高晉麗,宋艷宇,宋長春,張 豪,譚穩(wěn)穩(wěn),杜 宇

中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,濕地生態(tài)與環(huán)境重點實驗室,長春 130102

大興安嶺凍土區(qū)位于歐亞大陸多年凍土帶南緣,地溫高、熱穩(wěn)定性差,對氣候變化響應(yīng)極其敏感[1]。大興安嶺凍土區(qū)泥炭地是我國泥炭地的主要分布區(qū)之一,在低溫、淹水、厭氧環(huán)境下,有機物生產(chǎn)和貯存速率遠大于分解速率,氮主要以有機形態(tài)儲存在凍土中,是典型的氮限制性生態(tài)系統(tǒng)[2]。氣候變暖以及人類活動影響導(dǎo)致凍土區(qū)凍融循環(huán)加劇,釋放出大量可被植物吸收利用的無機氮,提高根系氮吸收動力[3-6]。大興安嶺凍土區(qū)泥炭地是研究全球變暖對泥炭地生態(tài)系統(tǒng)影響的理想?yún)^(qū)域。

氮素是植物生長最重要的營養(yǎng)元素,植物可以通過改變功能性狀來適應(yīng)土壤氮素營養(yǎng)環(huán)境變化[7-9]。當土壤氮素營養(yǎng)水平升高后,地下部能量分配比例會提高,以提高植物養(yǎng)分吸收效率[10-12]。植物細根(直徑≤2 mm)是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官,對土壤環(huán)境變化較為敏感[13-14]。已有研究發(fā)現(xiàn),土壤氮素營養(yǎng)環(huán)境變化能夠改變細根形態(tài),具體表現(xiàn)為細根數(shù)目、總根長、表面積、體積、根尖數(shù)等指標的變化[15-17]。因此,可以通過細根形態(tài)對氮添加的響應(yīng),研究土壤氮素營養(yǎng)環(huán)境變化對植物地下過程的影響。

目前關(guān)于土壤氮素營養(yǎng)環(huán)境變化對植物功能性狀影響的研究集中在地上部,對于地下部分(尤其是根系)的研究發(fā)展緩慢[18]。因此,本研究重點關(guān)注凍土區(qū)泥炭地植物根系對土壤氮素營養(yǎng)環(huán)境變化的響應(yīng)。傳統(tǒng)的根系研究方法包括挖掘法、剖面法和土鉆法等,破壞性較大,不能直接觀察根系的動態(tài)變化[19]。本實驗采取的微根管觀測法(minirhizotron)基本不干擾細根的生長環(huán)境,能對同一細根生長動態(tài)進行連續(xù)監(jiān)測[20-22],應(yīng)用WinRHIZO圖像分析軟件分析泥炭地不同深度(0—20 cm、20—40 cm)土壤中的植物根系形態(tài),選取的參數(shù)包括細根根長、表面積、體積、根長密度,用來反映植物根系的生長發(fā)育狀況和代謝能力,以探究氮素營養(yǎng)環(huán)境變化對凍土區(qū)泥炭地植物根系形態(tài)的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

研究地點位于大興安嶺連續(xù)多年凍土區(qū)泥炭地(52°94′N,122°86′E),該區(qū)氣候?qū)俸疁貛Ъ撅L(fēng)氣候,年凍結(jié)期長達7個月,8月下旬活動層深度可達80—100 cm,其下為永凍層。

2020年5、6、7、8、9月份平均氣溫分別為8.26 ℃、13.59 ℃、19.54 ℃、13.96 ℃、9.91 ℃,降水量分別為25.9 mm、81.8 mm、41.6 mm、132.0 mm、73.7 mm。植物群落的垂直結(jié)構(gòu)比較簡單,灌木層的主要代表為柴樺(Betulafruticosa)、狹葉杜香(Ledumpalustrevar.angustum)和篤斯越桔(Vacciniumuliginosum)等；草本層的主要代表為白毛羊胡子草(Eriophorumvaginatum)等；地被層的主要代表為毛梳蘚(Ptiliumcrista-castrensis)、銹色泥炭蘚(Sphagnumfuscum)和檜葉金發(fā)蘚(Polytrichumjuniperinum)等[23]。

