（P＜0.05）（表1，图1）。在相同施氮条件下，随着施磷量的增加，紫花苜蓿细根总现存量呈先增加后降低的趋势，N0P1处理在第一茬达到最大值，为1.916 cm·cm-3；N1P2处理在第二茬达到最大值，为2.362 cm·cm-3，且P1、P2处理显著大于P0处理（除第四茬的N0处理外）（P＜0.05）。在N0条件下，P1和P2处理分别较P0处理增加了18.4%～23.5%和8.1%～16.8%。在N1条件下，P1和P2处理较P0增加了70.7%～76.2%和70.7%～79.1%。在相同施磷条件下，在相同茬次（除N0P0和N1P0处理外），N1处理紫花苜蓿的细根总现存量均显著大于N0处理，N1较N0处理提高了8.1%～79.1%。

图1 苜蓿细根总现存量Fig.1 Total fine root standing crop of alfalfa

表1 紫花苜蓿细根生长相关分析和统计结果Table 1 Correlation analysis and statistical results of fine root growth of alfalfa

2.2 紫花苜蓿细根表面积密度

细根表面积密度受氮磷的影响显著（表1，图2）。在相同施氮条件下，随着施磷量的增加，紫花苜蓿细根表面积密度呈先增加后降低的趋势，均在P2条件下达到最大值。在N0条件下，P1和P2处理显著大于P0处理，且P1和P2处理分别较P0处理增加了4.5%～16.5%和22.2%～38.9%。在N1条件下，均为施磷处理（P1、P2、P3）显著大于未施磷（P0）处理（P＜0.05），且P1、P2和P3处 理 分 别 较P0处 理 增 加 了56.6%～70.2%、76.5%～83.9%和26.9%～41.4%。在相同施磷条件下，N1处理下（除N0P0和N1P0处理）苜蓿细根表面积密度均显著大于N0处理（P＜0.05）。

图2 苜蓿细根表面积密度Fig.2 Root surface area density of alfalfa fine roots

2.3 紫花苜蓿不同土层细根现存量

在N0条件下，随着施磷量的增加，苜蓿细根现存量在0～30 cm、45～60 cm土层中呈先增加后降低的趋势，在30～45 cm土层中呈逐渐降低趋势（图3）；在0～15 cm土层中，P2处理苜蓿细根现存量显著高于其他处理（除第3茬外）（P＜0.05），在15～30、45～60 cm土层中，P1处理显著高于其他处理（除第4茬外）（P＜0.05）。在N1条件下，随着施磷量的增加，苜蓿细根现存量在0～45 cm土层中呈先增加后降低的趋势，在45～60 cm土层中呈逐渐增加趋势；在0～30 cm土层中，P2处理苜蓿的细根现存量显著高于其他处理（P＜0.05），在30～45 cm土层中，P1处理显著高于其他处理（P＜0.05）；在45～60 cm土层中，P3处理显著高于其他处理（P＜0.05）。从整个微根管分析来看，15～30 cm土层紫花苜蓿的细根现存量大于其他土层，说明紫花苜蓿的细根现存量主要集中在15～30 cm土层，占各土层细根现存量的比例为25.36%～38.10%。

图3 不同土层细根现存量Fig.3 Fine root standing crop of alfalfa in different soil layers

2.4 紫花苜蓿细根生产量和死亡量

在氮磷配施条件下，苜蓿细根生产量与死亡量存在一定差异（表1，图4）。在N0条件下，苜蓿细根生产量在Ⅰ阶段内随施磷量的增加呈先增加后降低的趋势，并在P2处理下达到最大值。在Ⅱ阶段内，随施磷量的增加而增加，并在P3处理下达到最大值。在Ⅲ阶段内，未施磷（P0）处理显著大于施磷处理（P1、P2、P3）处理（P＜0.05）。在N1条件下，苜蓿细根生产量在Ⅰ阶段内随施磷量的增加呈先增加后降低的趋势，在P2处理下达到最大值，在Ⅱ、Ⅲ阶段内规律不明显。

图4 不同施肥处理下苜蓿细根生产量和死亡量Fig.4 Fine root production and mortality of alfalfa under different fertilization treatments

在相同施氮条件下，苜蓿细根死亡量在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ阶段内随施磷量的增加均呈先增加后降低的趋势，P2处理在Ⅰ阶段N0处理及Ⅱ阶段内均达到最大值。在N0条件下，P1和P2处理分别较P0处理增加了4.7%～45.5%和8.1%～52.3%。在N1条件下，P1、P2、P3处理较P0处理分别增加了46.0%～57.4%、29.4%～75.7%和28.7%～57.5%。在相同施磷条件下，N1处理细根生产量和死亡量整体大于N0处理（P＜0.05）。

