水杉人工林细根和粗根碳氮磷计量特征对N 添加的响应

问宇翔，冯坤乔，童 冉，吴统贵＊，王高峰

(1. 中国林业科学研究院亚热带林业研究所华东沿海防护林生态系统国家定位观测研究站，浙江 杭州 311400；2. 江苏省东台市林场，江苏 东台 224200；3. 美国克莱姆森大学林业与环境保护系，南卡罗来纳州 克莱姆森 29634-0317)

人类活动产生的氮（N）排放引起大气N 沉降持续增加，已经成为全球性的环境问题。近30 年来，我国N 沉降总量持续增加[1]，尽管近10 年来增加趋势有所缓和，仍成为除欧洲和北美之外的第三大沉降区[2]。东部沿海地区是我国N 沉降最严重的区域之一，N 沉降速率均值已超过50 kg·hm−2·a−1[2]。大量含N 化合物通过湿沉降和干沉降的形式降落到陆地表面，对森林生态系统养分循环产生巨大而深远的影响[3-4]。

根系在植物生态系统中扮演着不可或缺的角色，其化学计量特征是植物重要的功能性状之一，对认识植物对环境变化的适应策略具有重要作用[5-7]。通常情况下，直径小于2 mm 的根被视作细根，直径大于2 mm 的根被视为粗根[8-11]。以往的研究表明，细根与粗根在植物地下系统中行使着不同的功能，其化学计量特征、形态、周转等都存在高度异质性[9,12-14]。

N 沉降通过影响土壤N 养分有效性间接改变了植物的养分限制[15-16]，进一步对植物地上与地下部分以及不同组分的光合产物和N、磷（P）元素分配格局产生影响[17-19]，可能导致细根与粗根间碳（C）、N、P 计量特征对N 添加响应产生差异，但目前这方面的研究相对较少，且结论也存在差异[20-21]。前期研究发现，N 添加显著增加油松（Pinus tabuliformisCarr.）细根N 含量，对粗根N 含量无显著影响[20]；对榆树（Ulmus pumilaL.）的研究则发现，N 添加均显著增加细根和粗根N 含量[4]。细根是根系吸收土壤水分和养分最活跃的部分，其根尖细胞分裂旺盛，代谢活跃[21]，而粗根对土壤水分、养分供应的变化相对不敏感。

水杉（Metasequoia glyptostroboidesHu et W. C. Cheng）是杉科（Taxodiaceae）速生落叶树种，具有涵养水源、改善土壤性质的功效，是我国东部泥质海岸防护林的主要树种之一。在作者之前的研究中，N 沉降试验集中于水杉地上部分的影响，未曾展开对地下部分的研究[22]。为此，本研究以N 沉降严重的区域东部沿海主要造林树种水杉为研究对象，进行N 添加试验，分析水杉不同径级根系C、N、P 计量特征对N 添加的可塑性响应，揭示不同N 添加量下细根和粗根N、P 养分分配格局的变化，为科学认识水杉对N 沉降的适应策略提供参考。

1 研究区概况

试验地位于江苏省东台市林场（120°07′～120°53′ E，32°33′～32°57′ N），属亚热带和暖温带的过渡区，热量充裕，雨量充沛。年平均气温14.6 ℃，年平均相对湿度88.3%，年蒸发量 911.9 mm，年均无霜期220 d，年日照时数2 209 h，年均降水量1 050 mm。土壤质地为砂质壤土。该林场总面积约2 867 hm2，森林覆盖率为86%，主要树种为水杉、I-72 杨树（Populus euramericanacv.I-72）等。水杉人工林样地基本情况见表1。

表1 水杉人工林样地基本情况（2014 年）Table 1 The basic situation ofM. glyptostroboidesplantations plot (in 2014)

2 研究方法

2.1 试验设计

2014 年，在试验区分别选取立地条件和经营水平一致的6 年生水杉人工林，建立3 个300 m ×100 m 的样地，并在每个样地中建立4 个20 m ×30 m 的样方，样方间间隔超过10 m，采用完全随机区组设计，设计4 个N 添加处理，每个处理3 个重复，共计12 个试验小区。参照研究区域大气N 沉降量[2]，以及同类研究通用的施N 量成倍增加的方法[3]，设置4 个N 添加处理：对照（CK，0 kg·hm−2·a−1）、低N（LN，56 kg·hm−2·a−1）、中N（MN，168 kg·hm−2·a−1）、高N（HN，280 kg·hm−2·a−1）。2015 年，按 照N 含 量 折 算 后 的CO(NH2)2，分两次在水杉样方内撒施，第1 次在3 月底至4 月初，添加总量的60%，第2 次在6 月中旬，添加总量的40%，此后每年均按照2015 的施肥方式持续施肥及样地监测。各处理水杉人工林的生长情况见表2。

