沙地樟子松根系分布及土壤、微生物生態化學計量特征

張默涵，孔 濤，黃麗華，張 開，張加良

（遼寧工程技術大學 環境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）為松科松屬常綠喬木，具有優良的抗凍性、抗旱性、低土壤需求等特性，廣泛種植于沙地。但是，20 世紀90 年代初以來，因為自然因素和人為因素的影響，樟子松人工林出現了惡劣的衰退現象，并且該衰退現象已在全國多省的樟子松人工林中相繼出現[1]。衰退現象的發生勢必對“三北”風沙區防護林建設和沙地治理造成極大的損失和影響，因此，必須加強對樟子松人工林衰退問題的研究。

細根是植物根系的一部分，直徑≤2 mm。它具有吸收、儲存和運輸植物水分和養分的主要功能，在森林生態系統的能量和物理循環中發揮著重要作用[2]。水分平衡和植物的整體養分吸收受土壤中細根生物量的分布結構和多少影響[3]。細根退化是陸地生態系統營養循環的重要組成部分，主要受原始枯萎根的質量、環境變化和土壤微生物合成的影響[4-6]。土壤微生物是陸地生態系統分解的主要來源[7]。評估土壤質量和反映微生物狀態和功能變化的指標經常用土壤微生物生物量，可以快速反映生態系統功能的變化[8]。生態化學計量學是研究生物系統中多重化學元素平衡的科學[9]，以C、N、P 元素為主。已有研究表明，C、N、P 元素的耦合作用相較其他元素更強，和植物生長有著很緊密的關系[10]。長期以來，學者們針對樟子松根系的吸收能力及根系生物量的分布特征、土壤水分、養分動態變化等方面進行了大量的研究[11-13]。同時，結合樟子松的化學計量特征，分別從林齡、密度、干旱脅迫等角度對葉片、枯落物的影響等進行了深入探討[14-16]。目前，以衰退樟子松人工林為研究對象，結合其細根生物量的分布格局，對其土壤、微生物生物量C、N、P 及其土壤生態化學計量空間分布特征的研究，尚未見報道。

本試驗以衰退嚴重的遼西北沙地60 a 樟子松過熟林為研究對象，分析樟子松細根生物量、土壤與微生物生物量C、N、P 含量及其生態化學計量比分布特征，并且探討各指標之間的關系，力求為該地區的樟子松林培育和經營提供一定的理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在遼寧省沙地治理與利用研究所章古臺試驗基地（42°39′～42°43′ N、122°23′～122°33′ E）進行，該基地是“三北”防護林的重要部分之一，也是樟子松最先引種試種的地區。該區地處中溫帶，屬典型的亞濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫5.5 ℃，其中1 月平均為-16.3 ℃，7月為23.9 ℃。年平均降水量為450～550 mm，70%發生在6—8 月，年蒸發量達到1 300～1 800 mm。該地區的年平均風速為4.5 m/s，尤其是強烈的春季和冬季風，最高可達5.0 m/s。土壤類型主要是風沙土，植被更耐旱。代表性植物有樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）、鹽蒿（Artemisiahalo-dendron）、小黃柳（Salix gordejevii）、榆樹（Ulmus pumila）、大果榆（Ulmus macrocarpa）、狗尾草（Setaria viridis）、唐松草（Thalictrum aquilegifolium）、中華隱子草（Cleistogenes chinensis）、胡枝子（Lespedeza daurica）、野古草（Arundinella anomala）和小白蒿（Artemisia frigida）等。

1.2 試驗方法

選擇3 塊林齡為60 a 樟子松人工林，符合標準樣本，能夠確保營造樟子松人工林前均為固定沙地。在每個樣地內分別設置3 塊20 m×20 m 的樣方，在樣方內進行每木檢尺，記錄其株高、胸徑、冠幅，選擇3 株平均木作為標準木，標準地基本情況如表1 所示。于2019 年9 月進行土樣采集，對每株標準木采用逐層全挖法，沿著標準樹干的北向，在水平方向0～4.0 m 和垂直方向0～3.0 m 范圍內從樹干底部開挖土壤剖面，剖面正面向樹干。在剖面上，分別在距樹干0～0.5、0.5～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0 m 的范圍內采集土樣，同時在垂直方向上按照不同深度（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）進行土樣采集。同一樣本中相同范圍和深度的土壤樣本應均勻混合，并將土樣分成2 個部分。一些土壤樣本經過風干，去除石頭和其他物質，研磨并通過0.25 mm 網格后測定土壤的有機碳（SOC）、全氮（TN）和全磷（TP）含量；另一部分土壤樣品在4 ℃下冷卻，以測定土壤微生物生物量碳（MBC）、土壤微生物生物量氮（MBN）、土壤微生物生物量磷（MBP）。待土樣采集完成后，分別對每株標準木進行細根采集。為了保證細根的完整性，使用齒耙工具從根尖分生組織到根部逐層挖掘。同時，為防止開挖過程中出現斷根現象，必須采用先浸泡后在干燥土層中開挖的方法，并采用水槍沖洗法將細根周圍的土壤沖洗干凈。