1.2 試驗設(shè)計

在大興安嶺連續(xù)多年凍土區(qū)選取典型泥炭地,設(shè)置0 g N m-2a-1(CK)、6 g N m-2a-1(N1)、12 g N m-2a-1(N2)和24 g N m-2a-1(N3)4個處理,每個處理3次重復(fù),小區(qū)面積2 m×2 m,試驗小區(qū)四周安裝隔離板(2 m× 2 m,0.8 m深)以防止氮橫向流失,各小區(qū)間設(shè)置1 m的隔離帶。2011年秋季布設(shè)實驗樣地,從2012年開始在生長季內(nèi)(5—9月份)對氮添加處理施加NH4NO3,每月初以溶液的形式對小區(qū)噴灑,全年共噴灑5次。按照處理水平要求,將每個小區(qū)每次所需要噴灑的NH4NO3溶解在1 L地表水中,同時,對照小區(qū)僅噴灑等量的地表水[24]。

1.3 觀測方法

本實驗采用BTC- 100微根窗根系觀測系統(tǒng),在每個實驗樣地中安裝直徑5 cm、長100 cm的底部密封的透明有機玻璃管(簡稱微根管),安裝微根管時,微根管與地面角為45°,插入長度約為70—75 cm,換算成垂直深度達50—55 cm,管子露出地面10 cm左右,露出地面部分用黑色膠布纏繞,以防光線進入,再用淺色膠布覆蓋,并在頂端加蓋密封,避免灰塵和水分進入管中。于2020年8月2日和9月8日進行根系觀測。數(shù)據(jù)采用WinRHIZO圖像分析軟件(WinRHIZO TRON 2008,Regent Instruments,Canada),統(tǒng)計分析根長、根表面積和根體積等指標。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2007軟件整理后,采用SPSS 24軟件進行單因素方差分析(ANOVA),顯著性水平P<0.05。

以微根管觀測窗內(nèi)得到的根系長度,計算單位土體的根長密度(root length density, RLD, mm/cm3),其計算公式如下(1):

RLD=RL/(A×DOF)

(1)

其中,RL(mm)為觀測窗中觀測到的細根根長,A(cm2)為觀測窗面積,A取值為1.8 cm×1.4 cm,DOF(cm)為微根管到周圍土壤的距離,DOF一般在0.2—0.3 cm,由于本研究中的植物細根直徑較小,計算中DOF取0.2 cm[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素添加對8月份細根形態(tài)的影響

在表層土壤(0—20 cm)中,隨施氮量增加,植物總根長、總表面積、總體積和根長密度均呈增加趨勢,其中N3處理下細根總根長、總表面積、總體積和根長密度顯著高于其他處理(P<0.05),N2處理下細根總表面積和總體積顯著高于對照組和N1處理。N1、N2、N3處理下植物細根總根長分別為對照組的1.36、2.16、4.97倍,總表面積分別為對照組的1.32、2.92、5.61倍,總體積分別為對照組的1.17、3.45、6.54倍。在亞表層土壤(20—40 cm)中,施氮對細根總根長、總表面積、總體積和根長密度均無顯著影響(P>0.05)。各處理下表層土壤(0—20 cm)中的根長密度占總根長密度的較大部分,亞表層土壤僅占極小的一部分,表層土壤中的根長密度分別比亞表層土壤(20—40 cm)高24%(CK)、74%(N1)、154%(N2)、487%(N3)(圖1)。

圖1 不同濃度氮素添加對8月份植物細根總根長、總表面積、總體積和根長密度的影響Fig.1 Effects of different concentrations of nitrogen additions on total root length, total surface area, total volume and root length density in August不同小寫字母表示同一土壤深度不同處理間根系特征存在顯著差異(P<0.05),CK、N1、N2、N3氮素添加量分別為0 g N m-2 a-1、6 g N m-2 a-1、12 g N m-2 a-1、24 g N m-2 a-1

