模擬氮沉降對(duì)川西高原中國(guó)沙棘細(xì)根中的碳、氮、磷的影響

李 玲，鄧東周，樊 華，涂衛(wèi)國(guó)*，蔣慶云

(1.四川省自然資源科學(xué)研究院，四川 成都 610015；2.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081；3.四川省計(jì)算機(jī)研究院，四川 成都 610041)

植物細(xì)根一般指直徑小于等于2 mm的根[1]，由于不同樹(shù)種間細(xì)根在形態(tài)、大小上有所不同，也有定義為小于3 mm或5 mm的根[2～3]。與較粗根系相比，細(xì)根具有極大的表面積，是根系中水分和養(yǎng)分吸收的主要部位，也是根系中活躍性和敏感度最高的部分[4]。細(xì)根還是森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的C庫(kù)和N庫(kù)，由于其壽命較短、分解速率快，細(xì)根還影響了森林生態(tài)系統(tǒng)中C、N循環(huán)[5-6]。細(xì)根具有較強(qiáng)的生理生態(tài)可塑性，植物可能通過(guò)調(diào)節(jié)形態(tài)結(jié)構(gòu)、分配特征和細(xì)根功能，從而適應(yīng)環(huán)境的改變[7]。研究環(huán)境改變對(duì)植物細(xì)根生長(zhǎng)和碳氮磷分配影響，有利于了解植物生理生態(tài)過(guò)程對(duì)環(huán)境響應(yīng)機(jī)理和反饋機(jī)制，為提高森林生產(chǎn)力水平提供重要理論和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)。

川西高原為青藏高原東南緣和橫斷山脈的一部分，是我國(guó)重要的生態(tài)屏障，也是對(duì)全球氣候變化響應(yīng)較為敏感的區(qū)域之一，正面臨著諸多環(huán)境條件改變[8]，如大氣氮沉降帶來(lái)的生態(tài)影響[9]，是生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)區(qū)域之一。中國(guó)沙棘(HippophaerhamnoidesL.)為胡頹子科沙棘屬落葉灌木，有抗寒旱、耐風(fēng)沙、對(duì)土壤適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是我國(guó)廣泛應(yīng)用的治沙植物。中國(guó)沙棘在川西高原不同條件下分布廣泛，是該區(qū)重要先鋒固氮性灌木樹(shù)種[10]。近年來(lái)中國(guó)沙棘在高寒區(qū)域退化生態(tài)恢復(fù)中有廣泛應(yīng)用，由于該區(qū)氣候嚴(yán)寒、土壤瘠薄，土壤氮含量和氮有效性較低，植物生長(zhǎng)對(duì)土壤氮含量改變較為敏感。目前關(guān)于氮沉降下中國(guó)沙棘的生態(tài)適應(yīng)性研究還很少，特別是在細(xì)根適應(yīng)響應(yīng)方面。

本研究以川西高原中國(guó)沙棘兩年生實(shí)生苗為實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行了對(duì)照、低氮和高氮3個(gè)梯度的模擬氮沉降處理，測(cè)定了不同徑級(jí)細(xì)根的生物量和碳氮磷含量，分析了細(xì)根碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征，旨在為沙棘種質(zhì)資源保護(hù)和區(qū)域退化生態(tài)環(huán)境治理等方面提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東緣的四川省阿壩州松潘縣，地處岷山山脈中段，具有青藏高原季風(fēng)氣候特征，垂直氣候明顯。研究地點(diǎn)在松潘縣青云鄉(xiāng)雄山村雄輝種植基地，距離松潘縣城往南約10 km處，103°37′30″ N，32°35′26″ E，海拔 2 789 m，氣象條件以松潘縣城為例，多年平均氣溫5.7 ℃，最冷月為1月，平均氣溫-4.0 ℃，最熱月為7月，平均氣溫14.4 ℃，年蒸發(fā)量 1 000 mm左右，多年平均降水量720 mm，降水分布不均，干雨季分明，雨季(5月中旬至10月上旬)降水量占全年降水量的72%以上。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與處理

