外源養(yǎng)分對麻櫟細根生長形態(tài)及氮磷含量的影響

郝倩葳，于水強，曹雨婷，邵慧妹，王維楓

(南京林業(yè)大學 a南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，b生物與環(huán)境學院，江蘇 南京 210037)

細根(直徑≤2 mm)是植物地下部分最活躍、最敏感的組分[1]，是植物吸收、儲存、運輸養(yǎng)分和水分的主要器官，在森林生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動中發(fā)揮著重要的作用。林木細根對養(yǎng)分斑塊的敏感性和養(yǎng)分獲取能力的差異將直接影響到植物生長、種間競爭關系、凋落物分解和生態(tài)系統(tǒng)生產等過程，一直都是生態(tài)學家關注的熱點問題[2-6]。在全球變化背景下，如氮沉降、升溫所帶來的有機質快速分解可能導致土壤養(yǎng)分有效性的改變，進而影響植物對土壤養(yǎng)分資源的利用。凋落物的分解亦是陸地生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動的關鍵環(huán)節(jié)之一，影響著土壤養(yǎng)分狀況，從而影響樹木根系的生長形態(tài)特征[7]。因此，探究根系性狀特征和土壤養(yǎng)分之間的關系，對于理解全球變化背景下的地下生態(tài)過程，以及森林生態(tài)系統(tǒng)的管理具有重要的理論意義和應用價值[7-9]。

在自然環(huán)境中，由于土壤養(yǎng)分的異質性，植物生長的必需資源在空間和時間上呈斑塊狀分布[10]。為加強養(yǎng)分的獲取，植物根系會對土壤資源的異質性分布做出響應[11]，而細根的可塑性是植物適應環(huán)境獲取養(yǎng)分的重要策略。雖然細根的生長、形態(tài)特征及功能屬性主要取決于遺傳因素[12]，但仍具有一定的可塑性。植物可以通過調整細根生長、形態(tài)特征和生理特征來使資源獲取效率最優(yōu)化。近幾年來，關于植物根系關鍵性狀可塑性與土壤環(huán)境間的關系已有一些報道，但尚無統(tǒng)一的結論。例如，一些植物通過有選擇性地增加吸收根(absorptive roots)在富養(yǎng)斑塊中的生長和分布來提高養(yǎng)分覓食能力[2,13-14]，而另一些植物根系對富養(yǎng)斑塊的覓食響應并不明顯，甚至呈負相關性[15-18]。Hodge[19-20]總結了植物根系對異質性養(yǎng)分資源的可塑性響應，發(fā)現(xiàn)不同物種之間植物根系對異質性養(yǎng)分的形態(tài)和生理響應規(guī)律并不一致，甚至在同一物種內部，響應的大小也取決于養(yǎng)分斑塊的特性。因此，對于土壤養(yǎng)分與植物根系養(yǎng)分獲取行為之間的關系和反應機理，仍缺乏有效、全面的解釋。

目前，關于植物根系性狀特征與資源獲取的研究，多是改變N的有效性，而關于P的有效性及N+P對細根塑性的影響研究相對較少，更缺乏關于細根對多類型養(yǎng)分響應的比較研究。為此，本研究以分布廣泛的麻櫟為對象，通過添加不同外源養(yǎng)分，分析麻櫟細根生長特征、形態(tài)特征及養(yǎng)分含量的變化，探究細根對不同養(yǎng)分的可塑性響應，以期為細根地下資源獲取策略及其對環(huán)境變化的適應機制研究提供理論支撐。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于江蘇省南京市紫金山國家森林公園 (118°50′23″ E，32°04′03″ N)，屬于北亞熱帶季風氣候，年降水量為1 000～1 050 mm，年均氣溫15.4 ℃。土壤類型以黃棕壤和灰棕壤為主，呈酸性至微酸性。麻櫟(Quercusacutissima)林分主要是人工種植后形成的次生林，主要樹種有麻櫟和楓香(LiquidambarformosanaHance)。麻櫟林齡約30年，平均胸徑28.25 cm，平均樹高18.2 m；楓香平均胸徑5.50 cm，平均樹高5.0 m。林下主要灌木植物有枸骨(IlexcornutaLindl. et Paxt.)、木犀(Osmanthusfragrans(Thunb.) Lour.)、石楠(PhotiniaserrulataLindl.)，草本植物有蓬蘽(RubushirsutusThunb.)、麥冬(Ophiopogonjaponicus)、絡石(Trachelospermumjasminoides(Lindl.) Lem.)等。