表2 各处理水杉人工林的胸径（2015 年）和胸径生长量（2015—2019 年）Table 2 DBH in 2015 and DBH growth in four years of theM. glyptostroboidesplantations of various treatments

2.2 根系和土壤的采集和测定

2018 年9 月下旬，调查样地内每株树木的胸径，计算平均胸径，在每个样方均选取3 株接近于平均胸径的树木作为标准木。在3 株标准木1.5 m范围内刮去地表异物，在树干基部找到从基部延伸出的侧根，将整条侧根从土壤中挖出，清除根表面的土壤和杂质（其余标准木均按此方式获取根系），并将挖取的侧根混合装进贴有标签的封口袋中并标号，放入保温箱（4 ℃）带回实验室（取样中尽量避免末端低级根的损失，以保证根系构型的完整性），用蒸馏水轻轻将根系表面附着物洗去。根据根系的颜色和外形（死根黑色且干瘪）等区分出活死根，直径<2 mm 的根视为细根，2 mm≤直径≤5 mm 的根视为粗根，并分别用滤纸包好标记后将其置于烘箱内，105 ℃杀青1.5 h 后，70 ℃烘干至恒质量（约48 h），打磨粉碎。然后将植物细根和粗根分别过0.25 mm 筛，选取均匀样品后放入干燥器中保存，供养分含量测定。

在地下树木根系收获完成后，在每个样地内，以S 型选取5 个点，去除地面枯枝落叶层，使用内径3.8 cm 的土钻，钻取0～20 cm 土壤充分混合均匀后过2 mm 筛，去除植物残根和石块，带回实验室用于后续养分含量测定。

细根和粗根C 含量和土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定，细根和粗根N 含量和土壤全氮含量采用半微量凯氏定N 法测定，土壤水解氮含量采用KCl 溶液浸提比色法测定，细根和粗根P 含量和土壤全磷含量采用钼锑钪比色法测定，土壤有效磷含量采用碳酸氢钠浸提法测定[23]。

2.3 数据处理

参考Valladares 等[24]的方法，计算细根和粗根C、N、P 化学计量特征的可塑性响应指数，即可塑性响应（%）=∣ (N处理−对照)/对照×100%∣。

试验数据在Microsoft Excel 2019 和Origin 2018 软件中进行整理和图表制作。采用单因素（One-way ANOVA）方差分析，分析各处理间土壤C、N、P 含量、细根和粗根C、N、P 计量特征以及其可塑性响应的差异、相同处理细根和粗根间C、N、P 计量特征以及其可塑性响应的差异，以上分析皆在SPSS 23.0 统计软件中进行。

3 结果与分析

3.1 N 添加对水杉人工林土壤化学性质的影响

由表3 可知，N 添加对水杉人工林土壤中不同存在形式的N 的影响存在差异，且N 添加量不同，产生的影响程度也不同。随着N 添加量的增加，土壤有机碳含量呈现先增加后下降的趋势，且在MN 处理达到最高，增幅达到38.29%，LN 和HN 处理与CK 处理间无显著差异。N 添加在一定程度上提高了土壤全氮含量（P>0.05），在不同施N 浓度中，土壤全氮含量增幅分别为7.78%、16.86%和15.06%，但与对照相比无显著差异（P>0.05）。然而，土壤水解氮含量随N 添加量的增加先迅速上升后平稳增加，与对照相比，在MN、HN 处理下差异显著（P<0.05），各N 处理下土壤水解氮含量增幅分别为29.12%、56.76%和60.99%。N 添加对土壤全磷含量、有效磷含量和pH 值均无显著影响（P>0.05）。

表3 不同N 添加量对土壤pH 值和养分含量的影响Table 3 Effect of N addition on the soil pH and C, N, P concentrations

