洪梓明,邢亞娟,閆國(guó)永,張軍輝,王慶貴

1 黑龍江大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)院,黑龍江省寒地生態(tài)修復(fù)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150080 2 黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所,哈爾濱 150081 3 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所,沈陽(yáng) 110016

一般認(rèn)為,細(xì)根是指直徑≤2 mm的根系組分,而直徑>2 mm則為粗根。作為樹(shù)木養(yǎng)分吸收和水分運(yùn)輸?shù)闹匾鞴?細(xì)根不斷地進(jìn)行著呼吸作用與養(yǎng)分周轉(zhuǎn),因此其在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳(C)、氮(N)循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[1- 2]。有研究顯示,在全球范圍內(nèi),如果細(xì)根每年周轉(zhuǎn)一次,約消耗陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)的33%[3]。細(xì)根作為樹(shù)木根系中最為活躍的部分,其養(yǎng)分和水分吸收直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)。在全球N沉降加劇背景下,外源N添加會(huì)對(duì)樹(shù)木根系生長(zhǎng)產(chǎn)生復(fù)雜影響。對(duì)于細(xì)根長(zhǎng)度,先前研究發(fā)現(xiàn)外源N添加可能促進(jìn)[4]或抑制[5]細(xì)根生長(zhǎng)。其中,Eissenstat和Yanai的最優(yōu)化理論[6]認(rèn)為N添加能增加細(xì)根長(zhǎng)度以擴(kuò)大與土壤的接觸面積,并能觸及更深層土壤以便充分吸收養(yǎng)分和水分來(lái)促進(jìn)細(xì)根生長(zhǎng)。而抑制細(xì)根生長(zhǎng)的原因有兩方面：第一,當(dāng)土壤N含量豐富時(shí),就不需要消耗大量能量生產(chǎn)更長(zhǎng)的細(xì)根去吸收養(yǎng)分[7]；第二,N沉降降低了土壤pH值,使得土壤酸化[8],導(dǎo)致土壤中游離鋁離子(Al3+)濃度增加,可能抑制細(xì)根根尖分生組織細(xì)胞分裂,進(jìn)而影響細(xì)根長(zhǎng)度。陳海波等[9]通過(guò)研究水曲柳(Fraxinusmandshurica)苗木根系解剖結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn),N添加處理可能會(huì)導(dǎo)致單位長(zhǎng)度上細(xì)胞數(shù)量減少,從而使根長(zhǎng)縮短。除了細(xì)根長(zhǎng)度,外源N添加也能夠促進(jìn)細(xì)根直徑增加,其原因有二。首先,土壤中Al3+增加會(huì)促進(jìn)細(xì)根直徑增粗[10]；其次,由于土壤N含量增加,細(xì)根需要增加中柱直徑來(lái)促進(jìn)養(yǎng)分和水分的運(yùn)輸,與閆國(guó)永等[11]低N顯著促進(jìn)興安落葉松(Larixgmelinii)前三級(jí)細(xì)根中柱直徑生長(zhǎng)的研究結(jié)論一致。同時(shí),谷加存等[12]研究結(jié)果顯示,無(wú)論是熱帶還是溫帶樹(shù)種,細(xì)根直徑受皮層厚度的影響較大,而受中柱直徑的影響較小。由于形態(tài)結(jié)構(gòu)中的細(xì)根長(zhǎng)度、直徑與解剖結(jié)構(gòu)中的中柱直徑、皮層厚度具有緊密聯(lián)系,因此,本研究擬通過(guò)研究植物根系形態(tài)和解剖來(lái)確定N沉降對(duì)其地下過(guò)程的影響。

