模拟氮沉降对川西高原中国沙棘细根中的碳、氮、磷的影响

李 玲，邓东周，樊 华，涂卫国*，蒋庆云

(1.四川省自然资源科学研究院，四川 成都 610015；2.四川省林业科学研究院，四川 成都 610081；3.四川省计算机研究院，四川 成都 610041)

植物细根一般指直径小于等于2 mm的根[1]，由于不同树种间细根在形态、大小上有所不同，也有定义为小于3 mm或5 mm的根[2～3]。与较粗根系相比，细根具有极大的表面积，是根系中水分和养分吸收的主要部位，也是根系中活跃性和敏感度最高的部分[4]。细根还是森林生态系统中重要的C库和N库，由于其寿命较短、分解速率快，细根还影响了森林生态系统中C、N循环[5-6]。细根具有较强的生理生态可塑性，植物可能通过调节形态结构、分配特征和细根功能，从而适应环境的改变[7]。研究环境改变对植物细根生长和碳氮磷分配影响，有利于了解植物生理生态过程对环境响应机理和反馈机制，为提高森林生产力水平提供重要理论和现实指导。

川西高原为青藏高原东南缘和横断山脉的一部分，是我国重要的生态屏障，也是对全球气候变化响应较为敏感的区域之一，正面临着诸多环境条件改变[8]，如大气氮沉降带来的生态影响[9]，是生态学研究的热点区域之一。中国沙棘(HippophaerhamnoidesL.)为胡颓子科沙棘属落叶灌木，有抗寒旱、耐风沙、对土壤适应性强等特点，是我国广泛应用的治沙植物。中国沙棘在川西高原不同条件下分布广泛，是该区重要先锋固氮性灌木树种[10]。近年来中国沙棘在高寒区域退化生态恢复中有广泛应用，由于该区气候严寒、土壤瘠薄，土壤氮含量和氮有效性较低，植物生长对土壤氮含量改变较为敏感。目前关于氮沉降下中国沙棘的生态适应性研究还很少，特别是在细根适应响应方面。

本研究以川西高原中国沙棘两年生实生苗为实验材料，进行了对照、低氮和高氮3个梯度的模拟氮沉降处理，测定了不同径级细根的生物量和碳氮磷含量，分析了细根碳氮磷化学计量特征，旨在为沙棘种质资源保护和区域退化生态环境治理等方面提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于青藏高原东缘的四川省阿坝州松潘县，地处岷山山脉中段，具有青藏高原季风气候特征，垂直气候明显。研究地点在松潘县青云乡雄山村雄辉种植基地，距离松潘县城往南约10 km处，103°37′30″ N，32°35′26″ E，海拔 2 789 m，气象条件以松潘县城为例，多年平均气温5.7 ℃，最冷月为1月，平均气温-4.0 ℃，最热月为7月，平均气温14.4 ℃，年蒸发量 1 000 mm左右，多年平均降水量720 mm，降水分布不均，干雨季分明，雨季(5月中旬至10月上旬)降水量占全年降水量的72%以上。

1.2 实验材料与处理

以两年生沙棘实生苗为实验材料，研究时间为2017年5至10月。5月初起苗后，将幼苗移栽至体积10 L，直径30 cm装有匀质土壤的塑料花盆内(每盆1株)，土壤为混合均匀的0～20 cm林下表土。6月上旬将幼苗移至塑料大棚内，待幼苗稳定生长一段时间后，进行氮沉降处理。实验处理设置3个氮浓度梯度，分别为对照(CK，0 g N m-2a-1)、低氮沉降(N1，4 g N m-2a-1)和高氮沉降(N2，8 g N m-2a-1)处理，每个处理共有幼苗15株。施加NH4NO3其浓度和施加量根据花盆面积和模拟氮沉降的量换算，根据NH4NO3的分子量和N元素所占比例，低氮4 g N m-2a-1所施NH4NO3约为0.8 g a-1，高氮8 g N m-2a-1所施NH4NO3约为1.6 g a-1。在6月上旬和8月上旬分两次进行处理，处理时分别将0.4 g和0.8 g NH4NO3溶解至500 ml水中，分3 d均匀喷洒至花盆中。

