黃石竹，張彥東，王政權(quán)，孫曉新*

(1.黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院 生態(tài)工程系，哈爾濱 150025；2.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 150040)

養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)是植物的一種養(yǎng)分保存機(jī)制[1-2]，對(duì)植物在貧瘠的土壤或養(yǎng)分不充足的季節(jié)維持自身的正常生長(zhǎng)有重要意義。植物的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)既可以減少養(yǎng)分損失[3-4]，又可以有效提高養(yǎng)分利用率[5]。衰老器官的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)機(jī)制對(duì)于研究植物如何有效減少養(yǎng)分流失非常重要。樹(shù)木細(xì)根壽命很短、周轉(zhuǎn)頻繁，樹(shù)木需要消耗自身較多的凈初級(jí)生產(chǎn)力才能維持這一過(guò)程[6-9]，因此，細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)對(duì)提高樹(shù)木養(yǎng)分利用效率的意義更為重要。

為了研究方便和正確計(jì)算，大多數(shù)學(xué)者對(duì)細(xì)根進(jìn)行研究時(shí)，都將細(xì)根按照直徑劃分為不同的等級(jí)。但是也有研究指出，在同一個(gè)直徑等級(jí)范圍內(nèi)，細(xì)根的形態(tài)和功能存在很大的差異[10-11]，如果忽視單個(gè)根在根系統(tǒng)中的位置，不考慮根系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，那么對(duì)細(xì)根壽命的估算和對(duì)細(xì)根周轉(zhuǎn)的評(píng)價(jià)都會(huì)不準(zhǔn)確[10，12]。因此，Pregitzer等[12]將河流水系分級(jí)的方法應(yīng)用到細(xì)根等級(jí)劃分中，這種分級(jí)方法考慮了根系自身生長(zhǎng)發(fā)育的特點(diǎn)，更能體現(xiàn)單個(gè)根在根系統(tǒng)中的位置和發(fā)育階段的不同功能。以往對(duì)于細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的研究多是針對(duì)某一直徑范圍內(nèi)的根進(jìn)行的，本研究將水曲柳(Fraxinusmandshurica)細(xì)根按照根序劃分等級(jí)，研究各級(jí)根序細(xì)根的N內(nèi)循環(huán)狀況，旨在判斷水曲柳不同根序細(xì)根N內(nèi)循環(huán)狀況，并量化N內(nèi)循環(huán)率。

1 研究地概況

研究地點(diǎn)選在黑龍江省東部東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)。地理坐標(biāo)45°20′-45°25′N(xiāo)，127°30′-127°34′E，平均海拔300 m。屬溫帶大陸季風(fēng)性氣候區(qū)，年平均氣溫為2.8℃，1月氣溫(平均-19.6℃)最低，7月氣溫(平均20.9℃)最高。無(wú)霜期120～140 d。年降平均水量達(dá)723 mm，多集中于7月和8月。地帶性土壤為暗棕壤。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

研究樣地位于東坡中部，海拔435 m，坡度6°。選擇1987年?duì)I造的水曲柳人工純林，造林株行距為1.5 m×1.5 m，目前保留株數(shù)約為4000株/hm2。水曲柳平均胸徑和樹(shù)高分別為6.3 cm和7.5 m。林下灌木主要有暴馬丁香(Syringaamurensis)和毛榛(Corylusmandashurica)。林下草本主要有山茄子(Brachbotrysparidiformis)和木賊(Hippochaetehymale)。林下蕨類(lèi)主要有粗莖鱗毛蕨(Dryoopteriscrassirhioma)、掌葉鐵線蕨(Adiantumpedatum)和猴腿蹄蓋蕨(Athyriummutidentatum)。樣地面積為15 m×12 m，設(shè)三次重復(fù)。