對(duì)于植物根系問(wèn)題的研究一直處于不斷探索當(dāng)中。賈淑霞等[13]通過(guò)研究興安落葉松與水曲柳細(xì)根時(shí)發(fā)現(xiàn),形態(tài)結(jié)構(gòu)與其生理功能緊密相連。形態(tài)特征是以往細(xì)根研究的主要內(nèi)容,但其研究結(jié)果往往具有單一性。常文靜和郭大立[14]對(duì)我國(guó)溫帶、亞熱帶和熱帶45個(gè)樹(shù)種根系形態(tài)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),根序變化僅能解釋其直徑變異的53%；王向榮等[15]研究水曲柳前五級(jí)根時(shí)發(fā)現(xiàn),根序僅能解釋直徑變異的83%。近年來(lái),隨著細(xì)根研究的進(jìn)一步深入,如果只從形態(tài)特征來(lái)探究其根系的生理功能已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)前研究的需要。谷加存等[16]認(rèn)為,細(xì)根直徑的變異主要來(lái)源于皮層厚度和維管束直徑的變化。陳海波等[8]研究水曲柳苗木根系時(shí)發(fā)現(xiàn)不同N濃度條件下根長(zhǎng)度的變化可能與細(xì)胞數(shù)量的變化有關(guān)。植物形態(tài)變化決定其功能作用,而功能作用歸根到底是其生理生化的外在表現(xiàn)。因此,對(duì)于細(xì)根相應(yīng)組分化學(xué)計(jì)量學(xué)的進(jìn)一步研究才能解釋其外在形態(tài)與功能的相應(yīng)變化。例如,McCormack等[17]研究發(fā)現(xiàn),植物根系壽命與根系C∶N正相關(guān)。也有研究表明N∶P是植物生長(zhǎng)養(yǎng)分限制的敏感性指標(biāo),可作為判斷生態(tài)系統(tǒng)健康與否的有效工具[18]。如“生長(zhǎng)速率假說(shuō)”認(rèn)為：生物體為滿(mǎn)足快速生長(zhǎng)階段的需要,將會(huì)投入更多富含P的rRNA來(lái)支持蛋白質(zhì)的合成,rRNA作為植物的一個(gè)主要P庫(kù),隨著含量增加將直接導(dǎo)致細(xì)胞中P濃度的增加,從而使植物表現(xiàn)出低的C∶N、C∶P和N∶P[19]。因此,在目前全球氣候變化的背景下,外源N的輸入可能改變細(xì)根化學(xué)組分的含量進(jìn)而影響細(xì)根形態(tài)特征和生理功能。上述研究只考慮了某兩個(gè)或多個(gè)因子之間的耦合關(guān)系,并沒(méi)有系統(tǒng)性地論述細(xì)根形態(tài)特征、解剖結(jié)構(gòu)、生理功能以及元素含量變化與外源N添加的耦合關(guān)系。目前,隨著細(xì)根研究的不斷深入,已經(jīng)從單一的形態(tài)研究發(fā)展到形態(tài)特征、解剖結(jié)構(gòu)、生理功能和元素含量耦合的系統(tǒng)性研究[20- 21]。

森林生態(tài)系統(tǒng)具有豐富的物種多樣性。有研究表明,每個(gè)樹(shù)種在遺傳、生活史、生境和物候以及生態(tài)功能方面均存在著明顯的差別[22]。相比于室內(nèi)試驗(yàn),野外原位試驗(yàn)更貼近N沉降現(xiàn)狀,能夠囊括土壤N有效性、植物根系自身特性、環(huán)境因素、土壤動(dòng)物等因子的綜合作用。白樺與山楊都屬于長(zhǎng)白山地區(qū)天然次生林典型先鋒樹(shù)種,均十分耐寒冷、瘠薄,天然更新能力強(qiáng)。但白樺較適宜生長(zhǎng)在潮濕、偏酸性的土壤中,山楊喜干旱、偏中性的土壤。本試驗(yàn)以長(zhǎng)白山天然次生林白樺和山楊為研究對(duì)象,通過(guò)野外采集完整根系樣品,測(cè)定其前三級(jí)細(xì)根形態(tài)、解剖與C、N、P參數(shù),并分別探究?jī)蓸?shù)種各參數(shù)之間的相互耦合關(guān)系,以完善溫帶天然次生林細(xì)根對(duì)N沉降響應(yīng)機(jī)制的研究。在前人研究的基礎(chǔ)上,我們提出以下假設(shè)：1)依據(jù)累積-穩(wěn)定效應(yīng)假說(shuō),長(zhǎng)期施N可能抑制根系生長(zhǎng),增加細(xì)根直徑；2)由于根系直徑變異的控制因素不同,N添加下細(xì)根直徑增加可能是由中柱直徑增加引起；3)盡管白樺和山楊同為先鋒樹(shù)種,但由于白樺(喜微酸性土)和山楊(喜中性土)的生理差異,可能導(dǎo)致白樺細(xì)根隨著氮濃度梯度升高,呈現(xiàn)先促進(jìn)后抑制生長(zhǎng)的現(xiàn)象；而山楊細(xì)根隨著氮濃度梯度升高,呈現(xiàn)不斷抑制生長(zhǎng)的現(xiàn)象。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于吉林省白山市撫松縣露水河林業(yè)局(42°82′49″ N,128°85′45″ E)。海拔920 m,屬典型季風(fēng)性氣候,冬季寒冷干燥,春秋季短暫而干燥,夏季潮濕溫暖。年平均氣溫和降水量分別為2.78 ℃和871.6 mm。2004年至2007年該地平均大氣N沉降量為2.45 g N m-2a-1。其中濕N沉降約占75%。土壤為深棕色森林土壤,基巖為覆蓋著礫石和黃土的花崗巖,上層主要為黃土。屬于天然次生闊葉林,主要樹(shù)種有白樺(B.platyphylla)、山楊(P.davidiana)、加楊(P.koreana),伴有散生的水曲柳(F.mandschurica)、紅松(P.koraiensis)、色木槭(Acermono)、簇毛槭(A.barbinerve)、旱柳(Salixmatsudana)、楓樺(B.costata)、榆樹(shù)(Ulmusjaponica),平均樹(shù)齡約40年。主要灌木樹(shù)種是珍珠梅(Sorbariasorbifolia)、東北山梅花(Philadelphusschrenkii)、五味子(Schisandrachinensis)、溲疏(Deutziascabra)、衛(wèi)矛(Euonymusalatus)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

