氮磷添加對(duì)高寒草甸植物群落根系特征的影響

唐立濤，毛睿，王長(zhǎng)庭，李潔，胡雷，字洪標(biāo)

（西南民族大學(xué)青藏高原研究院，四川 成都610041）

陸地生態(tài)系統(tǒng)中，氮和磷是限制植物生長(zhǎng)發(fā)育和生理代謝的主要營(yíng)養(yǎng)元素［1］。氮的輸入主要依賴(lài)生物對(duì)大氣沉積氮的固定，而磷的輸入主要依靠原生礦物的分化作用［2］。全球變化下，陸地生態(tài)系統(tǒng)正在經(jīng)歷著空前且持續(xù)的氮沉降［3］，氮元素輸入量的迅速增大加速了陸地生態(tài)系統(tǒng)的磷循環(huán)［4］，進(jìn)而加劇了生態(tài)系統(tǒng)中潛在的磷限制［5］。因此，氮磷相互耦合對(duì)于緩解植物在變化環(huán)境中的養(yǎng)分限制顯得尤為關(guān)鍵［6］。大部分生態(tài)系統(tǒng)均對(duì)氮磷添加表現(xiàn)出較強(qiáng)的正協(xié)同效應(yīng)，具體為刺激植物的生理代謝，提高植物生物量和土壤碳庫(kù)存［7－8］。其中，青藏高原位于亞洲中部，平均海拔超過(guò)4000 m，是地球上最為獨(dú)特的生態(tài)單元，素有“地球第三極”之稱(chēng)，同時(shí)也是生態(tài)敏感區(qū)［9］。而高寒草甸作為青藏高原的主要草地類(lèi)型，廣泛分布于高原東部以及周?chē)降?，大約占高原陸地總面積的48%，是當(dāng)?shù)啬撩裆a(chǎn)生活以及畜牧業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)［9－10］。因其所處海拔高、生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，青藏高原高寒草甸對(duì)氣候變化和人為干擾極其敏感，已成為觀測(cè)氮磷添加對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的理想試驗(yàn)區(qū)。氮磷添加試驗(yàn)表明，氮磷添加顯著促進(jìn)了高寒草甸地上生物量的增加［11］，降低了植物群落的物種豐富度以及多樣性［12］，同時(shí)還改變了植物組織的氮磷比［6］。但目前針對(duì)氮磷添加對(duì)高寒草甸植物影響的研究多集中于地上部分，對(duì)于植物地下部分特別是植物根系的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道［13］。

根系作為植物的重要營(yíng)養(yǎng)器官在陸地碳循環(huán)過(guò)程中扮演著重要角色，不僅具有儲(chǔ)藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)進(jìn)程等基本功能，還通過(guò)呼吸和凋亡分解向生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行碳排放［14］。而氮磷元素輸入量的增加通過(guò)影響根系構(gòu)型（直徑和長(zhǎng)度等）、生物量以及根系呼吸等碳循環(huán)功能來(lái)影響植物根系［15－16］。另外，土壤養(yǎng)分的有效性在植物根系動(dòng)態(tài)特征變化中發(fā)揮著重要的作用［17］。通過(guò)添加氮磷改變土壤養(yǎng)分的有效性從而對(duì)根系組織產(chǎn)生影響［18］。植物根系形態(tài)學(xué)上的變化是對(duì)于土壤營(yíng)養(yǎng)元素匱乏的最直接響應(yīng)，并且這種形態(tài)變化是植被適應(yīng)土壤氮、磷等元素含量變化的重要調(diào)控機(jī)制。有研究發(fā)現(xiàn)，氮添加改變了森林生態(tài)系統(tǒng)根系壽命，降低了根系死亡率，增加了根系生產(chǎn)量，提高了根系對(duì)養(yǎng)分以及水分的吸收能力［19－21］。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，Brown等［16］對(duì)植物進(jìn)行磷添加處理，通過(guò)統(tǒng)計(jì)對(duì)比發(fā)現(xiàn)大麥（Hordeum vulgare）根系長(zhǎng)度和重量、根毛長(zhǎng)度和根系現(xiàn)存量均發(fā)生相應(yīng)的變化。草地生態(tài)系統(tǒng)中，Martin等［22］發(fā)現(xiàn)，施肥明顯提高了草地生態(tài)系統(tǒng)根系生物量。Rytter等［23］通過(guò)對(duì)草本植物根系研究發(fā)現(xiàn)，在土壤養(yǎng)分受限時(shí)，根系密度是原來(lái)的3倍，氮添加不僅減小了根系活力還影響了根系的入土深度，但對(duì)根系組織以及根系的凋落分解影響微弱。

