杉木幼苗細(xì)根呼吸對土壤增溫的馴化

陳宇輝，陳光水，郭潤泉，宋濤濤，姜琦，傅胤

(福建師范大學(xué)a.濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地，b.地理研究所，福州 350007)

0 引言

細(xì)根(≤2 mm)是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，是根系最活躍和敏感的部位。細(xì)根通過呼吸作用，利用碳水化合物進(jìn)行新陳代謝，為根的生長、吸收和輸送養(yǎng)分等提供能量(如三磷酸腺苷)和碳架[1]。植物根呼吸占森林土壤呼吸的40%～60%，消耗光合作用固定CO2總量的8%～52%。其碳釋放量高達(dá)18×1015g·a-1 [2]，是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分，是森林碳循環(huán)的重要途徑之一。增溫是現(xiàn)在以及未來氣候變化的主要趨勢之一，到21世紀(jì)末，全球氣溫將上升1.1～6.4 ℃。研究指出，短期內(nèi)陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸通量與氣溫呈指數(shù)關(guān)系[3]，氣候變暖將迅速增加生態(tài)系統(tǒng)呼吸，陸地生態(tài)系統(tǒng)將釋放更多的CO2，加快氣候變暖。作為生態(tài)系統(tǒng)呼吸的重要組分之一，根呼吸如果對增溫產(chǎn)生馴化，將會減弱這種正反饋關(guān)系。根系呼吸對溫度的馴化是指植物通過后續(xù)調(diào)節(jié)根系呼吸速率來補償最初的溫度變化，通常表現(xiàn)為在不同溫度下生長的植物，在其生長溫度有相同的呼吸速率[1]。植物根組織可能在高溫時降低呼吸速率，也可能在低溫時調(diào)高呼吸速率，以此適應(yīng)環(huán)境的變化。

目前已有一些研究發(fā)現(xiàn)根呼吸對溫度產(chǎn)生馴化的現(xiàn)象。如在較高的溫度(30～35 ℃)下，在短期暴露(幾個小時)的情況下，根系呼吸仍可能遵循增加的趨勢，而在長期暴露(幾天)時保持穩(wěn)定或下降(即馴化)[4-7]。Jarvi等[7]對以糖楓(AcersaccharumMarsh)為主的北方闊葉林進(jìn)行增溫試驗，發(fā)現(xiàn)細(xì)根呼吸對土壤增溫產(chǎn)生了部分馴化。許辰森等[8]研究結(jié)果也表明，在18 ℃參比溫度下，增溫使杉木伴生植物細(xì)根呼吸出現(xiàn)部分馴化。但也有一些研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)根呼吸不產(chǎn)生馴化現(xiàn)象。如Sowell等[9]研究發(fā)現(xiàn)高山冷杉(Abieslasiocarpa)和恩格曼云杉(Piceaengelmannii)根系呼吸均未對土壤溫度季節(jié)性變化產(chǎn)生馴化。Burton等[10]在 6 ℃和 18 ℃參比溫度下測定90年生糖楓的細(xì)根呼吸，發(fā)現(xiàn)細(xì)根呼吸沒有對土壤溫度的季節(jié)性變化產(chǎn)生馴化，僅當(dāng)土壤溫度達(dá)到 24 ℃時出現(xiàn)部分馴化。目前關(guān)于根呼吸對溫度馴化已提出了一些機制，主要包括酶容量的變化和底物限制等[3]。

關(guān)于細(xì)根呼吸對土壤增溫馴化的研究，多集中于中高緯度地區(qū)，熱帶和亞熱帶地區(qū)較少。研究多以室內(nèi)培養(yǎng)或盆栽實驗為主，野外增溫實驗多采用紅外加熱燈或開頂箱(OTC)增溫。杉木(Cunninghamialanceolata)是中國南方重要的造林和用材樹種，約占中國人工林面積的四分之一，在中國林業(yè)生產(chǎn)和森林碳匯中發(fā)揮著重要作用[11]。本研究是在亞熱帶地區(qū)杉木幼林地布設(shè)增溫電纜進(jìn)行土壤增溫，增溫時長2年以上，目的是探討杉木幼苗細(xì)根呼吸作用是否會在較長時間(幾個月到幾年)內(nèi)調(diào)整以適應(yīng)實驗中土壤溫度的增加，從而減少植物體向大氣排放CO2含量。同時本研究也評估細(xì)根呼吸對增溫產(chǎn)生馴化的兩種可能機制：(1)當(dāng)碳水化合物供應(yīng)不足以支持根組織的呼吸需求時，底物限制可能導(dǎo)致呼吸馴化[3]。(2)隨著時間的推移，增溫處理中產(chǎn)生具有較低酶促能力的細(xì)根，表現(xiàn)為較低的細(xì)根氮(N)濃度。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省三明市森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化研究站陳大觀測點(26.32°N，117.60°E)。該地區(qū)平均海拔300 m，土壤以花崗巖發(fā)育的紅壤和黃壤為主。研究區(qū)多年平均氣溫19.1 ℃，多年平均降水量1 749 mm，多年平均蒸發(fā)量1 585 mm，相對濕度81%，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候。

