常绿阔叶林外生、内生菌根树种细根化学计量学性状对N添加的响应

范爱连,张礼宏,陈廷廷,陈宇辉,姜 琦,贾林巧,王 雪,陈光水,*

1 福建师范大学地理研究所, 福州 350007

2 福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室, 福州 350007

近几十年来,由于工农业发展和化石燃料的大量燃烧导致N沉降在全球范围增加[1],20世纪大气N沉降增加约4倍[2],预计到21世纪末全球N沉降速率还将增加2.5倍[3],这些含N化合物通过干湿沉降进入陆地生态系统并对其产生巨大影响[4]。在这一全球变化背景下,N沉降研究已成为国际上生态和环境研究的热点内容之一[5],模拟N沉降的N添加试验不断开展[6]。

细根作为植物吸收养分和水分的重要器官,是根系中最活跃和最敏感的部分[7],在生态系统C 和养分循环中起着重要作用[8]。细根化学计量学性状作为细根最重要的功能性状之一,对细根的代谢、分解、土壤微生物活性和土壤碳的输入起着关键作用[7,9]。传统细根研究通常将直径小于某一定值(一般≤2 mm)的根系作为整体进行研究。但以往实验表明,即使是细根,其化学元素含量,形态、功能、周转等都存在高度异质性[10- 11]。这是由于植物根系存在明显的分支结构,不同序级的细根在根系统中有不同的功能[12]。因此,系统研究不同序级细根化学计量学性状,对认识植物对养分资源的分配和利用,了解森林生态系统C和养分循环具有重要的意义。

目前,关于细根化学计量学性状对N添加的响应虽有一定研究,但大多基于径级定义的细根[13- 17],且其响应方向和强度存在很大的不确定性。如史顺增等[16]研究表明N添加降低了杉木(Cunninghamialanceolata)细根C浓度,但细根N浓度明显增加；而Kochsiek 等[18]发现,N添加后白云杉(Piceaglauca)细根C浓度升高。Li等[19]通过Meta分析发现N添加提高了细根N浓度,对细根C浓度无显著影响。但亦有研究表明N添加并未显著改变细根N浓度[15]。大多数研究发现N添加对细根P浓度影响不显著[13,15,20],但郭润泉等[17]发现N添加显著降低了杉木(C.lanceolata)0—1 mm直径的细根P浓度。相比较,目前基于序级的细根化学计量性状对N添加响应的研究较少。由于低级根根尖细胞分裂旺盛,代谢活跃,是吸收养分和水分的主要器官[21],因而低级细根对养分有效性的响应可能比高级根更明显。如于立忠等[22]研究发现施N肥显著增加日本落叶松(Larixkaempferi)土壤表层 1级根N浓度,对其余序级细根 N浓度、各序级细根C、P浓度无显著影响；苗宇等[23]研究表明施N肥对台湾桤木(Alnusformosana)各级细根全C含量影响不显著,但极显著增加了土壤表层1级细根及亚表层1、2级细根全N含量,而对3—5级细根全N含量影响不显著。Pregitzer等[24]对北美的9个树种研究表明,施N肥使其中的3个树种的1—3级细根的N浓度提高,而其余序级和其他树种细根N浓度则没有显著变化。

80%以上的陆地植物与真菌有共生关系,其中内生菌根(arbuscular mycorrhizas, AM)和外生菌根(ectomycorrhizas, ECM)是两类最主要的菌根类型[25]。热带树种的菌根类型以AM为主,而温带、寒带树种ECM较多[26]。尽管如此,不同类型的菌根树种可以共存于同一气候带和生态系统内[27]。亚热带地区典型地带性植被为常绿阔叶林,常绿阔叶林中不仅生长着AM树种,也生长着ECM树种。以往N添加试验大多选择单一菌根树种为研究对象,而不同菌根树种细根功能性状,特别是细根化学计量学性状对N添加的塑性响应有何差异目前仍不清楚。ECM 真菌与AM 真菌侵染根的方式明显不同[28],且已有研究表明,ECM 树种的根属性变异比AM 树种的小[29]。另外,AM真菌主要起到扩大土壤体积占有和养分吸收面积的作用,在土壤无机N养分斑块中AM真菌将迅速增殖,不但能够增大对N的吸收,而且可能同时扩大了对土壤P的吸收；而ECM 真菌因能产生水解酶、纤维素酶、蛋白酶等而可促进有机质的分解[30],在有机养分斑块中更占优势并促进ECM真菌的增殖,但在无机N有效性高的养分斑块中可能受到抑制[29]。因而AM和ECM 真菌对无机N斑块的不同响应可能影响细根对N、P的吸收,并导致细根化学计量学性状的差异。