然而，青藏高原高寒草甸分布廣闊，各區(qū)域異質(zhì)性較大，關(guān)于高寒草甸植物根系對(duì)于氮磷混施的響應(yīng)機(jī)制是否與上述相同的研究報(bào)道較為匱乏［24］，尤其是不同施肥梯度下高寒草甸植物根系生產(chǎn)、死亡及分解等動(dòng)態(tài)變化特征以及根系對(duì)土壤碳氮循環(huán)的維持機(jī)制的影響尚未明晰［13］。因此，為了更加深入地理解氮磷添加下高寒草甸地下生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)過(guò)程，本研究采用微根管技術(shù)與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，旨在分析和探討：1）氮磷添加對(duì)高寒草甸植物根系現(xiàn)存量、生產(chǎn)量和死亡量等動(dòng)態(tài)變化特征以及空間分布格局的影響；2）氮磷添加下植物群落根系周轉(zhuǎn)的變化對(duì)高寒草甸地下生態(tài)系統(tǒng)碳分配特征的影響。以期進(jìn)一步揭示高寒草甸植物根系動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及其碳分配特征對(duì)氮磷添加的響應(yīng)機(jī)制，為青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)功能的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

試驗(yàn)樣地位于川西北紅原縣境內(nèi)（32°50′N(xiāo)，102°35′E），海拔約3500 m。研究區(qū)氣候類(lèi)型為大陸性高原氣候，氣候寒冷，四季分界模糊，整體熱量偏低，有干濕兩季。年均氣溫1.4℃左右，年降水量749 mm左右，多集中于每年的5－8月，水分年蒸發(fā)量約1225 mm，另外，試驗(yàn)區(qū)冰雹和霜凍等自然災(zāi)害較多。研究樣地為高寒草甸型，其生長(zhǎng)季集中在每年的5－8月。草地植被中莎草科與禾本科占優(yōu)勢(shì)，其中莎草科如四川嵩草（Kobresia setchwanensis）和苔草（Carex muliiensis）等；禾本科如洽草（Koeleria macrantha）和垂穗披堿草（Elymus nutans）等；豆科植物有異葉米口袋（Gueldenstaedtia diversifolia）和棘豆（Caerulea）等；雜類(lèi)草如鈍苞雪蓮（Saussurea nigrescens）、草玉梅（Anemone rivularis）以及乳白香青（Anaphalis lactea）等。該區(qū)域土壤類(lèi)型以高山草甸土為主，土層深度多在40 cm以上，其中土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，而土壤全氮、全磷等含量較低［13］，表1為川西北高寒草甸植物根系生產(chǎn)量、死亡量以及現(xiàn)存量的參照值。

表1 高寒草甸植物根系生物量概況Table 1 Survey of plant root biomass in alpine meadow（mm·cm-3）

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 樣地設(shè)置 2012年5月中下旬于紅原縣西南民族大學(xué)基地試驗(yàn)園區(qū)內(nèi)選取地勢(shì)相對(duì)一致，地上植被分布較為均勻的高寒草甸作為試驗(yàn)開(kāi)展樣地，并且用圍欄隔斷，防止草食性牲畜破壞。圍欄內(nèi)布置4個(gè)10 m×10 m的樣區(qū)，每個(gè)樣區(qū)之間留出至少2 m的間隔作為緩沖帶。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)進(jìn)行氮磷添加處理，各區(qū)分別布置6個(gè)3 m×3 m的小樣方，每個(gè)小樣方之間留有至少2 m間隔，總計(jì)24個(gè)小樣方，并在每年5月中下旬挑選陰雨天氣施肥?；旌戏蕿槟蛩兀跜O（NH2）2］和過(guò)磷酸鈣［Ca（H2PO4）2·H2O］，參照王長(zhǎng)庭等［25］和薛永偉［26］的試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)4個(gè)施肥梯度：0（CK）、10（NP10）、20（NP20）和30 g·m－2（NP30）。于2013年5月中下旬在上述每個(gè)小樣方內(nèi)安裝一根高分子材料微根管，并與地面呈30°夾角，其長(zhǎng)度為100 cm，內(nèi)徑5 cm，外徑6 cm［13］。

