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水肥耦合对毛白杨林分土壤氮、细根分布及生物量的影响

刘峰 席本野 戴腾飞 于景麟 李广德 陈雨姗 王杰 贾黎明

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水肥耦合对毛白杨林分土壤氮、细根分布及生物量的影响

    作者简介: 刘峰。主要研究方向:用材林和能源林培育理论与技术。Email:962070300@qq.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院.
    通讯作者: 贾黎明,教授,博士生导师。主要研究方向:用材林和能源林培育理论与技术。Email:jlm@bjfu.edu.cn  地址:同上
  • 中图分类号: S792.117;S158.5

Effects of water and fertilizer coupling on soil nitrogen, fine root distribution and biomass of Populus tomentosa

  • 摘要: 目的 杨树速生丰产林是我国主要的纸浆兼用材林,较低的水肥利用效率容易造成土壤退化、环境污染甚至林分产量下降。因此,迫切需要探究适宜的水肥耦合策略,实现可持续发展。本研究通过探讨不同水肥耦合处理对根区土壤氮分布、根系分布以及林木产量的影响,旨在筛选出适宜毛白杨人工林的最佳水肥耦合措施。方法 以三倍体毛白杨为研究对象,设置3个灌溉水平:− 20 kPa(I20)、− 33 kPa(I33)、− 45 kPa(I45)和4个施N水平:0(F0)、120 kg/(hm2·a)(F120)、190 kg/(hm2·a)(F190)、260 kg/(hm2·a)(F260),并设置CK对照(不灌溉不施肥)。测定其全年的土壤NO3-N动态、细根分布以及生物量产量。结果 (1) 施N量和灌溉量显著增加NO3-N运移、分布和深层累积量,其中I20F260处理NO3-N深层浸出现象严重,而I20F120处理浸出量最小。(2) 水肥耦合管理可使根系分布浅层化;其中N肥供应可改变根系分布规律,灌溉促使根系分布表层化;而根系生长对N的响应取决于灌溉水平,其中I20F260处理根长密度(RLD)显著高于其他处理(P < 0.05)。(3) 不同处理NO3-N含量、RLD和整株生物量(TB),彼此间存在显著相关性。其中,土壤NO3-N含量与RLD存在显著抛物线回归关系(P < 0.05);因此,土壤养分差异是造成细根分布差异的重要因素。0 ~ 10 cm、20 ~ 40 cm土层RLD与TB呈极显著的抛物线回归关系(P < 0.01);可见,0 ~ 10 cm、20 ~ 40 cm土层适量的RLD有利于提高林木产量。其中,I20F120水肥耦合处理,林木年均生物量最高。结论 I20F120处理施N量是传统施N量的四分之一,且深层NO3-N浸出量最小,有效减轻对环境的污染;此外,能够形成适量的RLD,促进林木对土壤养分的吸收利用,并最终形成较高的林木产量和较高的水肥利用率等优点。因此推荐I20F120处理为砂地毛白杨人工林最佳水肥耦合措施。
  • 图 1  林地小区试验设计图

    Figure 1.  Test design of forest land plot

    图 2  2018年不同灌溉和施氮处理下0 ~ 140 cm土层NO3-N含量分布

    Figure 2.  NO3-N content distribution in the 0 − 140 cm soil layers under various irrigation and nitrogen treatments in 2018

    图 3  不同灌溉和施氮量处理毛白杨根长密度在不同土壤深度的分布

    Figure 3.  Distribution of root length density at different soil depth of Populus tomentosa under different irrigation and nitrogen application treatments

    表 1  试验地土壤理化性质

    Table 1.  Soil physical characteristics at the experimental site

    土壤深度
    Soil depth/
    cm
    土壤密度
    Soil bulk density/
    (g·cm− 3)
    饱和含水率
    Saturated water content/(cm3·cm− 3)
    田间持水量
    Field capacity/
    (cm3·cm− 3)
    全氮
    Total N/
    (g·kg− 1)
    铵态氮
    Ammonium nitrogen/
    (mg·kg− 1)
    硝态氮
    Nitrate nitrogen/
    (mg·kg− 1)
    有机质
    Organic matter/
    (g·kg− 1)
    0 ~ 20 1.43 0.43 0.35 0.31 1.65 1.52 5.77
    20 ~ 40 1.39 0.44 0.33 0.34 1.12 1.5 3.73
    40 ~ 60 1.41 0.44 0.34 0.13 1.44 1.13 2.29
    60 ~ 80 1.42 0.44 0.34 0.14 1.23 0.88 1.56
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    表 2  不同灌溉和施氮量下毛白杨0 ~ 80 cm土层根长度密度差异

    Table 2.  Difference of root length density at 0 – 80 cm soil layers of Populus tomentosa under different irrigation and nitrogen application treatments cm/cm 3

