馬志良

西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637009

植物根系分泌物作為根系-微生物-土壤之間物質(zhì)交換和能量傳遞的重要媒介物質(zhì)，在調(diào)節(jié)土壤碳收支與養(yǎng)分循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用（Girkin et al.，2018）。植物每年通過根系分泌物的形式向土壤中輸入的有機碳消耗了植物初級生產(chǎn)力的 5%—21%（Haichar et al.，2014），而且根系分泌物可以為根際微生物群落提供可利用性碳源和氮源，可有效調(diào)節(jié)根際微生物群落結(jié)構(gòu)、數(shù)量和活性（Shahzad et al.，2015），還可通過激發(fā)效應(yīng)（Wang et al.，2016）、化感作用（Cheng et al.，2015）等過程深刻影響根系-微生物-土壤之間的相互關(guān)系。然而，由于根系分泌物很快被根際微生物吸收、利用和分解以及受研究方法和技術(shù)手段的限制，在野外研究中很難對根系分泌物相關(guān)的土壤生態(tài)過程進行定性和定量研究（尹華軍等，2018），這很大程度上限制了我們對植物根際生態(tài)過程的認識。植物根系分泌物輸入及其介導(dǎo)的根系-微生物-土壤界面互作效應(yīng)及其對土壤生物地球化學(xué)循環(huán)過程的影響已經(jīng)成為陸地生態(tài)系統(tǒng)過程研究的一個熱點和難點問題。

環(huán)境溫度是影響植物根系分泌過程的關(guān)鍵生態(tài)因子。溫度變化能通過影響植物初級生產(chǎn)、植物根系的生長、形態(tài)和生理活性直接影響根系分泌物輸入通量和化學(xué)組成（Yin et al.，2013a；Kaiser et al.，2015），還可通過調(diào)節(jié)土壤水分、養(yǎng)分有效性和土壤微生物群落間接影響植物根系分泌過程（熊德成等，2016；Zhang et al.，2016）。然而，以往的研究主要針對人工控制條件下（實驗室組培、砂培或水培）草本植物或木本植物幼苗，主要關(guān)注根系分泌物中有機物碳含量及組分的變化（Qiao et al.，2014；熊德成等，2016；蔣錚等，2018），其結(jié)果是否適用于野外條件下的森林植物還有待開展進一步研究。

