三峽庫區消落帶落羽杉細根碳氮磷化學計量特征及其與土壤養分的關系研究

譚雪， 李留彬， 向國偉， 劉明輝，殷凡， 耿倩雯， 李昌曉

1. 西南大學 生命科學學院/三峽庫區生態環境教育部重點實驗室/三峽庫區植物生態與資源重點實驗室， 重慶 400715；2. 重慶市林業投資開發有限責任公司， 重慶 401120； 3. 寶雞文理學院 化學化工學院， 陜西 寶雞 721000

三峽水庫完工后形成的消落帶使庫區兩岸植物遭受了長時間、 高強度的反季節水淹脅迫[1-2]， 造成植物根部缺氧， 影響根系呼吸． 植株長時間缺氧會導致根系對營養元素的運輸與吸收受阻[2]， 繼而導致與植物根系密切相關的土壤養分質量分數隨之發生變化． 適生植物與實生土壤生態系統養分通量的關鍵途徑是通過根系死亡和分解等過程釋放養分[3]． 植物細根是直徑小于2 mm、 極具生理活性的根系， 其作為連接地上和地下部分的重要營養器官， 對土壤環境變化的敏感性較強[4]， 極大地影響著生態系統的循環過程和性質[5]． 相對于葉片來說， 細根C，N，P質量分數特征更直接地受到土壤養分的影響[6-7]， 因為實生土壤中養分的變化首先會影響到植物根系， 養分限制作用將首先體現在植物的細根上[8]． 在每年的C和實生土壤養分輸入方面， 適生植物細根的貢獻往往等于或超過分解的葉片[9]， 其生態化學計量特征則有助于建立植物組織、 土壤等不同生態系統成分之間的聯系[10-11]， 所以細根在三峽庫區消落帶生態系統的C和養分循環中起著重要的作用．

C，N，P是組成庫區消落帶適生植物的主要元素， 其與植物體關鍵結構的合成以及相應功能的發揮密切相關[12-13]． 同時， 3種元素之間的比值關系也能夠反映適生植物的生長狀態與相應代謝條件． 目前已有大量關于植物C，N，P化學計量特征的研究， 但大多集中在濕地、 森林、 草原等生態系統[11， 14-15]， 且主要是針對植物地上部分(莖和葉片)[16-17]及土壤[18-19]生態化學計量學進行研究． 較少有研究關注三峽庫區消落帶特定水文節律下植物—實生土壤生態系統的化學計量特征， 而且由于三峽庫區植物根系分布復雜、 根系難獲取等條件限制[20]， 對庫區消落帶植物地下部分(尤其是細根)C，N，P化學計量特征隨水淹程度的變化規律及其與土壤養分關系的研究也較少． 關于細根C，N，P化學計量特征與土壤養分間的關系， 陳曉萍等[21]研究武夷山不同海拔黃山松(Pinushwangshanensis)細根化學計量特征對土壤養分的適應性， 發現細根的P質量分數主要受土壤P供應量的限制； Ladanai等[22]研究瑞典蘇格蘭松(Pinussylvestris)和挪威云杉(Pinusabies)森林發現植物細根與土壤之間的C，N，P質量分數及化學計量比呈顯著正相關； 但Wurzburger等[23]研究熱帶森林發現植物細根和土壤養分間無顯著的相關性． 由于細根壽命較短、 周轉較快， 并且其死亡和分解后會釋放大量的C和養分歸還給土壤[24]， 故本實驗選擇三峽庫區消落帶的植物細根進行C，N，P生態化學計量特征及其與土壤養分間的關系研究， 這對于明確三峽庫區消落帶植物—土壤系統結構穩定的維持機制有重要意義．

落羽杉(Taxodiumdistichum)是杉科， 落羽杉屬落葉喬木， 具有根系發達、 耐水淹等特點， 是三峽庫區消落帶最適宜的先鋒樹種， 廣泛用于消落帶地區的種植[25]． 基于此， 本實驗選擇消落帶落羽杉為研究對象， 分析其細根C，N，P生態化學計量特征及其與土壤養分間的關系， 探究消落帶不同水淹處理下落羽杉細根C，N，P化學計量特征的差異以及土壤養分對落羽杉細根C，N，P化學計量特征的影響． 本研究可為揭示適生植物落羽杉對消落帶特殊環境的適應機制及后續消落帶植被修復工作提供理論依據．

