凋落物输入对马尾松细根生长及化学计量的影响1)

蔡银美 张成富 李昕颖 何腾兵 赵庆霞

( 贵州大学，贵阳，550025) ( 贵州省山地资源研究所) ( 贵州大学)

细根(直径≤2 mm)是植物与其环境之间营养物质和水分交换的重要器官，决定着森林生态系统的生产力[1]。林木的细根量仅为根系总生物量的5%，但因其表面积大、周转快，对整个森林初级生产力的贡献率达50%，其垂直分布特征更是直接影响植物对土壤资源的获取策略[2]。随着全球降水分布格局的变化和气候的变暖，森林生态系统中凋落物的数量和质量发生了显著变化[3]，改变了向土壤的养分输入过程，从而影响细根的分布、生产和周转[4]。因此，研究凋落物输入变化下的细根的生长情况对于准确预测气候变化下的林木生长状况具有深远意义。

细根生产量代表了构建新根和保持代谢老根之间的平衡，是衡量细根生长状况的重要指标。但是，单一的生产量指标不能很好地表明植物根系吸收能力的大小，研究表明，综合分析细根生产量和形态特征可以更好地反映细根的生长状况及其功能[5]。例如，细根直径对细根营养物质的获取能力、细根寿命及其周转率都存在一定的影响[6]，细根比根长和根长密度直接决定着根系吸收水分和营养物质的能力，细根比表面积及表面积密度是影响细根吸收水分和营养物质效率的指标[7]。相关研究表明，凋落物输入量的变化影响细根生长。如王微等[8]就中亚热带不同森林凋落物输入量对细根生长的研究中得出：去除凋落物的样方较对照比细根生物量下降了40.3%，添加凋落物显著增加了细根生物量，较对照高出了19.4%。然而在巴拿马半常绿森林和巴西帕拉20 a的次生林中，凋落物的添加却导致细根质量降低[9]。表明凋落物的去除和添加一定程度上增加或者减少细根生物量和改变细根形态，但是有一些研究认为，凋落物输入量的变化不影响细根的形态和生物量[10-11]。可见，凋落物输入量变化对不同气候带，不同树木细根生长的影响尚未形成定论，尤其在我国西南山地丘陵区缺乏相关研究报道。

生态化学计量学是指对生态系统中植物的碳(C)、氮(N)、磷(P)等元素的质量分数和它们之间的计量比特征进行综合分析，来了解植物的生长情况及元素的平衡关系的学科，代表了能量和养分的平衡[12]。有研究表明，植物营养元素的化学计量比是影响其生长的主要因素[13]。在森林生态系统中，植物会通过光合作用固碳，然后将碳以森林凋落物的形式补偿到土壤中，因为细根与土壤联系密切，所以凋落物的输入量变化会影响土壤养分的变化，土壤养分变化后必然会影响林木细根的C、N、P质量分数和它们之间的化学计量比[14]。细根中C、N、P的质量分数和化学计量特征可以在一定程度上表明植物对土壤养分和水分的吸收利用能力[15]。生长较快的植物其细根的N和P质量分数较高，周转率较快，细根w(C)∶w(N)和w(C)∶w(P)就较低[16]。因此，研究细根的养分变化和化学计量特性，有助于进一步探讨凋落物输入量变化下细根的生长和周转规律。且目前细根化学计量比相关研究集中在海拔、温度、土壤等因子[17]，缺乏凋落物输入与细根化学计量比的相关研究。

马尾松(PinusmassonianaLamb.)是中国特有的速生乡土树种，分布极广，在长江一带海拔600～1 500 m的地方均有分布，具有气候适应性强，耐干旱与贫瘠等特点[18]。马尾松属直根系的林木，其细根有明显的垂直分布特点，即细根量随土壤深度的加深而呈现逐渐降低的趋势[19]。因此，本文通过对马尾松人工林进行地上凋落物添加和去除试验，采用内生长袋法研究凋落物输入量变化对不同土层细根总生物量、细根形态、C、N、P及其化学计量比的影响，揭示凋落物输入量变化对细根生长的影响。为预测气候变化下森林生长动态提供参考。

