青藏高原东缘高寒灌丛根系分泌物碳氮输入对增温的响应

马志良

西华师范大学生命科学学院，四川 南充 637009

植物根系分泌物作为根系-微生物-土壤之间物质交换和能量传递的重要媒介物质，在调节土壤碳收支与养分循环过程中发挥着重要作用（Girkin et al.，2018）。植物每年通过根系分泌物的形式向土壤中输入的有机碳消耗了植物初级生产力的 5%—21%（Haichar et al.，2014），而且根系分泌物可以为根际微生物群落提供可利用性碳源和氮源，可有效调节根际微生物群落结构、数量和活性（Shahzad et al.，2015），还可通过激发效应（Wang et al.，2016）、化感作用（Cheng et al.，2015）等过程深刻影响根系-微生物-土壤之间的相互关系。然而，由于根系分泌物很快被根际微生物吸收、利用和分解以及受研究方法和技术手段的限制，在野外研究中很难对根系分泌物相关的土壤生态过程进行定性和定量研究（尹华军等，2018），这很大程度上限制了我们对植物根际生态过程的认识。植物根系分泌物输入及其介导的根系-微生物-土壤界面互作效应及其对土壤生物地球化学循环过程的影响已经成为陆地生态系统过程研究的一个热点和难点问题。

环境温度是影响植物根系分泌过程的关键生态因子。温度变化能通过影响植物初级生产、植物根系的生长、形态和生理活性直接影响根系分泌物输入通量和化学组成（Yin et al.，2013a；Kaiser et al.，2015），还可通过调节土壤水分、养分有效性和土壤微生物群落间接影响植物根系分泌过程（熊德成等，2016；Zhang et al.，2016）。然而，以往的研究主要针对人工控制条件下（实验室组培、砂培或水培）草本植物或木本植物幼苗，主要关注根系分泌物中有机物碳含量及组分的变化（Qiao et al.，2014；熊德成等，2016；蒋铮等，2018），其结果是否适用于野外条件下的森林植物还有待开展进一步研究。

分布在青藏高原东缘的高寒灌丛生态系统是响应气候变暖最为敏感的区域之一（IPCC，2013）。气候变暖正在深刻地改变该区域植物群落结构与分布，该区域高寒灌丛分布上限明显上升，且其分布面积仍在逐步扩张（Miehe et al.，2019）。气候变暖将会对该区域植物根系分泌物分泌过程及其介导的根际生态过程产生深刻影响，但缺乏必要关注。窄叶鲜卑花（Sibiraea angustata）灌丛是青藏高原特有的、具有代表性的典型高寒灌丛类型，垂直分布于海拔3000—4000 m，在川西岷江源区具有较高的群落稳定性（张诗羽等，2018）。目前，在该区域已开展氮素富集对高寒灌丛根系分泌物碳输入速率及通量的影响研究（何为等，2017），而关于增温对高寒灌丛根系分泌物碳、氮输入过程的影响研究还未见报道。因此，本研究以青藏高原东缘窄叶鲜卑花高寒灌丛为对象，开展OTC（Open top chamber）增温试验，采用根系分泌物原位连续动态收集技术，在生长季不同时期收集窄叶鲜卑花灌丛根系分泌物，量化灌丛根系分泌物碳、氮输入速率和通量的季节动态及其对增温的响应，为更清晰地认识气候变暖背景下青藏高原东缘高寒灌丛根系分泌物输入及其介导的土壤碳和养分循环过程提供基础理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国科学院设在四川省阿坝州松潘县川主寺镇卡卡沟的高寒灌丛定位研究点，地理坐标为 32°58′N，103°40′E，海拔 3300 m。坡度约为 20°。气候类型为典型的高原山地气候，昼夜温差大。年平均温度为4.8 ℃，年降水量693 mm，且主要集中于5—8月。季节性冻土期长达5个月。土壤类型为雏形土。研究区域内灌木层主要包括窄叶鲜卑花、山生柳（Salix oritrepha）、高山绣线菊（Spiraea alpina）、金露梅（Potentilla fruticosa）、刺黑珠（Berberis sargentiana）等；草本层主要包括羊茅（Festuca ovina）、红花绿绒蒿（Meconopsis punicea）、条纹龙胆（Gentiana striata）、黄花野青茅（Deyeuxia flavens）、钟花报春（Primula sikkimensis）等。研究点窄叶鲜卑花的高度 (1.5±0.1)m，丛径 (0.5±0.2) m，平均盖度 72%，分枝数 15—20。该区域0—30 cm土壤pH为5.79，土壤容重为0.67 g·cm-3，土壤有机碳和全氮含量分别为89.24 g·kg-1和 7.73 g·kg-1，土壤铵态氮和硝态氮含量分别为 26.17 mg·kg-1和 51.33 mg·kg-1。