分布在青藏高原東緣的高寒灌叢生態(tài)系統(tǒng)是響應(yīng)氣候變暖最為敏感的區(qū)域之一（IPCC，2013）。氣候變暖正在深刻地改變該區(qū)域植物群落結(jié)構(gòu)與分布，該區(qū)域高寒灌叢分布上限明顯上升，且其分布面積仍在逐步擴張（Miehe et al.，2019）。氣候變暖將會對該區(qū)域植物根系分泌物分泌過程及其介導(dǎo)的根際生態(tài)過程產(chǎn)生深刻影響，但缺乏必要關(guān)注。窄葉鮮卑花（Sibiraea angustata）灌叢是青藏高原特有的、具有代表性的典型高寒灌叢類型，垂直分布于海拔3000—4000 m，在川西岷江源區(qū)具有較高的群落穩(wěn)定性（張詩羽等，2018）。目前，在該區(qū)域已開展氮素富集對高寒灌叢根系分泌物碳輸入速率及通量的影響研究（何為等，2017），而關(guān)于增溫對高寒灌叢根系分泌物碳、氮輸入過程的影響研究還未見報道。因此，本研究以青藏高原東緣窄葉鮮卑花高寒灌叢為對象，開展OTC（Open top chamber）增溫試驗，采用根系分泌物原位連續(xù)動態(tài)收集技術(shù)，在生長季不同時期收集窄葉鮮卑花灌叢根系分泌物，量化灌叢根系分泌物碳、氮輸入速率和通量的季節(jié)動態(tài)及其對增溫的響應(yīng)，為更清晰地認識氣候變暖背景下青藏高原東緣高寒灌叢根系分泌物輸入及其介導(dǎo)的土壤碳和養(yǎng)分循環(huán)過程提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國科學(xué)院設(shè)在四川省阿壩州松潘縣川主寺鎮(zhèn)卡卡溝的高寒灌叢定位研究點，地理坐標為 32°58′N，103°40′E，海拔 3300 m。坡度約為 20°。氣候類型為典型的高原山地氣候，晝夜溫差大。年平均溫度為4.8 ℃，年降水量693 mm，且主要集中于5—8月。季節(jié)性凍土期長達5個月。土壤類型為雛形土。研究區(qū)域內(nèi)灌木層主要包括窄葉鮮卑花、山生柳（Salix oritrepha）、高山繡線菊（Spiraea alpina）、金露梅（Potentilla fruticosa）、刺黑珠（Berberis sargentiana）等；草本層主要包括羊茅（Festuca ovina）、紅花綠絨蒿（Meconopsis punicea）、條紋龍膽（Gentiana striata）、黃花野青茅（Deyeuxia flavens）、鐘花報春（Primula sikkimensis）等。研究點窄葉鮮卑花的高度 (1.5±0.1)m，叢徑 (0.5±0.2) m，平均蓋度 72%，分枝數(shù) 15—20。該區(qū)域0—30 cm土壤pH為5.79，土壤容重為0.67 g·cm-3，土壤有機碳和全氮含量分別為89.24 g·kg-1和 7.73 g·kg-1，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別為 26.17 mg·kg-1和 51.33 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

采用配對試驗設(shè)計，設(shè)置變量為是否增溫。于2015年10月初選擇研究區(qū)域內(nèi)物種組成、群落結(jié)構(gòu)和生境相對均勻的窄葉鮮卑花灌叢群落，模擬增溫試驗采用開頂式生長室（OTC）對環(huán)境進行增溫。基于窄葉鮮卑花灌叢群落的平均蓋度和高度，OTC材料選用1.6 m×1.6 m×5 mm、透光性極好的有機玻璃板制成，有機玻璃板透光率達95%以上（生產(chǎn)廠家：成都天中廣告材料有限公司），將4塊有機玻璃板包圍一株窄葉鮮卑花植株，制成正立方體型OTC，OTC下端插入土壤1 cm，地表增溫面積為2.56 m2，窄葉鮮卑花植株生長于OTC裝置的中央；同時在每個 OTC的附近隨機設(shè)置一個對照（不增溫）樣方。增溫和對照樣方所選擇的窄葉鮮卑花樣株均具有一致的高度、蓋度和相似的生長勢。增溫和對照處理均設(shè)置4個重復(fù)樣方。

1.3 空氣溫度、土壤溫度和土壤水分監(jiān)測

增溫和對照樣方內(nèi)空氣溫度、土壤溫度和水份監(jiān)測于2016年5月初開始進行。采用紐扣式溫度傳感器（DS1921G-F5#，Maxim/Dallas semiconductor，Sunnyvale，California，USA）分別對各處理的5 cm土層土壤溫度和70 cm空氣溫度進行連續(xù)監(jiān)測，所有的溫度傳感器均埋設(shè)在樣方的中央。溫度傳感器設(shè)置為每120 min讀取一次數(shù)據(jù)，自動記錄試驗期間空氣溫度和土壤溫度變化，所得數(shù)據(jù)用于計算月平均土壤溫度和空氣溫度。并且從 2016年生長季節(jié)開始，逐月對5 cm土層土壤含水量使用便攜式土壤水分測定儀（TRIME TDR，IMKO，Germany）進行監(jiān)測。

1.4 根系分泌物碳、氮輸入速率和細根生物量測定

分別于2016年生長季初期（6月）、中期（8月）和末期（10月）利用改進的根系分泌物原位收集裝置連續(xù)動態(tài)收集增溫和對照處理下窄葉鮮卑花灌叢根系分泌物。根系分泌物收集方法簡要概括如下：