    土层深度
    Soil depth/cm
    I20F120I20F190I20F260I33F260I45F260 CK
    0 ~ 100.321 ± 0.005 77c0.359 ± 0.002 31b0.425 ± 0.008 66a0.292 ± 0.000 35d0.208 ± 0.006 35e0.151 ± 0.000 75f
    10 ~ 200.220 ± 0.002 31a0.170 ± 0.000 27b0.196 ± 0.001 73a0.151 ± 0.000 58b0.102 ± 0.000 61c0.096 ± 0.000 60c
    20 ~ 300.162 ± 0.016 35bc0.183 ± 0.000 58b0.288 ± 0.000 30a0.164 ± 0.011 21bc0.131 ± 0.000 58c0.082 ± 0.000 13d
    30 ~ 400.135 ± 0.000 04c0.209 ± 0.000 59b0.343 ± 0.000 02a0.183 ± 0.010 13b0.162 ± 0.000 14c0.056 ± 0.000 06d
    40 ~ 500.091 ± 0.000 09c0.136 ± 0.000 58b0.239 ± 0.000 26a0.114 ± 0.000 69c0.075 ± 0.000 05d0.042 ± 0.000 07e
    50 ~ 600.054 ± 0.162 50a0.102 ± 0.000 04a0.175 ± 0.000 02a0.075 ± 0.000 08a0.043 ± 0.000 12a0.037 ± 0.000 02a
    60 ~ 700.015 ± 0.000 14c0.069 ± 0.000 06b0.108 ± 0.000 10a0.043 ± 0.011 03b0.019 ± 0.000 08c0.033 ± 0.000 04c
    70 ~ 800.013 ± 0.000 05bc0.038 ± 0.000 03bc0.074 ± 0.000 02a0.004 ± 0.000 09d0.005 ± 0.000 07d0.057 ± 0.000 12b
    注:不同字母表示不同水肥耦合处理的根长密度(RLD)有显著差异(P < 0.05)。下同。Notes: different letters indicate significant differences(P < 0.05)in root length density(RLD)of different irrigation and nitrogen treatments. The same below.
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    表 3  硝态氮、RLD与TB间的相关性

    Table 3.  Correlation test of nitrate nitrogen, RLD and TB

    项目ItemNO3-NRLDTB
    硝态氮含量 NO3-N content10.773*− 0.887**
    RLD1− 0.634*
    TB1
    注:TB表示林木生物量;RLD表示根长密度;* 表示在P < 0.05水平差异显著;** 表示在P < 0.01水平极显著。下同。Notes: TB indicates total biomass of tree; RLD indicates root length density of tree; * indicates significant difference at P < 0.05 level;** indicates significant difference at P < 0.05 level. The same below.
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    表 4  2018年不同水肥耦合处理毛白杨RLD,TB和NO3-N含量间的回归关系

    Table 4.  Relationship between nitrate nitrogen, RLD and TB in Populus tomentosa at various coupling treatments of irrigation and fertilization in 2018

    土层深度
    Soil depth/cm
    硝态氮含量与根长密度
    NO3-N content & root length density
    土层深度
    Soil depth/cm
    根长密度与林木生物量
    Root length density & total biomass
    回归方程 Regression equationR2回归方程 Regression equationR2
    0 ~ 20Y = − 0.214x2 + 0.806x − 0.1540.806*0 ~ 10Y = − 241.53x2 + 155.42x − 3.2330.903**
    10 ~ 20Y = − 456.15x2 + 197.95x + 6.4200.755*
    20 ~ 40Y = − 0.424x2 + 1.457x − 0.7050.752*20 ~ 30Y = − 383.15x2 + 164.15x + 4.0550.862**
    30 ~ 40Y = − 182.83x2 + 89.845x + 10.2790.897**
    40 ~ 60Y = − 0.307x2 + 1.011x − 0.5420.239NS40 ~ 50Y = − 422.22x2 + 138.23x + 10.5460.733*
    50 ~ 60Y = − 673.86x2 + 151.75x + 13.4320.257NS
    注:NS 表示无显著性差异(P > 0.05)。NS means no significant difference (P > 0.05).
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    表 5  灌溉施肥处理对叶、枝、干、细根和总生物量的影响           t/hm2

    Table 5.  Effects of irrigation and nitrogen application rates on leaf, branch, trunk, fine-root and total biomass t/ha

    处理 Treatment叶 Leaf枝 Branch干 Trunk细根 Fine root总生物量 Total biomass
    I20F1205.18 ± 0.20 ab7.30 ± 0.73 a22.77 ± 1.54 a0.45 ± 0.10 b41.60 ± 2.39 a
    I20F1905.11 ± 0.65 ab6.78 ± 1.10 a19.73 ± 2.77 a0.44 ± 0.03 b37.51 ± 4.64 ab
    I20F2606.45 ± 0.51 a7.43 ± 1.17 a19.70 ± 1.02 a0.54 ± 0.12 a39.26 ± 1.14 a
    I33F2605.52 ± 0.75 ab8.15 ± 0.87 a21.77 ± 2.48 a0.36 ± 0.06 c40.33 ± 2.97 a
    I45F2604.91 ± 0.10 ab6.15 ± 0.59 a20.18 ± 2.00 a0.34 ± 0.07 c36.25 ± 3.02 ab
    CK3.71 ± 0.97 b5.62 ± 1.75 a14.61 ± 1.50 b0.21 ± 0.07 d26.84 ± 3.46 b
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-14
  • 录用日期:  2019-10-08
  • 网络出版日期:  2019-12-20
  • 刊出日期:  2020-01-01