表1 標準地的基本情況Tab.1 Basic information of the standard ground

土壤有機碳含量測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，土壤全氮含量測定采用凱氏定氮法，土壤全磷含量測定采用酸溶-鉬銻抗比色法[17]。為了得出微生物C、N、P 含量，先熏蒸土壤樣本，后按土壤有機碳、全氮、全磷含量的方法測定MBC、MBN、MBP[18]。試驗采用烘干稱重法測定樟子松細根的生物量。

1.3 數據處理

采用SPSS 22.0 軟件進行平均值和標準差的分析，并對樟子松人工林細根生物量、土壤與微生物生物量C、N、P 含量及其化學計量比進行單因素方差分析（one-way ANOVA）和Pearson 相關分析，采用Excel 2017 作圖表。

2 結果與分析

2.1 樟子松細根生物量的分布特征

細根主要分布在距樹干基部0～2.0 m 的水平區域內，垂直土層方向上，0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 土層細根分別達到該土層細根總生物量的62.62%、63.61%、61.15%、61.45%、63.53%（表2）。從圖1 可以看出，在距樹干基部0～2.0 m 水平范圍內，各土層細根生物量變化趨勢相似，水平距離先增加后減小。從垂直土層角度分析，細根主要分布在0～40 cm 土層范圍內，0～0.5、0.5～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0 m 區域內的細根生物量分別占該區域細根總生物量的61.38%、63.47%、63.29%、63.53%（表2）。在0～40 cm 土層中，距樹干基部0～0.5 m 水平范圍內細根生物量顯著高于其他水平區域（P<0.05）；40～100 cm 土層中，距樹干基部水平距離0～1.5 m 范圍內的細根生物量顯著高于1.5～2.0 m 水平區域（P<0.05）。土層深度>100 cm 時，僅在0～0.5 m 的水平范圍內存在少部分細根，且僅占0～0.5 m 水平范圍內細根系生物量的3.43%（表2）。

圖1 樟子松細根生物量空間分布特征Fig.1 Spatial distribution characteristics of fine root biomass of Pinus sylvestris

表2 樟子松細根生物量占比空間分布Tab.2 Spatial distribution of biomass proportion of fine roots of Pinus sylvestris %

2.2 土壤及微生物生物量C、N、P 分布特征

從圖2 可以看出，對于樟子松土壤C、N、P 含量而言，SOC 含量范圍為0.63～4.39 g/kg，均值為2.88 g/kg。隨著樹干基部水平距離的增加，各土層中的有機碳含量總體呈上升趨勢。其中，淺層土壤（0～20 cm 土層）SOC 含量在0～1.0 m 水平區域內變化緩慢，在>1.0～2.0 m 水平區域內上升趨勢明顯，且>1.0～2.0 m 區域顯著高于0～1.0 m 區域（P<0.05）。深層土壤（20～100 cm 土層）隨著水平距離的增加，SOC 含量呈現先上升后下降的趨勢，其中，1.0～1.5 m 區域SOC 含量顯著高于其他水平區域（P<0.05）。隨著土層逐步的加深，SOC 水平總體下降，淺層土壤明顯高于深層土壤（P<0.05），深層土壤各土層之間差異不顯著。TN 含量范圍為0.11～0.39 g/kg，均值為0.21 g/kg。隨著水平距離的增加，各土層中的總氮先減少后增加。隨著土壤深度的增加，各水平區域的TN 含量呈下降趨勢。深層土壤中的TN 含量顯著低于淺層土壤（P<0.05）。樟子松土壤TP含量范圍為0.12～1.70 g/kg,均值為0.91 g/kg。隨著水平距離的增加，各土層TP 含量一般先增加后減少，均在1.0～1.5 m 區域達到峰值，且1.0～2.0 m 區域顯著高于0～0.5 m 區域（P<0.05）。各水平區域土壤TP 含量均隨著土層深度的增加呈現出先升后降的變化趨勢。