以?xún)赡晟臣瑢?shí)生苗為實(shí)驗(yàn)材料，研究時(shí)間為2017年5至10月。5月初起苗后，將幼苗移栽至體積10 L，直徑30 cm裝有勻質(zhì)土壤的塑料花盆內(nèi)(每盆1株)，土壤為混合均勻的0～20 cm林下表土。6月上旬將幼苗移至塑料大棚內(nèi)，待幼苗穩(wěn)定生長(zhǎng)一段時(shí)間后，進(jìn)行氮沉降處理。實(shí)驗(yàn)處理設(shè)置3個(gè)氮濃度梯度，分別為對(duì)照(CK，0 g N m-2a-1)、低氮沉降(N1，4 g N m-2a-1)和高氮沉降(N2，8 g N m-2a-1)處理，每個(gè)處理共有幼苗15株。施加NH4NO3其濃度和施加量根據(jù)花盆面積和模擬氮沉降的量換算，根據(jù)NH4NO3的分子量和N元素所占比例，低氮4 g N m-2a-1所施NH4NO3約為0.8 g a-1，高氮8 g N m-2a-1所施NH4NO3約為1.6 g a-1。在6月上旬和8月上旬分兩次進(jìn)行處理，處理時(shí)分別將0.4 g和0.8 g NH4NO3溶解至500 ml水中，分3 d均勻噴灑至花盆中。

1.3 樣品測(cè)定

2017年10月上旬，在模擬氮沉降處理了4個(gè)月以后，幼苗年生長(zhǎng)期即將結(jié)束的時(shí)候，將幼苗連同花盆浸泡到水中，泡軟土壤后用流水清洗干凈。一般將直徑2 mm以下的根定義為細(xì)根。本研究中，一級(jí)側(cè)根(主根上萌出的側(cè)根)直徑均在2 mm～3 mm左右，因此將除了主根以外的根系均歸為細(xì)根。按直徑從大到小進(jìn)行分級(jí)：2 mm～3 mm(A)、1 mm～2 mm(B)、0.5 mm～1 mm(C)、<0.5 mm(D)，并分出細(xì)根上著生的根瘤(Root nodule，RN)，將分好的根系在70℃下烘干48 h至恒重，稱(chēng)量干重。將各級(jí)細(xì)根干樣研磨成粉并過(guò)60目篩，測(cè)定碳、氮、磷含量，計(jì)算元素比值，同時(shí)按照各級(jí)細(xì)根生物量，換算出細(xì)根總元素含量和總比值。碳、氮含量采用元素分析儀測(cè)定，全磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS16.0 for Windows 軟件對(duì)以上生物量、元素含量及其比值指標(biāo)進(jìn)行一元方差分析(ANOVA)，平均數(shù)間的多重比較采用Duncan檢驗(yàn)(P<0.05)，并用不同字母表示同一性狀在P<0.05水平上的顯著差異(見(jiàn)圖1～7)。對(duì)細(xì)根總生物量、總元素含量和元素比值進(jìn)行雙變量的Pearson相關(guān)性分析(見(jiàn)表1)。對(duì)細(xì)根分級(jí)、氮沉降濃度及其之間的交互作用采用Univariate做雙因素方差分析(P<0.05，見(jiàn)表2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)細(xì)根生物量的影響

從圖1可以看出，氮沉降下細(xì)根總生物量略有增加，低氮和高氮沉降下分別增加了4.29%和9.22%。從生物量分配變化情況來(lái)看，對(duì)照和氮沉降下A、B級(jí)細(xì)根生物量較高，其次為D級(jí)，C級(jí)最少；低氮下生物量增加到A、B級(jí)較粗根上，而C、D級(jí)無(wú)顯著變化；高氮下A、B、C級(jí)細(xì)根均顯著增加，而D級(jí)則顯著下降。氮沉降下根瘤生物量均顯著下降，但低氮和高氮下無(wú)顯著性差異。即氮沉降降低了較細(xì)細(xì)根和根瘤的生長(zhǎng)量，促進(jìn)了較粗細(xì)根生長(zhǎng)，而生物量分配向后者偏倚。