1.2 樣地設置與根袋布設

1.2.1 試驗設置 在麻櫟試驗林分中隨機設置3塊20 m×20 m的重復樣地，布設生長袋之前，用土鉆在樣地中隨機鉆取5個15 cm深的土柱，裝入自封袋，于實驗室中將土壤與根系分離，測得土壤pH為4.79±0.07，全N含量為(4.08±1.31) g/kg，全P含量為(0.13±0.01) g/kg。2019年1月，在每個麻櫟樣地中隨機選取5株麻櫟作為供試樹種，采用原位根系生長袋法研究麻櫟根系對養(yǎng)分的生長響應。本試驗共設置5個養(yǎng)分添加處理，即對照(CK)、氮添加(N)、磷添加(P)、多養(yǎng)分添加(NPK)和凋落物添加(F)，其中對照處理未添加任何外源養(yǎng)分。根據(jù)Adams等[21]的研究結果，為達到良好的根系響應效果，氮磷等化學肥料養(yǎng)分的施用量為原土壤中養(yǎng)分含量的 4 倍；根據(jù)Chen等[22]的試驗報道，凋落物添加處理中凋落物添加量為每袋20 g。

1.2.2 生長袋的布設 在距所選麻櫟樹干1.5 m半徑處(前期試驗發(fā)現(xiàn)此距離細根生物量較高，根系能有效接觸到養(yǎng)分斑塊)，用內徑7 cm的根鉆在同一棵樹木周圍鉆取5個15 cm深的孔洞，用于布設5個不同養(yǎng)分處理的根袋。將樣地表層0～15 cm土壤進行過篩(5 mm篩網(wǎng))處理，挑出根系和大石礫等，然后將部分無根土壤與添加的肥料混勻，將混勻后的土壤分別裝填入直徑7 cm、長度15 cm的生長袋(網(wǎng)孔大小為2 mm的尼龍網(wǎng)袋)中，每袋土壤質量約500 g，再重新埋置于先前用土鉆鉆取的孔洞中，并用標簽標記。5個養(yǎng)分處理被隨機布設在每株樹下。用于養(yǎng)分添加的肥料有：①N，添加的N肥為硫包衣尿素(SCU，緩釋肥，含 37% N)，每生長袋中的添加量為22.06 g；②P，添加的P肥為過磷酸鈣(Ca(H2PO4)2，含 12% P)，每生長袋中的添加量為2.17 g；③多養(yǎng)分(NPK)，添加的肥料為氮磷鉀緩釋復合肥(含N、P、K各15%)，每生長袋中的添加量為54.40 g；④林下凋落物。取該林下的凋落物粉碎，每生長袋中的添加量為20 g[21-24]。

1.3 樣品采集與分析

2019年10月上旬，將布設的生長袋全部收回后帶回實驗室。在收回生長袋時，為防止扯出生長袋內的根系，要割斷生長袋外側連接的根系，并輕輕從土壤中移出完整的生長袋，放入密封袋運回實驗室，低溫(4 ℃)儲存用于后續(xù)根系和土壤樣品的分析。

用鑷子分離出生長袋中的完整植物細根，再用自來水輕輕洗去細根上附著的土壤。采用Pregitzer等[25]提出的“根序法”進行根系分級，將生長在根系最末端的根尖定義為1級根，1級根生長在2級根上，2級根生長在3級根上，以此類推，本試驗僅分析麻櫟細根1～3級根序。將分級后的細根平鋪(盡可能減少重疊)在托水盤中，用Epson數(shù)字化掃描儀(Expression 10000XL 1.0)進行掃描，并將掃描后的圖像存入計算機，用與掃描儀配套的Win RHIZO(Pro 2005b)根系圖像分析軟件(加拿大Regent Instruments公司)對細根形態(tài)特征指標進行定量分析。然后將根系樣品放入烘箱中烘干至質量恒定(60 ℃，48 h)，測定細根干質量。細根生物量及形態(tài)特征(比根長、組織密度、比表面積、分枝比、分枝強度)相關指標按照以下公式計算：

