減少降水和草本競爭對白樺幼苗細根形態(tài)和生理特征的影響

張 萌，劉 寧，王雪劍，揚 帆，南宏偉

(山西農業(yè)大學 林學院，山西 晉中 030800)

黃土高原具有干旱半干旱區(qū)的典型氣候特征，降水有限而蒸發(fā)量較高，生態(tài)環(huán)境相對脆弱[1-2]。因此，水分脅迫是黃土高原現(xiàn)有森林發(fā)揮正常生態(tài)功能的主要限制因素之一。水資源減少將導致樹木個體各器官的形態(tài)結構和生理機制發(fā)生變化，對其生存能力以及森林植物群落結構產生影響，進而影響森林的碳匯功能，減弱森林生產力[3-6]。而細根(直徑≤2 mm)作為樹木吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，在水分脅迫下，其形態(tài)結構及生理活性不僅直接影響著樹木地上部分的生長發(fā)育[7-8]，還能夠顯著影響地下碳分配和水分運輸速率[9]，直接決定著樹木對于干旱環(huán)境的適應能力，對林分的正常發(fā)育和生長起到關鍵性作用[10-11]。因此，研究水分脅迫下樹木細根的適應機制對于黃土高原半干旱區(qū)森林營造的成功尤為重要。

森林樹種間的競爭是森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的自然活動之一。樹木個體的地上競爭主要是對于光資源的爭奪，而地下競爭則是搶奪土壤中的水分和養(yǎng)分，這2種競爭共同影響著森林植物的生存[12-14]。當某一資源匱乏時，樹木個體對于該資源的競爭將更加激烈，從而使競爭對個體的影響隨之增強[15]。因此，在干旱半干旱環(huán)境中，森林植物地下根系的競爭對樹木的影響和作用不容忽視。然而，在黃土高原的造林實踐中，人工栽植的樹木幼苗常常與原生草本和灌木共存，且黃土高原半干旱氣候在林木生長季節(jié)中導致相當程度的土壤水分虧缺[16]。因此，有必要了解草本競爭對于栽植幼苗生長和存活的影響，從而為黃土高原的造林工程提供科學依據(jù)。

隨著近自然造林和可持續(xù)林業(yè)理念的不斷推廣，目前黃土高原的造林工作多以采伐跡地和退耕坡田上針闊混交林的營造為主。其中，白樺(Betulaplatyphylla)作為深根系演替早期樹種，是用于造林的主要闊葉樹種[17-18]。因此，本研究以1年生白樺幼苗為試驗材料，在大田條件下進行盆栽控制實驗，通過模擬降水減少和人工引入草本競爭的方法，研究降水減少以及草本競爭對白樺幼苗細根的形態(tài)以及營養(yǎng)特征的影響，討論白樺在應對干旱脅迫以及草本競爭時的適應策略，為未來黃土高原針闊混交林營造中闊葉樹種的選擇提供相應的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究樣地位于山西省太原市郊區(qū)(111°30′-113°09′E，37°27′-38°25′N)，海拔760 m。屬北溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫9.5℃，1月平均-6.4℃，7月平均23℃，年均降水量456 mm，年平均蒸發(fā)量1 780 mm，約為年平均降水量的3.9倍，冬、春季最為干旱。霜凍期為10月中旬至次年4月中旬，無霜期平均149～175 d。

1.2 試驗設計

采用完全隨機區(qū)組設計，以降水量為主處理，共設置6個5 m×5 m的區(qū)組，隨機平均分配在正常降水和降水減少2個處理水平下。每區(qū)組內使用高0.5 m、直徑0.5 m的營養(yǎng)缽以6×4盆的方式栽植白樺幼苗，行距0.5 m，行內盆間距0.2 m。所有營養(yǎng)缽均掩埋于地下，營養(yǎng)缽四周有直徑1 cm的小孔4個，底部設有排水孔，以便在基本隔絕盆外土壤水分進入的同時，可于降水過多時排出盆內積水。每區(qū)組下隨機設置有草和無草2種草本競爭處理，每種草本競爭方式12盆，6個區(qū)組共栽植144盆。

2017年4月初，進行緩苗工作，使用實驗地附近農田30 cm表層土壤(土壤理化性質見表1)填滿所有營養(yǎng)缽，以模擬采伐跡地和退耕還林土壤。每盆栽植白樺1株，白樺幼苗選自本地苗圃中長勢和高度基本一致的1年生裸根苗。為保證幼苗的存活，栽植時未清洗根系。栽植2周后，使用同批次幼苗替換死亡的白樺幼苗，之后的生長季中未進行任何處理。當年生長季末，栽植幼苗均未死亡，并在原地無防護過冬。

