外源养分对麻栎细根生长形态及氮磷含量的影响

郝倩葳，于水强，曹雨婷，邵慧妹，王维枫

(南京林业大学 a南方现代林业协同创新中心，b生物与环境学院，江苏 南京 210037)

细根(直径≤2 mm)是植物地下部分最活跃、最敏感的组分[1]，是植物吸收、储存、运输养分和水分的主要器官，在森林生态系统的物质循环和能量流动中发挥着重要的作用。林木细根对养分斑块的敏感性和养分获取能力的差异将直接影响到植物生长、种间竞争关系、凋落物分解和生态系统生产等过程，一直都是生态学家关注的热点问题[2-6]。在全球变化背景下，如氮沉降、升温所带来的有机质快速分解可能导致土壤养分有效性的改变，进而影响植物对土壤养分资源的利用。凋落物的分解亦是陆地生态系统物质循环和能量流动的关键环节之一，影响着土壤养分状况，从而影响树木根系的生长形态特征[7]。因此，探究根系性状特征和土壤养分之间的关系，对于理解全球变化背景下的地下生态过程，以及森林生态系统的管理具有重要的理论意义和应用价值[7-9]。

在自然环境中，由于土壤养分的异质性，植物生长的必需资源在空间和时间上呈斑块状分布[10]。为加强养分的获取，植物根系会对土壤资源的异质性分布做出响应[11]，而细根的可塑性是植物适应环境获取养分的重要策略。虽然细根的生长、形态特征及功能属性主要取决于遗传因素[12]，但仍具有一定的可塑性。植物可以通过调整细根生长、形态特征和生理特征来使资源获取效率最优化。近几年来，关于植物根系关键性状可塑性与土壤环境间的关系已有一些报道，但尚无统一的结论。例如，一些植物通过有选择性地增加吸收根(absorptive roots)在富养斑块中的生长和分布来提高养分觅食能力[2,13-14]，而另一些植物根系对富养斑块的觅食响应并不明显，甚至呈负相关性[15-18]。Hodge[19-20]总结了植物根系对异质性养分资源的可塑性响应，发现不同物种之间植物根系对异质性养分的形态和生理响应规律并不一致，甚至在同一物种内部，响应的大小也取决于养分斑块的特性。因此，对于土壤养分与植物根系养分获取行为之间的关系和反应机理，仍缺乏有效、全面的解释。

目前，关于植物根系性状特征与资源获取的研究，多是改变N的有效性，而关于P的有效性及N+P对细根塑性的影响研究相对较少，更缺乏关于细根对多类型养分响应的比较研究。为此，本研究以分布广泛的麻栎为对象，通过添加不同外源养分，分析麻栎细根生长特征、形态特征及养分含量的变化，探究细根对不同养分的可塑性响应，以期为细根地下资源获取策略及其对环境变化的适应机制研究提供理论支撑。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

研究地点位于江苏省南京市紫金山国家森林公园 (118°50′23″ E，32°04′03″ N)，属于北亚热带季风气候，年降水量为1 000～1 050 mm，年均气温15.4 ℃。土壤类型以黄棕壤和灰棕壤为主，呈酸性至微酸性。麻栎(Quercusacutissima)林分主要是人工种植后形成的次生林，主要树种有麻栎和枫香(LiquidambarformosanaHance)。麻栎林龄约30年，平均胸径28.25 cm，平均树高18.2 m；枫香平均胸径5.50 cm，平均树高5.0 m。林下主要灌木植物有枸骨(IlexcornutaLindl. et Paxt.)、木犀(Osmanthusfragrans(Thunb.) Lour.)、石楠(PhotiniaserrulataLindl.)，草本植物有蓬蘽(RubushirsutusThunb.)、麦冬(Ophiopogonjaponicus)、络石(Trachelospermumjasminoides(Lindl.) Lem.)等。

1.2 样地设置与根袋布设

1.2.1 试验设置 在麻栎试验林分中随机设置3块20 m×20 m的重复样地，布设生长袋之前，用土钻在样地中随机钻取5个15 cm深的土柱，装入自封袋，于实验室中将土壤与根系分离，测得土壤pH为4.79±0.07，全N含量为(4.08±1.31) g/kg，全P含量为(0.13±0.01) g/kg。2019年1月，在每个麻栎样地中随机选取5株麻栎作为供试树种，采用原位根系生长袋法研究麻栎根系对养分的生长响应。本试验共设置5个养分添加处理，即对照(CK)、氮添加(N)、磷添加(P)、多养分添加(NPK)和凋落物添加(F)，其中对照处理未添加任何外源养分。根据Adams等[21]的研究结果，为达到良好的根系响应效果，氮磷等化学肥料养分的施用量为原土壤中养分含量的 4 倍；根据Chen等[22]的试验报道，凋落物添加处理中凋落物添加量为每袋20 g。

