水杉人工林細根和粗根碳氮磷計量特征對N 添加的響應

問宇翔，馮坤喬，童 冉，吳統貴＊，王高峰

(1. 中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所華東沿海防護林生態系統國家定位觀測研究站，浙江 杭州 311400；2. 江蘇省東臺市林場，江蘇 東臺 224200；3. 美國克萊姆森大學林業與環境保護系，南卡羅來納州 克萊姆森 29634-0317)

人類活動產生的氮（N）排放引起大氣N 沉降持續增加，已經成為全球性的環境問題。近30 年來，我國N 沉降總量持續增加[1]，盡管近10 年來增加趨勢有所緩和，仍成為除歐洲和北美之外的第三大沉降區[2]。東部沿海地區是我國N 沉降最嚴重的區域之一，N 沉降速率均值已超過50 kg·hm?2·a?1[2]。大量含N 化合物通過濕沉降和干沉降的形式降落到陸地表面，對森林生態系統養分循環產生巨大而深遠的影響[3-4]。

根系在植物生態系統中扮演著不可或缺的角色，其化學計量特征是植物重要的功能性狀之一，對認識植物對環境變化的適應策略具有重要作用[5-7]。通常情況下，直徑小于2 mm 的根被視作細根，直徑大于2 mm 的根被視為粗根[8-11]。以往的研究表明，細根與粗根在植物地下系統中行使著不同的功能，其化學計量特征、形態、周轉等都存在高度異質性[9,12-14]。

N 沉降通過影響土壤N 養分有效性間接改變了植物的養分限制[15-16]，進一步對植物地上與地下部分以及不同組分的光合產物和N、磷（P）元素分配格局產生影響[17-19]，可能導致細根與粗根間碳（C）、N、P 計量特征對N 添加響應產生差異，但目前這方面的研究相對較少，且結論也存在差異[20-21]。前期研究發現，N 添加顯著增加油松（Pinus tabuliformisCarr.）細根N 含量，對粗根N 含量無顯著影響[20]；對榆樹（Ulmus pumilaL.）的研究則發現，N 添加均顯著增加細根和粗根N 含量[4]。細根是根系吸收土壤水分和養分最活躍的部分，其根尖細胞分裂旺盛，代謝活躍[21]，而粗根對土壤水分、養分供應的變化相對不敏感。

水杉（Metasequoia glyptostroboidesHu et W. C. Cheng）是杉科（Taxodiaceae）速生落葉樹種，具有涵養水源、改善土壤性質的功效，是我國東部泥質海岸防護林的主要樹種之一。在作者之前的研究中，N 沉降試驗集中于水杉地上部分的影響，未曾展開對地下部分的研究[22]。為此，本研究以N 沉降嚴重的區域東部沿海主要造林樹種水杉為研究對象，進行N 添加試驗，分析水杉不同徑級根系C、N、P 計量特征對N 添加的可塑性響應，揭示不同N 添加量下細根和粗根N、P 養分分配格局的變化，為科學認識水杉對N 沉降的適應策略提供參考。

1 研究區概況

試驗地位于江蘇省東臺市林場（120°07′～120°53′ E，32°33′～32°57′ N），屬亞熱帶和暖溫帶的過渡區，熱量充裕，雨量充沛。年平均氣溫14.6 ℃，年平均相對濕度88.3%，年蒸發量 911.9 mm，年均無霜期220 d，年日照時數2 209 h，年均降水量1 050 mm。土壤質地為砂質壤土。該林場總面積約2 867 hm2，森林覆蓋率為86%，主要樹種為水杉、I-72 楊樹（Populus euramericanacv.I-72）等。水杉人工林樣地基本情況見表1。

表1 水杉人工林樣地基本情況（2014 年）Table 1 The basic situation ofM. glyptostroboidesplantations plot (in 2014)

2 研究方法

2.1 試驗設計

2014 年，在試驗區分別選取立地條件和經營水平一致的6 年生水杉人工林，建立3 個300 m ×100 m 的樣地，并在每個樣地中建立4 個20 m ×30 m 的樣方，樣方間間隔超過10 m，采用完全隨機區組設計，設計4 個N 添加處理，每個處理3 個重復，共計12 個試驗小區。參照研究區域大氣N 沉降量[2]，以及同類研究通用的施N 量成倍增加的方法[3]，設置4 個N 添加處理：對照（CK，0 kg·hm?2·a?1）、低N（LN，56 kg·hm?2·a?1）、中N（MN，168 kg·hm?2·a?1）、高N（HN，280 kg·hm?2·a?1）。2015 年，按 照N 含 量 折 算 后 的CO(NH2)2，分兩次在水杉樣方內撒施，第1 次在3 月底至4 月初，添加總量的60%，第2 次在6 月中旬，添加總量的40%，此后每年均按照2015 的施肥方式持續施肥及樣地監測。各處理水杉人工林的生長情況見表2。