水肥耦合对毛白杨林分土壤氮、细根分布及生物量的影响

    通讯作者: 贾黎明, jlm@bjfu.edu.cn
    作者简介: 刘峰。主要研究方向:用材林和能源林培育理论与技术。Email:962070300@qq.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院
  • 北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京 100083

摘要: 目的杨树速生丰产林是我国主要的纸浆兼用材林,较低的水肥利用效率容易造成土壤退化、环境污染甚至林分产量下降。因此,迫切需要探究适宜的水肥耦合策略,实现可持续发展。本研究通过探讨不同水肥耦合处理对根区土壤氮分布、根系分布以及林木产量的影响,旨在筛选出适宜毛白杨人工林的最佳水肥耦合措施。方法以三倍体毛白杨为研究对象,设置3个灌溉水平:− 20 kPa(I20)、− 33 kPa(I33)、− 45 kPa(I45)和4个施N水平:0(F0)、120 kg/(hm2·a)(F120)、190 kg/(hm2·a)(F190)、260 kg/(hm2·a)(F260),并设置CK对照(不灌溉不施肥)。测定其全年的土壤NO3-N动态、细根分布以及生物量产量。结果(1) 施N量和灌溉量显著增加NO3-N运移、分布和深层累积量,其中I20F260处理NO3-N深层浸出现象严重,而I20F120处理浸出量最小。(2) 水肥耦合管理可使根系分布浅层化;其中N肥供应可改变根系分布规律,灌溉促使根系分布表层化;而根系生长对N的响应取决于灌溉水平,其中I20F260处理根长密度(RLD)显著高于其他处理(P < 0.05)。(3) 不同处理NO3-N含量、RLD和整株生物量(TB),彼此间存在显著相关性。其中,土壤NO3-N含量与RLD存在显著抛物线回归关系(P < 0.05);因此,土壤养分差异是造成细根分布差异的重要因素。0 ~ 10 cm、20 ~ 40 cm土层RLD与TB呈极显著的抛物线回归关系(P < 0.01);可见,0 ~ 10 cm、20 ~ 40 cm土层适量的RLD有利于提高林木产量。其中,I20F120水肥耦合处理,林木年均生物量最高。结论I20F120处理施N量是传统施N量的四分之一,且深层NO3-N浸出量最小,有效减轻对环境的污染;此外,能够形成适量的RLD,促进林木对土壤养分的吸收利用,并最终形成较高的林木产量和较高的水肥利用率等优点。因此推荐I20F120处理为砂地毛白杨人工林最佳水肥耦合措施。

English Abstract

  • 杨树(Populus spp.)是我国重要的速生丰产树种,其栽植面积已达854 hm2,居世界首位(第七次森林清查)。但我国杨树人工林的生产力和质量普遍较低,远低于其潜在生产力以及国际中等水平,水肥管理措施低效是重要原因之一[1]。为提高杨树人工林生产力,迫切需要提高单位面积林地产量;诸多人工林采取不合理的灌溉和施肥,导致地下水过度开采和严重水体污染[2-3],造成生产成本较高[4],水肥利用效率较低[5],还可能会限制树木的生长潜力[6]。然而,水肥利用效率是限制杨树人工林高产的关键因素[7-8]。所以评估水肥的利用率对提高杨树人工林生产力,同时对减少环境污染和资源浪费至关重要。

    灌溉和施N对土壤NO3-N含量分布有显著影响,随着施N量的增加,地下水中的NO3-N明显累积[9],而过量灌溉是造成NO3-N淋失的主要原因之一[5]。因此,通过水肥管理提高人工林产量,其核心在于适宜的灌溉和施N量。华北平原常见的耕作施肥制度为 500 kg/(hm2·a),施N量显著较高[10],易造成资源浪费以及环境污染。因此,一个经济、高效、施N量相对较低的水肥管理措施有待研究。目前,水肥耦合措施已被广泛应用于农作物和果园栽植。Li等[11]研究发现,水肥耦合可实现节水、省肥,并可确保水肥的同步供应,从而提高水肥利用效率,实现水肥的可持续利用。目前,黄泛平原大部分杨树人工林采用传统的沟灌方式,由于该方式操作简单,因此在世界各地被广泛应用。但这种经营方式会造成根区水肥分布不均匀,甚至造成养分淋失[12]等问题。林木生长受根系吸收水肥的影响,同时根系分布又受水肥分布影响显著。适度的土壤含水量可显著提高深层土壤的根长密度[13],施N又能调节根系分布规律,促进根系对水肥的吸收利用[14]。与常规灌溉施肥方法相比,Xu等[15]研究也表明优化水肥供应可有效促进根系对土壤中N素和水分的吸收。因此,利用水肥耦合措施调控细根根长密度,促进根系延伸,提高沟灌系统中深根系比例,有效截留养分和水分,减少NO3-N的淋失,对于提高林分生产力极为重要[16]