圖1 模擬氮沉降下不同根級(jí)細(xì)根生物量

2.2 對(duì)細(xì)根碳、氮、磷含量的影響

2.2.1 對(duì)碳含量的影響

從圖2可以看出，氮沉降下細(xì)根總碳含量略有增加，低氮和高氮沉降下分別增加了3.61%和7.98%。從細(xì)根碳分配變化情況來(lái)看，3組處理中均為C級(jí)細(xì)根相對(duì)較高，低氮沉降下碳含量增加僅體現(xiàn)在C級(jí)細(xì)根上，而在高氮沉降下B、C、D級(jí)細(xì)根均顯著性增加，而A級(jí)細(xì)根則顯著性下降。對(duì)根瘤(RN)而言，低氮處理下碳含量顯著增加，而高氮下則相反顯著下降。即低氮處理下C級(jí)和根瘤碳含量增加；高氮處理下B、C、D級(jí)增加，而A級(jí)根和根瘤相反下降。

圖2 模擬氮沉降下不同根級(jí)碳含量

2.2.2 對(duì)氮含量的影響

從圖3可以看出，氮沉降下細(xì)根總氮含量無(wú)顯著性變化(P>0.05)。從細(xì)根氮分配變化情況來(lái)看，在對(duì)照下A、D級(jí)細(xì)根氮含量相對(duì)較高，B、C級(jí)細(xì)根占比相對(duì)較低；低氮沉降下，D級(jí)細(xì)根氮含量下降，而C級(jí)氮分配增加；在高氮沉降下，所有級(jí)別細(xì)根氮含量無(wú)顯著性變化。對(duì)根瘤(RN)而言，低氮處理下氮含量顯著增加，而高氮下無(wú)顯著性變化。即低氮處理提高了根瘤和C級(jí)細(xì)根氮含量，降低了D級(jí)細(xì)根氮含量，而高氮處理對(duì)細(xì)根氮含量無(wú)顯著影響。

2.2.3 對(duì)磷含量的影響

從圖4可以看出，氮沉降下細(xì)根總磷含量顯著下降，在低氮和高氮濃度下分別下降了17.95%和26.36%。從細(xì)根磷分配變化來(lái)看，在對(duì)照處理下B、D級(jí)細(xì)根含量較高，A、C級(jí)相對(duì)較低；低氮沉降下磷分配向C級(jí)細(xì)根集中，D級(jí)根含量最低；高氮沉降下磷分配向B級(jí)細(xì)根集中，A、D級(jí)含量最低。對(duì)根瘤(RN)而言，氮沉降下根瘤磷含量顯著下降，但低氮和高氮下無(wú)顯著性差異。即氮沉降下B、C中等徑級(jí)根磷分配增加，而最粗A級(jí)、最細(xì)D級(jí)和根瘤的磷分配減少。

圖3 模擬氮沉降下不同根級(jí)氮含量

圖4 模擬氮沉降下不同根級(jí)磷含量

2.3 對(duì)細(xì)根C/N、C/P和N/P的影響

2.3.1 對(duì)C/N的影響

從圖5可以看出，低氮下細(xì)根總碳氮比略微下降，而在高氮下略微升高，但均達(dá)不到顯著水平(P>0.05)。從不同徑級(jí)碳氮比變化情況來(lái)看，與對(duì)照相比低氮下僅D級(jí)細(xì)根碳氮比顯著升高，A、B、C級(jí)無(wú)顯著性變化；高氮下B、D級(jí)細(xì)根顯著升高，A、C級(jí)無(wú)顯著性變化。對(duì)根瘤(RN)而言，氮沉降下根瘤碳氮比顯著下降，但低氮和高氮下無(wú)顯著性差異。

2.3.2 對(duì)C/P的影響

從圖6可以看出，氮沉降下細(xì)根碳磷比顯著增加，且高氮下增加更多。從不同徑級(jí)碳磷比變化來(lái)看，與對(duì)照相比低氮下C級(jí)細(xì)根碳磷比顯著下降，而D、B、A級(jí)細(xì)根顯著增加，且D級(jí)細(xì)根增加最多；高氮下所有徑級(jí)細(xì)根碳磷比均顯著升高，且C、D級(jí)細(xì)根相對(duì)增加最多，對(duì)根瘤(RN)而言，低氮處理下碳磷比升高了32.22%，而在高氮下無(wú)顯著變化。即低氮下C∶P的增加主要體現(xiàn)在根瘤和D級(jí)細(xì)根上，而高氮下主要體現(xiàn)在C、D級(jí)細(xì)根上。

