植物对土壤养分空间异质性分布响应的荟萃分析

胡世民，孙佳丽，张爱平，李洪波，杨正礼

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业清洁流域创新团队，北京 100081)

自然界中，养分在土壤中的分布往往不是均匀的，而是具有时空异质性。具体表现为养分在空间上以斑块状的形式分布；在时间上因植物吸收利用则呈现由土壤中的养分斑块向均匀分布转化。植物已经进化出相应的策略以有效获取和利用土壤中的养分斑块[1]。例如，根系在养分富集区域内部大量的增殖是常见的适应策略[2-3]。这一策略能促进植物的生长并获得竞争优势[4-5]。也有研究发现，根系在养分中大量增殖对植物地上部的生长并没有显著的影响[6-8]。这些研究之间的差异可能是由多种试验条件的不同引起的，如不同植物种类[9-11]和试验中选取的时间尺度不同[12-13]。

不同的植物种间根系性状往往存在巨大差异，如根系直径等[14-15]，而这种差异能够影响植物对养分空间异质性的响应强度[16-17]。有研究发现，根系的觅食精度(养分斑块区内部的根系与外部的根系比值，代表植物根系在养分异质性环境中的根系分配策略)在系统发育和物种分类上存在很大的差异[18]，即双子叶植物的根系觅食精度普遍高于单子叶植物[19]。与之相反，对4种作物的比较研究发现，根系较细的单子叶植物小麦和玉米对养分斑块的响应程度远高于根系较粗的双子叶植物鹰嘴豆和蚕豆[20]。豆科植物比其他物种有更强的生理响应(例如根系酸性磷酸酶活性，根际有机酸阴离子和质子的分泌)来获取磷[21-23]和固氮能力，这可能是豆科植物根系形态对土壤养分斑块的响应程度较弱的原因。另外，传统的观点认为，根系较细的物种响应养分斑块的能力要高于根系较粗的物种[24]，然而很多研究并不支持这一观点[10,25-26]。因此，不同功能群物种之间的特异性响应及物种间根系属性的巨大差异可能是不同研究之间的结果存在相互矛盾的原因之一。

驯化过程对植物响应养分异质性环境可能也有显著影响。与自然环境不同，农田中养分含量丰富且空间分布较为均匀。在农作物的驯化过程中，这种生长环境可能导致作物一些更适于在养分含量较低且空间异质性分布环境的根系性状在进化中发生改变或丢失[27-28]。然而，驯化过程是否会影响作物对养分异质性的响应模式仍不清楚。另外，人工驯化过程选择了有较高地上部生产力和养分含量的植物[29]，而野生物种可能需要相对较大的根系或更高的根系觅食精度与其他物种竞争来获取土壤中有限的养分，例如，在养分富集区域增殖根系会使植物养分具有优先使用权，进而赢得生长优势[5,30]。因此，与人工驯化的农作物相比，野生物种可能更加适应养分空间异质性分布的环境。当前，尚没有文献明确指出野生物种和驯化作物之间响应养分空间异质性的差异，因此，明确二者的响应规律对理解驯化过程对植物觅食策略的影响非常重要。

除了植物本身特性造成的差异，研究中不同的时间尺度可能对植物响应养分斑块的程度产生重要的影响。土壤养分环境往往随植物生长周期发生巨大的变化，如养分丰富的斑块被耗竭变成养分贫瘠的斑块[31]，或较难被植物直接利用的有机斑块分解为利于吸收的无机斑块[32]。这些外界环境随时间的变化可能会导致植物响应养分异质性环境在时间尺度上存在巨大差异[33]。KEMBEL等[18]发现，随着研究周期的增加，根系在养分异质性环境中的觅食精度逐渐下降[18]，这可能与随着养分斑块的耗竭，根系大量死亡有关，养分富集斑块中根系的增殖对植物生长的贡献在不同的生长阶段具有显著的差异[4,6,34]。因此，植物根系和地上部对养分异质性环境的响应程度可能随时间下降。