1 研究区概况

研究地位于贵州省贵阳市花溪区(106°27′～106°52′E，26°11′～26°34′N)。该区主要以山地和丘陵为主，气候为亚热带季风气候，平均海拔1 100 m，年均气温14.9 ℃，年均降水量1 178.3 mm，相对湿度75.5%，年均日照时间约1 354 h。研究样地土壤类型为黄壤。研究对象是35年生的马尾松人工林，该人工林无人为经营或砍伐，林分郁闭度约为0.8，平均海拔为1 145 m，林下主要的优势种有：短柱茶(Camelliabrevistyla(Hayata) Coh. St)、女贞(LigustrumlucidumAit.)、棕竹(Rhapisexcelsa(Thunb.) Henry ex Rehd)、常春藤(HederanepalensisK. Koch var.sinensis(Tobl.) Rehd.)、荚蒾(ViburnumdilatatumThunb.)。凋落物是乔木、灌木及草本植物的混合型凋落物。每月通过凋落物收集框(0.5 m×0.5 m)收集调查得出2020年凋落物年归还量为598.20 g·m-2，地表凋落物层厚度为0.5～1.2 cm，其中针叶型凋落物占了总混合凋落物的83%。样地基本情况见表1。

表1 马尾松人工林样地基本概况

2 研究方法

马尾松人工林试验地是于2018年10月采用随机区组法设计的，共设有9个10 m×10 m的样方，每个样方间设置了10 m的隔离带。试验设置了3个凋落物处理，每种处理设置3个重复，设置情况如下，(1)对照(CK)：保持原状凋落物不变处理；(2)凋落物去除(LR)：在建立样方时，去除样方内土壤表面全部的凋落物，之后的每个月月底将样方内全部凋落物去除；(3)凋落物添加(LA)：每次将LR处理样方内去除的凋落物均匀放置到添加凋落物处理的样方内。

在2019年1月，沿样方对角线方向选取5个样点(4个边点和1个中心点)，5个样点均位于树行间，用内径为3.8 cm的土钻钻取0～10、10～20、20～30、30～40 cm的土芯样品，分别编号装入自封袋带回实验室，然后把根系挑出，将土壤自然风干后过2 mm筛，将准备好的土壤装入直径为3.8 cm，高为10 cm的尼龙网袋中(孔径为178 μm)，按取样时的土壤深度回填到钻孔中。于2020年7月，将尼龙网袋和土一起取出，共计180个样品，将其按样方和土层深度写好标签后装入自封袋内，带回实验室，随后根据根系的形态和颜色特征，用游标卡尺挑出直径≤2 mm的马尾松细根，用于测定细根生产量。同时沿样方对角线另取5个取样点(4个边点和1个中心点)，用内径为3.8 cm的土钻在土壤垂直方向上按0～10、10～20、20～30、30～40 cm的土壤深度分层取样，共计180个样。然后写好标签装入自封袋内，带回实验室，根据形态和颜色特征，并用游标卡尺挑出直径≤2 mm的马尾松细根，用于测定细根生物量。

细根形态特征使用根系分析系统(WinRHIZO)扫描得出，形态指标包括细根直径、比根长、比表面积、根长密度等。扫描后的细根样品置于烘箱内80 ℃烘至恒定质量后称其质量(±0.000 1 g)。计算细根生物量(g·m-2)，作为评估每个凋落物处理每年细根生产量的依据。然后将同一样方的细根样品按0～10、10～20、20～30、30～40 cm 4个土壤层次充分混合后，用研钵磨碎保存，细根C质量分数用重铬酸钾容量法-外加热法测定；细根N和P质量分数用浓H2SO4和H2O2消煮，采用全自动间断化学分析仪(CleverChem380,德国)测定。细根形态指标计算公式如下：