表2 各處理水杉人工林的胸徑（2015 年）和胸徑生長量（2015—2019 年）Table 2 DBH in 2015 and DBH growth in four years of theM. glyptostroboidesplantations of various treatments

2.2 根系和土壤的采集和測定

2018 年9 月下旬，調查樣地內每株樹木的胸徑，計算平均胸徑，在每個樣方均選取3 株接近于平均胸徑的樹木作為標準木。在3 株標準木1.5 m范圍內刮去地表異物，在樹干基部找到從基部延伸出的側根，將整條側根從土壤中挖出，清除根表面的土壤和雜質（其余標準木均按此方式獲取根系），并將挖取的側根混合裝進貼有標簽的封口袋中并標號，放入保溫箱（4 ℃）帶回實驗室（取樣中盡量避免末端低級根的損失，以保證根系構型的完整性），用蒸餾水輕輕將根系表面附著物洗去。根據根系的顏色和外形（死根黑色且干癟）等區分出活死根，直徑<2 mm 的根視為細根，2 mm≤直徑≤5 mm 的根視為粗根，并分別用濾紙包好標記后將其置于烘箱內，105 ℃殺青1.5 h 后，70 ℃烘干至恒質量（約48 h），打磨粉碎。然后將植物細根和粗根分別過0.25 mm 篩，選取均勻樣品后放入干燥器中保存，供養分含量測定。

在地下樹木根系收獲完成后，在每個樣地內，以S 型選取5 個點，去除地面枯枝落葉層，使用內徑3.8 cm 的土鉆，鉆取0～20 cm 土壤充分混合均勻后過2 mm 篩，去除植物殘根和石塊，帶回實驗室用于后續養分含量測定。

細根和粗根C 含量和土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，細根和粗根N 含量和土壤全氮含量采用半微量凱氏定N 法測定，土壤水解氮含量采用KCl 溶液浸提比色法測定，細根和粗根P 含量和土壤全磷含量采用鉬銻鈧比色法測定，土壤有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提法測定[23]。

2.3 數據處理

參考Valladares 等[24]的方法，計算細根和粗根C、N、P 化學計量特征的可塑性響應指數，即可塑性響應（%）=∣ (N處理?對照)/對照×100%∣。

試驗數據在Microsoft Excel 2019 和Origin 2018 軟件中進行整理和圖表制作。采用單因素（One-way ANOVA）方差分析，分析各處理間土壤C、N、P 含量、細根和粗根C、N、P 計量特征以及其可塑性響應的差異、相同處理細根和粗根間C、N、P 計量特征以及其可塑性響應的差異，以上分析皆在SPSS 23.0 統計軟件中進行。

3 結果與分析

3.1 N 添加對水杉人工林土壤化學性質的影響

由表3 可知，N 添加對水杉人工林土壤中不同存在形式的N 的影響存在差異，且N 添加量不同，產生的影響程度也不同。隨著N 添加量的增加，土壤有機碳含量呈現先增加后下降的趨勢，且在MN 處理達到最高，增幅達到38.29%，LN 和HN 處理與CK 處理間無顯著差異。N 添加在一定程度上提高了土壤全氮含量（P>0.05），在不同施N 濃度中，土壤全氮含量增幅分別為7.78%、16.86%和15.06%，但與對照相比無顯著差異（P>0.05）。然而，土壤水解氮含量隨N 添加量的增加先迅速上升后平穩增加，與對照相比，在MN、HN 處理下差異顯著（P<0.05），各N 處理下土壤水解氮含量增幅分別為29.12%、56.76%和60.99%。N 添加對土壤全磷含量、有效磷含量和pH 值均無顯著影響（P>0.05）。

表3 不同N 添加量對土壤pH 值和養分含量的影響Table 3 Effect of N addition on the soil pH and C, N, P concentrations

