常綠闊葉林外生、內生菌根樹種細根化學計量學性狀對N添加的響應

范愛連,張禮宏,陳廷廷,陳宇輝,姜 琦,賈林巧,王 雪,陳光水,*

1 福建師范大學地理研究所, 福州 350007

2 福建師范大學濕潤亞熱帶生態地理過程教育部重點實驗室, 福州 350007

近幾十年來,由于工農業發展和化石燃料的大量燃燒導致N沉降在全球范圍增加[1],20世紀大氣N沉降增加約4倍[2],預計到21世紀末全球N沉降速率還將增加2.5倍[3],這些含N化合物通過干濕沉降進入陸地生態系統并對其產生巨大影響[4]。在這一全球變化背景下,N沉降研究已成為國際上生態和環境研究的熱點內容之一[5],模擬N沉降的N添加試驗不斷開展[6]。

細根作為植物吸收養分和水分的重要器官,是根系中最活躍和最敏感的部分[7],在生態系統C 和養分循環中起著重要作用[8]。細根化學計量學性狀作為細根最重要的功能性狀之一,對細根的代謝、分解、土壤微生物活性和土壤碳的輸入起著關鍵作用[7,9]。傳統細根研究通常將直徑小于某一定值(一般≤2 mm)的根系作為整體進行研究。但以往實驗表明,即使是細根,其化學元素含量,形態、功能、周轉等都存在高度異質性[10- 11]。這是由于植物根系存在明顯的分支結構,不同序級的細根在根系統中有不同的功能[12]。因此,系統研究不同序級細根化學計量學性狀,對認識植物對養分資源的分配和利用,了解森林生態系統C和養分循環具有重要的意義。

目前,關于細根化學計量學性狀對N添加的響應雖有一定研究,但大多基于徑級定義的細根[13- 17],且其響應方向和強度存在很大的不確定性。如史順增等[16]研究表明N添加降低了杉木(Cunninghamialanceolata)細根C濃度,但細根N濃度明顯增加；而Kochsiek 等[18]發現,N添加后白云杉(Piceaglauca)細根C濃度升高。Li等[19]通過Meta分析發現N添加提高了細根N濃度,對細根C濃度無顯著影響。但亦有研究表明N添加并未顯著改變細根N濃度[15]。大多數研究發現N添加對細根P濃度影響不顯著[13,15,20],但郭潤泉等[17]發現N添加顯著降低了杉木(C.lanceolata)0—1 mm直徑的細根P濃度。相比較,目前基于序級的細根化學計量性狀對N添加響應的研究較少。由于低級根根尖細胞分裂旺盛,代謝活躍,是吸收養分和水分的主要器官[21],因而低級細根對養分有效性的響應可能比高級根更明顯。如于立忠等[22]研究發現施N肥顯著增加日本落葉松(Larixkaempferi)土壤表層 1級根N濃度,對其余序級細根 N濃度、各序級細根C、P濃度無顯著影響；苗宇等[23]研究表明施N肥對臺灣榿木(Alnusformosana)各級細根全C含量影響不顯著,但極顯著增加了土壤表層1級細根及亞表層1、2級細根全N含量,而對3—5級細根全N含量影響不顯著。Pregitzer等[24]對北美的9個樹種研究表明,施N肥使其中的3個樹種的1—3級細根的N濃度提高,而其余序級和其他樹種細根N濃度則沒有顯著變化。

80%以上的陸地植物與真菌有共生關系,其中內生菌根(arbuscular mycorrhizas, AM)和外生菌根(ectomycorrhizas, ECM)是兩類最主要的菌根類型[25]。熱帶樹種的菌根類型以AM為主,而溫帶、寒帶樹種ECM較多[26]。盡管如此,不同類型的菌根樹種可以共存于同一氣候帶和生態系統內[27]。亞熱帶地區典型地帶性植被為常綠闊葉林,常綠闊葉林中不僅生長著AM樹種,也生長著ECM樹種。以往N添加試驗大多選擇單一菌根樹種為研究對象,而不同菌根樹種細根功能性狀,特別是細根化學計量學性狀對N添加的塑性響應有何差異目前仍不清楚。ECM 真菌與AM 真菌侵染根的方式明顯不同[28],且已有研究表明,ECM 樹種的根屬性變異比AM 樹種的小[29]。另外,AM真菌主要起到擴大土壤體積占有和養分吸收面積的作用,在土壤無機N養分斑塊中AM真菌將迅速增殖,不但能夠增大對N的吸收,而且可能同時擴大了對土壤P的吸收；而ECM 真菌因能產生水解酶、纖維素酶、蛋白酶等而可促進有機質的分解[30],在有機養分斑塊中更占優勢并促進ECM真菌的增殖,但在無機N有效性高的養分斑塊中可能受到抑制[29]。因而AM和ECM 真菌對無機N斑塊的不同響應可能影響細根對N、P的吸收,并導致細根化學計量學性狀的差異。

