木麻黄细根形态和化学计量特征对P添加的塑性响应

聂森

（福建省林业科学研究院，福州 350012）

0 引言

土壤中的养分资源普遍呈异质分布，磷(P)在土壤中有效性低、迁移性差，以斑块状富集的现象更加突出，需要植物根系通过改变自身形态以探索高度异质的富P区域[1-3]。细根作为植物根系中最活跃和最敏感的部位[4]，承担着觅食土壤养分斑块的重要功能，当细根探索到P 富集区域时，会快速作出形态和生理特性塑性响应以捕获P[3,5]。研究表明，植物因其种类、所处立地等的不同，其细根对养分富集区域的响应形式存在权衡，细根比例高的植物，在觅食行为中更加“独立”，倾向于改变细根形态以适应生存环境，提高在资源匮乏地区的竞争力；细根比例低的植物则倾向于与菌根真菌合作，改变根系生理性状以适应生存环境[6-7]。Wen 等[8]研究指出，在低P 土壤中，细根形态塑性比生理塑性强，随着有效磷的增加，细根形态塑性敏感度降低，根系分泌物增加[9]。C、N、P 是维持植物生长发育最基本的元素，其化学计量特征在生态学研究中具有重要作用[10]。细根作为植物吸收土壤养分和水分的主要器官，其化学计量特征与根系生产周转、养分吸收利用效率等生物化学循环过程密切相关[11-12]。研究表明，C/N/P能指示细根生理代谢活性、生长速率及对N、P的利用效率，土壤养分含量变化时，细根C/N/P会相应进行调整[13]。因此，研究细根C、N、P化学计量特征有助于理解植物应对环境变化的生存策略。功能划分法依据细根功能特性，将其划分为吸收根(Absorptive fine root)和运输根(Transport fine root)[14]。Mucha 等[15]指出，将功能相似的不同序级细根汇集到单一的功能集合中，有助于理解生物化学循环的相关过程。前人研究证实，外源磷P介导下，细根形态和化学计量特征的塑性变异均表现为低级根（1～3级）优于高级根（4～5 级）[16-17]。因此，根据功能划分法研究细根，既能较根序法节省细根分类的工作量，又能充分刻画细根内在结构功能的异质性，在细根研究的准确性和可行性上达到较好的平衡[18]，更客观地评价细根形态和化学计量特征对P 资源的响应规律。木麻黄(Casuarinaequisetifolia)由于其优良的适应性及抗逆性，已成为中国东南沿海基干林带防护林建设的主要栽植树种[19-20]。近年来，木麻黄人工林出现不同程度的衰退现象，除木麻黄纯林遗传多样性低外，木麻黄长期生长过程中，极度贫瘠的沙地土壤难以提供其所需营养物质也可能是关键原因之一[21]。作为固氮树种，木麻黄自身获取的氮能满足生长需求[21]，滨海沙地土壤有效磷的匮乏成为木麻黄生长的主要养分限制因子[22]。又由于不同生长阶段的木麻黄，其植株P含量、生长速率及土壤P消耗程度等存在较大差异，因此，本研究在福建省平潭岛不同林龄木麻黄人工林进行P添加试验，揭示木麻黄细根形态和化学计量特征对P 添加的塑性响应策略，为改善木麻黄人工林质量的抚育施肥管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省平潭岛(25°15′—25°45′N，119°32′—120°10′E)，属南亚热带海洋性季风气候，年平均气温19.4℃，年均降水量1200 mm。土壤以滨海潮风沙土为主。岛上主要受台湾海峡“穿堂风”的影响，风速大，风向稳定，夏季盛行西南风，其它季节盛行东北风，年均受台风袭击的次数达5～7 次。供试样地木麻黄人工林功能类型为防风固沙林，初植密度为2500 株/hm2，均为‘闽平2号’无性系品种。

