張 萌，劉 寧，王雪劍，揚(yáng) 帆，南宏偉

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山西 晉中 030800)

黃土高原具有干旱半干旱區(qū)的典型氣候特征，降水有限而蒸發(fā)量較高，生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱[1-2]。因此，水分脅迫是黃土高原現(xiàn)有森林發(fā)揮正常生態(tài)功能的主要限制因素之一。水資源減少將導(dǎo)致樹木個(gè)體各器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理機(jī)制發(fā)生變化，對(duì)其生存能力以及森林植物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響森林的碳匯功能，減弱森林生產(chǎn)力[3-6]。而細(xì)根(直徑≤2 mm)作為樹木吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，在水分脅迫下，其形態(tài)結(jié)構(gòu)及生理活性不僅直接影響著樹木地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育[7-8]，還能夠顯著影響地下碳分配和水分運(yùn)輸速率[9]，直接決定著樹木對(duì)于干旱環(huán)境的適應(yīng)能力，對(duì)林分的正常發(fā)育和生長(zhǎng)起到關(guān)鍵性作用[10-11]。因此，研究水分脅迫下樹木細(xì)根的適應(yīng)機(jī)制對(duì)于黃土高原半干旱區(qū)森林營(yíng)造的成功尤為重要。

森林樹種間的競(jìng)爭(zhēng)是森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的自然活動(dòng)之一。樹木個(gè)體的地上競(jìng)爭(zhēng)主要是對(duì)于光資源的爭(zhēng)奪，而地下競(jìng)爭(zhēng)則是搶奪土壤中的水分和養(yǎng)分，這2種競(jìng)爭(zhēng)共同影響著森林植物的生存[12-14]。當(dāng)某一資源匱乏時(shí)，樹木個(gè)體對(duì)于該資源的競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈，從而使競(jìng)爭(zhēng)對(duì)個(gè)體的影響隨之增強(qiáng)[15]。因此，在干旱半干旱環(huán)境中，森林植物地下根系的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)樹木的影響和作用不容忽視。然而，在黃土高原的造林實(shí)踐中，人工栽植的樹木幼苗常常與原生草本和灌木共存，且黃土高原半干旱氣候在林木生長(zhǎng)季節(jié)中導(dǎo)致相當(dāng)程度的土壤水分虧缺[16]。因此，有必要了解草本競(jìng)爭(zhēng)對(duì)于栽植幼苗生長(zhǎng)和存活的影響，從而為黃土高原的造林工程提供科學(xué)依據(jù)。

隨著近自然造林和可持續(xù)林業(yè)理念的不斷推廣，目前黃土高原的造林工作多以采伐跡地和退耕坡田上針闊混交林的營(yíng)造為主。其中，白樺(Betulaplatyphylla)作為深根系演替早期樹種，是用于造林的主要闊葉樹種[17-18]。因此，本研究以1年生白樺幼苗為試驗(yàn)材料，在大田條件下進(jìn)行盆栽控制實(shí)驗(yàn)，通過模擬降水減少和人工引入草本競(jìng)爭(zhēng)的方法，研究降水減少以及草本競(jìng)爭(zhēng)對(duì)白樺幼苗細(xì)根的形態(tài)以及營(yíng)養(yǎng)特征的影響，討論白樺在應(yīng)對(duì)干旱脅迫以及草本競(jìng)爭(zhēng)時(shí)的適應(yīng)策略，為未來黃土高原針闊混交林營(yíng)造中闊葉樹種的選擇提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究樣地位于山西省太原市郊區(qū)(111°30′-113°09′E，37°27′-38°25′N)，海拔760 m。屬北溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫9.5℃，1月平均-6.4℃，7月平均23℃，年均降水量456 mm，年平均蒸發(fā)量1 780 mm，約為年平均降水量的3.9倍，冬、春季最為干旱。霜凍期為10月中旬至次年4月中旬，無(wú)霜期平均149～175 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，以降水量為主處理，共設(shè)置6個(gè)5 m×5 m的區(qū)組，隨機(jī)平均分配在正常降水和降水減少2個(gè)處理水平下。每區(qū)組內(nèi)使用高0.5 m、直徑0.5 m的營(yíng)養(yǎng)缽以6×4盆的方式栽植白樺幼苗，行距0.5 m，行內(nèi)盆間距0.2 m。所有營(yíng)養(yǎng)缽均掩埋于地下，營(yíng)養(yǎng)缽四周有直徑1 cm的小孔4個(gè)，底部設(shè)有排水孔，以便在基本隔絕盆外土壤水分進(jìn)入的同時(shí)，可于降水過多時(shí)排出盆內(nèi)積水。每區(qū)組下隨機(jī)設(shè)置有草和無(wú)草2種草本競(jìng)爭(zhēng)處理，每種草本競(jìng)爭(zhēng)方式12盆，6個(gè)區(qū)組共栽植144盆。

