三峡库区消落带落羽杉细根碳氮磷化学计量特征及其与土壤养分的关系研究

谭雪， 李留彬， 向国伟， 刘明辉，殷凡， 耿倩雯， 李昌晓

1. 西南大学 生命科学学院/三峡库区生态环境教育部重点实验室/三峡库区植物生态与资源重点实验室， 重庆 400715；2. 重庆市林业投资开发有限责任公司， 重庆 401120； 3. 宝鸡文理学院 化学化工学院， 陕西 宝鸡 721000

三峡水库完工后形成的消落带使库区两岸植物遭受了长时间、 高强度的反季节水淹胁迫[1-2]， 造成植物根部缺氧， 影响根系呼吸． 植株长时间缺氧会导致根系对营养元素的运输与吸收受阻[2]， 继而导致与植物根系密切相关的土壤养分质量分数随之发生变化． 适生植物与实生土壤生态系统养分通量的关键途径是通过根系死亡和分解等过程释放养分[3]． 植物细根是直径小于2 mm、 极具生理活性的根系， 其作为连接地上和地下部分的重要营养器官， 对土壤环境变化的敏感性较强[4]， 极大地影响着生态系统的循环过程和性质[5]． 相对于叶片来说， 细根C，N，P质量分数特征更直接地受到土壤养分的影响[6-7]， 因为实生土壤中养分的变化首先会影响到植物根系， 养分限制作用将首先体现在植物的细根上[8]． 在每年的C和实生土壤养分输入方面， 适生植物细根的贡献往往等于或超过分解的叶片[9]， 其生态化学计量特征则有助于建立植物组织、 土壤等不同生态系统成分之间的联系[10-11]， 所以细根在三峡库区消落带生态系统的C和养分循环中起着重要的作用．

C，N，P是组成库区消落带适生植物的主要元素， 其与植物体关键结构的合成以及相应功能的发挥密切相关[12-13]． 同时， 3种元素之间的比值关系也能够反映适生植物的生长状态与相应代谢条件． 目前已有大量关于植物C，N，P化学计量特征的研究， 但大多集中在湿地、 森林、 草原等生态系统[11， 14-15]， 且主要是针对植物地上部分(茎和叶片)[16-17]及土壤[18-19]生态化学计量学进行研究． 较少有研究关注三峡库区消落带特定水文节律下植物—实生土壤生态系统的化学计量特征， 而且由于三峡库区植物根系分布复杂、 根系难获取等条件限制[20]， 对库区消落带植物地下部分(尤其是细根)C，N，P化学计量特征随水淹程度的变化规律及其与土壤养分关系的研究也较少． 关于细根C，N，P化学计量特征与土壤养分间的关系， 陈晓萍等[21]研究武夷山不同海拔黄山松(Pinushwangshanensis)细根化学计量特征对土壤养分的适应性， 发现细根的P质量分数主要受土壤P供应量的限制； Ladanai等[22]研究瑞典苏格兰松(Pinussylvestris)和挪威云杉(Pinusabies)森林发现植物细根与土壤之间的C，N，P质量分数及化学计量比呈显著正相关； 但Wurzburger等[23]研究热带森林发现植物细根和土壤养分间无显著的相关性． 由于细根寿命较短、 周转较快， 并且其死亡和分解后会释放大量的C和养分归还给土壤[24]， 故本实验选择三峡库区消落带的植物细根进行C，N，P生态化学计量特征及其与土壤养分间的关系研究， 这对于明确三峡库区消落带植物—土壤系统结构稳定的维持机制有重要意义．

落羽杉(Taxodiumdistichum)是杉科， 落羽杉属落叶乔木， 具有根系发达、 耐水淹等特点， 是三峡库区消落带最适宜的先锋树种， 广泛用于消落带地区的种植[25]． 基于此， 本实验选择消落带落羽杉为研究对象， 分析其细根C，N，P生态化学计量特征及其与土壤养分间的关系， 探究消落带不同水淹处理下落羽杉细根C，N，P化学计量特征的差异以及土壤养分对落羽杉细根C，N，P化学计量特征的影响． 本研究可为揭示适生植物落羽杉对消落带特殊环境的适应机制及后续消落带植被修复工作提供理论依据．

