氮添加和地下水位交互作用对通江湖泊湿生植物陌上菅生长的影响

远勇帅， 皇甫超河

安徽大学资源与环境工程学院， 安徽 合肥 230601

植物功能性状能够反映其资源获取以及适应环境的进化-衍生策略[1-2]. 根系性状是许多生态过程的重要驱动力，是植物群落组成和养分循环的关键驱动因素[3]，对获取土壤资源至关重要. 吸收性细根(直径<2 mm或一级和二级根)是地下最具活力和代谢活性的植物组分，并且是获取土壤养分和水分的决定因素[4]. 在过去的半个世纪中，农业施肥和化石燃料燃烧造成的人为氮沉降显著增加[5]，这在导致植物地上生物量增加的同时，也降低了群落物种多样性[6]，最终导致植物群落组成和结构的改变[7-8]. 根据土壤酸化假说，连续氮添加(9年)会使土壤酸化，导致群落内不同植物优势度发生变化[9]. 此外，土壤酸化还可以影响土壤养分的有效性[10]，反过来也可能改变根系性状. 已有研究表明，增加土壤氮的有效性会降低根数、根长、根组织密度(RTD)、比根长(SRL)和菌根侵染率[11-12]，并增加细根直径[13]. 因此，植物根系性状对外源氮输入的响应可能是生态系统生产力和养分循环对全球变化的重要反馈机制，但是这些研究大多数集中在草原和森林生态系统中，关于氮沉降对湿地生态系统典型湿生植物细根形态的影响研究较少.

湿地作为一种特殊的生态系统类型，因其周期性水文过程可与陆地生态系统区别开来，这一生态过程制约着湿地的生物、物理和化学过程，控制湿地的形成、发育和演化，是湿地植物群落形成和演变最重要的驱动因素[14]. 细根形态特征能够指示土壤水分状况[15]. 为了适应土壤干旱，植物根系会变得更细、比根长更长，从而促进土壤营养获取和水分吸收[16]. 根系性状的这些变化与环境压力有关，并且随着土壤水分的减少而不断增强[17]. 然而，在田间尺度上，仍然缺乏在土壤水分变化条件下细根吸收策略的试验验证. 由于土壤水分和土壤养分的耦合作用[18]，使得预测植物响应和适应策略变得更为困难. 部分研究表明，土壤氮添加可以减少细根形态(如减少根数、根长、根生物量)和菌根特征(如减少菌丝长度和菌根繁殖)对水分的吸收[11-12]，而也有研究发现土壤氮添加增强了植物对水分的吸收[19-20]. 目前尚不清楚根系性状如何对氮素添加和土壤含水量变化的交互作用做出反映，以及这些性状的反映是否转化为更有效的资源获取策略. 因此，研究地下水位变化和氮沉降及其交互作用，对湿生植物资源利用策略和理解地下水位对湿生植物的分区模式具有重要意义.

升金湖国家自然保护区是长江下游典型的湖泊型湿地，已被列入国际重要湿地名录，也是越冬水鸟觅食及休息场所[21]. 该湿地夏季水位为2.5～3.0 m，秋季和初冬水位下降. 该研究在升金湖进行原位短期氮添加和地下水位梯度试验，分析短期氮添加、地下水位变化及其交互作用对湿生植物陌上菅(Carexthunbergii)吸收性细根的影响，研究地下水位变化和短期氮添加及其交互作用对湿生植物陌上菅地上性状的影响，以期为湿地生物多样性保护和合理利用提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于安徽省池州市东至县升金湖国家自然保护区(30°15′N～30°30′N、116°55′E～117°15′E，平均海拔13 m)，属亚热带季风气候，年均气温16.14 ℃，最高气温40.2 ℃，最低气温-12.5 ℃，年均降水量 1 600 mm，主要集中在6—8月，平均无霜期为240 d. 土壤为黄色亚粘土和粉砂、砂砾. 2016年流入升金湖自然保护区的总氮量为618.7 ta[22]. 7—11月为丰水期，丰水期过后水位消退，湖滩植物开始生长，主要为草本植物. 陌上菅为单子叶植物纲莎草目莎草科苔草属的植物，为升金湖湿生植物的优势种，并且是一些鸟类的食物来源，常见伴生种有肉根毛茛(RanunculuspoliiFranch.)、朝天委陵菜(Potentillasupina)、齿果酸模(Rumexdentatus)、罔草(Beckmanniasyzigachne)、紫云英(Astragalussinicus)、蓼子草(Polygonumcriopolitanum)等. 升金湖是安徽省第一个且是唯一的一处湿地生态和水禽类国家级自然保护区，被列入《国际重要湿地名录》，流域内水体功能较高，生态系统稳定，经济价值和社会价值较高[23].