2017年4月初，進(jìn)行緩苗工作，使用實(shí)驗(yàn)地附近農(nóng)田30 cm表層土壤(土壤理化性質(zhì)見表1)填滿所有營(yíng)養(yǎng)缽，以模擬采伐跡地和退耕還林土壤。每盆栽植白樺1株，白樺幼苗選自本地苗圃中長(zhǎng)勢(shì)和高度基本一致的1年生裸根苗。為保證幼苗的存活，栽植時(shí)未清洗根系。栽植2周后，使用同批次幼苗替換死亡的白樺幼苗，之后的生長(zhǎng)季中未進(jìn)行任何處理。當(dāng)年生長(zhǎng)季末，栽植幼苗均未死亡，并在原地?zé)o防護(hù)過冬。

表1 研究使用農(nóng)田表層土壤的理化性質(zhì)

2018年4月初，進(jìn)行盆栽控制試驗(yàn)，在各區(qū)組設(shè)置為有草的營(yíng)養(yǎng)缽內(nèi)均勻撒播約6 g商品早熟禾草種。2018年4月中旬，待早熟禾萌發(fā)后，清除無(wú)草處理下營(yíng)養(yǎng)缽內(nèi)所有的草本以及有草處理下營(yíng)養(yǎng)缽內(nèi)的雜草。2018年4月底試驗(yàn)開始前，在減少降水處理區(qū)組上方3 m處搭建活動(dòng)塑料遮雨棚，生長(zhǎng)季降雨時(shí)打開以模擬減少降雨。其次，進(jìn)行正常的苗期管理。

2018年5月初，白樺幼苗的平均高度為(20.98±3.02)cm，在有草處理的營(yíng)養(yǎng)缽內(nèi)，早熟禾的地上部分已充滿營(yíng)養(yǎng)缽，葉長(zhǎng)達(dá)40 cm，但直立部分高度在15 cm以下，因此未對(duì)白樺幼苗的地上生長(zhǎng)構(gòu)成競(jìng)爭(zhēng)，僅構(gòu)成地下競(jìng)爭(zhēng)。在進(jìn)行試驗(yàn)期間，每2周以連根拔起的方式清除營(yíng)養(yǎng)缽內(nèi)外的雜草。

2019年春，部分幼苗過冬后地上部分存在不同程度的抽干現(xiàn)象，因此當(dāng)年生長(zhǎng)季末未測(cè)量苗高地徑，僅統(tǒng)計(jì)存活率。每周隨機(jī)抽取各區(qū)組內(nèi)2個(gè)營(yíng)養(yǎng)缽，使用數(shù)字化土壤水分計(jì)測(cè)量土壤含水率，此工作持續(xù)至樣本采集(表2)。