選取增溫和對照樣方內(nèi)的窄葉鮮卑花灌叢，沿著根系生長方向在0—30 cm土層內(nèi)挖掘并尋找未受損傷的當年生細根（直徑＜ 2mm），首先用去離子水將目標根系小心地沖洗干凈，然后將目標根系轉(zhuǎn)移到底部裝有玻璃棉的針筒中，再將無菌玻璃珠裝滿針筒模擬土壤顆粒環(huán)境。通過進樣管向針筒內(nèi)注入20 mL營養(yǎng)液，以保持根系正常生長的養(yǎng)分需求，營養(yǎng)液主要成分為 0.2 mmol·L-1MgSO4、0.3 mmol·L-1CaCl2、0.2 mmol·L-1K2SO4、0.1 mmol·L-1KH2PO4。營養(yǎng)液注入完成后密封進樣管和出樣管，防止外界雜質(zhì)流入針筒內(nèi)。最后將針筒按根系生長方向放置，用原位泥土將整個裝置覆蓋。間隔24 h后使用真空泵通過出樣管抽濾3次針筒內(nèi)的液體以保證抽取完全，收集抽濾出來的所有液體并標記。抽濾結(jié)束后，再次注入20 mL營養(yǎng)液進行培養(yǎng)，以供第2天抽取。每次取樣持續(xù)收集3 d。抽取的根系分泌物樣品于4 ℃條件下保存，并迅速帶回實驗室。全部收集工作結(jié)束后，將針筒內(nèi)的目標根系剪下，于65 ℃烘干至恒質(zhì)量并稱量。

根系分泌物收集完成后，首先在實驗室中用0.22 μm的濾膜過濾，使用碳/氮分析儀（Multi N/C 2100，Analytik Jena AG，Jena，Germany）測定根系分泌物總碳和總氮的含量。結(jié)合目標根系干質(zhì)量，計算單位根生物量根系分泌物碳、氮輸入速率（mg·g-1·d-1）。

細根生物量測定采用連續(xù)土芯法，于2016年5—10月下旬分別在增溫與對照處理下隨機選取5個取樣點，采用內(nèi)徑為5 cm的不銹鋼土鉆獲取0—30 cm的土芯。然后將所獲取的原狀土芯于4 ℃下保存并迅速帶回實驗室，基于細根的顏色、外形、彈性，在顯微鏡下仔細挑選出窄葉鮮卑花的活細根。將所獲得的細根樣品于 65 ℃下烘干至恒質(zhì)量，計算單位面積內(nèi)細根生物量（g·m-2）。

1.5 數(shù)據(jù)計算與統(tǒng)計分析

生長季根系分泌物碳、氮輸入通量 (g·m-2)=根系分泌物碳、氮輸入速率平均值 (mg·g-1·d-1)×細根生物量 (g·m-2)×年生長天數(shù) (d)（何為等，2017）。

其中，年生長天數(shù)根據(jù)前期野外物候觀測調(diào)查（何為等，2017），研究區(qū)域內(nèi)窄葉鮮卑花灌叢在5月下旬（5月22日）開始萌芽，大范圍落葉開始于10月中旬（10月17日）。因此，以窄葉鮮卑花從萌芽到落葉時間段計為窄葉鮮卑花灌叢的生長季節(jié)，共計147 d。

利用單因素方差分析（One-way ANOVA）分別比較增溫和對照處理下窄葉鮮卑花灌叢月平均空氣溫度、土壤溫度和土壤含水量之間的差異（α=0.05）。利用單因素方差分析檢驗增溫對細根生物量、根系分泌物碳、氮輸入速率與通量的影響（α=0.05）。利用Pearson相關(guān)分析進行根系分泌物碳、氮輸入速率與空氣溫度、土壤溫度和土壤含水量的相關(guān)性檢驗（α=0.05）。所有統(tǒng)計分析均在SPSS 20.0中進行，作圖使用Origin 8.5完成。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度、水分動態(tài)

