急尖长苞冷杉幼苗根系特征对海拔、林龄及土壤因子的响应*

张新生，周晨霓，卢杰，张萌

(1.西藏农牧学院高原生态研究所，西藏 林芝 860000；2.西藏高原森林生态教育部重点实验室，西藏 林芝 860000；3.西藏林芝高山森林生态系统国家野外科学观测研究站，西藏 林芝 860000；4.西藏自治区高寒植被生态安全重点实验室，西藏 林芝 86000)

幼苗阶段是植物生活史中生长最脆弱、对环境反应最敏感的时期，也是个体变化情况比成年个体时期变化更为明显的时期，该阶段根系的形态和生长情况反映了幼苗的生存能力和对环境的适应能力[1-3]。由于在不同尺度上环境因子具有空间异质性，幼苗根系生长在很大程度上受地形、气候和土壤等环境因子的影响，并在时空上具有一定的异质性，同时对环境因子的响应具有可塑性[4-6]。有研究在分析幼苗根系生长与环境因子的关系时发现，与其他因子相比，根系生长的差异更多地体现在由于生境条件和林龄的不同所导致的根系形态和功能性状的差异[7-8]。有学者采用根序分类和径级分类的方法研究秦岭北坡2 a生油松(Pinustabuliformis)幼苗[9]和黄土高原地区1～3 a生辽东栎(Quercusliaotungensis)幼苗根系的生长特征和形态[10]，但这些研究普遍关注的焦点是较低龄级的幼苗(3 a 生以下)，对于更高且更多连续龄级的幼苗根系生长特征的研究还比较缺乏，且对于青藏高原这一全球变化敏感区内的优势树种幼苗根系特征相关研究更是几乎空白。

急尖长苞冷杉(Abiesgeorgeivar.smithii)是西藏东南部色季拉山天然暗针叶林优势种群，具有涵养水源、保持水土等生态功能，并在青藏高原生态安全屏障作用的发挥方面具有极高的生态价值[11]。要维护该区域森林生态系统的健康平衡，其幼苗的更新和生长发育则显得尤为重要，而幼苗根系的定植和生长则是决定这一过程的关键所在[12]。因此，为了探讨影响藏东南急尖长苞冷杉幼苗根系生长的关键因素，本研究选择1～10 a生连续龄级的冷杉幼苗为研究对象，从6个海拔梯度(3 800、3 900、4 100、4 200、4 300 m)和5个龄级(1～2、3～4、5～6、7～8、9～10 a)探索冷杉幼苗根系生长与细根形态随海拔、龄级的变化特征，并采用冗余分析(redundancy analysis,RDA)确定影响急尖长苞冷杉幼苗根系生长与细根形态的主要土壤因子，为揭示急尖长苞冷杉幼苗对高寒亚高山生境的适应策略和该种群健康可持续发展以及林分更新提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

西藏色季拉山位于西藏自治区林芝市境内，靠近雅鲁藏布江的分支(尼洋河流域)，是念青唐古拉山脉的一部分[13]。山脉海拔在2 100～5 300 m之间，因其地理位置，气候分为干湿两季，有山地暖温带和温带气候的特征；年平均气温约为6.5 ℃，全年平均气温在-13.98 ℃至9.23 ℃之间；降水量超过1 000 mm，主要在6—9月降雨，占总降水量的80%；无霜期长达6个月，总日照时数长达1 151 h；湿度在60%～80%之间[14]。色季拉山生物多样性丰富，森林覆盖率高，地带性森林植被是以亚高山暗针叶林为优势种和建群种的群落类型。主要森林植被类型为山地温带暗针叶林，以急尖长苞冷杉为建群种，并有林芝云杉(Picealikiangensisvar.linzhiensis)林、林芝云杉与急尖长苞冷杉混交林以及急尖长苞冷杉与方枝柏(Sabinasaltuaria)的混交林等[15]。

1.2 样方设置与调查

在色季拉山阳坡海拔3 800～4 400 m范围内布设样带，每100 m海拔设置1个大样地，并在大样地内设置3个20 m×20 m的小样地，为防止幼苗采样重复，保证各样地之间不相连，共计18个小样地。6个海拔大样地基本信息见表1。