1.2.2 生长袋的布设 在距所选麻栎树干1.5 m半径处(前期试验发现此距离细根生物量较高，根系能有效接触到养分斑块)，用内径7 cm的根钻在同一棵树木周围钻取5个15 cm深的孔洞，用于布设5个不同养分处理的根袋。将样地表层0～15 cm土壤进行过筛(5 mm筛网)处理，挑出根系和大石砾等，然后将部分无根土壤与添加的肥料混匀，将混匀后的土壤分别装填入直径7 cm、长度15 cm的生长袋(网孔大小为2 mm的尼龙网袋)中，每袋土壤质量约500 g，再重新埋置于先前用土钻钻取的孔洞中，并用标签标记。5个养分处理被随机布设在每株树下。用于养分添加的肥料有：①N，添加的N肥为硫包衣尿素(SCU，缓释肥，含 37% N)，每生长袋中的添加量为22.06 g；②P，添加的P肥为过磷酸钙(Ca(H2PO4)2，含 12% P)，每生长袋中的添加量为2.17 g；③多养分(NPK)，添加的肥料为氮磷钾缓释复合肥(含N、P、K各15%)，每生长袋中的添加量为54.40 g；④林下凋落物。取该林下的凋落物粉碎，每生长袋中的添加量为20 g[21-24]。

1.3 样品采集与分析

2019年10月上旬，将布设的生长袋全部收回后带回实验室。在收回生长袋时，为防止扯出生长袋内的根系，要割断生长袋外侧连接的根系，并轻轻从土壤中移出完整的生长袋，放入密封袋运回实验室，低温(4 ℃)储存用于后续根系和土壤样品的分析。

用镊子分离出生长袋中的完整植物细根，再用自来水轻轻洗去细根上附着的土壤。采用Pregitzer等[25]提出的“根序法”进行根系分级，将生长在根系最末端的根尖定义为1级根，1级根生长在2级根上，2级根生长在3级根上，以此类推，本试验仅分析麻栎细根1～3级根序。将分级后的细根平铺(尽可能减少重叠)在托水盘中，用Epson数字化扫描仪(Expression 10000XL 1.0)进行扫描，并将扫描后的图像存入计算机，用与扫描仪配套的Win RHIZO(Pro 2005b)根系图像分析软件(加拿大Regent Instruments公司)对细根形态特征指标进行定量分析。然后将根系样品放入烘箱中烘干至质量恒定(60 ℃，48 h)，测定细根干质量。细根生物量及形态特征(比根长、组织密度、比表面积、分枝比、分枝强度)相关指标按照以下公式计算：

细根生物量(单位土芯面积的细根干质量，g/m2)=根干质量/取样面积；

比根长(m/g)=细根长度/细根干质量；

组织密度(g/cm3)=细根干质量/细根体积；

比表面积(m2/kg)=细根表面积/细根干质量；

分枝比=低序级根分枝数(Nx)/高序级根分枝数(Nx+1)，其中序级x=1,2,3；

分枝强度(cm-1)=低序级根分枝数(Nx)/高序级根总根长(Lx+1)，其中序级x=1,2,3。

将烘干称过干质量后的根系粉碎，测定其N、P含量。用硫酸-过氧化氢消化法制备待测液，用靛酚蓝比色法测定细根的N含量，用钼锑抗比色法测定P含量。

将根袋中的土样过2 mm筛，用于土壤pH和养分含量分析。土壤pH采用电位法，使用pH计测定；土壤全氮含量用元素分析仪测定，铵态氮含量用靛酚蓝比色法测定，硝态氮含量用双波长紫外分光光度法测定，土壤全磷含量用硫酸-高氯酸-钼锑抗比色法测定。

1.4 数据处理

采用SPSS Statistics 19对试验数据进行统计与分析，用Origin 2019绘图。对添加不同养分处理间的细根生长特征和形态特征及细根N、P养分含量进行单因素方差分析，用Duncan’s检验分析其显著性。