為此,我們于2018年1月在福建省建甌萬木林自然保護區選擇ECM樹種羅浮栲(Castanopsisfaberi)和AM樹種木荷(Schimasuperba)為研究對象,采用根序法開展N添加試驗,研究不同根序以及不同菌根樹種細根化學計量學性狀對N添加的塑性響應。基于之前的文獻分析,本文假設：(1)N添加對細根N濃度有顯著促進作用,對細根C、P濃度影響不顯著；(2)不同序級細根的化學計量學性狀可能表現出不同的塑性響應,總體上低級根的塑性響應強于高級根；(3)AM樹種木荷細根化學計量學性狀對N添加的塑性響應高于ECM樹種羅浮栲。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗樣地位于福建省建甌萬木林保護區(27°02′—27°03′ N,118°02′—118°09′ E)。處于武夷山南側,戴云山西北部,地貌類型為東南低山丘陵,地帶性土壤為紅壤和黃壤,植被類型為中亞熱帶常綠闊葉林。氣候類型為中亞熱帶季風氣候,年均溫18.8℃,年均降雨量1673 mm,多集中在4—6月,相對濕度80%,無霜期277 d。

1.2 試驗設計

本試驗采用根袋法進行原位試驗,共設置2個處理,分別為對照(CT),N添加處理(N),每個處理5個重復。于2018年1月開始布設根袋。根袋的布設方法為：在羅浮栲(C.faberi)、木荷(S.superba)群落選取5棵長勢相近的目標樹種(羅浮栲平均胸徑為61.63 cm,木荷平均胸徑為46.68 cm)；于土壤表層找到目標樹種的根(直徑約5 mm),剪除側根后把長約20 cm的根段放入根袋中(根袋為30 cm×30 cm,60目的尼龍網袋,袋內土壤約重3 kg),并在根袋上鋪一層60目尼龍網作為隔離層,并用枯枝落葉覆蓋。布設根袋2個月后(長出新根),于2018年3月至2018年6月開始每月進行一次施N處理,N肥采用硝酸銨,添加量為土壤背景值(土壤無機N)的4倍,即羅浮栲和木荷每次施肥量為107.16 mg、188.28 mg。在無雨天移開尼龍網隔離層,用噴霧瓶將N肥均勻噴灑在添加N肥的根袋上,對照根袋噴灑等量的自來水。

1.3 根樣獲取與指標測定

于2018年7月開始收取根袋,將根袋取回實驗室,從根袋中取出完整的根,根據Pregitzer 等[24]分級法對細根按根序進行分級。將分序級的細根樣品放入65℃烘箱中烘干至恒重,用球磨儀將烘干后的細根磨碎,每個樣品取8—10 mg用錫杯包樣并記錄重量,之后樣品用元素分析儀(vario EL III Element Analyzer, Germany)測定1、2、3和4序級細根中C、N濃度；稱取100 mg左右磨碎后細根樣品用HClO4-H2SO4消煮脫硅定容到100 mL,靜置24 h,取上清液,用連續流動分析儀(skalar san++, HOL)測定細根P濃度。

參考Valladares等[31]的方法,計算可塑性,即N可塑性響應(%)=(N處理-對照)/對照×100。

1.4 土壤取樣與指標測定

在布設根袋時分別采集根袋附近表層0—10 cm土壤,測定土壤背景指標,所選樣地羅浮栲和木荷表層土壤的理化性質如表1 所示。在收取根袋后,將根袋里的根取出,去除雜根后,將土壤混合均勻取樣,測定其根袋土壤指標。土壤理化性質測定方法：pH采用電位法測定,水土比為2.5∶1；礦質N、速效磷和土壤全磷分別采用KCl浸提,M3浸提,HClO4-H2SO4消煮后,用連續流動分析儀(skalar san++, Skalar)測定。采用德國ELEMENTAR Varietal III元素分析儀測定土壤全C和全N。

表1 所選樣地表層土壤基本理化性質(平均值±標準誤)