表1 大样地基本信息

1.3 根系样品采集与测定

于2021年冷杉生长季(7月底)开展样品采集工作，具体步骤和方法如下：在每个20 m×20 m样地中选取1～2、3～4、5～6、7～8、9～10 a生幼苗各3～5株，整株挖出，做好标记；在苗龄较大的幼苗挖掘过程中，利用小铲、毛刷等工具顺着侧根延伸方向轻拨根系，直至挖掘到根系末级，尽量避免临近其他植株根系干扰和幼苗损伤带来的测量误差。苗龄通过枝条颜色、皮孔、芽鳞痕来确定[16]。将采集冷杉幼苗从其基部切下，分为地上、地下两部分。地上部分分别使用卷尺和游标卡尺测量株高、地径。轻轻抖去粘在根系上的土壤，再用蒸馏水冲去根表面黏附的土壤，平铺在干净滤纸上，吸去多余水分后待测。通过“Win RHIZO根系分析系统”测量根系水平长度、垂直长度(根系水平长度即根系在自然状态下侧根从左至右延伸的水平距离，根系垂直长度即根系在自然状态下在土壤中向下延伸的长度)、细根表面积与体积、细根平均长度与平均直径、比根长和组织密度。随后将根径<2 mm的细根用剪刀与主根进行分离(根据根系图像分析系统软件分析发现，除幼苗主根外，所有1～10 a生冷杉幼苗侧根根径均小于2 mm，均可视为细根)；将分离后的细根装入信封，放入80 ℃烘箱内烘干至恒重，记录干重(g)。相关指标计算公式如下。

比根长(cm/g)= 根总长/根生物量；

比根表面积(cm2/g)= 根总表面积/根生物量；

根组织密度(g /cm3)= 根生物量/根体积；

根干物质含量(g/g)=根干重/根鲜重。

1.4 土壤样品采集与测定

1.5 数据分析

采用Excel 2013和SPSS 26.0进行统计分析(均值±标准差)。(1)Kolmogo rov-Smirnov检验方差正态性(P=0.05)，Levene’s text检验方差齐性(P<0.05)；(2)使用双因素方差分析林龄、海拔对冷杉幼苗根系的影响并进行Tukey HSD检验；(3)用线性回归的方法，确定林龄与冷杉幼苗根系生长及细根形态的线性关系。所有描述参数变化的图表均使用Origin 2021(Originlab,Northampton,Massachusetts,USA)生成。此外，运用Canoco 5.0软件进行沉余分析(RDA)，研究土壤因素与幼苗根系生长及细根形态之间的相关性[23]。

2 结果与分析

2.1 不同海拔急尖长苞冷杉幼苗根系生长特征随林龄的变化规律

由图1可知，不同海拔同一龄级幼苗根系除3～4 a生幼苗水平根长在海拔梯度上具有显著差异(P<0.05)外，其它龄级幼苗水平根长在海拔梯度上均无显著差异(P>0.05)；同一龄级幼苗垂直根长在海拔梯度上没有显著差异(P>0.05)。同一海拔不同龄级幼苗根系除4 100 m处各龄级水平根长无显著差异(P>0.05)外，其余海拔各龄级间水平根长均差异显著(P<0.05)；各龄级幼苗垂直根长除在4 300 m处无显著差异(P>0.05)外，其余海拔各龄级间垂直根长均差异显著(P<0.05)。此外，双因素方差分析结果显示(表2)：林龄对冷杉幼苗水平及垂直根长有极显著影响(P<0.001)，但海拔只对冷杉幼苗垂直根长有显著影响(P<0.05)；林龄与海拔的交互作用对冷杉幼苗水平与垂直根长均无显著影响(P>0.05)。

对林龄与冷杉幼苗根系生长的关系进一步进行回归分析(表3)，结果发现，不同海拔水平及垂直根长都随林龄的增加呈线性增长趋势，且回归方程拟合度较高，水平根长与林龄的拟合度最高在4 200 m(R2=0.652)，最低在3 900 m(R2=0.348)；垂直根长与林龄的拟合度最高在3 800 m(R2=0.819)，最低在4 300 m(R2=0.425)；在不同海拔，冷杉幼苗水平及垂直根长均与林龄有显著相关性(P<0.05)。此外，同一海拔水平根长回归方程斜率均大于垂直根长回归方程斜率，表明冷杉幼苗随着林龄增大，水平根长的生长速率大于垂直根长的生长速率。