控制試驗(yàn)共設(shè)置了9個(gè)30 m×30 m的樣方,每個(gè)樣方相距20 m,并在底部用聚乙烯塑料板隔斷至土壤母質(zhì)層(約60cm),以防止相鄰樣方不同N添加的相互影響。共設(shè)置3個(gè)N添加梯度,每個(gè)3次重復(fù),即對(duì)照(CK)、低N(TL)、高N(TH),分別按0、2.5、5.0 g N m-2a-1進(jìn)行外加N(NH4NO3)處理(不包括大氣N沉降量)。根據(jù) N添加水平,于2006年5月起,在植物生長(zhǎng)季內(nèi)(5—9月)每月月初將每個(gè)樣方所施的NH4NO3首先溶解于20 L純凈水中,再混合于180 L水中,以背式噴霧器人工均勻噴灑在林地上。每個(gè)對(duì)照樣地則噴灑同樣200 L的純凈水,保持水分一致性。于2017年7月植物生長(zhǎng)季在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選取白樺和山楊各3株,在距離樹(shù)干1m處用平板利鍬分別挖取白樺和山楊完整根段(包含前1—5級(jí)的根序)各27束,并依序放入寫(xiě)好標(biāo)簽的封口袋中,再置入冷藏箱(2—3℃)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。將根系清洗后,放入裝滿(mǎn)FAA固定液((FAA:70%酒精(90 mL)+100%冰醋酸(5 mL)+38%甲醛(5 mL))的塑料瓶中進(jìn)行固定,于4 ℃冰箱中保存待用。

1.3 形態(tài)測(cè)定與解剖學(xué)觀察

挑選完整的根段樣品,按照Fitter和Stickland[23]的方式對(duì)根進(jìn)行分級(jí),依序放入已標(biāo)記好根序標(biāo)簽且裝有FAA固定液的玻璃瓶?jī)?nèi),在最短的時(shí)間內(nèi)用CanonLide 120掃描儀完成圖像掃描。然后放入65度的烘箱內(nèi)烘至恒重(48 h),測(cè)定各根序生物量(m干,g),密封于1號(hào)塑料袋內(nèi)以便于化學(xué)含量測(cè)定。將掃描完成的圖像采用WinRHIZO軟件(加拿大Regent Instruments公司)進(jìn)行形態(tài)特征分析,包括根長(zhǎng)(L)、平均直徑(D)、表面積(S)。

采用上述方式用70%酒精分出一、二和三級(jí)根各30個(gè)。依序裝入標(biāo)記好根序標(biāo)簽且盛有70%酒精的玻璃瓶?jī)?nèi),然后進(jìn)行石蠟橫切片制作,每個(gè)處理等級(jí)根序制作7個(gè)樣本。用番紅-固綠染色(木質(zhì)化細(xì)胞壁和細(xì)胞核染成紅色,薄而具有纖維素的細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)染成綠色),加拿大樹(shù)膠封片。使用Leica DM4000B LED顯微鏡鏡檢,每個(gè)樣本觀察10個(gè)視野。并使用Leica Application Suite Version4.6.2軟件拍照和測(cè)量皮層厚度(d皮,μm)、皮層細(xì)胞層數(shù)(n層)、中柱直徑(d中，μm)和中柱內(nèi)的導(dǎo)管數(shù)量(n導(dǎo),個(gè))與直徑(d導(dǎo),μm),計(jì)算維根比(中柱直徑/根直徑)。

1.4 C、N、P含量測(cè)定

分別將封于1號(hào)塑料袋內(nèi)兩樹(shù)種各處理的前三級(jí)根序依次混合。用TOC/TN分析儀(Multi N/C 3100,Analytikjene AG,Germany)灼燒測(cè)得樣品總有機(jī)碳(TOC)含量。用消煮法稱(chēng)取0.03 g根系樣品制成溶液,用TOC/TN分析儀(Multi N/C 3100,Analytikjene AG,Germany)測(cè)得樣品總N(TN)含量。使用鉬銻抗比色法測(cè)定根系總P(TP)含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析不同N添加對(duì)白樺和山楊細(xì)根形態(tài)、解剖和化學(xué)含量的影響,隨后通過(guò)LSD法確定不同水平N添加1—3級(jí)根形態(tài)特征、解剖結(jié)構(gòu)和根系化學(xué)成分之間的差異(P<0.05)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖采用SPSS 19.0(SPSS Inc,Chicago,USA)軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水平N添加對(duì)細(xì)根化學(xué)組分的影響

由表1可見(jiàn),白樺、山楊TOC含量在不同N水平下均無(wú)顯著差異。白樺TN含量在TL和TH均顯著升高(P<0.05,表1),在TL下增加了約19.68%,在TH下增加了約18.80%。而山楊僅TL出現(xiàn)了顯著降低(P<0.05,表1),降低約11.26%。TP含量在所有處理下都無(wú)顯著差異。