2.2 根系樣品采集與處理

取樣時(shí)間為2005年6月中下旬。在同一樣地內(nèi)隨機(jī)選取三棵樹(shù)，在距樹(shù)干基部約0.5 m處取樣。先去除地表的枯枝落葉，再用長(zhǎng)、寬和高為20 cm×10 cm×10 cm的自制土壤取樣器分3次取出0～30 cm土層土樣，共取9個(gè)樣。將樣品放入孔徑為0.42 mm的篩網(wǎng)中，在流水中沖洗掉土壤，挑撿出水曲柳的根，然后迅速放入封口袋中，存入冰箱密封冷藏。在實(shí)驗(yàn)室用去離子水(2～3℃)洗去根表面殘留的土粒和雜質(zhì)，挑揀出直徑≤2 mm的細(xì)根放入盛有去離子(2～3℃)水的玻璃器皿中，根據(jù)其光澤、顏色和彈性等特征區(qū)分活根和死根[13]?；罡嗜榘咨虻S色，有彈性、鮮亮，根序完整，死根特征為褐色、失去光澤和韌性、易斷，多數(shù)死根未脫落。

依照根序分級(jí)方法[12]對(duì)細(xì)根進(jìn)行分級(jí)，將根系末端的根(即最遠(yuǎn)軸的根)定義為一級(jí)根，一級(jí)根著生部位的根定義為二級(jí)根，二級(jí)根著生部位的根是三級(jí)根，以此類(lèi)推直至區(qū)分到四級(jí)根。著生在高級(jí)根序上但沒(méi)有分枝的根也劃分為一級(jí)根。

將每個(gè)樣地三個(gè)樣點(diǎn)的活根和死根按不同等級(jí)分別混合并掃描，再經(jīng)65℃烘干48 h后，在電子天平上(±0.001 g)稱(chēng)量細(xì)根干重，最后研磨至粉末狀用于分析N含量。

2.3 細(xì)根長(zhǎng)度和N濃度測(cè)定

根樣烘干之前用WinRhizo根系掃描分析系統(tǒng)(Pro(s)v.2004b，Regent instruments Inc，Canada)掃描根樣并計(jì)算其長(zhǎng)度，然后用干重除以根長(zhǎng)計(jì)算出單位長(zhǎng)度細(xì)根的干重(g/cm)。采用凱氏定氮法測(cè)定細(xì)根N濃度。

2.4 細(xì)根N含量和N內(nèi)循環(huán)率計(jì)算

由于基于濃度比較來(lái)估計(jì)養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)狀況可能并不準(zhǔn)確[14-15]，所以本研究用單位長(zhǎng)度細(xì)根干重(g/cm)乘以細(xì)根N濃度(μg/g)計(jì)算得到單位長(zhǎng)度細(xì)根的N含量(μg/cm)，比較含量差異來(lái)評(píng)價(jià)水曲柳細(xì)根N內(nèi)循環(huán)。細(xì)根N內(nèi)循環(huán)率計(jì)算公式：

式中：RE為N內(nèi)循環(huán)率(%)；Cl為活根N含量(μg/cm)；Cd為死根N含量(μg/cm)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分別比較不同根序等級(jí)的活根與死根間N含量的差異顯著性，當(dāng)p<0.05時(shí)差異顯著，以此判斷是否存在N內(nèi)循環(huán)。用SPSS 16.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由于四級(jí)根序死根量非常少，將三個(gè)樣地的四級(jí)死根量混合進(jìn)行濃度測(cè)定，所以四級(jí)活根與死根間N含量差異未做顯著性分析。

3 結(jié)果與分析

將細(xì)根按照根序方法劃分為不同等級(jí)，由于這種方法考慮了根系統(tǒng)中不同位置根的結(jié)構(gòu)功能差異，因此對(duì)細(xì)根壽命的估計(jì)更為準(zhǔn)確[10]。細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)發(fā)生在細(xì)根死亡脫落前，因此與細(xì)根的壽命密切相關(guān)。有研究顯示：各根序等級(jí)根的壽命存在差異，根序等級(jí)越高，根壽命越長(zhǎng)[12]，因此，衡量細(xì)根的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)應(yīng)該考慮根位置的影響。