2 结果与分析

2.1 添加外源养分对土壤养分含量的影响

由表1可以看出，与CK相比，N、P处理显著提高了根袋中土壤的pH值，P、NPK处理的全P含量分别显著提高了83.82%和472.97%。添加养分处理的根袋土壤NH4+-N含量均高于CK，但仅N和NPK处理与CK的差异达到了显著水平(P<0.05)。N处理土壤中的NO3--N含量显著高于CK，而P、NPK和F处理根袋土壤中的NO3--N含量则明显低于CK，其中P和NPK处理与CK差异达到显著水平(P<0.05)，分别显著降低了66.28%和69.29%。

表1 添加不同养分处理土壤的pH值及养分状况

2.2 添加外源养分对麻栎细根生长特性的影响

图1显示，麻栎细根的总根长和生物量的增殖生长对不同养分处理的响应并不相同。与CK相比，NPK处理麻栎1～3级细根的总根长及生物量均显著增加(P<0.05)，其中1，2，3级细根的总根长分别较CK增加了2.97，3.92和6.59倍，生物量分别增加了2.97，4.55，3.91倍。与CK相比，N处理细根的总根长和生物量均有所降低，但差异均未达显著水平(P>0.05)。P处理细根总根长和生物量与CK相比略有增加，但差异不显著(P>0.05)。F处理细根总根长和生物量与CK相比均无显著变化(P>0.05)。

图柱上标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同

2.3 添加外源养分对麻栎细根形态特征的影响

图2显示，不同养分添加处理对麻栎细根的平均直径有不同影响。与CK相比，N处理对麻栎1～2级根平均直径影响不显著，但其3级根平均直径显著增大(P<0.05)；P、NPK、F处理均使细根平均直径减小，其中P处理的1，3级根与CK有显著差异(P<0.05)，NPK、F处理仅1级根与CK差异显著(P<0.05)。

图2 添加不同养分对麻栎细根形态特征的影响

图2还表明，与CK相比，细根比根长、比表面积和组织密度对4种养分添加处理的响应总体并不敏感，其中只有3级根对N处理响应较大，但与CK间并无显著差异(P>0.05)。

图3显示，不同养分添加处理对麻栎细根构型的影响并不一致。与CK相比，除N处理对2～3级细根分枝比和分枝强度有显著影响外，其余处理对1～2级和2～3级细根分枝比和分枝强度均无显著影响(P>0.05)。

图3 添加不同养分对麻栎细根构型的影响

2.4 添加外源养分对细根养分含量的影响

图4表明，5个外源养分添加处理中，CK处理麻栎细根的N含量最小(8.30±0.92) g/kg，N和NPK处理细根的N含量较CK分别显著增加了102.3%和77.0%，其余处理与CK差异不显著。

图4还显示，不同外源养分添加处理对麻栎细根P含量影响不同。与CK相比，NPK和P处理细根P含量分别显著提高了128.8%和69.15%；N处理降低了细根P含量，F处理提高了细根P含量，但与CK差异均不显著(P>0.05)。

图4 添加不同养分对麻栎细根N、P含量的影响

3 讨 论

细根的生长与土壤环境密切相关，土壤养分有效性的增加，会对植物细根生长及生物量积累产生影响[26-27]，但二者对不同土壤养分的响应存在明显差异。本研究表明，5个外源养分添加处理中，NPK和P处理均可以促进麻栎各序级细根生物量和总根长的增长，但只有NPK处理的细根生物量和总根长较CK显著增加(P<0.05)；N处理细根生物量和总根长较CK表现出下降的趋势，而F处理麻栎细根生物量和总根长变化较小，表明麻栎细根的增殖生长(生物量和根长生长)可能因土壤有效养分类型的不同存在差异化响应。这与前人的研究结论相似，例如Liu等[24]对亚热带地区14个树种的养分添加试验发现，细根根长的增殖生长只有在多养分添加(NPK)时才会表现出显著增加，而单独添加N和P处理并无显著增加效果。这可能是由于物种对不同类型养分丰富斑块的敏感性不同所致，并且斑块中N和P含量比例的失衡可能会限制根系的生长。在以往的研究中，前人也观察到了植物细根对不同养分的差异化反应。例如，Jackson等[28]观察发现，在富含NPK和N的斑块中，三叶蒿(Artemisiatridentata)根系增殖显著，但在富含P的土壤中只有少量根系生长，这主要是因为植物对不同土壤资源的需求量不同，其可根据自身需求量调节根系增殖的程度。总体而言，植物是否改变以及如何改变营养丰富斑块中的根系增殖，取决于营养限制的程度和类型以及不同物种的营养吸收能力[24]。