表1 N添加對(duì)白樺、山楊1—3級(jí)根C、N、P含量及其比值的影響

物種間的差異均不做比較;不同字母代表在P<0.05水平上的差異顯著

2.2 不同水平N添加對(duì)細(xì)根形態(tài)特征的影響

N添加顯著增加了白樺前三級(jí)根平均直徑(P<0.05),在TL時(shí),一級(jí)根增加34.22%,二級(jí)根增加39.65%,三級(jí)根增加29.90%；在TH時(shí),一級(jí)根增加13.36%,二級(jí)根增加35.10%,三級(jí)根增加14.58%。但TH相比于TL,細(xì)根直徑的增加量呈現(xiàn)降低趨勢(shì),其中一、三級(jí)根顯著降低(P<0.05),一級(jí)根降低15.54%,三級(jí)根降低11.79%。前三級(jí)根平均長(zhǎng)度在N添加下并沒(méi)有一致的變化趨勢(shì)。平均表面積在不同N添加下均顯著增加(P<0.05),在TL時(shí),一級(jí)根增加33.09%,二級(jí)根增加55.56%,三級(jí)根增加110.96%；在TH時(shí),一級(jí)根增加22.87%,二級(jí)根增加20.55%,三級(jí)根增加69.13%,而TH相比于TL均顯著降低(P<0.05),一級(jí)根降低7.68%,二級(jí)根降低22.50%,三級(jí)根降低19.81%。由此可見(jiàn),在外源施N添加下,白樺通過(guò)改變細(xì)根直徑來(lái)影響其表面對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收過(guò)程以適應(yīng)環(huán)境的變化(圖1)。

圖1 不同N水平白樺、山楊1—3級(jí)細(xì)根平均直徑、平均長(zhǎng)度、平均表面積的變化Fig.1 Changes of average root diameter, average length and average surface area Betula platyphylla and Populus davidiana 1—3 fine roots in different nitrogen levels

山楊一、二級(jí)根平均直徑在TL時(shí)顯著降低(P<0.05),其中一級(jí)根降低12.96%,二級(jí)根降低22.18%,三級(jí)根無(wú)明顯變化；而一、二級(jí)根TH相比于TL顯著增加(P<0.05),三級(jí)根顯著降低(P<0.05),其中一級(jí)根增加28.06%,二級(jí)根增加14.27%,三級(jí)根降低11.46%。一、三級(jí)根平均長(zhǎng)度在TL時(shí)顯著增加(P<0.05),其中一級(jí)根增加24.12%,三級(jí)根增加25.66%,二級(jí)根無(wú)顯著變化；而前三級(jí)根平均長(zhǎng)度在TH下相比于CK和TL均顯著降低(P<0.05),相比于CK,一級(jí)根降低16.15%,二級(jí)根降低41.76%,三級(jí)根降低了33.91%；相比于TL,一級(jí)根降低32.44%,二級(jí)根降低37.36%,三級(jí)根降低47.41%。平均表面積TH相比于CK和TL均顯著降低(P<0.05)。相比于CK,一級(jí)根降低7.88%,二級(jí)根降低47.75%,三級(jí)根降低40.39%；相比于TL,一級(jí)根降低11.57%,二級(jí)根降低29.35%,三級(jí)根降低50.51%,而在TL下,一級(jí)根無(wú)顯著變化,二級(jí)根顯著降低26.05%(P<0.05)；三級(jí)根顯著增加20.44%(P<0.05)。與白樺不同,山楊在外源N添加下其長(zhǎng)度和直徑均作出積極響應(yīng)以適宜其生長(zhǎng)環(huán)境的變化(圖1)。

2.3 不同水平N添加對(duì)細(xì)根解剖結(jié)構(gòu)的影響

白樺前三級(jí)根皮層細(xì)胞直徑在N添加下均顯著增加(P<0.05),在TL時(shí),一級(jí)根增加72.77%,二級(jí)根增加53.22%,三級(jí)根增加39.96%；在TH下,一級(jí)根增加57.74%,二級(jí)根增加46.33%,三級(jí)根增加30.16%。白樺皮層厚度在TL時(shí),一級(jí)根無(wú)顯著變化,二、三級(jí)根均顯著降低(P<0.05),二級(jí)根降低13.21%,三級(jí)根降低25.41%。白樺中柱直徑在N添加時(shí)均顯著增加(P<0.05),在TL時(shí),一級(jí)根增加54.26%,二級(jí)根增加38.32%,三級(jí)根增加49.64%,在TH時(shí),一級(jí)根增加27.10%,二級(jí)根增加14.96%,三級(jí)根增加18.78%。而TH相較于TL均顯著降低(P<0.05),一級(jí)根降低17.61%,二級(jí)根降低16.89%,三級(jí)根降低20.62%。白樺維根比在N添加時(shí)均顯著增加(P<0.05),在TL時(shí),一級(jí)根增加23.02%,二級(jí)根增加20.39%,三級(jí)根增加16.70%；在TH時(shí),一級(jí)根增加16.97%,二級(jí)根增加5.79%,三級(jí)根增加9.02%。此外,TH相比于TL均顯著降低(P<0.05),一級(jí)根降低4.91%,二級(jí)根降低12.13%,三級(jí)根降低6.59%。由此前白樺細(xì)根直徑的變化可知,其主要通過(guò)皮層厚度與中柱直徑的協(xié)同作用來(lái)促使細(xì)根直徑發(fā)生改變(圖2)。

