蔣 錚,肖 娟,張子良,喬明鋒,何 為,劉 慶,尹華軍,,*

1 中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所,中國(guó)科學(xué)院山地生態(tài)恢復(fù)與生物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,生態(tài)恢復(fù)與生物多樣性保育四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,南充 637000 4 四川旅游學(xué)院,成都 610100

隨著人們對(duì)地下生態(tài)學(xué)研究的不斷深入,植物根系在調(diào)控土壤功能和養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程中的重要作用逐漸被人們關(guān)注和認(rèn)知[1- 2]。在植物生長(zhǎng)過(guò)程中, 根系作為植物和土壤的重要媒介,除了從生長(zhǎng)介質(zhì)中攝取必需的養(yǎng)分和水分外,還可以向生長(zhǎng)介質(zhì)中主動(dòng)或被動(dòng)地分泌質(zhì)子、離子和大量的有機(jī)物質(zhì),即狹義的根系分泌物[3]。近年來(lái)的研究表明,根系分泌物主要包括一些低分子(有機(jī)酸、糖類(lèi)、酚類(lèi)和各種氨基酸等)和高分子(蛋白質(zhì)、黏液等)有機(jī)化合物,大約占植物光合同化產(chǎn)物的5%—20%[4]。作為根際生態(tài)過(guò)程的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)要素,根系分泌物是根系-土壤-微生物之間進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交流的重要媒介,在土壤結(jié)構(gòu)形成、土壤養(yǎng)分活化、植物養(yǎng)分吸收、化感作用、緩解環(huán)境脅迫以及調(diào)節(jié)根際微生態(tài)系統(tǒng)活力和功能等方面都具有十分重要的作用[5- 6]。因此,根系分泌物輸入及其介導(dǎo)的土壤生物地球化學(xué)過(guò)程已成為地下生態(tài)學(xué)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7- 8]。

伴隨著全球氣候變暖加劇,森林類(lèi)型、物種組成、地下C分配格局以及菌根浸染變化都直接影響根系分泌物輸入數(shù)量與質(zhì)量,并進(jìn)一步深刻地影響根際土壤有機(jī)質(zhì)分解與養(yǎng)分代謝過(guò)程[9- 10]。IPCC發(fā)布的第五次評(píng)估報(bào)告指出, 全球平均溫度在過(guò)去的100多年顯著上升,到21世紀(jì)末全球預(yù)估增溫1.1—6.4℃,在高緯度和高海拔地區(qū)增溫幅度可能會(huì)更大[11-12]。溫度是植物生長(zhǎng)發(fā)育和生理功能的重要環(huán)境因子,同時(shí)也是調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵因素。前人研究表明,溫度變化能夠顯著影響植物根系的生長(zhǎng)、形態(tài)和生理等特征,并進(jìn)而影響根系分泌物輸入數(shù)量與質(zhì)量[13-14]。然而,目前關(guān)于增溫對(duì)森林根系分泌物輸入的影響研究較為缺乏,已有的少量研究也僅關(guān)注了增溫對(duì)根系分泌物碳(C)輸入的影響,而忽略了增溫背景下森林根系分泌物化學(xué)組分與含量的變化[10,15-16]。考慮到植物根系分泌物不同組分與含量變化對(duì)土壤微生物過(guò)程具有特異化的生態(tài)學(xué)功能[17],這種忽略極大地限制了對(duì)森林根系-土壤-微生物互作機(jī)制全面深入的認(rèn)識(shí)。因此開(kāi)展森林根系分泌物化學(xué)組分與含量變化對(duì)增溫的響應(yīng)規(guī)律研究已成為一個(gè)非常重要但又極為缺乏了解的研究課題。