1.2 試驗設(shè)計及取樣

試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計。試驗區(qū)共有12塊樣地，每塊面積為2.5 m×2.5 m，設(shè)置對照(CT)和增溫(W，+4 ℃)兩種處理，每種處理6個重復(fù)。樣地土壤取自附近杉木人工林0～40 cm土層，剔除根系、石塊等雜物，混合均勻后填入樣地，填入土壤深度達(dá)50 cm。2014年10月在各樣地平行布設(shè)加熱電纜，深度10 cm，行間距20 cm，并在最外圍環(huán)繞一圈，保證樣地均勻增溫。同時各布設(shè)1個土壤溫度和濕度傳感器，監(jiān)測土壤溫度和濕度的變化。次年1月在各樣地兩條電纜中間，種植5棵一年生三代杉木幼苗，苗木苗高和地徑相似，苗高約50 cm，編號掛牌。土壤理化性質(zhì)見表1。

表 1 不同處理土壤理化性質(zhì) (平均值±標(biāo)準(zhǔn)差) Table 1 Soil properties of different treatments (means ± SD)

土壤性質(zhì)對照(CT) 增溫(W,+4 ℃)含水率/%15.83±0.7414.63±0.49pH4.61±0.084.61±0.04總C/(mg·g-1)12.49±1.2910.21±0.71總N/(mg·g-1)1.16±0.120.98±0.05總P/(mg·g-1)0.78±0.070.69±0.06NH4+-N/(mg·kg-1)4.56±0.156.19±0.58NO3--N/(mg·kg-1)1.39±0.571.77±0.59

2017年4月、8月和10月，在每個樣地鉆取3～4根土芯(0～10 cm)，挑出細(xì)根。洗凈后的部分細(xì)根于65 ℃下烘干至恒重，球磨儀研磨后用于測定細(xì)根N和非結(jié)構(gòu)性碳的含量。取少量活根放入生理緩沖液(10 mmol·L-1MES，1 mmol·L-1CaSO4)中，20 ℃ 恒溫水浴靜置10 min，以備測定細(xì)根呼吸。在參比溫度下測量不同處理間根系呼吸速率，是評估根系呼吸是否產(chǎn)生馴化的一種可靠方法[1]。本研究選擇20 ℃作為評估馴化的參比溫度，因為它接近于本地區(qū)的年平均土壤溫度。

1.3 測定方法

1.3.1 比根呼吸測定

比根呼吸使用Oxytherm液相氧電極(Oxytherm，Hansatech，UK)測定。將水浴處理的活根放入氧電極的反應(yīng)室中，加入2 mL緩沖液。當(dāng)根呼吸反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后開始測定氧氣消耗量，每個樣地測定3次。細(xì)根在離體2 h內(nèi)完成呼吸測定。測定結(jié)束后用數(shù)字化掃描儀Espon scanner對細(xì)根進(jìn)行掃描，使用Win-RHIZO(Pro2009b)根系圖像分析軟件進(jìn)行形態(tài)特征分析。掃描結(jié)束后樣品烘干稱重。比根呼吸速率(specific root respiration，SRR)=呼吸速率×體積/60/干質(zhì)量(nmol O2·g-1·s-1)。

1.3.2 細(xì)根非結(jié)構(gòu)性碳測定

使用改進(jìn)后的苯酚-硫酸法測定細(xì)根非結(jié)構(gòu)性碳(non-structural carbohydrates,NSC)中的可溶性糖和淀粉。

可溶性糖的提?。悍Q取60 mg粉碎后的干樣，加入 80%乙醇10 mL，萃取24 h后靜置10 min，將上清液倒入容量瓶。殘留沉淀物中再加入 80%乙醇5 mL，靜置10 min，上清液倒入同一個容量瓶，定容。留樣用于測定可溶性糖含量。