1 材料與方法

1.1 實驗地概況

本研究區域地處三峽水庫中心地帶， 課題組前期(2012年)在重慶市忠縣石寶鎮共和村汝溪河流域建立三峽庫區消落帶植被修復示范基地(107°32′-108°14′E， 30°03′-30°35′N)， 面積約13.3 hm2． 樣地所在汝溪河屬于長江一級支流， 屬亞熱帶東南季風氣候， 四季分明， 降水充沛， 年積溫為5 787 ℃， 年均氣溫18.2 ℃， 太陽總輻射能3.5×105J/cm2， 年平均降雨量1 200 mm[26]． 結合消落帶水位變動狀況及植物實際生長情況， 將落羽杉栽植于海拔165～175 m， 栽植時為兩年生幼苗， 栽植后及時澆水及拔草， 經過6年的反復水淹， 植物生長狀況良好．

1.2 樣品采集與處理

采樣時間為2018年9月， 采樣海拔為165，170，175 m， 分別對應年約170 d水淹(即深度水淹： Deep Submergence， DS)、 110 d水淹(即中度水淹： Moderate Submergence， MS)、 全年幾乎無水淹(淺淹組， 即對照， Shallow Submergence， SS)． 分別用測高桿、 卷尺及游標卡尺測定木本株高、 冠幅、 胸徑、 基徑等指標(表1)．

表1 不同水淹處理下落羽杉的生長特征參數

取樣時， 在每個海拔隨機選取5株長勢良好且規格相似的落羽杉植株， 分別進行細根和對應植株表層土壤的樣品采集， 本實驗中共采集到混合土壤及細根樣本各45個． 細根是在以對應植株根部為中心圓點， 半徑為0.25 m的土壤內等距離挖取， 表層土壤的采集是挖取相應范圍內深度為0～20 cm的土壤． 采樣完成后將土壤及細根樣本放入裝有冰袋的泡沫箱， 立即運回實驗室． 植物細根樣品首先用超純水進行清洗， 然后置于烘箱， 先105 ℃進行殺青， 持續時間為5min， 后續烘干至恒質量后對細根進行研磨處理至粉碎狀． 土壤樣品用于測定土壤元素質量分數， 自然風干后研磨過篩(1 mm和0.25 mm)． 土壤和細根C，N質量分數采用元素分析儀(Elementar Vario EL， Germany)測定， 堿解氮質量分數采用堿解—擴散法測定， 細根P質量分數、 土壤全P和速效P質量分數采用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES， Thermo Fisher iCAP 6300， UK)測定[27]．

1.3 數據處理

采用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較不同水淹處理組落羽杉細根C，N，P元素質量分數及化學計量比的差異， 多重比較采用Duncan法； 對不同量綱的數據進行標準化處理后， 采用Pearson相關分析分析細根C，N，P元素化學計量特征與土壤養分之間的關系及植物生長指標與細根化學計量特征間的關系． 采用SPSS 22.0軟件進行數據分析處理， Origin 9.0軟件制圖．

2 結果與分析

2.1 植物生長狀況

植株的各項生長特征指標在不同處理組之間差異有統計學意義(p<0.05， 表1)， 從大到小均依次為SS組、 MS組、 DS組．

2.2 不同海拔落羽杉細根C，N，P化學計量特征

水淹處理對植株細根C，N，P化學計量特征有著顯著的影響(表2)． 其中水淹處理顯著影響落羽杉細根C，N質量分數(p<0.05)， 極顯著影響P質量分數、 C∶N比值、 C∶P比值和N∶P比值(p<0.01)．