1.2.2 土壤樣品采集與測(cè)定 2015年8月中下旬，在上述3 m×3 m的小樣方內(nèi)，采用內(nèi)徑為5 cm的土鉆分別在0～10 cm和10～20 cm土層沿“S”形取5鉆，混合為1個(gè)土壤樣品，每個(gè)處理6次重復(fù)。將土壤樣品帶至實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后過(guò)篩用于土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定。采用電極法測(cè)定土壤pH，重鉻酸鉀容量法－外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC），凱氏定氮法測(cè)定全氮（total nitrogen，TN），鉬銻抗比色法測(cè)定全磷（total phosphorus，TP），康惠法測(cè)定速效氮（available nitrogen，AN），碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷（available phosphorus，AP）［13］。使用TDR土壤水分測(cè)定儀（time domain reflectometry，Midwest-G，JZZ1-TDR-3，北京）測(cè)定土壤水分含量（soil water content，SWC），使用土壤緊實(shí)度儀（SC-900Kpa，美國(guó)）測(cè)定土壤緊實(shí)度（soil compactness，SC）［27］。

1.2.3 微根管圖像采集 2015年5－9月，每隔15 d采集根系生長(zhǎng)圖像數(shù)據(jù)，共計(jì)10次，總計(jì)追蹤到4601條根系。圖像采集過(guò)程為：首先打開(kāi)包裹微根管的塑料袋，用定制的棉棍清理微根管內(nèi)壁的水汽，10 min后將攝像機(jī)探頭深入根管，并標(biāo)記好位置，使用與計(jì)算機(jī)配套的CI-600根系掃描儀（CID Bio-Science，美國(guó)）按照土層（0～10 cm和10～20 cm）依次采集圖像，采集完畢后，盡快使用黑色塑料袋將微根管口包裹嚴(yán)密。

1.2.4 根系數(shù)據(jù)處理方法 采用根系時(shí)空動(dòng)態(tài)分析軟件WinRHZIO Tron MF（CID Bio-Science，美國(guó)）處理分析已采集的根系圖像，測(cè)定的數(shù)據(jù)包括根系的直徑、長(zhǎng)度等形態(tài)特征指標(biāo)。根系存活狀態(tài)根據(jù)其顏色來(lái)區(qū)分判斷，其中與白褐色相仿的為活根，顏色較深（如黑色）的為死根［13］。本試驗(yàn)中根系各形態(tài)指標(biāo)均以根長(zhǎng)密度為基本參數(shù)［28］。

式中：L（length，mm）為微根窗測(cè)定的根系長(zhǎng)度；A（area，cm2）為觀測(cè)窗的面積；DOF（distance of field，cm）為微根管與周?chē)寥乐g的距離，由于草地群落的根系平均直徑較小，該式中DOF取0.002 m［28］。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 20.0對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比和植物根系特征進(jìn)行單因素方差分析（One-Way ANOVA）。采用雙因素方差分析（Two-Way ANOVA）研究土層深度、施肥梯度及交互作用對(duì)根系特征的影響。采用Kaplan-Meier方法估計(jì)根系壽命。采用Pearson相關(guān)性分析研究土壤理化性質(zhì)、土壤化學(xué)計(jì)量比和根系現(xiàn)存量、死亡量、生產(chǎn)量之間的相關(guān)性。采用Origin 8.5繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

0～10 cm土層中（表2），中高水平NP添加顯著增加了土壤AN、AP以及TP含量（P＜0.05），NP添加還顯著降低了SWC和C∶P（P＜0.05），但對(duì)土壤TN、SC、pH、SOC、C∶N和N∶P無(wú)顯著影響。10～20 cm土層中，NP添加顯著提高了SC（P＜0.05），顯著降低了土壤pH和C∶P（P＜0.05），且對(duì)土壤AN、AP含量有一定的削減作用。NP添加下，0～10 cm土層SOC和AN含 量 顯 著 高 于10～20 cm土 層（P＜0.05），而0～10 cm土層SWC和SC顯著小于10～20 cm土層（P＜0.05），此外，其余土壤理化性質(zhì)在土層間的整體差異性無(wú)明顯規(guī)律。

