不同氮素添加量對(duì)大興安嶺凍土區(qū)泥炭地植物細(xì)根形態(tài)的影響模擬研究

高晉麗,宋艷宇,宋長(zhǎng)春,張 豪,譚穩(wěn)穩(wěn),杜 宇

中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130102

大興安嶺凍土區(qū)位于歐亞大陸多年凍土帶南緣,地溫高、熱穩(wěn)定性差,對(duì)氣候變化響應(yīng)極其敏感[1]。大興安嶺凍土區(qū)泥炭地是我國(guó)泥炭地的主要分布區(qū)之一,在低溫、淹水、厭氧環(huán)境下,有機(jī)物生產(chǎn)和貯存速率遠(yuǎn)大于分解速率,氮主要以有機(jī)形態(tài)儲(chǔ)存在凍土中,是典型的氮限制性生態(tài)系統(tǒng)[2]。氣候變暖以及人類(lèi)活動(dòng)影響導(dǎo)致凍土區(qū)凍融循環(huán)加劇,釋放出大量可被植物吸收利用的無(wú)機(jī)氮,提高根系氮吸收動(dòng)力[3-6]。大興安嶺凍土區(qū)泥炭地是研究全球變暖對(duì)泥炭地生態(tài)系統(tǒng)影響的理想?yún)^(qū)域。

氮素是植物生長(zhǎng)最重要的營(yíng)養(yǎng)元素,植物可以通過(guò)改變功能性狀來(lái)適應(yīng)土壤氮素營(yíng)養(yǎng)環(huán)境變化[7-9]。當(dāng)土壤氮素營(yíng)養(yǎng)水平升高后,地下部能量分配比例會(huì)提高,以提高植物養(yǎng)分吸收效率[10-12]。植物細(xì)根(直徑≤2 mm)是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官,對(duì)土壤環(huán)境變化較為敏感[13-14]。已有研究發(fā)現(xiàn),土壤氮素營(yíng)養(yǎng)環(huán)境變化能夠改變細(xì)根形態(tài),具體表現(xiàn)為細(xì)根數(shù)目、總根長(zhǎng)、表面積、體積、根尖數(shù)等指標(biāo)的變化[15-17]。因此,可以通過(guò)細(xì)根形態(tài)對(duì)氮添加的響應(yīng),研究土壤氮素營(yíng)養(yǎng)環(huán)境變化對(duì)植物地下過(guò)程的影響。

目前關(guān)于土壤氮素營(yíng)養(yǎng)環(huán)境變化對(duì)植物功能性狀影響的研究集中在地上部,對(duì)于地下部分(尤其是根系)的研究發(fā)展緩慢[18]。因此,本研究重點(diǎn)關(guān)注凍土區(qū)泥炭地植物根系對(duì)土壤氮素營(yíng)養(yǎng)環(huán)境變化的響應(yīng)。傳統(tǒng)的根系研究方法包括挖掘法、剖面法和土鉆法等,破壞性較大,不能直接觀察根系的動(dòng)態(tài)變化[19]。本實(shí)驗(yàn)采取的微根管觀測(cè)法(minirhizotron)基本不干擾細(xì)根的生長(zhǎng)環(huán)境,能對(duì)同一細(xì)根生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)[20-22],應(yīng)用WinRHIZO圖像分析軟件分析泥炭地不同深度(0—20 cm、20—40 cm)土壤中的植物根系形態(tài),選取的參數(shù)包括細(xì)根根長(zhǎng)、表面積、體積、根長(zhǎng)密度,用來(lái)反映植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育狀況和代謝能力,以探究氮素營(yíng)養(yǎng)環(huán)境變化對(duì)凍土區(qū)泥炭地植物根系形態(tài)的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究地點(diǎn)位于大興安嶺連續(xù)多年凍土區(qū)泥炭地(52°94′N(xiāo),122°86′E),該區(qū)氣候?qū)俸疁貛Ъ撅L(fēng)氣候,年凍結(jié)期長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月,8月下旬活動(dòng)層深度可達(dá)80—100 cm,其下為永凍層。

