水曲柳前4級細根N內(nèi)循環(huán)的研究

黃石竹，張彥東，王政權，孫曉新*

(1.黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學院 生態(tài)工程系，哈爾濱 150025；2.東北林業(yè)大學 林學院，哈爾濱 150040)

養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)是植物的一種養(yǎng)分保存機制[1-2]，對植物在貧瘠的土壤或養(yǎng)分不充足的季節(jié)維持自身的正常生長有重要意義。植物的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)既可以減少養(yǎng)分損失[3-4]，又可以有效提高養(yǎng)分利用率[5]。衰老器官的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)機制對于研究植物如何有效減少養(yǎng)分流失非常重要。樹木細根壽命很短、周轉(zhuǎn)頻繁，樹木需要消耗自身較多的凈初級生產(chǎn)力才能維持這一過程[6-9]，因此，細根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)對提高樹木養(yǎng)分利用效率的意義更為重要。

為了研究方便和正確計算，大多數(shù)學者對細根進行研究時，都將細根按照直徑劃分為不同的等級。但是也有研究指出，在同一個直徑等級范圍內(nèi)，細根的形態(tài)和功能存在很大的差異[10-11]，如果忽視單個根在根系統(tǒng)中的位置，不考慮根系統(tǒng)的結構，那么對細根壽命的估算和對細根周轉(zhuǎn)的評價都會不準確[10，12]。因此，Pregitzer等[12]將河流水系分級的方法應用到細根等級劃分中，這種分級方法考慮了根系自身生長發(fā)育的特點，更能體現(xiàn)單個根在根系統(tǒng)中的位置和發(fā)育階段的不同功能。以往對于細根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的研究多是針對某一直徑范圍內(nèi)的根進行的，本研究將水曲柳(Fraxinusmandshurica)細根按照根序劃分等級，研究各級根序細根的N內(nèi)循環(huán)狀況，旨在判斷水曲柳不同根序細根N內(nèi)循環(huán)狀況，并量化N內(nèi)循環(huán)率。

1 研究地概況

研究地點選在黑龍江省東部東北林業(yè)大學帽兒山實驗林場。地理坐標45°20′-45°25′N，127°30′-127°34′E，平均海拔300 m。屬溫帶大陸季風性氣候區(qū)，年平均氣溫為2.8℃，1月氣溫(平均-19.6℃)最低，7月氣溫(平均20.9℃)最高。無霜期120～140 d。年降平均水量達723 mm，多集中于7月和8月。地帶性土壤為暗棕壤。

2 研究方法

2.1 樣地設置

研究樣地位于東坡中部，海拔435 m，坡度6°。選擇1987年營造的水曲柳人工純林，造林株行距為1.5 m×1.5 m，目前保留株數(shù)約為4000株/hm2。水曲柳平均胸徑和樹高分別為6.3 cm和7.5 m。林下灌木主要有暴馬丁香(Syringaamurensis)和毛榛(Corylusmandashurica)。林下草本主要有山茄子(Brachbotrysparidiformis)和木賊(Hippochaetehymale)。林下蕨類主要有粗莖鱗毛蕨(Dryoopteriscrassirhioma)、掌葉鐵線蕨(Adiantumpedatum)和猴腿蹄蓋蕨(Athyriummutidentatum)。樣地面積為15 m×12 m，設三次重復。

2.2 根系樣品采集與處理

取樣時間為2005年6月中下旬。在同一樣地內(nèi)隨機選取三棵樹，在距樹干基部約0.5 m處取樣。先去除地表的枯枝落葉，再用長、寬和高為20 cm×10 cm×10 cm的自制土壤取樣器分3次取出0～30 cm土層土樣，共取9個樣。將樣品放入孔徑為0.42 mm的篩網(wǎng)中，在流水中沖洗掉土壤，挑撿出水曲柳的根，然后迅速放入封口袋中，存入冰箱密封冷藏。在實驗室用去離子水(2～3℃)洗去根表面殘留的土粒和雜質(zhì)，挑揀出直徑≤2 mm的細根放入盛有去離子(2～3℃)水的玻璃器皿中，根據(jù)其光澤、顏色和彈性等特征區(qū)分活根和死根[13]。活根呈乳白色或淡黃色，有彈性、鮮亮，根序完整，死根特征為褐色、失去光澤和韌性、易斷，多數(shù)死根未脫落。

依照根序分級方法[12]對細根進行分級，將根系末端的根(即最遠軸的根)定義為一級根，一級根著生部位的根定義為二級根，二級根著生部位的根是三級根，以此類推直至區(qū)分到四級根。著生在高級根序上但沒有分枝的根也劃分為一級根。

將每個樣地三個樣點的活根和死根按不同等級分別混合并掃描，再經(jīng)65℃烘干48 h后，在電子天平上(±0.001 g)稱量細根干重，最后研磨至粉末狀用于分析N含量。

2.3 細根長度和N濃度測定

根樣烘干之前用WinRhizo根系掃描分析系統(tǒng)(Pro(s)v.2004b，Regent instruments Inc，Canada)掃描根樣并計算其長度，然后用干重除以根長計算出單位長度細根的干重(g/cm)。采用凱氏定氮法測定細根N濃度。