山楊前三級(jí)根皮層細(xì)胞直徑在TL時(shí)僅一、二級(jí)根顯著下降(P<0.05),一級(jí)根下降40.80%,二級(jí)根下降28.17%,三級(jí)根無(wú)顯著變化；而TH時(shí),二、三級(jí)根均顯著增加(P<0.05),二級(jí)根增加17.37%,三級(jí)根增加103.45%；TH相比于TL均顯著增加(P<0.05),一級(jí)根增加76.54%,二級(jí)根增加63.39%,三級(jí)根增加139.27%。山楊皮層厚度在TL時(shí),僅一、二級(jí)根顯著下降(P<0.05),一級(jí)根降低32.45%,二級(jí)根降低33.06%,三級(jí)根無(wú)顯著變化；在TH時(shí),一、三級(jí)根顯著增加(P<0.05),一級(jí)根增加14.02%,三級(jí)根增加110.58%；TH相比于TL均顯著增加(P<0.05),一級(jí)根增加68.78%,二級(jí)根增加50.81%,三級(jí)根增加88.53%。山楊中柱直徑在TH時(shí)顯著下降(P<0.05),相比于CK,二級(jí)根下降12.01%,三級(jí)根下降41.08%；相比于TL,一級(jí)根下降11.81%,三級(jí)根下降41.37%。山楊維根比在TL時(shí),一、二級(jí)根顯著增加(P<0.05),一級(jí)根增加46.02%,二級(jí)根增加14.67%,三級(jí)根無(wú)顯著變化；TH相比于TL均顯著降低(P<0.05),其中一級(jí)根降低30.58%,二級(jí)根降低13.31%,三級(jí)根降低31.99%。結(jié)合此前山楊細(xì)根直徑的變化可知,山楊主要通過(guò)改變皮層細(xì)胞直徑來(lái)促使其皮層厚度發(fā)生變化以適應(yīng)外源N添加改變(圖2)。

圖2 不同N水平白樺、山楊1—3級(jí)細(xì)根皮層細(xì)胞直徑、皮層厚度、中柱直徑、維根比的變化Fig.2 Changes of cortical cell diameter, cortical thickness, stele diameter, ratio of stele to root diameter of fine roots of Betula platyphylla and Populus davidiana 1—3 fine roots in different nitrogen levels

白樺導(dǎo)管個(gè)數(shù)和導(dǎo)管平均直徑在TL時(shí)均顯著增加(P<0.05),導(dǎo)管個(gè)數(shù)增加130%,導(dǎo)管平均直徑增加25.05%；TH相比于TL均顯著降低(P<0.05),導(dǎo)管個(gè)數(shù)降低60.14%,導(dǎo)管平均直徑降低17.85%。

圖3 不同N水平白樺、山楊3級(jí)細(xì)根導(dǎo)管個(gè)數(shù)和導(dǎo)管平均直徑的變化Fig.3 Changes of mean diameter of grade 3 fine roots in Betula platyphylla and Populus davidiana in different nitrogen levels

山楊導(dǎo)管個(gè)數(shù)和導(dǎo)管平均直徑在TL時(shí)顯著增加(P<0.05),其中導(dǎo)管個(gè)數(shù)增加47.92%,導(dǎo)管平均直徑增加73.60%。在TH時(shí),山楊導(dǎo)管個(gè)數(shù)相較于CK和TL均顯著降低(P<0.05),相較于CK降低72.88%,相較于TL降低81.67%；而導(dǎo)管平均直徑相較于CK無(wú)顯著變化,但相較于TL顯著降低32.27%(P<0.05)(圖3)。