2.2 氮素添加對9月份細根形態(tài)的影響

在表層土壤(0—20 cm)中,隨施氮量增加,總根長、總表面積、總體積和根長密度均呈增加趨勢,其中N3處理下細根總根長和根長密度顯著高于對照組,總表面積和總體積顯著高于對照組和N1處理(P<0.05)。N1、N2、N3處理下植物細根總根長分別為對照組的1.47、2.85、3.42倍,總表面積分別為對照組的1.15、3.37、4.86倍,總體積分別為對照組的0.97、3.72、6.29倍。在亞表層土壤(20—40 cm)中,施氮對細根總根長、總表面積、總體積和根長密度均無顯著影響(P>0.05)。各處理下表層土壤中的根長密度占總根長密度的較大部分,亞表層土壤僅占極小的一部分,表層土壤中的根長密度分別比亞表層土壤高110%(CK)、158%(N1)、366%(N2)、467%(N3)(圖2)。

圖2 不同濃度氮素添加對9月份植物細根總根長、總表面積、總體積和根長密度的影響Fig.2 Effects of different concentrations of nitrogen additions on total root length, total surface area, total volume and root length density in September不同小寫字母表示同一土壤深度不同處理間根系特征存在顯著差異(P<0.05)

3 討論

3.1 氮素添加對植物細根根長的影響

根長是根系生長發(fā)育的重要特征之一,通常用來指示根系對環(huán)境變化的響應(yīng)[26]。本研究中,施氮處理增加了植物細根的總根長,在表層土壤中(0—20 cm),植物細根的總根長隨施氮量增加而增加,但對亞表層土壤(20—40 cm)的細根生長影響較小,可能由于本研究地點位于大興安嶺連續(xù)多年凍土區(qū),亞表層土壤溫度較低、有效養(yǎng)分不足和通氣條件不適于植物生長。說明在氮限制環(huán)境中,土壤氮素營養(yǎng)水平升高后,植物的生長策略發(fā)生改變,傾向于促進根系發(fā)育,來獲取更多的氮素,為植物地上部提供更多能量。

在對樟樹幼苗的觀測中也發(fā)現(xiàn),施氮處理可以顯著促進幼苗細根長度的增加,由于幼苗處于生長旺盛期,對營養(yǎng)元素的需求較大[17]。但也有研究提出相反的結(jié)論,土壤氮素營養(yǎng)水平升高會抑制根系生長,可能由于植物光合作用固定的碳化合物有限,不足以為根系生長提供額外的能量[27]。也可能是長期氮添加導(dǎo)致土壤酸化,降低表層土壤(0—20 cm)pH值,抑制細根根尖分生組織細胞分裂,進而影響細根長度[28]。根系長度對土壤環(huán)境變化的響應(yīng)十分復(fù)雜,這可能與植物種類、土壤pH值、土壤氮含量不同等因素有關(guān),所以不同生存環(huán)境中的植物根系對氮添加的響應(yīng)具有較大差異。

3.2 氮素添加對植物細根表面積的影響

根表面積作為反映細根形態(tài)變化的一個重要指標,能夠影響植物的吸收功能[29],并且相對于根長而言,根表面積能夠更好的量化細根吸收功能[30]。根表面積與參與氮代謝的關(guān)鍵酶有顯著正相關(guān)性,對氮代謝具有積極的促進作用[31]。本研究發(fā)現(xiàn),在表層土壤中(0—20 cm),施氮處理顯著增加了植物細根的總表面積,其中8月份N2、N3處理均與對照組有顯著差異(P<0.05),9月份N3處理與對照組有顯著差異。說明在氮限制的環(huán)境中,植物細根對表層土壤有效氮含量增加響應(yīng)較敏感,可通過提高在土壤中的分布面積,增強細根吸收養(yǎng)分的能力。植物根系對土壤氮素營養(yǎng)水平變化的響應(yīng)十分復(fù)雜,氮營養(yǎng)增加可能使細根表面積增加[32],也可能降低細根表面積或沒有顯著影響。研究表明短期施加氮肥可增加細根表面積,提高細根的養(yǎng)分吸收能力與養(yǎng)分吸收效率[33]。在森林生態(tài)系統(tǒng)的研究中發(fā)現(xiàn),施氮顯著降低了表層土壤(0—20 cm)中喬木植物的細根表面積,這可能由于土壤有效氮含量增加后,較少的活根就可以滿足植物的營養(yǎng)需求,因此減少根系的能量分配比例[34]。目前一些新的研究發(fā)現(xiàn),植物根系的形態(tài)不僅受外界環(huán)境的影響,還受自身遺傳機制的限制[35]。