细根年生产量(g·m-2·a-1)=[(根袋内细根干质量(g)/土柱横截面积(m2))/细根生长时间(月)]×12；

细根生物量(g·m-2)=土钻内细根干质量(g)/土柱横截面积(m2)；

比根长(m·g-1)=细根总根长(m)/细根干质量(g)；

比表面积(cm2·g-1)=细根表面积(cm2)/细根干质量(g)；

根长密度(m·m-3)=细根总根长(m)/土柱体积(m3)；

根表面积密度(m2·m-3)=细根表面积(m2)/土柱体积(m3)；

体积密度(mm3·cm-3)=细根体积(mm3)/土柱体积(cm3)。

凋落物处理、土层深度及其交互效应对细根生物量、细根形态特征及细根养分的影响采用双因素方差法(ANOVA)分析。不同凋落物处理、不同土层深度细根生物量、直径、比根长、比表面积、根长密度、根表面积密度、养分质量分数及化学计量比的差异采用单因素方差分析法检验，其中多重比较分析选用最小显著差异法(LSD)(p<0.05)，试验数据在Excel中计算并汇总，统计分析在SPSS20.0中完成。

3 结果与分析

3.1 凋落物处理对马尾松细根生物量和生产量的影响

从整体来看，0～40 cm细根总生物量在3个凋落物处理下的平均值为92.65 g·m-2，细根生产量的平均值为57.55 g·m-2·a-1，细根生产量占总生物量的62.12%，LR和LA对总生物量和总生产量的影响均不显著(表2)。分不同土层来看，LR和LA处理对细根生产量无显著影响，但土壤深度显著影响细根生产量(表3)，表现为在CK下，0～10 cm土层细根生产量显著大于10～20和30～40 cm土层，20～30 cm土层细根生产量显著大于30～40 cm土层；在LR下，10～20 cm细根生产量显著大于30～40 cm土层。总的来说，细根生产量随着土壤深度的增加而逐渐减少，0～10、10～20、20～30 cm土层的细根生产量百分比均大于30～40 cm土层(表4)，马尾松细根生长集中在0～30 cm土层。

表2 凋落物处理下0～40 cm土层细根总生产量和生物量

表3 凋落物处理和土壤深度影响细根生长方差分析

表4 凋落物处理下马尾松细根生产量垂直分布及占总生产量的比例

3.2 凋落物处理对马尾松细根形态特征的影响

LR和LA处理对细根直径、根长密度、表面积密度、体积密度的影响不显著，LR处理显著影响0～10 cm土层的细根比根长和比表面积，表现为LR显著大于CK和LA(表5)。土壤深度显著影响细根比表面积和体积密度。在CK下，30～40 cm土层细根比表面积显著大于0～10、10～20、20～30 cm土层，其余无显著差异；在CK和LR下，0～10 cm土层体积密度显著大于30～40 cm土层，其余无显著差异(表5)。细根直径、根长密度、表面积密度、体积密度整体随土壤深度的加深逐渐减小，但比根长和比表面积未表现出明显的垂直变化规律(表5)。

表5 凋落物处理下马尾松细根形态垂直分布特征

3.3 凋落物处理对马尾松细根养分的影响

凋落物处理、土壤深度及其交互作用对马尾松细根N、P质量分数有极显著影响，对C无显著影响(表6)。细根N质量分数总体表现为LR和LA处理大于CK，P质量分数由大到小表现为LR、CK、LA，且在不同土层间，差异表现有所不同，如在0～10 cm土层LA样地细根的N显著大于LR，而30～40 cm土层细根N质量分数在不同处理间具有显著性差异，由大到小表现为LR、LA、CK(表7)。细根养分质量分数具有明显的垂直差异：细根N质量分数在0～10、10～20、20～30 cm土层呈逐渐下降趋势，P质量分数在0～10、30～40 cm土层较高，且在每个处理间变化不同，如在LR下，细根N、P质量分数在30～40 cm土层最高，均显著大于10～20、20～30 cm土层；LA下，细根N、P质量分数随土层加深而降低，0～10 cm土层质量分数均显著大于其他3个土层(表7)。