圖5 模擬氮沉降下不同根級(jí)C∶N

圖6 模擬氮沉降下不同根級(jí)C∶P

2.3.3 對(duì)N/P的影響

從圖7可以看出，氮沉降下細(xì)根總氮磷比顯著升高，但低氮和高氮下無(wú)顯著性差異。從不同徑級(jí)細(xì)根氮磷比變化來(lái)看，與對(duì)照相比低氮下A、B、D級(jí)細(xì)根氮磷比顯著增加，高氮下A、C、D級(jí)細(xì)根氮磷比顯著增加，且高氮沉降下細(xì)根增加量更大。對(duì)根瘤(RN)而言，低氮處理下下氮磷比增加了57.49%，而在高氮下無(wú)顯著性變化。即低氮下N:P的增加主要體現(xiàn)在根瘤上，而高氮下體現(xiàn)在A、C、D各級(jí)細(xì)根上。

圖7 模擬氮沉降下不同根級(jí)N∶P

2.4 相關(guān)性分析

從表1、表2可以看出，細(xì)根總碳與總生物量、C/N、C/P和N/P間有顯著正相關(guān)，總磷與總碳、總生物量、C/P和N/P間有顯著負(fù)相關(guān)，而總氮與所有指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。C/P與總生物量、N/P間有顯著兩兩正相關(guān)。施氮量與總生物量、總碳、C/P和N/P呈顯著正相關(guān)，與總磷呈顯著負(fù)相關(guān)，而與總氮和C/N無(wú)顯著相關(guān)性。

表1 細(xì)根總生物量、總元素含量和總計(jì)量比間相關(guān)系數(shù)(Pearson檢驗(yàn))

表2 細(xì)根分級(jí)和氮濃度及其交互作用對(duì)生物量和元素指標(biāo)影響的雙因素方差分析

3 討論

3.1 氮沉降對(duì)細(xì)根生物量的影響

由于受到樹(shù)種類(lèi)型、樹(shù)木年齡、環(huán)境條件等因素的影響，氮沉降對(duì)細(xì)根生物量的影響存在爭(zhēng)議，有可能會(huì)促進(jìn)[11]，抑制[12～13]或無(wú)影響[14]。土壤肥力、土壤中其他化學(xué)組分、施氮濃度等也可能干擾氮沉降的效果[15]。本研究中，氮沉降下中國(guó)沙棘細(xì)根生物量有所增加，且在高氮(8 g·N·m-2·a-1)下增加更多，暗示自然狀態(tài)下土壤氮庫(kù)不足以支撐細(xì)根生長(zhǎng)，中國(guó)沙棘可能處于氮限制狀態(tài)。細(xì)根是土壤中養(yǎng)分和水分吸收主要部位，低徑級(jí)的細(xì)根占比越多，吸收作用越大；然而直徑越小的根壽命越短，且更容易被土壤動(dòng)物取食或被分解，因此細(xì)根直徑大小和徑級(jí)分配是一種適應(yīng)性權(quán)衡[16]。本研究中從細(xì)根徑級(jí)分配來(lái)看，氮沉降下細(xì)根生物量的增加主要表現(xiàn)在A、B級(jí)較粗根上，而吸收力更高的D級(jí)(<0.5 mm)根和具有固氮作用的根瘤生物量均有所下降，可能歸因于氮沉降下土壤中氮素變得更易于獲取，而將有限的投資轉(zhuǎn)移到壽命更長(zhǎng)、承擔(dān)運(yùn)輸任務(wù)的較粗級(jí)別根上。