前人的研究对植物响应养分空间异质性的规律在不同方面进行了定性的描述性分析[3,12,17,32,35]，缺乏对植物响应程度精确定量的分析。虽然有少量的研究通过其他统计方法对植物的响应规律做了一定程度的定量解析[18,36]，然而这些研究并没有深入分析植物响应养分异质性的变异来源，且数据库的应用存在很大的问题。KEMBEL等[18]的分析中，养分异质性的处理的养分含量远远高于养分均匀的处理，养分总量的差异会改变植物局部和系统信号之间的关系，进而影响根系对养分异质性分布的响应程度[37]，并降低了养分空间异质性对植物地上部养分吸收的促进作用[18]。因此，合理地定量分析植物对空间异质性分布的响应规律对理解植物适应环境策略的多样性非常重要。

荟萃分析(meta-analysis)能够通过对大量文献数据的整合，定量分析出研究的普遍规律，是大数据分析的有效手段。本研究通过收集55个已经发表的论文，选择了7个与植物生长相关的变量(包括生物量分配、地上部养分累积和根系形态)，通过荟萃分析的方法定量化植物响应养分异质性的程度。研究的目的是定量分析植物对养分异质性分布的响应规律，并通过物种类别、驯化水平以及研究周期等因素解析植物响应的变异性。

1 材料与方法

1.1 数据来源

荟萃分析所选取研究的标准是这些文章都被列入“Science Citation Index扩展数据库” (从1990年到2017年)。通过在ISI Web of Science中输入关键词，如根系增殖 (root proliferation) 与根系生长 (root growth)、局部养分 (localized nutrient) 与养分斑块 (nutrient patch) 和异质性养分 (nutrient heterogeneity) 与非均匀性养分 (ununiform nutrient) 在数据库中检索文献。同时选择了在农业、植物科学、环境科学与生态学、生理学、生物多样性与保护和进化生物学等学科范围内的文章。最终选择的55篇符合以下标准的文章：(1)植物物种为非转基因的草本植物，由于涉及木本植物地上部生长和养分累积的文献较少，大多数仅仅涉及根系的响应，且研究之间对根长的处理方法存在较大的差异(如根系是否分级等)，因此排除了这部分的研究；(2)文章中同时具有养分均匀和异质性处理，同时两种处理中养分供应的总量相同；(3)研究包括田间和温室盆栽试验。

1.2 数据获取

荟萃分析需要对照和处理条件下的平均值、标准差(SD)和样本大小(n)。当平均值和标准差以图的形式呈现时，则借助软件Getdata 2.0从数据化表中提取数据。如果文献中报道的为标准误(SE)，根据公式：SD=SE×n0.5将其转化为标准差。

1.3 植物响应参数

为了综合反映植物对养分空间异质性分布的响应规律，将所获取的7个参数被分为3类：(1)生物量 (地上部生物量、根系生物量、根冠比)；(2)地上部养分含量(地上氮、磷含量)；(3)根系觅食属性(根长密度、根系觅食精度)。

根据研究目标，将收集到的数据按3种影响因子进行分组：植物类群、驯养水平、研究周期。植物功能群包括禾本科植物、非豆科双子叶植物、豆科植物，驯化水平包括驯养植物(农作物)和野生植物。根据养分斑块在土壤中的存在时间，将试验时间分为3类：短期(0～50 d)、中期(51～100 d)和长期(>100 d)。一般来说，无机养分以及简单的有机养分(如尿素)斑块在土壤的释放高峰期一般不超过28 d[32]，而被耗尽一般出现在45～50 d[7,31,32]，这也是大部分室内控制试验选择在50 d以内的原因。而一些复杂的有机养分斑块(如植物茎秆)在土壤中的分解和释放需要更长的时间。

1.4 效应值

本研究采用响应比率(Response ratio,RR)的自然对数[ln(RR)]来表示每一个独立研究的效应值(Effect size,ES)。响应比率即处理的平均值除以对照的平均值[38]，见公式(1)。

ES=ln(RR)=ln(Mt/Mc)

(1)

式中：Mt表示处理组(异质性养分分布)响应变异的平均值；Mc表示对照组(均匀性养分分布)的平均值。

每一个独立研究的效应大小的方差可以近似地根据公式(2)来计算；效应大小的100(1-α)%的置信区间(CI)可以根据公式(3)来计算，平均百分变化率通过公式(4)计算。

(2)

95%CI=ES±Za/2×SQRT(VES)

(3)

百分变化率=(eES-1)×100%

(4)

式中：SD是标准差，nt和nc分别代表处理和对照的样本大小，每一个独立研究的效应大小均是基于处理和对照；Zα/2的值是1.96 (α= 0.05)。如果一个效应值的95%的置信区间并没有跨过零点，这表示该效应值是显著的；如果跨过零点则表示该变量在养分均匀分布和养分异质性分布条件下没有区别。