植物根系的可塑性变化是植物应对养分时空异质性的重要手段，植物除了可以通过调整细根增殖生长来拓展土壤空间而吸收养分外，细根还会通过改变其功能性状，如细根形态和构型特征，以更高效地适应土壤环境，使资源获取效率达到最优[1,29]。本研究中，麻栎细根形态对不同养分添加的响应存在差异。与CK相比，除N处理之外，P、NPK和F处理的1～3 级3个序级的细根直径均有所减小，而细根比根长、比表面积和组织密度对养分添加的响应并不显著。本研究中，2～3级细根分枝比和分枝强度对N处理表现出强烈的响应。植物根系功能性状(如直径、比根长、组织密度、分枝比和分枝强度等)对不同养分类型的差异化响应在前人研究中也有报道。例如Liu等[24]研究发现，N、P和NPK养分对14个亚热带树种细根直径、比根长、组织密度无显著影响，而细根分枝比率和分枝强度对其响应敏感。于立忠等[30]对日本落叶松人工林进行施肥试验发现，添加N显著降低了细根的平均直径，但增加了比根长，而添加P和NPK养分对细根直径、比根长等均无显著影响。这种差异性响应可能是由以下几个方面原因导致的：一是不同植物的养分需求量和偏好类型不同，对养分添加响应敏感性存在差异。如陈旭等[31]对滨海11种造林树种细根性状的研究发现，1级根直径和皮层厚度与土壤硝态氮含量呈显著负相关，但与铵态氮含量相关性不显著。二是麻栎细根生长对养分的敏感性可能受菌根真菌侵染的影响，菌丝对土壤养分的吸收在很大程度上会影响细根的吸收策略[29,32]，菌根真菌的参与可能会导致细根对环境变化的可塑性发生混乱，例如在贫瘠的土壤中，外生菌根真菌菌丝体生物量增加，扩大了养分吸收面积，使得宿主植物细根不需要形态上的调整就可以满足自身生长的需求[33]。贾林巧等[34]探究了不同菌根类型常绿阔叶树种细根形态性状和构型性状对氮沉降的响应，结果发现，相比于丛枝菌根树种，木荷(Schimasuperba)的细根更依赖菌根菌和细根构型之间的互补性进行养分获取，外生菌根树种罗浮栲(Castanopsisfaberi)主要依靠细根本身来提高养分吸收效率、增强空间扩展和就地养分吸收能力，其以快速的养分吸收策略为主。而麻栎作为外生菌根树种，也必然会受到根外菌丝养分吸收作用的影响。

本研究中，结合细根生长特征和形态塑性，可知麻栎对不同类型养分具有不同的养分吸收策略。将N、P肥单独作为外源养分添加使土壤养分有效性增加时，麻栎细根更多的是通过改变根系形态特征来提高对土壤养分和水分的吸收能力；而在NPK多养分供给条件下，麻栎通过增殖根长和细根生物量的方式来提高养分吸收效率；添加凋落物(F)对麻栎细根生长与形态特征无明显影响，其主要原因可能是凋落物分解较慢，释放出的养分量短期内并不能引起麻栎细根产生响应。本研究通过对生长袋中土壤养分和细根中N、P含量的测定也发现，在添加凋落物处理(F)中，麻栎细根N、P含量与CK差异不显著，而在化学养分添加处理中，添加N、P养分可分别显著提高细根的N含量和P含量，添加NPK处理可同时显著提高细根的N、P含量，该结果与已有研究结果[35-36]相似。外源养分的添加提高了土壤中相应N、P元素的可利用性，从而增强了细根对N、P元素的吸收能力。而凋落物在土壤中分解缓慢，短时间内不能使麻栎细根周围土壤的养分含量发生显著变化，由于涉及到有机养分获取特征研究，试验时间应相应延长。今后在进行植物根系养分获取的研究中，应关注多类型养分的对比研究及菌根塑性的研究，从而为比较土壤理化性质变化对树种细根功能性状的影响，探究林木的养分觅食策略提供更多参考。