根系是植物吸收水分和养分的主要器官^[1], 具有固定植物、保障其生长发育和维持生态系统养分循环等重要功能^[2]。根系形态与功能之间的密切联系能够反映植物适应土壤环境的策略, 而细根形态, 如根表面积、根长和根半径决定了植物争夺土壤养分的能力, 这不仅与植株自身的遗传因素有关, 且受到生境、外界干扰和土壤养分水平等因素的影响^[3]。人类活动使得氮沉降在过去的一个世纪显著增加^[4]。我国南方地区是氮沉降的一个重点区域^[5], 另一方面, 亚热带陆地生态系统通常受磷限制, 苗圃地经常施磷肥以缓解磷元素的缺乏, 因此氮沉降和磷添加会对幼苗根系形态产生重要影响。一些研究表明, 土壤N的可利用性增加能够改变细根形态, 如增加细根长度和表面积等, 从而促进植物细根生长^{[6, 7]}, 但也有不同的研究结果^[8]。此外, 有报道称P流失会影响植物细根的形态结构^[9]。

林分密度能够影响植物个体可获取的资源数量, 所以植物的生长特征极易受到密度的制约^[10]。目前对植物生理生态与种植密度的研究大多集中在地上部分, 对植物根系部分的研究较少^[11]。此外, 营养元素与林分密度的交互作用对植物影响的研究大多集中在氮素与密度的交互作用方面^[12-13], 关于植物根系形态对氮添加^[14-15]及磷添加^[16]的响应也已有少量研究, 但尚未见到磷添加和氮磷添加与密度交互作用对植物根系形态影响的报道。

樟树(Cinnamomum camphora)是亚热带地区广泛种植的常绿乔木。前人对樟树的研究主要集中在生理^[17-18]、凋落物量^[19-20]及分解^[21]和土壤特性^[22]等领域。作者以一年生樟树幼苗为实验材料, 研究氮磷添加和密度对樟树幼苗根系形态的影响, 旨在了解樟树根系对氮沉降、磷添加和林分密度的响应过程和机制, 以期为全球变化背景下樟树林生态系统的管理提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验地位于广东省广州市华南农业大学板栗园(113°21′E, 23°09′N), 属亚热带季风气候, 全年水热同期, 降雨量丰富。平均气温为21.9℃, 平均相对湿度77%, 年降雨量约为1736 mm, 4至6月为雨季, 7至9月天气炎热, 3月、10月和11月气温适中, 12至2月为温暖冬季。试验地光线充足, 适合幼苗的生长, 土壤类型为砂页岩发育的酸性红壤, 土壤的磷含量较低^[23]。

1.2 试验设计

试验材料为广东省国森苗圃提供的2016年3月播种的樟树实生苗, 幼苗平均株高为0.47 m, 平均地径为0.36 cm, 平均冠幅为11.1 cm。采用直径35 cm, 深30 cm无纺布美植袋种植, 基质为该试验地0—20 cm土层的土壤。由于大气氮沉降中近3/4为铵态氮, 本试验选择氯化铵(NH₄Cl)模拟大气氮沉降, 并且以二水合磷酸二氢钠(NaH₂PO₄·2H₂O)模拟磷添加。我国华南地区氮沉降量约为4 g m^-2 a^{-1[5, 24]}, 由于未来的N沉降持续增加, 本研究的氮和磷添加量根据样地的氮沉降水平背景值以及参考同类研究方法^{[25, 26]}, 模拟饱和N沉降水平, 添加NH₄Cl 40 g m^-2 a^-1, 磷添加量为NaH₂PO₄·2H₂O 20 g m^-2 a^-1。

试验时间为2017年6到9月, 采用4×4双因素析因设计。氮磷处理设置4个水平：不加N和P(ck), 加N, 加P, 加N和P。N、P及N+P的添加量分别为NH₄Cl 40 g m^-2 a^-1, NaH₂PO₄·2H₂O 20 g m^-2 a^-1, NH₄Cl 40 g m^-2 a^-1+ NaH₂PO₄·2H₂O 20 g m^-2 a^-1。种植密度设置4个水平：10株/m²(密度Ⅰ)、20株/m²(密度Ⅱ)、40株/m²(密度Ⅲ)和80株/m²(密度Ⅳ)。相同种植密度的试验采用完全随机区组设计, 共16个处理, 3次重复, 48个小区, 每个小区16株幼苗。根据处理水平的要求, 氮磷添加时, 将各处理每次所需质量的肥料溶于12升的水中, 向每袋的幼苗浇灌200 mL溶液, 保证不会引起烧苗的现象。不施肥处理的只浇灌相同量的水。自6月起每月月初和月中分2次向幼苗施肥直至收获, 共施肥8次。处理前后的土壤pH值及养分状况见表 1。