3 討論

樹(shù)木的形態(tài)結(jié)構(gòu)與其生理功能具有緊密聯(lián)系[24],而N沉降能顯著影響植物細(xì)根的生存策略[25]。先前研究主要將根系分為粗根(直徑>2 mm)和細(xì)根(直徑≤2 mm)兩部分[26],認(rèn)為細(xì)根主要起水分和養(yǎng)分吸收的功能,而粗根起儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、支撐的作用,但目前有研究認(rèn)為這種結(jié)論存在一定的不足。近期研究顯示,假如采用直徑大小對(duì)細(xì)根進(jìn)行劃分,將會(huì)在某種程度上忽視個(gè)體根在整個(gè)根序上的差別。由于不同根序上的個(gè)體根在解剖、形態(tài)和生理功能上都存在明顯的差異性,因而采用直徑閾值來(lái)對(duì)根系組分進(jìn)行劃分,缺乏對(duì)根系功能方面的充分考慮,這將會(huì)阻礙對(duì)細(xì)根結(jié)構(gòu)和功能的準(zhǔn)確理解[17,27- 29]。谷加存等[16]認(rèn)為由于1—3級(jí)根都具有初生構(gòu)造和完整的皮層組織結(jié)構(gòu),主要起水分和養(yǎng)分吸收的功能,因此被定義為吸收根,并建議采用功能劃分的方法來(lái)充分判定樹(shù)木細(xì)根系統(tǒng)內(nèi)結(jié)構(gòu)和功能的異質(zhì)性,進(jìn)而更加客觀地評(píng)價(jià)根系所蘊(yùn)含的生態(tài)學(xué)過(guò)程及其影響。通過(guò)以上觀點(diǎn),本研究分析了不同N添加對(duì)白樺和山楊1—3級(jí)細(xì)根的形態(tài)特征和解剖結(jié)構(gòu)的影響,并探討了與元素含量之間的耦合關(guān)系。

3.1 N沉降對(duì)細(xì)根C、N、P元素的影響

本研究表明外源N輸入顯著改變了細(xì)根N含量,但并沒(méi)有明顯改變C、P含量(表1)。進(jìn)一步分析表明：白樺細(xì)根C∶N在TL和TH均顯著降低,其原因在于外源N輸入促進(jìn)細(xì)根呼吸[30],使細(xì)根周轉(zhuǎn)加快,細(xì)根N含量升高,導(dǎo)致細(xì)根C∶N減小。白樺和山楊C∶P隨著N濃度增加均無(wú)顯著變化,說(shuō)明土壤P含量并沒(méi)有隨著外源N的輸入而處于緊缺狀態(tài),符合前人的研究結(jié)論：在寒冷的氣候下,由于生長(zhǎng)季較短,物種生長(zhǎng)速率較快,溫帶物種組織中的P含量比熱帶物種豐富[31]。此外,Koerselman和Meuleman[32]通過(guò)對(duì)濕地植被施肥試驗(yàn)的研究表明,N∶P<14可以認(rèn)為是受N限制,N∶P>16是受P限制。本實(shí)驗(yàn)中N∶P均小于14,沒(méi)有受到P元素限制。此外,白樺和山楊C∶P與N∶P隨著N濃度升高成增加趨勢(shì),與“生長(zhǎng)速率假說(shuō)”認(rèn)為植物應(yīng)表現(xiàn)出低的C∶P和N∶P[19]不相符。但有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),高等植物能夠儲(chǔ)存額外的養(yǎng)分從而改變生長(zhǎng)速率和N∶P之間的關(guān)系[19,33- 35],本研究恰好驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。

3.2 N添加下細(xì)根形態(tài)特征與解剖結(jié)構(gòu)的耦合關(guān)系

目前有大量研究顯示,在溫帶森林中,土壤N的可用性能夠顯著影響細(xì)根的形態(tài)特征[36- 38]。許多研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)外源添加N顯著改變了細(xì)根的長(zhǎng)度[4- 5]和直徑[10,14]。本實(shí)驗(yàn)中白樺細(xì)根在N添加下平均直徑均顯著增加(符合我們的假設(shè)1),山楊細(xì)根在N添加下平均直徑和平均長(zhǎng)度均發(fā)生顯著變化(圖1)。物種間變化趨勢(shì)的不同可能反映了不同樹(shù)種的營(yíng)養(yǎng)需求不一致,也可能反映了樹(shù)種間為適應(yīng)變化的環(huán)境而采取不同的營(yíng)養(yǎng)覓食策略[39- 40]。此外,細(xì)根的形態(tài)特征與其解剖結(jié)構(gòu)有著十分緊密的聯(lián)系。一般認(rèn)為,皮層厚度的降低使得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入中柱運(yùn)輸部位的距離縮短[41],而導(dǎo)管平均直徑和個(gè)數(shù)顯著增加引起的中柱直徑增粗[28]使得皮層吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能夠更有效地進(jìn)行運(yùn)輸,進(jìn)而改變了細(xì)根的形態(tài)結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)中白樺皮層厚度在N添加下呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)(圖2),中柱直徑在施N處理下均顯著增加(符合我們的假設(shè)2)。顯然,白樺通過(guò)增加中柱直徑和降低皮層厚度來(lái)提高維根比,從而滿(mǎn)足外源N添加處理后的生長(zhǎng)促進(jìn)狀態(tài)。與谷加存等[12]的研究結(jié)論：根徑受皮層厚度的影響較大,而受中柱直徑的影響較小不一致,其主要原因是谷加存等關(guān)注物種之間比較,并未關(guān)注施加外源N后其動(dòng)態(tài)變化。另外,在木本植物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了根直徑與中柱大小的正相關(guān)關(guān)系[11,42]。白樺在TH與TL比較時(shí),中柱直徑的變化與細(xì)根直徑的變化相契合(顯著降低),而二、三級(jí)根皮層厚度顯著增加。由此,我們推測(cè)白樺在TH時(shí)處于“營(yíng)養(yǎng)過(guò)?！睜顟B(tài)。山楊在施N處理下皮層厚度與中柱直徑無(wú)一致變化趨勢(shì)。白樺、山楊次生林細(xì)根在不同N添加下形態(tài)特征和解剖結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性仍需進(jìn)一步研究(圖2)。