表6 凋落物处理和土壤深度影响细根养分方差分析

凋落物处理、土壤深度及其交互作用对马尾松细根w(C)∶w(P)、w(N)∶w(P)有极显著影响，对w(C)∶w(N)的影响不显著(表6)：LA处理下，细根w(C)∶w(P)和w(N)∶w(P)较CK高，而LR处理下细根w(C)∶w(P)和w(N)∶w(P)较CK低，且在不同土层间差异不同，如在0～10 cm土层，CK的w(C)∶w(P)显著大于LR和LA，在10～20 cm土层，CK的w(C)∶w(P)显著小于LR和LA(表7)。细根w(C)∶w(P)、w(N)∶w(P)在垂直方向上存在差异，表现为10～20、20～30、30～40 cm土层细根w(C)∶w(P)明显高于0～10 cm土层，0～10和10～20 cm土层的w(N)∶w(P)略高于20～30和30～40 cm土层，且在不同处理下，差异不同，如CK下，0～10 cm土层w(N)∶w(P)显著大于10～20、30～40 cm土层，而在LR下表现为在10～20 cm土层最高，均显著大于其他3个土层(表7)。

表7 凋落物处理和土壤深度对细根养分的影响

4 讨论与结论

植物地上光合产物在地下分配比例及其对土壤环境中养分的利用率最终都体现在细根生物量的大小上，在大部分的森林生态系统中，细根生物量比例占了地下总生物量的3%～30%[20]。细根生物量的多少是植物对土壤资源有效性的反应以及地上光合产物在地下分配的最终体现。本研究结果表明：0～40 cm细根总生物量为92.65 g·m-2，在世界森林细根(直径<2～5 mm)生物量范围内(46～2 805 g·m-2)，明显低于亚热带森林细根生物量平均值(631 g·m-2)，也低于对亚热带的常绿针叶林细根的生物量(193 g·m-2)[1]，但高于贵州龙里马尾松细根生物量(23.1～37.9 g·m-2)[21]。0～40 cm细根年生产量为57.55 g·m-2·a-1，处于100多个森林生态系统的研究结果范围内(20～1317 g·m-2·a-1)，但只达到亚热带常绿针叶林细根生产量(182 g·m-2·a-1)的31.6%，更明显低于亚热带森林细根年均生产量(522 g·m-2·a-1)[1]，低于王娜等[22]研究得出的三峡库区马尾松细根年生产量(109 g·m-2·a-1)。本研究马尾松细根的生物量和生产量都处于较低水平，造成该结果的原因可能与马尾松的根系构型有关，马尾松是直根系树种，主根发达，侧须根较少。本研究采用内生长法估算细根生产量，但在回填土壤时使用的网袋孔径仅为178 μm，这会在一定程度阻碍细根进入，从而导致细根生产量的低估。还与不同气候和森林类型有关，从北方森林到温带、亚热带至热带,细根生产量呈增加趋势[1]，不同森林类型分配光合产物到细根的比例存在较大差异。即使在同一气候区域，局部气候差异、土壤理化性质、林龄、地下植被的组成、根系取样深度、取样方法、活死根的区分方法等都是可能造成研究结果差异的原因。另外，本研究发现细根年生产量是细根生物量的62.12%，所以可能是因为细根周转快，从而导致细根生物量较低。

凋落物输入量变化引起的养分供应变化在森林生态系统植物生产力和养分循环中发挥重要作用。目前凋落物对细根影响的解释有以下几点：一些观点认为长期的凋落物去除阻断了养分向土壤的输入，减少了植物对养分的吸收，从而减缓森林生长[10]。而另一些观点以为由于养分利用率降低，植物的质量分配通常转移到了根部[23]，即养分条件限制下，植物向根系养分分配比例会增加。本研究结果表明：LR和LA处理对细根的生产量无显著影响。这与Rodtassana et al.[10]对巴拿马常绿热带雨林连续10 a凋落物处理试验得出的凋落物添加对细根生物量、长度和产量无显著影响；Wood et al.[11]研究哥斯达黎加热带雨林8 a的凋落物处理试验得出的凋落物去除对细根生产量无显著影响结果相似。这可能是因为马尾松是针叶树种，属于森林演替进程的早期，对凋落物的响应不显著。