2020年5、6、7、8、9月份平均氣溫分別為8.26 ℃、13.59 ℃、19.54 ℃、13.96 ℃、9.91 ℃,降水量分別為25.9 mm、81.8 mm、41.6 mm、132.0 mm、73.7 mm。植物群落的垂直結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,灌木層的主要代表為柴樺(Betulafruticosa)、狹葉杜香(Ledumpalustrevar.angustum)和篤斯越桔(Vacciniumuliginosum)等；草本層的主要代表為白毛羊胡子草(Eriophorumvaginatum)等；地被層的主要代表為毛梳蘚(Ptiliumcrista-castrensis)、銹色泥炭蘚(Sphagnumfuscum)和檜葉金發(fā)蘚(Polytrichumjuniperinum)等[23]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在大興安嶺連續(xù)多年凍土區(qū)選取典型泥炭地,設(shè)置0 g N m-2a-1(CK)、6 g N m-2a-1(N1)、12 g N m-2a-1(N2)和24 g N m-2a-1(N3)4個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù),小區(qū)面積2 m×2 m,試驗(yàn)小區(qū)四周安裝隔離板(2 m× 2 m,0.8 m深)以防止氮橫向流失,各小區(qū)間設(shè)置1 m的隔離帶。2011年秋季布設(shè)實(shí)驗(yàn)樣地,從2012年開(kāi)始在生長(zhǎng)季內(nèi)(5—9月份)對(duì)氮添加處理施加NH4NO3,每月初以溶液的形式對(duì)小區(qū)噴灑,全年共噴灑5次。按照處理水平要求,將每個(gè)小區(qū)每次所需要噴灑的NH4NO3溶解在1 L地表水中,同時(shí),對(duì)照小區(qū)僅噴灑等量的地表水[24]。

1.3 觀測(cè)方法

本實(shí)驗(yàn)采用BTC- 100微根窗根系觀測(cè)系統(tǒng),在每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣地中安裝直徑5 cm、長(zhǎng)100 cm的底部密封的透明有機(jī)玻璃管(簡(jiǎn)稱(chēng)微根管),安裝微根管時(shí),微根管與地面角為45°,插入長(zhǎng)度約為70—75 cm,換算成垂直深度達(dá)50—55 cm,管子露出地面10 cm左右,露出地面部分用黑色膠布纏繞,以防光線(xiàn)進(jìn)入,再用淺色膠布覆蓋,并在頂端加蓋密封,避免灰塵和水分進(jìn)入管中。于2020年8月2日和9月8日進(jìn)行根系觀測(cè)。數(shù)據(jù)采用WinRHIZO圖像分析軟件(WinRHIZO TRON 2008,Regent Instruments,Canada),統(tǒng)計(jì)分析根長(zhǎng)、根表面積和根體積等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2007軟件整理后,采用SPSS 24軟件進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA),顯著性水平P<0.05。

以微根管觀測(cè)窗內(nèi)得到的根系長(zhǎng)度,計(jì)算單位土體的根長(zhǎng)密度(root length density, RLD, mm/cm3),其計(jì)算公式如下(1):

RLD=RL/(A×DOF)

(1)

其中,RL(mm)為觀測(cè)窗中觀測(cè)到的細(xì)根根長(zhǎng),A(cm2)為觀測(cè)窗面積,A取值為1.8 cm×1.4 cm,DOF(cm)為微根管到周?chē)寥赖木嚯x,DOF一般在0.2—0.3 cm,由于本研究中的植物細(xì)根直徑較小,計(jì)算中DOF取0.2 cm[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素添加對(duì)8月份細(xì)根形態(tài)的影響