表2 水淹處理對落羽杉細根生態化學計量特征的影響

整體來看， 3個水淹處理組落羽杉細根中元素質量分數均表現出C>N>P的趨勢(圖1)． 在不同的水淹處理下， MS和DS組的細根C，N，P質量分數及其比值均與SS組差異性有統計學意義(p<0.05， 圖1)． 其中， 細根C質量分數從大到小依次為： SS組、 DS組、 MS組， MS和DS組的細根C質量分數分別比SS組顯著降低3.24%和2.95%(p<0.05， 圖1a)； 細根N，P質量分數從大到小依次為： SS組、 MS組、 DS組， MS和DS組的細根N，P質量分數分別比SS組顯著提高14.15%和19.29%，68.32%和86.28%(p<0.05， 圖1b、 1c)； 細根C∶N比值、 C∶P比值、 N∶P比值從大到小依次為： SS組、 MS組、 DS組， 其中MS和DS組的細根C∶N比值比SS組分別顯著降低14.96%和18.44%， MS和DS組的細根C∶P比值比SS組分別顯著降低41.10%和51.82%， MS和DS組的細根C∶P比值比SS組分別顯著降低31.31%和35.94%(p<0.05， 圖1d-f)．

2.3 細根C，N，P生態化學計量特征與植株生長間的關系

相關性分析結果顯示(表3)， 細根C質量分數、 C∶N比值、 C∶P比值和N∶P比值與落羽杉的各項生長指標呈現顯著或極顯著正相關關系， 細根N，P質量分數與落羽杉的各項生長指標呈現顯著或極顯著負相關關系．

表3 細根C，N，P質量分數及其比值與植物生長相關性分析

數據為平均值±標準誤差(n=5)； 不同小寫字母表示不同水淹處理之間的差異有統計學意義(p<0.05)． 下同．圖1 不同水淹處理對落羽杉細根C，N，P質量分數及化學計量比的影響

2.4 落羽杉細根碳氮磷生態化學計量特征與土壤養分間的關系

相關性分析結果顯示(表4)， 土壤N質量分數與細根P質量分數呈顯著負相關關系， 與細根C∶P比值、 N∶P比值呈顯著的正相關關系； 土壤P質量分數與細根P質量分數呈極顯著的正相關關系， 與細根C∶N、 C∶P比值、 N∶P比值呈顯著或極顯著的負相關關系； 土壤堿解氮與細根C質量分數、 C∶N比值、 C∶P比值、 N∶P比值呈顯著或極顯著的正相關關系， 與細根N，P質量分數呈顯著或極顯著的負相關關系； 土壤C和速效磷質量分數均與細根C，N，P質量分數及其比值無顯著相關關系．

表4 細根C，N，P化學計量特征與土壤養分間的相關性分析

3 討論

土壤是植物細根生存的基礎， 在植物的生長過程中， 細根作為營養元素的吸收和轉運器官， 從土壤中吸收水分和N，P等養分， 并將其輸送給植株地上部分， 這一過程決定著植物的存活和生長． 而植物細根的分解尤其是細根的周轉等過程也會向土壤中釋放養分， 從而完成細根—實生土壤生態系統中營養物質的遷移和循環． 因此， 在庫區消落帶環境下研究適生植物細根C，N，P生態化學計量特征及其與土壤養分之間的關系尤為重要．

3.1 落羽杉細根C，N，P化學計量特征

植株細根元素質量分數表現為C>N>P， 這與細根的功能及組織結構的分化有關[28]． 本研究結果中， 水淹脅迫對落羽杉細根C，N，P化學計量特征影響顯著． MS和DS組細根C質量分數與SS組有顯著性差異， 其原因是水淹環境下土壤溫度不高， 細根生長活性較低， 從而增加了C元素的消耗量， 故水淹處理的細根C質量分數下降[29]． 不同水淹處理組的細根C質量分數相差不大， 這與C元素本身是構成植株的基本骨架， 不直接參與植物的代謝活動， 且有較強的內穩性有關[30]． 相比于SS組， 經歷前期水淹的落羽杉在恢復期的N，P元素質量分數不但沒有降低， 反而均高于SS組， 并表現出隨著水淹深度和時間的增加而上升的變化趨勢， 說明水淹對其有促進作用， 而非限制作用， 賀燕燕等[31]的研究結果也證實了這一點． 出現這樣的原因是正值9月落羽杉水淹前， MS和DS組落羽杉細根需要吸收更多的水分和N，P等養分， 為下一次的冬季淹水及來年的生長恢復儲備營養物質， 以支持植物地上部分的生長和代謝等活動[32]． 此外， 還與固N微生物和根瘤菌有關， 除了具有固N的作用外， 它們的存在還可以緩解落羽杉生長和生態系統生產力的P限制， 提高落羽杉對P元素的吸收[33-35]．

