高寒区氮添加和间作种植互作对燕麦和豌豆根系构型影响的研究

doi:10.11686/cyxb2023155

草业学报 ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (3): 73-84.DOI: 10.11686/cyxb2023155

高寒区氮添加和间作种植互作对燕麦和豌豆根系构型影响的研究

鲍根生¹^,²(), 李媛¹^,³, 冯晓云¹^,³, 张鹏¹^,³, 孟思宇¹^,³

^1.青海省畜牧兽医科学院，青海西宁 810016
^2.青海省青藏高原优良牧草种质资源利用重点实验室，青海西宁 810016
^3.青海大学畜牧兽医科学院，青海西宁 810003

收稿日期:2023-05-09 修回日期:2023-08-28 出版日期:2024-03-20 发布日期:2023-12-27
通讯作者: 鲍根生
作者简介:鲍根生（1980-），男，青海乐都人，副研究员，博士。E-mail： E-mail： baogensheng2008@hotmail.com
鲍根生（1980-），男，青海乐都人，副研究员，博士。E-mail： baogensheng2008@hotmail.com
基金资助:
青海省科技厅应用基础研究(2022-ZJ-715);国家自然科学基金项目(32060398)

Interactive effects of intercropping patterns and nitrogen addition on root architectural characteristics of oat and pea in an alpine region

Gen-sheng BAO¹^,²(), Yuan LI¹^,³, Xiao-yun FENG¹^,³, Peng ZHANG¹^,³, Si-yu MENG¹^,³

^1.Qinghai Academy of Animal Science and Veterinary Medicine，Xining 810016，China
^2.Key Laboratory of Superior Forage Germplasm in the Qinghai-Tibetan Plateau，Xining 810016，China
^3.Academy of Animal Science and Veterinary Medicine，Qinghai University，Xining 810003，China

Received:2023-05-09 Revised:2023-08-28 Online:2024-03-20 Published:2023-12-27
Contact: Gen-sheng BAO

摘要/Abstract

摘要：

种间根系的相互作用是禾豆间作体系系统生产力提升的关键途径，外源氮素添加也能显著改变植物根系构型。然而，有关氮添加和间作种植方式对燕麦和豌豆根系构型影响的研究鲜有报道。基于此，本研究以燕麦和豌豆为对象，比较氮添加和不同间作种植方式对燕麦和豌豆生物量、根系形态及构型的影响。结果表明：1）高氮隔行间作燕麦地上和地下生物量最高，而高氮单播豌豆生物量最高；2）高氮隔行间作燕麦除根体积和根尖数外，其他根系形态参数显著高于单播燕麦，高氮单播豌豆的根表面积、根体积和根尖数最高，而未添加氮单播豌豆的分叉数、内部和外部连接数最高；3）高氮间作燕麦拓扑指数和分形维数较高，未添加氮单播豌豆分形维数较高；4）氮添加和间作种植可增加燕麦根体积、根表面积、外部连接数和促进侧根生长，而间作种植和氮添加却降低豌豆根系连接数、根尖数、内部连接数和抑制侧根发育。由此可见，氮添加和间作种植通过增加燕麦根系与土壤接触面积强化燕麦获取土壤的能力，进而使间作燕麦生物量快速增加，这将为燕麦和豌豆间作体系中燕麦常表现出强竞争力和积累高生物量提供直接证据。

关键词: 燕麦, 豌豆, 间作, 根系形态, 拓扑结构

Abstract:

Interspecific interactions among plant roots are a crucial pathway to improve the productivity of intercropping systems， and the addition of exogenous nitrogen also plays an important role in altering the architectural characteristics of plant roots. However， few studies have explored the interactive effects of intercropping patterns and nitrogen addition on the architectural characteristics of roots in intercropping systems. We conducted a field experiment to examine the effect of intercropping patterns and nitrogen addition on plant biomass and on the morphological and architectural characteristics of roots in oat-pea intercropping systems. We found that the highest values of above- and belowground biomass for oat were in the alternate-row intercropping system with high nitrogen addition， whereas the maximum biomass of pea was in a monoculture with no nitrogen addition. The root morphological traits of oat in the alternate-row intercropping system with high nitrogen addition were superior to those of monocultured oat. In contrast， in pea， the maximum root area， root volume， and number of root tips were in a monoculture with high nitrogen addition， while the highest number of root forks and maximum altitude and magnitude of roots was in a monoculture with no added nitrogen. The maximum values for the altitude and magnitude of oat roots were in an alternate-row intercropping system， while the maximum value for the altitude of pea roots was in a monoculture with no nitrogen addition. Furthermore， nitrogen addition and intercropping simultaneously had positive effects on oat roots through increasing the root area， volume， and magnitude， and promoting lateral root growth， but had negative effects on pea roots by decreasing the number of connections and tips， reducing the root altitude， and suppressing the growth of lateral root growth. Our findings suggest that both nitrogen addition and intercropping can strengthen the nutrient absorption capacity of roots by increasing the contact area between roots and soil， leading to greater accumulation of biomass. These findings support the hypothesis that oat shows stronger competitiveness and higher productivity than pea when grown in oat-pea intercropping systems.

Key words: oat, pea, intercropping, root morphology, topological structure

鲍根生, 李媛, 冯晓云, 张鹏, 孟思宇. 高寒区氮添加和间作种植互作对燕麦和豌豆根系构型影响的研究[J]. 草业学报, 2024, 33(3): 73-84.