在表層土壤(0—20 cm)中,隨施氮量增加,植物總根長(zhǎng)、總表面積、總體積和根長(zhǎng)密度均呈增加趨勢(shì),其中N3處理下細(xì)根總根長(zhǎng)、總表面積、總體積和根長(zhǎng)密度顯著高于其他處理(P<0.05),N2處理下細(xì)根總表面積和總體積顯著高于對(duì)照組和N1處理。N1、N2、N3處理下植物細(xì)根總根長(zhǎng)分別為對(duì)照組的1.36、2.16、4.97倍,總表面積分別為對(duì)照組的1.32、2.92、5.61倍,總體積分別為對(duì)照組的1.17、3.45、6.54倍。在亞表層土壤(20—40 cm)中,施氮對(duì)細(xì)根總根長(zhǎng)、總表面積、總體積和根長(zhǎng)密度均無(wú)顯著影響(P>0.05)。各處理下表層土壤(0—20 cm)中的根長(zhǎng)密度占總根長(zhǎng)密度的較大部分,亞表層土壤僅占極小的一部分,表層土壤中的根長(zhǎng)密度分別比亞表層土壤(20—40 cm)高24%(CK)、74%(N1)、154%(N2)、487%(N3)(圖1)。

圖1 不同濃度氮素添加對(duì)8月份植物細(xì)根總根長(zhǎng)、總表面積、總體積和根長(zhǎng)密度的影響Fig.1 Effects of different concentrations of nitrogen additions on total root length, total surface area, total volume and root length density in August不同小寫(xiě)字母表示同一土壤深度不同處理間根系特征存在顯著差異(P<0.05),CK、N1、N2、N3氮素添加量分別為0 g N m-2 a-1、6 g N m-2 a-1、12 g N m-2 a-1、24 g N m-2 a-1

2.2 氮素添加對(duì)9月份細(xì)根形態(tài)的影響

在表層土壤(0—20 cm)中,隨施氮量增加,總根長(zhǎng)、總表面積、總體積和根長(zhǎng)密度均呈增加趨勢(shì),其中N3處理下細(xì)根總根長(zhǎng)和根長(zhǎng)密度顯著高于對(duì)照組,總表面積和總體積顯著高于對(duì)照組和N1處理(P<0.05)。N1、N2、N3處理下植物細(xì)根總根長(zhǎng)分別為對(duì)照組的1.47、2.85、3.42倍,總表面積分別為對(duì)照組的1.15、3.37、4.86倍,總體積分別為對(duì)照組的0.97、3.72、6.29倍。在亞表層土壤(20—40 cm)中,施氮對(duì)細(xì)根總根長(zhǎng)、總表面積、總體積和根長(zhǎng)密度均無(wú)顯著影響(P>0.05)。各處理下表層土壤中的根長(zhǎng)密度占總根長(zhǎng)密度的較大部分,亞表層土壤僅占極小的一部分,表層土壤中的根長(zhǎng)密度分別比亞表層土壤高110%(CK)、158%(N1)、366%(N2)、467%(N3)(圖2)。

圖2 不同濃度氮素添加對(duì)9月份植物細(xì)根總根長(zhǎng)、總表面積、總體積和根長(zhǎng)密度的影響Fig.2 Effects of different concentrations of nitrogen additions on total root length, total surface area, total volume and root length density in September不同小寫(xiě)字母表示同一土壤深度不同處理間根系特征存在顯著差異(P<0.05)

3 討論

3.1 氮素添加對(duì)植物細(xì)根根長(zhǎng)的影響

根長(zhǎng)是根系生長(zhǎng)發(fā)育的重要特征之一,通常用來(lái)指示根系對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)[26]。本研究中,施氮處理增加了植物細(xì)根的總根長(zhǎng),在表層土壤中(0—20 cm),植物細(xì)根的總根長(zhǎng)隨施氮量增加而增加,但對(duì)亞表層土壤(20—40 cm)的細(xì)根生長(zhǎng)影響較小,可能由于本研究地點(diǎn)位于大興安嶺連續(xù)多年凍土區(qū),亞表層土壤溫度較低、有效養(yǎng)分不足和通氣條件不適于植物生長(zhǎng)。說(shuō)明在氮限制環(huán)境中,土壤氮素營(yíng)養(yǎng)水平升高后,植物的生長(zhǎng)策略發(fā)生改變,傾向于促進(jìn)根系發(fā)育,來(lái)獲取更多的氮素,為植物地上部提供更多能量。

