人造林窗下香椿幼林細(xì)根的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)

周義貴，劉運(yùn)科，蘇 宇，李德會(huì)，李賢偉*

（1.四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，成都 610081；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，成都 611130；3.成都市農(nóng)林科學(xué)院，成都 611130）

養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)指植物體內(nèi)器官或組織之間的養(yǎng)分轉(zhuǎn)移與交換。大量研究表明，葉片在衰老過程中會(huì)將氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素轉(zhuǎn)移到其他組織[1]。細(xì)根（直徑＜2 mm）是植物根系的重要組成部分，是植物從土壤中捕獲養(yǎng)分和水分的主要器官。雖然細(xì)根生物量僅占林分總生物量的0.5%～10%[2]，但細(xì)根壽命短、周轉(zhuǎn)快，在頻繁的死亡過程中可將大量養(yǎng)分歸還給土壤，同時(shí)也通過養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)將養(yǎng)分轉(zhuǎn)移給其他器官或組織，以減少自身養(yǎng)分損失，降低對環(huán)境養(yǎng)分供應(yīng)的依賴。因此，細(xì)根的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)是植物保持營養(yǎng)的重要策略之一[1，3-4]。盡管如此，目前關(guān)于細(xì)根衰老死亡過程中是否存在養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)仍然存在很大爭議[5]。有研究認(rèn)為，細(xì)根存在養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)，衰老的細(xì)根在脫落前可以轉(zhuǎn)移23%的氮、30%的磷和39%的鉀[6]。而E.S.Nambiar等[7]卻提出質(zhì)疑，認(rèn)為直接比較死根和活根之間的養(yǎng)分差異來確定細(xì)根衰老死亡過程中是否存在養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的方法有明顯缺陷。在無法準(zhǔn)確獲取細(xì)根死亡時(shí)間的基礎(chǔ)上，直接從林地中采集的死亡細(xì)根不能確定是否發(fā)生分解，更不能精確分解量及養(yǎng)分濃度變化率，這使得研究結(jié)論缺乏可信度[7]。隨著研究方法的不斷完善，將細(xì)根剝離土壤后置于獨(dú)立空間，則能夠避免細(xì)根的分解對養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的影響。吳勇等[8]利用黑色塑料瓶將剝離土壤的細(xì)根套住、密封，模擬細(xì)根衰老的方法獲得了柳杉（Cryptomeria fortunei）1～3級細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)數(shù)據(jù)，陳珊等[5]也驗(yàn)證了該方法的可行性。相對于地上部分而言，植物根系的外部環(huán)境更為復(fù)雜，不斷改善方法，對研究養(yǎng)分元素的遷移規(guī)律，探討細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)將具有重要意義。

香椿（Toona sinensis）是亞熱帶地區(qū)珍貴的鄉(xiāng)土闊葉樹種，在退化人工針葉純林的結(jié)構(gòu)調(diào)整和生態(tài)功能提升中具有先天的優(yōu)勢，可作為改善林分結(jié)構(gòu)、提升森林質(zhì)量的重要備選樹種[9]。本試驗(yàn)選取川中丘陵區(qū)柏木低效林近自然經(jīng)營改造模式，通過“開窗補(bǔ)闊”，以補(bǔ)植的香椿為對象，采用吳勇等[8]的方法，將細(xì)根剝離土壤后置于獨(dú)立空間，在確保其不分解的前提下，定期獲取不同根序級的衰老細(xì)根，并分析其氮、磷、鉀、鈣、鎂等主要養(yǎng)分元素動(dòng)態(tài)，確定細(xì)根在衰老死亡過程中養(yǎng)分元素是否發(fā)生內(nèi)循環(huán)及其速率大小。從養(yǎng)分利用效率角度，為退化森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過程中的樹種選擇提供數(shù)據(jù)支撐。以期為實(shí)現(xiàn)林分“混交-異齡-復(fù)層”的結(jié)構(gòu)，形成優(yōu)質(zhì)、健康、高效、穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于四川省德陽市旌陽區(qū)和新鎮(zhèn)（104°25′E，31°04′N），海拔 510～540 m，屬于低山丘陵地貌。該區(qū)屬亞熱帶濕潤和半濕潤氣候區(qū)，年均氣溫16～17℃，年總降水量880～940 mm，主要集中在5—10月，冬干春旱。年均無霜期 270～290 d[10]，土壤多為紫色土。該區(qū)在20世紀(jì)80年代營造了大面積的柏木純林，因樹種單一、初植密度過大及經(jīng)營管理滯后，導(dǎo)致林分郁閉度大、層次結(jié)構(gòu)簡單、物種多樣性低、地力衰退、林分長勢普遍衰弱?，F(xiàn)平均樹高6.5 m，平均胸徑8.0 cm，郁閉度大于0.8，單位蓄積量為44.7 m3/hm2，遠(yuǎn)低于83.6 m3/hm2的全國平均水平，是典型的低產(chǎn)低效林[11]。林下灌木以黃荊（Vitex negundo）、馬桑（Coriaria nepalensis）、火棘（Pyracantha fortuneana）、鐵仔（Myrsine africana）為主；草本植物以鳳尾蕨（Pteris cretica）、栗褐苔草（Carex brunnea）、藎草（Arthraxon hispidus）為主。