1 材料与方法

1.1 实验地概况

本研究区域地处三峡水库中心地带， 课题组前期(2012年)在重庆市忠县石宝镇共和村汝溪河流域建立三峡库区消落带植被修复示范基地(107°32′-108°14′E， 30°03′-30°35′N)， 面积约13.3 hm2． 样地所在汝溪河属于长江一级支流， 属亚热带东南季风气候， 四季分明， 降水充沛， 年积温为5 787 ℃， 年均气温18.2 ℃， 太阳总辐射能3.5×105J/cm2， 年平均降雨量1 200 mm[26]． 结合消落带水位变动状况及植物实际生长情况， 将落羽杉栽植于海拔165～175 m， 栽植时为两年生幼苗， 栽植后及时浇水及拔草， 经过6年的反复水淹， 植物生长状况良好．

1.2 样品采集与处理

采样时间为2018年9月， 采样海拔为165，170，175 m， 分别对应年约170 d水淹(即深度水淹： Deep Submergence， DS)、 110 d水淹(即中度水淹： Moderate Submergence， MS)、 全年几乎无水淹(浅淹组， 即对照， Shallow Submergence， SS)． 分别用测高杆、 卷尺及游标卡尺测定木本株高、 冠幅、 胸径、 基径等指标(表1)．

表1 不同水淹处理下落羽杉的生长特征参数

取样时， 在每个海拔随机选取5株长势良好且规格相似的落羽杉植株， 分别进行细根和对应植株表层土壤的样品采集， 本实验中共采集到混合土壤及细根样本各45个． 细根是在以对应植株根部为中心圆点， 半径为0.25 m的土壤内等距离挖取， 表层土壤的采集是挖取相应范围内深度为0～20 cm的土壤． 采样完成后将土壤及细根样本放入装有冰袋的泡沫箱， 立即运回实验室． 植物细根样品首先用超纯水进行清洗， 然后置于烘箱， 先105 ℃进行杀青， 持续时间为5min， 后续烘干至恒质量后对细根进行研磨处理至粉碎状． 土壤样品用于测定土壤元素质量分数， 自然风干后研磨过筛(1 mm和0.25 mm)． 土壤和细根C，N质量分数采用元素分析仪(Elementar Vario EL， Germany)测定， 碱解氮质量分数采用碱解—扩散法测定， 细根P质量分数、 土壤全P和速效P质量分数采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES， Thermo Fisher iCAP 6300， UK)测定[27]．

1.3 数据处理

采用单因素方差分析(One-way ANOVA)比较不同水淹处理组落羽杉细根C，N，P元素质量分数及化学计量比的差异， 多重比较采用Duncan法； 对不同量纲的数据进行标准化处理后， 采用Pearson相关分析分析细根C，N，P元素化学计量特征与土壤养分之间的关系及植物生长指标与细根化学计量特征间的关系． 采用SPSS 22.0软件进行数据分析处理， Origin 9.0软件制图．

2 结果与分析

2.1 植物生长状况

植株的各项生长特征指标在不同处理组之间差异有统计学意义(p<0.05， 表1)， 从大到小均依次为SS组、 MS组、 DS组．

2.2 不同海拔落羽杉细根C，N，P化学计量特征

水淹处理对植株细根C，N，P化学计量特征有着显著的影响(表2)． 其中水淹处理显著影响落羽杉细根C，N质量分数(p<0.05)， 极显著影响P质量分数、 C∶N比值、 C∶P比值和N∶P比值(p<0.01)．