2.4 細根N含量和N內(nèi)循環(huán)率計算

由于基于濃度比較來估計養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)狀況可能并不準確[14-15]，所以本研究用單位長度細根干重(g/cm)乘以細根N濃度(μg/g)計算得到單位長度細根的N含量(μg/cm)，比較含量差異來評價水曲柳細根N內(nèi)循環(huán)。細根N內(nèi)循環(huán)率計算公式：

式中：RE為N內(nèi)循環(huán)率(%)；Cl為活根N含量(μg/cm)；Cd為死根N含量(μg/cm)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

用獨立樣本T檢驗分別比較不同根序等級的活根與死根間N含量的差異顯著性，當p<0.05時差異顯著，以此判斷是否存在N內(nèi)循環(huán)。用SPSS 16.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。由于四級根序死根量非常少，將三個樣地的四級死根量混合進行濃度測定，所以四級活根與死根間N含量差異未做顯著性分析。

3 結果與分析

將細根按照根序方法劃分為不同等級，由于這種方法考慮了根系統(tǒng)中不同位置根的結構功能差異，因此對細根壽命的估計更為準確[10]。細根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)發(fā)生在細根死亡脫落前，因此與細根的壽命密切相關。有研究顯示：各根序等級根的壽命存在差異，根序等級越高，根壽命越長[12]，因此，衡量細根的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)應該考慮根位置的影響。

水曲柳活根N濃度隨著根序等級的增加而逐漸減少，N含量隨著根序等級的增加而逐漸增加，且死根與活根規(guī)律相似(如圖1所示)。水曲柳不同根序等級細根N濃度的變化規(guī)律與Pregitzer等對9個樹種細根N濃度的研究結果相似[10]：根序等級越高N濃度越少。水曲柳各級根的干重不同導致了細根N含量與N濃度出現(xiàn)相反規(guī)律，單位長度細根干重隨根序等級增高而變大(如圖2所示)，使得根序等級越高，細根的N含量越大。各級根之間的N濃度存在不同程度的差異，含量也是如此，將各級根混合所得的平均濃度或平均含量都不能代表各級根N的絕對含量，因此，細根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的研究將細根按照根序劃分等級所得的結果可能更為準確。

圖1 水曲柳各級根序細根N濃度和N含量

圖2 水曲柳各級根序細根干重

一級根和二級活根N含量略高于死根，但差異均不顯著(p>0.05)；三級活根N含量顯著(p<0.05)高于死根，四級活根的N含量也明顯高于死根，這說明水曲柳的一級根和二級根可能都沒有發(fā)生N內(nèi)循環(huán)，但從三級根開始有N的內(nèi)循環(huán)發(fā)生。根據(jù)N含量的計算結果，三級根和四級根N的內(nèi)循環(huán)率分別為26.03%和50.93%。相同樹種的研究結果顯示，水曲柳一級根、二級根和三級根的直徑均小于等于0.5 mm[10]，而直徑≤0.5 mm的根存在N內(nèi)循環(huán)，內(nèi)循環(huán)率為10.56%(見表1)，小于本研究中三級根和四級根的內(nèi)循環(huán)率，這可能是將不同根序等級的根混合在一起求平均含量造成的。需要注意的是，如果本研究比較的是活根與死根間的N濃度差異，則根本不存在N的內(nèi)循環(huán)，這與王存國在長白山闊葉紅松林用養(yǎng)分濃度法研究的細根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的結果一致[16]。可見，選擇研究方法的不同可能是目前細根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)結果具有較大差異的主要因素之一。這也證明了van Heerwaarden等[15]的推測：基于濃度比較來估計養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)狀況可能并不準確，可能會造成對養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的誤判或者低估。

表1 水曲柳活根與死根間N含量差異

注：*表示差異顯著(p<0.05)；“直徑≤0.5 mm根”的數(shù)據(jù)見參考文獻[17]

雖然目前水曲柳各級根序的壽命和死亡順序沒有定論，但就本研究中細根N內(nèi)循環(huán)而言，在各級根死亡脫落時，根序等級較高的根應該存在N的內(nèi)循環(huán)。按照直徑大小劃分細根等級的研究方法所得的N內(nèi)循環(huán)結論不能完全反映各根序等級根的N內(nèi)循環(huán)狀況，根的位置與根序結構不僅對研究細根壽命和周轉(zhuǎn)有重要意義，對細根N內(nèi)循環(huán)的研究也產(chǎn)生重要影響。

4 結束語

水曲柳三級根和四級細根存在N內(nèi)循環(huán)，而一級根和二級細根應該不存在N內(nèi)循環(huán)。水曲柳直徑≤0.5 mm細根的N內(nèi)循環(huán)研究結論不能完全反映各級根的N內(nèi)循環(huán)狀況，根的位置不同，其N內(nèi)循環(huán)情況不同，因此，細根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的研究應該將根序作為一個重要的指標來考慮。此外，養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)研究方法的選擇也會對結果產(chǎn)生較大影響，是細根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)研究中需要進一步關注的問題。

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