1.2 樣地設(shè)置

2012年3月，選擇在西南坡向、中坡位、坡度20°～30°、生長狀況及經(jīng)營管理水平相似的地段進(jìn)行林窗式采伐[10]。人造林窗為以南北向長、東西向短的近橢圓形，面積為200 m2，3次重復(fù)，各林窗之間預(yù)留5～10 m的過渡帶。將樹枝樹干等殘?bào)w移除，但未掘根。處理完成后，于2012年3月下旬在每個(gè)林窗中引種香椿，采用“品”字形的方式，按50 cm×50 cm×50 cm的規(guī)格窩穴栽種，株行距為1 m×1.5 m，每窩穴施基肥2.5～3.0 kg[9]。初植香椿為2 a生實(shí)生苗，平均樹高30 cm，平均地徑0.43 cm。期間，只對香椿周邊進(jìn)行折灌、除草處理，沒有施肥等其他經(jīng)營措施。2015年4月對樣地基本情況進(jìn)行調(diào)查，3個(gè)樣地的香椿長勢良好，平均樹高6.0 m，胸徑4.53 cm，平均冠面積3.87 m2。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)開始于2015年4月下旬。在3個(gè)樣地分別選取5株香椿平均木，在林下距樹基1m處移除枯落物。參照Guo D.L.等[12]的根序分級方法，以根軸末端未分枝的根分為1級細(xì)根，1級細(xì)根著生于2級細(xì)根上，依次分到5級細(xì)根，對于生于高級細(xì)根（3～5級細(xì)根）上的沒有分支的細(xì)根也分為1級細(xì)根，用木刀輕輕去除表層土壤，露出1級細(xì)根，沿1級細(xì)根仔細(xì)向2級細(xì)根搜尋，直至找到5級細(xì)根分枝處，將該根束分蘗的所有1～5級細(xì)根小心從土壤中剝離出來，用刷子輕輕刷去附著在細(xì)根上的泥土，將根束全部放置于內(nèi)徑6 cm，深25 cm的黑色塑料瓶中，瓶口用防水膠密封，防止土壤水、土壤動(dòng)物和林地凋落物等雜物進(jìn)入，然后將塑料瓶垂直于地面埋回原地土壤10～20 cm土層中[8]，既保證細(xì)根衰老過程中能正常呼吸，也避免了細(xì)根分解對養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的影響。每株樣樹重復(fù)5次，共獲得75個(gè)根束，每根束細(xì)根鮮重約5 g。從實(shí)驗(yàn)當(dāng)天開始，每間隔7 d分別從每株樣樹上截取1個(gè)根束，每次采集15個(gè)根束，共采集5次（采集時(shí)間分別為：2015-4-23，2015-4-30，2015-5-7，2015-5-14，2015-5-21）。根束采集后放入自制便攜式冰箱立即帶回實(shí)驗(yàn)室。用去離子水清洗干凈，測定各級根序形態(tài)參數(shù)（表1），在65℃烘箱中烘烤48 h后粉碎保存。分別采用凱氏定氮法測氮，鉬銻抗比色法測磷，原子吸收分光光度法測定鉀、鈣、鎂的濃度[13]。采用陳珊等[5]的方法計(jì)算各級細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)率。

N級細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)率/%=N級細(xì)根期初與期末養(yǎng)分濃度變化量/N級細(xì)根期初養(yǎng)分濃度×100%

式中，N=1，2，…，5，期初濃度為 2015-4-23取樣養(yǎng)分濃度；期末濃度為2015-5-21取樣養(yǎng)分濃度。

表1 香椿1～5級細(xì)根根長、直徑、比根長Table1 1～5 fine root length，diameter，and specific root length of Toona sinensis