表2 各試驗(yàn)處理土壤平均含水率

1.3 樣本采集

2019年10月，統(tǒng)計(jì)白樺幼苗的存活情況。用鐵鍬將存活的白樺幼苗營(yíng)養(yǎng)缽?fù)谄?，輕輕抖掉根系周圍的壤土，用枝剪將較粗的根系(直徑≥20 mm)剪掉，將剩下的根系按編號(hào)分裝在自封袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，并區(qū)分白樺和草本根系。白樺扎根較深，其根系質(zhì)地較硬，有韌性，表皮顏色呈黃褐色；草地早熟禾根系質(zhì)地柔軟，細(xì)小且稠密，表皮顏色呈淡黃色，部分根系帶有節(jié)。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

借助數(shù)字游標(biāo)卡尺挑出白樺幼苗細(xì)根(直徑≤2 mm)，并放在EPSON Perfection V700掃描儀中掃描，掃描圖片用Win Rhizo軟件進(jìn)行分析，得出白樺幼苗形態(tài)指標(biāo)。掃描后將所有細(xì)根用報(bào)紙包好于烘箱中烘干，烘箱溫度為80℃，烘干時(shí)間為48 h，稱量細(xì)根干重(g)，計(jì)算比根長(zhǎng)(細(xì)根長(zhǎng)度/細(xì)根干重)。

在每區(qū)組采集的細(xì)根樣本中，每個(gè)降水和草本競(jìng)爭(zhēng)處理組合下選擇2株的根系樣本研磨后過篩(100目土壤篩)，用于生理指標(biāo)測(cè)量。用PE-2400Ⅱ元素分析儀測(cè)根系樣本量C、N的含量(%)，用可見光分光光度計(jì)測(cè)量可溶性糖(%)、淀粉(%)以及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)含量(%)[19-20]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

不同處理組合下白樺幼苗的存活率采用卡方檢驗(yàn)分析。利用R 3.2.5軟件，以降水和草本競(jìng)爭(zhēng)處理為自變量，對(duì)白樺幼苗細(xì)根生物量、比根長(zhǎng)、平均直徑等根形態(tài)指標(biāo)以及營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)進(jìn)行雙因素方差分析(ANOVA)。細(xì)根生物量、比根長(zhǎng)和平均直徑經(jīng)平方根轉(zhuǎn)換以滿足正態(tài)性和齊性的要求。差異顯著的結(jié)果采用Tukey檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較，使用sigmaplot12.5進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 白樺幼苗存活率

由表3可知，白樺幼苗平均存活率為85.42%。雖然降水減少后無(wú)草本競(jìng)爭(zhēng)時(shí)白樺幼苗的存活率略低(77.8%)，但降水和草本競(jìng)爭(zhēng)處理對(duì)白樺幼苗存活率的影響均不顯著(P>0.05)。

表3 降水和草本競(jìng)爭(zhēng)處理組合下白樺幼苗的存活率

2.2 白樺幼苗細(xì)根形態(tài)特征

由表4可知，降水處理顯著影響了白樺幼苗細(xì)根的表面積和體積，草本競(jìng)爭(zhēng)未影響白樺幼苗細(xì)根形態(tài)。而降水和草本競(jìng)爭(zhēng)的交互作用僅在細(xì)根生物量指標(biāo)上顯著。差異顯著變量的多重比較結(jié)果見表5和圖1。

表4 降水和草本競(jìng)爭(zhēng)處理組合下白樺幼苗細(xì)根形態(tài)指標(biāo)的方差分析結(jié)果(F值)

由表5可知，降水減少后白樺幼苗的細(xì)根表面積僅為(303.86±14.74)cm2，與正常降水下細(xì)根表面積(379.78±25.23)cm2相比減少19.99%。同樣，降水減少后白樺幼苗的細(xì)根體積僅為(6.38±0.381)cm3，相對(duì)正常降水(8.32±0.591)cm3減少23.32%。