1.3 试验方法

试验结束时, 各处理分别选取4株幼苗, 将根系与地上部分分离, 用去离子水将根系表面上的土壤颗粒及其他杂质清洗干净, 将幼苗的完整根系放入已编号密封袋里, 立即将其放置在温度为-4 ℃的冰箱内保存。

处理前, 将根系样品从冰盒中取出。用根系扫描仪(中晶ScanMaker i800 Plus)对根系进行扫描成像, 利用图像分析软件(万深LA-S, )和植物根系分析系统(杭州万深检测科技有限公司)对微细根(根茎≤ 2 mm)的形态特征进行分析, 得到细根总长度、根系表面积、根系体积和根尖数等数据。

1.4 数据处理

用SAS 9.3统计分析软件对植物根系形态进行Duncan多重比较, Microsoft Excel 2003对数据进行平均值、标准偏差分析和作图。

2 结果分析 2.1 幼苗的细根长度

在达到10株/m²(密度Ⅰ)的种植密度后, 随着种植密度增加, 幼苗细根长度呈现下降趋势(图 1)。在同一密度下, N、P、N+P处理对幼苗细根长度的整体表现为促进作用。与ck相比, N、P和N+P处理的种植密度Ⅰ幼苗的细根长度分别增加了56.53%、24.12%、93.90%, 种植密度Ⅱ的幼苗分别增加了40.61%、40.24%、144.41%, 种植密度Ⅲ的幼苗分别增加了165.68%、222.38%、304.57%, 种植密度Ⅳ的幼苗下分别增加了267.62%、319.16%、267.93%。总体而言, N+P处理对幼苗细根的促进效果最佳。

2.2 幼苗的细根表面积

在达到10株/m²的种植密度后, 幼苗的细根表面积随着种植密度的增加而减小(图 2)。与ck相比, N、P和N+P处理的种植密度Ⅰ幼苗的细根表面积分别增加了56.07%、26.51%、87.26%, 种植密度Ⅱ的幼苗分别增加了40.25%、44.47%、135.62%, 种植密度Ⅲ的幼苗分别增加了165.90%、220.12%、303.05%, 种植密度Ⅳ的幼苗分别增加了199.54%、213.31%、207.97%。整体上, 氮磷添加处理促进了幼苗细根表面积的增加, 其中N+P的效果最好。

2.3 幼苗的细根体积

达到10株/m²(密度Ⅰ)的种植密度后, 细根体积随着幼苗种植密度的增加而减小(图 3)。相同密度的N、P和N+P处理与ck相比, 种植密度Ⅰ的幼苗细根体积分别增加了55.16%、28.43%、82.16%, 种植密度Ⅱ的幼苗分别增加了39.70%、48.48%、128.25%, 种植密度Ⅲ的幼苗分别增加了168.35%、220.10%、305.06%, 种植密度Ⅳ的幼苗分别增加了211.35%、202.98%、229.24%。总体而言, N、P和N+P处理均有利于幼苗细根体积的增大, 其中N+P处理对幼苗细根体积的促进作用较强。

2.4 幼苗的细根根尖数

在达到10株/m²(密度Ⅰ)的种植密度后, 幼苗细根根尖数随着种植密度的增大而减少(图 4)。N、P、N+P处理对同一密度幼苗的细根根尖数的整体表现为促进作用。与ck相比, N、P和N+P处理的种植密度Ⅰ的幼苗细根根尖数分别增加了68.20%、42.40%、69.35%, 种植密度Ⅱ的幼苗分别增加了81.7%、75.61%、150.00%, 种植密度Ⅲ的幼苗分别增加了132.14%、144.05%、255.36%, 种植密度Ⅳ的幼苗分别增加了108.73%、145.78%、139.76%。除了高密度外, N+P处理的幼苗细根根尖数最多。

2.5 密度和氮磷处理交互作用对细根各项指标的影响

由表 2可知, 樟树幼苗的细根长度、表面积、体积和根尖数在各密度间和不同氮磷添加处理间均有显著性差异, 密度和氮磷处理间的交互作用对根系形态各指标均没有显著影响。

3 讨论

土壤氮磷含量是植物生长的限制因素, 施加氮磷肥能够维持和促进植物的快速生长^[7]。也有研究认为N沉降会引起土壤酸化以及重金属离子的活化, 导致植物细根形态特征受到危害^{[27, 28]}, 抑制植物细根的生长。而另一些研究则认为氮磷添加对细根形态未产生显著影响^{[6, 29, 30]}。这可能是因为氮沉降往往通过改变土壤状况来影响根系特征, 且并存多种影响机制, 这导致了不同物种和不同区域植被根系对N沉降响应的差异。另外, N添加对根系形态的影响还可能取决于土壤环境对N添加的响应强度^[31]。在本研究中, 氮浓度与根系生长之间关系密切, 磷添加对樟树幼苗细根形态也有明显的促进效果。相比于对照, 氮和磷添加均能促进植物的细根显著伸长, 并且能使植物获得更大的细根长度、细根表面积、细根体积和根尖数。这可能是因为N的输入提高了土壤养分水平^[32]和植物净初级生产力^[33], 有利于植物生物量的积累^[34], 进而对幼苗细根形态各参数产生促进作用。试验地土壤中的磷素较为缺乏, 磷添加处理有利于促进土壤的氮磷平衡, 缓解土壤磷的限制并提高氮素的利用效率, 从而促进根系生长发育。