图1 不同海拔幼苗根系生长随龄级的变化

表2 林龄、海拔对幼苗根系特征的交互影响

表3 不同海拔幼苗根系生长指标与林龄的线性回归分析

2.2 不同海拔急尖长苞冷杉幼苗细根形态特征随林龄的变化

由图2A可知，不同海拔同一龄级幼苗除3～4 a生和5～6 a生幼苗比根长在海拔梯度间具有显著差异外(P<0.05)，其余3个龄级幼苗比根长在海拔梯度间无显著差异(P>0.05)；除3～4 a生幼苗比根表面积在海拔梯度上差异显著外(P<0.05)，其余4个龄级幼苗比根表面积在海拔梯度间无显著差异(P>0.05)(图2B)。由图2C可知，不同海拔同一龄级幼苗除5～6 a生幼苗根组织密度在海拔梯度上无显著差异性(P>0.05)外，其它4个龄级幼苗根组织密度在海拔梯度上均差异显著(P<0.05)，但根干物质含量与根组织密度的结果相反，除5～6 a生幼苗根干物质含量在海拔梯度上具有显著差异(P<0.05)外，另外4个龄级幼苗根干物质含量在海拔梯度上无显著差异(P>0.05)(图2D)。

同一海拔不同龄级幼苗比根长、比根表面积及根组织密度均在龄级间有显著差异(P<0.05)，其中，7～8 a生和9～10 a生幼苗比根长、比根表面积小于1～2 a生与3～4 a生幼苗比根长、比根表面积(图2A、图2B)；7～8 a生和9～10 a生幼苗根组织密度大于1～2 a生与3～4 a生幼苗根组织密度(图2C)；冷杉幼苗根干物质含量除3 900 m、4 000 m以及4 100 m海拔处在龄级间具有显著差异(P<0.05)外，在其余3个海拔幼苗根干物质含量均无显著差异(P>0.05)(图2D)。此外，双因素方差分析结果显示(表2)：林龄对冷杉幼苗比根长、比根表面积、根组织密度及根干物质含量均有极显著影响(P<0.001)，但海拔只对冷杉幼苗根组织密度有极显著影响(P<0.001)；林龄与海拔的交互作用对冷杉幼苗比根长、比根表面积及根组织密度有显著影响(P<0.001，P<0.05，P<0.001)，但对冷杉幼苗根干物质含量无显著影响(P>0.05)。

图2 不同海拔幼苗根系形态随林龄的变化

对林龄与冷杉幼苗细根形态特征的关系进一步进行回归分析(表4)，结果发现，不同海拔比根长(斜率：-887.48～-337.16)、比根表面积(斜率：-77.11～-36.13)都随林龄的增加呈线性减小趋势，且回归方程拟合度较高。比根长与林龄的拟合度最高在4 000 m(R2=0.647)，最低在4 300 m(R2=0.343)；比根表面积与林龄的拟合度最高在3 900 m(R2=0.817)，最低在4 300 m(R2=0.307)；在不同海拔，冷杉幼苗比根长、比根表面积均与林龄有显著相关性(P<0.05)。与比根长、比根表面积结果不同，根组织密度(斜率：0.069～0.185)、根干物质含量(斜率：0.041～0.062)都随林龄的增加呈线性增长趋势，根组织密度与林龄的回归方程拟合度最高在4 100 m(R2=0.837)，最低在3 900 m(R2=0.624)，根干物质含量与林龄的回归方程拟合度最高在3 900 m(R2=0.561)，最低在4 300 m(R2=0.316)。

表4 不同海拔幼苗细根形态指标与林龄的线性回归分析

2.3 急尖长苞冷杉幼苗根系生长及细根形态特征与土壤因子的关系

2.3.1 幼苗根系生长与土壤环境因子的RDA分析

冗余分析(RDA)结果表明(表5)，在特征值、物种与环境因子相关性2个方面，水平根长与垂直根长排序轴1均大于轴2，轴1与轴2的物种-环境关系累积百分比为87.17%、74.26%%，表明根系生长与土壤因子有很高的相关性，可以反映出主导因子对幼苗根系生长的影响程度。12种土壤因子中TK、AP对冷杉幼苗HRL贡献值最大且有显著相关性(P<0.05)，说明全钾、速效磷是影响不同龄级冷杉幼苗水平生长的主要土壤因子(表6)；全钾、溶解性有机碳对冷杉幼苗VRL贡献值最大且有显著相关性(P<0.05)，全钾、溶解性有机碳是影响不同龄级冷杉幼苗根系垂直生长的主要环境因子。

表5 根系生长与土壤因子RDA分析结果

表6 土壤因子对根系生长的贡献值与P值

冗余分析(RDA)排序图(图3)清晰地展示了不同龄级幼苗根系生长与土壤因子的相关性。VRL1、VRL2、HRL1位于排序图的左上角，与其相关的土壤因子主要为全磷，呈正相关，但与速效钾、铵态氮呈负相关；HRL2、HRL3、HRL4、VRL3及VRL4位于RDA 轴1左端，速效磷、土壤含水量以及颗粒有机碳是影响这几个龄级根系生长的主要土壤因子；HRL5、VRL5位于RDA轴2下端，铵态氮、全钾与其相关性最大，呈正相关，与全磷呈负相关。