3.3 氮素添加對植物細根體積的影響

根系體積可以反映根系的發(fā)達程度。本研究區(qū)域為典型的氮限制性環(huán)境,植物對土壤氮素營養(yǎng)水平變化響應(yīng)比較敏感,研究結(jié)果表明,在表層土壤中(0—20 cm),施氮處理顯著增加了植物細根的總體積,其中8月份N2、N3處理均與對照組有顯著差異(P<0.05),9月份N3處理與對照組有顯著差異(P<0.05)。氮素營養(yǎng)環(huán)境變化可以改變細根的生存策略,通過增加根系體積,提高氮素吸收和利用效率,促進根系生物量的積累[36-37]。但也有研究提出相反觀點,認為根系體積增大會使細根周轉(zhuǎn)速率減慢,對于草本植物而言,當細根直徑為1.6 mm時根系周轉(zhuǎn)率最高[38]。在本研究區(qū)域,草本植物根系相對較細,即使體積增大依然具有較高的根系周轉(zhuǎn)速率,能夠從土壤快速吸收養(yǎng)分。當然,細根功能的變化應(yīng)與細根結(jié)構(gòu)特征相結(jié)合,例如,細根體積的變化,可能為皮層厚度的變化,也可能為中柱直徑的變化,需要在未來研究中深入探討[16]?？傮w而言,在氮限制性環(huán)境中,土壤氮素營養(yǎng)水平增加可以促進細根生長,提高植物細根體積以此來增強植物吸收氮元素的能力。

3.4 氮素添加對植物細根根長密度的影響

本研究發(fā)現(xiàn),0—20 cm土層中根長密度與施氮量呈正相關(guān),且隨施氮量的增加表層土壤(0—20 cm)中根系分布比例增加,說明一定程度的氮素脅迫可誘導(dǎo)植物根系向土壤深處延伸。張微微等人的研究也有相同結(jié)論,施氮可以使小麥根系在表層土壤(0—20 cm)中的生物量增加,分布比例增加[39-40]。

植物根系的垂直分布與土層的深度有關(guān),隨著土層加深,細根生物量呈逐漸下降的變化規(guī)律。本研究中根長密度也表現(xiàn)出同樣的變化規(guī)律,根系主要在0—20 cm,與周本智、傅懋毅和何永濤等的研究結(jié)果相似[41-42],可能由于表層土壤更靠近施氮部位,土壤氮素營養(yǎng)水平更高。而在其他研究中發(fā)現(xiàn)不同的根系垂直分布規(guī)律,如王健健等研究顯示,植物細根生物量隨土壤層深度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢,10—20 cm土壤層細根生物量最大,在50—60 cm土壤層細根生物量最小[43]；又如在新疆干旱區(qū),植物細根生物量表現(xiàn)為表層細根生物量少,20—30 cm土壤層最大[44]。由此可見,在連續(xù)多年凍土區(qū)泥炭地,土壤表層是根系對養(yǎng)分吸收的主要土層,儲存大量植物可利用的有效成分,能促進細根生物量的積累。

4 結(jié)論

本研究在大興安嶺凍土區(qū)泥炭地開展氮添加模擬試驗,研究結(jié)果表明表層土壤(0—20 cm)中植物細根的總根長、總表面積、總體積和根長密度隨施氮量增加而增加,其中N3處理與對照組有顯著差異,施氮也增加了根系在表層土壤中的分布比例；但對亞表層土壤(20—40 cm)中的細根生長影響幅度小于表層土壤,由于本研究地點為凍土區(qū)泥炭地,亞表層土壤溫度較低、有效養(yǎng)分不足和通氣條件不適于植物生長。說明氮素添加在一定程度上減緩了植物的氮限制,能夠顯著促進泥炭地表層土壤中植物細根的生長,但對亞表層土壤中細根的生長影響幅度小于表層土壤。