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《生態與農村環境學報》2015年第四期

近年來，氮肥的大量施用成為農業面源污染的主要污染源之一。太湖流域自20世紀80年代以來，農作物種植存在超高量使用氮肥的普遍現象，施氮量甚至達到600～675kg•hm－2，而其平均利用率為20%～25%，致使多余的氮素成為太湖流域面源污染的重要來源［3］。細根是植物從土壤吸收水分和礦質元素的主要器官［4］。據估計，高達33%的全球年凈初級生產力被用于細根周轉［5］。在農林間作系統中，農作物和林木間通過對光、水分和養分等資源的吸收利用而存在著相互關系，且較大程度上源自根系的相互作用［6－7］。細根的空間結構和分布特征決定了植物個體間或種群間對土壤中水分、養分資源的競爭能力和強度［8－9］。在太湖流域構建農林間作系統，已成為維持農作物生產、減少養分流失的重要措施之一。然而，目前對于太湖流域間作系統中植物根系分布特征的研究尚鮮見報道，不能有效評價間作系統構建對控制養分隨近地表徑流或地下徑流流失的作用。該文采用分層挖掘法，研究不同施氮肥水平下，楊樹－冬小麥間作(簡稱楊麥間作)系統中不同生育階段冬小麥與楊樹細根的空間分布特征，探討間作系統中林木根系在減少養分流失方面的作用，旨在為探討太湖地區楊麥間作系統養分分布特征及流失特征提供理論依據。

1研究方法

1.1研究區概況研究區位于太湖之濱的江蘇省宜興市周鐵鎮沙塘港村(31°07'～31°37'N，119°31'～120°03'E)，屬亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫15.7℃，平均無霜期為239d，平均降水量為1277.1mm，降水集中于6—8月。當地主要耕作方式為麥菜輪作，研究區土壤的基本理化性質見表1。楊麥間作(P-W)系統中楊樹為4年生歐美35楊(Populus×euramericanacv．‘I－35’)，株行距為2m×5m，冬小麥品種為揚麥15。以冬小麥單作〔W(CK)〕為對照。

1.2試驗設計在楊麥間作系統與單作地，各設4個施氮水平，分別為不施肥(N0)、減量施氮70kg•hm－2(N70)、常規施氮140kg•hm－2(N140)和增量施氮210kg•hm－2(N210)。每個處理設3次重復，共24個小區，隨機區組排列，小區面積為102m2。各小區之間用PVC板隔開，隔板地上部分高度為15cm，插入地下部分深度為40cm。每個小區在60cm深度埋設淋溶裝置，淋溶裝置由直徑為10cm的白色PVC管制成，底端封閉，防止漏水，頂端管蓋可以打開抽取水樣。埋設的淋溶管與樹行的距離分別為0.5、1.5m或位于單作小麥田中心。冬小麥于2010年11月19日播種，2011年6月5日收獲，氮肥按質量比6∶4分別在播種時作為基肥及冬小麥孕穗期追肥施入。所用基肥為復合肥和碳酸氫銨，追肥為尿素，磷肥和鉀肥在施基肥時一次性施入，撒施后翻耕覆土。

1.3測定指標與方法

1.3.1細根樣品的采集分別于冬小麥拔節期、孕穗期、灌漿期和成熟期，對單作地、楊麥間作系統內距樹行東西兩側0.5〔P-W(0.5)〕和1.5m〔P-W(1.5)〕處用土鉆采集根系樣品，分0～20、＞20～40、＞40～60和＞60～80cm這4層采樣。將采集的樣品先用清水浸泡數小時，再置于孔徑為0.25mm的土壤篩內用水沖洗，細根用清水沖洗干凈后剔除雜質，按照楊樹和冬小麥的根系形態特征區分根系，4℃條件下冷藏，以備測定。

1.3.2根長密度和根干質量的測定根長密度(根系總長/體積，cm•cm－3)采用WinRHIZO根系掃描儀與Reg2005c軟件進行測定分析。將掃描完畢的根系進行烘干，測定根干質量(根系總質量/體積，g•cm－3)。