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图/表 5

表1 主区（氮添加）和裂区（间作种植方式）对燕麦和豌豆生物量及根系形态影响的方差分析

Table 1 ANOVA of above- and belowground biomass and root morphological parameters in monocropped， mixed and alternate-row intercropped planting patterns for oat and pea under different nitrogen levels

物种 Species	测试指标 Measurements	主区效应Main block effects （M）		裂区效应Split block effects （S）		交互效应 M×S
物种 Species	测试指标 Measurements	F	P	F	P	F	P
燕麦 Oat	地上生物量 AB	17.46	0.01	7.84	<0.01	3.63	<0.01
	地下生物量 BB	106.94	<0.01	8.40	<0.01	26.32	<0.01
	根表面积RSA	116.63	<0.01	15.99	<0.01	11.39	<0.01
	根体积RV	287.58	<0.01	4.76	0.02	7.59	<0.01
	根系平均直径RAD	53.13	<0.01	3.71	0.05	13.78	<0.01
	连接数 Co	79.98	<0.01	40.69	<0.01	11.02	<0.01
	根尖数RT	15.19	<0.01	6.39	<0.01	0.87	0.50
	分叉数 F	148.56	<0.01	176.19	<0.01	21.50	<0.01
	内部连接 Ic	148.31	<0.01	16.45	<0.01	8.96	<0.01
	外部连接 Ec	402.64	<0.01	193.66	<0.01	45.83	<0.01
	分形维数 FD	11.86	<0.01	4.61	0.02	1.00	0.43
	拓扑指数 TI	88.36	<0.01	124.32	<0.01	58.55	<0.01
豌豆 Pea	地上生物量 AB	21.21	0.01	23.26	<0.01	8.43	<0.01
	地下生物量 BB	1.89	0.17	17.82	<0.01	1.23	0.32
	根表面积RSA	5.98	0.01	90.73	<0.01	47.08	<0.01
	根体积RV	28.67	<0.01	52.26	<0.01	38.84	<0.01
	根系平均直径RAD	2.19	0.14	4.78	0.02	11.78	<0.01
	连接数 Co	25.37	<0.01	171.74	<0.01	49.22	<0.01
	根尖数RT	3.32	0.06	86.61	<0.01	17.54	<0.01
	分叉数 F	6.81	<0.01	107.12	<0.01	40.50	<0.01
	内部连接 Ic	34.34	<0.01	302.06	<0.01	82.50	<0.01
	外部连接 Ec	39.60	<0.01	419.59	<0.01	97.37	<0.01
	分形维数 FD	0.18	0.84	4.89	0.02	2.10	0.12
	拓扑指数 TI	190.28	<0.01	0.21	0.82	19.31	<0.01

图 1 氮添加对单播、同行混合和隔行间作种植燕麦和豌豆生物量的影响大写字母表示不同氮添加水平下，单播、同行混合或隔行间作种植燕麦、豌豆在0.05水平上差异显著（P<0.05）；小写字母表示相同氮添加水平下，单播、同行混合和隔行间作种植燕麦、豌豆在0.05水平上差异显著（P<0.05），下同。The capital letters indicated difference of oat and pea in the same monocropped， mixed and alternate-row intercropped planting patterns among different nitrogen addition was significant at 0.05 level； The lowercase letters indicated difference of oat and pea in monocropped， mixed and alternate-row intercropped planting patterns within the identical nitrogen level was significant at 0.05 level. The same below.

Fig.1 Effect of nitrogen addition on above- and belowground biomass of monocropped， mixed and alternate-row intercropped planting patterns for oat and pea

图2 氮添加对单播、同行混合和隔行间作种植燕麦和豌豆根系形态的影响

Fig.2 Effect of nitrogen addition on root morphology in monocropped， mixed and alternate-row intercropped planting patterns for oat and pea

图 3 氮添加对单播、同行混合和隔行间作种植燕麦和豌豆根系拓扑指数和分形维数的影响

Fig.3 Effect of nitrogen addition on root morphology in root topological index and fractal dimension in monocropped， mixed and alternate-row intercropped planting patterns for oat and pea

图 4 氮添加和不同间作种植方式对燕麦、豌豆根系构型和地下生物量影响的结构方程模型a和b分别表示氮添加和不同间作种植方式对燕麦、豌豆根系构型和地下生物量影响的结构方程模型。使用R语言偏最小二乘结构方程（PLS-PM）包进行模型分析与构建，实线箭头和虚线箭头分别代表正、负相关性。箭头上的数字为标准化路径系数（standardized path coefficients， SPC），星号表示关系的强度（*P<0.05， **P<0.01， ***P<0.001）。箭头的宽度与值的大小成正比。响应变量上方的数字（R2）表示解释方差的比例。Figure a and b illustrated SEM based on effects of nitrogen addition and intercropped planting patterns on root architecture and root biomass for oat or pea， respectively. A partial least squares path modeling （PLS-EM） module in the R Programming Language was selected to construct piecewise structural equations. Black dotted line demonstrated the negative correlation between variables， while the black solid line demonstrated a positive correlation between variables. The value above the lines demonstrated the normalized path coefficients of variables， which indicated the strength of the correlation （*P<0.05， **P<0.01， ***P<0.001）. The width of line and the value above the line is identical to the strength of correlation. R2 indicated the proportion of the interpreted variance. Planting pattern：播种方式； Nitrogen level：氮肥水平； Area：根表面积； Volume：根体积； AD：根系平均直径Average diameter； CN：连接数Connections number； NN：节点数Node number； Tips：根尖数； Forks：分叉数； Ic：内部连接Internal connections； Ec：外部连接External connections； FD：分形维数Fractal dimension； TI：拓扑指数Topological index； Root biomass：根系生物量。

Fig.4 Structural equation model （SEM） based on effects of nitrogen addition and intercropped planting patterns on root architecture and root biomass for oat and pea

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高寒区氮添加和间作种植互作对燕麦和豌豆根系构型影响的研究

Interactive effects of intercropping patterns and nitrogen addition on root architectural characteristics of oat and pea in an alpine region

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