3.2 氮沉降對(duì)細(xì)根碳氮磷含量與計(jì)量的影響

研究顯示，隨著氮沉降量的增加，土壤氮有效性得到提高，細(xì)根組織氮含量可能增加[17～19]。本研究中，氮沉降對(duì)細(xì)根總氮和A、B級(jí)根(較粗的起養(yǎng)分儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)作用的根)氮含量無(wú)顯著性影響，可能與中國(guó)沙棘是固氮性樹(shù)種有關(guān)，其細(xì)根對(duì)土壤氮素的耐受度較高，較低氮沉降水平可能不會(huì)導(dǎo)致細(xì)根中氮的積累。在低氮沉降下，A、B級(jí)根氮含量不變，C級(jí)根和根瘤增加而D級(jí)根下降，表明與高徑級(jí)根相比，低徑級(jí)根和根瘤對(duì)氮沉降更為敏感，氮含量變化可能與其生理活動(dòng)變化有關(guān)。

研究表明，土壤氮有效性會(huì)影響根系對(duì)磷的吸收效果，適度氮添加會(huì)顯著促進(jìn)根系對(duì)P的吸收，而過(guò)量氮添加可能抑制植物生長(zhǎng)和根系發(fā)育，而減少了P的吸收和利用[20～21]。本研究中，氮沉降下細(xì)根總P含量顯著下降，且在高氮沉降下降低更多(26.36%)，導(dǎo)致C/P和N/P顯著升高。從細(xì)根生物量來(lái)看，氮沉降對(duì)細(xì)根生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用，且高氮下促進(jìn)作用更強(qiáng)，因此可推測(cè)氮沉降下細(xì)根P含量的降低，并不是由于氮添加過(guò)量導(dǎo)致的抑制作用。氮沉降下細(xì)根P含量下降較為均勻，各級(jí)細(xì)根和根瘤P含量均下降(除低氮下B級(jí)和高氮下C級(jí)根)，其原因有待進(jìn)一步研究。

3.3 氮沉降對(duì)細(xì)根碳氮磷計(jì)量的影響

本研究中，在對(duì)照、低氮和高氮下，中國(guó)沙棘細(xì)根總C含量分別為410.70 mg·g-1、426.06 mg·g-1、446.30 mg·g-1，總N含量分別為28.67 mg·g-1、29.81 mg·g-1、29.33 mg·g-1，總P含量分別為2.94 mg·g-1、2.41 mg·g-1、2.16 mg·g-1，C:N:P比值分別為140∶10∶1、177∶12∶1和207∶14∶1，總C含量略低于中國(guó)植物細(xì)根C平均值(473.9 mg·g-1)，而N和P含量均遠(yuǎn)高于中國(guó)植物細(xì)根平均值(9.16 mg·g-1和0.95 mg·g-1)[22]。

由于細(xì)根中C/N的變化可能影響細(xì)根呼吸和分解速率，從而對(duì)地下C循環(huán)產(chǎn)生影響，因此C/N是細(xì)根化學(xué)計(jì)量研究的重點(diǎn)[15]。以往研究表明，氮沉降或?qū)е录?xì)根內(nèi)N含量升高，或引起C含量降低，從而使得C/N降低[23]。本研究中與對(duì)照相比，氮沉降下細(xì)根總C/N無(wú)顯著變化，原因可能與氮添加濃度較低，細(xì)根總氮含量未增加，而碳含量變化不大有關(guān)。C/N和C/P可以反映植物對(duì)N、P利用效率，本研究中，中國(guó)沙棘細(xì)根C/N和C/P遠(yuǎn)低于中國(guó)植物細(xì)根平均值(59.15和844.07)[22]，表明在高寒地區(qū)中國(guó)沙棘細(xì)根具有較好的氮、磷利用效率，且在氮沉降下，細(xì)根的磷利用效率顯著提高。

氮磷比(N/P)可以暗示植物的生長(zhǎng)受到氮還是磷元素的限制[23]。通常當(dāng)N/P小于14時(shí)，植物生長(zhǎng)主要受N限制，而當(dāng)N/P大于16時(shí)，植物生長(zhǎng)主要受P限制[25]。本研究中不同處理下，中國(guó)沙棘細(xì)根總N/P均小于14，由于沙棘根系具有共生根瘤菌，其生物固氮作用是一定的氮源補(bǔ)充；然而從氮沉降對(duì)中國(guó)沙棘細(xì)根生物量的具有促進(jìn)作用來(lái)看，我們推測(cè)中國(guó)沙棘生長(zhǎng)受到了氮的限制，但其機(jī)制有待進(jìn)一步研究。