1.3 样品测定

2017年10月上旬，在模拟氮沉降处理了4个月以后，幼苗年生长期即将结束的时候，将幼苗连同花盆浸泡到水中，泡软土壤后用流水清洗干净。一般将直径2 mm以下的根定义为细根。本研究中，一级侧根(主根上萌出的侧根)直径均在2 mm～3 mm左右，因此将除了主根以外的根系均归为细根。按直径从大到小进行分级：2 mm～3 mm(A)、1 mm～2 mm(B)、0.5 mm～1 mm(C)、<0.5 mm(D)，并分出细根上着生的根瘤(Root nodule，RN)，将分好的根系在70℃下烘干48 h至恒重，称量干重。将各级细根干样研磨成粉并过60目筛，测定碳、氮、磷含量，计算元素比值，同时按照各级细根生物量，换算出细根总元素含量和总比值。碳、氮含量采用元素分析仪测定，全磷含量采用钼锑抗比色法测定。

1.4 统计分析

使用SPSS16.0 for Windows 软件对以上生物量、元素含量及其比值指标进行一元方差分析(ANOVA)，平均数间的多重比较采用Duncan检验(P<0.05)，并用不同字母表示同一性状在P<0.05水平上的显著差异(见图1～7)。对细根总生物量、总元素含量和元素比值进行双变量的Pearson相关性分析(见表1)。对细根分级、氮沉降浓度及其之间的交互作用采用Univariate做双因素方差分析(P<0.05，见表2)。

2 结果与分析

2.1 对细根生物量的影响

从图1可以看出，氮沉降下细根总生物量略有增加，低氮和高氮沉降下分别增加了4.29%和9.22%。从生物量分配变化情况来看，对照和氮沉降下A、B级细根生物量较高，其次为D级，C级最少；低氮下生物量增加到A、B级较粗根上，而C、D级无显著变化；高氮下A、B、C级细根均显著增加，而D级则显著下降。氮沉降下根瘤生物量均显著下降，但低氮和高氮下无显著性差异。即氮沉降降低了较细细根和根瘤的生长量，促进了较粗细根生长，而生物量分配向后者偏倚。

图1 模拟氮沉降下不同根级细根生物量

2.2 对细根碳、氮、磷含量的影响

2.2.1 对碳含量的影响

从图2可以看出，氮沉降下细根总碳含量略有增加，低氮和高氮沉降下分别增加了3.61%和7.98%。从细根碳分配变化情况来看，3组处理中均为C级细根相对较高，低氮沉降下碳含量增加仅体现在C级细根上，而在高氮沉降下B、C、D级细根均显著性增加，而A级细根则显著性下降。对根瘤(RN)而言，低氮处理下碳含量显著增加，而高氮下则相反显著下降。即低氮处理下C级和根瘤碳含量增加；高氮处理下B、C、D级增加，而A级根和根瘤相反下降。

图2 模拟氮沉降下不同根级碳含量

2.2.2 对氮含量的影响

从图3可以看出，氮沉降下细根总氮含量无显著性变化(P>0.05)。从细根氮分配变化情况来看，在对照下A、D级细根氮含量相对较高，B、C级细根占比相对较低；低氮沉降下，D级细根氮含量下降，而C级氮分配增加；在高氮沉降下，所有级别细根氮含量无显著性变化。对根瘤(RN)而言，低氮处理下氮含量显著增加，而高氮下无显著性变化。即低氮处理提高了根瘤和C级细根氮含量，降低了D级细根氮含量，而高氮处理对细根氮含量无显著影响。