1.2 试验设计

2018年12月，在陌上菅集中分布带清除地上植被及枯落物(此时地上植被已停止生长，进入冬季休眠期)后，随机建立45个2 m×2 m的小区，每个小区之间有1 m的缓冲带.

地下水位(简称“水位”)试验设置3个水平：低水位(-75 cm)、中水位(-69 cm)、高水位(-38 cm). 水位的测定方法：用铁锹在选定的水位测定点(3个水位测定点均在3个水位试验点的中心)挖坑直至出水，静置2 h后，用钢尺测定水平面距地面的距离，并记录为该点的水位.

1.3 样品采集

2019年3月15日对地上生物量进行第一次采集，4月15日对根系和地上生物量及物种丰富度数据进行采集. 使用30 cm×30 cm的样方测量每个小区的地上生物量和物种丰富度. 为了避免边缘效应，将样方随机放置在每个小区中，并且距小区边界至少0.5 m处. 样方框放置好之后，对每个样方框内的物种种类进行记录，通过贴地表剪切每种植物的整个地上部分来采集单个植株，放入自封袋中，带回实验室，进行下一步测量. 陌上菅根系一般长度为30 cm，因为陌上菅的根系为丛生，土钻法采集易将根系弄断，不利于后期实验室细根的清洗和收集. 所以在对地上部分收割完毕后，采集土块法取深30 cm左右的根-土混合体，装入自封袋，并分别标记，迅速带回实验室进行下一步处理.

1.4 测定指标及方法

将采集的植物地上部分装入标记的信封并置于烘箱(电热鼓风干燥箱)内，70 ℃下烘干24 h，并称量.

将采集的土块用流水轻轻冲洗. 通过人工对这些根样品进行分类，并保留吸收性细根. 将这些细根分布在纸张上，重叠最小，并在扫描仪(Epson Expression 10000 XL，Seiko Epson Corporation，Japan)上以600 dpi的分辨率在灰度下扫描；然后，置于75 ℃下烘箱干燥48 h并称量. 使用WinRHIZO (Regent Instruments，Quebec，Canada)分析扫描图像，通过软件输出直接获得平均根直径、总根长、根表面积和根体积[28-29]，比根长(SRL)、根组织密度(RTD)、比表面积(SRSA)的计算方法如式(1)～(3)所示.

SRL=LM

(1)

RTD=MV

(2)

SRSA=SM

(3)

1.5 数据处理

试验数据使用Excel 2007软件进行初步整理后，使用SPSS 24.0软件中双变量回归分析和带交互作用的多因素方差分析软件，分析氮添加、水位及其交互作用对陌上菅地上部指标、细根各形态指标的影响，然后采用单因素方差做进一步分析，并用最小显著差异法(LSD)和同类子集法(SNK)进行处理间差异显著性多重比较(α=0.05)；使用DPS数据处理系统中新复极差法对氮添加和水位的交互作用进行评估.

根据SPSS 24.0软件的数据分析结果，利用Origin 9.1软件作单因素方差分析柱状图，图表中数据均为平均值±标准误.