本研究还发现，在0～10 cm土层，LR显著增加细根比根长和比表面积。其原因可能是表层细根最先对凋落物输入量的变化做出反馈。凋落物输入量的变化最先导致表层土壤养分的输入发生变化，凋落物的去除阻断了养分向土壤的输入，当养分利用率降低时，植物向根系养分分配比例会增加[23]。即养分限制时，植物会适当的减少根系生物量分配而倾向于增加根长和表面积[2]。比根长和比表面积越大，细根吸收水分和利用养分的效率越高。因此LR导致的比根长和比表面积的增加有利于获取更多的养分，是植物养分限制下的一项重要策略。

细根生理生态功能不但与细根形态特征有关，还与植物根系组织中C、N、P质量分数有密切联系[24]。本研究得出，马尾松细根C质量分数平均值为403.92 g·kg-1，略低于中国植物细根C质量分数的平均值(473.9 g·kg-1)。细根N质量分数为14.48 g·kg-1，均高于中国及全球对细根N质量分数研究归纳的范围(分别为9.16和9.90～11.2 g·kg-1)。细根P质量分数为0.83 g·kg-1，略低于我国对植物细根P质量分数归纳的范围(0.954 g·kg-1)，属于全球归纳研究的细根P质量分数范围内(0.55～0.85 g·kg-1)；马尾松细根w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)、w(N)∶w(P)平均值分别为28.37、514.96、18.27，其中细根w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)低于中国植物细根w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)(59.15和844.07)，而w(N)∶w(P)高于中国植物细根w(C)∶w(P)平均值(14.27)[25-26]。本结果与Kerkhoff et al.[27]对亚热带和热带地区植物研究得出的该地区植物主要为N质量分数高，C、P质量分数低的结论基本一致。本研究结果表明LR和LA处理对细根C质量分数及w(C)∶w(N)影响不显著，这是因为C是植物生长、繁殖和结构的基础，不易受到环境变化的影响，所以其影响不显著[28]。LR和LA处理显著影响细根N、P质量分数及其化学计量比，但细根N质量分数在不同凋落物处理下未表现出明显的规律，而细根P质量分数在LR处理下整体表现为增加。由于亚热带、热带森林土壤无机P生物有效性低，P通常被认为是亚热带、热带森林主要生长限制因素，来自凋落物的P有很大比例可被植物吸收利用。长期凋落物移除试验结果表明，移除凋落物后可使土壤总P平均减少26%，有效P平均减少45%，这导致细根可吸收利用的P严重降低[29]。而在凋落物移除后，根系自身则增加了对P的吸收和固定，以维持根系正常活动，反映了植物根系对环境的自我调节与适应，以维持自身化学计量动态平衡[30]。

w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)通常能反映细根N和P的吸收和利用效率，一般认为，有较高的w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)，就有较高的N、P利用效率[31]。本研究发现，30～40 cm土层细根w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)明显大于前3个土壤层次，表明该土层的N、P利用率较高，由此促进细根周转，使该土层细根生物量明显小于前3个土层。较高的w(N)∶w(P)用来表征植物对环境生长的养分供应情况，当w(N)∶w(P)>16时，生态系统受P的限制，当14

本研究分析了凋落物输入量变化对马尾松细根生产量、形态特征、C、N、P质量分数及其化学计量比垂直分布的影响。结果表明，凋落物输入量的改变一定程度上影响细根养分的质量分数及细根对土壤养分的吸收利用状况，但对细根垂直生长的影响并不显著。可能是因为短期凋落物处理对马尾松细根生物量的累计和形态特征的影响不显著，而地表养分输入的改变显著影响了细根养分吸收和元素分配。