1.2 试验设计

采用配对试验设计，设置变量为是否增温。于2015年10月初选择研究区域内物种组成、群落结构和生境相对均匀的窄叶鲜卑花灌丛群落，模拟增温试验采用开顶式生长室（OTC）对环境进行增温。基于窄叶鲜卑花灌丛群落的平均盖度和高度，OTC材料选用1.6 m×1.6 m×5 mm、透光性极好的有机玻璃板制成，有机玻璃板透光率达95%以上（生产厂家：成都天中广告材料有限公司），将4块有机玻璃板包围一株窄叶鲜卑花植株，制成正立方体型OTC，OTC下端插入土壤1 cm，地表增温面积为2.56 m2，窄叶鲜卑花植株生长于OTC装置的中央；同时在每个 OTC的附近随机设置一个对照（不增温）样方。增温和对照样方所选择的窄叶鲜卑花样株均具有一致的高度、盖度和相似的生长势。增温和对照处理均设置4个重复样方。

1.3 空气温度、土壤温度和土壤水分监测

增温和对照样方内空气温度、土壤温度和水份监测于2016年5月初开始进行。采用纽扣式温度传感器（DS1921G-F5#，Maxim/Dallas semiconductor，Sunnyvale，California，USA）分别对各处理的5 cm土层土壤温度和70 cm空气温度进行连续监测，所有的温度传感器均埋设在样方的中央。温度传感器设置为每120 min读取一次数据，自动记录试验期间空气温度和土壤温度变化，所得数据用于计算月平均土壤温度和空气温度。并且从 2016年生长季节开始，逐月对5 cm土层土壤含水量使用便携式土壤水分测定仪（TRIME TDR，IMKO，Germany）进行监测。

1.4 根系分泌物碳、氮输入速率和细根生物量测定

分别于2016年生长季初期（6月）、中期（8月）和末期（10月）利用改进的根系分泌物原位收集装置连续动态收集增温和对照处理下窄叶鲜卑花灌丛根系分泌物。根系分泌物收集方法简要概括如下：

选取增温和对照样方内的窄叶鲜卑花灌丛，沿着根系生长方向在0—30 cm土层内挖掘并寻找未受损伤的当年生细根（直径＜ 2mm），首先用去离子水将目标根系小心地冲洗干净，然后将目标根系转移到底部装有玻璃棉的针筒中，再将无菌玻璃珠装满针筒模拟土壤颗粒环境。通过进样管向针筒内注入20 mL营养液，以保持根系正常生长的养分需求，营养液主要成分为 0.2 mmol·L-1MgSO4、0.3 mmol·L-1CaCl2、0.2 mmol·L-1K2SO4、0.1 mmol·L-1KH2PO4。营养液注入完成后密封进样管和出样管，防止外界杂质流入针筒内。最后将针筒按根系生长方向放置，用原位泥土将整个装置覆盖。间隔24 h后使用真空泵通过出样管抽滤3次针筒内的液体以保证抽取完全，收集抽滤出来的所有液体并标记。抽滤结束后，再次注入20 mL营养液进行培养，以供第2天抽取。每次取样持续收集3 d。抽取的根系分泌物样品于4 ℃条件下保存，并迅速带回实验室。全部收集工作结束后，将针筒内的目标根系剪下，于65 ℃烘干至恒质量并称量。