2.2 施肥對(duì)根系特征及其分布格局的影響

根系現(xiàn)存量和死亡量在高寒草甸植物生長(zhǎng)季（5－9月）的動(dòng)態(tài)差異較大，根系生產(chǎn)量則呈現(xiàn)波動(dòng)變化。0～10 cm和10～20 cm土層根系現(xiàn)存量在8月初達(dá)到峰值，然后下降；根系死亡量高峰出現(xiàn)在8～9月，且在9月初達(dá)到峰值；根系生產(chǎn)量主要有兩個(gè)高峰，分別在5月初和8月初（圖1）。

圖1 不同氮磷添加梯度下根系特征的季節(jié)動(dòng)態(tài)Fig.1 Seasonal patterns of root characteristics for different nitrogen and phosphorus addition gradients（mean±SE，n=6）

NP添加總體上提高了0～10 cm土層的根系現(xiàn)存量、死亡量和生產(chǎn)量（圖2），其中NP30的根系現(xiàn)存量（43.57 mm·cm－3）、死亡量（9.23 mm·cm－3）及生產(chǎn)量（10.44 mm·cm－3）均顯著大于CK（P＜0.05）。然而，NP添加降低了10～20 cm土層的根系現(xiàn)存量、死亡量和生產(chǎn)量。其中，CK生產(chǎn)量（5.06 mm·cm－3）顯著大于NP10（3.43 mm·cm－3）和NP20（3.64 mm·cm－3）（P＜0.05），CK死 亡 量（5.50 mm·cm－3）和 現(xiàn) 存 量（25.06 mm·cm－3）均 顯 著 大 于NP10和NP30（P＜0.05）。NP添加下，根系現(xiàn)存量、死亡量和生產(chǎn)量在不同土層的分布特征相似，即0～10 cm土層均顯著大于10～20 cm土層（P＜0.05）。

圖2 不同梯度氮磷添加下的根系分布特征Fig.2 The distribution pattern of roots under different nitrogen and phosphorus addition gradients

表NP30 0.38Aa 3.34Ba 1.85Aa 0.33Bb 31.92±292.33±10.57Aa 5.38±0.06Ab 50.24±5.10±0.57Aa 286.65±4.72Ba 0.80±0.04Aa 4.30±0.85Bab 10.27±62.61±6.52±0.19Aa NP20 0.45Aa 2.78Ba 1.85Aa 0.09Ab 10～20 cm 29.38±279.67±4.83Aa 5.33±0.03Bb 49.83±5.08±0.52Aa 271.95±5.57Ba 0.88±0.06Ba 3.05±0.69Bb 10.22±56.55±5.91±1.05Aa 0.05）.NP10 0.60Aa 3.66Ba 0.07Bb 30.12±272.33±1.67Aa 5.50±0.07Ab 53.20±5.61±0.25Aa 230.30±6.77Bb 0.82±0.05Aa 3.60±0.47Aab 9.81±1.63Aa 59.16±7.02±1.20Aa CK 1.13Aa 4.01Aa 1.81Aa 0.50Ba 31.35±257.83±26.29Ab 5.73±0.04Aa 54.87±5.34±0.36Aa 290.33±4.44Ba 0.93±0.07Aa 5.35±0.57Aa 10.66±65.09±5.88±0.99Aa NP30 0.76Bb 2.77Aa 236.33±21.39Ba 5.70±0.02Aa 1.26Aa 0.81Ac 7.41±0.73Aa 28.25±74.83±394.45±8.24Aa 1.03±0.09Ab 7.20±0.34Aa 10.29±72.54±7.28±0.97Aa 0.06Bc NP20 0.71Aa 5.62±0.07Aa 1.26Aa 0.64Bd 233.66±14.30Ba 26.11±2.98Aa著（P＜0.05）。73.48±7.34±0.33Aa 0～10 cm 380.35±7.23Aa 2.22±0.18Aa 10.20±10.21±33.12±8.33±0.34Aa顯異1.35Aa 差0.23Bc 間5.61±0.03Aa 227.83±1.83Ba層1.38Ab土NP10 3.24Aa 69.32±26.22±6.92±0.49Aa 359.73±5.34Ab 0.88±0.05Ac 5.50±0.29Ab 10.24±78.92±8.01±1.18Aa同不示表母字0.72Aa寫(xiě)1.48Aa 2.45Aa大5.77±0.05Aa CK 3.57Aa同響64.34±343.36±4.23Ab 30.21±0.73±0.05Ac 6.38±0.43Aa 5.40±0.47Ab 8.99±1.52Aa影10.35±223.12±5.49Ba 88.67±的分養(yǎng)著（P＜0.05），不壤顯土異甸1）1）差草間寒理高處同對(duì)目不度項(xiàng)Item示梯表加母添Soil water content（SWC，%）Soil compactness（SC，Pa）Soil organic carbon（SOC，g·kg－1）字磷量度碳寫(xiě)氮水實(shí)Table 2 Effect of nitrogen and phosphorus addition on soil nutrients of alpine meadow（mean±SE）機(jī)Available N（AN，mg·kg－Available P（AP，mg·kg－C∶N C∶P N∶P小含緊有Total N（TN，g·kg－1）氮Total P（TP，g·kg－1）磷比比比同2壤壤壤氮效磷效氮磷磷土土pH土全速全速碳碳氮：不注Note：Different lowercase letters indicate significant differences in different treatment（P＜0.05），different capital letters indicate significant different in different soil layers（P＜