水曲柳活根N濃度隨著根序等級(jí)的增加而逐漸減少，N含量隨著根序等級(jí)的增加而逐漸增加，且死根與活根規(guī)律相似(如圖1所示)。水曲柳不同根序等級(jí)細(xì)根N濃度的變化規(guī)律與Pregitzer等對(duì)9個(gè)樹(shù)種細(xì)根N濃度的研究結(jié)果相似[10]：根序等級(jí)越高N濃度越少。水曲柳各級(jí)根的干重不同導(dǎo)致了細(xì)根N含量與N濃度出現(xiàn)相反規(guī)律，單位長(zhǎng)度細(xì)根干重隨根序等級(jí)增高而變大(如圖2所示)，使得根序等級(jí)越高，細(xì)根的N含量越大。各級(jí)根之間的N濃度存在不同程度的差異，含量也是如此，將各級(jí)根混合所得的平均濃度或平均含量都不能代表各級(jí)根N的絕對(duì)含量，因此，細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的研究將細(xì)根按照根序劃分等級(jí)所得的結(jié)果可能更為準(zhǔn)確。

圖1 水曲柳各級(jí)根序細(xì)根N濃度和N含量

圖2 水曲柳各級(jí)根序細(xì)根干重

一級(jí)根和二級(jí)活根N含量略高于死根，但差異均不顯著(p>0.05)；三級(jí)活根N含量顯著(p<0.05)高于死根，四級(jí)活根的N含量也明顯高于死根，這說(shuō)明水曲柳的一級(jí)根和二級(jí)根可能都沒(méi)有發(fā)生N內(nèi)循環(huán)，但從三級(jí)根開(kāi)始有N的內(nèi)循環(huán)發(fā)生。根據(jù)N含量的計(jì)算結(jié)果，三級(jí)根和四級(jí)根N的內(nèi)循環(huán)率分別為26.03%和50.93%。相同樹(shù)種的研究結(jié)果顯示，水曲柳一級(jí)根、二級(jí)根和三級(jí)根的直徑均小于等于0.5 mm[10]，而直徑≤0.5 mm的根存在N內(nèi)循環(huán)，內(nèi)循環(huán)率為10.56%(見(jiàn)表1)，小于本研究中三級(jí)根和四級(jí)根的內(nèi)循環(huán)率，這可能是將不同根序等級(jí)的根混合在一起求平均含量造成的。需要注意的是，如果本研究比較的是活根與死根間的N濃度差異，則根本不存在N的內(nèi)循環(huán)，這與王存國(guó)在長(zhǎng)白山闊葉紅松林用養(yǎng)分濃度法研究的細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的結(jié)果一致[16]?？梢?jiàn)，選擇研究方法的不同可能是目前細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)結(jié)果具有較大差異的主要因素之一。這也證明了van Heerwaarden等[15]的推測(cè)：基于濃度比較來(lái)估計(jì)養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)狀況可能并不準(zhǔn)確，可能會(huì)造成對(duì)養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的誤判或者低估。

表1 水曲柳活根與死根間N含量差異

注：*表示差異顯著(p<0.05)；“直徑≤0.5 mm根”的數(shù)據(jù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[17]

雖然目前水曲柳各級(jí)根序的壽命和死亡順序沒(méi)有定論，但就本研究中細(xì)根N內(nèi)循環(huán)而言，在各級(jí)根死亡脫落時(shí)，根序等級(jí)較高的根應(yīng)該存在N的內(nèi)循環(huán)。按照直徑大小劃分細(xì)根等級(jí)的研究方法所得的N內(nèi)循環(huán)結(jié)論不能完全反映各根序等級(jí)根的N內(nèi)循環(huán)狀況，根的位置與根序結(jié)構(gòu)不僅對(duì)研究細(xì)根壽命和周轉(zhuǎn)有重要意義，對(duì)細(xì)根N內(nèi)循環(huán)的研究也產(chǎn)生重要影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