在對(duì)樟樹(shù)幼苗的觀測(cè)中也發(fā)現(xiàn),施氮處理可以顯著促進(jìn)幼苗細(xì)根長(zhǎng)度的增加,由于幼苗處于生長(zhǎng)旺盛期,對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的需求較大[17]。但也有研究提出相反的結(jié)論,土壤氮素營(yíng)養(yǎng)水平升高會(huì)抑制根系生長(zhǎng),可能由于植物光合作用固定的碳化合物有限,不足以為根系生長(zhǎng)提供額外的能量[27]。也可能是長(zhǎng)期氮添加導(dǎo)致土壤酸化,降低表層土壤(0—20 cm)pH值,抑制細(xì)根根尖分生組織細(xì)胞分裂,進(jìn)而影響細(xì)根長(zhǎng)度[28]。根系長(zhǎng)度對(duì)土壤環(huán)境變化的響應(yīng)十分復(fù)雜,這可能與植物種類(lèi)、土壤pH值、土壤氮含量不同等因素有關(guān),所以不同生存環(huán)境中的植物根系對(duì)氮添加的響應(yīng)具有較大差異。

3.2 氮素添加對(duì)植物細(xì)根表面積的影響

根表面積作為反映細(xì)根形態(tài)變化的一個(gè)重要指標(biāo),能夠影響植物的吸收功能[29],并且相對(duì)于根長(zhǎng)而言,根表面積能夠更好的量化細(xì)根吸收功能[30]。根表面積與參與氮代謝的關(guān)鍵酶有顯著正相關(guān)性,對(duì)氮代謝具有積極的促進(jìn)作用[31]。本研究發(fā)現(xiàn),在表層土壤中(0—20 cm),施氮處理顯著增加了植物細(xì)根的總表面積,其中8月份N2、N3處理均與對(duì)照組有顯著差異(P<0.05),9月份N3處理與對(duì)照組有顯著差異。說(shuō)明在氮限制的環(huán)境中,植物細(xì)根對(duì)表層土壤有效氮含量增加響應(yīng)較敏感,可通過(guò)提高在土壤中的分布面積,增強(qiáng)細(xì)根吸收養(yǎng)分的能力。植物根系對(duì)土壤氮素營(yíng)養(yǎng)水平變化的響應(yīng)十分復(fù)雜,氮營(yíng)養(yǎng)增加可能使細(xì)根表面積增加[32],也可能降低細(xì)根表面積或沒(méi)有顯著影響。研究表明短期施加氮肥可增加細(xì)根表面積,提高細(xì)根的養(yǎng)分吸收能力與養(yǎng)分吸收效率[33]。在森林生態(tài)系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn),施氮顯著降低了表層土壤(0—20 cm)中喬木植物的細(xì)根表面積,這可能由于土壤有效氮含量增加后,較少的活根就可以滿(mǎn)足植物的營(yíng)養(yǎng)需求,因此減少根系的能量分配比例[34]。目前一些新的研究發(fā)現(xiàn),植物根系的形態(tài)不僅受外界環(huán)境的影響,還受自身遺傳機(jī)制的限制[35]。