为此,我们于2018年1月在福建省建瓯万木林自然保护区选择ECM树种罗浮栲(Castanopsisfaberi)和AM树种木荷(Schimasuperba)为研究对象,采用根序法开展N添加试验,研究不同根序以及不同菌根树种细根化学计量学性状对N添加的塑性响应。基于之前的文献分析,本文假设：(1)N添加对细根N浓度有显著促进作用,对细根C、P浓度影响不显著；(2)不同序级细根的化学计量学性状可能表现出不同的塑性响应,总体上低级根的塑性响应强于高级根；(3)AM树种木荷细根化学计量学性状对N添加的塑性响应高于ECM树种罗浮栲。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验样地位于福建省建瓯万木林保护区(27°02′—27°03′ N,118°02′—118°09′ E)。处于武夷山南侧,戴云山西北部,地貌类型为东南低山丘陵,地带性土壤为红壤和黄壤,植被类型为中亚热带常绿阔叶林。气候类型为中亚热带季风气候,年均温18.8℃,年均降雨量1673 mm,多集中在4—6月,相对湿度80%,无霜期277 d。

1.2 试验设计

本试验采用根袋法进行原位试验,共设置2个处理,分别为对照(CT),N添加处理(N),每个处理5个重复。于2018年1月开始布设根袋。根袋的布设方法为：在罗浮栲(C.faberi)、木荷(S.superba)群落选取5棵长势相近的目标树种(罗浮栲平均胸径为61.63 cm,木荷平均胸径为46.68 cm)；于土壤表层找到目标树种的根(直径约5 mm),剪除侧根后把长约20 cm的根段放入根袋中(根袋为30 cm×30 cm,60目的尼龙网袋,袋内土壤约重3 kg),并在根袋上铺一层60目尼龙网作为隔离层,并用枯枝落叶覆盖。布设根袋2个月后(长出新根),于2018年3月至2018年6月开始每月进行一次施N处理,N肥采用硝酸铵,添加量为土壤背景值(土壤无机N)的4倍,即罗浮栲和木荷每次施肥量为107.16 mg、188.28 mg。在无雨天移开尼龙网隔离层,用喷雾瓶将N肥均匀喷洒在添加N肥的根袋上,对照根袋喷洒等量的自来水。

1.3 根样获取与指标测定

于2018年7月开始收取根袋,将根袋取回实验室,从根袋中取出完整的根,根据Pregitzer 等[24]分级法对细根按根序进行分级。将分序级的细根样品放入65℃烘箱中烘干至恒重,用球磨仪将烘干后的细根磨碎,每个样品取8—10 mg用锡杯包样并记录重量,之后样品用元素分析仪(vario EL III Element Analyzer, Germany)测定1、2、3和4序级细根中C、N浓度；称取100 mg左右磨碎后细根样品用HClO4-H2SO4消煮脱硅定容到100 mL,静置24 h,取上清液,用连续流动分析仪(skalar san++, HOL)测定细根P浓度。

参考Valladares等[31]的方法,计算可塑性,即N可塑性响应(%)=(N处理-对照)/对照×100。

1.4 土壤取样与指标测定

在布设根袋时分别采集根袋附近表层0—10 cm土壤,测定土壤背景指标,所选样地罗浮栲和木荷表层土壤的理化性质如表1 所示。在收取根袋后,将根袋里的根取出,去除杂根后,将土壤混合均匀取样,测定其根袋土壤指标。土壤理化性质测定方法：pH采用电位法测定,水土比为2.5∶1；矿质N、速效磷和土壤全磷分别采用KCl浸提,M3浸提,HClO4-H2SO4消煮后,用连续流动分析仪(skalar san++, Skalar)测定。采用德国ELEMENTAR Varietal III元素分析仪测定土壤全C和全N。

表1 所选样地表层土壤基本理化性质(平均值±标准误)