西南亞高山針葉林(subalpine coniferous forest)是青藏高原東部高寒森林的主體,對(duì)該區(qū)域水土保持、水源涵養(yǎng)、氣候調(diào)節(jié)和生物多樣性保育等方面具有十分重要的作用和地位,也是研究全球變化對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)影響的關(guān)鍵地區(qū)和重要森林類(lèi)型[18]。粗枝云杉(PiceaasperataMast.)是西南亞高山針葉林的主要建群種之一,屬于淺根系物種,容易受到環(huán)境溫度變化的影響[19]。因此,本研究以粗枝云杉作為試驗(yàn)對(duì)象,通過(guò)紅外輻射增溫裝置模擬氣候變暖,采用自制的根系分泌物收集裝置,并結(jié)合氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù),量化分析了增溫對(duì)云杉根系碳(C)分泌速率、氮(N)分泌速率、分泌物化學(xué)組分及各組分中主要化合物含量變化的影響,旨在為全球變化背景下森林根系分泌物組分及其誘導(dǎo)的特異性生態(tài)學(xué)效應(yīng)和功能研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)域位于中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所茂縣山地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(31°41′N(xiāo),103°53′E),海拔1820m。該區(qū)域年降水量919.5mm,年蒸發(fā)量795.8mm,年均溫度8.9℃,年積溫2690.8℃,年均日照時(shí)數(shù)1139.8h,森林土壤以淋溶褐土和棕壤土(0—30cm)為主,pH值5.8—6.0。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛喐呱郊撅L(fēng)氣候,夏季多雨、冬季寒冷干燥。該地區(qū)自然植被豐富,從高山底部到頂部,植被帶包括灌木、落葉闊葉林、亞高山針葉林和高山草甸[20]。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)植物為株高、基徑和生長(zhǎng)狀況一致的4a生云杉幼苗,由米亞羅原301林場(chǎng)苗圃提供,并于2006年10月移栽入試驗(yàn)樣地,進(jìn)行一段時(shí)間的適應(yīng)和馴化。供試土壤為茂縣生態(tài)站附近的森林表層土,過(guò)5mm篩混勻后采用客土法將實(shí)驗(yàn)地40cm深土壤全部換作實(shí)驗(yàn)土。供試土壤初始理化性質(zhì)為土壤pH值6.8,容重0.91g/cm3,全氮含量4.0g/kg,有機(jī)碳含量61g/kg[21]。

試驗(yàn)共設(shè)3對(duì)2m×2m的小區(qū),每對(duì)小區(qū)中,一個(gè)為增溫小區(qū),另一個(gè)為對(duì)照小區(qū)。在增溫小區(qū)中,將紅外線輻射加熱器HS- 2420(Kalglo Electronics Inc., Bethlehem, PA, USA)懸掛于增溫小區(qū)上方距地面1.5m處,自2007年4月起對(duì)樣地進(jìn)行連續(xù)增溫。增溫時(shí)間為12h夜間連續(xù)增溫,從當(dāng)日19:00到次日7:00。為了去除紅外線輻射加熱器的遮蔭干擾,在對(duì)照小區(qū)中采用相同大小的虛擬加熱器懸掛于距地面1.5m處。同時(shí),為了避免增溫的邊緣效應(yīng),對(duì)照與增溫小區(qū)間隔2m以上;為使增溫小區(qū)樹(shù)種受熱均勻,將紅外線輻射加熱器每隔1個(gè)月90°轉(zhuǎn)換一次。試驗(yàn)中,定期清除樣地內(nèi)新生雜草,并對(duì)土壤水分進(jìn)行監(jiān)測(cè),及時(shí)澆水以保證各小區(qū)土壤水分狀況一致。試驗(yàn)設(shè)計(jì)共包括對(duì)照與增溫兩個(gè)處理。

1.3 環(huán)境因子監(jiān)測(cè)