圖2 樟子松根系土壤養分及微生物生物量C、N、P 分布特征Fig.2 Distribution characteristics of soil nutrients and microbial biomass C，N，P in roots of Pinus sylvestris

從微生物生物量C、N、P 的情況來看，MBC 含量范圍為2.10～29.52 mg/kg，均值為14.91 mg/kg。隨著水平距離的增加，各土層MBC 總體呈上升趨勢。其中，0～60 cm 土層MBC 均在1.0～1.5 m 水平區域內達到最高值，顯著高于其他水平范圍（P<0.05）。60～80 cm 土層MBC 峰值出現在1.5～2.0 m區域內，與0～1.0 m 區域差異顯著（P<0.05），與1.0～1.5 m 區域間差異不顯著。隨著土層加深，各水平區域內MBC 總體呈下降趨勢。淺層土壤MBC 顯著高于深層土壤（P<0.05），深層土壤MBC 在各土層間差異不顯著。樟子松土壤MBN范圍為0.27～1.12 mg/kg，均值為0.94 mg/kg。隨著水平距離的增加，各土層的MBN 一般表現先下降后上升的趨勢。隨著土層深度的增加，不同水平區域內MBN 均呈下降趨勢，除1.0～1.5 m 水平區域外，淺層土壤MBN 在其他水平區域均顯著高于深層土壤（P<0.05）。樟子松土壤MBP 范圍為0.89～12.40 mg/kg，均值為7.00 mg/kg。隨著水平距離的增加，各土層MBP 總體上先升后降，峰值均出現在1.0～1.5 m 水平區域內，且顯著高于其他水平區域（P<0.05）。隨著土層深度的增加，各水平區域的MBP 未表現出明顯規律。

2.3 土壤及微生物生物量C、N、P 化學計量特征

由圖3 可知，樟子松土壤C/N 范圍為2.19～16.95，均值為13.91。各水平區域土壤C/N 均值分別為6.78、10.37、14.09、12.11，隨水平距離的增加先升后降。各土層土壤C/N 峰值均出現在1.0～1.5 m 區域，顯著高于其他水平區域（P<0.05）。從垂直土層的角度出發，隨著土層的加深，各土層C/N 均值呈先降低后保持穩定的變化趨勢，各水平區域C/N 變化規律不盡相同，但均表現出淺層土壤顯著高于深層土層的特點。樟子松土壤C/P 范圍為0.47～9.00，均值為2.40。各水平區域土壤C/P均值分別為4.04、1.66、1.72、2.18，整體上隨距樹干基部水平距離的增加先降后升，最小值出現在0.5～1.5 m 區域內。從垂直土層方向來看，隨著土層深度的增加，各土層的土壤C/P 的均值持續降低，各水平區域淺層土壤C/P 顯著高于深層土壤（P<0.05）。

圖3 樟子松根系土壤養分及微生物生物量化學計量特征Fig.3 Stoichiometry characteristics of soil nutrients and microbial biomass in roots of Pinus sylvestris

樟子松土壤MBC/MBN 范圍為2.56～39.85，均值為16.58。各水平區域土壤MBC/MBN 均值分別為9.31、16.94、21.45、17.15，隨著距樹干基部水平距離的增加先升后降，除>80～100 cm 土層MBC/MBN 的峰值出現在0.5～1.0 m 區域外，其他土層均在>1.0～1.5 m 處達到最大值。各土層MBC/MBN 均值隨土層深度增加持續降低，不同水平區域MBC/MBN 變化規律不一致。樟子松土壤MBC/MBP 范圍為0.76～8.09，均值為2.48。各水平區域土壤MBC/MBP 均值分別為4.03、2.18、1.70、2.05，隨著距樹干基部水平距離的增加，總體上呈快速下降后穩步回升的變化趨勢。各土層MBC/MBP 最小值均出現在>1.0～1.5 m 區域內。各土層MBC/MBP 的均值隨土層的加深先降低后稍有升高，淺層土壤MBC/MBP 顯著高于深層土壤（P<0.05）。各水平區域MBC/MBP 隨土層的加深總體上呈先降低后趨于穩定的變化趨勢。