2.5 氮磷耦合条件下紫花苜蓿细根周转率

如表2所示，在N0条件下，苜蓿年细根生产量随施磷量的增加呈先降低后增加的趋势、年细根死亡量和年细根最大现存量随施磷量的增加呈先增加后降低的趋势，各施磷处理之间差异均显著（P＜0.05）。在N1条件下，苜蓿年细根生产量、年细根死亡量和年细根最大现存量均随施磷量的增加呈先增加后降低趋势，均在N1P2处理下达到最大值。在相同施氮条件下，随施磷量的增加，苜蓿细根周转率呈先降低后增加的趋势，分别在N0P3和N1P0处理下达到最大值，分别为0.526和0.697·a-1。各施肥处理中，苜蓿年细根生产量、年细根死亡量、年细根最大现存量和细根周转率均受到氮肥（除苜蓿年细根死亡量外）、磷肥以及氮肥与磷肥交互作用的极显著影响（P＜0.01）。

表2 苜蓿细根周转率Table 2 Fine root turnover rate of alfalfa

2.6 苜蓿各指标相关性分析

为明确苜蓿细根周转率、年细根最大现存量、年细根死亡量和年细根表面积密度之间的相互关系，将其分别进行拟合。结果表明（图5），在苜蓿细根周转过程中，年细根死亡量与细根周转率拟合的决定系数（R2=0.8774）大于年细根最大现存量（R2=0.7928）。年细根最大现存量与年细根死亡量、年细根表面积密度拟合的二次方程的决定系数R2分别为0.8490和0.9101，苜蓿年细根最大现存量与年细根死亡量、年细根表面积密度有极高的相关性。

图5 苜蓿各指标的相关性分析Fig.5 Correlation coefficients between indexes of alfalfa

3 讨论

3.1 氮磷配施对苜蓿细根总现存量、根表面积密度和不同土层细根现存量的影响

苜蓿细根的生长受多种因素的影响，如土壤条件、施肥方式和刈割措施等，这些因素都会引起土壤环境的变化，进而影响细根现存量，而氮肥和磷肥是影响苜蓿细根生长的重要因素［19］。研究表明，在苜蓿生长过程中向土壤中施用氮/磷肥可促进苜蓿细根的生长，增加细根现存量和细根吸收养分的能力，进而增加苜蓿地上部分的物质积累［20］。本研究结果表明，低磷（P1）和中磷（P2）均能促进细根现存量，而高磷（P3）则表现出抑制效果，这是因为施磷能够显著增加土壤磷素水平，通过细根吸收和转运进植物体内增加作物代谢能力，进而增加细根现存量，而高磷处理使苜蓿细根不需要过多的生长便可以吸收土壤磷素［21］。施磷和氮磷配施处理对苜蓿细根现存量影响较大，通过增加养分的运输，可以有效提高根系生物量，促进根系生长和发育，进而显著提高植株对土壤养分的吸收和获取［22-23］。研究发现，根系通过调控根层养分进而优化植物—土壤系统中的根区养分输入，增加根系生长发育，最终实现植物自身生长繁殖［24］。可见，氮磷配施能够改善土壤有效氮、有效磷含量，进而提高苜蓿的细根现存量［25］。

施肥可通过改变土壤养分含量，进而改变作物根系形态，促进细根对养分的吸收［26］。本试验条件下，适宜施磷量显著提高了细根表面积，但高磷（P3）抑制根表面积，这与细根现存量变化一致。说明施磷后苜蓿细根根系形态发生显著改变，植物根系利用其强大的可塑性予以应对，形成了“成本-效益”策略来适应各种土壤养分分布状况［22］。本研究表明，与单施磷肥相比，氮磷配施显著提高了苜蓿细根表面积。已有研究证实，根表面积增加可提高根系摄取土壤氮、磷的能力［27］，这是由于根系形态适应性可以改变对植物氮、磷的吸收［28］。