于2008年4月在試驗(yàn)地內(nèi)安裝溫度自動(dòng)檢測(cè)裝置,利用傳感器監(jiān)測(cè)增溫與對(duì)照樣地內(nèi)20cm高的空氣溫度。測(cè)定位置為小區(qū)正中央,高度和幼苗高度齊平,在溫度儀的上方約10cm處懸掛小塑料板遮擋,以避免紅外輻射加熱器的直接照射影響。傳感器每2h記錄1次,并自動(dòng)輸出數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于記錄儀(Campbell AR5, Avalon, USA)中。同時(shí),利用傳感器監(jiān)測(cè)增溫與對(duì)照樣地內(nèi)土壤0、5cm和15cm深的溫度,每2h記錄一次,并自動(dòng)輸出數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于記錄儀(Campbell AR5, Avalon, USA)中。試驗(yàn)選取2014年3月—2015年7月監(jiān)測(cè)的距地20cm處空氣溫度和5cm深的土壤溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 根系分泌物收集

于2014年7—8月份生長(zhǎng)旺季,利用改進(jìn)的靜態(tài)原位收集裝置收集根系分泌物。在每個(gè)樣方隨機(jī)選取一株云杉幼苗,沿著其根系生長(zhǎng)方向找一根未受損傷的細(xì)根(直徑<2mm,長(zhǎng)20—30cm),用去離子水小心沖洗細(xì)根3次以除去雜質(zhì),再用不含C、N元素的營(yíng)養(yǎng)液(0.1mmol/L KH2PO4,0.2mmol/L K2SO4,0.2mmol/L MgSO4·7H2O和0.3mmol/L CaCl2·2H2O)溫和地沖洗細(xì)根表面的礦物質(zhì),并用鑷子去除細(xì)根表面吸附的有機(jī)質(zhì)。將洗凈的細(xì)根轉(zhuǎn)移至裝有玻璃棉的針筒中(玻璃棉經(jīng)2mol/L HCl浸泡24h,以防止抽濾時(shí)玻璃珠堵塞筒口),用鹽酸浸泡過(guò)的玻璃砂填滿(mǎn),加蓋后用鋁箔、保鮮膜密封,通過(guò)導(dǎo)管向玻璃管中注射上述鹽溶液作為細(xì)根培養(yǎng)的緩沖液,最后埋入土中培養(yǎng)。間隔24h后利用真空泵抽濾3次至棕色塑料瓶中。每次抽濾結(jié)束后注入10mL上述營(yíng)養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng),每次取樣連續(xù)收集3d。同時(shí)以無(wú)根的培養(yǎng)裝置作為對(duì)照,每個(gè)樣方設(shè)3個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)結(jié)束后,將針筒中用于根系分泌物收集的細(xì)根帶回實(shí)驗(yàn)室,置于60℃的烘箱中烘干至恒重,測(cè)定根系的干重,以定量表征不同處理下根系分泌物速率變化。

1.4.2 根系分泌物C和N速率測(cè)定

利用總碳/氮分析儀(Multi-N/C 2100, Analytik Jena AG, Germany)測(cè)定根系分泌物溶液中總有機(jī)碳(TOC)和總氮(TN)的含量,將樣品中TOC和TN濃度減去對(duì)照后,計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)根系分泌的C、N含量,再除以根系干重和收集時(shí)間,換算成單位根干重的根系分泌速率(μg C g-1h-1,μg N g-1h-1)。

1.4.3 根系分泌物總糖分泌速率測(cè)定

采用硫酸-蒽酮比色法[22]測(cè)定根系分泌物總糖含量。測(cè)定方法簡(jiǎn)要如下：將收集的根系分泌物溶液中總糖濃度調(diào)整到測(cè)定范圍(稀釋10倍),精確吸取2mL置于干燥潔凈試管中,立即加入蒽酮試劑6mL,振蕩混勻,并置于沸水浴中加熱15min。取出后迅速浸于冰水浴中冷卻15min,冷卻后在620nm波長(zhǎng)下迅速測(cè)定各試管中樣品的吸光度值。根據(jù)葡萄糖含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線,由樣品溶液吸光度值計(jì)算各樣品溶液中總糖的含量,并以單位時(shí)間單位根干重所分泌的總糖含量(μg糖 g-1h-1)表示根系分泌物中總糖分泌速率。