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0進(jìn)行處理與分析。采用單因素方差分析（one-way ANOVA）分析香椿1～5級細(xì)根養(yǎng)分濃度和內(nèi)循環(huán)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 香椿1～5級細(xì)根初始養(yǎng)分濃度

從表2可知，香椿1～5級細(xì)根中氮的初始濃度最大，其次是鉀、鈣、鎂、磷，分別為 4.85～18.75 g/kg、4.01～5.19 g/kg、2.93～3.25 g/kg、1.46～1.59 g/kg、0.76～1.13 g/kg，其中氮、磷、鉀濃度隨著根序的增加而降低。方差分析顯示，氮濃度在1、2級細(xì)根之間差異不顯著（P＞0.05），但均顯著高于 3～5級細(xì)根（P＜0.05）；磷濃度在 1級細(xì)根中顯著最高（P＜0.05），在 2、3 級細(xì)根及4、5級細(xì)根差異不顯著（P＞0.05），但二者之間差異顯著（P＜0.05）；鉀濃度在相鄰根序間差異不顯著（P＞0.05），但在低級細(xì)根（1、2級）中顯著高于高級細(xì)根；鈣、鎂濃度在各根序間差異不顯著（P＞0.05）。

表2 香椿1～5級細(xì)根初始養(yǎng)分濃度Table2 1～5 fine root initial nutrient concentration of Toona sinensis g·kg-1

2.2 香椿細(xì)根衰老過程中養(yǎng)分濃度變化

2.2.1 香椿細(xì)根衰老過程中氮濃度變化

由圖1可知，不同等級根序中的氮濃度變化規(guī)律均不相同。1級細(xì)根的氮濃度呈現(xiàn)下降趨勢，累計(jì)降低了30.56%。2、3、4級細(xì)根的氮濃度均表現(xiàn)為先升后降，說明氮在細(xì)根衰老過程中發(fā)生遷移，存在內(nèi)循環(huán)。由于還未衰老的2級細(xì)根接受了從1級細(xì)根中轉(zhuǎn)移出來的氮，其濃度在處理3周后達(dá)到峰值，為20.93 g/kg。處理3周后開始表現(xiàn)出衰老特征，氮元素遷出速率明顯加快，2級細(xì)根氮累計(jì)遷移率為46.49%。3級細(xì)根的氮濃度變化規(guī)律與2級細(xì)根的氮濃度變化相似，3級細(xì)根氮累計(jì)遷移率為25.68%。4級細(xì)根中氮在處理4周后出現(xiàn)峰值，為8.71 g/kg，表明氮元素的遷移伴隨著不同根序細(xì)根的衰老而發(fā)生。5級細(xì)根的氮濃度變化基本穩(wěn)定，說明在5周的試驗(yàn)期間內(nèi)，5級細(xì)根主要起養(yǎng)分運(yùn)輸作用。

2.2.2 香椿細(xì)根衰老過程中磷濃度變化

如圖1所示，細(xì)根在衰老過程中磷濃度變化與氮元素相似，也存在內(nèi)循環(huán)。1級細(xì)根的磷濃度均處于下降過程，且在處理1周后有一個(gè)劇烈的下降過程，但在處理2周后下降趨勢明顯減緩，說明1級細(xì)根的磷遷移較為迅速，累計(jì)降低了0.46 g/kg。由于2級細(xì)根接受了從1級細(xì)根遷移出來的磷，其濃度在第2周達(dá)到峰值，為1.23 g/kg，說明處理2周后開始表現(xiàn)出衰老特征，磷元素遷出速率明顯加快，2級細(xì)根磷累計(jì)遷移率為56.86%。3級細(xì)根磷濃度變化與2級細(xì)根變化相似，同樣在處理2周后即達(dá)到峰值。相對于2～3級同根序細(xì)根的氮濃度變化，磷的遷移發(fā)生則更為迅速。4、5級細(xì)根中的磷濃度則沒有明顯的變化趨勢。

2.2.3 香椿細(xì)根衰老過程中鉀濃度變化

鉀元素是極易移動(dòng)的養(yǎng)分元素，同樣在細(xì)根衰老過程中存在內(nèi)循環(huán)，且在處理的第1周就迅速做出反應(yīng)。如圖1所示，1級細(xì)根的鉀濃度在處理第1周就迅速下降，之后呈現(xiàn)較平緩的變化，1級細(xì)根鉀累計(jì)遷移率為21.77%。2級細(xì)根的鉀濃度在第2周達(dá)到峰值，說明2級細(xì)根接受了從1級細(xì)根遷移出來的鉀，2周后開始表現(xiàn)出衰老和養(yǎng)分轉(zhuǎn)移的特性。3、4級細(xì)根的鉀濃度先升后降，均在3周后開始表現(xiàn)出養(yǎng)分轉(zhuǎn)移的特性。5級細(xì)根的鉀濃度無明顯變化。