2.4 相關性分析

對60 a 樟子松過熟林細根生物量、土壤與微生物生物量C、N、P 含量及其生態化學計量比進行相關性分析，由表3 可知，細根生物量與TN、MBC、MBN、C/P 和MBC/MBP 呈極顯著正相關，與SOC 含量呈顯著正相關；SOC 與TN、MBC、MBN、C/N 和MBC/MBN 呈極顯著正相關，與C/P 呈顯著正相關；TN 與MBC、MBN、C/P 和MBC/MBP 呈極顯著正相關；TP 與MBP、C/N、MBC/MBN 呈極顯著正相關，與MBC 呈顯著正相關，與C/P 和MBC/MBP 呈顯著和極顯著負相關。MBC與MBN、C/N 和MBC/MBN 呈極顯著正相關，與MBP 呈顯著正相關；MBN 與C/P 和MBC/MBP 呈極顯著正相關；MBP 與C/N 和MBC/MBN 呈極顯著正相關。

表3 樟子松各指標的相關性分析Tab.3 Correlation analysis of indexes of Pinus sylvestris

3 結論與討論

植物根系的垂直分布可以反映植物營養的利用程度[19]。本研究中，隨著土層深度的增加，樟子松細根生物量在土壤中的分布呈現減少的趨勢，這與王凱等[11]的研究結果一致。其原因主要有2 個方面，一方面，土壤濕度是限制樹根分布的關鍵因素之一。細根的生長與分布和土壤水分有著緊密的關系[20]，由于遼西北沙區水資源較為匱乏，所以，個體內和個體間競爭水分愈發嚴重[11]，在一定程度上限制了深層土壤中細根的生長。另一方面，可能與土壤N 含量有關，CAVELIER[21]的研究表明,根系的垂直分布主要由土壤中N 含量控制。天然林地土壤N 素主要來自植物殘體的返還[22]，而枯枝落葉層分解形成的養分返還主要作用于淺層土壤，林地淺層土壤與深層土壤相比具有更加豐富的N 含量，導致淺層土壤細根生物量高于深層土壤。本研究中，SOC、TN 具有明顯的表聚性，此現象印證了上述推論，其原因在于樟子松根系（細根）主要集中在淺層土壤，它對土壤的機械滲透改變了土壤的質量密度和孔隙度，土壤的滲透性得到提升，增加了土壤微生物的活性和它們的數量，分解和轉化了淺層土層中更多的枯根和枯葉，形成有機質、氮和其他養分，在表層土壤中更多積累[23]。TP 不存在明顯的表聚性，可能與樟子松人工林表層土壤根系發達，促進了樟子松對P 元素的吸收有關。相關性研究表明，樟子松根系生物量與TP 存在負的相關關系，進一步佐證了樟子松根系的分布是導致TP 不存在明顯的表聚性的重要原因。從水平方向上來看，樟子松人工林細根生物量在0～0.5 m 區域內最高。與此同時，TN 含量的最大值也出現在此區域，可以推斷，土壤中的N 素可以誘導根的生長發育，促進根系生長。隨著水平距離的增加，SOC、TP 含量總體趨勢向上，遠樹干區域高于近樹干區域，其原因可能是多方面的。遠樹干區域較厚的枯落物堆積提高了遠樹干區域土壤的持水能力。較高的土壤含水量有利于微生物活性的提升，從而加速枯落物的分解，提高遠樹干區域的養分含量。本研究中遠樹干區域的枯落物半分解層明顯高于近樹干區域，充分印證了上述推斷。同時此現象也表明，盡管樟子松人工林細根生物量與SOC 含量呈顯著正相關，但微生物對細根的分解作用并不是影響SOC 含量的唯一因素，60 a 樟子松人工林較厚的枯枝落葉層，為土壤提供了大量的C 源，對土壤C 積累的形成作用顯著。本研究TP 含量在不同水平區域內差異較大，且均值略高于其他研究結果[16,24]，推測其原因可能是受到了過熟林階段豐厚枯枝落葉層的強烈影響。研究表明，凋落物所形成的枯枝落葉層在樟子松養分循環中的作用十分明顯，較厚的枯枝落葉層可分解產生大量P 素為林地提供有效的養分補充[16]。由此可以看出，本研究不同水平區域內枯枝落葉層、半分解層厚度的改變是引發TP含量差異較大的主要原因。同時，本研究采樣點均集中于林木冠幅內，此區域枯枝落葉層堆積厚度明顯高于林地平均水平，導致本研究TP 含量均值相對較高。綜上可知，枯枝落葉層對樟子松養分循環意義重大，在營林過程中，應適當禁牧（封育），避免因大量枯枝落葉造成的營養缺乏。