1.4.4 根系分泌物氨基酸分泌速率測(cè)定

采用全波長(zhǎng)掃描式多功能讀數(shù)儀(Varioskan Flash, Thermo, USA)測(cè)定氨基酸含量,以鄰苯二甲醛和β-巰基乙醇為衍生化試劑,甘氨酸為標(biāo)準(zhǔn)物做標(biāo)準(zhǔn)曲線,用熒光光度法測(cè)定根系分泌物原液中氨基酸濃度,其激發(fā)波長(zhǎng)為360nm,發(fā)射波長(zhǎng)為420nm[23]。并以單位時(shí)間單位根干重所分泌的氨基酸含量(μg氨基酸 g-1h-1)來(lái)表征根系分泌物中氨基酸分泌速率。

1.4.5 根系分泌物GC-MS分析根系分泌物化學(xué)組分

將原位采集的根系分泌物用乙酸乙酯連續(xù)萃取3次(1∶1),合并萃取液,乙酸乙酯部分經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮得粗提物,用1mL乙酸乙酯溶解并過(guò)0.22μm濾膜。實(shí)驗(yàn)采用色譜柱為彈性石英毛細(xì)管柱HP- 5 MS 5% Phenyl Methyl Siloxane(30m×0.25mm×0.25μm);初始柱溫50℃,保留1min;以8℃/min升溫至280℃,保持10min;氣化室溫度250℃,傳輸線溫度280℃,載氣為高純He(99.999%),流速1.0mL/min;柱前壓7.62psi,進(jìn)樣量為1μL,離子源為EI源,溫度250℃,溶劑延遲3min;檢測(cè)質(zhì)量范圍40—700amu。GC-MS譜圖中各色譜峰通過(guò)計(jì)算機(jī)按照相似度、正匹配因子和反匹配因子自動(dòng)在質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)中查找相似化合物,對(duì)相似度和匹配指數(shù)較高的化合物進(jìn)行鑒定,并利用峰面積歸一化法計(jì)算各組分相對(duì)百分含量[24]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,利用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)(Independent-Samples T Test)方法比較增溫處理與對(duì)照處理云杉根系分泌物TOC、TN、氨基酸和總糖分泌速率及揮發(fā)性物質(zhì)相對(duì)含量的差異顯著性。文章所有圖為Origin 8.0繪制,表為Microsoft Excel 2010繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅外增溫效果

圖1表明,在2014年3月1日至2015年5月25日整個(gè)試驗(yàn)期間,增溫處理下樣地內(nèi)平均氣溫(地上20cm處)比對(duì)照提高了1.83℃。類(lèi)似地,增溫樣地內(nèi)日平均土壤溫度(地下5cm處)比對(duì)照區(qū)域提升了3.88℃(圖1)。

圖1 增溫對(duì)土壤日均溫度和空氣日均溫度的影響 Fig.1 Effects of warming on daily mean soil temperature (a) and daily mean air temperature (b)△Tsoil代表土壤增溫前后溫差,△Tair代表空氣增溫前后溫差

2.2 增溫對(duì)云杉根系分泌物C、N分泌速率及C∶N比的影響

由圖2可知,增溫顯著地促進(jìn)了云杉根系分泌物中C的分泌,增溫后的云杉根系分泌物C分泌速率為570.93μg C g-1根重 h-1,與對(duì)照相比,顯著增加了43.89%(P<0.05)。增溫對(duì)云杉根系分泌物N分泌速率無(wú)顯著影響(P>0.05)。另外,增溫增加了云杉根系分泌物的C∶N比,與對(duì)照相比,顯著提高了28.36%(P<0.05),表明增溫對(duì)根系C分泌的促進(jìn)作用大于對(duì)N分泌的促進(jìn)作用。