    地处季节性干旱的黄泛平原,不同灌溉和施N量下的耦合处理对沟灌条件下三倍体毛白杨(Populus tomentosa)的生长和生物量累积的影响,目前尚未见报道。因此为了促进我国杨树人工林的资源利用率,实现生产力最大化,迫切需要对沟灌条件下水肥耦合管理措施进行定量研究。

    为此,本研究在黄泛平原砂质壤土上进行了2年的沟灌水肥耦合试验。旨在探讨不同水肥耦合处理对根区土壤NO3-N的分布及累积量、细根分布以及林木产量的影响,确定最佳的水肥耦合处理,在提高林地产量同时,提高毛白杨水肥利用效率。

    • 试验地位于山东省高唐县国有旧城林场(36°48′47″N, 116°05′25″E),海拔30 m,为暖温带半干旱季风区域大陆性气候,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,该地区多年平均气温13.2 ℃,最低− 20.8 ℃,最高可达41.2 ℃,无霜期191 ~ 217 d,林木生长季(4—9月)年平均降雨量约545 mm,年均蒸发量1 880 mm,地下水位6 m左右。试验区土壤剖面较为均一(0 ~ 100 cm),土壤密度平均值为1.41 g/cm3,田间持水量为34.0%(体积含水量,下同),饱和含水量为43.75%,土壤类型为砂壤土,土壤理化性质见表1

      表 1  试验地土壤理化性质

      Table 1.  Soil physical characteristics at the experimental site

      土壤深度
      Soil depth/
      cm
      土壤密度
      Soil bulk density/
      (g·cm− 3)
      饱和含水率
      Saturated water content/(cm3·cm− 3)
      田间持水量
      Field capacity/
      (cm3·cm− 3)
      全氮
      Total N/
      (g·kg− 1)
      铵态氮
      Ammonium nitrogen/
      (mg·kg− 1)
      硝态氮
      Nitrate nitrogen/
      (mg·kg− 1)
      有机质
      Organic matter/
      (g·kg− 1)
      0 ~ 20 1.43 0.43 0.35 0.31 1.65 1.52 5.77
      20 ~ 40 1.39 0.44 0.33 0.34 1.12 1.5 3.73
      40 ~ 60 1.41 0.44 0.34 0.13 1.44 1.13 2.29
      60 ~ 80 1.42 0.44 0.34 0.14 1.23 0.88 1.56
    • 供试林分为2016年栽植的三倍体毛白杨“S86无性系”,林木均匀栽植(株行距2 m × 3 m)。试验采用双因素完全随机区组设计(图1),5次重复(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ区组),设置3个灌溉水平:− 20 kPa(I20)、− 33 kPa(I33)、− 45 kPa(I45)和4个施N水平:0(F0)、120 kg/(hm2·a)(F120)、190 kg/(hm2·a)(F190)、260 kg/(hm2·a)(F260),组合成12个水氮耦合处理,另外设置空白对照CK,共65个小区,小区间嵌入1 m塑料布,消除处理间横向水养运移。各小区分为8条沟(8 m × 3 m),沟宽1 m,垄宽2 m,高20 cm,沟中心栽植4株毛白杨,株距为2 m。每条沟设置出水口,保证供水同步,灌溉量由开关顶部水表控制。

      图  1  林地小区试验设计图

      Figure 1.  Test design of forest land plot

      氮肥施用从4月20日开始,每20 d施一次,于7月1日结束,共6次。根据毛白杨先快后慢的生长节律[17],前3次为各处理总施N量的3/5,后3次为总施N量的2/5。施肥方式为随水施肥,即先在小区内灌溉5 m3水,灌溉结束后,将尿素均匀撒施。

      试验设置3个灌溉水平:− 20、− 33和− 45 kPa处理,即土壤水分有效性rθ为73.3%、57%、48%时开始灌溉,灌溉时刻由土壤张力计监测[18]。此外,为了林木更好的生长,在3月中旬对整个试验地进行展叶水灌溉,各小区灌溉8 m3水。

      同样试验设计在滴灌水肥耦合部分已有研究表明,不同处理存在耦合效应,且I20处理对林木生长促进效应突出[19],但并未区分不同施N水平下的差异,以及F260处理下,不同灌溉水平间的差异。因此,本试验选取I20F120、I20F190、I20F260、I33F260、I45F260和CK处理,探究充分灌溉条件下的3个施肥水平以及充分施肥条件下的3个灌溉水平,并与CK处理进行比较,明确不同水肥耦合处理下水、N在不同土层间的运移规律、根系的分布规律以及二者和林木生长间的关系。