表2 水淹处理对落羽杉细根生态化学计量特征的影响

整体来看， 3个水淹处理组落羽杉细根中元素质量分数均表现出C>N>P的趋势(图1)． 在不同的水淹处理下， MS和DS组的细根C，N，P质量分数及其比值均与SS组差异性有统计学意义(p<0.05， 图1)． 其中， 细根C质量分数从大到小依次为： SS组、 DS组、 MS组， MS和DS组的细根C质量分数分别比SS组显著降低3.24%和2.95%(p<0.05， 图1a)； 细根N，P质量分数从大到小依次为： SS组、 MS组、 DS组， MS和DS组的细根N，P质量分数分别比SS组显著提高14.15%和19.29%，68.32%和86.28%(p<0.05， 图1b、 1c)； 细根C∶N比值、 C∶P比值、 N∶P比值从大到小依次为： SS组、 MS组、 DS组， 其中MS和DS组的细根C∶N比值比SS组分别显著降低14.96%和18.44%， MS和DS组的细根C∶P比值比SS组分别显著降低41.10%和51.82%， MS和DS组的细根C∶P比值比SS组分别显著降低31.31%和35.94%(p<0.05， 图1d-f)．

2.3 细根C，N，P生态化学计量特征与植株生长间的关系

相关性分析结果显示(表3)， 细根C质量分数、 C∶N比值、 C∶P比值和N∶P比值与落羽杉的各项生长指标呈现显著或极显著正相关关系， 细根N，P质量分数与落羽杉的各项生长指标呈现显著或极显著负相关关系．

表3 细根C，N，P质量分数及其比值与植物生长相关性分析

数据为平均值±标准误差(n=5)； 不同小写字母表示不同水淹处理之间的差异有统计学意义(p<0.05)． 下同．图1 不同水淹处理对落羽杉细根C，N，P质量分数及化学计量比的影响

2.4 落羽杉细根碳氮磷生态化学计量特征与土壤养分间的关系

相关性分析结果显示(表4)， 土壤N质量分数与细根P质量分数呈显著负相关关系， 与细根C∶P比值、 N∶P比值呈显著的正相关关系； 土壤P质量分数与细根P质量分数呈极显著的正相关关系， 与细根C∶N、 C∶P比值、 N∶P比值呈显著或极显著的负相关关系； 土壤碱解氮与细根C质量分数、 C∶N比值、 C∶P比值、 N∶P比值呈显著或极显著的正相关关系， 与细根N，P质量分数呈显著或极显著的负相关关系； 土壤C和速效磷质量分数均与细根C，N，P质量分数及其比值无显著相关关系．

表4 细根C，N，P化学计量特征与土壤养分间的相关性分析

3 讨论

土壤是植物细根生存的基础， 在植物的生长过程中， 细根作为营养元素的吸收和转运器官， 从土壤中吸收水分和N，P等养分， 并将其输送给植株地上部分， 这一过程决定着植物的存活和生长． 而植物细根的分解尤其是细根的周转等过程也会向土壤中释放养分， 从而完成细根—实生土壤生态系统中营养物质的迁移和循环． 因此， 在库区消落带环境下研究适生植物细根C，N，P生态化学计量特征及其与土壤养分之间的关系尤为重要．

3.1 落羽杉细根C，N，P化学计量特征

植株细根元素质量分数表现为C>N>P， 这与细根的功能及组织结构的分化有关[28]． 本研究结果中， 水淹胁迫对落羽杉细根C，N，P化学计量特征影响显著． MS和DS组细根C质量分数与SS组有显著性差异， 其原因是水淹环境下土壤温度不高， 细根生长活性较低， 从而增加了C元素的消耗量， 故水淹处理的细根C质量分数下降[29]． 不同水淹处理组的细根C质量分数相差不大， 这与C元素本身是构成植株的基本骨架， 不直接参与植物的代谢活动， 且有较强的内稳性有关[30]． 相比于SS组， 经历前期水淹的落羽杉在恢复期的N，P元素质量分数不但没有降低， 反而均高于SS组， 并表现出随着水淹深度和时间的增加而上升的变化趋势， 说明水淹对其有促进作用， 而非限制作用， 贺燕燕等[31]的研究结果也证实了这一点． 出现这样的原因是正值9月落羽杉水淹前， MS和DS组落羽杉细根需要吸收更多的水分和N，P等养分， 为下一次的冬季淹水及来年的生长恢复储备营养物质， 以支持植物地上部分的生长和代谢等活动[32]． 此外， 还与固N微生物和根瘤菌有关， 除了具有固N的作用外， 它们的存在还可以缓解落羽杉生长和生态系统生产力的P限制， 提高落羽杉对P元素的吸收[33-35]．