表1 研究使用農田表層土壤的理化性質

2018年4月初，進行盆栽控制試驗，在各區(qū)組設置為有草的營養(yǎng)缽內均勻撒播約6 g商品早熟禾草種。2018年4月中旬，待早熟禾萌發(fā)后，清除無草處理下營養(yǎng)缽內所有的草本以及有草處理下營養(yǎng)缽內的雜草。2018年4月底試驗開始前，在減少降水處理區(qū)組上方3 m處搭建活動塑料遮雨棚，生長季降雨時打開以模擬減少降雨。其次，進行正常的苗期管理。

2018年5月初，白樺幼苗的平均高度為(20.98±3.02)cm，在有草處理的營養(yǎng)缽內，早熟禾的地上部分已充滿營養(yǎng)缽，葉長達40 cm，但直立部分高度在15 cm以下，因此未對白樺幼苗的地上生長構成競爭，僅構成地下競爭。在進行試驗期間，每2周以連根拔起的方式清除營養(yǎng)缽內外的雜草。

2019年春，部分幼苗過冬后地上部分存在不同程度的抽干現(xiàn)象，因此當年生長季末未測量苗高地徑，僅統(tǒng)計存活率。每周隨機抽取各區(qū)組內2個營養(yǎng)缽，使用數(shù)字化土壤水分計測量土壤含水率，此工作持續(xù)至樣本采集(表2)。

表2 各試驗處理土壤平均含水率

1.3 樣本采集

2019年10月，統(tǒng)計白樺幼苗的存活情況。用鐵鍬將存活的白樺幼苗營養(yǎng)缽挖起，輕輕抖掉根系周圍的壤土，用枝剪將較粗的根系(直徑≥20 mm)剪掉，將剩下的根系按編號分裝在自封袋內帶回實驗室，并區(qū)分白樺和草本根系。白樺扎根較深，其根系質地較硬，有韌性，表皮顏色呈黃褐色；草地早熟禾根系質地柔軟，細小且稠密，表皮顏色呈淡黃色，部分根系帶有節(jié)。

1.4 指標測定

借助數(shù)字游標卡尺挑出白樺幼苗細根(直徑≤2 mm)，并放在EPSON Perfection V700掃描儀中掃描，掃描圖片用Win Rhizo軟件進行分析，得出白樺幼苗形態(tài)指標。掃描后將所有細根用報紙包好于烘箱中烘干，烘箱溫度為80℃，烘干時間為48 h，稱量細根干重(g)，計算比根長(細根長度/細根干重)。

在每區(qū)組采集的細根樣本中，每個降水和草本競爭處理組合下選擇2株的根系樣本研磨后過篩(100目土壤篩)，用于生理指標測量。用PE-2400Ⅱ元素分析儀測根系樣本量C、N的含量(%)，用可見光分光光度計測量可溶性糖(%)、淀粉(%)以及非結構性碳水化合物(NSC)含量(%)[19-20]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

不同處理組合下白樺幼苗的存活率采用卡方檢驗分析。利用R 3.2.5軟件，以降水和草本競爭處理為自變量，對白樺幼苗細根生物量、比根長、平均直徑等根形態(tài)指標以及營養(yǎng)指標進行雙因素方差分析(ANOVA)。細根生物量、比根長和平均直徑經(jīng)平方根轉換以滿足正態(tài)性和齊性的要求。差異顯著的結果采用Tukey檢驗進行多重比較，使用sigmaplot12.5進行作圖。

2 結果與分析

2.1 白樺幼苗存活率

由表3可知，白樺幼苗平均存活率為85.42%。雖然降水減少后無草本競爭時白樺幼苗的存活率略低(77.8%)，但降水和草本競爭處理對白樺幼苗存活率的影響均不顯著(P>0.05)。

表3 降水和草本競爭處理組合下白樺幼苗的存活率

2.2 白樺幼苗細根形態(tài)特征

由表4可知，降水處理顯著影響了白樺幼苗細根的表面積和體積，草本競爭未影響白樺幼苗細根形態(tài)。而降水和草本競爭的交互作用僅在細根生物量指標上顯著。差異顯著變量的多重比較結果見表5和圖1。

表4 降水和草本競爭處理組合下白樺幼苗細根形態(tài)指標的方差分析結果(F值)