淀粉的提取：將上述提取后的殘余物在 80 ℃下烘至恒重，加入蒸餾水10 mL、3% 鹽酸3 mL，在水浴鍋中水解30 min后過濾、定容，用于測定淀粉含量。

1.3.3 細(xì)根N含量測定

稱取8～10 mg樣品用錫杯包樣并記錄重量，采用元素分析(vario EL Ⅲ Element Analyzer，Germany)測定細(xì)根中N含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，Origin 9.0作圖。采用混合線性模型分析增溫和季節(jié)對比根呼吸速率、非結(jié)構(gòu)性碳含量(可溶性糖和淀粉)、糖淀比以及細(xì)根氮濃度的影響。采用多重比較Bonferroni檢驗相同取樣時間不同處理之間比根呼吸速率的差異顯著性。采用協(xié)方差分析的方法對細(xì)根氮濃度和非結(jié)構(gòu)性碳含量結(jié)合增溫和季節(jié)對比根呼吸的影響進(jìn)行分析。因變量為比根呼吸速率，協(xié)變量為細(xì)根氮濃度，非結(jié)構(gòu)性碳含量以及糖淀比。

表 2 增溫和季節(jié)對比根呼吸、非結(jié)構(gòu)性碳和氮濃度混合線性模型分析P值 Table 2 Mixed linear model analysis of the effects of soil warming and season on specific root respiration, non-structural carbohydrates and nitrogen concentration

因子WSW×S比根呼吸速率0.086<0.01<0.01可溶性糖0.810<0.010.740淀粉0.061<0.010.573糖淀比0.150<0.010.781非結(jié)構(gòu)性碳0.2090.4120.465細(xì)根氮濃度0.3590.2140.301

注：S 季節(jié)，W 土壤增溫。

2 結(jié)果

2.1 土壤增溫對比根呼吸的影響

由表2可以看出，季節(jié)對比根呼吸有極顯著的影響(P<0.01)。土壤增溫對比根呼吸沒有顯著影響，但是增溫和季節(jié)的交互作用對此有極顯著影響(P<0.01)。春季和秋季土壤增溫促使杉木比根呼吸速率顯著上升，夏季比根呼吸速率顯著下降(圖1)，表明夏季杉木幼苗細(xì)根呼吸在土壤增溫下產(chǎn)生馴化現(xiàn)象。對照的比根呼吸速率在夏季出現(xiàn)最高值，增溫處理的比根呼吸速率則隨季節(jié)逐漸提高，在秋季有最大值。

2.2 土壤增溫對細(xì)根氮濃度和非結(jié)構(gòu)性碳的影響

由表2和圖2可以看出，土壤增溫、季節(jié)及兩者的交互作用對細(xì)根氮濃度均無顯著的影響，表明細(xì)根的氮濃度保持在比較穩(wěn)定的水平。

注：大寫字母表示相同季節(jié)增溫和對照處理差異顯著。小寫字母表示相同處理不同季節(jié)之間差異顯著。*表示存在顯著性。CT，對照；W，土壤增溫(+4 ℃)，下同。圖 1 不同季節(jié)不同處理的比根呼吸速率Figure 1 Specific root respiration rate in different seasons and different treatments

圖 2 不同季節(jié)不同處理的細(xì)根氮濃度Figure 2 Nitrogen concentration in different seasons and different treatments of fine root

注：小寫字母表示不同季節(jié)之間存在顯著差異(P<0.05)。 圖 3 不同季節(jié)不同處理細(xì)根可溶性糖、淀粉含量、非結(jié)構(gòu)性碳(NSC)濃度和糖淀比Figure 3 Soluble sugar, starch content, non-structural carbohydrates concentration and sugar-lake ratio of fine root

細(xì)根可溶性糖、淀粉含量和糖淀比都受到季節(jié)的極顯著影響(P<0.01,表2)。春季細(xì)根可溶性糖含量和糖淀比顯著低于夏季和秋季，春季的淀粉含量則高于夏季和秋季(圖3)。另外，土壤增溫對淀粉的影響達(dá)邊緣顯著水平(表2)，總體上增溫降低細(xì)根淀粉含量。