C∶N，C∶P的变化通常与N，P元素的变化有关， 因为一般C元素不会对植物生长有限制性作用[36]． 羊留冬等[37]研究表明， 植物C∶N及C∶P比值能够反映植物对这3种元素的协调能力及植物对N，P的养分吸收效率． 细根C∶N，C∶P比值随水淹强度及水淹时间增加而降低， 水淹处理对其整体均有显著性影响． “生长速率假说”认为植物组织(如细根)的生长速率与C∶P，N∶P呈负相关关系[11]， 因为植物的生长所需的大量蛋白质的合成与RNA有关， 而P主要存在于rRNA中[38]， 这与本研究中落羽杉细根P元素质量分数整体随着水淹天数的增加呈现升高的趋势相符．

此外， N∶P的大小是预测植物生长养分限制的有效指标[39]． Güsewell[40]的研究表明， 在陆地生态系统中， N∶P小于10时表明植物的生长受N限制； 胡伟芳等[41]对中国主要湿地植物的N，P质量分数进行了研究， 发现N∶P小于14时N限制植物的生长， 大于16时P限制植物的生长， 而比值介于14和16之间为N，P共同限制植物的生长； Zhang等[42]对退化草原生态系统进行了研究， 认为N∶P小于21时， 物种受N限制， 而N∶P大于23时物种受P限制． 三峡库区消落带为水陆交错带[43]， 其环境与湿地相似， 故本研究选用胡伟芳等[41]的阈值结果． 本研究结果中细根的N∶P小于14， 说明落羽杉的生长可能受N的限制， 并且DS组的N∶P最小， 表示其更有可能受到N元素的限制．

3.2 落羽杉细根C，N，P生态化学计量特征与生长间的关系

本研究中， 落羽杉植株长势良好， 对库区消落带环境适应能力较强． 植株各生长指标与细根C质量分数呈显著或极显著正相关， 这可能与生长恢复期落羽杉细根内的C元素主要以结构性碳水化合物形式存在、 参与落羽杉的形态构建过程有关[44]． 并且细根处于不断更新的状态， 需要更多的结构性碳水化合物进行器官构建， 从而能够从土壤中吸收更多的营养物质， 以满足落羽杉的快速生长[32]． 此外， C积累可以使植物对不利环境的防御能力增强． 同时， 植株各生长指标与细根N，P质量分数呈显著或极显著负相关， 而与C∶N比值及C∶P比值呈显著或极显著正相关， 两者趋势相反， 说明落羽杉N，P元素的变化决定了C∶N比值和C∶P比值的变化． 原因是9月是植物的生长恢复期末期， 植物即将面临水淹， 在经历了夏季的快速生长之后， 细根中累积了大量以C元素为主的结构性物质， 促进了细根的构建， 从而使得细根中的N，P质量分数被稀释[45]． 而C∶N和C∶P比值不仅可以反映物种的防御策略[46]， 而且每个比值还可以表征植物在相同固C条件下N和P的养分利用效率． 因此， 在消落带水淹的情况下， 植物保持合理的C∶N和C∶P比值不仅可以应对水淹胁迫， 而且可以提高N，P元素的利用效率， 从而能够健康生长． 而各生长指标与N∶P比值呈显著正相关关系则与落羽杉生长速率及营养获取模式有关[11]．

3.3 落羽杉细根C，N，P生态化学计量特征与土壤养分的关系

在自然生态系统中， 营养元素在土壤和植物之间循环[47]， 植物及其环境通过化学元素的交换而紧密相连[48]． 植物细根对土壤养分的吸收利用是土壤速效养分输出的主要途径， 土壤中的有机碳、 碱解氮、 速效磷等不断地为植物生长及生理活动提供必要的养分， 使植物—土壤系统处于养分供需平衡的状态[49-51]． 尽管国内外对植物细根与土壤营养元素的研究较多， 但相关研究在三峡库区消落带较少．