2.3 施肥對(duì)根系壽命的影響

NP添加下的根系存活概率變化趨勢(shì)一致（圖3），均在0～20 d根系壽命趨于1，120～140 d趨于0，即根系死亡。0～10 cm和10～20 cm土層，NP20和NP30根系存活率均大于CK，而施肥后期NP10根系存活率也大于CK。由此可見(jiàn)，NP添加整體上延長(zhǎng)了根系壽命，而根系周轉(zhuǎn)隨之變慢。

圖3 不同土層根系存活率對(duì)氮磷添加的響應(yīng)Fig.3 Proportion of root surviving of different soil layers to nitrogen and phosphorus addition（mean±SE）

2.4 施肥和土層深度對(duì)根系特征的影響

對(duì)NP添加梯度和土層深度進(jìn)行雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，施肥梯度和土層深度均顯著影響根系平均現(xiàn)存量、死亡量和生產(chǎn)量（P＜0.01），二者交互作用對(duì)根系特征無(wú)顯著影響（表3）。

表3 不同氮磷添加梯度和土層深度對(duì)根系特征的雙因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA of root characteristics of different nitrogen and phosphorus addition gradients and soil depths

2.5 根系特征與土壤因子之間的相關(guān)性分析

根系現(xiàn)存量和SOC、AN以及AP呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），和SC、TP呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；根系死亡量和SC、SOC以及AN呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與TN顯著正相關(guān)（P＜0.05）；根系生產(chǎn)量與土壤AP呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與SC、SOC和AN呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）（表4）。

表4 土壤理化性質(zhì)與根系特征的相關(guān)性Table 4 Pearson correlation analysis between soil physicochemical properties and root characteristics

3 討論

3.1 N、P添加對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

土壤作為生態(tài)系統(tǒng)植物與環(huán)境相互作用的重要紐帶，其在草地生態(tài)系統(tǒng)的許多生態(tài)過(guò)程中均發(fā)揮重要作用，且土壤的結(jié)構(gòu)特性及養(yǎng)分條件是評(píng)價(jià)退化草地生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)的重要參考指標(biāo)。其中，土壤養(yǎng)分對(duì)植物的生長(zhǎng)代謝起到至關(guān)重要的作用［29－30］，它不僅改變了植物群落的組成以及生理活性，還影響著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能與生產(chǎn)力水平。本研究表明，氮磷添加顯著增加了表層土壤全磷含量，但對(duì)土壤全氮含量影響微弱，這與Wang等［12］的研究結(jié)果相似。施肥降低了土壤對(duì)磷素的吸附能力，導(dǎo)致土壤中磷素的累積量有所增加，加之土壤中新添加的磷更加容易發(fā)生解吸，使得土壤全磷含量增加［31］。另外，養(yǎng)分添加促使部分土壤磷素被同化后與土壤微生物結(jié)合，進(jìn)而形成了土壤微生物生物量磷，使得土壤微生物固持了更多的磷，最終導(dǎo)致土壤全磷含量有所增加［32］。由于土壤中的氮大部分是以有機(jī)氮的形式存在［33］，而植物不僅吸收土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等無(wú)機(jī)態(tài)氮，還可利用土壤中分子量較小的可溶性有機(jī)氮（氨基酸和多胺等），加之高寒草甸非菌根維管束植物偏好吸收利用有機(jī)氮并可占其吸收總氮比例的36%，進(jìn)而導(dǎo)致土壤全氮含量受到氮磷添加的影響較小［34］。此外，青藏高原的低溫環(huán)境也可能致使土壤中涉及NO2－的反應(yīng)釋放出大量的NO和N2O［35］，最終使土壤全氮含量對(duì)氮磷添加的響應(yīng)規(guī)律有異于土壤全磷含量。