細根生物量(單位土芯面積的細根干質量，g/m2)=根干質量/取樣面積；

比根長(m/g)=細根長度/細根干質量；

組織密度(g/cm3)=細根干質量/細根體積；

比表面積(m2/kg)=細根表面積/細根干質量；

分枝比=低序級根分枝數(shù)(Nx)/高序級根分枝數(shù)(Nx+1)，其中序級x=1,2,3；

分枝強度(cm-1)=低序級根分枝數(shù)(Nx)/高序級根總根長(Lx+1)，其中序級x=1,2,3。

將烘干稱過干質量后的根系粉碎，測定其N、P含量。用硫酸-過氧化氫消化法制備待測液，用靛酚藍比色法測定細根的N含量，用鉬銻抗比色法測定P含量。

將根袋中的土樣過2 mm篩，用于土壤pH和養(yǎng)分含量分析。土壤pH采用電位法，使用pH計測定；土壤全氮含量用元素分析儀測定，銨態(tài)氮含量用靛酚藍比色法測定，硝態(tài)氮含量用雙波長紫外分光光度法測定，土壤全磷含量用硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS Statistics 19對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析，用Origin 2019繪圖。對添加不同養(yǎng)分處理間的細根生長特征和形態(tài)特征及細根N、P養(yǎng)分含量進行單因素方差分析，用Duncan’s檢驗分析其顯著性。

2 結果與分析

2.1 添加外源養(yǎng)分對土壤養(yǎng)分含量的影響

由表1可以看出，與CK相比，N、P處理顯著提高了根袋中土壤的pH值，P、NPK處理的全P含量分別顯著提高了83.82%和472.97%。添加養(yǎng)分處理的根袋土壤NH4+-N含量均高于CK，但僅N和NPK處理與CK的差異達到了顯著水平(P<0.05)。N處理土壤中的NO3--N含量顯著高于CK，而P、NPK和F處理根袋土壤中的NO3--N含量則明顯低于CK，其中P和NPK處理與CK差異達到顯著水平(P<0.05)，分別顯著降低了66.28%和69.29%。

表1 添加不同養(yǎng)分處理土壤的pH值及養(yǎng)分狀況

2.2 添加外源養(yǎng)分對麻櫟細根生長特性的影響

圖1顯示，麻櫟細根的總根長和生物量的增殖生長對不同養(yǎng)分處理的響應并不相同。與CK相比，NPK處理麻櫟1～3級細根的總根長及生物量均顯著增加(P<0.05)，其中1，2，3級細根的總根長分別較CK增加了2.97，3.92和6.59倍，生物量分別增加了2.97，4.55，3.91倍。與CK相比，N處理細根的總根長和生物量均有所降低，但差異均未達顯著水平(P>0.05)。P處理細根總根長和生物量與CK相比略有增加，但差異不顯著(P>0.05)。F處理細根總根長和生物量與CK相比均無顯著變化(P>0.05)。

圖柱上標不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同

2.3 添加外源養(yǎng)分對麻櫟細根形態(tài)特征的影響

圖2顯示，不同養(yǎng)分添加處理對麻櫟細根的平均直徑有不同影響。與CK相比，N處理對麻櫟1～2級根平均直徑影響不顯著，但其3級根平均直徑顯著增大(P<0.05)；P、NPK、F處理均使細根平均直徑減小，其中P處理的1，3級根與CK有顯著差異(P<0.05)，NPK、F處理僅1級根與CK差異顯著(P<0.05)。