圖2 增溫對(duì)云杉根系分泌物C、N分泌速率及C∶N比的影響Fig.2 Effects of warming on mass-specific C exudation rates (a) and N exudation rates (b) for the P. asperata seedlings. In c, values represent the warming effects on C∶N ratio of the root exudates*表示增溫處理在P < 0.05水平上差異顯著,ns表示差異不顯著

2.3 增溫對(duì)根系分泌物總糖、氨基酸輸入速率及主要揮發(fā)性組分的影響

由圖3可知,增溫顯著地促進(jìn)了云杉根系分泌物中總糖分泌速率。增溫后的云杉根系分泌總糖速率為10.57μg 糖 g-1根重 h-1,與對(duì)照相比,顯著增加了38.6%(P<0.05)。根系分泌物中氨基酸的分泌速率對(duì)增溫的響應(yīng)與總糖分泌速率呈現(xiàn)相同的規(guī)律。增溫后根系分泌物中氨基酸分泌速率為2.14μg 氨基酸 g-1根重 h-1,與對(duì)照相比,顯著增加了43.16%(P<0.05)。

圖3 增溫對(duì)云杉根系分泌物中總糖分泌速率和氨基酸分泌速率的影響Fig.3 Effects of warming on mass-specific sugar exudation rates (a) and amino acids exudation rates (b) for the P. asperata seedlings*表示增溫處理在P< 0.05水平上差異顯著

由表1可知,增溫顯著影響了云杉根系分泌物中部分揮發(fā)性組分的相對(duì)含量。具體而言,與對(duì)照相比,增溫條件下云杉根系分泌物中酚類(lèi)化合物相對(duì)含量顯著增加了89.1%(P<0.01);相反地,增溫卻顯著降低了云杉根系分泌物中酯類(lèi)、醚類(lèi)物質(zhì)的相對(duì)含量,與對(duì)照相比,增溫導(dǎo)致酯類(lèi)、醚類(lèi)兩大類(lèi)物種相對(duì)含量分別降低了59.5%(P<0.01)和51.4%(P<0.05)。此外,增溫導(dǎo)致酮類(lèi)相對(duì)含量增加,而降低了根系分泌物中烴類(lèi)、固醇類(lèi)、胺類(lèi)、醛類(lèi)相對(duì)含量,但這些組分在對(duì)照與增溫處理之間均無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

表1 云杉根系分泌物中各類(lèi)揮發(fā)性物質(zhì)相對(duì)含量對(duì)增溫的響應(yīng)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=3)

*表示增溫處理在P< 0.05水平上差異顯著,**表示在P< 0.01水平上差異極顯著,ns表示沒(méi)有顯著差異

2.4 增溫處理下云杉根系分泌物揮發(fā)性組分中各物質(zhì)相對(duì)含量變化

結(jié)合表2中數(shù)據(jù),進(jìn)一步分析根系分泌物揮發(fā)性組分中具體物質(zhì)的相對(duì)含量變化可以發(fā)現(xiàn),一些成分的相對(duì)含量在增溫后發(fā)生了顯著的改變。與對(duì)照相比,增溫條件下發(fā)生了顯著變化的組分,酚類(lèi)化合物中2,6-二叔丁基- 4-甲基苯酚和4-叔丁基杯[4]芳烴增溫后相對(duì)含量顯著增加了88.9%(P<0.01)和375.7%(P<0.05);酯類(lèi)化合物中1,2-苯二甲酸單丁酯、16-脫氫孕烯醇酮乙酸酯和檸檬酸丁酯相對(duì)含量分別顯著降低了79.4%(P<0.01)、48.1%(P<0.01)和67.4%(P<0.05);醚類(lèi)化合物的主要成分2-(7-十七烷氧基)四氫- 2H-吡喃含量顯著降低了51.9%(P<0.05)。此外,一些組分在處理間雖然總體上未見(jiàn)顯著差異,但其部分化學(xué)成分仍有顯著變化。例如,在增溫處理下,酮類(lèi)化合物中異長(zhǎng)葉烯酮顯著降低了28.6%(P<0.05),而7,9-二-叔丁基- 1-氧雜螺(4.5)癸烷- 6,9-二烯- 2,8-二酮含量顯著增加了59.1%(P<0.05);烴類(lèi)化合物中3-乙基- 5-(2-乙基丁基)十八烷含量顯著下降了71.7%(P<0.01);固醇類(lèi)化合物中β-谷甾醇顯著降低了84.7%(P<0.05);胺類(lèi)化合物中4,4′-二辛基二苯胺顯著下降49.5%(P<0.05);醛類(lèi)化合物中3,5-二叔丁基- 4-羥基苯甲醛顯著降低44.9%(P<0.05)。