整個生長季節(jié)內(nèi)，與對照處理相比，OTC增溫分別使5 cm土層土壤溫度和70 cm空氣溫度升高了1.3 ℃（P＜0.05）和0.5 ℃。同時，OTC增溫使5 cm土層土壤含水量顯著降低了3.17%（P＜0.05）（圖 1）。此外，OTC增溫沒有改變空氣溫度、土壤溫度和土壤含水量的動態(tài)規(guī)律。增溫和對照處理土壤溫度和空氣溫度均呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢；土壤含水量除在6月因采樣前降雨有所增加以外，增溫和對照處理土壤含水量也呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢。

2.2 細根生物量動態(tài)

圖1 窄葉鮮卑花灌叢月平均土壤溫度、空氣溫度和土壤含水量的季節(jié)動態(tài)Fig.1 Seasonal dynamics of soil temperature, air temperature and soil moisture on the S.angustata scrubland

窄葉鮮卑花灌叢細根生物量具有明顯的季節(jié)動態(tài)（圖 2），增溫和對照處理細根生物量呈現(xiàn)先升高后降低的動態(tài)變化，均在7月達到最大值。對照處理窄葉鮮卑花灌叢細根生物量平均值為279.81 g·m-2。OTC增溫使細根生物量顯著（P＜0.05）增加了9.10%。

2.3 根系分泌物碳、氮輸入速率和通量

由圖3可以看出，生長季不同時期窄葉鮮卑花根系分泌物碳、氮輸入速率明顯不同，且均在生長季中期（8月）達到最大值。對照處理生長季初期（6月）、中期和末期（10月）根系分泌物碳輸入速率分別為 0.55、0.74、0.68 mg·g-1·d-1，OTC 增溫使根系分泌物碳輸入速率顯著（P＜0.05）增加了14.0%、69.1%和41.2%。對照處理生長季初期、中期和末期根系分泌物氮輸入速率分別為0.05、0.08、0.07 mg·g-1·d-1，OTC 增溫使根系分泌物氮輸入速率顯著（P＜0.05）增加了15.3%、70.2%和43.4%。然而，OTC增溫在整個生長季節(jié)對根系分泌物碳/氮比均沒有顯著（P＞0.05）影響。相關(guān)分析結(jié)果表明，根系分泌物碳、氮輸入速率與空氣溫度和土壤溫度呈顯著（P＜0.05）正相關(guān)，與土壤含水量相關(guān)性不顯著（P＞0.05）（表1）。

圖2 窄葉鮮卑花灌叢細根生物量的季節(jié)動態(tài)Fig.2 Seasonal dynamics of the fine root biomass on the Sibiraea angustata scrubland

圖3 窄葉鮮卑花灌叢根系分泌物碳、氮輸入速率及碳氮比的季節(jié)動態(tài)Fig.3 Seasonal dynamics of the rates of root exudative carbon, nitrogen and C/N on the Sibiraea angustata scrubland

表1 根系分泌物碳、氮輸入速率與空氣溫度、土壤溫度和土壤含水量之間的相關(guān)分析Table 1 Correlation between root exudative carbon and nitrogen input rates and air temperature, soil temperature and soil moisture

同時，OTC增溫顯著（P＜0.05）增加了窄葉鮮卑花根系分泌物碳、氮輸入通量（圖 4）。整個生長季節(jié)，對照處理窄葉鮮卑花根系分泌物碳、氮輸入通量分別為 26.94 g·m-2和 3.03 g·m-2，OTC 增溫分別使根系分泌物碳、氮輸入通量顯著（P＜0.05）增加了57.2%和46.9%。