    • 采用土钻分别于第一次施肥前和每次施肥后第3天采集[17](对地下滴灌条件下土壤水肥运移规律研究发现,施肥后第3天,尿素在土壤中经矿化等一系列反应后,土壤中NO3-N含量最高),共7次。取样位点在同一处理下选取3株标准木,使用土壤取样器在南北方向距树25 cm(湿润区)和80 cm(干燥区)处,进行土样采集。距树25 cm处,在0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm和80 ~ 100 cm土层采集(第4次施肥后,取样增加120 ~ 140 cm土层);距树80 cm处,在0 ~ 20 cm、40 ~ 60 cm和80 ~ 100 cm土层采集。取一半土壤样品,于105 ℃烘干至恒质量,以确定土壤含水量。剩余样品迅速储存在自封袋内,利用1 mol/L KCl溶液提取NO3-N,采用紫外分光光度计法进行测定。

    • 由于根系分布的空间异质性,针对已选定的6个试验处理,在Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ区组(第Ⅰ区组靠近公路,且有大树遮荫;第Ⅲ区组为仪器布设区,因此不在这俩个区组采集样品)分别选定标准木进行根系样品的采集,明确不同水肥耦合处理下细根的垂直分布规律。样品采集利用根系取样器(高30 cm,直径为10 cm)在水平距树30 cm处,垂直距离每10 cm取样,深度取至150 cm。所取根样经水冲洗,过2 mm筛,并冷冻保存。将获取的根样浸泡水中,过0.2 mm筛,用镊子对根系进行排列,采用Epson V750 Pro(Epson Inc., Beijing, China)进行根系扫描,各土层细根根长通过Win-RHIZOTM根系图像分析系统(Régent Instrument Inc., Québec, Canada)获取。其中各土层的根长密度(RLD)计算公式为:RLDx = Lx/VLx是指x土层的细根总长,V是指取样土芯的体积(785 cm3)。

    • 于生长季末期,在Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ区组选定的6个试验处理中,分别选取平均标准木共18棵。每株样树连根刨起,分成根、干、枝和叶4部分测定生物量。根系只刨取根桩周围大约2 m × 3 m的矩形区域,分为根桩、粗根(> 2 mm)、细根(< 2 mm)3类,洗净过筛,称取全部鲜质量,再选取部分样品(包含不同直径的根系)称量鲜质量和干质量,进而换算成相应生物量。称取主干全部鲜质量,并选取部分样品(主干每0.5 m截段时收集木屑)称量鲜质量和干质量,进而换算成相应生物量。将一级枝枝条及叶片样品进行含水量测定,进而换算成相应的生物量。将各部分累加获得总生物量。

    • 采用Excel 2010 进行数据整理,通过方差分析(ANOVA)对数据进行统计分析。采用SPSS17.0对各处理效果的显著性进行分析。方差分析和均值(n = 3)在5%水平下采用最小显著性差异法(LSD)进行比较。采用多元逐步回归分析方法,分析了根长密度与林木生物量间的关系。利用 Origin 2018软件绘图,Excel 2010进行制表。

    • 经6次取样分析发现,距树25 cm处,各处理NO3-N含量均随土层深度增加逐渐降低(图2)。I20处理,各土层NO3-N含量均随施N量增加而增加(F120 < F190 < F260)。F260处理,随灌溉量增加,0 ~ 40 cm土层NO3-N含量显著降低(I45 > I33 > I20),而100 ~ 140 cm土层NO3-N含量随灌溉量增加显著上升(I45 < I33 < I20),I20F260处理NO3-N含量最高。此外,各处理均在40 ~ 60 cm土层NO3-N含量有所累积,随施肥次数增加,累积现象明显。其中I33F260处理NO3-N含量最高。

      图  2  2018年不同灌溉和施氮处理下0 ~ 140 cm土层NO3-N含量分布

      Figure 2.  NO3-N content distribution in the 0 − 140 cm soil layers under various irrigation and nitrogen treatments in 2018

      在距树80 cm处,前3次施肥,不同处理间各土层NO3-N含量较低且无显著差异。但在第4次施肥后,各处理NO3-N含量随土层深度增加呈降低趋势。其中,0 ~ 60 cm土层NO3-N含量随施N量和灌溉量增加而增加,I20F260处理各土层NO3-N含量最高。

    • 不同水肥耦合处理各土层RLD与CK相比,CK处理在0 ~ 150 cm土层均有细根分布,且80 cm以下土层分布较多,而水肥耦合处理,细根主要分布在80 cm以上土层,其中高水高肥(I20F260)处理最利于毛白杨根系的生长和分布(图3)。不同水肥耦合处理RLD随土层深度增加整体呈下降趋势,但在20 ~ 80 cm土层,RLD随土层深度增加呈先增加后降低趋势,30 ~ 40 cm土层RLD较高。

      图  3  不同灌溉和施氮量处理毛白杨根长密度在不同土壤深度的分布

      Figure 3.  Distribution of root length density at different soil depth of Populus tomentosa under different irrigation and nitrogen application treatments

      I20处理下,随施N量和土层深度的增加,RLD呈先增加后降低的变化趋势,F260处理中显著高于其他处理(F260 > F190 > F120)(P < 0.05)(表2);由此可知,N肥供应可促进深层根系生长,改变根系分布规律。F260处理,不同灌溉处理各土层RLD变化趋势一致,但总体RLD呈I45 < I33 < I20,其中RLD在I20处理的0 ~ 10 cm土层深度显著高于其他处理(P < 0.05)。