根系分泌物收集完成后，首先在实验室中用0.22 μm的滤膜过滤，使用碳/氮分析仪（Multi N/C 2100，Analytik Jena AG，Jena，Germany）测定根系分泌物总碳和总氮的含量。结合目标根系干质量，计算单位根生物量根系分泌物碳、氮输入速率（mg·g-1·d-1）。

细根生物量测定采用连续土芯法，于2016年5—10月下旬分别在增温与对照处理下随机选取5个取样点，采用内径为5 cm的不锈钢土钻获取0—30 cm的土芯。然后将所获取的原状土芯于4 ℃下保存并迅速带回实验室，基于细根的颜色、外形、弹性，在显微镜下仔细挑选出窄叶鲜卑花的活细根。将所获得的细根样品于 65 ℃下烘干至恒质量，计算单位面积内细根生物量（g·m-2）。

1.5 数据计算与统计分析

生长季根系分泌物碳、氮输入通量 (g·m-2)=根系分泌物碳、氮输入速率平均值 (mg·g-1·d-1)×细根生物量 (g·m-2)×年生长天数 (d)（何为等，2017）。

其中，年生长天数根据前期野外物候观测调查（何为等，2017），研究区域内窄叶鲜卑花灌丛在5月下旬（5月22日）开始萌芽，大范围落叶开始于10月中旬（10月17日）。因此，以窄叶鲜卑花从萌芽到落叶时间段计为窄叶鲜卑花灌丛的生长季节，共计147 d。

利用单因素方差分析（One-way ANOVA）分别比较增温和对照处理下窄叶鲜卑花灌丛月平均空气温度、土壤温度和土壤含水量之间的差异（α=0.05）。利用单因素方差分析检验增温对细根生物量、根系分泌物碳、氮输入速率与通量的影响（α=0.05）。利用Pearson相关分析进行根系分泌物碳、氮输入速率与空气温度、土壤温度和土壤含水量的相关性检验（α=0.05）。所有统计分析均在SPSS 20.0中进行，作图使用Origin 8.5完成。图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 温度、水分动态

整个生长季节内，与对照处理相比，OTC增温分别使5 cm土层土壤温度和70 cm空气温度升高了1.3 ℃（P＜0.05）和0.5 ℃。同时，OTC增温使5 cm土层土壤含水量显著降低了3.17%（P＜0.05）（图 1）。此外，OTC增温没有改变空气温度、土壤温度和土壤含水量的动态规律。增温和对照处理土壤温度和空气温度均呈现出先增后减的变化趋势；土壤含水量除在6月因采样前降雨有所增加以外，增温和对照处理土壤含水量也呈现出先增后减的变化趋势。

2.2 细根生物量动态

图1 窄叶鲜卑花灌丛月平均土壤温度、空气温度和土壤含水量的季节动态Fig.1 Seasonal dynamics of soil temperature, air temperature and soil moisture on the S.angustata scrubland

窄叶鲜卑花灌丛细根生物量具有明显的季节动态（图 2），增温和对照处理细根生物量呈现先升高后降低的动态变化，均在7月达到最大值。对照处理窄叶鲜卑花灌丛细根生物量平均值为279.81 g·m-2。OTC增温使细根生物量显著（P＜0.05）增加了9.10%。

2.3 根系分泌物碳、氮输入速率和通量

由图3可以看出，生长季不同时期窄叶鲜卑花根系分泌物碳、氮输入速率明显不同，且均在生长季中期（8月）达到最大值。对照处理生长季初期（6月）、中期和末期（10月）根系分泌物碳输入速率分别为 0.55、0.74、0.68 mg·g-1·d-1，OTC 增温使根系分泌物碳输入速率显著（P＜0.05）增加了14.0%、69.1%和41.2%。对照处理生长季初期、中期和末期根系分泌物氮输入速率分别为0.05、0.08、0.07 mg·g-1·d-1，OTC 增温使根系分泌物氮输入速率显著（P＜0.05）增加了15.3%、70.2%和43.4%。然而，OTC增温在整个生长季节对根系分泌物碳/氮比均没有显著（P＞0.05）影响。相关分析结果表明，根系分泌物碳、氮输入速率与空气温度和土壤温度呈显著（P＜0.05）正相关，与土壤含水量相关性不显著（P＞0.05）（表1）。