表5 2種降水處理下白樺幼苗形態(tài)指標(biāo)的多重比較結(jié)果

由圖1可見，在正常降水處理下，有草本競(jìng)爭(zhēng)時(shí)白樺幼苗細(xì)根生物量顯著高于無(wú)草本競(jìng)爭(zhēng)。但在減少降水處理下，二者無(wú)顯著差異。同時(shí)，有草本競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，正常降水下白樺幼苗細(xì)根生物量顯著高于減少降水，而在無(wú)草本競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，二者無(wú)顯著差異。

圖1 降水和草本競(jìng)爭(zhēng)的交互作用對(duì)白樺幼苗細(xì)根生物量的影響

2.3 白樺幼苗細(xì)根生理特征

由表6可知，降水處理未影響白樺幼苗細(xì)根的生理特征。草本競(jìng)爭(zhēng)顯著影響了白樺幼苗細(xì)根的全氮含量，但未影響白樺幼苗細(xì)根的全碳、可溶性糖、淀粉和NSC含量。降水和草本競(jìng)爭(zhēng)的交互作用僅顯著影響了白樺幼苗細(xì)根淀粉含量和NSC含量。

表6 白樺幼苗細(xì)根營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的方差分析結(jié)果(F值)

由表7可見，草本競(jìng)爭(zhēng)條件下白樺幼苗細(xì)根的全N含量為1.26±0.070%，與無(wú)草本競(jìng)爭(zhēng)下全N含量(1.52±0.084%)相比減少17.11%。由圖2可見，在正常降水條件下，有草本競(jìng)爭(zhēng)時(shí)白樺幼苗細(xì)根的淀粉和NSC含量呈現(xiàn)低于無(wú)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)相應(yīng)含量的趨勢(shì)，而在減少降水的條件下，則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，但上述差異均不顯著。同時(shí)，有草本競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，正常降水下白樺幼苗細(xì)根的淀粉和NSC含量顯著高于減少降水處理下。但在無(wú)草本競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，二者無(wú)顯著差異。

表7 2種競(jìng)爭(zhēng)處理下白樺幼苗營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的多重比較結(jié)果

3 討論

3.1 減少降水和草本競(jìng)爭(zhēng)對(duì)細(xì)根形態(tài)特征的影響

根據(jù)資源最優(yōu)分配理論的預(yù)測(cè)，當(dāng)環(huán)境中水資源受限時(shí)，植物通常會(huì)增加細(xì)根生物量投入來獲得足夠的水分以滿足自身生長(zhǎng)需要[21]。本研究中，減少降水處理未顯著影響白樺幼苗的細(xì)根生物量，與一般規(guī)律不符。這可能是因?yàn)橹参飳?duì)于土壤干旱脅迫的響應(yīng)取決于土壤養(yǎng)分等其他生長(zhǎng)所必需資源的可用性(表1)。例如，雖然Meieretal.在研究自然降水梯度下山毛櫸(Fagussylvatica)林的細(xì)根生物量時(shí)發(fā)現(xiàn)林分總細(xì)根生物量隨降水量的減少而顯著下降[22]，但D.Herteletal.發(fā)現(xiàn)[21]，山毛櫸林的總細(xì)根生物量?jī)H在砂質(zhì)土壤中隨土壤水分含量減少而增加，而在肥沃的壤土中并未顯著變化。因此，林木對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)除了要考慮土壤水分可利用性外，養(yǎng)分的可利用性也是一個(gè)不可忽略的因素[23]，而資源最優(yōu)分配理論并未考慮此因素。本研究采用耕地壤土進(jìn)行試驗(yàn)，土壤中養(yǎng)分含量較高，從而有可能減弱了土壤水分脅迫的影響，在之后的研究中將設(shè)計(jì)試驗(yàn)加以論證。