一般而言,在吸收根中皮層厚度的變化可以用來(lái)評(píng)估植物適應(yīng)變化的環(huán)境[43],而皮層厚度的變異來(lái)源有皮層細(xì)胞直徑和皮層層數(shù)兩個(gè)方面。本實(shí)驗(yàn)中白樺皮層厚度在TL時(shí)顯著降低(一級(jí)根除外),而皮層細(xì)胞直徑顯著增加?？梢?jiàn),TL通過(guò)減少皮層層數(shù)來(lái)促進(jìn)白樺皮層厚度的降低使得營(yíng)養(yǎng)和水分吸收效率增加,促進(jìn)細(xì)根生長(zhǎng)。而山楊在TH相較于TL時(shí),皮層厚度與皮層細(xì)胞直徑均顯著增加,在TL時(shí)又具有相同的變化趨勢(shì)(圖2)。由此可見(jiàn),山楊主要通過(guò)影響皮層細(xì)胞直徑來(lái)改變皮層厚度。

3.3 N添加對(duì)細(xì)根功能的影響

有研究證實(shí),吸收根可以通過(guò)改變根形態(tài)和解剖特征來(lái)優(yōu)化其功能,以適應(yīng)土壤條件諸如水分[7,44- 45]和重金屬含量[46- 48]的變化。在根直徑方面,先前很多研究[49- 51]認(rèn)為：N供應(yīng)不足,會(huì)對(duì)葉片CO2同化產(chǎn)生影響,導(dǎo)致分配到根系中的光合產(chǎn)物減少,從而增加細(xì)根衰老和死亡的概率,而直徑增粗可以降低這種反應(yīng)的危險(xiǎn)系數(shù)。本研究中山楊一、二級(jí)根平均直徑在TL時(shí)(N供應(yīng)充足)顯著降低,三級(jí)根有增加趨勢(shì),這充分驗(yàn)證了上述研究結(jié)論。在根長(zhǎng)度方面,許多研究表明根長(zhǎng)度是體現(xiàn)根吸收效率的重要指標(biāo)[52- 53]。山楊在TL時(shí)平均長(zhǎng)度顯著增加以充分吸收養(yǎng)分,在TH時(shí)又顯著降低從而減小養(yǎng)分吸收速率[6](圖1)?？梢?jiàn),植物能夠通過(guò)調(diào)節(jié)自身形態(tài)以適應(yīng)外界的環(huán)境變化。

還有部分研究顯示導(dǎo)管與細(xì)根運(yùn)輸能力顯著相關(guān)。Senock和Leuschner[54]觀察到樹(shù)液流速和柳葉桉根部的最大液流速率分別與平均導(dǎo)管直徑和總導(dǎo)管橫截面積成正相關(guān)。在鱷梨根部也驗(yàn)證了液流速率與總導(dǎo)管橫截面積的正相關(guān)性[55]。本實(shí)驗(yàn)中兩樹(shù)種三級(jí)細(xì)根在TL時(shí)導(dǎo)管個(gè)數(shù)和導(dǎo)管平均直徑(導(dǎo)管橫截面積)均顯著增加(圖3)。表明了導(dǎo)管的形成能夠積極感受土壤環(huán)境中N含量的可用性。有實(shí)驗(yàn)證實(shí),在N含量較高的情況下植物會(huì)增加他們的運(yùn)輸能力[43]去平衡植物吸收和運(yùn)輸之間的關(guān)系[56- 57],避免營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累在根系系統(tǒng)中[58]。另一方面,本實(shí)驗(yàn)中白樺中柱直徑(圖2)符合其導(dǎo)管的變化趨勢(shì),顯然,其中柱直徑的增加主要來(lái)源于導(dǎo)管的直接作用。山楊在TH時(shí)中柱直徑的變化符合其導(dǎo)管變化規(guī)律。在TL時(shí)中柱直徑無(wú)顯著變化,但導(dǎo)管平均直徑和導(dǎo)管個(gè)數(shù)均顯著增加。我們猜測(cè)TL使得山楊不再需要大量的韌皮部來(lái)積極運(yùn)輸有機(jī)物和礦質(zhì)元素離子,反而需要更多的導(dǎo)管來(lái)支持植物體內(nèi)不需要能量的水分運(yùn)輸?shù)某浞中枰Ｈ欢?具體變化原因還需進(jìn)一步探索。