氮磷添加提高了表層土壤速效氮含量，可能由于青藏高原高寒草甸處于高海拔地區(qū)，土壤中儲(chǔ)藏了大量的有機(jī)質(zhì)，但寒旱的氣候條件降低了土壤的礦化速率，而適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)分添加之后有效解除了土壤可利用性養(yǎng)分的限制［33］，使土壤速效氮含量有所提高。另外，氮磷添加還提高了表層土壤速效磷含量。這是因?yàn)榱姿岣奈胶徒馕鼨C(jī)理很大程度會(huì)影響土壤磷的生物有效性，外源添加磷隨著土壤氧化還原條件的變化而產(chǎn)生轉(zhuǎn)化［36－37］，所以水溶性氮磷肥的施入提升了土壤速效磷含量［38］。

本研究表明，氮磷添加整體上降低了土壤pH。施入氮磷肥能促進(jìn)植物生長(zhǎng)，有利于有機(jī)物質(zhì)積累，使得土壤中產(chǎn)生大量有機(jī)酸（檸檬酸或草酸等），從而降低了土壤pH［39－40］。土壤微生物的硝化作用能夠產(chǎn)生一定量的NH4+和H+，導(dǎo)致土壤發(fā)生酸化［40－41］。氮磷添加提升了土壤緊實(shí)度，這與Rajaniemi［42］的研究結(jié)果一致，總之外源養(yǎng)分添加對(duì)草地土壤理化性質(zhì)的影響多為正效應(yīng)［43］。氮磷添加降低了土壤C∶P，可能是土壤C∶P與土壤有機(jī)質(zhì)的分解礦化速率呈反比，而施肥促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，從而降低了土壤C∶P［44］。較低的C∶P促進(jìn)了土壤磷有效性的提高，使植物營(yíng)養(yǎng)需求與土壤養(yǎng)分供應(yīng)之間保持動(dòng)態(tài)平衡，有利于生態(tài)系統(tǒng)磷轉(zhuǎn)化的有效循環(huán)過(guò)程，從而促進(jìn)了土壤養(yǎng)分循環(huán)平衡［45］。

3.2 N、P添加對(duì)根系特征和分布格局的影響

植物根系作為陸地生態(tài)系統(tǒng)和其他礦質(zhì)元素的重要貯藏庫(kù)，不但具有調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)代謝進(jìn)程與支撐植物個(gè)體等基本功能，而且對(duì)植物生產(chǎn)力的形成以及生態(tài)系統(tǒng)功能（如固碳、養(yǎng)分循環(huán)等）的正常發(fā)揮起關(guān)鍵作用［46］。根系生態(tài)功能的穩(wěn)定發(fā)揮主要取決于其分布格局以及現(xiàn)存量，然而環(huán)境因子（養(yǎng)分或溫度等）的改變又會(huì)影響到根系的現(xiàn)存量及其分布格局［47］。施肥一定程度上提高了土壤養(yǎng)分的有效性，對(duì)植物根系的生產(chǎn)量和現(xiàn)存量的積累具有積極作用［48－49］，所以適當(dāng)?shù)滋砑幽軌蛱岣咧参锔惮F(xiàn)存量［50］。本研究發(fā)現(xiàn)，氮磷混施提高了表層植物根系現(xiàn)存量，這是由于施肥能夠增加植物根系的鈣或鎂等陽(yáng)離子的吸收量，打破其體內(nèi)陰陽(yáng)離子平衡，植物根系體內(nèi)質(zhì)子流向土壤，以刺激植物體內(nèi)酸性磷酸酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)根系對(duì)土壤速效磷的吸收利用［44，51－52］，有利于植物根系的生長(zhǎng)。另外，施肥對(duì)植物根系的根瘤以及根瘤干質(zhì)量具有一定的提升作用［53］，間接的促進(jìn)了根系現(xiàn)存量。氮磷混施會(huì)降低深層根系現(xiàn)存量，可能因?yàn)槭┓曙@著降低了深層土壤pH（表1），使生產(chǎn)木質(zhì)素降解酶的真菌所處環(huán)境發(fā)生改變，降低了相關(guān)酶活性，進(jìn)而抑制了根系生長(zhǎng)［13］。