1.5 统计分析

在进行荟萃分析之前，用方差(VES)的倒数对每个独立观察的效应大小进行加权处理，以此来计算加权的平均效应大小[38]。加权的总效应来源于随机效应模型[39]。研究之间的总异质性大小通过QT统计量来度量，其符合自由度为样本量-1的卡方分布(chi-square,χ2)，允许零假设的显著性测试，QT值越大，异质性越强。为了描述一个给定变量(如植物功能群分类、驯化水平和研究周期)对植物响应养分异质性的影响，对所有的独立研究根据研究周期和植物的特性进行了组下划分。在这种情况下，总异质性大小QT可以分为组间异质性Qb和组内异质性Qw。组间异质性Qb越大，意味着分组类型对响应度的影响越大。为了检验来自一篇论文的多对数据所产生的潜在伪重复是否会影响最终的结论，本研究随机选择每篇论文进行荟萃分析。缩小后的数据集显示出与整个数据集的平均效应大小和95%CI相似[40]。因此，这些数据集具有很高的可靠性。所有统计都用Stata 12.0软件进行计算和分析。

2 结果与分析

综合所有研究结果发现，除根冠比以外，异质性养分分布对的6个植物响应变量具有显著的正效应(图1)。根系形态的改变比率 (26.5%～44.1%) 显著高于植物生物量分配 (7.3%～13.8%) 和地上部养分含量 (14.8%～18.0%) (表1)。

表1 与植物生长有关的7个变量响应养分异质性环境的统计值Table 1 The statistics for seven traits associated with plant growth responses to nutritional heterogeneous environments

2.1 生物量分配

异质性养分分布能够促进非豆科双子叶植物与禾本科植物的地上部生物量，但对豆科植物没有显著的影响(图1a)。养分异质性分布对根系生物量影响受到植物功能群的影响：除了禾本科植物，养分空间异质性显著的促进了豆科植物和非豆科植物根系的生物量(图1b)。养分异质性对于不同类型的植物是根冠比都没有显著的促进作用(图1c)。

驯化水平并没有影响异质性养分分布对植物的地上部和根系生物量，以及根冠比的影响。异质性养分分布对野生型植物和农作物的地上部和根系生物量均有正效应，而对植物的根冠比没有影响(图1c)。

当研究周期为短期(0～50 d)和中期(51～100 d)时，异质性养分分布促进了地上部和根系生物量的生长；而当研究周期超过100 d(长期)，异质性养分分布对二者并没有显著影响(图1)。研究周期对根冠比响应养分异质性具有明显的影响：在短期内，养分异质性分布能够显著促进植物的根冠比，而在中期和长期，这种正效应就会消失。

2.2 地上部养分含量

植物功能群类别能够显著影响养分异质性分布对地上部氮含量的影响，而驯化的影响则呈现出临界显著性(P=0.08)。异质性养分分布能够显著的促进非豆科双子叶植物地上部氮含量，而对禾本科植物与豆科植物都没有显著的变化(图2a)；野生型植物的地上部氮含量在养分异质性环境种有显著的提高，而驯化植物则没有任何变化。对于地上部磷含量来说，禾本科植物的磷含量在异质性环境中显著的提高，而无论野生型还是驯养型植物的地上部磷含量都有显著的增加(图2b)。短期的研究条件下养分异质性对地上部氮磷含量都有正效应，而在中期和长期条件下养分异质性分布对养分含量没有影响，并呈现显著的下降趋势(图2)。

2.3 根系形态

养分异质性分布能够显著促进根长密度和根系觅食精度。植物功能群和驯养水平分布对根长密度的效应值分别有临界显著(P=0.06)和显著(P=0.04)的影响，而根系觅食精度则受到驯养水平和研究周期的影响。驯养作物的根长密度和觅食精度对养分异质性的响应程度都高于野生型植物，而短期和中期的研究中的根系觅食精度要显著高于长期的研究(图3)。

注：括号内为样本量，右侧的符号表示响应变量的组间异质性的显著性。*,P≤0.05; ***,P≤0.01。Note：Sample sizes are presented in parentheses, and the symbols on the right indicate the significance of inter-group heterogeneity of response variables. *, P≤0.05; ***, P≤0.01.