2.2.3 对磷含量的影响

从图4可以看出，氮沉降下细根总磷含量显著下降，在低氮和高氮浓度下分别下降了17.95%和26.36%。从细根磷分配变化来看，在对照处理下B、D级细根含量较高，A、C级相对较低；低氮沉降下磷分配向C级细根集中，D级根含量最低；高氮沉降下磷分配向B级细根集中，A、D级含量最低。对根瘤(RN)而言，氮沉降下根瘤磷含量显著下降，但低氮和高氮下无显著性差异。即氮沉降下B、C中等径级根磷分配增加，而最粗A级、最细D级和根瘤的磷分配减少。

图3 模拟氮沉降下不同根级氮含量

图4 模拟氮沉降下不同根级磷含量

2.3 对细根C/N、C/P和N/P的影响

2.3.1 对C/N的影响

从图5可以看出，低氮下细根总碳氮比略微下降，而在高氮下略微升高，但均达不到显著水平(P>0.05)。从不同径级碳氮比变化情况来看，与对照相比低氮下仅D级细根碳氮比显著升高，A、B、C级无显著性变化；高氮下B、D级细根显著升高，A、C级无显著性变化。对根瘤(RN)而言，氮沉降下根瘤碳氮比显著下降，但低氮和高氮下无显著性差异。

2.3.2 对C/P的影响

从图6可以看出，氮沉降下细根碳磷比显著增加，且高氮下增加更多。从不同径级碳磷比变化来看，与对照相比低氮下C级细根碳磷比显著下降，而D、B、A级细根显著增加，且D级细根增加最多；高氮下所有径级细根碳磷比均显著升高，且C、D级细根相对增加最多，对根瘤(RN)而言，低氮处理下碳磷比升高了32.22%，而在高氮下无显著变化。即低氮下C∶P的增加主要体现在根瘤和D级细根上，而高氮下主要体现在C、D级细根上。

图5 模拟氮沉降下不同根级C∶N

图6 模拟氮沉降下不同根级C∶P

2.3.3 对N/P的影响

从图7可以看出，氮沉降下细根总氮磷比显著升高，但低氮和高氮下无显著性差异。从不同径级细根氮磷比变化来看，与对照相比低氮下A、B、D级细根氮磷比显著增加，高氮下A、C、D级细根氮磷比显著增加，且高氮沉降下细根增加量更大。对根瘤(RN)而言，低氮处理下下氮磷比增加了57.49%，而在高氮下无显著性变化。即低氮下N:P的增加主要体现在根瘤上，而高氮下体现在A、C、D各级细根上。

图7 模拟氮沉降下不同根级N∶P

2.4 相关性分析

从表1、表2可以看出，细根总碳与总生物量、C/N、C/P和N/P间有显著正相关，总磷与总碳、总生物量、C/P和N/P间有显著负相关，而总氮与所有指标无显著相关性。C/P与总生物量、N/P间有显著两两正相关。施氮量与总生物量、总碳、C/P和N/P呈显著正相关，与总磷呈显著负相关，而与总氮和C/N无显著相关性。

表1 细根总生物量、总元素含量和总计量比间相关系数(Pearson检验)

表2 细根分级和氮浓度及其交互作用对生物量和元素指标影响的双因素方差分析

3 讨论

3.1 氮沉降对细根生物量的影响

由于受到树种类型、树木年龄、环境条件等因素的影响，氮沉降对细根生物量的影响存在争议，有可能会促进[11]，抑制[12～13]或无影响[14]。土壤肥力、土壤中其他化学组分、施氮浓度等也可能干扰氮沉降的效果[15]。本研究中，氮沉降下中国沙棘细根生物量有所增加，且在高氮(8 g·N·m-2·a-1)下增加更多，暗示自然状态下土壤氮库不足以支撑细根生长，中国沙棘可能处于氮限制状态。细根是土壤中养分和水分吸收主要部位，低径级的细根占比越多，吸收作用越大；然而直径越小的根寿命越短，且更容易被土壤动物取食或被分解，因此细根直径大小和径级分配是一种适应性权衡[16]。本研究中从细根径级分配来看，氮沉降下细根生物量的增加主要表现在A、B级较粗根上，而吸收力更高的D级(<0.5 mm)根和具有固氮作用的根瘤生物量均有所下降，可能归因于氮沉降下土壤中氮素变得更易于获取，而将有限的投资转移到寿命更长、承担运输任务的较粗级别根上。