C∶N，C∶P的變化通常與N，P元素的變化有關， 因為一般C元素不會對植物生長有限制性作用[36]． 羊留冬等[37]研究表明， 植物C∶N及C∶P比值能夠反映植物對這3種元素的協調能力及植物對N，P的養分吸收效率． 細根C∶N，C∶P比值隨水淹強度及水淹時間增加而降低， 水淹處理對其整體均有顯著性影響． “生長速率假說”認為植物組織(如細根)的生長速率與C∶P，N∶P呈負相關關系[11]， 因為植物的生長所需的大量蛋白質的合成與RNA有關， 而P主要存在于rRNA中[38]， 這與本研究中落羽杉細根P元素質量分數整體隨著水淹天數的增加呈現升高的趨勢相符．

此外， N∶P的大小是預測植物生長養分限制的有效指標[39]． Güsewell[40]的研究表明， 在陸地生態系統中， N∶P小于10時表明植物的生長受N限制； 胡偉芳等[41]對中國主要濕地植物的N，P質量分數進行了研究， 發現N∶P小于14時N限制植物的生長， 大于16時P限制植物的生長， 而比值介于14和16之間為N，P共同限制植物的生長； Zhang等[42]對退化草原生態系統進行了研究， 認為N∶P小于21時， 物種受N限制， 而N∶P大于23時物種受P限制． 三峽庫區消落帶為水陸交錯帶[43]， 其環境與濕地相似， 故本研究選用胡偉芳等[41]的閾值結果． 本研究結果中細根的N∶P小于14， 說明落羽杉的生長可能受N的限制， 并且DS組的N∶P最小， 表示其更有可能受到N元素的限制．

3.2 落羽杉細根C，N，P生態化學計量特征與生長間的關系

本研究中， 落羽杉植株長勢良好， 對庫區消落帶環境適應能力較強． 植株各生長指標與細根C質量分數呈顯著或極顯著正相關， 這可能與生長恢復期落羽杉細根內的C元素主要以結構性碳水化合物形式存在、 參與落羽杉的形態構建過程有關[44]． 并且細根處于不斷更新的狀態， 需要更多的結構性碳水化合物進行器官構建， 從而能夠從土壤中吸收更多的營養物質， 以滿足落羽杉的快速生長[32]． 此外， C積累可以使植物對不利環境的防御能力增強． 同時， 植株各生長指標與細根N，P質量分數呈顯著或極顯著負相關， 而與C∶N比值及C∶P比值呈顯著或極顯著正相關， 兩者趨勢相反， 說明落羽杉N，P元素的變化決定了C∶N比值和C∶P比值的變化． 原因是9月是植物的生長恢復期末期， 植物即將面臨水淹， 在經歷了夏季的快速生長之后， 細根中累積了大量以C元素為主的結構性物質， 促進了細根的構建， 從而使得細根中的N，P質量分數被稀釋[45]． 而C∶N和C∶P比值不僅可以反映物種的防御策略[46]， 而且每個比值還可以表征植物在相同固C條件下N和P的養分利用效率． 因此， 在消落帶水淹的情況下， 植物保持合理的C∶N和C∶P比值不僅可以應對水淹脅迫， 而且可以提高N，P元素的利用效率， 從而能夠健康生長． 而各生長指標與N∶P比值呈顯著正相關關系則與落羽杉生長速率及營養獲取模式有關[11]．

3.3 落羽杉細根C，N，P生態化學計量特征與土壤養分的關系

在自然生態系統中， 營養元素在土壤和植物之間循環[47]， 植物及其環境通過化學元素的交換而緊密相連[48]． 植物細根對土壤養分的吸收利用是土壤速效養分輸出的主要途徑， 土壤中的有機碳、 堿解氮、 速效磷等不斷地為植物生長及生理活動提供必要的養分， 使植物—土壤系統處于養分供需平衡的狀態[49-51]． 盡管國內外對植物細根與土壤營養元素的研究較多， 但相關研究在三峽庫區消落帶較少．