注：括号内为样本量，右侧的符号表示响应变量的组间异质性的显著性。,P≤0.1; *,P≤0.05。

3 讨论

3.1 功能群对植物生长的影响

一般来说，根系在养分斑块区增殖，以获取更多的养分，进而促进植物地上部的生长[3]。本研究结果显示，养分斑块能够显著促进禾本科与非固氮双子叶植物地上部生物量，豆类植物地上部生长和养分的累积对异质性养分分布的响应并不显著。虽然豆科植物能够针对养分斑块区的局部信号做出反应，如增加根系生物量和根长密度，但这些响应并没有促进豆科植物地上部生物量和氮磷累积量，这可能与豆类植物比其他植物更加依赖于根系生理(如通过根瘤固氮，通过分泌较高的根际有机酸阴离子活化磷)，而非根系形态性状(如根长)从土壤中获取养分有关[41]，因而根系生物量的增加可能并不能直接促进豆科植物地上的生长及养分的累积[20]。根系在局部的增生是植物对局部养分信号一种相对独立的响应，并不完全受到地上部生长的调控[37]。这种响应机制使得植物即使在不缺乏养分的情况下，依然可以通过增加根系生长占据养分斑块，避免其他竞争植物对养分的耗竭，这是植物适应养分异质性环境的生态策略。而对于禾本科和非固氮植物来说，根系在养分斑块的增生是植物获取养分的最重要的途径，能够提高养分利用效率，促进地上部的生长[7]。因此，从植物资源获取策略的差异性方面考虑，豆科植物地上部对养分空间异质性分布的响应可能并不像其他物种那样敏感。

注：括号内为样本量，右侧的符号表示响应变量的组间异质性的显著性。,P≤0.1; *,P≤0.05。

本研究中，养分异质性分布能显著提高双子叶植物和豆科植物的根系生物量。而禾本科植物虽然在养分斑块区的根长密度增加幅度很高，但其根系生物量并没有受到养分异质性的影响。这说明禾本科植物在不提高根系生物量和根冠比的情况下可以较好地利用养分斑块。这是因为须根系的禾本科植物比双子叶植物有着相对较高的根质量分数和较小的根系直径[42]。同时，其较细的根系拥有较高的养分吸收速率和比根长，这些特质使细根在高效挖掘利用养分斑块内部养分以促进地上部生长扮演了非常重要的角色[31,33,43]。有研究发现大麦根系在养分斑块区增生的同时伴随着降低根系在非斑块区的生长[44]，这意味着根系较细的禾本科植物对养分异质性响应可能具有更强的灵活性，能够有选择将根系投入到适合生长的环境中去，从而减少根系的整体投入。

本研究中并没有发现植物功能群分类对根系觅食精度有显著的影响。前人的研究认为，根系觅食精度存在一定的功能群保守性，双子叶植物的根系觅食精度要稍微高于单子叶植物[18]，这可能与该结论相关的数据集来源于同一试验有关[45]，是在相同的养分处理下得到的结论。而本研究的数据库来源于大量不同的研究，各研究之间试验条件的差异(如养分类型)可能掩盖了植物系统发育的影响，但这也说明单独的系统发育对预测植物的觅食精度并没有决定性的作用[26]。由于同一物种对不同养分类型响应差异巨大，而不同物种响应同一养分类型也存在物种特异性，因此，二者之间的交互作用往往是驱动植物响应养分异质性环境程度和方向多样性的根本原因[20,26]。因此，在复杂的养分异质性环境中，单一的物种系统发育很难真正的预测植物根系的觅食精度。当前，已经有分层系统发育meta模型可以解析研究案例与系统发育关系对结果的影响，这种模型可能对系统发育预测较强的研究方向非常适用。

3.2 驯化水平对植物生长的影响

驯化水平没有显著影响植物生物量、根冠比和养分累积量对异质性养分分布的响应。这说明无论是野生植物还是农作物，在养分异质性环境中获取资源的策略和收益并没有显著的区别。从植物进化的角度来看，植物对异质性养分环境的响应是一种固有的特性，因为植物只能从相对固定的位置从土壤中获取养分[46]，必须整合多样的局部信号进行响应才能适应养分分布不均匀的土壤环境[36]。这也说明即使农田土壤中养分分布相对于非农田中变异性较小，但养分异质性分布的本质不会改变。当前，在农业系统里面，局部施肥是提高养分利用效率的重要方式之一，这种人为制造的养分异质性环境能够显著促进根系和地上部的生长[7,31,34]，这也证明了植物的驯化过程不会改变植物在养分富集区的收益。