1.2 试验设计

2019年3月，选取集中连片，立地情况较为一致的木麻黄人工林幼龄林(5 a)、中龄林(12 a)和成熟林(25 a)作为试验林，采用内生长土芯法开展P 添加试验。每个龄组随机选取4 块树干通直、生长良好且无病虫害的标准样地(20×20 m)，样地间隔50 m以上，共计12块样地（基本情况见表1）。每块样地随机选择4株标准木，根据林分初植密度(2×2 m)，结合前期调查研究，将标准木与其最近林木之间的距离记为R(2 m≤R≤3 m)，选取距树干基部R/2 范围内的1 m 处埋设根系内生长芯（见图1）。内生长芯高10.0 cm，内径7.6 cm，表面满布孔径2 mm 的细根孔，孔距间隔2 mm，顶部开盖。因试验地沙粒蓄水保肥能力差，本试验选择与沙粒粒径基本一致的蛭石作为营养液添加载体，蛭石C 含量为2.10 mg/g、N 含量为0.25 mg/g、P含量为0.09 mg/g，每株标准木均埋设1个P添加和1个对照内生长芯。其中，P 添加内生长芯为蛭石载体加注100 mL Na2HPO4溶液，根据木麻黄栽培技术规程，Na2HPO4浓度设定为8.10 g/L；对照组则为蛭石载体添加100 mL去离子水。埋设内生长芯前，先将埋设点周围20 cm 范围内的凋落物和腐殖质依次移开，然后用土钻竖直向下钻孔，深度为12 cm，将直径与内生长芯一致的PVC 管两头堵住后放入，依次恢复原有表土、腐殖质及凋落物。根系恢复生长1 个月后，取出PVC管，放入内生长芯。每个样地P 添加内生长芯依东南西北分别埋设在4 株标准木的不同方位，对照组则依次埋设在P 添加内生长芯的相对方位，以消除方位对根系生长的影响。

图1 内生长芯模型

表1 试验样地林分基本情况

1.3 测定项目及方法

1.3.1 细根取样和形态测定2020年4月，将试验地埋设的内生长芯取回。挖取时，先移除覆盖内生长芯上层的凋落物及表土，再用园艺铲清理内生长芯四周的沙土，用手术剪沿芯体外壁齐平剪断细根后，取出内生长芯装入自封袋，做好标记，放入便携式保温箱带回实验室。芯体内细根先用去离子水清洗除去蛭石等杂物后，再用滤纸吸干表面水分。根据细根的颜色、外形、弹性等性状去除死根。为更准确地描述细根功能和分支结构的关系，本研究应用功能划分法[15-16]对根系功能类群进行划分：内生长芯内细根(≤2mm)按照根序分级理论，可以分成5级根序，其中1～3级根序以初生构造为主，具有完整的皮层组织，归为吸收根；4～5 级根序维管组织发育，木质化程度逐渐加强，具有完整的木栓层，归为运输根。采用根系扫描仪(Epson Expression LA12000XL Scanner，Canada)分别扫描吸收根和运输根，利用WinRHIZO 根系分析系统(version 4.0b，Rengent Instruments Inc.，Canada)分析不同根系功能类群的形态性状，公式见式(1)～(4)。

式中：SRL表示比根长(cm/g)，RL表示根长(cm)，Bio表示生物量(g)，SRA表示比表面积(cm2/g)，TRA表示总表面积(cm2)，RTD表示组织密度(g/cm3)，RBio表示根系生物量(g)，Rvol表示根系体积(cm3)。

1.3.2 细根化学组成测定将烘干至恒重的细根用植物冷冻研磨仪进行研磨，采用元素分析仪(Euro Vector EA3000，Italy)测定细根全碳和全氮含量，采用酸溶-钼锑抗比色法测定细根全P含量。

1.4 数据处理

采用混合线性模型检验P 添加、林龄和根系功能类群及其三者的交互作用对细根形态和化学计量特征的影响，并检验P 添加和林龄的交互作用对同一根系功能类群形态和化学计量特征的影响。采用单因素方差分析及Bonferroni 检验P 添加或林龄对同一根系功能类群形态和化学计量特征影响的差异，以及同一根系功能类群P添加和林龄组合对细根形态和化学计量特征影响的差异，并以此判断P 添加对细根形态和化学计量特征塑性响应的显著性。采用Pearson 相关分析法分析P添加对细根形态与化学计量特征塑性响应的相关性。统计分析均在IBM SPSS 20.0 完成，采用Origin 9.0软件作图，图表中数据均为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 细根形态对P添加的响应