在本研究中， 細根C質量分數與土壤C質量分數相關關系無統計學意義， 這與陳曉萍等[21]、 ?gren[47]和安申群等[30]研究相似， 表明C元素是植物的結構元素， 不隨土壤養分變化而產生大的變動， 有較強的內穩性， 這與前文海拔對落羽杉細根C元素質量分數無顯著性影響一致． 細根N質量分數與土壤堿解N質量分數相關關系有統計學意義， 這與Wurzburger等[23]的研究結果不同． Garnier[52]認為如果植物體內的某種元素與土壤中該元素呈現正相關關系， 該元素即為植物生長的限制元素． 本研究發現落羽杉細根P質量分數與土壤P質量分數呈極顯著正相關， 表明落羽杉細根P主要來源于土壤， 其生長依賴于土壤中P元素的供應能力大小， 這與陳曉萍等[21]和Aerts等[53]的研究結果類似．

本研究發現落羽杉細根C質量分數與土壤N質量分數無統計學意義， 但與土壤堿解N質量分數呈現顯著正相關關系， 這與Yuan等[3]、 Chen等[54]研究刺槐森林的土壤N質量分數、 堿解N質量分數與細根C質量分數顯著正相關的結果有所不同， 主要原因是土壤中總N量往往不能反映其來自礦化的有效N質量分數[3，55]． 土壤P質量分數與落羽杉細根N質量分數呈顯著正相關， 這可能與水體中P元素質量分數升高有關． 因為水淹前落羽杉地下部分會為嚴寒和來年恢復生長提前儲存營養物質， 地上部分的養分會回流到地下根系部分， 使根系部分的N元素質量分數有所增加， 土壤中的P元素質量分數也隨之升高， 提高土壤向上覆水體釋放P元素的潛力[56-57]． 另外， 土壤P質量分數也與落羽杉細根C∶N存在極顯著負相關， 這與前文細根C元素是構成植物的結構元素， 以及N質量分數較充足的結果相一致． 土壤P質量分數與落羽杉細根C∶P呈顯著負相關， 表明落羽杉細根的C元素質量分數多通過調節P元素的質量分數而實現． 落羽杉細根N∶P與土壤N，P、 堿解N質量分數等養分間的相關關系均有統計學意義， 這與Li等[58]和Mcgroddy等[59]研究相似， 其原因可能與細根N∶P有較高的可塑性， 對土壤中N，P元素有良好的適應性有關．

除土壤P質量分數與細根P質量分數呈顯著正相關關系外， 土壤C，N質量分數與落羽杉細根C，N元素質量分數的關系呈負相關或者無相關關系， 說明植物C同化、 N和P的固定與實生土壤養分并不處于完全同步的狀態， 雖然植物體內的營養元素大部分來自于土壤， 但是不同元素在土壤中的質量分數受元素的生物地球化學循環和土壤理化性質的影響， 這往往使得C，N，P元素質量分數在植物細根和土壤間的變化不一致[60]， 類似的結果也發生在其他地區的研究中[61-63]．

4 結論

本研究分析了三峽庫區消落帶適生植物落羽杉細根的C，N，P生態化學計量特征以及對土壤養分的響應． 經歷6 a反復水淹之后， 落羽杉表現出較好的生長適應能力， 與其C，N，P生態化學計量特征密不可分． 不同水淹處理對落羽杉細根C，N，P化學計量特征造成了一定的影響； 植物在生長旺盛期所需要的P元素主要來自于土壤， 植物C同化、 N和P的固定與實生土壤養分并不處于完全同步的狀態． 本研究僅探究了落羽杉細根C，N，P化學計量特征與土壤之間的關系， 庫區消落帶現以草本植物為主， 后續研究應將落羽杉與相同立地條件下的草本植物結合起來， 以進一步揭示喬木與草本植物根系對土壤養分質量分數適應的差異化生態策略．