表2 云杉根系分泌物揮發(fā)性組分及其相對(duì)含量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=3)

同一行中不同字母表示增溫后差異顯著(P<0.05)

3 討論

3.1 增溫對(duì)云杉根系分泌物C、N分泌速率的影響

伴隨著全球氣候變暖加劇,氣溫和土壤溫度逐漸升高,這勢(shì)必會(huì)深刻地影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育、光合作用、碳分配格局、根系生長(zhǎng)和生理活性,并進(jìn)而調(diào)控根系分泌物輸入數(shù)量與質(zhì)量[25]。本研究表明,增溫顯著地促進(jìn)了云杉幼苗根系分泌物C源輸入(圖2)。推測(cè)可能的原因是由于在增溫條件下,植物根系通過(guò)生理調(diào)節(jié)增加根系碳源輸入,提高土壤微生物代謝酶活性和N養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過(guò)程,以滿(mǎn)足樹(shù)木持續(xù)生長(zhǎng)所需的土壤養(yǎng)分,即采取高C輸入-高N收益的養(yǎng)分策略[15]。類(lèi)似的研究結(jié)果已在前期研究中得到了有效驗(yàn)證。例如,Uselmen等研究表明：增溫4℃可顯著增加了固氮植物刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)根系分泌物中可溶性有機(jī)碳的釋放[26]。需要說(shuō)明的是,增溫也可通過(guò)改變細(xì)根生物量[27]、菌根浸染[28]等其它途徑來(lái)調(diào)控根系C源輸入,關(guān)于根系分泌物輸入的調(diào)控機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。同時(shí),C源作為微生物重要的能量物質(zhì),含量的顯著變化必然會(huì)引起強(qiáng)烈的根際效應(yīng)[25],改變根際生物活性,對(duì)該地區(qū)微生物群落產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。增溫處理下云杉根系N輸入并無(wú)顯著變化(圖2),這表明在增溫條件下云杉根系沒(méi)有向土壤中釋放額外的N。推測(cè)其可能原因之一是由于亞高山針葉林為典型的受N限制的森林生態(tài)系統(tǒng),在增溫條件下需要更多的N養(yǎng)分來(lái)提高樹(shù)木生長(zhǎng)和林分生產(chǎn)力,植物自身通過(guò)限制根系N損失所形成的一種生理調(diào)節(jié)機(jī)制[29]。此外,由于云杉根系C和N輸入對(duì)增溫有著不同的響應(yīng)趨勢(shì),增溫導(dǎo)致云杉根系分泌物C∶N化學(xué)計(jì)量比顯著增加(圖2),表明增溫改變了云杉根系分泌物輸入的化學(xué)質(zhì)量。考慮到植物根系分泌物N含量或C∶N化學(xué)計(jì)量特征是驅(qū)動(dòng)根際微生物群落組成和活性的重要調(diào)控因子[30],因此,增溫條件下云杉根系分泌物C∶N化學(xué)計(jì)量比增加勢(shì)必將深刻地調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程及其生態(tài)反饋效應(yīng),未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)該方面的深入研究。