圖2 添加不同養(yǎng)分對麻櫟細根形態(tài)特征的影響

圖2還表明，與CK相比，細根比根長、比表面積和組織密度對4種養(yǎng)分添加處理的響應總體并不敏感，其中只有3級根對N處理響應較大，但與CK間并無顯著差異(P>0.05)。

圖3顯示，不同養(yǎng)分添加處理對麻櫟細根構型的影響并不一致。與CK相比，除N處理對2～3級細根分枝比和分枝強度有顯著影響外，其余處理對1～2級和2～3級細根分枝比和分枝強度均無顯著影響(P>0.05)。

圖3 添加不同養(yǎng)分對麻櫟細根構型的影響

2.4 添加外源養(yǎng)分對細根養(yǎng)分含量的影響

圖4表明，5個外源養(yǎng)分添加處理中，CK處理麻櫟細根的N含量最小(8.30±0.92) g/kg，N和NPK處理細根的N含量較CK分別顯著增加了102.3%和77.0%，其余處理與CK差異不顯著。

圖4還顯示，不同外源養(yǎng)分添加處理對麻櫟細根P含量影響不同。與CK相比，NPK和P處理細根P含量分別顯著提高了128.8%和69.15%；N處理降低了細根P含量，F(xiàn)處理提高了細根P含量，但與CK差異均不顯著(P>0.05)。

圖4 添加不同養(yǎng)分對麻櫟細根N、P含量的影響

3 討 論

細根的生長與土壤環(huán)境密切相關，土壤養(yǎng)分有效性的增加，會對植物細根生長及生物量積累產生影響[26-27]，但二者對不同土壤養(yǎng)分的響應存在明顯差異。本研究表明，5個外源養(yǎng)分添加處理中，NPK和P處理均可以促進麻櫟各序級細根生物量和總根長的增長，但只有NPK處理的細根生物量和總根長較CK顯著增加(P<0.05)；N處理細根生物量和總根長較CK表現(xiàn)出下降的趨勢，而F處理麻櫟細根生物量和總根長變化較小，表明麻櫟細根的增殖生長(生物量和根長生長)可能因土壤有效養(yǎng)分類型的不同存在差異化響應。這與前人的研究結論相似，例如Liu等[24]對亞熱帶地區(qū)14個樹種的養(yǎng)分添加試驗發(fā)現(xiàn)，細根根長的增殖生長只有在多養(yǎng)分添加(NPK)時才會表現(xiàn)出顯著增加，而單獨添加N和P處理并無顯著增加效果。這可能是由于物種對不同類型養(yǎng)分豐富斑塊的敏感性不同所致，并且斑塊中N和P含量比例的失衡可能會限制根系的生長。在以往的研究中，前人也觀察到了植物細根對不同養(yǎng)分的差異化反應。例如，Jackson等[28]觀察發(fā)現(xiàn)，在富含NPK和N的斑塊中，三葉蒿(Artemisiatridentata)根系增殖顯著，但在富含P的土壤中只有少量根系生長，這主要是因為植物對不同土壤資源的需求量不同，其可根據(jù)自身需求量調節(jié)根系增殖的程度。總體而言，植物是否改變以及如何改變營養(yǎng)豐富斑塊中的根系增殖，取決于營養(yǎng)限制的程度和類型以及不同物種的營養(yǎng)吸收能力[24]。