1.5 數據分析

采用單因素方差分析檢驗N添加對根袋土壤理化性質的影響；采用混合線性模型檢驗樹種、施N和序級對細根化學計量性狀的影響,并用混合線性模型檢驗同一序級下施N和樹種對細根化學計量性狀的影響；采用Bonferroni檢驗比較同一序級下不同樹種和處理組合間的差異；采用單因素方差分析檢驗比較同一序級不同樹種細根化學計量性狀差異、同一樹種不同序級間細根化學計量性狀對N的可塑性響應差異以及同一序級不同菌根樹種細根化學計量性狀對N添加的塑性響應差異。利用Excel 2003和SPSS 22.0軟件對數據進行統計分析,將P=0.05、P=0.01作為顯著性、極顯著性水平標準,利用Origin 9.0軟件制作相關圖表。

2 結果與分析

2.1 N添加對不同菌根樹種土壤理化性質的影響

由表2可知,N添加顯著降低了羅浮栲、木荷根袋土壤的pH(P<0.05),顯著增加了根袋土壤銨態N和硝態N的含量(P<0.05),但N添加對兩種菌根樹種土壤速效P含量均無顯著影響(P>0.05)。且施N前后,羅浮栲根袋土壤銨態N含量均高于木荷根袋。

表2 根袋土壤理化性質(平均值±標準誤)

2.2 N添加對不同菌根樹種細根化學性狀的影響

由表3可知,施N、根序對細根C濃度具有極顯著的影響(P<0.01),而樹種與根序的交互作用以及三者(樹種、施N和根序)的交互作用對細根C濃度具有顯著影響(P<0.05)。施N和樹種的交互作用對3序級細根C濃度有顯著影響(P<0.05)(圖1)；但進一步進行兩兩比較發現,不同樹種與處理組合間的差異不顯著。而除3序級外,施N和樹種的交互作用對不同根序細根C濃度影響不顯著；但施N對細根2序級細根C濃度有極顯著影響(P<0.01),對1、4序級有顯著影響(P<0.05),1、2、4序級細根C濃度分別增加了14.8%、11.5%、10.8%；樹種對1序級細根C濃度有顯著影響(P<0.05),木荷比羅浮栲高17.1%。

由表3可知,施N和根序對細根N濃度具有極顯著的影響(P<0.01),施N使細根N濃度提高了15.1%(圖1)。根序、樹種和根序的交互作用對細根P濃度具有極顯著的影響(P<0.01),羅浮栲與木荷的細根P濃度在1序級存在顯著性差異(P<0.05),在其他序級差異性不顯著(P>0.05)(圖1)。根序以及樹種和根序的交互作用對細根C/N具有極顯著的影響(P<0.01),羅浮栲與木荷C/N在1序級存在極顯著性差異(P<0.01),在其他序級差異性不顯著(P>0.05)(圖1)。施N以及根序對細根N/P具有極顯著的影響(P<0.01),施N使細根N/P提高了16.7%(圖1)。

根序、樹種和根序的交互作用對細根C/P具有極顯著的影響(P<0.01),而三者(樹種、施N和根序)的交互作用對細根C/P亦具有顯著影響(P<0.05),而施N對細根C/P的影響亦達到邊緣顯著水平(P=0.055)(表3)。施N、樹種及其交互作用對1序級細根C/P有顯著影響(P<0.05)；與對照相比,羅浮栲施N處理1序級細根C/P顯著提高。施N、樹種及其交互作用對3序級細根C/P亦有顯著影響；但進一步進行兩兩比較發現,不同樹種與處理組合間的差異不顯著(圖1)。

表3 樹種、施N和根序及其交互作用對細根化學計量性狀影響

圖1 不同菌根樹種細根化學計量性狀(平均值±標準誤)

由圖1還可以看出,隨著根序級的增加,羅浮栲與木荷細根C濃度、C/N、C/P明顯增加,N濃度與P濃度明顯下降,而細根的N/P基本保持穩定。

2.3 不同菌根樹種細根化學性狀對N添加的塑性響應

由混合線性模型結果可知(表3),對于細根C濃度和C/P,樹種、施N和根序三者的交互作用有顯著影響,因此對細根C濃度以及細根C/P分樹種和根序分別計算塑性響應值。結果表明羅浮栲以及木荷的細根C濃度以及細根C/P比對N添加的可塑性響應在各序級間差異性不顯著(P>0.05),且不同菌根樹種間,細根C濃度以及細根C/P比只有在3序級存在顯著性差異(P<0.05)。

從表3可知,對于細根N濃度和N/P,只有施N的主效應顯著,而其余含施N的交互作用項均不顯著,故只對施N的主效應計算塑性響應值。結果表明,細根N濃度和N/P比對N添加的可塑性響應值分別為14.21%和14.79%(表4)。

表4 羅浮栲和木荷細根化學計量學性狀對N添加的可塑性響應(平均值±標準誤)