与地上部生长相比，驯化水平对斑块区根长密度和根系觅食精度有明显的影响。农作物在斑块区的根长密度增加程度和觅食精度都显著地高于野生植物，这与我们的预期相反。农作物一般都是在高养分环境中驯化而来，其地上部的养分含量和需求都较高，显示出较高的生长速率[47]。由于植物的地上和地下生长策略往往是一致的[48]，因此农作物的根系可能也具相对较高的生长速率，从而展示出更高的根系响应强度。而野生植物的生存和进化环境中的养分往往较低，根系的生理作用可能在整体上要高于农作物，从而形态的变化并没有农作物强。最新的研究发现，选育于有效养分较低的环境中的玉米基因型的根系形态响应养分斑块的能力远低于选育于高养分投入中的玉米基因型，但前者具有更高的根系分泌物，以获取足够的养分[49]。我们的结果和前人的研究说明，虽然人工驯化并没有改变植物响应养分异质性的本质，却在一定程度上改变了在养分富集区的觅食策略。

3.3 研究周期的影响

植物对养分斑块的响应过程发生在一个动态环境中，即随着时间的推移，土壤养分富集区逐步被植物耗竭[7,30]或被菌丝转运到贫瘠的地区[50]，进而转向更加均匀的分布。本研究发现，几乎所有的植物生长参数对养分异质性环境的响应随时间而减弱，尤其是当研究周期超过100 d时，这与之前很多研究者观察到的结果一样[12,51-52]。植物必须对养分斑块迅速做出一系列响应获取养分，因为无机斑块在田间条件下的养分释放高峰一般不超过4周[31]。这一快速的响应体现在短期内(<50 d)异质性养分分布对植物的生长都有显著的促进作用。这一现象也为农田养分管理提供了一些启示。在农业生产中，在作物种植初期，进行一次性的局部供应养分(包括机械条施和点施)以促进作物幼苗的生长是现代农业中常用的手段[53]。然而，这种积极效果存在时间依赖性，所以在养分供应充足的农业生产中，局部养分供应往往对生长周期较长的作物的最终产量的影响较小[7]。因此，在作物苗期实施局部施肥，并适度减少基肥施用量可能是提高养分利用效率的重要方式。另外，养分异质性带来的短期的生长效果，可能对于生长周期较短的作物会起到非常重要的作用，如蔬菜栽培中，养分的局部施用并减量供应，可能可以在减少肥料施用的情况下，稳定蔬菜的产量。

需要注意的是，本荟萃分析的数据大都来自于单一植物的培养，而且异质性养分分布和养分均匀分布的养分总量是相同的。从长期来看，养分总量可能是限制植物生长的重要原因[6]。这与自然系统可能有很大的不同。在自然生态系统中，植物之间随时存在种内或者种间竞争，而养分异质性的存在能够导致物种之间产生非对称性竞争，即在养分斑块内快速生长根系的物种或者先接触到养分斑块的植物能够在短期内在其他植物的根系到达之前将养分斑块内部的养分大部分吸收或耗尽[8,54]，从而可能使该植物比生长速率慢或者后到的植物占据更多的竞争优势[5,55]。在这种情况下，这种短期带来的效益可能会在自然生态系统中维持长时间的生长优势。

4 结论

研究结果表明养分异质性分布可以提高植物生物量、养分累积量、根长密度及根系觅食精度，而对根冠比影响不大。通过进一步的分析、研究发现：(1) 豆科植物地上部生物量和养分累积对养分异质性分布的响应并不敏感，而养分异质性环境可以促进植物在养分富集区的增生但对禾本科根系总体生物量没有显著的影响；(2) 农作物与野生型物种的生物量和养分累积对养分异质性显示出等同的响应程度，但农作物显示出更高的根系觅食精度；(3) 养分异质性对植物生长参数的正效应会随研究周期的延长有明显的降低趋势。本研究对于理解植物适应养分异质性的生态策略多样性具有重要的理论意义，对农业生产中针对不同作物进行定向和适时的养分管理也具有较高的指导价值。