1.5 数据分析

采用单因素方差分析检验N添加对根袋土壤理化性质的影响；采用混合线性模型检验树种、施N和序级对细根化学计量性状的影响,并用混合线性模型检验同一序级下施N和树种对细根化学计量性状的影响；采用Bonferroni检验比较同一序级下不同树种和处理组合间的差异；采用单因素方差分析检验比较同一序级不同树种细根化学计量性状差异、同一树种不同序级间细根化学计量性状对N的可塑性响应差异以及同一序级不同菌根树种细根化学计量性状对N添加的塑性响应差异。利用Excel 2003和SPSS 22.0软件对数据进行统计分析,将P=0.05、P=0.01作为显著性、极显著性水平标准,利用Origin 9.0软件制作相关图表。

2 结果与分析

2.1 N添加对不同菌根树种土壤理化性质的影响

由表2可知,N添加显著降低了罗浮栲、木荷根袋土壤的pH(P<0.05),显著增加了根袋土壤铵态N和硝态N的含量(P<0.05),但N添加对两种菌根树种土壤速效P含量均无显著影响(P>0.05)。且施N前后,罗浮栲根袋土壤铵态N含量均高于木荷根袋。

表2 根袋土壤理化性质(平均值±标准误)

2.2 N添加对不同菌根树种细根化学性状的影响

由表3可知,施N、根序对细根C浓度具有极显著的影响(P<0.01),而树种与根序的交互作用以及三者(树种、施N和根序)的交互作用对细根C浓度具有显著影响(P<0.05)。施N和树种的交互作用对3序级细根C浓度有显著影响(P<0.05)(图1)；但进一步进行两两比较发现,不同树种与处理组合间的差异不显著。而除3序级外,施N和树种的交互作用对不同根序细根C浓度影响不显著；但施N对细根2序级细根C浓度有极显著影响(P<0.01),对1、4序级有显著影响(P<0.05),1、2、4序级细根C浓度分别增加了14.8%、11.5%、10.8%；树种对1序级细根C浓度有显著影响(P<0.05),木荷比罗浮栲高17.1%。

由表3可知,施N和根序对细根N浓度具有极显著的影响(P<0.01),施N使细根N浓度提高了15.1%(图1)。根序、树种和根序的交互作用对细根P浓度具有极显著的影响(P<0.01),罗浮栲与木荷的细根P浓度在1序级存在显著性差异(P<0.05),在其他序级差异性不显著(P>0.05)(图1)。根序以及树种和根序的交互作用对细根C/N具有极显著的影响(P<0.01),罗浮栲与木荷C/N在1序级存在极显著性差异(P<0.01),在其他序级差异性不显著(P>0.05)(图1)。施N以及根序对细根N/P具有极显著的影响(P<0.01),施N使细根N/P提高了16.7%(图1)。

根序、树种和根序的交互作用对细根C/P具有极显著的影响(P<0.01),而三者(树种、施N和根序)的交互作用对细根C/P亦具有显著影响(P<0.05),而施N对细根C/P的影响亦达到边缘显著水平(P=0.055)(表3)。施N、树种及其交互作用对1序级细根C/P有显著影响(P<0.05)；与对照相比,罗浮栲施N处理1序级细根C/P显著提高。施N、树种及其交互作用对3序级细根C/P亦有显著影响；但进一步进行两两比较发现,不同树种与处理组合间的差异不显著(图1)。

表3 树种、施N和根序及其交互作用对细根化学计量性状影响

图1 不同菌根树种细根化学计量性状(平均值±标准误)

由图1还可以看出,随着根序级的增加,罗浮栲与木荷细根C浓度、C/N、C/P明显增加,N浓度与P浓度明显下降,而细根的N/P基本保持稳定。

2.3 不同菌根树种细根化学性状对N添加的塑性响应

由混合线性模型结果可知(表3),对于细根C浓度和C/P,树种、施N和根序三者的交互作用有显著影响,因此对细根C浓度以及细根C/P分树种和根序分别计算塑性响应值。结果表明罗浮栲以及木荷的细根C浓度以及细根C/P比对N添加的可塑性响应在各序级间差异性不显著(P>0.05),且不同菌根树种间,细根C浓度以及细根C/P比只有在3序级存在显著性差异(P<0.05)。

从表3可知,对于细根N浓度和N/P,只有施N的主效应显著,而其余含施N的交互作用项均不显著,故只对施N的主效应计算塑性响应值。结果表明,细根N浓度和N/P比对N添加的可塑性响应值分别为14.21%和14.79%(表4)。

表4 罗浮栲和木荷细根化学计量学性状对N添加的可塑性响应(平均值±标准误)