2.3.2 幼苗细根形态与土壤因子的RDA分析

由表7可知,4种细根形态的特征值轴1均大于轴2，但在物种-环境因子相关性方面，只有比根长的轴1大于轴2，而比根表面积、根组织密度及根干物质含量的轴1小于轴2；两轴的物种-环境关系累计百分比分别为95.56%、88.35%、80.91%以及84.48%，4种功能性状物种-环境关系累计百分比均大于80%，这表示前两轴物种与环境因子有很高的相关性，很好地反映了土壤因子对不同龄级冷杉幼苗细根形态的影响程度。

由表8得知，12种土壤因子中土壤含水量对比根长、比根表面积及根组织密度贡献值最大且有显著相关性(P<0.05)，说明土壤含水量是影响不同龄级冷杉幼苗比根长、比根表面积及根组织密度的主要土壤因子；除土壤含水量外，土壤总有机碳与根组织密度也有显著相关性(P<0.05)；硝态氮对冷杉幼苗根干物质含量贡献值最大且有显著相关性(P<0.05)。

表8 土壤因子对细根形态的贡献值与P值

RDA排序图(图4)显示了不同龄级冷杉幼苗细根形态与土壤因子之间的关系，RTD1、RTD2、RTD4及RDMC2位于排序图的左上角，与其有较高相关性的土壤因子是全磷、全钾，呈现正相关；SRL3、SRSA3、SRSA5、RTD5以及SRLA5等位于排序图的右上角，土壤含水量、全氮、易氧化有机碳及溶解性有机碳是影响这几个龄级细根形态的主要影响因子；SRL2、SRL4、SRSA2、SRSA4、RDMC3位于RDA轴2下端，速效钾与其呈正相关，与全钾、全磷等因子呈负相关；RDMC1、RDMC4、RDMC5出现在RDA轴1左端，与铵态氮相关性较高，呈正相关，与溶解性有机碳呈负相关。

图4 不同龄级幼苗细根形态与土壤因子的冗余分析排序

3 讨论与结论

3.1 林龄、海拔对急尖长苞冷杉幼苗根系生长及细根形态的影响

植物生长发育很大程度上受环境影响，恶劣的外部环境会对植物器官发育产生抑制作用[24-26]，而在幼苗期，植物主要通过根系水平以及垂直延伸来获取土壤中的水分与养分[27]。通过林龄对幼苗根系生长特征影响的研究，对提高幼苗根系对环境因子的利用效率具有重要意义[28]。本研究结果表明，水平方向延伸长度随林龄的增大而长于垂直方向，水平根长增长速率大于垂直根长增长速率。有研究者发现不同龄级荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)随着龄级的增大，根系生长与龄级呈正相关关系[29]；夏菲等[10]对不同龄级辽东栎幼苗根系研究时，发现随幼苗龄级增加，根系长度随龄级的增长呈上升趋势，这均与本研究结果一致。

有研究表明，比根长越大，根系吸收水分和养分的能力越强，并且构建和维持单位长度根系所需的碳水化合物越少[30]；比根表面积代表植物投入到根生物量中吸收养分的效率，其值越大，养分利用效率越高[31]；根组织密度是组织伸展力与防御力的外在表现[32]；根干物质含量作为生物量积累的内在体现，对植物C积累有重要影响[33]。在本研究中，比根长、比根表面积均随林龄的增大而缩小，这表明冷杉幼苗在初生阶段需要吸收足够的能量以构建和维持根系，且养分利用效率较高；但根组织密度、根干物质含量与比根长、比根表面积的结果不同，它们均随林龄的增大而增大，这表明冷杉幼苗根系组织的伸展力和防御力随龄级增大而增强，植物固碳能力也随龄级增大而增强。有研究发现[34-35]，不同林龄杉木、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林细根比根长、比表面积均随林龄增加而降低，但组织密度、细根生物量则呈增大趋势。这与我们的研究结果一致。