图2 窄叶鲜卑花灌丛细根生物量的季节动态Fig.2 Seasonal dynamics of the fine root biomass on the Sibiraea angustata scrubland

图3 窄叶鲜卑花灌丛根系分泌物碳、氮输入速率及碳氮比的季节动态Fig.3 Seasonal dynamics of the rates of root exudative carbon, nitrogen and C/N on the Sibiraea angustata scrubland

表1 根系分泌物碳、氮输入速率与空气温度、土壤温度和土壤含水量之间的相关分析Table 1 Correlation between root exudative carbon and nitrogen input rates and air temperature, soil temperature and soil moisture

同时，OTC增温显著（P＜0.05）增加了窄叶鲜卑花根系分泌物碳、氮输入通量（图 4）。整个生长季节，对照处理窄叶鲜卑花根系分泌物碳、氮输入通量分别为 26.94 g·m-2和 3.03 g·m-2，OTC 增温分别使根系分泌物碳、氮输入通量显著（P＜0.05）增加了57.2%和46.9%。

图4 窄叶鲜卑花灌丛根系分泌物碳、氮输入通量Fig.4 The fluxes of the root exudative carbon and nitrogen inputs on the Sibiraea angustata scrubland

3 讨论

3.1 根系分泌物碳、氮输入速率的季节动态

在高寒生态系统中，气候（温度和降水）的季节性变化导致植物生长发育表现出明显的物候规律（孟凡栋等，2017），对植物根系分泌过程可能产生一定影响。本研究中，窄叶鲜卑花高寒灌丛根系分泌物碳、氮输入速率表现出一致的季节动态，均表现为生长季中期较高，而生长季初期和末期较低（图 3）。生长季不同时期根系分泌物碳、氮输入速率差异显著，并与植物所处的温度和降水条件一致（图 1）。相关分析结果也表明，根系分泌物碳、氮输入速率与空气温度和土壤温度呈显著正相关（表 1）。这与王小平等（2018）的研究结果一致，他们发现温度的季节动态变化诱导连香树（Cercidiphyllum japonicum）人工林根系生理活动发生相应的季节性动态变化，从而导致连香树人工林根系分泌物碳、氮输入速率呈现夏季较高而冬、春季较低的动态变化。在该研究区域，生长季初期，高寒灌丛植物刚刚萌芽，虽然冰雪融水使土壤水分有效性大大提高，但空气温度和土壤温度较低，不利于植物根系对土壤养分的吸收利用和光合作用的进行。因而，植物积累的光合产物较少，有限的光合产物还要用于植物自身生长及根系的发育和延伸，导致此时期根系分泌物碳、氮输入速率较低。而生长季中期气温大幅度升高，加之丰富的降水，使植物各项生理活性增强，植物光合速率和生产力显著提高，促使植物向地下根系分配更多的有机物（Coskun et al.，2017）。因而，根系分泌物碳、氮输入速率在此时期最高。而在生长季末期，气温逐渐降低，植物光合作用大幅降低，植物叶片开始大面积衰老、死亡、脱落，植物细根大量死亡，因此根系分泌物碳、氮输入速率也显著降低。