      表 2  不同灌溉和施氮量下毛白杨0 ~ 80 cm土层根长度密度差异

      Table 2.  Difference of root length density at 0 – 80 cm soil layers of Populus tomentosa under different irrigation and nitrogen application treatments cm/cm 3

      土层深度
      Soil depth/cm
      I20F120I20F190I20F260I33F260I45F260 CK
      0 ~ 100.321 ± 0.005 77c0.359 ± 0.002 31b0.425 ± 0.008 66a0.292 ± 0.000 35d0.208 ± 0.006 35e0.151 ± 0.000 75f
      10 ~ 200.220 ± 0.002 31a0.170 ± 0.000 27b0.196 ± 0.001 73a0.151 ± 0.000 58b0.102 ± 0.000 61c0.096 ± 0.000 60c
      20 ~ 300.162 ± 0.016 35bc0.183 ± 0.000 58b0.288 ± 0.000 30a0.164 ± 0.011 21bc0.131 ± 0.000 58c0.082 ± 0.000 13d
      30 ~ 400.135 ± 0.000 04c0.209 ± 0.000 59b0.343 ± 0.000 02a0.183 ± 0.010 13b0.162 ± 0.000 14c0.056 ± 0.000 06d
      40 ~ 500.091 ± 0.000 09c0.136 ± 0.000 58b0.239 ± 0.000 26a0.114 ± 0.000 69c0.075 ± 0.000 05d0.042 ± 0.000 07e
      50 ~ 600.054 ± 0.162 50a0.102 ± 0.000 04a0.175 ± 0.000 02a0.075 ± 0.000 08a0.043 ± 0.000 12a0.037 ± 0.000 02a
      60 ~ 700.015 ± 0.000 14c0.069 ± 0.000 06b0.108 ± 0.000 10a0.043 ± 0.011 03b0.019 ± 0.000 08c0.033 ± 0.000 04c
      70 ~ 800.013 ± 0.000 05bc0.038 ± 0.000 03bc0.074 ± 0.000 02a0.004 ± 0.000 09d0.005 ± 0.000 07d0.057 ± 0.000 12b
      注:不同字母表示不同水肥耦合处理的根长密度(RLD)有显著差异(P < 0.05)。下同。Notes: different letters indicate significant differences(P < 0.05)in root length density(RLD)of different irrigation and nitrogen treatments. The same below.
    • 经三者相关性检验表明(表3),NO3-N分布与各土层RLD呈显著正相关(P < 0.05);NO3-N分布与林木生物量(TB)呈极显著负相关(P < 0.01);RLD与TB呈显著负相关关系(P < 0.05)。

      表 3  硝态氮、RLD与TB间的相关性

      Table 3.  Correlation test of nitrate nitrogen, RLD and TB

      项目ItemNO3-NRLDTB
      硝态氮含量 NO3-N content10.773*− 0.887**
      RLD1− 0.634*
      TB1
      注:TB表示林木生物量;RLD表示根长密度;* 表示在P < 0.05水平差异显著;** 表示在P < 0.01水平极显著。下同。Notes: TB indicates total biomass of tree; RLD indicates root length density of tree; * indicates significant difference at P < 0.05 level;** indicates significant difference at P < 0.05 level. The same below.

      各土层不同水肥耦合处理NO3-N含量与RLD间的回归关系由表4可知,0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm土层,NO3-N含量与RLD间呈显著抛物线回归关系(P < 0.05);I20处理下,40 cm以上土层两者呈正相关;在F260处理下,呈负相关;I45F260处理NO3-N含量显著低于(P < 0.05)其他处理。

      表 4  2018年不同水肥耦合处理毛白杨RLD,TB和NO3-N含量间的回归关系

      Table 4.  Relationship between nitrate nitrogen, RLD and TB in Populus tomentosa at various coupling treatments of irrigation and fertilization in 2018

      土层深度
      Soil depth/cm
      硝态氮含量与根长密度
      NO3-N content & root length density
      土层深度
      Soil depth/cm
      根长密度与林木生物量
      Root length density & total biomass
      回归方程 Regression equationR2回归方程 Regression equationR2
      0 ~ 20Y = − 0.214x2 + 0.806x − 0.1540.806*0 ~ 10Y = − 241.53x2 + 155.42x − 3.2330.903**
      10 ~ 20Y = − 456.15x2 + 197.95x + 6.4200.755*
      20 ~ 40Y = − 0.424x2 + 1.457x − 0.7050.752*20 ~ 30Y = − 383.15x2 + 164.15x + 4.0550.862**
      30 ~ 40Y = − 182.83x2 + 89.845x + 10.2790.897**
      40 ~ 60Y = − 0.307x2 + 1.011x − 0.5420.239NS40 ~ 50Y = − 422.22x2 + 138.23x + 10.5460.733*
      50 ~ 60Y = − 673.86x2 + 151.75x + 13.4320.257NS
      注:NS 表示无显著性差异(P > 0.05)。NS means no significant difference (P > 0.05).