由表5可知，降水減少后白樺幼苗的細根表面積僅為(303.86±14.74)cm2，與正常降水下細根表面積(379.78±25.23)cm2相比減少19.99%。同樣，降水減少后白樺幼苗的細根體積僅為(6.38±0.381)cm3，相對正常降水(8.32±0.591)cm3減少23.32%。

表5 2種降水處理下白樺幼苗形態(tài)指標的多重比較結果

由圖1可見，在正常降水處理下，有草本競爭時白樺幼苗細根生物量顯著高于無草本競爭。但在減少降水處理下，二者無顯著差異。同時，有草本競爭時，正常降水下白樺幼苗細根生物量顯著高于減少降水，而在無草本競爭時，二者無顯著差異。

圖1 降水和草本競爭的交互作用對白樺幼苗細根生物量的影響

2.3 白樺幼苗細根生理特征

由表6可知，降水處理未影響白樺幼苗細根的生理特征。草本競爭顯著影響了白樺幼苗細根的全氮含量，但未影響白樺幼苗細根的全碳、可溶性糖、淀粉和NSC含量。降水和草本競爭的交互作用僅顯著影響了白樺幼苗細根淀粉含量和NSC含量。

表6 白樺幼苗細根營養(yǎng)指標的方差分析結果(F值)

由表7可見，草本競爭條件下白樺幼苗細根的全N含量為1.26±0.070%，與無草本競爭下全N含量(1.52±0.084%)相比減少17.11%。由圖2可見，在正常降水條件下，有草本競爭時白樺幼苗細根的淀粉和NSC含量呈現(xiàn)低于無競爭時相應含量的趨勢，而在減少降水的條件下，則呈現(xiàn)相反的趨勢，但上述差異均不顯著。同時，有草本競爭時，正常降水下白樺幼苗細根的淀粉和NSC含量顯著高于減少降水處理下。但在無草本競爭時，二者無顯著差異。

表7 2種競爭處理下白樺幼苗營養(yǎng)指標的多重比較結果

3 討論

3.1 減少降水和草本競爭對細根形態(tài)特征的影響

根據(jù)資源最優(yōu)分配理論的預測，當環(huán)境中水資源受限時，植物通常會增加細根生物量投入來獲得足夠的水分以滿足自身生長需要[21]。本研究中，減少降水處理未顯著影響白樺幼苗的細根生物量，與一般規(guī)律不符。這可能是因為植物對于土壤干旱脅迫的響應取決于土壤養(yǎng)分等其他生長所必需資源的可用性(表1)。例如，雖然Meieretal.在研究自然降水梯度下山毛櫸(Fagussylvatica)林的細根生物量時發(fā)現(xiàn)林分總細根生物量隨降水量的減少而顯著下降[22]，但D.Herteletal.發(fā)現(xiàn)[21]，山毛櫸林的總細根生物量僅在砂質土壤中隨土壤水分含量減少而增加，而在肥沃的壤土中并未顯著變化。因此，林木對干旱脅迫的響應除了要考慮土壤水分可利用性外，養(yǎng)分的可利用性也是一個不可忽略的因素[23]，而資源最優(yōu)分配理論并未考慮此因素。本研究采用耕地壤土進行試驗，土壤中養(yǎng)分含量較高，從而有可能減弱了土壤水分脅迫的影響，在之后的研究中將設計試驗加以論證。

圖2 減少降水和草本競爭對白樺幼苗細根代謝的影響

與土壤養(yǎng)分的混雜影響相似，本研究中不同降水處理下草本競爭對白樺幼苗細根生物量的影響不同。在正常降水處理下，草本競爭顯著增加了白樺幼苗的細根生物量，表現(xiàn)出較強的地下競爭能力。但在減少降水處理下，草本競爭的影響并不顯著。有研究發(fā)現(xiàn)深根系樹種的細根形態(tài)有利于1年生草本的生長生存[24-25]，且林下植物的競爭作用也顯著增加了樹木的細根生物量。同時，不同根系特征物種間的不對稱性競爭作用一般隨土壤水分含量增加而加強，隨土壤水分含量減少而減弱[26-27]。本研究中，白樺是典型的深根系樹種，隨著土壤深度增加，其細根生物量對地下總生物量的貢獻增加[28]，而早熟禾是林下常見草本，因此通過細根生物量反映出的白樺與草本細根的競爭關系與上述結論相符。