此外,還發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象。山楊皮層厚度在TH相較于TL時(shí)顯著增加(圖2),而導(dǎo)管個(gè)數(shù)和導(dǎo)管平均直徑(導(dǎo)管橫截面積)顯著降低(圖3)。同時(shí),其平均表面積也相應(yīng)地顯著降低(圖1),根據(jù)營(yíng)養(yǎng)吸收-運(yùn)輸假設(shè)[43],推測(cè),山楊在TH時(shí)明顯感受到了環(huán)境的改變所產(chǎn)生的脅迫壓力,因此,其改變了自身的營(yíng)養(yǎng)吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)策略來(lái)適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境變化[39- 40,56- 57],以降低其破壞力。山楊皮層厚度的改變恰好驗(yàn)證了我們對(duì)其全N的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：TL時(shí)為顯著低值(表1)。這符合植物組織解剖研究結(jié)果[59]：皮層作為初生組織,主要由薄壁細(xì)胞構(gòu)成。其特點(diǎn)是養(yǎng)分濃度高(大部分是以蛋白質(zhì)形式存在的N),代謝速率快(主要是通過(guò)離子吸收、同化及轉(zhuǎn)運(yùn)到其他組織)(圖3，圖4)。

圖4 不同N水平白樺(A-CK、B-LN、C-HN)、山楊(D-CK、E-LN、F-HN)1—3級(jí)細(xì)根解剖結(jié)構(gòu)圖片F(xiàn)ig.4 Anatomy and structure picture of Betula platyphylla (A-CK, B-LN, C-HN) and Populus davidiana (D-CK, E-LN, F-HN) 1—3 fine roots in different nitrogen levelsVC,中柱;CO,皮層;EX,外皮

白樺、山楊都屬于先鋒樹(shù)種,均十分耐寒。白樺通常生長(zhǎng)于濕潤(rùn)并呈酸性的土壤環(huán)境中,山楊偏愛(ài)排水良好且呈中性的土壤。由于人為添加N,改變了白樺和山楊細(xì)根的生存環(huán)境,使得其性狀發(fā)生改變。鑒于白樺自身的喜酸性特征,其在TL時(shí)長(zhǎng)度無(wú)明顯變化而直徑顯著增加,可能原因是酸性土壤中Al3+濃度增加進(jìn)而抑制細(xì)根根尖分生組織細(xì)胞分裂[8,10]。在TH時(shí)土壤酸性進(jìn)一步增強(qiáng),Al3+濃度過(guò)高,產(chǎn)生了鋁毒效應(yīng),影響其生長(zhǎng),因此呈現(xiàn)出TH直徑增加量明顯小于TL且長(zhǎng)度逐漸降低的現(xiàn)象。相反,由于山楊呈現(xiàn)出較為“中性”的特征,在TL時(shí)山楊直徑生長(zhǎng)受到抑制,而長(zhǎng)度顯著增加,土壤中Al3+濃度效果不顯著,其原因可能是白樺作為“緩沖樹(shù)種”,在TL時(shí)生長(zhǎng)加快而吸收了大量人為添加的N,進(jìn)而調(diào)節(jié)土壤pH值,使其酸性減弱。然而在TH時(shí),白樺自身生長(zhǎng)也受到抑制,從而導(dǎo)致“緩沖效應(yīng)”消失,因此鋁毒效應(yīng)顯著,致使山楊細(xì)根長(zhǎng)度顯著下降而皮層厚度顯著增加(符合我們的假設(shè)3)。據(jù)此,隨著目前全球氣候變化背景下的N沉降進(jìn)一步延續(xù),長(zhǎng)白山地區(qū)白樺山楊天然次生林會(huì)持續(xù)展現(xiàn)出其自身的適應(yīng)機(jī)制,從而為完善植物根系的響應(yīng)研究提供數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

本研究對(duì)長(zhǎng)白山試驗(yàn)樣地內(nèi)白樺和山楊兩樹(shù)種前三級(jí)細(xì)根進(jìn)行形態(tài)、解剖和化學(xué)組分測(cè)定后,得到結(jié)論如下：白樺和山楊的細(xì)根對(duì)N沉降的反饋機(jī)制不同,白樺主要通過(guò)細(xì)根中柱直徑和皮層厚度來(lái)體現(xiàn),而山楊通過(guò)細(xì)根長(zhǎng)度和皮層厚度兩方面來(lái)體現(xiàn)；TL時(shí),兩物種都是通過(guò)抑制前三級(jí)細(xì)根皮層厚度生長(zhǎng)來(lái)加速水分與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收,不同之處在于白樺通過(guò)增加皮層細(xì)胞直徑但減少皮層層數(shù)來(lái)達(dá)到皮層厚度的降低,而山楊主要是通過(guò)削弱皮層細(xì)胞直徑的生長(zhǎng)而促使皮層厚度的降低；TH時(shí),山楊細(xì)根生長(zhǎng)受到抑制,只能通過(guò)增加皮層厚度降低導(dǎo)管橫截面積來(lái)抵御過(guò)高的N濃度對(duì)其自身生長(zhǎng)的危害。因此,植物能夠通過(guò)感知潛在的外界環(huán)境變化而改變其根系解剖結(jié)構(gòu),從而影響根系外在的形態(tài)特征進(jìn)而優(yōu)化其生理功能。