3.2 增溫對(duì)根系分泌物化學(xué)組分及其含量的影響效應(yīng)

植物在生長(zhǎng)過(guò)程中,能夠分泌出大量的根系分泌物,其化學(xué)成分復(fù)雜多變,包括糖類(lèi)、氨基酸、有機(jī)酸、酚酸類(lèi)、脂肪酸、甾醇類(lèi)、蛋白質(zhì)、生長(zhǎng)因子等[5]。本研究中云杉根系分泌物被檢測(cè)到的化學(xué)組分主要包括糖類(lèi)、氨基酸以及酚類(lèi)、酯類(lèi)、酮類(lèi)、烴類(lèi)、固醇類(lèi)、醚類(lèi)、胺類(lèi)、醛類(lèi)等揮發(fā)性化學(xué)成分(圖3、表1)。進(jìn)一步分析表明,不同化學(xué)組分輸入含量變化對(duì)增溫的響應(yīng)具有明顯差異,其響應(yīng)幅度和方向與化學(xué)組分種類(lèi)有關(guān)。具體而言,糖類(lèi)、氨基酸作為根系分泌物中常見(jiàn)的兩類(lèi)低分子量化合物[31],增溫顯著地促進(jìn)了云杉根系分泌物中這兩類(lèi)低分子物質(zhì)的輸入(圖3)。增溫下根系分泌物這兩類(lèi)物質(zhì)輸入增加可為土壤微生物提供更多的碳源和氮源,進(jìn)而促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)與繁殖[32],這在一定程度上佐證了前人研究得出的增溫能夠促進(jìn)根際土壤微生物的生長(zhǎng)與活性的結(jié)論[33]。對(duì)于根系分泌物揮發(fā)性化學(xué)組分而言,酚類(lèi)化合物是被檢測(cè)的根系分泌物揮發(fā)性化學(xué)組分中含量最高的一類(lèi)物質(zhì),增溫顯著地增加了根系分泌物中酚類(lèi)化合物含量,而酯類(lèi)、醚類(lèi)組分含量在增溫后表現(xiàn)出顯著降低的趨勢(shì)(表1)。此外,增溫對(duì)特定揮發(fā)性組分中不同化合物的相對(duì)含量影響也存在明顯差異(表2)。以酚類(lèi)化合物為例,增溫僅導(dǎo)致酚類(lèi)化合物主要成分2,6-二叔丁基- 4-甲基苯酚和4-叔丁基杯[4]芳烴含量顯著增加(分別比對(duì)照增加了88.9%和375.7%),而對(duì)其余酚類(lèi)化合物成分含量無(wú)顯著影響。總之,增溫導(dǎo)致根系分泌物組分及各組分中部分化合物含量發(fā)生了較明顯的變化。

目前有關(guān)環(huán)境條件變化對(duì)植物根系分泌物輸入數(shù)量與質(zhì)量的影響與調(diào)控機(jī)理并不十分清楚。然而,越來(lái)越多的研究表明,根系分泌物是植物在長(zhǎng)期進(jìn)化和生長(zhǎng)過(guò)程中形成的一種適應(yīng)策略,并在很大程度上受植物光合作用、植物生長(zhǎng)、根系生理活性以及環(huán)境要素等多種生物與非生物要素的影響與制約[34]。一方面,植物在不同環(huán)境條件下可通過(guò)自身生理調(diào)整選擇性地向土壤中釋放特定的根系化合物,進(jìn)而影響微生物活性與功能生長(zhǎng)與功能[25]。另一方面,土壤微生物可通過(guò)影響根細(xì)胞膜流動(dòng)性與通透性、根代謝活動(dòng)、土壤養(yǎng)分有效性等途徑而對(duì)根系分泌物輸入具有重要的修飾限制作用,是驅(qū)動(dòng)根系分泌物輸入數(shù)量與質(zhì)量變化的另一個(gè)重要因素[35- 36]。此外,根際微生物被證明還可以通過(guò)有選擇地利用根系分泌物中的特定成分來(lái)調(diào)控植物根分泌物輸入的組成成分與含量[37]。本研究中,由于增溫持續(xù)地促進(jìn)了云杉幼苗生長(zhǎng)[27],根系分泌物作為植物應(yīng)對(duì)環(huán)境條件的一種自我生理調(diào)節(jié)手段,增溫條件下云杉通過(guò)根系向土壤微生物投入更多的C源以促進(jìn)土壤微生物活性和N素轉(zhuǎn)化過(guò)程來(lái)滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)需要。但遺憾地是,受研究方法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)的限制,本研究中我們很難進(jìn)一步闡釋增溫條件下云杉根系分泌物組分含量變化的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制,這有待于我們進(jìn)一步深入研究。