苜蓿是典型的直根型牧草，有发达的主根和丰富的侧根，细根现存量随土层深度的增加呈现降低的趋势［14］。施磷处理对细根总现存量有显著影响，但不同土层细根现存量对施用磷肥的响应不同，施用磷肥显著增加了15～30 cm土层细根现存量，而对30～45 cm土层细根生物量有抑制效果。这可能与磷素浓度的土层分布不均匀有关［29］。一方面，磷肥通过滴灌随水缓渗进土壤，营养主要集中在土壤表层，另一方面，土壤水分受热蒸发的过程中将养分通过土壤毛管向上迁移，进而使养分在土壤表层富集［30］。氮磷配施条件下苜蓿细根现存量在各个土层中均大于未施肥处理。说明在细根生长过程中，氮磷协同作用使苜蓿细根现存量增加［21］。研究表明，养分均随着土层的加深而降低，但植物对养分的吸收因土层的加深有滞后性，且深层土壤温度也有一定的滞后性［31］，本研究中养分与温度的同步性较差，进而导致0～15 cm、15～30 cm和30～45 cm、45～60 cm细根现存量存在较大差异。

3.2 氮磷配施对苜蓿细根生产量、死亡量和周转率的影响

苜蓿作为多年生牧草，良好的根系发育情况决定地上部分干物质产量。苜蓿根系的生产量和死亡量与苜蓿地上部分积累密切相关。研究表明，细根从土壤中获得的养分和水分越多，苜蓿分配到细根的碳就越多，细根的寿命也就越长［32］。磷是细根生长的主要限制养分之一，高磷和低磷都不利于苜蓿根系的生长［13］。在本研究中，施磷处理下，苜蓿细根生产量在Ⅰ阶段内呈先增加后降低的趋势，且与对照相比，P2处理细根生产量提高了85.1%，可见，适宜施磷量显著提高了苜蓿的细根生产量，这可能主要与苜蓿地上和地下部分养分的分配有关。根据优化碳分配理论，如果苜蓿细根生长受到磷素水平影响，则会将作物获取的碳分配到根系用于获取足够的氮、磷；反之，则降低转运到根中碳的比例［33］。此外，氮、磷素作为构成植物体的重要元素，氮、磷配施对苜蓿细根生产量的影响表现为较复杂的交互效应，细根生产量仅在Ⅰ阶段内表现出明显的规律性，而细根死亡量在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段内表现出明显的规律性，均随施磷量的增加呈先增加后降低的趋势。可见，苜蓿细根在适宜的氮、磷条件下，会通过调节生产量和死亡量的方式，以吸收土壤养分。本研究结果表明，细根生产量、死亡量主要集中在0～30 cm土层，随着土层深度的增加，苜蓿细根生产量、死亡量均逐渐降低。另有研究表明，土壤40～60 cm土层的苜蓿细根生产量、死亡量显著低于0～20 cm［18］。这主要是由于随土层深度的增加，土壤温度、土壤湿度、土壤养分含量和土壤容重不适宜细根生长，植物为了适应逆境而采用降低养分供给，减少细根生产和死亡的策略，降低自身养分消耗，进而降低了细根的生产量、死亡量［34］。

施肥增加了紫花苜蓿细根生产量而周转降低，使细根的寿命增加。研究表明，土壤养分有效性对细根周转与寿命有显著影响［35］。在土壤养分不足的土地中，植株会向根系中分配更多的光合产物，因此细根表现出较高的周转率；另有研究表明，在施肥处理下，细根生产量提高，周转率降低，细根寿命有所延长［36］，本研究结果与前人研究结果一致。同时，植物为从土壤中获取养分以满足自身生长发育需要，会加快细根生长和死亡［23］。可见，高周转率代表低细根现存量，这是植物在适应环境变化过程中所进化出的一种较优生存模式［34］。此外，细根在0～30 cm土层中表现出较高周转，这是由于N添加提高了土壤氮的有效性，促进细根代谢，提高根呼吸速率，进而降低细根寿命，提高细根周转率。而随着土层深度的增加，细根受到的外界刺激减少，死亡危险率较表层土壤大幅降低，进而导致周转率降低［37］。

4 结论

苜蓿细根生物量主要集中在地下15～30 cm土层，细根现存量存在时空上的差异，随土层的增加和时间的推移而降低。通过拟合分析得知，苜蓿年细根死亡量对细根周转率的影响高于年细根最大现存量。不同氮磷配施模式对苜蓿细根周转存在显著差异，氮磷配施比单一磷肥效果更好，当施磷（P2O5）量为100 kg·hm-2、施氮（N）量为120 kg·hm-2时，能够显著增加苜蓿细根的现存量和根表面积密度，进而促进苜蓿细根的生长。