从表3可知,对于细根P浓度和C/N,含施N项影响均不显著,故对这两个指标不计算可塑性响应值。

3 讨论

3.1 细根化学计量学性状随根序变化规律

细根化学特征随根序的变化规律主要由植物的遗传因素决定,能在不同树种、不同气候类型中表现相似的变化规律。例如,Pregitzer 等[24]研究北美9个树种发现,位于分支根系末端的低级根具有直径细、N浓度高、C浓度低的特点,而高级根则相反。同样,许旸等[32]通过对海南岛4个热带阔叶树种前5级细根研究发现细根组织N浓度随着根序的升高而降低,组织C浓度整体上随着根序的升高而增加,而C/N随着根序的升高而增加。本研究中,罗浮栲和木荷对照与施N处理的细根N、P浓度随着序级的增加而明显降低,C浓度、C/N和C/P随着序级升高而增加(图1),这与前人的研究结果一致[32- 33]。从根系解剖结构上看,1序级作为根系统的最先端,主要由初生组织构成,其结构中主要的细胞类型为皮层细胞,随着根序的增加,皮层细胞的比例减少,木质部增加。随后,高级根皮层细胞消失,由次生组织构成,整体代谢低,但抵御胁迫能力强[34],具备较高养分运输功能[11],在形态构成上需要投入较高的C,因此高级根的C浓度相对较高。研究表明植物代谢旺盛的部位(如叶片、根尖等),其N、P浓度最高[35]。1序级作为整个根系中生理活动最旺盛的部分,根尖细胞分裂迅速,组织内酶和RNA投入高,对N、P需求较大,同时它位于整个根系的最先端,与土壤接触面积最大,承担着养分与水分的吸收作用,因此N、P浓度最高[36]。本研究中N/P随根序变化相对稳定,这与细根N、P浓度随根序表现出一致的趋势有关。

3.2 N添加对细根C、N、P浓度的影响

本研究结果显示,施N对细根C、N浓度有极显著的影响(P<0.01),对细根P浓度影响不显著(P>0.05,表3),部分支持假设一。本研究结果中施N后细根C浓度明显增加(图1),该结果与郭润泉等[17]研究发现高N添加后期显著提高了细根C浓度,陈冠陶等[33]研究中高N添加对扁刺栲(C.platyacantha)2、4和5序级细根C浓度有明显促进的结果相似。其原因可能与施N导致土壤pH显著降低有关(表2)。研究表明N添加引起的土壤酸化,会导致根外皮层细胞中大量的酚类物质沉淀,加速外层细胞的木质化或栓质化[37],导致细根C浓度升高。但也有研究发现不同的结果,如于立忠等[22]研究发现施N肥对日本落叶松(L.kaempferi)各级根序全碳浓度没有显著影响,苗宇等[23]通过对台湾桤木(A.formosana)细根的研究发现,施N后细根各序级根C浓度都一定程度降低,但影响不显著,而史顺增等[16]研究表明施N导致杉木(C.lanceolata)细根C浓度显著降低。这种差异一方面可能与不同树种的生长特性以及不同树种细根的C分配策略有关,另一方面可能与不同养分添加试验中土壤pH值和养分有效性的响应差异有关。

本研究中,施N显著提高了细根N浓度(P<0.01,表3,图1),该结果与已有研究结果相似[10,33]。土壤养分的有效性决定着细根养分的分配格局,N添加能迅速提高土壤 N 可利用性,从而使细根N吸收增加,并使N在细根组织中的浓度提高并暂时储存[38]。研究表明细根 N 浓度与其呼吸速率和寿命有密切关系,细根N 浓度的提高可能预示着更快的周转速率和更强的代谢过程[39],因此随着细根N浓度增加其寿命可能缩短,细根周转加快,以加速土壤碳N循环过程。

有研究表明,施N对各序级细根P 浓度的影响较小,但施磷肥能显著提高1序级细根P浓度[22,40]。本研究发现施N对细根P浓度影响不显著(表3),这与之前一些研究结果一致[22,40]。磷在土壤中易被固定,迁移性小,而亚热带土壤磷有效性极低,更易被固定[41],植物在无外源磷添加情况下,难以有效增加对磷的吸收,因而影响较小。