試驗結果表明，N 添加對水杉人工林土壤有機碳和水解氮含量存在明顯促進作用，且隨著N 添加量增加，這種促進作用有所減弱。

3.2 N 添加對水杉細根和粗根C、N、P 計量特征的影響

隨著N 添加量的增加，水杉細根C 含量無明顯變化（圖1a，p>0.05），粗根C 含量呈現增加趨勢（P>0.05），僅在MN 處理下C 含量顯著高于CK 和LN 處理，表明C 作為植物的結構性物質，對N 添加的響應較低。N 添加明顯促進了細根和粗根的N 含量（圖1b，P<0.05），然而細根N含量在MN 和HN 處理間無顯著差異，粗根N 含量在各N 添加量間均存在顯著差異，說明了低中N添加量下細根和粗根N 含量對N 添加的響應基本一致，然而高N 添加量下，細根對N 添加的響應減弱，水杉吸收的N 元素更多地儲存于粗根中。此外，N 添加顯著降低了細根和粗根的C:N（圖2a，P<0.05），細根C:N 的降幅為30.8%、35.2%和37.4%，粗根C:N 的降幅為36.9%、39.7%和46.7%；N 添加顯著提高了細根和粗根的N:P（圖2b，P<0.05），各N 添加量下粗根N:P 分別是CK 處理的1.90、5.18 和5.77 倍，細根N:P 分別是CK 處理的2.13、4.29 和4.59 倍，反映了由于水杉對N 元素分配機制的變化，細根C:N 和N:P 在高N 添加量下同樣對N 添加的響應減弱。隨著N 添加量的增加，細根和粗根P 含量顯著降低（圖1c，P<0.05），C:P 顯著增加（圖2c，P<0.05），且細根和粗根的P 含量和C:P 在MN 和HN 處理間均無顯著差異。

注：不同大寫字母為相同徑級根系不同處理間差異顯著；不同小寫字母為相同處理內不同徑級根系間差異顯著（P<0.05）。下同。Note: Different capital letters indicate significant differences in various treatments of same root at 0. 05 level. Different lowercase letters indicate significant differences in different roots of the same treatment at 0. 05 level. The same below.

圖2 不同N 添加量對水杉細根與粗根的C、N、P 計量比的影響Fig. 2 Effect of N addition on C, N, P stoichiometric ratios of fine and coarse roots inM. glyptostroboides

3.3 水杉細根和粗根C、N、P 計量特征對N 添加的可塑性響應

隨著N 添加量的增加，除了C:N，水杉細根和粗根C、N、P 化學計量特征可塑性響應均顯著增加（圖3，P<0.05），MN 和HN 處理下N 含量、P 含量、C:P 和N:P 可塑性響應顯著高于LN處理，且MN 和HN 處理間無顯著差異，說明N添加促進了根系對N 元素的吸收，相對降低了P 元素的吸收，且隨著N 添加量的增加，N、P 元素計量特征變化趨緩。粗根N 含量和C:N 可塑性響應在HN 處理下顯著高于細根，粗根N:P 可塑性響應在MN 和HN 處理下均顯著高于細根，然而N 添加對細根與粗根間P 含量和C:P 的可塑性響應均無顯著影響，同樣表明高N 添加量下水杉N 元素分配格局發生了變化。

圖3 水杉細根和粗根C、N、P 計量特征對N 添加的可塑性響應Fig. 3 Plastic response to nitrogen addition of fine and coarse roots stoichiometric characteristics ofM. glyptostroboides

4 討論

4.1 水杉人工林養分限制狀況

土壤是樹木生長的基礎，是樹木生長發育所需N、P、K 和微量元素等礦質養分的主要供給者。其中N 和P 被認為限制樹木生長的主要元素[25]，研究表明，外源元素添加能夠提高土壤中樹木所需元素含量，進而緩解營養元素對樹木生長的限制作用[26]。在前期研究中，Wang 等[27]通過化學計量內穩性理論證實了研究地水杉林生長受到N 限制。N 元素參與植物能量代謝、呼吸作用、光合作用以及碳水化合物的運輸等生理生化過程，并在植物生長的初級階段對營養生長有著更加明顯的促進作用。在本研究中，N 添加顯著提高了土壤水解氮含量 ，土壤水解氮含量由49.05 mg·kg?1提升到78.90 mg·kg?1，同時，N 添加顯著促進了水杉胸徑生長，胸徑生長量由4.90 cm 提升到6.99 cm。因此，N 添加后水杉林的N 限制狀況得到有效緩解，進一步促進了其生長發育。王建宇等[28]研究指出，低水平N 添加會促進喬木快速生長，但高水平N 添加會減弱對喬木生長的促進作用，這與本研究的研究結果一致，幼齡水杉生長隨N 添加量的增加呈現先增加后下降的趨勢，在MN 處理達到最快。這種結果的產生可能是高水平N 添加容易引起樹木對N 元素的過量吸收[29-30]，導致樹木內部C、N、P 化學計量的不平衡（尤其是N 和P 元素間的不平衡），從而產生其它元素的匱缺，最終抑制樹木生長。