1.3.3淋溶水樣收集與指標測定采樣時間為降水結束后的第2天，每次所有點位的水樣在1d之內采集完。淋溶水用小型水泵抽取，裝入250mL塑料瓶中，每瓶滴1～2滴0.1mol•L－1硫酸，帶回實驗室后放入－4～0℃冰箱內冰凍保存。水樣中硝態氮含量采用紫外分光光度法測定，銨態氮含量采用靛酚藍比色法測定。

1.3.4數據分析及計算公式采用MicrosoftExcel2007軟件進行數據處理分析。

2結果與分析

2.1不同施肥量下冬小麥細根根長密度和根干質量的時空分布2.1.1根長密度細根根長密度能直觀地說明根系在土體中的分布狀況。不同施氮量處理下，單作地與間作系統冬小麥各生育期0～80cm土層的細根根長密度見表2。由表2可知，隨著施氮量的增加，單作地與間作系統冬小麥細根根長密度增加。單作地N210處理各生育期冬小麥平均根長密度分別比N0、N70和N140處理高33.53%、17.69%和8.03%。間作系統中距離楊樹1.5m處N210處理各生育期冬小麥平均根長密度分別比N0、N70和N140處理高38.80%、21.35%和7.36%，而距離楊樹0.5m處N210處理各生育期冬小麥平均根長密度分別比N0、N70和N140處理高45.07%、24.57%和12.46%。結果表明，施肥量的增加有利于促進根系的生長，增加細根的分布。農林間作系統內越靠近林帶的冬小麥根系越少，根長密度越小。以拔節期為例，N210處理在0～80cm土層內，距樹行0.5m處根長密度為5.42cm•cm－3，低于1.5m處的5.82cm•cm－3。對比分析單作地與間作系統冬小麥細根根長密度得出，0～80cm土層內，單作冬小麥細根根長密度均大于間作根長密度。以N210處理為例，間作系統距樹行0.5和1.5m處冬小麥根長密度比單作地分別降低15.31%和11.56%，這意味著間作系統中楊樹與冬小麥根系的生長與分布之間存在競爭。不同生育期冬小麥細根根長密度具有明顯差異，單作地和間作系統冬小麥細根根長密度最大值均出現在灌漿期(表2)。2.1.2根干質量根干質量亦是根系研究的重要指標之一。不同施氮量處理下，單作地與間作系統中各生育期單位土體冬小麥的根干質量見表3。由表3可知，隨著施氮量的增加，單作地與間作系統冬小麥根干質量增加。單作地N210處理各生育期冬小麥平均根干質量分別比N0、N70和N140處理高36.19%、17.49%和8.65%。間作系統中距離楊樹1.5m處N210處理各生育期冬小麥平均根干質量分別比N0、N70和N140高39.57%、19.23%和10.47%，而距離楊樹0.5m處N210處理各生育期冬小麥平均根干質量分別比N0、N70和N140處理高41.38%、21.55%和11.13%。間作系統內距離林帶近的冬小麥根干質量減少。以成熟期為例，在0～80cm土層內，N210處理距樹行距0.5m處根長密度為14.83×10－4g•cm－3，低于1.5m處的15.30×10－4g•cm－3。與單作地相比，不同生育期間作系統冬小麥根干質量減少。以N210處理為例，間作系統距樹行0.5和1.5m處冬小麥根干質量比單作地分別降低9.66%和7.02%，但減少幅度小于根長密度。冬小麥細根根干質量在不同生育期具有明顯的動態性，與根長密度相同，單作地和間作系統冬小麥細根干質量最大值出現在冬小麥灌漿期(表3)。

2.2不同施氮量下楊樹細根的空間分布對4年生楊樹細根的空間分布規律(表4)進行分析，發現越靠近林帶，細根根長密度與根干質量越大。就N0處理而言，距樹行距0.5m處平均根長密度和根干質量比距樹行距1.5m處分別高39.29%和47.66%，這意味著楊樹根系密集分布在樹干周圍，有利于吸收更多的土壤養分和水分。隨著土壤深度的增加，楊樹細根分布量呈總體下降趨勢。0～20cm土壤中楊樹細根根長密度與根干質量均約占總量的50%，是細根主要分布區域，且會與冬小麥根系產生土壤水分和養分的競爭。40cm以下土層楊樹根干質量占總量的25.07%，顯著高于冬小麥的分布(13.82%)。隨著施氮量的增加，楊樹細根根長密度與根干質量均增加。N210處理距樹干0.5和1.5m處根長密度分別比N0處理增加16.75%和14.81%，N210處理距樹干0.5和1.5m處根干質量分別比N0處理增加11.88%和18.77%。另外，隨著施肥量的增加，＞40～80cm土壤層楊樹細根根長密度與根干質量所占比例增加(表5)。由表5可知，N210處理距樹干0.5和1.5m處＞40～80cm楊樹細根根長密度所占比例比N0處理分別高21.15%和28.16%，N210處理距樹干0.5和1.5m處＞40～80cm楊樹細根根干質量分別比N0處理增加8.83%和10.27%。