土壤N 礦化能力的指標是土壤C/N，它既反映微生物群落的水平，也可以指示土壤C 和N 的積累[25]。在此研究中，樟子松根系土壤C/N 均值為13.91，高于全國（11.90）和全球（13.33）[26]土壤C/N平均值，表現為N 限制。從垂直土層的方向來看，淺層土壤C/N 顯著高于深層土壤，說明樟子松土壤N 限制主要集中于淺層土壤。水平方向上，遠樹干區域C/N 高于近樹干區域，所受N 限制更為強烈，和土壤的有機質礦化速率偏低有關，因此，應在淺層土壤，特別是遠樹干區域施加N 肥。土壤C/P不僅對土壤P 的有效性具有指示作用[27]，還通過微生物作用，固持P 的潛力或土壤有機質釋放[28]。本研究中，樟子松根系土壤C/P 的均值為2.40，遠低于全國平均水平（61.00）[26]和養分凈礦化指示值（200.00）[28]，說明該區域土壤P 有效性較高并且土壤未受到P 限制。從空間分布的情況來看，淺層土壤C/P 顯著高于深層，淺層土壤P 有效性較低，同時，遠樹干區域土壤C/P 低于近樹干區域，遠樹干區域土壤P 元素與近樹干區域相比具有較高的有效性。

MBC 可在一定程度上反映出土壤活體微生物的數量[29]。MBN 是微生物體所固定的氮素，這也是微生物對氮礦化和固定過程的綜合反映。MBP是植物有效P 的重要來源，其周轉速度快，但易受環境影響，其含量變化很大[30]。本研究中，隨著土層的加深，MBC 和MBN 具有明顯的表聚性，MBP的表聚性不明顯，這同樣與密集分布在淺層土壤的樟子松根系（細根）有關，淺層土壤通透性的改變增加了土壤微生物的活性和數量，也在一定程度上促進了植物殘體的分解。相關性研究也表明，MBC和MBN 與細根生物量呈極顯著正相關關系，二者受到細根生物量分布特征的影響。MBP 不存在明顯的表聚性，可能是受到了淺層土壤的環境影響，同時密集分布的根系對P 元素的吸收也是造成此現象的重要原因。水平方向上，微生物生物量C、N、P 與土壤C、N、P 分布規律相一致，這也證實了微生物生物量和營養素含量之間存在顯著的相關性。MBC/MBN 的大小變化可以反映出微生物營養與類群的情況變化。本研究中，近樹干區域比值最小，這表明，在樹干附近的區域，植物殘留物的進入和降解為微生物的細根生長提供了食物。隨著距樹干基部水平距離的增加，MBC/MBN 的趨勢為先升后降，并且差值波動，這意味著增加了水平距離，樟子松細根分解過程中的微生物類群發生了變化，通過微生物分解作用返還于土壤的N 元素有所減少。微生物對P 元素的富集程度可通過MBC/MBP 的大小反映。本研究中，各土層MBC/MBP 值總體上先降后升，淺層土壤顯著高于深層土壤，表明在近樹干區域和淺層土壤，微生物主要進行定殖，對土壤中P 元素的固定能力不強。隨著土層深度和水平距離的增加，微生物對細根的分解作用得到加強，細根中的P 元素得以釋放，提高了微生物對P 元素的富集作用。由此可知，微生物對細根的分解在樟子松人工林P 元素的循環供給中起到了重要作用，且細根的分布影響微生物的分解效果，相較于細根分布密集的區域，細根分布較少的區域更利于微生物對P 元素的富集。

本研究結果表明，遼西北沙地樟子松過熟林細根主要分布在距樹干基部0～2.0 m 水平區域，深度為0～40 cm 的土層中，冠幅以外區域細根分布較少。當土層深度為100 cm 以下時，樟子松僅在主根上存在少部分細根，表現為淺根性。樟子松過熟林土壤及微生物生物量C、N、P 垂直分布特征受其細根影響，土壤C、N 主要分布在0～40 cm 土層，具有明顯表聚性。從生態化學計量學角度分析，沙地樟子松過熟林生長受N 限制影響，其中又以淺層土壤及遠樹干區域限制更為強烈。樟子松營林過程中，可在遠樹干區域合理引入固氮植物以改善土壤N 限制。同時應重視微生物與枯枝落葉層在養分循環中的重要作用，可以適用的經營措施是封育，防止加劇營養不足。