由表2 可知，P 添加、根系功能类群和林龄及其两两交互作用，对细根比根长、总根长和总表面积皆有显著（P＜0.05，下同）影响，三者的交互作用对细根总根长和总表面积影响显著；根系功能类群和林龄对细根比表面积、平均直径及组织密度均具有显著影响，且两者的交互作用显著影响细根比表面积和平均直径；此外，P添加及其与根系功能类群的交互作用显著影响细根比表面积和组织密度。由图2可知，P添加使细根总根长和总表面积总体提高7.79倍、8.69倍，比根长和比表面积总体提高15.1%、19.5%；不同根系功能类群中，比根长和比表面积均表现为成熟林显著高于幼龄林和中龄林；此外，P 添加使吸收根组织密度总体降低31.4%。

图2 细根形态对P添加的响应

表2 P添加、根系功能类群、林龄及其交互作用对细根形态的影响

2.2 细根化学计量特征对P添加的响应

由表3 可知，P 添加、林龄，P 添加、根系功能类群和林龄的两两交互作用，对细根P含量均有显著影响；P 添加、根系功能类群、林龄，P 添加和根系功能类群、根系功能类群和林龄的交互作用，对细根C/P 和N/P均有显著影响。由图3 可知，木麻黄吸收根P 含量随林龄增长而下降、C/P 和N/P 则呈现相反趋势；3 种林龄木麻黄细根P含量、C/P和N/P在吸收根中均有显著差异，其中，P添加使吸收根P含量总体提升56.0%，C/P和N/P总体降低18.7%、38.7%，且幼龄林吸收根P含量显著高于成熟林，成熟林C/P和N/P显著高于幼龄林，中龄林处于幼龄林和成熟林之间，与幼龄林和成熟林均无显著差异。

图3 细根化学计量特征对P添加的响应

表3 P添加、根系功能类群、林龄及其交互作用对细根化学计量特征的影响

2.3 细根形态及化学计量特征的塑性对P添加的响应

由图4可知，不同根系功能类群间，幼龄林的总根长、总表面积和组织密度，中龄林的总表面积，及成熟林的总根长、比根长和组织密度对P 添加的塑性响应均有显著差异。P添加后，幼龄林吸收根组织密度、C/P和N/P均具有显著负向塑性响应，而P含量有显著正向塑性响应；成熟林吸收根总根长、总表面积及比表面积、平均直径均具有正向塑性响应，而组织密度有显著负向塑性响应。

图4 细根形态及化学计量特征对塑性P添加的响应

2.4 细根形态及化学计量特征塑性的相关关系

由表4 可知，细根形态与化学计量特征对P 添加的塑性响应有显著相关关系。其中，细根P 含量和比根长呈显著正相关，C 含量与总根长和总表面积呈显著正相关，C/N 和比表面积呈显著正相关，N/P 与比根长和比表面积呈显著负相关。

表4 细根形态及化学计量特征塑性的相关关系

3 讨论与结论

3.1 木麻黄细根形态和化学计量特征对P添加的塑性响应

本研究中，局部P添加后，木麻黄细根总根长和总表面积总体上分别提升了7.79 倍和8.69倍，比根长和比表面积总体上分别提升了15.1%和19.5%，与吴文景等[3]对杉木的局部供P研究，以及刘士玲等[24]对西南桦的施P试验结果相似。木麻黄细根形态对P添加的这种响应，一方面，可能是由于植物对自然界土壤普遍存在养分异质性的适应[1-2]，当木麻黄根系探测到P 富集区域时，根系P 捕获机制被激发，促使其采取伸长根长、扩大根表面积等细根形态变化策略[9,25]，用以高效吸收P元素；另一方面，可能是由于木麻黄适生的海岸沙地普遍受P 限制[22-23]，长期生长于低P 环境的木麻黄，其细根生物量高[20]，且根系集中分布于土壤表层，符合低P 土壤植物的理想根系构型[26]，这种根系生长适应机制使木麻黄更具竞争力，能在高P 区域快速增殖细根，以较高的“投资效率”捕获转瞬即逝的土壤养分[6]。本研究亦发现，与对照相比，P 添加后木麻黄吸收根比根长和比表面积显著增大，组织密度显著降低，这能使木麻黄在捕获养分时有效降低细根的建造时间和构建成本。此外，P添加后，木麻黄细根P含量上升，C/P和N/P有所下降。研究表明，C/P、N/P较低的根系具有较高的生理代谢活性及生长速率，说明在P 富集区域，能一定程度上缓解木麻黄的磷限制状态，促进细根生长代谢，提高P的吸收速率。