2.3間作系統對淋溶水硝態氮和銨態氮含量的影響不同施氮量處理下楊麥間作系統與小麥單作地淋溶水中硝態氮與銨態氮含量見表6。由表6可知，楊麥間作系統不同施氮量處理淋溶水中硝態氮含量絕大部分情況下低于小麥單作地。在間作系統中，距樹干不同距離處其淋溶水硝態氮含量也有差異，灌漿期差異最大，距樹干0.5和1.5m處淋溶水硝態氮含量比單作小麥地分別減少55.49%和49.08%。間作系統中各施氮量處理淋溶水中銨態氮含量與冬小麥單作地的差異較小，說明間作系統主要減少淋溶水中硝態氮流失量，而對銨態氮影響較小。

3討論

養分的空間有效性與植物根系在土體中的空間分布密切相關，根長密度與根干質量是評價植物吸收氮磷等養分效率的重要參數，其大小與近地表土層對硝態氮的吸收效率密切相關。筆者研究發現，間作系統中冬小麥細根根長密度與單位土體根干質量低于冬小麥單作，間作系統中土壤深層及靠近楊樹樹干的冬小麥根系量逐漸減少，這與馬長明等和彭曉邦等［15］分別對核桃(Juglansre-gia)－黃芩(Scutellariabaicalensi)農林復合系統的研究結果表現出相似的規律，研究結果表明楊樹的存在影響冬小麥根系的分布，尤其離樹干50cm范圍內脅地現象明顯，抑制冬小麥細根的生長與分布。0～20cm土層楊樹細根根長密度和根干質量均約占總量的50%，與冬小麥細根分布產生重疊，這意味著兩者對近地表土壤養分的利用會產生競爭，與XU等和朱首軍等［17］分別對核桃－大豆和花椒－小麥間作系統的研究結果相似。因此，通過優化農林間作各組分的時空配置來降低對養分的競爭，有利于促進和提高系統的養分循環效率。不同生育期冬小麥細根根長密度與根干質量最大值出現在灌漿期，隨后減少，說明生長后期根系死亡和腐解速度增加，這與馮福學等［18］和李鴻斐等［19］對冬小麥的研究結果一致，表現出相同的動態變化規律。施肥可以改善土壤的養分狀況，促進根系生長，為植物吸收水分和養分創造有利條件，從而提高植物產量［20］。筆者研究結果表明，隨著施肥量的增加，冬小麥與楊樹的細根根長密度和根干質量增加，有利于促進冬小麥產量的提高。另外，有研究表明，太湖地區農田硝態氮淋溶量隨著施肥量的增加而增加。因此，楊樹細根增加，尤其是＞40～80cm土壤層細根所占比例高于冬小麥，有利于增加對氮素的吸收，從而減少養分隨近地表徑流或地下徑流的流失。

4結論

(1)單作地冬小麥根長密度與單位土體根干質量均大于間作系統，間作系統中越靠近林帶的冬小麥根長密度和單位土體根干質量越小，楊樹明顯抑制冬小麥根系的生長與分布。(2)單作地和間作系統冬小麥細根根長密度和單位土體根干質量最大值均出現在灌漿期。(3)隨著施氮量的增加，冬小麥和楊樹細根根長密度和單位土體根干質量均有所增加，且在間作系統中＞40～80cm土層楊樹細根根長密度與單位土體根干質量所占比例增加。(4)間作系統減少了硝態氮隨淋溶的流失量，灌漿期減少幅度為49.08%～55.49%。

作者：吳永波 吳殿鳴 薛建輝 褚軍 單位：南京林業大學南方現代林業協同創新中心 南京林業大學江蘇省林業生態工程重點實驗室