试验结果表明，N 添加对水杉人工林土壤有机碳和水解氮含量存在明显促进作用，且随着N 添加量增加，这种促进作用有所减弱。

3.2 N 添加对水杉细根和粗根C、N、P 计量特征的影响

随着N 添加量的增加，水杉细根C 含量无明显变化（图1a，p>0.05），粗根C 含量呈现增加趋势（P>0.05），仅在MN 处理下C 含量显著高于CK 和LN 处理，表明C 作为植物的结构性物质，对N 添加的响应较低。N 添加明显促进了细根和粗根的N 含量（图1b，P<0.05），然而细根N含量在MN 和HN 处理间无显著差异，粗根N 含量在各N 添加量间均存在显著差异，说明了低中N添加量下细根和粗根N 含量对N 添加的响应基本一致，然而高N 添加量下，细根对N 添加的响应减弱，水杉吸收的N 元素更多地储存于粗根中。此外，N 添加显著降低了细根和粗根的C:N（图2a，P<0.05），细根C:N 的降幅为30.8%、35.2%和37.4%，粗根C:N 的降幅为36.9%、39.7%和46.7%；N 添加显著提高了细根和粗根的N:P（图2b，P<0.05），各N 添加量下粗根N:P 分别是CK 处理的1.90、5.18 和5.77 倍，细根N:P 分别是CK 处理的2.13、4.29 和4.59 倍，反映了由于水杉对N 元素分配机制的变化，细根C:N 和N:P 在高N 添加量下同样对N 添加的响应减弱。随着N 添加量的增加，细根和粗根P 含量显著降低（图1c，P<0.05），C:P 显著增加（图2c，P<0.05），且细根和粗根的P 含量和C:P 在MN 和HN 处理间均无显著差异。

注：不同大写字母为相同径级根系不同处理间差异显著；不同小写字母为相同处理内不同径级根系间差异显著（P<0.05）。下同。Note: Different capital letters indicate significant differences in various treatments of same root at 0. 05 level. Different lowercase letters indicate significant differences in different roots of the same treatment at 0. 05 level. The same below.

图2 不同N 添加量对水杉细根与粗根的C、N、P 计量比的影响Fig. 2 Effect of N addition on C, N, P stoichiometric ratios of fine and coarse roots inM. glyptostroboides

3.3 水杉细根和粗根C、N、P 计量特征对N 添加的可塑性响应

随着N 添加量的增加，除了C:N，水杉细根和粗根C、N、P 化学计量特征可塑性响应均显著增加（图3，P<0.05），MN 和HN 处理下N 含量、P 含量、C:P 和N:P 可塑性响应显著高于LN处理，且MN 和HN 处理间无显著差异，说明N添加促进了根系对N 元素的吸收，相对降低了P 元素的吸收，且随着N 添加量的增加，N、P 元素计量特征变化趋缓。粗根N 含量和C:N 可塑性响应在HN 处理下显著高于细根，粗根N:P 可塑性响应在MN 和HN 处理下均显著高于细根，然而N 添加对细根与粗根间P 含量和C:P 的可塑性响应均无显著影响，同样表明高N 添加量下水杉N 元素分配格局发生了变化。

图3 水杉细根和粗根C、N、P 计量特征对N 添加的可塑性响应Fig. 3 Plastic response to nitrogen addition of fine and coarse roots stoichiometric characteristics ofM. glyptostroboides

4 讨论

4.1 水杉人工林养分限制状况

土壤是树木生长的基础，是树木生长发育所需N、P、K 和微量元素等矿质养分的主要供给者。其中N 和P 被认为限制树木生长的主要元素[25]，研究表明，外源元素添加能够提高土壤中树木所需元素含量，进而缓解营养元素对树木生长的限制作用[26]。在前期研究中，Wang 等[27]通过化学计量内稳性理论证实了研究地水杉林生长受到N 限制。N 元素参与植物能量代谢、呼吸作用、光合作用以及碳水化合物的运输等生理生化过程，并在植物生长的初级阶段对营养生长有着更加明显的促进作用。在本研究中，N 添加显著提高了土壤水解氮含量 ，土壤水解氮含量由49.05 mg·kg−1提升到78.90 mg·kg−1，同时，N 添加显著促进了水杉胸径生长，胸径生长量由4.90 cm 提升到6.99 cm。因此，N 添加后水杉林的N 限制状况得到有效缓解，进一步促进了其生长发育。王建宇等[28]研究指出，低水平N 添加会促进乔木快速生长，但高水平N 添加会减弱对乔木生长的促进作用，这与本研究的研究结果一致，幼龄水杉生长随N 添加量的增加呈现先增加后下降的趋势，在MN 处理达到最快。这种结果的产生可能是高水平N 添加容易引起树木对N 元素的过量吸收[29-30]，导致树木内部C、N、P 化学计量的不平衡（尤其是N 和P 元素间的不平衡），从而产生其它元素的匮缺，最终抑制树木生长。