2.3 土壤增溫對細(xì)根呼吸的可能影響機制

協(xié)方差分析表明，細(xì)根氮濃度、非結(jié)構(gòu)性碳濃度和糖淀比均對細(xì)根呼吸有顯著影響(表3)。細(xì)根氮濃度顯著影響比根呼吸速率，濃度越高，呼吸速率越大。非結(jié)構(gòu)性碳含量和糖淀比增加，比根呼吸速率下降(表4)。在控制細(xì)根非結(jié)構(gòu)性碳和氮濃度后，土壤增溫、季節(jié)以及兩者的交互作用對比根呼吸有極顯著影響(表3)；檢驗發(fā)現(xiàn)在春季和秋季土壤增溫提高了比根呼吸速率，而在夏季則有顯著的抑制作用。

表 3 細(xì)根比根呼吸速率影響的協(xié)方差分析P值 Table 3 Covariance analysis of the effects on specific root respiration rate of fine root

變異來源比根呼吸速率土壤增溫0.041季節(jié)0.004土壤增溫×季節(jié)<0.01細(xì)根氮濃度0.038非結(jié)構(gòu)性碳0.015糖淀比0.041

表 4 杉木幼苗比根呼吸速率協(xié)方差分析固定效應(yīng)估計值 Table 4 Fixed effect estimate by covariance analysis for specific root respiration rate of the Chinese fir seedling

參數(shù)估計標(biāo)準(zhǔn)誤差df顯著性截距2.462 3860.476 8488.5200.001[增溫=0.00]0.175 9550.027 8517.2010.000[增溫=1.00]0b0——[季節(jié)=春]-0.203 4410.057 7385.4640.015[季節(jié)=夏]0b0——[季節(jié)=秋]0.104 1040.034 5774.8800.031[季節(jié)=春] × [增溫=0.00]-0.275 8740.035 4067.1840.000[季節(jié)=夏] × [增溫=0.00]0b0——[季節(jié)=秋] × [增溫=0.00]-0.363 1320.049 8755.2860.001[季節(jié)=春] × [增溫=1.00]0b0——[季節(jié)=夏] × [增溫=1.00]0b0——[季節(jié)=秋] ×[增溫=1.00]0b0——細(xì)根氮濃度0.347 7480.116 9424.2190.038非結(jié)構(gòu)性碳-0.725 6270.240 2398.6590.015糖淀比-0.248 9810.094 9475.7670.041

注：b表示因為此參數(shù)冗余，所以將其設(shè)為零。

3 討論

本研究表明，在20 ℃參比溫度下，春季和秋季增溫處理的比根呼吸速率顯著高于對照，土壤增溫促進(jìn)比根呼吸，杉木幼苗細(xì)根呼吸沒有產(chǎn)生馴化。夏季土壤增溫比根呼吸速率顯著低于對照，細(xì)根呼吸對土壤增溫產(chǎn)生馴化，該結(jié)果支持本研究的假設(shè)。本研究中夏季根呼吸產(chǎn)生高溫馴化的結(jié)果與以往一些研究相似，如 Gunn等[12]對雛菊(Bellisperennis)和早熟禾(Poaannua)幼苗根呼吸的實驗發(fā)現(xiàn)，短期內(nèi)將溫度從16 ℃升至20 ℃，測得根呼吸速率明顯高于長期維持在20 ℃的根呼吸速率。結(jié)果表明長期高溫使植物根下調(diào)呼吸，出現(xiàn)高溫馴化。Edwards等[13]在開頂箱(OTC)中增溫4 ℃，連續(xù)3個生長季節(jié)測定糖楓根系呼吸，發(fā)現(xiàn)糖楓根呼吸對高溫響應(yīng)不明顯，可能出現(xiàn)高溫馴化。Bryla等[5]用特殊設(shè)計的根室控制溫度變化，發(fā)現(xiàn)短期內(nèi)、土壤濕潤條件下，在30～35 ℃下根呼吸可能在短時間(幾個小時)內(nèi)呈上升趨勢，但長時間(幾天)后保持穩(wěn)定和下降(馴化)。