2.2.4 香椿細(xì)根衰老過程中鈣和鎂濃度變化

由圖1可知，1～5級細(xì)根在衰老過程中鈣濃度變化均不顯著，基本在 2.93～3.25 g/kg之間，1、2、4級細(xì)根的鈣隨時(shí)間變化呈“W”型的趨勢，3、5級細(xì)根變化規(guī)律不明顯。鎂濃度在各級根序中的變化均不同，且變化幅度均較小。1、4級細(xì)根的鎂濃度在處理前期下降，在1周后上升，但1級細(xì)根的鎂濃度變化幅度比4級細(xì)根大。2、3級細(xì)根的鎂濃度在1周后下降，隨后開始上升，在處理第3周達(dá)到峰值。第4周2級細(xì)根鎂濃度開始下降，而3級細(xì)根的鎂濃度趨于穩(wěn)定的水平。5級細(xì)根的鎂濃度處于波動(dòng)狀態(tài)，無明顯規(guī)律變化。表明香椿細(xì)根衰老過程中，鈣、鎂可能存在內(nèi)循環(huán)，但遷移率極小。

2.3 香椿細(xì)根衰老過程中的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)率

由表3可知，香椿1～5級細(xì)根在衰老過程中，氮、磷、鉀養(yǎng)分遷移明顯，存在內(nèi)循環(huán)。氮、磷和鉀的內(nèi)循環(huán)率平均為16.41%、21.95%和17.09%，主要發(fā)生在1級和2級細(xì)根中，其中磷的內(nèi)循環(huán)率最大，其次是氮、鉀。氮、磷的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)在2級細(xì)根中最顯著，其內(nèi)循環(huán)率分別高達(dá)29.58%、33.97%，鉀的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)則主要集中在1級細(xì)根，其內(nèi)循環(huán)率為22.11%，均遠(yuǎn)高于3～5級細(xì)根。鈣和鎂元素在細(xì)根衰老過程中濃度變化不大，說明這2種元素移動(dòng)性較差（濃度變化率較小或?yàn)樨?fù)值，暫不分析內(nèi)循環(huán)率）。方差分析顯示，同一元素在1～2級細(xì)根以及4～5級細(xì)根中的內(nèi)循環(huán)率無顯著差異（P＞0.05），但低級細(xì)根（1、2級）養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)顯著高于高級細(xì)根（3～5級）（P＜0.05），3級細(xì)根與 4、5級細(xì)根之間的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)差異顯著（P＜0.05）（3級細(xì)根作為過渡性根），說明在分析香椿的細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)時(shí)可以將1～2級細(xì)根和3～5級細(xì)根分別歸為同一結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行研究。

圖1 香椿細(xì)根衰老過程中養(yǎng)分濃度變化Figure1 The change of Nutrient concentration in Toona sinensis fine root with senescence

表3 1～5級香椿細(xì)根元素的內(nèi)循環(huán)率Table3 Nutrient internal cycling rate of different root order of Toona sinensis %