      不同土层RLD与TB间的回归分析表明(表4),在0 ~ 10 cm、20 ~ 30 cm土层两者呈极显著抛物线回归关系(P < 0.01);在10 ~ 20 cm、30 ~ 50 cm土层呈显著的抛物线回归关系(P < 0.05)。

      I20F120处理,林木年均生物量最高(表5)。在相同的灌溉水平下(I20),将施N水平从120 kg/(hm2·a)逐步提高到260 kg/(hm2·a),林木产量差异不显著。

      表 5  灌溉施肥处理对叶、枝、干、细根和总生物量的影响           t/hm2

      Table 5.  Effects of irrigation and nitrogen application rates on leaf, branch, trunk, fine-root and total biomass t/ha

      处理 Treatment叶 Leaf枝 Branch干 Trunk细根 Fine root总生物量 Total biomass
      I20F1205.18 ± 0.20 ab7.30 ± 0.73 a22.77 ± 1.54 a0.45 ± 0.10 b41.60 ± 2.39 a
      I20F1905.11 ± 0.65 ab6.78 ± 1.10 a19.73 ± 2.77 a0.44 ± 0.03 b37.51 ± 4.64 ab
      I20F2606.45 ± 0.51 a7.43 ± 1.17 a19.70 ± 1.02 a0.54 ± 0.12 a39.26 ± 1.14 a
      I33F2605.52 ± 0.75 ab8.15 ± 0.87 a21.77 ± 2.48 a0.36 ± 0.06 c40.33 ± 2.97 a
      I45F2604.91 ± 0.10 ab6.15 ± 0.59 a20.18 ± 2.00 a0.34 ± 0.07 c36.25 ± 3.02 ab
      CK3.71 ± 0.97 b5.62 ± 1.75 a14.61 ± 1.50 b0.21 ± 0.07 d26.84 ± 3.46 b
    • NO3-N是林木从土壤中吸收的主要N源之一。Xue等[20]研究表明灌溉水平和施N量均能显著影响NO3−-N在土壤中的含量和分布。但也有研究表明灌溉水平和施N量不会影响NO3−-N在土壤中的含量和分布[21]。相反的结论,可能是由于林木的种类、灌溉和施N管理方式、降雨、土壤质地或栽植方式的不同所造成[22]。本研究表明,距树25 cm处,施N量对NO3-N累积影响显著,灌溉量显著影响NO3-N的运移和分布。同一灌溉条件下,施N量增加,NO3-N在土壤剖面中的累积量逐渐增加。施N量相同时,随灌溉量增加,NO3-N在100 ~ 140 cm土层逐渐累积,但在0 ~ 40 cm土层逐渐降低。以上研究结果表明,NO3-N的深层渗漏量随施N量和灌溉量的增加而增加。与土壤中的其他营养元素(P、K等)相比,NO3-N具有较高的流动性。试验地位于黄泛平原,林地土壤呈砂质壤土,结构松散,保水保肥能力较弱。而灌溉和施肥的有效性主要取决于林木根系细根的截留和吸收,以及林木自身的可控性[23]。本研究还发现不同水肥耦合处理,NO3-N在40 ~ 60 cm土层有所累积,其中I33F260处理累积量最高。这是由于40 ~ 60 cm土层粘粒含量较上层土壤高,使得该土层渗流作用相对较弱,可保留部分硝酸盐。各水肥耦合处理间相比,I20F260处理中,NO3-N在100 ~ 140 cm土层浸出现象严重,这将对地下水造成很大的硝酸盐污染风险。

      在距树80 cm处,前期不同处理,各土层NO3-N含量差异不显著;而在7月,处理间差异逐渐显现。前期NO3-N含量较低,但表层NO3−-N含量稳定,这是由于林木对矿质N的吸收与N矿化和大气N沉降对土壤N补充之间的平衡[24]。但在试验后期,各处理间0 ~ 60 cm土层NO3−-N含量逐渐显现差异,且随施N和灌溉量增加而增加。这是由于该地区从7月开始进入雨季,土壤含水量升高,促进土壤内NO3-N的横向运移。这使距树80 cm处各土层NO3-N含量均有所升高。在降雨的影响下,不同水肥耦合处理间相比,高肥处理在距树80 cm处NO3-N含量均相对较高;而在施N量相同的条件下,高水处理NO3-N含量较高。这与距树25 cm处NO3-N运移和分布所得结论一致,施N量显著影响NO3-N累积,灌溉量显著影响NO3-N运移与分布。

    • 根系生长是由遗传特性和土壤特性共同决定的[25]。根系生长的可塑性较高,可以通过不同的水分和施N量来改变根系性状,从而改变细根对土壤中水分和养分的吸收和利用[26]。已有研究表明,根系吸收效率主要取决于细根的长度,而非干物质[20],因此我们对RLD进行研究。RLD是单位体积内的根长,灌溉和施肥管理措施显著影响着RLD的数量和分布,而RLD的数量分布差异会影响根系对土壤水和N的吸收,进而影响林木生长。