水曲柳三級(jí)根和四級(jí)細(xì)根存在N內(nèi)循環(huán)，而一級(jí)根和二級(jí)細(xì)根應(yīng)該不存在N內(nèi)循環(huán)。水曲柳直徑≤0.5 mm細(xì)根的N內(nèi)循環(huán)研究結(jié)論不能完全反映各級(jí)根的N內(nèi)循環(huán)狀況，根的位置不同，其N(xiāo)內(nèi)循環(huán)情況不同，因此，細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的研究應(yīng)該將根序作為一個(gè)重要的指標(biāo)來(lái)考慮。此外，養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)研究方法的選擇也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，是細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)研究中需要進(jìn)一步關(guān)注的問(wèn)題。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]Chapin III F S，Kedrowski R A.Seasonal changes in nitrogen and phosphorus fractions and autumn retranslocation in evergreen and deciduous taiga trees[J].Ecology，1983，64：376-391.

[2]Schlesinger W H，DeLucia E H，Billings W D.Nutrient-use efficiency of woody plant on contrasting soils in the western Great Basin，Nevada[J].Ecology，1989，70：105-113.

[3]Chapin III F S.The mineral nutrition of wild plants[J].Ann.Rev.Ecol.Syst.，1980，11：233-260.

[4]Ostman N L，Weaver G T.Autumnal nutrient transfers by retranslocation，leaching，and litter fall in a chestnut oak forest in Southern Illinois[J].Can.J.For.Res.，1982，12：40-51.

[5]Schulte auf’m Erley G，Dewi E R，Nikus O，et al.Genotypic differences in nitrogen efficiency of white cabbage(Brassica oleracea L.)[J].Plant Soil，2010，328：313-325.

[6]Ruess R W，van Cleve K，Yarie J，et al.Contributions of fine root production and turnover to the carbon and nitrogen cycling in taiga forests of the Alaskan interior[J].Can.J.For.Res.，1996，26：1326-1336.

[7]Vogt K A，Vogt D J，Palmiotto P A，et al.Review of root dynamics in forest ecosystems grouped by climate，climatic forest type and species[J].Plant Soil，1996，187：159-219.

[8]張 燕，宋魁彥，佟 達(dá).水曲柳順紋壓縮率和PDR的變化規(guī)律研究[J].森林工程，2012，28(6)：1-3.

[9]曹士晗，張桂芹，趙興江，等.水典柳種子園半雙列雜交配合力測(cè)定初報(bào)[J].林業(yè)科技，2013，38(5)：22-24.

[10]Pregitzer K S，Ruess R W.Fine root architecture of nine north American trees[J].Ecological Monographs，2002，72(2)：293-309.

[11]Guo D L，Mitchell R J，Hendricks J J.Fine root branch orders respond differentially to carbon source-sink manipulations in a longleaf pine forest[J].Oecologia，2004，140：50-457.

[12]Pregitzer K S，Kubiske M E，Yu C K，et al.Relationships among root branch order，carbon，and nitrogen in four temperate species[J].Oecologia，1997，111：302-308.

[13]McClaugherty C A，Aber J D，Melillo J M.The role of fine roots in the organic matter and nitrogen budgets of two forested ecosystems[J].Ecology，1982，63：1481-1490.

[14]Nambiar E K S，F(xiàn)ife D N.Nutrient retranslocation in temperate conifers[J].Tree Physiol.，1991，9：185-207.

[15]van Heerwaarden L M，Toet S，Aerts R.Current measures of nutrient resorption efficiency lead to a substantial underestimation of real resorption efficiency：facts and solutions[J].Oikos，2003，101：664-669.

[16]王存國(guó)，韓士杰，周玉梅，等.長(zhǎng)白山闊葉紅松林群落的細(xì)根現(xiàn)存量及養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)[J].林業(yè)科學(xué)，2012，48(3)：148-153.

[17]黃石竹.水曲柳和落葉松細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2006：14-15.