海拔变化包含多个环境因子(温度、水分等)的梯度效应，因此了解幼苗根系生长及细根形态对海拔梯度的响应，对于认识植物在初生阶段对气候变化的响应无疑具有重要的现实意义[36]。本研究发现海拔对幼苗根长、比根长、比根表面积以及根干物质含量无显著影响。有研究发现，在阿尔卑斯山中阔叶树和针叶树树种在海拔320 m～2 235 m，细根比根长在海拔梯度上无显著差异(P>0.05)[37]；在岷江上游，连香树(Cercidiphyllumjaponicum)、白桦(Betulaplatyphylla)、华山松(Pinusarmandii)和油松比根表面积在海拔上无显著差异(P>0.05)[38]；在天山，植物根干物质含量在海拔梯度间无显著差异[39]，这与本研究结果均一致。但有研究表明，在黄土高原南部和秦岭北坡，栓皮栎(Q.variabilis)幼苗根系形态指标沿海拔梯度下降[40]。这与本研究结果相比有所差异，原因可能是急尖长苞冷杉群落作为西藏色季拉山的优势种群，适应高海拔地区的气候与环境的能力较强，其幼苗生理特性在3 800～ 4 300 m范围内表现稳定，只有在超过4 400 m时，其生理指标才会急剧下降[41]。在本研究中，采集的冷杉幼苗分布范围为3 800～4 300 m，故幼苗根系生长特征及部分细根形态指标在不同海拔梯度间维持相对稳定。但幼苗根组织密度与根系生长、比根长、比根表面积以及根干物质含量结果不同，本研究发现海拔对根组织密度具有显著影响(P<0.05)，这与研究者发现不同海拔黄山松(Pinustaiwanensis)根组织密度在海拔间差异显著[42](P<0.05)的结果一致。有研究表明，组织密度是判断植物利用资源，适应生境的重要指标，由于海拔升高导致温度降低，植物改变了对根系的投入策略，因此导致高海拔与低海拔间细根组织密度差异显著(P<0.05)[43-44]。

3.2 急尖长苞冷杉幼苗根系生长及细根功能性状特征与土壤因子的关系

沉余分析是响应变量矩阵与解释变量之间多元多重线性回归的拟合值矩阵的主成分分析(PCA)[45]。本研究中土壤因子全钾和速效磷对冷杉幼苗水平根系生长贡献达到38.2%，而对冷杉幼苗根系垂直生长贡献率较高的前2个环境因子分别是全钾和溶解性有机碳，两者总的贡献率为47.2%。有研究表明，在土壤因子中全钾、速效磷与根系生长呈显著正相关[46]；土壤有机碳是影响植物根系生长发育的关键因素，而溶解性有机碳作为持久性土壤活性有机碳组分，参与植物各种构件的生长发育过程，与幼苗根系生长有较高的相关性[47-49]。此外，本研究发现土壤含水量与急尖长苞冷杉幼苗比根长、比表面积以及根组织密度的相关性最高，但对根干物质含量来说，硝态氮比土壤含水量相关程度更高。有研究发现，比根长与土壤含水量呈正相关关系[50]，也有研究发现细根比根长随土壤含水量的增加而减少[51]，这表明了土壤含水量与比根长有较高的相关性；梁银丽等[52]发现土壤水分亏缺，根系生长将受到限制，根系比表面积明显降低，也有研究表明，随着土壤含水量减小，植物根系组织密度增大，这表明土壤含水量与比表面积及根组织密度有较高的相关性[53]。充足的氮供应会改变根系生长发育，根质量和根直径均增加，而硝态氮会影响幼苗根长度以及根干物质的积累[54-57]，这与本研究发现硝态氮与干物质含量相关性较高的结果一致。

3.3 结论

本研究发现，林龄对急尖长苞冷杉幼苗生长及细根形态有极显著影响，但海拔只对幼苗根组织密度有显著影响。这表明，林龄是急尖长苞冷杉幼苗生长变化中的关键因子，幼苗可能通过改变根组织密度适应海拔梯度的环境变化。此外，通过沉余分析土壤因素与急尖长苞幼苗根系生长和细根形态的关系，结果表明幼苗根系生长和细根形态建成受不同土壤因子的影响。本研究揭示了西藏色季拉山林龄、海拔对急尖长苞冷杉幼苗根系生长和细根形态的影响及其在高寒高海拔生境中的环境适应策略，丰富了亚高山天然林地下生态系统的理论研究，但本研究仅分析了土壤因子与根系生长和细根形态的关系，还缺乏其他环境因素如林分因子、气候因子等生境指标对急尖长苞幼苗根系影响机制的探索，同时还应补充根系与土壤生态化学计量特征来进一步加强急尖长苞冷杉幼苗在高海拔地区生态适应机理的研究。