在本研究中， 细根C质量分数与土壤C质量分数相关关系无统计学意义， 这与陈晓萍等[21]、 Ågren[47]和安申群等[30]研究相似， 表明C元素是植物的结构元素， 不随土壤养分变化而产生大的变动， 有较强的内稳性， 这与前文海拔对落羽杉细根C元素质量分数无显著性影响一致． 细根N质量分数与土壤碱解N质量分数相关关系有统计学意义， 这与Wurzburger等[23]的研究结果不同． Garnier[52]认为如果植物体内的某种元素与土壤中该元素呈现正相关关系， 该元素即为植物生长的限制元素． 本研究发现落羽杉细根P质量分数与土壤P质量分数呈极显著正相关， 表明落羽杉细根P主要来源于土壤， 其生长依赖于土壤中P元素的供应能力大小， 这与陈晓萍等[21]和Aerts等[53]的研究结果类似．

本研究发现落羽杉细根C质量分数与土壤N质量分数无统计学意义， 但与土壤碱解N质量分数呈现显著正相关关系， 这与Yuan等[3]、 Chen等[54]研究刺槐森林的土壤N质量分数、 碱解N质量分数与细根C质量分数显著正相关的结果有所不同， 主要原因是土壤中总N量往往不能反映其来自矿化的有效N质量分数[3，55]． 土壤P质量分数与落羽杉细根N质量分数呈显著正相关， 这可能与水体中P元素质量分数升高有关． 因为水淹前落羽杉地下部分会为严寒和来年恢复生长提前储存营养物质， 地上部分的养分会回流到地下根系部分， 使根系部分的N元素质量分数有所增加， 土壤中的P元素质量分数也随之升高， 提高土壤向上覆水体释放P元素的潜力[56-57]． 另外， 土壤P质量分数也与落羽杉细根C∶N存在极显著负相关， 这与前文细根C元素是构成植物的结构元素， 以及N质量分数较充足的结果相一致． 土壤P质量分数与落羽杉细根C∶P呈显著负相关， 表明落羽杉细根的C元素质量分数多通过调节P元素的质量分数而实现． 落羽杉细根N∶P与土壤N，P、 碱解N质量分数等养分间的相关关系均有统计学意义， 这与Li等[58]和Mcgroddy等[59]研究相似， 其原因可能与细根N∶P有较高的可塑性， 对土壤中N，P元素有良好的适应性有关．

除土壤P质量分数与细根P质量分数呈显著正相关关系外， 土壤C，N质量分数与落羽杉细根C，N元素质量分数的关系呈负相关或者无相关关系， 说明植物C同化、 N和P的固定与实生土壤养分并不处于完全同步的状态， 虽然植物体内的营养元素大部分来自于土壤， 但是不同元素在土壤中的质量分数受元素的生物地球化学循环和土壤理化性质的影响， 这往往使得C，N，P元素质量分数在植物细根和土壤间的变化不一致[60]， 类似的结果也发生在其他地区的研究中[61-63]．

4 结论

本研究分析了三峡库区消落带适生植物落羽杉细根的C，N，P生态化学计量特征以及对土壤养分的响应． 经历6 a反复水淹之后， 落羽杉表现出较好的生长适应能力， 与其C，N，P生态化学计量特征密不可分． 不同水淹处理对落羽杉细根C，N，P化学计量特征造成了一定的影响； 植物在生长旺盛期所需要的P元素主要来自于土壤， 植物C同化、 N和P的固定与实生土壤养分并不处于完全同步的状态． 本研究仅探究了落羽杉细根C，N，P化学计量特征与土壤之间的关系， 库区消落带现以草本植物为主， 后续研究应将落羽杉与相同立地条件下的草本植物结合起来， 以进一步揭示乔木与草本植物根系对土壤养分质量分数适应的差异化生态策略．