根系動(dòng)態(tài)變化特征不單表現(xiàn)為現(xiàn)存量變化，還體現(xiàn)在根系生產(chǎn)量和死亡量等方面［13］。已有研究表明，植物根系的生產(chǎn)和死亡約占陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)的30%［54］，是明晰生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。本研究表明，氮磷混施提高了表層根系生產(chǎn)量。主要原因是土壤中磷的有機(jī)或者無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)多呈難溶狀態(tài)，而磷酸鹽作為植物可利用磷的主要形式，其在pH 6.5附近的狹小區(qū)間內(nèi)易溶，在過(guò)高或者過(guò)低的pH條件下，均易與鈣或者鐵等離子絡(luò)合成不易被植物吸收利用的難溶化合物［55］，而適當(dāng)施肥增加了土壤養(yǎng)分的有效性，加之青藏高原植物對(duì)土壤磷的重吸收率高達(dá)67.4%［56］，從而致使植物根系分枝加快，生長(zhǎng)迅速［57］，最終導(dǎo)致植物根系生產(chǎn)量變大。而氮磷混施則降低了深層根系生產(chǎn)量［49］，一方面，由于施肥使得植物養(yǎng)分限制得到緩解，為了促進(jìn)植物地上部分的生長(zhǎng)，植物更多的將生物量分配給地上，因此減緩深層根系的生長(zhǎng)［24］。另一方面，高寒草甸植物生長(zhǎng)季較短，不足以使植物根系向較深土層延伸，最終導(dǎo)致土壤根系分布淺層化［58］。

本研究表明氮磷混施增加了表層根系死亡量，而降低了深層根系死亡量。主要是因?yàn)槭┓恃杆傺a(bǔ)充了土壤養(yǎng)分資源，根據(jù)生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)“最優(yōu)配置”模型理論［48］，植物為了將一定量的碳分配給地上部分，通過(guò)增加根系死亡來(lái)降低其根系的碳積累［49］，因此施肥使得表層根系死亡量變大［24］。也可能是施肥降低了表層土壤水分，而線粒體作為植物根系的關(guān)鍵細(xì)胞器之一［59］，在低水分條件下，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能易產(chǎn)生顯著變化，這些變化容易觸發(fā)根系細(xì)胞死亡程序［60］，加速根系衰老死亡，從而增加了表層根系死亡量［52］。在低養(yǎng)分條件下［61］，植物根系則通過(guò)削減根系死亡量來(lái)貯存其生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)［62］，本研究表明施肥總體上降低了深層土壤速效氮含量（表1），加之根系死亡量與土壤速效氮含量呈顯著正相關(guān)（表4），因此氮磷混施導(dǎo)致深層根系死亡量降低。