4.2 N 添加對水杉細根和粗根化學計量性狀的影響

在本研究中，與其它元素相比，N 添加對水杉細根、粗根C 含量的影響較弱，與C 元素作為植物的結構性元素，具有相對穩定性有關[31]。N 添加顯著增加了細根、粗根N 含量、C:P、N:P，顯著降低了P 含量、C:N。N 添加顯著提高植物細根和粗根中N 含量，進而導致植物細根和粗根C:N 下降和N:P 上升，這與Yue 研究發現N 沉降對陸地生態系統C:N:P 的全球數據整合分析結果相一致[32]。N 添加顯著促進了土壤N 可利用性[33]，對根系N 含量的增加產生促進作用[34]，進一步導致C:N 下降和N:P 上升。本研究中N 添加下土壤水解氮含量的提高引起細根和粗根N 含量的上升和P 含量的相對下降，這與郭潤泉等[30]的研究結果相一致，即N 添加增加了樹木對N 的吸收，而相對減少了樹木對P 的吸收。同時，N 添加促進水杉生長而產生的稀釋作用使根系中P 濃度相對降低[34-35]。

4.3 水杉細根和粗根化學計量性狀對N 添加的可塑性響應

根系的生長、呼吸、養分吸收與同化、有機質分泌會消耗大量的碳水化合物[36]。細根較于粗根在植物的營養吸收過程中起到關鍵性作用[37]，因此植物會將養分大量分配給細根以完成自身生長發育和植物養分供應[38]。研究表明，細根是植物對外界生存環境變化響應最為敏感的地下器官[39]。然而，本研究發現水杉粗根N 計量特征對N 添加的可塑性響應比細根更強。

在本研究中，LN 和MN 處理下細根和粗根N 含量對N 添加的響應基本一致，然而HN 下，細根對N 添加的響應減弱。根據最優分配假說：在養分限制情況下，樹木優先將養分分配給獲取限制性資源的器官；而當限制性資源增加時，樹木降低吸收該資源器官的養分分配比率，并提高其它器官養分分配比率[40-41]。在這種養分分配機制下，受N 限制的水杉細根可能會將限制性N 養分儲存于自身維持化學計量的穩態并促進自身生長以獲取植物缺少的養分（表現為細根的N 含量顯著高于粗根N 含量）。當低水平外源N 添加緩解了林分內N 限制，樹木會將N 元素選擇性地優先供給地上部分（葉片）促進樹木地上部分生長，而當外源N 添加水平過高時，N 元素會積聚于儲存器官（粗根）中。因此，粗根N 含量、C:N、N:P 的可塑性響應在低N 處理下與細根無顯著差異，而在高N 處理下顯著高于細根[4]，反映了樹木面對養分脅迫環境所作出的適應性策略，具體表現為樹木通過將脅迫元素更多地積聚于儲存器官（粗根）中，維持細根N、P 元素平衡，保證其吸收功能不受影響。N 添加顯著降低了細根和粗根P 含量，顯著增加了C:P，且細根和粗根的P 含量和C:P 在MN 和HN 處理間均無顯著差異，此外，水杉細根與粗根間的P 含量（C:P）的可塑性響應在N 添加下均無顯著差異，表明N 添加下，樹木并未改變P 元素在細根和粗根間的分配。這種結果可能是由于水杉本身并不受到P 限制，根系中的P 元素的變化更多地與樹木營養生長的需求相關[27]。

5 結論

水杉人工林細根和粗根C、N、P 計量特征對N 添加的響應較為一致。較細根而言，粗根C、N、P 計量特征對N 添加的可塑性響應更強，表現為粗根N 含量、C:N、N:P 的可塑性響應在HN 處理下顯著高于細根。細根和粗根 N:P 隨N 添加量的增加而增加，表明中低水平的N 添加緩解了研究地水杉人工林的N 限制，而高水平N 添加可能引起水杉林P 限制，表現在水杉胸徑生長量呈現先增加后下降的趨勢。研究結果為認識大氣N 沉降持續增加背景下林木地下部分養分分配策略提供新的思路，也為東部沿海地區水杉人工林養分管理措施的制定提供科學依據。