2 结果与分析

2.1 水位对陌上菅植物群落和陌上菅生长的影响

2.1.1水位对陌上菅地上生物量和群落物种丰富度的影响

水位变化对陌上菅地上生物量有显著影响(见表1，P<0.001)，水位升高显著降低了陌上菅地上生物量(见图1)，并且高水位与低、中水位之间差异显著(P<0.05)，例如，在空白对照处理下，相比于高水位，低、中水位陌上菅地上生物量分别增加了397.1%、391.2%.

注： 不同小写字母表示同一施氮(水位)处理不同水位(施氮)处理间差异显著(P<0.05). 下同.

水位变化对群落物种丰富度有显著影响(见表1，P<0.001)，水位升高有增加群落物种丰富度的趋势(见图2)，但不同处理之间差异不同，缺氮和高氮处理下，高水位与低水位之间差异显著(P<0.05)，其他处理下，3个水位梯度之间无明显差异(P>0.05).

表1 氮添加和水位对陌上菅生长指标的影响的双因素方差分析

图2 不同水位对群落物种丰富度的影响

2.1.2水位对陌上菅根比表面积和比根长的影响

水位变化对陌上菅根比表面积有显著影响(见表1，P<0.001)，水位升高显著增加了陌上菅根系比表面积〔见图3(A)〕，并且所有施氮处理下高水位根系比表面积和中水位根系比表面积之间均有显著差异(P<0.05). 例如，空白对照下，相较于低水位，中、高水位根系比表面积分别增加了37.6%、198.5%.

水位变化对陌上菅比根长有显著影响(见表1，P<0.001)，水位升高显著降低了陌上菅根系比根长〔见图3(B)〕，并且所有施氮处理下高水位根系比根长与低水位根系比根长之间均有显著差异(P<0.05). 例如，空白对照下，相较于低水位，中、高水位根系比根长分别降低了39.5%、46.1%.

2.1.3水位对陌上菅根组织密度和平均直径的影响

水位变化对陌上菅根平均直径有显著影响(见表1，P<0.001)，水位升高显著增加了陌上菅根系平均直径〔见图3(C)〕，并且所有施氮处理下，高水位和低、中水位根系平均直径之间均存在显著差异(P<0.05). 例如,空白对照下，相较于低水位，中、高水位根系平均直径分别增加了62.4%、326.1%.

水位变化对陌上菅根组织密度有显著影响(见表1，P<0.001)，水位升高显著降低了陌上菅根系组织密度〔见图3(D)〕，并且所有施氮处理下，高水位和低水位根系组织密度之间存在显著差异(P<0.05)，特别是低氮处理下，3个水位梯度间均存在显著差异(见表1，P<0.05)，相较于低水位，中、高水位根系组织密度分别降低了34.8%、71.2%.

图3 不同水位对陌上菅细根形态的影响

2.2 施氮梯度对植物群落和陌上菅生长的影响

2.2.1施氮梯度对陌上菅地上生物量和群落物种丰富度的影响

不同施氮梯度对陌上菅地上生物量无显著影响(见表1，P>0.05)，随着施氮梯度的增加，陌上菅地上生物量有增加的趋势(见图4)，但不同处理间的差异不显著，仅在中水位缺氮与高氮处理间以及高水位高氮处理与其他处理间存在显著差异(P<0.05).

图4 施氮梯度对陌上菅地上生物量的影响

不同施氮梯度对群落物种丰富度无显著影响(见表1，P>0.05)，随着施氮梯度的增加，群落物种丰富度存在先增后减的趋势(见图5)，但是不同处理间差异不显著，仅在高水位时低氮处理和中氮处理间存在显著差异(P<0.05).