植物根系的可塑性變化是植物應對養(yǎng)分時空異質性的重要手段，植物除了可以通過調整細根增殖生長來拓展土壤空間而吸收養(yǎng)分外，細根還會通過改變其功能性狀，如細根形態(tài)和構型特征，以更高效地適應土壤環(huán)境，使資源獲取效率達到最優(yōu)[1,29]。本研究中，麻櫟細根形態(tài)對不同養(yǎng)分添加的響應存在差異。與CK相比，除N處理之外，P、NPK和F處理的1～3 級3個序級的細根直徑均有所減小，而細根比根長、比表面積和組織密度對養(yǎng)分添加的響應并不顯著。本研究中，2～3級細根分枝比和分枝強度對N處理表現(xiàn)出強烈的響應。植物根系功能性狀(如直徑、比根長、組織密度、分枝比和分枝強度等)對不同養(yǎng)分類型的差異化響應在前人研究中也有報道。例如Liu等[24]研究發(fā)現(xiàn)，N、P和NPK養(yǎng)分對14個亞熱帶樹種細根直徑、比根長、組織密度無顯著影響，而細根分枝比率和分枝強度對其響應敏感。于立忠等[30]對日本落葉松人工林進行施肥試驗發(fā)現(xiàn)，添加N顯著降低了細根的平均直徑，但增加了比根長，而添加P和NPK養(yǎng)分對細根直徑、比根長等均無顯著影響。這種差異性響應可能是由以下幾個方面原因導致的：一是不同植物的養(yǎng)分需求量和偏好類型不同，對養(yǎng)分添加響應敏感性存在差異。如陳旭等[31]對濱海11種造林樹種細根性狀的研究發(fā)現(xiàn)，1級根直徑和皮層厚度與土壤硝態(tài)氮含量呈顯著負相關，但與銨態(tài)氮含量相關性不顯著。二是麻櫟細根生長對養(yǎng)分的敏感性可能受菌根真菌侵染的影響，菌絲對土壤養(yǎng)分的吸收在很大程度上會影響細根的吸收策略[29,32]，菌根真菌的參與可能會導致細根對環(huán)境變化的可塑性發(fā)生混亂，例如在貧瘠的土壤中，外生菌根真菌菌絲體生物量增加，擴大了養(yǎng)分吸收面積，使得宿主植物細根不需要形態(tài)上的調整就可以滿足自身生長的需求[33]。賈林巧等[34]探究了不同菌根類型常綠闊葉樹種細根形態(tài)性狀和構型性狀對氮沉降的響應，結果發(fā)現(xiàn)，相比于叢枝菌根樹種，木荷(Schimasuperba)的細根更依賴菌根菌和細根構型之間的互補性進行養(yǎng)分獲取，外生菌根樹種羅浮栲(Castanopsisfaberi)主要依靠細根本身來提高養(yǎng)分吸收效率、增強空間擴展和就地養(yǎng)分吸收能力，其以快速的養(yǎng)分吸收策略為主。而麻櫟作為外生菌根樹種，也必然會受到根外菌絲養(yǎng)分吸收作用的影響。

本研究中，結合細根生長特征和形態(tài)塑性，可知麻櫟對不同類型養(yǎng)分具有不同的養(yǎng)分吸收策略。將N、P肥單獨作為外源養(yǎng)分添加使土壤養(yǎng)分有效性增加時，麻櫟細根更多的是通過改變根系形態(tài)特征來提高對土壤養(yǎng)分和水分的吸收能力；而在NPK多養(yǎng)分供給條件下，麻櫟通過增殖根長和細根生物量的方式來提高養(yǎng)分吸收效率；添加凋落物(F)對麻櫟細根生長與形態(tài)特征無明顯影響，其主要原因可能是凋落物分解較慢，釋放出的養(yǎng)分量短期內并不能引起麻櫟細根產生響應。本研究通過對生長袋中土壤養(yǎng)分和細根中N、P含量的測定也發(fā)現(xiàn)，在添加凋落物處理(F)中，麻櫟細根N、P含量與CK差異不顯著，而在化學養(yǎng)分添加處理中，添加N、P養(yǎng)分可分別顯著提高細根的N含量和P含量，添加NPK處理可同時顯著提高細根的N、P含量，該結果與已有研究結果[35-36]相似。外源養(yǎng)分的添加提高了土壤中相應N、P元素的可利用性，從而增強了細根對N、P元素的吸收能力。而凋落物在土壤中分解緩慢，短時間內不能使麻櫟細根周圍土壤的養(yǎng)分含量發(fā)生顯著變化，由于涉及到有機養(yǎng)分獲取特征研究，試驗時間應相應延長。今后在進行植物根系養(yǎng)分獲取的研究中，應關注多類型養(yǎng)分的對比研究及菌根塑性的研究，從而為比較土壤理化性質變化對樹種細根功能性狀的影響，探究林木的養(yǎng)分覓食策略提供更多參考。