3.2 增温对根系分泌物碳、氮输入速率的影响

通常情况下，增温可显著促进植物根系分泌过程（Xu et al.，2015），Uselman et al.（2000）研究了增温对刺槐（Robinia pseudoacacia）根系分泌过程的影响，结果发现增温显著提高根系分泌物有机碳组分的输入速率。本研究也发现，整个生长季节内，OTC增温使根系分泌物碳、氮输入速率分别增加了 14.0%—69.1%和 15.3%—70.2%（图 3）。以下原因可以解释这一现象，（1）高寒灌丛生态系统温度升高将显著提高植物地上部分光合作用和初级生产力，有利于光合产物向地下根系的分配，进而促进根系分泌过程（Jiang et al.，2017；Zong et al.，2018）。（2）增温可诱导植物根系生长发育和根系直径、长度、分支等形态特征发生变化，提高一、二级细根所占的比例（Hu et al.，2018），这将有利于根系分泌过程。（3）增温还可通过改变土壤微环境条件（如土壤养分有效性、微生物群落结构和活性、酶活性等），间接影响植物根系分泌能力。该区域前期研究结果表明，增温能显著提高窄叶鲜卑花灌丛土壤微生物生物量与活性并改善微生物群落结构（Ma et al.，2018），土壤脲酶和转化酶活性（马志良等，2018a）以及土壤无机氮含量（马志良等，2018b）也显著增加，从而促进植物根系对养分的吸收和根系分泌过程。然而，也有研究认为植物根系分泌过程受土壤养分有效性高低的制约。Yin et al.（2013b）的研究发现，增温对云杉（Picea likiangensis）幼苗根系分泌过程的促进作用因土壤氮素有效性而不同。在低氮土壤中，增温显著提高根系分泌物碳输入速率。而当土壤氮素有效性较高时，根系分泌物碳输入速率对增温的响应不敏感。氮素富集甚至能抑制窄叶鲜卑花灌丛根系碳输入速率（何为等，2017）。本研究还发现，受根系分泌物碳、氮输入速率同步增加的影响，增温对窄叶鲜卑花灌丛根系分泌物碳/氮比的影响不显著（图 3）。这可能是因为不同树种根系分泌物组分具有特异性，根系分泌物不同组分可能对增温的响应不同（Gransee et al.，2015）。增温不仅影响根系分泌物碳、氮输入速率，根系分泌物不同组分对增温的响应也存在明显差异。例如，蒋铮等（2018）的研究结果表明，7年的夜间增温可显著提高云杉幼苗根系分泌物中糖类、氨基酸和酚类化合物的相对含量，而脂类、醚类化合物的相对含量则显著降低。增温还能使岷江冷杉（Abies faxoniana）根系分泌物中酚酸类物质的相对含量显著增加（Qiao et al.，2014）。

3.3 增温对根系碳、氮输入通量的影响

本研究发现，OTC增温分别使窄叶鲜卑花高寒灌丛根系分泌物碳、氮通量显著增加了 57.2%和46.9%（图4）。OTC增温显著提高根系分泌物碳、氮输入速率和细根生物量可能是根系分泌物碳、氮输入通量增加的主要原因（图2和图3）。此外，增温导致窄叶鲜卑花灌丛土壤水分含量降低3.17%（图1），这可能导致细根形态、生理活性和细根生物量发生改变，在一定程度上可能影响根系碳、氮分泌过程。然而，生长季节丰沛的降水使土壤含水量始终维持在较高的水平，土壤水分含量不是限制该区域植物群落生长的主要因素（Wang et al.，2017）。这一程度的土壤水分含量降低没有显著影响细根生物量，甚至促进了细根生产过程（图2），因而土壤水分含量较小程度的降低可能不足以抵消增温对植物根系分泌过程的促进作用。Pearson相关分析结果也表明，窄叶鲜卑花根系分泌碳、氮输入速率与土壤含水量的相关性不显著（表1）。

4 结论

青藏高原东缘窄叶鲜卑花高寒灌丛根系分泌物碳、氮输入过程对环境温度变化十分敏感，增温可显著增加生长季节根系分泌物碳、氮输入速率及通量，且根系分泌物碳、氮输入通量的增加主要源于根系分泌速率与细根生物量的显著增加。未来气候变暖将显著促进该区域高寒灌丛植物根系分泌过程，加速根际土壤碳和养分循环。这些结果对于清楚地认识气候变暖情境下高寒灌丛根系分泌物介导的根际土壤碳和养分过程具有重要意义。