3.2 氮沉降对细根碳氮磷含量与计量的影响

研究显示，随着氮沉降量的增加，土壤氮有效性得到提高，细根组织氮含量可能增加[17～19]。本研究中，氮沉降对细根总氮和A、B级根(较粗的起养分储存和转运作用的根)氮含量无显著性影响，可能与中国沙棘是固氮性树种有关，其细根对土壤氮素的耐受度较高，较低氮沉降水平可能不会导致细根中氮的积累。在低氮沉降下，A、B级根氮含量不变，C级根和根瘤增加而D级根下降，表明与高径级根相比，低径级根和根瘤对氮沉降更为敏感，氮含量变化可能与其生理活动变化有关。

研究表明，土壤氮有效性会影响根系对磷的吸收效果，适度氮添加会显著促进根系对P的吸收，而过量氮添加可能抑制植物生长和根系发育，而减少了P的吸收和利用[20～21]。本研究中，氮沉降下细根总P含量显著下降，且在高氮沉降下降低更多(26.36%)，导致C/P和N/P显著升高。从细根生物量来看，氮沉降对细根生长具有促进作用，且高氮下促进作用更强，因此可推测氮沉降下细根P含量的降低，并不是由于氮添加过量导致的抑制作用。氮沉降下细根P含量下降较为均匀，各级细根和根瘤P含量均下降(除低氮下B级和高氮下C级根)，其原因有待进一步研究。

3.3 氮沉降对细根碳氮磷计量的影响

本研究中，在对照、低氮和高氮下，中国沙棘细根总C含量分别为410.70 mg·g-1、426.06 mg·g-1、446.30 mg·g-1，总N含量分别为28.67 mg·g-1、29.81 mg·g-1、29.33 mg·g-1，总P含量分别为2.94 mg·g-1、2.41 mg·g-1、2.16 mg·g-1，C:N:P比值分别为140∶10∶1、177∶12∶1和207∶14∶1，总C含量略低于中国植物细根C平均值(473.9 mg·g-1)，而N和P含量均远高于中国植物细根平均值(9.16 mg·g-1和0.95 mg·g-1)[22]。

由于细根中C/N的变化可能影响细根呼吸和分解速率，从而对地下C循环产生影响，因此C/N是细根化学计量研究的重点[15]。以往研究表明，氮沉降或导致细根内N含量升高，或引起C含量降低，从而使得C/N降低[23]。本研究中与对照相比，氮沉降下细根总C/N无显著变化，原因可能与氮添加浓度较低，细根总氮含量未增加，而碳含量变化不大有关。C/N和C/P可以反映植物对N、P利用效率，本研究中，中国沙棘细根C/N和C/P远低于中国植物细根平均值(59.15和844.07)[22]，表明在高寒地区中国沙棘细根具有较好的氮、磷利用效率，且在氮沉降下，细根的磷利用效率显著提高。

氮磷比(N/P)可以暗示植物的生长受到氮还是磷元素的限制[23]。通常当N/P小于14时，植物生长主要受N限制，而当N/P大于16时，植物生长主要受P限制[25]。本研究中不同处理下，中国沙棘细根总N/P均小于14，由于沙棘根系具有共生根瘤菌，其生物固氮作用是一定的氮源补充；然而从氮沉降对中国沙棘细根生物量的具有促进作用来看，我们推测中国沙棘生长受到了氮的限制，但其机制有待进一步研究。