本研究发现，木麻黄细根形态的塑性变异主要来自吸收根，且吸收根化学计量特征对P 添加的塑性响应强于运输根，这是因为吸收根以初生组织为主，组织密度低，代谢活动强烈，周转率高，是吸收养分和水分最为活跃的部位，在捕获P 养分资源时，构建成本低，捕获效率高[26]；而运输根组织密度和木质化程度提高，以水肥转运功能为主，构建成本增加，捕获效率下降[14,26]。

3.2 不同林龄木麻黄细根对P添加的塑性响应及适应策略

P添加组和对照组中，木麻黄吸收根P含量均随林龄增长而下降，C/P、N/P随林龄增长而上升，三者均在幼龄林和成熟林之间差异显著，且根长和根表面积表现出成熟林显著高于幼龄林。木麻黄根系P含量的下降，可能与滨海沙地土壤P 养分随木麻黄种植年限的增加而逐渐耗竭有关[21]，P添加虽然使局部P供应有所缓解，但未能改变细根含P 量随林龄增长而降低的趋势。幼龄林细根具有较低的根长及根表面积，可能是由于幼龄期木麻黄处于快速生长阶段，但生产力有限[19-20]，分配给根系的光合产物较少。此外，幼龄林细根C/P、N/P 无论供磷与否均较低，可能是由于土壤P含量相对较高，较低的C/P、N/P 有利于根系保持较高的代谢活力。磷添加后，幼龄林吸收根P 含量的显著正向塑性响应，C/P、N/P 和组织密度的显著负向塑性响应亦表明，幼龄林木麻黄可能侧重于成本较低的吸收根生理性状的投资，以较小的根系构建成本获取较大的P吸收效益[26]。

本研究中，磷添加使木麻黄吸收根C 含量有所上升，且提升幅度随林龄增长而加大，以成熟林吸收根C含量提升最明显。这可能与成熟林生产力较强有关[19-20]，且P添加在一定程度上缓解了成熟林土壤P限制的现状，提高了成熟林根系生长活力，促使其加大对P富集区域细根的C投入。研究表明，C/N、C/P较高的植物，其生长速率较低，而N、P利用效率提高[13]。P添加后，成熟林吸收根C/N 提升，并保持较高的C/P，可能是由于木麻黄成熟林生长趋于平缓，在应对土壤P逐渐耗竭的现状时，选择了提高养分利用效率的生存策略。此外，成熟林吸收根总根长、总表面积及比表面积对P 添加均呈显著正向塑性响应，细根形态和化学计量特征的相关分析亦发现，C 含量与总根长和总表面积显著正相关，C/N和比表面积显著正相关，N/P 和比根长及比表面积显著负相关。表明成熟林光合产物较高，对于根系探测到的养分富集区域，有能力采取构建成本较高的投资策略，增加根系长度和面积以捕获养分元素。本研究中，中龄林木麻黄细根形态和化学计量特征对P 添加的塑性响应均不显著，这可能是由于中林龄生产力处于幼龄林和成熟林之间[19-20]，对于后两者的投资策略均适用，故而没有明显的侧重投资。

总体上，局部P 介导下木麻黄细根对P 养分资源的吸收符合“机会主义”策略[6]，根据自身生长阶段特性，通过激发根系生理代谢活性，或快速增大与土壤的接触面积，扩大养分资源的吸收范围，实现P养分资源的高效捕获。