3 討論

自20世紀(jì)80年代，一些學(xué)者開始關(guān)注細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)研究，但因樹種、研究方法等的差異，細(xì)根衰老過程養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的機(jī)理至今仍無定論[1，14]。多數(shù)研究者認(rèn)為樹木的細(xì)根存在養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)[8，15]，也有研究認(rèn)為這只不過是大多數(shù)植物的一個(gè)特征，部分樹木的細(xì)根基本不存在養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移。有學(xué)者通過比較研究發(fā)現(xiàn)，同一樹種的細(xì)根中有的元素存在內(nèi)循環(huán)，有的元素則不發(fā)生遷移。已開展的細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的研究大多數(shù)為直接比較活根和死根之間的養(yǎng)分差異來確定是否存在養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)及內(nèi)循環(huán)率的大小，其結(jié)果會(huì)受到細(xì)根分解的影響，所得結(jié)論的可靠性值得商榷[5，8]。由此可見，細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)研究的關(guān)鍵是獲取沒有分解的衰老或死亡細(xì)根[8]。如果將待研究植物細(xì)根剝離土壤，放置在無法接觸土壤微生物、養(yǎng)分和水分的獨(dú)立空間，人為促進(jìn)細(xì)根的衰老死亡進(jìn)程，避免了細(xì)根分解對養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的影響，對于細(xì)根衰老過程中養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的正確評估將有積極的意義[8]。本研究將香椿細(xì)根置于獨(dú)立空間，避免了衰老過程中的分解對養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的影響[5]。結(jié)果表明，香椿細(xì)根在衰老過程中氮、磷、鉀元素有明顯的遷移現(xiàn)象，存在養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)，其速率分別為4.14%～29.58%、10.06%～33.97%、13.23%～22.11%，養(yǎng)分循環(huán)利用效率較高。且3種元素的遷移均先發(fā)生在壽命短、周轉(zhuǎn)快的1級細(xì)根中，隨后向2級及更高根序級細(xì)根移動(dòng)，但2～3級細(xì)根的磷濃度峰值比氮、鉀出現(xiàn)的早，說明在細(xì)根開始衰老時(shí)，磷更容易轉(zhuǎn)移，且轉(zhuǎn)移更迅速；鈣和鎂元素則基本不發(fā)生轉(zhuǎn)移，這與養(yǎng)分元素自身的移動(dòng)性較差有關(guān)，二者在植物體內(nèi)可能是以穩(wěn)定化合物的形式存在[5]。香椿1～5級細(xì)根中氮、磷和鉀的內(nèi)循環(huán)率平均為16.41%、21.95%和17.09%，且養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)主要集中在1～2級細(xì)根，其內(nèi)循環(huán)率遠(yuǎn)大于3～5級細(xì)根，這說明低級細(xì)根（1～2級）對養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的貢獻(xiàn)率高于高級細(xì)根（3～5級）。主要是因?yàn)?，一方面低級?xì)根具有較高的氮、磷、鉀濃度（表2），而養(yǎng)分濃度是影響?zhàn)B分內(nèi)循環(huán)率的重要因素[5，17]。另一方面，根據(jù)植物葉子壽命與內(nèi)循環(huán)強(qiáng)度成反比可推測細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)可能與細(xì)根壽命有密切關(guān)系，低級細(xì)根壽命顯著短于高級細(xì)根[17-20]，細(xì)根根序等級可能是衡量細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的重要依據(jù)[5]。

根系的研究者一直試圖在根系中找到一些類似于功能上某個(gè)模塊的功能單元。如在北美的9個(gè)樹種的根系上發(fā)現(xiàn)了根痕，進(jìn)而推測細(xì)根像葉子一樣，每年或者不定期的成簇脫落[18]。隨后，Guo D.L.等[12,18]通過解剖特征分析初生和次生結(jié)構(gòu)、菌根浸染等進(jìn)一步論證了1級和2級細(xì)根成為一個(gè)統(tǒng)一功能模塊的可能。本研究對香椿1～5級細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)進(jìn)行了測定，結(jié)果表明同一養(yǎng)分元素在1～2級細(xì)根以及3/4～5級細(xì)根中的內(nèi)循環(huán)率內(nèi)無顯著差異，但低級細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)顯著高于高級細(xì)根，3級細(xì)根與4、5級細(xì)根之間的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)差異顯著，說明在分析香椿的細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)時(shí)可以將1～2級細(xì)根、3級細(xì)根和4～5級細(xì)根分別歸為不同結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行研究。但不同結(jié)構(gòu)模塊在吸收養(yǎng)分中是否有不同功能，內(nèi)循環(huán)的機(jī)理是否一致，仍待進(jìn)一步研究。

目前多數(shù)的研究者認(rèn)為，養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)是植株為適應(yīng)貧瘠環(huán)境而提高養(yǎng)分循環(huán)利用率的一種自我保護(hù)機(jī)制[1，5]。Chen X.D.等[21]研究了混交刺槐后，側(cè)柏林長勢明顯變好，認(rèn)為刺槐進(jìn)入后，能夠有效地促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)。本研究證明香椿細(xì)根存在養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)，對于引入樹種適應(yīng)柏木低效林林地貧瘠的土壤環(huán)境，提高低效林改造成功率有重要意義。因此，川中丘陵區(qū)柏木低效林“開窗補(bǔ)闊”生態(tài)改造模式引進(jìn)的鄉(xiāng)土闊葉樹種香椿，與柏木林構(gòu)成針闊混交的塊狀鑲嵌格局，不僅改善了低效柏木林的景觀格局，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且香椿具有較高的光合效率和生產(chǎn)力[9]，林分固碳能力強(qiáng)[11，22]。因此，在與本研究選取的條件相似的地區(qū)，可將香椿作為柏木純林等退化人工林改造中的優(yōu)良備選樹種推廣使用。