4.2 N 添加对水杉细根和粗根化学计量性状的影响

在本研究中，与其它元素相比，N 添加对水杉细根、粗根C 含量的影响较弱，与C 元素作为植物的结构性元素，具有相对稳定性有关[31]。N 添加显著增加了细根、粗根N 含量、C:P、N:P，显著降低了P 含量、C:N。N 添加显著提高植物细根和粗根中N 含量，进而导致植物细根和粗根C:N 下降和N:P 上升，这与Yue 研究发现N 沉降对陆地生态系统C:N:P 的全球数据整合分析结果相一致[32]。N 添加显著促进了土壤N 可利用性[33]，对根系N 含量的增加产生促进作用[34]，进一步导致C:N 下降和N:P 上升。本研究中N 添加下土壤水解氮含量的提高引起细根和粗根N 含量的上升和P 含量的相对下降，这与郭润泉等[30]的研究结果相一致，即N 添加增加了树木对N 的吸收，而相对减少了树木对P 的吸收。同时，N 添加促进水杉生长而产生的稀释作用使根系中P 浓度相对降低[34-35]。

4.3 水杉细根和粗根化学计量性状对N 添加的可塑性响应

根系的生长、呼吸、养分吸收与同化、有机质分泌会消耗大量的碳水化合物[36]。细根较于粗根在植物的营养吸收过程中起到关键性作用[37]，因此植物会将养分大量分配给细根以完成自身生长发育和植物养分供应[38]。研究表明，细根是植物对外界生存环境变化响应最为敏感的地下器官[39]。然而，本研究发现水杉粗根N 计量特征对N 添加的可塑性响应比细根更强。

在本研究中，LN 和MN 处理下细根和粗根N 含量对N 添加的响应基本一致，然而HN 下，细根对N 添加的响应减弱。根据最优分配假说：在养分限制情况下，树木优先将养分分配给获取限制性资源的器官；而当限制性资源增加时，树木降低吸收该资源器官的养分分配比率，并提高其它器官养分分配比率[40-41]。在这种养分分配机制下，受N 限制的水杉细根可能会将限制性N 养分储存于自身维持化学计量的稳态并促进自身生长以获取植物缺少的养分（表现为细根的N 含量显著高于粗根N 含量）。当低水平外源N 添加缓解了林分内N 限制，树木会将N 元素选择性地优先供给地上部分（叶片）促进树木地上部分生长，而当外源N 添加水平过高时，N 元素会积聚于储存器官（粗根）中。因此，粗根N 含量、C:N、N:P 的可塑性响应在低N 处理下与细根无显著差异，而在高N 处理下显著高于细根[4]，反映了树木面对养分胁迫环境所作出的适应性策略，具体表现为树木通过将胁迫元素更多地积聚于储存器官（粗根）中，维持细根N、P 元素平衡，保证其吸收功能不受影响。N 添加显著降低了细根和粗根P 含量，显著增加了C:P，且细根和粗根的P 含量和C:P 在MN 和HN 处理间均无显著差异，此外，水杉细根与粗根间的P 含量（C:P）的可塑性响应在N 添加下均无显著差异，表明N 添加下，树木并未改变P 元素在细根和粗根间的分配。这种结果可能是由于水杉本身并不受到P 限制，根系中的P 元素的变化更多地与树木营养生长的需求相关[27]。

5 结论

水杉人工林细根和粗根C、N、P 计量特征对N 添加的响应较为一致。较细根而言，粗根C、N、P 计量特征对N 添加的可塑性响应更强，表现为粗根N 含量、C:N、N:P 的可塑性响应在HN 处理下显著高于细根。细根和粗根 N:P 随N 添加量的增加而增加，表明中低水平的N 添加缓解了研究地水杉人工林的N 限制，而高水平N 添加可能引起水杉林P 限制，表现在水杉胸径生长量呈现先增加后下降的趋势。研究结果为认识大气N 沉降持续增加背景下林木地下部分养分分配策略提供新的思路，也为东部沿海地区水杉人工林养分管理措施的制定提供科学依据。