圖2 減少降水和草本競(jìng)爭(zhēng)對(duì)白樺幼苗細(xì)根代謝的影響

與土壤養(yǎng)分的混雜影響相似，本研究中不同降水處理下草本競(jìng)爭(zhēng)對(duì)白樺幼苗細(xì)根生物量的影響不同。在正常降水處理下，草本競(jìng)爭(zhēng)顯著增加了白樺幼苗的細(xì)根生物量，表現(xiàn)出較強(qiáng)的地下競(jìng)爭(zhēng)能力。但在減少降水處理下，草本競(jìng)爭(zhēng)的影響并不顯著。有研究發(fā)現(xiàn)深根系樹種的細(xì)根形態(tài)有利于1年生草本的生長(zhǎng)生存[24-25]，且林下植物的競(jìng)爭(zhēng)作用也顯著增加了樹木的細(xì)根生物量。同時(shí)，不同根系特征物種間的不對(duì)稱性競(jìng)爭(zhēng)作用一般隨土壤水分含量增加而加強(qiáng)，隨土壤水分含量減少而減弱[26-27]。本研究中，白樺是典型的深根系樹種，隨著土壤深度增加，其細(xì)根生物量對(duì)地下總生物量的貢獻(xiàn)增加[28]，而早熟禾是林下常見草本，因此通過細(xì)根生物量反映出的白樺與草本細(xì)根的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系與上述結(jié)論相符。

當(dāng)土壤含水率降低時(shí)，林木不僅會(huì)調(diào)整細(xì)根生物量來適應(yīng)水資源短缺，還可以通過提高比根長(zhǎng)、增加細(xì)根表面積等來增加根系的投入產(chǎn)出比，從而積極應(yīng)對(duì)干旱脅迫[3]。本研究中，白樺幼苗細(xì)根的表面積和體積在減少降水后顯著減小，且與草本地下競(jìng)爭(zhēng)無(wú)關(guān)，并未表現(xiàn)出積極的響應(yīng)。有研究指出，山毛櫸細(xì)根只有在沙質(zhì)土壤較干燥的地方才會(huì)增加細(xì)根平均直徑和比根長(zhǎng)[21]。Leuschner等[22]比較了5個(gè)不同降水量和土壤化學(xué)成分的樟子松成熟林，也沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)根形態(tài)的顯著變化。不斷增加的干旱限制使得林木細(xì)根死亡率增加，死亡的林木細(xì)根由直徑更小，表面積更大的新根代替。也有研究表明，干旱脅迫將抑制植物主根的生長(zhǎng)，促進(jìn)植物側(cè)根生長(zhǎng)。主根變細(xì)，林木側(cè)根易受干旱脅迫的影響而處于不斷更新狀態(tài)等因素導(dǎo)致林木細(xì)根形態(tài)響應(yīng)消極[29]，這可能是本研究中白樺幼苗細(xì)根表面積和體積減少的原因。

綜上所述，減少降水后，白樺幼苗細(xì)根生物量未顯著下降但與草本的地下競(jìng)爭(zhēng)減弱的結(jié)果說明，在跡地和退耕還林地等土壤養(yǎng)分含量高的立地上種植白樺幼苗時(shí)，草本對(duì)于白樺細(xì)根的地下競(jìng)爭(zhēng)作用較弱。因此，即使未來氣候變化導(dǎo)致土壤水分含量下降，草本的競(jìng)爭(zhēng)作用也不會(huì)對(duì)白樺幼苗的細(xì)根形態(tài)有不利影響。