圖4 窄葉鮮卑花灌叢根系分泌物碳、氮輸入通量Fig.4 The fluxes of the root exudative carbon and nitrogen inputs on the Sibiraea angustata scrubland

3 討論

3.1 根系分泌物碳、氮輸入速率的季節(jié)動態(tài)

在高寒生態(tài)系統(tǒng)中，氣候（溫度和降水）的季節(jié)性變化導(dǎo)致植物生長發(fā)育表現(xiàn)出明顯的物候規(guī)律（孟凡棟等，2017），對植物根系分泌過程可能產(chǎn)生一定影響。本研究中，窄葉鮮卑花高寒灌叢根系分泌物碳、氮輸入速率表現(xiàn)出一致的季節(jié)動態(tài)，均表現(xiàn)為生長季中期較高，而生長季初期和末期較低（圖 3）。生長季不同時期根系分泌物碳、氮輸入速率差異顯著，并與植物所處的溫度和降水條件一致（圖 1）。相關(guān)分析結(jié)果也表明，根系分泌物碳、氮輸入速率與空氣溫度和土壤溫度呈顯著正相關(guān)（表 1）。這與王小平等（2018）的研究結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)溫度的季節(jié)動態(tài)變化誘導(dǎo)連香樹（Cercidiphyllum japonicum）人工林根系生理活動發(fā)生相應(yīng)的季節(jié)性動態(tài)變化，從而導(dǎo)致連香樹人工林根系分泌物碳、氮輸入速率呈現(xiàn)夏季較高而冬、春季較低的動態(tài)變化。在該研究區(qū)域，生長季初期，高寒灌叢植物剛剛萌芽，雖然冰雪融水使土壤水分有效性大大提高，但空氣溫度和土壤溫度較低，不利于植物根系對土壤養(yǎng)分的吸收利用和光合作用的進行。因而，植物積累的光合產(chǎn)物較少，有限的光合產(chǎn)物還要用于植物自身生長及根系的發(fā)育和延伸，導(dǎo)致此時期根系分泌物碳、氮輸入速率較低。而生長季中期氣溫大幅度升高，加之豐富的降水，使植物各項生理活性增強，植物光合速率和生產(chǎn)力顯著提高，促使植物向地下根系分配更多的有機物（Coskun et al.，2017）。因而，根系分泌物碳、氮輸入速率在此時期最高。而在生長季末期，氣溫逐漸降低，植物光合作用大幅降低，植物葉片開始大面積衰老、死亡、脫落，植物細根大量死亡，因此根系分泌物碳、氮輸入速率也顯著降低。