大量研究表明,不同的根系分泌物化學(xué)組分輸入對(duì)土壤過(guò)程具有特異性的生態(tài)學(xué)效應(yīng)與功能[17,35]。例如有機(jī)酸可作為信號(hào)分子促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)[38],也能夠絡(luò)合土壤中的重金屬元素來(lái)緩解重金屬脅迫[32];酚類(lèi)化合物能夠直接參與調(diào)控土壤微生物活性和生物地球化學(xué)過(guò)程,進(jìn)而影響土壤C積累和養(yǎng)分循環(huán)[39-40]。同時(shí),酚類(lèi)化合物被認(rèn)為具有很強(qiáng)的化感作用,能對(duì)植物根系本身及根際微生物根系生長(zhǎng)和活性產(chǎn)生抑制作用[41-42]。因此,作為森林土壤C-養(yǎng)分循環(huán)的重要“啟動(dòng)者”和“驅(qū)動(dòng)者”[43],根系分泌物在氣候變暖背景下化學(xué)組分與含量變化勢(shì)必會(huì)對(duì)該區(qū)土壤C-N養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生重要的潛在影響,并進(jìn)一步反饋于亞高山針葉林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。未來(lái)研究應(yīng)聚焦于氣候變暖條件亞高山針葉林根系分泌物組分與含量變化與土壤生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程的耦合機(jī)制研究,以便更深入地揭示亞高山針葉林生態(tài)系統(tǒng)地下生態(tài)學(xué)過(guò)程對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制及其生態(tài)反饋效應(yīng)。

通過(guò)我們的研究,獲得的主要結(jié)論如下：(1) 增溫顯著增加了云杉幼苗根系分泌物C分泌速率和C∶N化學(xué)計(jì)量比;(2)增溫顯著改變了根系分泌物中部分化學(xué)組分及各組分中部分化合物的含量。需要說(shuō)明的是,該試驗(yàn)本身具有一定的局限性。比如,受試驗(yàn)條件和方法限制,本研究所獲得的根系分泌物化學(xué)成分也許不夠全面和充分,尚未能全面真實(shí)地反映出增溫下云杉幼苗根系分泌物組分與含量變化規(guī)律。此外,本研究的試驗(yàn)對(duì)象為4年生幼苗,由于植物成株與幼苗在生長(zhǎng)、形態(tài)和生理活性等方面都有較大差異,所獲得的云杉幼苗根系分泌物化學(xué)成分與含量可能與野外成株有所不同,因而在用本文研究結(jié)果外推到森林生態(tài)系統(tǒng)尺度時(shí),必須足夠謹(jǐn)慎。這需要我們進(jìn)一步深入開(kāi)展根系分泌物化學(xué)成分分析的長(zhǎng)期野外原位研究和數(shù)據(jù)積累, 并在未來(lái)研究中充分重視植物根系分泌物組分與含量變化與土壤生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程的耦合機(jī)制。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所茂縣生態(tài)站對(duì)野外監(jiān)測(cè)和采樣工作給予的幫助。

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