當土壤含水率降低時，林木不僅會調整細根生物量來適應水資源短缺，還可以通過提高比根長、增加細根表面積等來增加根系的投入產出比，從而積極應對干旱脅迫[3]。本研究中，白樺幼苗細根的表面積和體積在減少降水后顯著減小，且與草本地下競爭無關，并未表現(xiàn)出積極的響應。有研究指出，山毛櫸細根只有在沙質土壤較干燥的地方才會增加細根平均直徑和比根長[21]。Leuschner等[22]比較了5個不同降水量和土壤化學成分的樟子松成熟林，也沒有發(fā)現(xiàn)細根形態(tài)的顯著變化。不斷增加的干旱限制使得林木細根死亡率增加，死亡的林木細根由直徑更小，表面積更大的新根代替。也有研究表明，干旱脅迫將抑制植物主根的生長，促進植物側根生長。主根變細，林木側根易受干旱脅迫的影響而處于不斷更新狀態(tài)等因素導致林木細根形態(tài)響應消極[29]，這可能是本研究中白樺幼苗細根表面積和體積減少的原因。

綜上所述，減少降水后，白樺幼苗細根生物量未顯著下降但與草本的地下競爭減弱的結果說明，在跡地和退耕還林地等土壤養(yǎng)分含量高的立地上種植白樺幼苗時，草本對于白樺細根的地下競爭作用較弱。因此，即使未來氣候變化導致土壤水分含量下降，草本的競爭作用也不會對白樺幼苗的細根形態(tài)有不利影響。

3.2 減少降水和草本競爭對細根營養(yǎng)的影響

非結構性碳水化合物(NSC)由可溶性糖和淀粉組成，由植物葉片合成后輸送至根系。NSC不僅能為根系的結構建成提供原料，也是根系抗逆調節(jié)的重要物質[30-31]。雷虹等[32]研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)按需分配的原則，小葉錦雞兒在輕度干旱脅迫時，通過增加細根中可溶性糖含量，以提高細胞滲透勢，滿足自身水分需求，且隨著干旱程度加深，增加了粗根淀粉的含量，以合成防御性物質，抵抗干旱脅迫。與此不同的是，本研究中白樺幼苗細根的淀粉和NSC含量在無草本競爭時不受減少降水處理的影響，而在有草本競爭時顯著增加，但可溶性糖含量無顯著變化。減少降水處理后，草本競爭未影響土壤水分含量的測量結果說明白樺幼苗細根淀粉和NSC含量在草本競爭存在時增加并非是土壤水分的直接結果。鄭云普等[20]發(fā)現(xiàn)，由于淀粉不是滲透活性物質，以淀粉含量增加為前提時，植物體內NSC的增加并不是為了抵抗干旱脅迫，而是植物體水分的缺失影響了植物組織的結構建成；而S.W.Bockstette等[33]對白楊幼苗在生長初期對牧草競爭響應的研究中發(fā)現(xiàn)，牧草競爭增加了白楊根系中可溶性糖的含量，揭示白楊幼苗細根抵抗競爭的滲透調節(jié)機制，白楊幼苗對根系競爭的結構可塑性能力有限，但至少暫時能夠通過優(yōu)化吸水效率來補償根系尺寸和生根空間的減小。綜上所述，本研究中草本競爭存在時，白樺幼苗細根生物量在減少降水處理后顯著下降，反映了白樺幼苗和草本根系在土壤水分脅迫下的競爭關系減弱，且沒有啟動自身滲透調節(jié)機制，因此由葉片輸送至細根的淀粉等營養(yǎng)物質未用于白樺幼苗細根的結構建成，從而大量積累，進一步支持了其正常降水水平下用于白樺細根生物量增加以與草本進行競爭的結果。同時，白樺幼苗細根可溶性糖含量不受降水和草本競爭處理影響的結果說明白樺細根未對環(huán)境和生物因子脅迫產生積極的生理響應和適應。

4 結論

本研究使用耕土的大田盆栽試驗中，減少天然降水的處理未顯著影響白樺幼苗的存活率、細根(≤2 mm)生物量、比根長以及細根碳氮含量，但導致其細根表面積和體積顯著下降，說明白樺幼苗細根對干旱脅迫做出了消極響應。

當存在草本地下競爭時，白樺幼苗的存活率未受影響，但細根生物量在減少降水處理下顯著降低，并導致細根淀粉和NSC含量顯著升高，反映了土壤水分含量下降時白樺幼苗細根競爭能力的下降，從而與草本競爭能力減弱。

耕土栽植的白樺幼苗細根在正常天然降水下受草本地下競爭增加生物量，但在減少降水時形態(tài)和營養(yǎng)特征受草本地下競爭影響較小的結果表明，在跡地和退耕還林地等養(yǎng)分含量較高土壤上使用白樺幼苗造林時，無需考慮草本競爭的影響。