本研究發(fā)現(xiàn)細(xì)根呼吸存在部分溫度馴化，酶容量的變化和呼吸底物受到限制可能與高溫馴化有關(guān)[3]。細(xì)根呼吸的實質(zhì)是一系列的酶促反應(yīng)，受底物濃度和酶的限制。呼吸作用的底物為碳水化合物，分為結(jié)構(gòu)性碳水化合物和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)。其中NSC既是光合作用的產(chǎn)物，也是呼吸作用的底物，是參與樹木生命代謝的重要物質(zhì)，包括可溶性糖和淀粉等。當(dāng)碳水化合物供應(yīng)不足以支持根組織的呼吸需求時，發(fā)生底物限制。協(xié)方差分析表明，比根呼吸速率與NSC含量和糖淀比呈負(fù)相關(guān)，呼吸作用強，則底物消耗增加，淀粉向可溶性糖的轉(zhuǎn)換減少。但本研究中，3個季節(jié)增溫處理下的細(xì)根NSC含量與對照處理沒有顯著的差異，表明增溫并沒有引起NSC含量明顯的變化。土壤增溫對細(xì)根可溶性糖和淀粉含量也沒有顯著的影響，處理之間糖淀比差異不顯著。這表明底物限制可能不是本研究中杉木細(xì)根呼吸產(chǎn)生部分馴化的原因。

Jarvi等[7]假設(shè)在長期增溫下，植物可能構(gòu)建具有較低酶濃度的新細(xì)根。細(xì)根中較高的比酶活性將抵消較低酶濃度的影響，使足夠的代謝活動仍然發(fā)生，但不會產(chǎn)生過多呼吸C損失。在較溫暖的環(huán)境中構(gòu)建具有較低N濃度的組織[4]和組織N對溫度的適應(yīng)[14-16]均已觀察到?，F(xiàn)有的實驗結(jié)果表明細(xì)根N濃度不受處理的影響，因此還需要更多細(xì)根酶容量發(fā)生調(diào)整的證據(jù)。

在控制非結(jié)構(gòu)性碳濃度，細(xì)根氮含量以及糖淀比的影響后，杉木幼苗細(xì)根呼吸對土壤增溫依然表現(xiàn)出部分馴化。酶活性調(diào)節(jié)可能是出現(xiàn)馴化的原因之一。酶改變其分子空間構(gòu)象或最適溫度進(jìn)而調(diào)節(jié)其催化反應(yīng)的速度。催化產(chǎn)物與酶的活性中心結(jié)合，改變酶分子空間構(gòu)象，抑制酶的代謝活性[3,17]。Fenner等[18]發(fā)現(xiàn)土壤培養(yǎng)溫度升高，土壤多酚氧化酶和葡萄糖酶活性的最適溫度顯著上升。本研究中夏季溫度高，增溫進(jìn)一步提高土壤溫度，細(xì)根可能提高酶的最適溫度，在參比溫度20 ℃下增溫處理的酶促反應(yīng)速率低于對照處理，呼吸速率偏小，表現(xiàn)出馴化。除此之外，腺苷酸限制也可能是產(chǎn)生馴化的一個原因。腺苷酸限制可能是因為根生長、吸收養(yǎng)分等活動需要消耗的三磷酸腺苷(ATP)少于呼吸途徑產(chǎn)生的ATP。供大于求時，植物減少ATP向二磷酸腺苷(ADP)轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致ADP濃度降低和呼吸減弱[3]。土壤增溫處理下細(xì)根氮濃度沒有發(fā)生顯著的增加，表明N吸收、同化和運輸?shù)拇罅吭黾記]有發(fā)生，ATP需求減少，從而潛在地導(dǎo)致腺苷酸控制。

需要指出的是，本研究中采用離體根測定細(xì)根呼吸，由于根離體后顯著改變了根系環(huán)境和養(yǎng)分吸收過程[19]，與自然土壤條件下的實際根系呼吸可能有一定差異，這可能會對研究結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因而將來十分有必要深入探討原位條件下根系呼吸對增溫的馴化及機理的研究。

4 結(jié)論

土壤增溫對杉木幼苗細(xì)根呼吸的影響在不同季節(jié)存在差異。在參比溫度下，春季和秋季土壤增溫促進(jìn)杉木幼苗細(xì)根呼吸，夏季土壤增溫抑制杉木幼苗細(xì)根呼吸。這表明在長期增溫下，杉木幼苗根系呼吸僅在高溫的夏季對土壤增溫產(chǎn)生馴化，即杉木根系呼吸對增溫產(chǎn)生部分馴化。本研究中增溫對細(xì)根氮含量和非結(jié)構(gòu)性碳含量并沒有顯著影響，因此杉木通過構(gòu)建較低酶容量的細(xì)根以及底物限制均可能不是杉木細(xì)根呼吸產(chǎn)生部分馴化的原因。而細(xì)根酶活性調(diào)節(jié)以及腺苷酸的限制可能是杉木幼苗細(xì)根呼吸馴化的主要原因，但這有待進(jìn)一步實驗加以證實。