3.3 不同序级细根化学计量性状对N添加的响应差异

本研究中,细根化学计量性状对N添加的响应在各序级间差异不显著(P>0.05,表3、表4),因而拒绝假设二。具体而言,施N使细根1、2、4序级细根C浓度分别增加了14.8%、11.5%、10.8%,但各序级间差异并不显著(P>0.05)。其原因可能是施N后对不同序级细根的木质化或栓质化或酚类物质的沉积的促进作用程度相似,含C量较高的单宁酸、木质素、纤维素在各级细根中都积累。施N对各序级细根N浓度均有极显著影响(P<0.01),但各序级对N添加的响应无显著性差异(P>0.05)。该结果与Guo等[10]对长叶松(Pinuspalustris)的研究结果相似,他们发现施N肥均提高了1—5级细根的N浓度,但不同序级N浓度的相对变化没有显著差异。本研究中所有序级细根N浓度对施N肥均表现较强的正塑性响应,这可能与两个树种对N素均具有强烈需求有关。在施N后细根对N迅速吸收,并在各序级得以累积,因而导致各序级细根N浓度对N添加的响应差异不显著。C、N 均大部分被作为构建元素,具有较稳定的 C、N化学计量学关系[36],本研究施N导致各序级细根C浓度(3序级除外)、N浓度都增加,从而维持一个较稳定的C/N,这可能也是各序级C/N比对N添加的响应差异不显著的原因之一。对于细根N/P比和C/P比,由于细根C、N浓度对N添加的响应在各序级间差异性不显著(P>0.05),而施N对细根P浓度无显著影响(P>0.05),因而各序级细根N/P比和C/P比对N添加的响应差异不显著。

此外,施N的持续时间可能也会对实验结果产生影响。如郭润泉等[17]发现,高N添加对0—1 mm径级细根C、N、P浓度的影响因不同取样时间而异,高N添加第一年显著降低了细根C浓度,增加了细根N浓度,但对细根P浓度无影响,而第二年显著增加了细根C浓度,细根P浓度显著降低。目前,不同施N持续时间对不同序级细根化学计量学性状的影响的研究较为少见,但Chen等[42]通过对苦竹(Pleioblastusamarus)为期7年的N添加研究发现,施N处理和根序无交互作用,且(1+2)、3、4、5级根对N添加的响应方向相同。本研究为短期N添加试验,不同序级细根化学计量性状对长期N添加的响应是否存在差异,有待进一步验证。

3.4 不同菌根树种细根化学计量性状对N添加的塑性响应差异

除3级根的C浓度和C/P对N添加的塑性响应在两树种间存在差异外,本研究表明ECM树种罗浮栲与AM树种木荷细根化学计量学性状对N添加的塑性响应差异不显著(P>0.05),因而拒绝假设三。Pregitzer等[24]对北美的9个树种(其中6个ECM树种,3个AM)的研究也表明,施N肥后仅在一个AM树种和两个ECM树种的1—3序级细根的N浓度表现出显著的促进作用；ECM和AM树种之间细根N浓度的响应并没有表现出系统性的差异。这表明菌根类型可能不是施N后细根化学计量学性状响应差异的关键因素。相反,立地的土壤N有效性和施肥前的细根养分浓度可能是影响细根化学计量学性状响应差异的重要因素[10]。本研究施N肥前罗浮栲和木荷细根N浓度并没有显著差异(图1),这可能是施N肥后细根N浓度的响应在两个树种间没有表现出差异的重要原因。另外,由于施N肥对两个树种的细根P浓度均无显著影响(表3),故而两树种间在细根P浓度的响应上没有表现出显著差异。本研究中对不同菌根类型树种仅各选择1种进行研究,尚不能充分体现外生菌根树种与内生菌根树种的差异,今后应扩大树种的研究范围。另外,施N后菌根菌的变化对于土壤养分的获取具有重要的影响,今后的研究应结合菌根侵染率和菌丝增殖的数据来进一步分析细根化学计量学性状的变化。

4 结论

通过对亚热带常绿阔叶林两种不同菌根类型树种进行N添加发现根序对细根化学计量学性状有显著影响,随着根序的增加,罗浮栲与木荷细根C浓度、C/N、C/P明显增加,N浓度与P浓度明显下降；N添加对细根C、N浓度有极显著的促进作用,但对细根P浓度影响不显著,从而导致细根C/P和N/P增加；低序级与高序级细根化学计量学性状对N添加的塑性响应无显著差异；外生菌根树种罗浮栲和内生菌根树种木荷细根化学计量学性状对N添加的塑性响应无显著差异。由于细根化学计量特征可能只能部分反映养分获取动态,今后应将细根化学计量学性状与细根形态、解剖结构、细根生理等结合起来,全面阐明细根养分获取机制。