图5 施氮梯度对群落物种丰富度的影响

2.2.2施氮梯度对陌上菅细根比表面积的影响

不同施氮梯度对陌上菅根比表面积存在显著影响(见表1，P<0.001)，随着施氮梯度的增加，陌上菅根系比表面积呈先减后增的趋势〔见图6(A)〕，低、中水位下缺氮处理相较于低氮处理而言，陌上菅根系比表面积分别增加了64.3%、178.0%(P<0.05)；高、中水位下，高氮处理相较于低氮处理而言，陌上菅根比表面积分别增加了75.4%、92.3%(P<0.05).

图6 施氮梯度对陌上菅细根形态的影响

2.2.3施氮梯度对陌上菅细根比根长的影响

不同施氮梯度对陌上菅比根长存在显著影响(见表1，P<0.001)，随着施氮梯度的增加，陌上菅根系比根长呈现先减后增的趋势〔见图6(B)〕. 高水位和低水位梯度下，陌上菅根系比根长在低氮处理下达到最小值，且与空白对照处理之间存在明显差异(P<0.05)，而中水位梯度下，比根长在空白对照处理下达到最小值，与高氮处理存在明显差异(P<0.05).

2.2.4施氮梯度对陌上菅细根平均直径的影响

不同施氮梯度对陌上菅根平均直径无显著影响(见表1，P>0.05)，随着施氮梯度的增加，陌上菅根系平均直径无明显变化趋势，并且不同水位梯度下根平均直径达到最大值和最小值所对应的施氮梯度也不相同〔见图6(C)〕. 例如，低水位梯度下，根平均直径在高氮处理下达到最小值，且与其他处理间存在明显差异(P<0.05)；中水位梯度下，根平均直径在低氮处理下达到最小值，且各处理间无明显差异(P>0.05)；高水位梯度下，根平均直径在中氮处理下达到最小值，且与空白对照和高氮处理之间存在明显差异(P<0.05).

2.2.5施氮梯度对陌上菅细根组织密度的影响

不同施氮梯度对陌上菅根组织密度存在显著影响(见表1，P<0.001)，随着施氮梯度的增加，陌上菅根系组织密度呈现一定的先增后减的趋势〔见图6(D)〕，中、高水位梯度下，根组织密度在中氮处理下达到最大值，且中氮处理与缺氮处理、高氮处理之间有显著差异(P<0.05).

2.3 氮添加和水位交互作用对陌上菅根系形态学指标的影响

由表2可见，高水位处理下陌上菅根比表面积平均值最大，且与低、中水位差异显著；缺氮处理下根比表面积平均值最大，且与低氮处理差异显著；二者对根比表面积的交互作用显著，中、高水位梯度下，根比表面积在低氮处理下达到平均值的最小值；低水位梯度下，根比表面积在空白对照处理下达到平均值的最小值，且不同施氮处理间差异不显著. 比根长在中水位处理下达到平均值的最大值，且与高水位处理差异显著；比根长在高氮处理下达到平均值的最大值，且与低氮处理差异显著；二者对比根长的交互作用显著，低、中、高水位梯度下，比根长分别在其所对应的空白、高氮、缺氮施氮处理下达到平均值的最大值. 根组织密度在低水位处理下达到平均值的最大值，且低水位与高水位下根组织密度差异显著；根组织密度在中氮处理下达到平均值的最大值，且与缺氮处理差异显著；二者对根组织密度的交互作用显著，低水位梯度下，根组织密度在低氮处理下达到平均值的最大值，中、高水位梯度下，根组织密度在中氮处理下达到平均值的最大值，且高水位下不同施氮处理间差异不显著.

表2 不同处理间根系形态学指标差异显著性(SSR)

3 讨论

该研究中，短期氮添加和不同水位导致陌上菅地上生物量和物种丰富度发生变化，特别是水位起着至关重要的作用. 短期氮添加和不同水位导致陌上菅吸收性细根形态学指标发生变化，揭示了典型湿地植物应对环境因素(氮沉降和水位变化)变化时的生长策略，这种策略更明显地表现在吸收性细根形态等功能性状指标上.