细根长度能够反映植物根系吸收养分的效率^[35]。普遍认为, 外源性N和P会改变植物的根系系统的生长形态、生物量及生理活性以适应土壤养分的变化^[31], 是植物获取土壤有效养分资源的生存策略^[36]。Noguchi等^[37]的研究结果显示, 与对照组相比, 施氮肥促进了植物细根伸长率。陈海波等^[38]的研究也发现, N添加增加了水曲柳(Fraxinus mandschurica)苗木细根长度的生长。也有研究认为模拟氮沉降会降低细根的生物量, 因为植物根系要获取氮必须消耗大量的碳来进行交换^[39]。本研究中, 模拟氮磷沉降处理促进了幼苗细根长度的增长, 其中N+P处理优于其余处理。这可能是因为樟树幼苗处于旺盛生长期, 对土壤氮的需求较大, 所以施氮处理促进了根系的生长^[40]。此外, 在土壤养分较为缺乏的情况下, 通过促进土壤有效养分的增加可以加快细根的生长速率, 从而产生不同的分支结构以适应环境变化^[41], 且N+P处理能同时向土壤中输入N和P, 有效的缓解幼苗所受的N和P限制, 从而促进植物根系的生长以吸收更多的养分。植物细根长度越大表明其不仅侧根水平穿插范围广, 还可以往土壤更深处扎根, 从而吸收更大范围的土壤表层和更深土层的养分^[32]。

根系的表面积是植物细根的重要指标, 根尖具有吸收功能, 而根的体积与维持植物生长相关^[6], 均反映根系的发达程度, 且能够影响植物对养分和水分的吸收利用, 是保证植物健康生长的重要因素之一^[42]。闫小莉等^[43]的研究报道, 施肥能够促进欧美108杨(Populus × euramericana cv.‘Guariento’)的细根表面积和体积的增长。本研究中, 氮磷添加处理也促进了樟树幼苗细根体积、表面积和根尖数的增大, 且N+P处理的效果优于单一N或P处理。因为外源性养分输入能够提高土壤养分有效性, 从而影响细根的生产和生物量的累积, 并且N和P共同输入有利于土壤有效养分的平衡, 促进细根的生长, 进一步增大其吸收利用水分和养分范围。根尖数的明显增加可能是根中的细胞分裂素增加而产生的结果^[44]。

植物根系部分对地下土壤养分资源的竞争是自然界中的普遍现象, 甚至比地上部分的竞争更激烈^[45]。有研究表明, 种植密度对北京侧柏(Platycladus orientalis)人工林根系形态产生显著影响^[34]。本研究表明, 随着种植密度的增加, N、P和N+P处理的幼苗细根长度、表面积、体积和根尖数呈现下降趋势。由此可见, 幼苗间的竞争情况随着种植密度的增加而愈加激烈, 高种植密度缩小了幼苗获取养分资源的空间, 从而导致单株幼苗的养分吸收不足, 抑制了幼苗细根的生长。此外, 由于氮磷添加处理可以向幼苗土壤提供养分, 在一定程度上缓解了株间竞争强度, 所以N、P和N+P处理的幼苗细根形态指标在高密度时优于ck。也有研究表明, 植物根系的生长与分布状况受土壤N的影响较大^[33]。但是本研究中, 只有在低种植密度下, N和N+P处理的幼苗细根生长形态优于P处理, 在高种植密度下其优势不明显。这可能是因为高种植密度幼苗对养分的竞争更加激烈, 而本试验地区土壤的磷含量较低, 不足以维持和促进幼苗的生长发育, 而补充的氮素进一步加剧了P的匮乏程度^[46], 从而限制了根系的生长。

本研究表明, 氮磷添加对细根形态具有显著正效应, 密度对细根形态具有显著负效应, 而氮磷添加和密度的交互作用对细根形态没有显著影响, 说明密度消除了氮磷添加对细根形态的正效应。华南地区的土壤缺磷, 植物的生长和发育通常受到磷的限制, 氮和磷的添加处理增加了土壤有效P的含量, 促进了根系生长发育。随着种植密度的增大, ck、N和N+P处理下幼苗土壤有机质呈现下降的趋势, 且高种植密度减少了幼苗根系生长发育的空间, 抑制了幼苗细根的生长, 消除了因土壤养分增加而促进根系生长发育的正效应。