3.2 減少降水和草本競(jìng)爭(zhēng)對(duì)細(xì)根營(yíng)養(yǎng)的影響

非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)由可溶性糖和淀粉組成，由植物葉片合成后輸送至根系。NSC不僅能為根系的結(jié)構(gòu)建成提供原料，也是根系抗逆調(diào)節(jié)的重要物質(zhì)[30-31]。雷虹等[32]研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)按需分配的原則，小葉錦雞兒在輕度干旱脅迫時(shí)，通過增加細(xì)根中可溶性糖含量，以提高細(xì)胞滲透勢(shì)，滿足自身水分需求，且隨著干旱程度加深，增加了粗根淀粉的含量，以合成防御性物質(zhì)，抵抗干旱脅迫。與此不同的是，本研究中白樺幼苗細(xì)根的淀粉和NSC含量在無(wú)草本競(jìng)爭(zhēng)時(shí)不受減少降水處理的影響，而在有草本競(jìng)爭(zhēng)時(shí)顯著增加，但可溶性糖含量無(wú)顯著變化。減少降水處理后，草本競(jìng)爭(zhēng)未影響土壤水分含量的測(cè)量結(jié)果說明白樺幼苗細(xì)根淀粉和NSC含量在草本競(jìng)爭(zhēng)存在時(shí)增加并非是土壤水分的直接結(jié)果。鄭云普等[20]發(fā)現(xiàn)，由于淀粉不是滲透活性物質(zhì)，以淀粉含量增加為前提時(shí)，植物體內(nèi)NSC的增加并不是為了抵抗干旱脅迫，而是植物體水分的缺失影響了植物組織的結(jié)構(gòu)建成；而S.W.Bockstette等[33]對(duì)白楊幼苗在生長(zhǎng)初期對(duì)牧草競(jìng)爭(zhēng)響應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，牧草競(jìng)爭(zhēng)增加了白楊根系中可溶性糖的含量，揭示白楊幼苗細(xì)根抵抗競(jìng)爭(zhēng)的滲透調(diào)節(jié)機(jī)制，白楊幼苗對(duì)根系競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)構(gòu)可塑性能力有限，但至少暫時(shí)能夠通過優(yōu)化吸水效率來補(bǔ)償根系尺寸和生根空間的減小。綜上所述，本研究中草本競(jìng)爭(zhēng)存在時(shí)，白樺幼苗細(xì)根生物量在減少降水處理后顯著下降，反映了白樺幼苗和草本根系在土壤水分脅迫下的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系減弱，且沒有啟動(dòng)自身滲透調(diào)節(jié)機(jī)制，因此由葉片輸送至細(xì)根的淀粉等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)未用于白樺幼苗細(xì)根的結(jié)構(gòu)建成，從而大量積累，進(jìn)一步支持了其正常降水水平下用于白樺細(xì)根生物量增加以與草本進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。同時(shí)，白樺幼苗細(xì)根可溶性糖含量不受降水和草本競(jìng)爭(zhēng)處理影響的結(jié)果說明白樺細(xì)根未對(duì)環(huán)境和生物因子脅迫產(chǎn)生積極的生理響應(yīng)和適應(yīng)。

4 結(jié)論

本研究使用耕土的大田盆栽試驗(yàn)中，減少天然降水的處理未顯著影響白樺幼苗的存活率、細(xì)根(≤2 mm)生物量、比根長(zhǎng)以及細(xì)根碳氮含量，但導(dǎo)致其細(xì)根表面積和體積顯著下降，說明白樺幼苗細(xì)根對(duì)干旱脅迫做出了消極響應(yīng)。

當(dāng)存在草本地下競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，白樺幼苗的存活率未受影響，但細(xì)根生物量在減少降水處理下顯著降低，并導(dǎo)致細(xì)根淀粉和NSC含量顯著升高，反映了土壤水分含量下降時(shí)白樺幼苗細(xì)根競(jìng)爭(zhēng)能力的下降，從而與草本競(jìng)爭(zhēng)能力減弱。

耕土栽植的白樺幼苗細(xì)根在正常天然降水下受草本地下競(jìng)爭(zhēng)增加生物量，但在減少降水時(shí)形態(tài)和營(yíng)養(yǎng)特征受草本地下競(jìng)爭(zhēng)影響較小的結(jié)果表明，在跡地和退耕還林地等養(yǎng)分含量較高土壤上使用白樺幼苗造林時(shí)，無(wú)需考慮草本競(jìng)爭(zhēng)的影響。