3.3 N、P添加對(duì)高寒草甸根系周轉(zhuǎn)的影響

細(xì)根周轉(zhuǎn)在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳和養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程中扮演著重要角色，其向地下生態(tài)系統(tǒng)輸入的有機(jī)物達(dá)到輸入總量的50%左右［63］。而細(xì)根壽命作為細(xì)根周轉(zhuǎn)的重要內(nèi)在機(jī)制，決定了向土壤分配的碳及養(yǎng)分的量，細(xì)根壽命越長(zhǎng)，則周轉(zhuǎn)越慢，其對(duì)碳的消耗也越?。?4－65］，因而影響對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力的準(zhǔn)確評(píng)估。本研究表明，氮磷添加整體上提高了根系壽命，從而降低根系周轉(zhuǎn)，這與Peng等［66］和王奇等［67］對(duì)施肥后根系周轉(zhuǎn)的研究結(jié)果相似。其原因有：1）一般認(rèn)為直徑較大的根系壽命長(zhǎng)于直徑較小的根系［68］。施肥后隨著土壤氮有效性的提高，使得根系的形態(tài)以及構(gòu)型發(fā)生變化，因而高氮環(huán)境中根系直徑變大［69］，植物根系壽命因此得到延長(zhǎng)。2）根據(jù)投入－收益原則，施肥提高了土壤有效氮的含量后，植物延長(zhǎng)根系壽命的收益（吸收氮磷等養(yǎng)分）高于維系根系的成本（消耗碳），因此根系采取長(zhǎng)時(shí)間占據(jù)營(yíng)養(yǎng)空間的生存策略，以吸收更多養(yǎng)分［70］。3）根據(jù)根系碳匯強(qiáng)度理論［70］，若土壤氮有效性提高，則根系對(duì)養(yǎng)分的吸收效率隨之提高，使根系成為一個(gè)相對(duì)較強(qiáng)的碳匯，這些碳主要用于維持根系的呼吸作用、吸收養(yǎng)分能力以及同化和轉(zhuǎn)運(yùn)速率［71］，因此根系擁有足夠的碳延長(zhǎng)壽命，細(xì)根周轉(zhuǎn)隨之變慢。4）由于真菌菌絲在根系組織的代謝活動(dòng)進(jìn)程中（如養(yǎng)分利用及光合產(chǎn)物消耗等）發(fā)揮重要作用，菌根真菌的存在與否必定會(huì)影響根系壽命［72］。菌根真菌侵染根系后導(dǎo)致根系分枝結(jié)構(gòu)發(fā)生變化［49］，其分枝比例有所增加，尤其是1級(jí)根，菌根侵染的細(xì)根多為細(xì)小的根尖，較粗根尖不易受到侵染［20，73］。施肥降低了菌根真菌的侵染率［14］，進(jìn)而削弱根系的分化程度［20］，減少短壽命根尖數(shù)量，從整體上延長(zhǎng)了根系壽命。

另有研究表明施肥會(huì)降低根系壽命［13－14］。原因是土壤有效養(yǎng)分對(duì)根系壽命有可能是正效應(yīng)，也可能是負(fù)效應(yīng)，這取決于植物種類(lèi)、器官、植物體內(nèi)碳平衡狀態(tài)以及養(yǎng)分在土壤中的空間異質(zhì)性等多方面因素［30，49］。Pregitzer等［30］指出野外施肥試驗(yàn)導(dǎo)致植物根系壽命的延長(zhǎng)或縮短只是短暫的表象，并不能反映土壤養(yǎng)分有效性對(duì)根系壽命的長(zhǎng)期影響。不同植物類(lèi)型有不同的有效養(yǎng)分適應(yīng)范圍，在此范圍內(nèi)，植物根系壽命與土壤有效養(yǎng)分的關(guān)系可能為正相關(guān)也可能為負(fù)相關(guān)［70］?？傊寥鲤B(yǎng)分的有效性受全球變化的影響，勢(shì)必會(huì)改變生態(tài)系統(tǒng)的碳分配格局，因此監(jiān)測(cè)根系周轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力意義重大。

4 結(jié)論

1）氮磷添加顯著提高了川西北高寒草甸表層土壤速效養(yǎng)分含量，降低了土壤pH，影響了植物根系動(dòng)態(tài)特征及周轉(zhuǎn)。2）由于土壤資源有效性空間層次上的差異，氮磷添加增加了土壤表層根系現(xiàn)存量、生產(chǎn)量和死亡量，降低了土壤深層根系現(xiàn)存量、生產(chǎn)量和死亡量，使根系分布淺層化。3）另外，氮磷添加增加了植物根系壽命，根系周轉(zhuǎn)隨之變慢，削弱了根系對(duì)碳的消耗作用，使根系成為較強(qiáng)的碳匯，由此改變了高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的碳分配特征。