      根系的时空分布特征与土壤水分和养分的分布有关,而根系的生长发育与林分产量密切相关[27]。根系分布与土壤养分含量显示根系生长的趋肥性、趋氧性以及向水性[28]。本研究通过CK处理发现,自然生长下的毛白杨,由于对养分、空气和水分的特定取向,RLD在80 ~ 150 cm土层显著高于其他水肥耦合处理,也表明毛白杨自然生长下深根系的存在[29]。因此,该研究通过设定不同水肥耦合组合,优化水肥施用策略,来调节林木根系分布,从而提高林分产量。我们发现水肥管理措施可使根系分布浅层化,相比CK差异显著。增加根系在0 ~ 60 cm土层的生长和分布,减少过多根系为探索深层土壤水分和养分在60 cm以下或深层土壤生长,减少生物量资源浪费,从而提高林木产量。

      本研究发现,随灌溉和施N量的增加,毛白杨RLD呈增加趋势。在施N量相同的条件下,RLD随灌溉量降低而降低,I45F260处理显著低于其他处理;与I20F260处理相比,水分不足而施N量过高,会使林地土壤盐浓度较高,造成根系水分胁迫,影响细根生长发育。此外,水分胁迫会抑制根系后期或次生根系的形成[30],造成细根呼吸和活性较低,水分和养分的吸收受到抑制,根系生物量下降[31]。而一个合适的灌溉水平将改善林地土壤的通气性,调节根系的呼吸作用,减少土壤中的有毒物质,增强侧根生长,改变根系分布比例,促进对土壤中水分和养分的吸收和利用[7],最终影响林木产量。本研究表明,I20处理RLD随施N量的升高而升高,其中F260处理的RLD最高。可见根系生长对N的响应取决于灌溉水平,与Chen等[32]的研究结果一致。

      此外,结合土壤中水肥分布规律发现,由于60 cm土层土壤粘粒含量升高,保水保肥能力提升,能够为根系生长提供良好的水肥资源,导致不同处理在20 ~ 80 cm土层RLD分布随土层深度增加表现为先增加后降低趋势。因此,土壤水肥资源有效性的垂直分布差异是造成毛白杨幼林细根垂直分布差异的重要因素,这与闫小莉等[33]所得结论一致。

    • 毛白杨林分对不同水肥耦合处理的响应长期以来深受关注。灌溉和施肥促进细根的生长,RLD的数量和分布影响细根对土壤中水分和氮素的吸收,进而促进林木生长。本研究中,I20F120处理林木年均生物量最高(表5),灌溉充足条件下,林木产量随施N量增加差异不显著。前人研究也表明适宜的灌溉和施N处理与林木生产力之间存在积极的相互作用[34],当N素水平较高时,产量随施N水平的增加响应不显著[35]。但本研究发现,土壤中NO3-N含量与林木产量呈极显著负相关关系(表4)。由于水分和N在林木生长过程中至关重要,水分缺失会阻碍林木生长;当过量施N时,由于林木营养生长过度以及较高的蒸腾需求造成土壤水分消耗过快,促使林木遭受干旱胁迫[36]。I20F260水肥耦合处理中,毛白杨根系在0 ~ 80 cm土层发育良好,且显著高于其他处理,但林木生物量总量并不突出,且随土层深度增加,RLD显著降低;结合NO3-N分布,可见该处理最终导致水资源浪费,养分流失,并造成环境污染。此外,提高灌溉和施N量可增加根生物量累积,但不会显著提高林木产量。这是由于大量的养分用于细根的生长,促使营养生长过度,这延长了林木的生长发育周期,为林木进一步生长奠定基础[6]

      I45F260处理的根长密度显著低于其他水肥耦合处理( P < 0.05),这是由于过高的盐浓度会对林木根系生长造成一定的毒害作用,抑制细根生长[32]。RLD与TB在不同水肥耦合处理50 cm以上土层中的回归关系拟合程度较好,即50 cm以上土层的细根显著影响林木生长;且呈抛物线回归关系,因此过高或过低的RLD均不利于林木产量的提高。I20F260处理各土层RLD显著高于(P < 0.05)其他处理,但林木产量较低,这是由于水分和N供应充足的条件下,过多的养分用于根系生长,分配在其他部位的养分相对较少[5],因此I20F260处理林木产量较低。

    • 水肥耦合措施对林木产量、NO3-N分布以及根系分布有较强的影响。施N量影响土壤中NO3-N的累积,灌溉量影响NO3-N的运移和分布;施N量和灌溉量的增加会促进NO3-N的深层渗漏。经相关性和回归分析发现,土壤养分差异是造成细根分布差异的重要因素,且不同水肥耦合处理均可使根系分布浅层化。而且,浅土层适量的RLD有利于提高林木产量。但过高或过低的RLD均不利于林木产量的形成。整体看来,沟灌水肥耦合体系中,I20F120处理深层NO3-N浸出量最小,能够形成适量的RLD,促进林木生长,最终提高产量。因此,I20F120处理能够有效提高林木产量,同时提高水分和N素的利用率。

参考文献 (36)

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