3.1 氮添加和水位变化对陌上菅地上生物量与群落丰富度的影响

不断增强的氮沉降对植物多样性、植物群落组成和功能群的影响已在世界各地不同草地生态系统中得到充分证明[1,6-7]. 该研究中，氮添加有增加湿地植物陌上菅地上生物量的趋势，但是不同施氮梯度之间差异不显著. 同时，施氮在一定程度上增加了物种多样性，但随着施氮量的增加，物种多样性又呈下降趋势，不同处理之间差异不显著. ZHENG等[30]在草原生态系统中所做的氮添加对植物物种丰富度的影响表明，4个施氮水平〔0、2、8、16 g(m2·a)〕下植物物种丰富度之间存在明显差异，这可能与笔者施氮周期短和不同生态系统对氮添加的敏感度不同等因素有关.

水位作为湿地生态系统中最重要的非生物因素，可以显著影响植物的生长[31]和植物群落的特征[32]. 由于植物对淹水条件的适应性存在物种间差异[33]，水位对于植物生长的影响进一步导致了植物群落结构的变化，从而影响了湿地植物群落沿水位分区的模式. 已有研究表明，水位升高通常可以抑制对水位胁迫耐受性低的植物[33]. 该研究中，水位升高明显抑制了陌上菅的生长，低、中水位与高水位下陌上菅地上生物量之间差异显著(见图1，P<0.001)；同时，随着水位的上升，物种丰富度有明显上升趋势，并与氮添加存在交互作用(见图2，P<0.05). 该研究结果显示，湿生植物陌上菅对土壤水分需求可能存在阈值，过高的土壤水分含量会抑制其生长. 植物群落内不同物种对水分需求有差异，在陌上菅群落中，优势种陌上菅的生长受到水分抑制，而其他对水分胁迫具有较强耐受性物种的生长将会增强，从而有利于提高该群落物种丰富度水平. 通过长期的原位氮添加试验将更有助于理解湿地植物群落结构的适应性机制.

3.2 氮添加和水位对陌上菅根系性状的影响

3.2.1氮添加对陌上菅根系性状的影响

土壤氮的可用性被认为是影响细根形态的关键因素之一[34]. 土壤氮素利用率的提高将使根系形态性状的表达向适合于快速获取资源和降低资源成本的特定根系性状转变[35]. 与粗根相比，细根(即高比根长和小根径)具有有效的土壤养分获取优势[17]. 吸收根长度和表面积反映了植物对养分获取的投资策略[36]. 该研究表明，氮添加对陌上菅吸收性细根的比表面积、比根长、组织密度均有显著影响. 缺氮和氮添加均有促进陌上菅细根比表面积增长的趋势，但仅在高水位与中水位时，缺氮处理和高氮处理下根比表面积均与低氮处理下根比表面积差异显著〔见图6(A)，P<0.05〕. 高氮添加和缺氮处理均有促进陌上菅细根比根长增长的趋势，但是差异不显著〔见图6(B)〕，一方面氮添加可以促进陌上菅细根组织密度的增长，另一方面施氮量过高也会抑制组织密度的增长〔见图6(D)〕. 缺氮条件下，植物会通过增加根比表面积和比根长来弥补氮素供应的减少[37]；高氮条件下，高比根长、比表面积和低组织密度均有助于植物进行资源获取[3-4,38]，特别是对于碳的吸收[39]. 这也表明营养资源和环境条件的变化会导致陌上菅根系发生变化，进而揭示根系性状对环境和资源变化的适应规律.