3.3 氮素添加對(duì)植物細(xì)根體積的影響

根系體積可以反映根系的發(fā)達(dá)程度。本研究區(qū)域?yàn)榈湫偷牡拗菩原h(huán)境,植物對(duì)土壤氮素營(yíng)養(yǎng)水平變化響應(yīng)比較敏感,研究結(jié)果表明,在表層土壤中(0—20 cm),施氮處理顯著增加了植物細(xì)根的總體積,其中8月份N2、N3處理均與對(duì)照組有顯著差異(P<0.05),9月份N3處理與對(duì)照組有顯著差異(P<0.05)。氮素營(yíng)養(yǎng)環(huán)境變化可以改變細(xì)根的生存策略,通過(guò)增加根系體積,提高氮素吸收和利用效率,促進(jìn)根系生物量的積累[36-37]。但也有研究提出相反觀點(diǎn),認(rèn)為根系體積增大會(huì)使細(xì)根周轉(zhuǎn)速率減慢,對(duì)于草本植物而言,當(dāng)細(xì)根直徑為1.6 mm時(shí)根系周轉(zhuǎn)率最高[38]。在本研究區(qū)域,草本植物根系相對(duì)較細(xì),即使體積增大依然具有較高的根系周轉(zhuǎn)速率,能夠從土壤快速吸收養(yǎng)分。當(dāng)然,細(xì)根功能的變化應(yīng)與細(xì)根結(jié)構(gòu)特征相結(jié)合,例如,細(xì)根體積的變化,可能為皮層厚度的變化,也可能為中柱直徑的變化,需要在未來(lái)研究中深入探討[16]。總體而言,在氮限制性環(huán)境中,土壤氮素營(yíng)養(yǎng)水平增加可以促進(jìn)細(xì)根生長(zhǎng),提高植物細(xì)根體積以此來(lái)增強(qiáng)植物吸收氮元素的能力。

3.4 氮素添加對(duì)植物細(xì)根根長(zhǎng)密度的影響

本研究發(fā)現(xiàn),0—20 cm土層中根長(zhǎng)密度與施氮量呈正相關(guān),且隨施氮量的增加表層土壤(0—20 cm)中根系分布比例增加,說(shuō)明一定程度的氮素脅迫可誘導(dǎo)植物根系向土壤深處延伸。張微微等人的研究也有相同結(jié)論,施氮可以使小麥根系在表層土壤(0—20 cm)中的生物量增加,分布比例增加[39-40]。

植物根系的垂直分布與土層的深度有關(guān),隨著土層加深,細(xì)根生物量呈逐漸下降的變化規(guī)律。本研究中根長(zhǎng)密度也表現(xiàn)出同樣的變化規(guī)律,根系主要在0—20 cm,與周本智、傅懋毅和何永濤等的研究結(jié)果相似[41-42],可能由于表層土壤更靠近施氮部位,土壤氮素營(yíng)養(yǎng)水平更高。而在其他研究中發(fā)現(xiàn)不同的根系垂直分布規(guī)律,如王健健等研究顯示,植物細(xì)根生物量隨土壤層深度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì),10—20 cm土壤層細(xì)根生物量最大,在50—60 cm土壤層細(xì)根生物量最小[43]；又如在新疆干旱區(qū),植物細(xì)根生物量表現(xiàn)為表層細(xì)根生物量少,20—30 cm土壤層最大[44]。由此可見(jiàn),在連續(xù)多年凍土區(qū)泥炭地,土壤表層是根系對(duì)養(yǎng)分吸收的主要土層,儲(chǔ)存大量植物可利用的有效成分,能促進(jìn)細(xì)根生物量的積累。

4 結(jié)論

本研究在大興安嶺凍土區(qū)泥炭地開(kāi)展氮添加模擬試驗(yàn),研究結(jié)果表明表層土壤(0—20 cm)中植物細(xì)根的總根長(zhǎng)、總表面積、總體積和根長(zhǎng)密度隨施氮量增加而增加,其中N3處理與對(duì)照組有顯著差異,施氮也增加了根系在表層土壤中的分布比例；但對(duì)亞表層土壤(20—40 cm)中的細(xì)根生長(zhǎng)影響幅度小于表層土壤,由于本研究地點(diǎn)為凍土區(qū)泥炭地,亞表層土壤溫度較低、有效養(yǎng)分不足和通氣條件不適于植物生長(zhǎng)。說(shuō)明氮素添加在一定程度上減緩了植物的氮限制,能夠顯著促進(jìn)泥炭地表層土壤中植物細(xì)根的生長(zhǎng),但對(duì)亞表層土壤中細(xì)根的生長(zhǎng)影響幅度小于表層土壤。