從表3可知,對于細根P濃度和C/N,含施N項影響均不顯著,故對這兩個指標不計算可塑性響應值。

3 討論

3.1 細根化學計量學性狀隨根序變化規律

細根化學特征隨根序的變化規律主要由植物的遺傳因素決定,能在不同樹種、不同氣候類型中表現相似的變化規律。例如,Pregitzer 等[24]研究北美9個樹種發現,位于分支根系末端的低級根具有直徑細、N濃度高、C濃度低的特點,而高級根則相反。同樣,許旸等[32]通過對海南島4個熱帶闊葉樹種前5級細根研究發現細根組織N濃度隨著根序的升高而降低,組織C濃度整體上隨著根序的升高而增加,而C/N隨著根序的升高而增加。本研究中,羅浮栲和木荷對照與施N處理的細根N、P濃度隨著序級的增加而明顯降低,C濃度、C/N和C/P隨著序級升高而增加(圖1),這與前人的研究結果一致[32- 33]。從根系解剖結構上看,1序級作為根系統的最先端,主要由初生組織構成,其結構中主要的細胞類型為皮層細胞,隨著根序的增加,皮層細胞的比例減少,木質部增加。隨后,高級根皮層細胞消失,由次生組織構成,整體代謝低,但抵御脅迫能力強[34],具備較高養分運輸功能[11],在形態構成上需要投入較高的C,因此高級根的C濃度相對較高。研究表明植物代謝旺盛的部位(如葉片、根尖等),其N、P濃度最高[35]。1序級作為整個根系中生理活動最旺盛的部分,根尖細胞分裂迅速,組織內酶和RNA投入高,對N、P需求較大,同時它位于整個根系的最先端,與土壤接觸面積最大,承擔著養分與水分的吸收作用,因此N、P濃度最高[36]。本研究中N/P隨根序變化相對穩定,這與細根N、P濃度隨根序表現出一致的趨勢有關。

3.2 N添加對細根C、N、P濃度的影響

本研究結果顯示,施N對細根C、N濃度有極顯著的影響(P<0.01),對細根P濃度影響不顯著(P>0.05,表3),部分支持假設一。本研究結果中施N后細根C濃度明顯增加(圖1),該結果與郭潤泉等[17]研究發現高N添加后期顯著提高了細根C濃度,陳冠陶等[33]研究中高N添加對扁刺栲(C.platyacantha)2、4和5序級細根C濃度有明顯促進的結果相似。其原因可能與施N導致土壤pH顯著降低有關(表2)。研究表明N添加引起的土壤酸化,會導致根外皮層細胞中大量的酚類物質沉淀,加速外層細胞的木質化或栓質化[37],導致細根C濃度升高。但也有研究發現不同的結果,如于立忠等[22]研究發現施N肥對日本落葉松(L.kaempferi)各級根序全碳濃度沒有顯著影響,苗宇等[23]通過對臺灣榿木(A.formosana)細根的研究發現,施N后細根各序級根C濃度都一定程度降低,但影響不顯著,而史順增等[16]研究表明施N導致杉木(C.lanceolata)細根C濃度顯著降低。這種差異一方面可能與不同樹種的生長特性以及不同樹種細根的C分配策略有關,另一方面可能與不同養分添加試驗中土壤pH值和養分有效性的響應差異有關。

本研究中,施N顯著提高了細根N濃度(P<0.01,表3,圖1),該結果與已有研究結果相似[10,33]。土壤養分的有效性決定著細根養分的分配格局,N添加能迅速提高土壤 N 可利用性,從而使細根N吸收增加,并使N在細根組織中的濃度提高并暫時儲存[38]。研究表明細根 N 濃度與其呼吸速率和壽命有密切關系,細根N 濃度的提高可能預示著更快的周轉速率和更強的代謝過程[39],因此隨著細根N濃度增加其壽命可能縮短,細根周轉加快,以加速土壤碳N循環過程。

有研究表明,施N對各序級細根P 濃度的影響較小,但施磷肥能顯著提高1序級細根P濃度[22,40]。本研究發現施N對細根P濃度影響不顯著(表3),這與之前一些研究結果一致[22,40]。磷在土壤中易被固定,遷移性小,而亞熱帶土壤磷有效性極低,更易被固定[41],植物在無外源磷添加情況下,難以有效增加對磷的吸收,因而影響較小。