3.2.2水位对陌上菅根系性状的影响

湿地植物对水位的响应可能是物种特异性的[40]. 该研究中，高水位显著降低了陌上菅细根的比根长、根组织密度，而平均直径和比表面积显著增加. 最佳资源分配理论预测，在短期供水条件下，植物应增加吸水和蒸发表面之间的比例. 已有研究表明，短期供水条件下，草本植物的叶面积减少，而细根质量和根表面积增加[41]. 不同的物种在其根系内具有完全不同的资源分配策略以响应水位变化，这可能归因于其根组织的差异解剖结构. 大多数种类的苔草或沉水植物可以通过在遭受缺氧胁迫时扩大其空气腔直径来增加氧含量，这将显著影响根的形态特征，如根直径的大小[42]，这与笔者所得的根平均直径随着水位升高而增大的结论相一致. 陌上菅比根长随着水位升高呈降低趋势，表明其在高水位或水分充分的地带，形成了浅根系，将较大数量的根分配到浅层用以增加氧气获取并降低根氧需求[43]. 因此，植物很可能将较大的根生物量分配到浅层，以获得足够的植物生长养分[44]. 而陌上菅组织密度的降低有助于植物进行资源获取，这与已有研究结果[3]一致，说明陌上菅对水位变化的适应有助于其在高水位环境胁迫下的生存.

3.3 水位变化和氮添加的交互作用对陌上菅根系性状的影响

氮沉降可以改变土壤水分波动对根系性状的影响[45]，因为水和氮是土壤生态系统中的耦合因子[46]. 水位对陌上菅比根长的影响与氮处理的影响在一定程度上呈相互抵消的态势，这可能是由于陌上菅为了适应水位胁迫而生成浅根系，将较大数量的根分配到浅层用以增加氧气获取并降低根氧需求[40]，该研究中，水位在水位变化和氮添加的交互作用对陌上菅根系性状的影响中占主导地位(见表1)，从而导致不同水位处理下氮添加对陌上菅比根长的影响作用不尽相同；水位对陌上菅比根长的影响，导致陌上菅为了适应水位胁迫而增加根系比表面积、降低根系组织密度，由此可以提高陌上菅根系的营养吸收和资源获取能力，在一定程度上，水位与氮添加对根比表面积和根组织密度的影响呈现相互增强的态势，特别是高水位条件下，陌上菅根系比表面积和组织密度对于不同施氮梯度呈现显著差异〔见图6(A)(D)〕. 缺氮和氮添加引起的这种响应归因于水和氮的吸收与利用之间的平衡，进而影响到对资源的获取[45].

4 结论

a) 地下水位的升高，显著降低了陌上菅地上生物量和根系比根长，抑制了陌上菅的生长；而随着地下水位的升高，增加的根比表面积和根平均直径以及降低的根组织密度(在空白对照处理下，相比于低水位，高水位下陌上菅地上生物量、比根长和根组织密度分别降低了97.6%、46.1%、86.1%，根平均直径和根比表面积分别增加了326.1%、198.5%)，有助于陌上菅在高水位胁迫下进行养分获取，以此来适应水位胁迫.

b) 氮添加有促进陌上菅生长的作用，增加陌上菅的地上生物量. 对根系性状来说，氮添加降低了陌上菅根系的比表面积和比根长，增加了组织密度，而随着氮添加量的增加，根系比表面积和比根长增加，组织密度降低(在高水位条件下，相比于空白对照，低氮处理下陌上菅比根长和根比表面积分别减少了36.1%、41.8%，根组织密度增加了182.4%)，这揭示了缺氮或氮不足条件下根系性状的转变是为了促进陌上菅对氮素的吸收，而当氮过量时，根系性状的转变是为了促进陌上菅对除氮素外的其他营养元素的吸收.

c) 水位升高与氮添加对陌上菅地上生物量和比根长的影响表现为抵消效应，这体现了土壤水分增加对陌上菅生长的胁迫作用；对比表面积和组织密度的影响表现为协同效应，揭示了在水位胁迫条件下陌上菅对养分获取策略的变化.

d) 相较于地上指标，陌上菅根系指标能更敏感、更准确地表现出其对环境条件的响应，更适合作为氮沉降和地下水位变化对植物功能性状的影响指标.