3.2 增溫對根系分泌物碳、氮輸入速率的影響

通常情況下，增溫可顯著促進植物根系分泌過程（Xu et al.，2015），Uselman et al.（2000）研究了增溫對刺槐（Robinia pseudoacacia）根系分泌過程的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)增溫顯著提高根系分泌物有機碳組分的輸入速率。本研究也發(fā)現(xiàn)，整個生長季節(jié)內(nèi)，OTC增溫使根系分泌物碳、氮輸入速率分別增加了 14.0%—69.1%和 15.3%—70.2%（圖 3）。以下原因可以解釋這一現(xiàn)象，（1）高寒灌叢生態(tài)系統(tǒng)溫度升高將顯著提高植物地上部分光合作用和初級生產(chǎn)力，有利于光合產(chǎn)物向地下根系的分配，進而促進根系分泌過程（Jiang et al.，2017；Zong et al.，2018）。（2）增溫可誘導(dǎo)植物根系生長發(fā)育和根系直徑、長度、分支等形態(tài)特征發(fā)生變化，提高一、二級細根所占的比例（Hu et al.，2018），這將有利于根系分泌過程。（3）增溫還可通過改變土壤微環(huán)境條件（如土壤養(yǎng)分有效性、微生物群落結(jié)構(gòu)和活性、酶活性等），間接影響植物根系分泌能力。該區(qū)域前期研究結(jié)果表明，增溫能顯著提高窄葉鮮卑花灌叢土壤微生物生物量與活性并改善微生物群落結(jié)構(gòu)（Ma et al.，2018），土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性（馬志良等，2018a）以及土壤無機氮含量（馬志良等，2018b）也顯著增加，從而促進植物根系對養(yǎng)分的吸收和根系分泌過程。然而，也有研究認為植物根系分泌過程受土壤養(yǎng)分有效性高低的制約。Yin et al.（2013b）的研究發(fā)現(xiàn)，增溫對云杉（Picea likiangensis）幼苗根系分泌過程的促進作用因土壤氮素有效性而不同。在低氮土壤中，增溫顯著提高根系分泌物碳輸入速率。而當土壤氮素有效性較高時，根系分泌物碳輸入速率對增溫的響應(yīng)不敏感。氮素富集甚至能抑制窄葉鮮卑花灌叢根系碳輸入速率（何為等，2017）。本研究還發(fā)現(xiàn)，受根系分泌物碳、氮輸入速率同步增加的影響，增溫對窄葉鮮卑花灌叢根系分泌物碳/氮比的影響不顯著（圖 3）。這可能是因為不同樹種根系分泌物組分具有特異性，根系分泌物不同組分可能對增溫的響應(yīng)不同（Gransee et al.，2015）。增溫不僅影響根系分泌物碳、氮輸入速率，根系分泌物不同組分對增溫的響應(yīng)也存在明顯差異。例如，蔣錚等（2018）的研究結(jié)果表明，7年的夜間增溫可顯著提高云杉幼苗根系分泌物中糖類、氨基酸和酚類化合物的相對含量，而脂類、醚類化合物的相對含量則顯著降低。增溫還能使岷江冷杉（Abies faxoniana）根系分泌物中酚酸類物質(zhì)的相對含量顯著增加（Qiao et al.，2014）。

3.3 增溫對根系碳、氮輸入通量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，OTC增溫分別使窄葉鮮卑花高寒灌叢根系分泌物碳、氮通量顯著增加了 57.2%和46.9%（圖4）。OTC增溫顯著提高根系分泌物碳、氮輸入速率和細根生物量可能是根系分泌物碳、氮輸入通量增加的主要原因（圖2和圖3）。此外，增溫導(dǎo)致窄葉鮮卑花灌叢土壤水分含量降低3.17%（圖1），這可能導(dǎo)致細根形態(tài)、生理活性和細根生物量發(fā)生改變，在一定程度上可能影響根系碳、氮分泌過程。然而，生長季節(jié)豐沛的降水使土壤含水量始終維持在較高的水平，土壤水分含量不是限制該區(qū)域植物群落生長的主要因素（Wang et al.，2017）。這一程度的土壤水分含量降低沒有顯著影響細根生物量，甚至促進了細根生產(chǎn)過程（圖2），因而土壤水分含量較小程度的降低可能不足以抵消增溫對植物根系分泌過程的促進作用。Pearson相關(guān)分析結(jié)果也表明，窄葉鮮卑花根系分泌碳、氮輸入速率與土壤含水量的相關(guān)性不顯著（表1）。

4 結(jié)論

青藏高原東緣窄葉鮮卑花高寒灌叢根系分泌物碳、氮輸入過程對環(huán)境溫度變化十分敏感，增溫可顯著增加生長季節(jié)根系分泌物碳、氮輸入速率及通量，且根系分泌物碳、氮輸入通量的增加主要源于根系分泌速率與細根生物量的顯著增加。未來氣候變暖將顯著促進該區(qū)域高寒灌叢植物根系分泌過程，加速根際土壤碳和養(yǎng)分循環(huán)。這些結(jié)果對于清楚地認識氣候變暖情境下高寒灌叢根系分泌物介導(dǎo)的根際土壤碳和養(yǎng)分過程具有重要意義。