3.3 不同序級細根化學計量性狀對N添加的響應差異

本研究中,細根化學計量性狀對N添加的響應在各序級間差異不顯著(P>0.05,表3、表4),因而拒絕假設二。具體而言,施N使細根1、2、4序級細根C濃度分別增加了14.8%、11.5%、10.8%,但各序級間差異并不顯著(P>0.05)。其原因可能是施N后對不同序級細根的木質化或栓質化或酚類物質的沉積的促進作用程度相似,含C量較高的單寧酸、木質素、纖維素在各級細根中都積累。施N對各序級細根N濃度均有極顯著影響(P<0.01),但各序級對N添加的響應無顯著性差異(P>0.05)。該結果與Guo等[10]對長葉松(Pinuspalustris)的研究結果相似,他們發現施N肥均提高了1—5級細根的N濃度,但不同序級N濃度的相對變化沒有顯著差異。本研究中所有序級細根N濃度對施N肥均表現較強的正塑性響應,這可能與兩個樹種對N素均具有強烈需求有關。在施N后細根對N迅速吸收,并在各序級得以累積,因而導致各序級細根N濃度對N添加的響應差異不顯著。C、N 均大部分被作為構建元素,具有較穩定的 C、N化學計量學關系[36],本研究施N導致各序級細根C濃度(3序級除外)、N濃度都增加,從而維持一個較穩定的C/N,這可能也是各序級C/N比對N添加的響應差異不顯著的原因之一。對于細根N/P比和C/P比,由于細根C、N濃度對N添加的響應在各序級間差異性不顯著(P>0.05),而施N對細根P濃度無顯著影響(P>0.05),因而各序級細根N/P比和C/P比對N添加的響應差異不顯著。

此外,施N的持續時間可能也會對實驗結果產生影響。如郭潤泉等[17]發現,高N添加對0—1 mm徑級細根C、N、P濃度的影響因不同取樣時間而異,高N添加第一年顯著降低了細根C濃度,增加了細根N濃度,但對細根P濃度無影響,而第二年顯著增加了細根C濃度,細根P濃度顯著降低。目前,不同施N持續時間對不同序級細根化學計量學性狀的影響的研究較為少見,但Chen等[42]通過對苦竹(Pleioblastusamarus)為期7年的N添加研究發現,施N處理和根序無交互作用,且(1+2)、3、4、5級根對N添加的響應方向相同。本研究為短期N添加試驗,不同序級細根化學計量性狀對長期N添加的響應是否存在差異,有待進一步驗證。

3.4 不同菌根樹種細根化學計量性狀對N添加的塑性響應差異

除3級根的C濃度和C/P對N添加的塑性響應在兩樹種間存在差異外,本研究表明ECM樹種羅浮栲與AM樹種木荷細根化學計量學性狀對N添加的塑性響應差異不顯著(P>0.05),因而拒絕假設三。Pregitzer等[24]對北美的9個樹種(其中6個ECM樹種,3個AM)的研究也表明,施N肥后僅在一個AM樹種和兩個ECM樹種的1—3序級細根的N濃度表現出顯著的促進作用；ECM和AM樹種之間細根N濃度的響應并沒有表現出系統性的差異。這表明菌根類型可能不是施N后細根化學計量學性狀響應差異的關鍵因素。相反,立地的土壤N有效性和施肥前的細根養分濃度可能是影響細根化學計量學性狀響應差異的重要因素[10]。本研究施N肥前羅浮栲和木荷細根N濃度并沒有顯著差異(圖1),這可能是施N肥后細根N濃度的響應在兩個樹種間沒有表現出差異的重要原因。另外,由于施N肥對兩個樹種的細根P濃度均無顯著影響(表3),故而兩樹種間在細根P濃度的響應上沒有表現出顯著差異。本研究中對不同菌根類型樹種僅各選擇1種進行研究,尚不能充分體現外生菌根樹種與內生菌根樹種的差異,今后應擴大樹種的研究范圍。另外,施N后菌根菌的變化對于土壤養分的獲取具有重要的影響,今后的研究應結合菌根侵染率和菌絲增殖的數據來進一步分析細根化學計量學性狀的變化。

4 結論

通過對亞熱帶常綠闊葉林兩種不同菌根類型樹種進行N添加發現根序對細根化學計量學性狀有顯著影響,隨著根序的增加,羅浮栲與木荷細根C濃度、C/N、C/P明顯增加,N濃度與P濃度明顯下降；N添加對細根C、N濃度有極顯著的促進作用,但對細根P濃度影響不顯著,從而導致細根C/P和N/P增加；低序級與高序級細根化學計量學性狀對N添加的塑性響應無顯著差異；外生菌根樹種羅浮栲和內生菌根樹種木荷細根化學計量學性狀對N添加的塑性響應無顯著差異。由于細根化學計量特征可能只能部分反映養分獲取動態,今后應將細根化學計量學性狀與細根形態、解剖結構、細根生理等結合起來,全面闡明細根養分獲取機制。