孔玉華，朱慶征，曲安然，朱龍飛，2，楊小燕

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.中建七局建筑裝飾工程有限公司，河南 鄭州 450000)

森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳儲存庫，在減緩氣候變化及固碳放氧等方面具有重要作用。據(jù)統(tǒng)計，全球約有46%的陸地有機(jī)碳儲存在森林生態(tài)系統(tǒng)中，其中森林植被有機(jī)碳儲量占整個陸地植被碳儲量的80%～90%[1-2]。植物通過光合作用固定的碳(簡稱光合碳)是土壤有機(jī)碳的主要來源之一，也是大氣-植物-土壤系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分[3-4]。植物通過光合作用將大氣中的CO2合成為植物有機(jī)碳固定在植物體中，一部分通過植物韌皮部傳輸?shù)礁髌鞴俳M織用于植物的生長發(fā)育，另一部分以根際沉積、根系分泌物等形式輸入土壤[5-6]。以往研究表明，光合碳在植物-土壤系統(tǒng)中的分配比例不僅受溫度[7]、水分[8]、土壤類型[9]等環(huán)境因素的影響，還與植物種類、林分密度[10-11]等生物因素有關(guān)。密度制約植物個體對環(huán)境資源的吸收利用，是自然界中十分重要的選擇壓力之一[12]。控制林分密度是人工林管理措施中的一種重要方式，合適的林分密度不僅可以提高木材生產(chǎn)量，改善土壤質(zhì)量，增加生物多樣性，而且有利于人工林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)經(jīng)營與發(fā)展[11-13]。近年來許多學(xué)者在林分密度對土壤的碳儲量[14]、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[15]、林下植物多樣性[16-17]、林木生產(chǎn)力[18]等方面開展了大量研究。然而，林分密度作為影響人工森林生態(tài)系統(tǒng)的重要因素之一，其對植物光合碳分配的影響規(guī)律仍存在疑問。

13C穩(wěn)定性同位素標(biāo)記技術(shù)具有標(biāo)記均勻、安全可靠、無放射性等特點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)、植物光合碳的固定、分配及轉(zhuǎn)移等方面的研究[19-21]。目前，國內(nèi)利用該技術(shù)研究光合碳在植物-土壤系統(tǒng)中的分配多集中在小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)、水稻(Oryzasativa)等農(nóng)作物方面[22-24]，鮮有對林木植物進(jìn)行標(biāo)記研究的報道。而定量研究林木樹種光合碳在植物-土壤系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移及分配規(guī)律，對林業(yè)管理和全球碳氮循環(huán)研究有重要意義。側(cè)柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)因其具有改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤肥力和良好的固碳能力等生態(tài)功能，是我國北方植樹造林的主要樹種之一[25-26]。徐程揚(yáng)等[27]研究發(fā)現(xiàn)，改變種植密度對側(cè)柏人工林根系產(chǎn)量與垂直分布有極顯著的影響。李瑞霞等[28]進(jìn)一步研究表明，種植密度的變化會改變側(cè)柏人工林根系生物量進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)碳儲量發(fā)生變化。林分密度通過影響植物個體獲取的資源數(shù)量，進(jìn)而制約植物的生長與光合碳的分配。因此，本研究擬通過盆栽模擬試驗(yàn)，以樹齡1 a的側(cè)柏幼苗為研究對象，利用13C脈沖標(biāo)記法示蹤不同種植密度下側(cè)柏幼苗各組織部位固定的光合碳在植物-土壤系統(tǒng)中的分配比例，分析幼苗各組織部位的生物量和土壤理化性質(zhì)，以期為林木植物的同位素標(biāo)記與光合碳分配提供參考依據(jù)，并為人工林碳周轉(zhuǎn)機(jī)理的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)于2019年4月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)試驗(yàn)站(E 113°42′，N 34°43′)內(nèi)進(jìn)行。該區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫15.6 ℃，降水量542.2 mm。8月最熱，月均氣溫25.9 ℃；1月最冷，月均氣溫2.15 ℃。全年日照時間約1 869.7 h，無霜期209 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計及樣品采集

試驗(yàn)材料選取優(yōu)質(zhì)的側(cè)柏種子，經(jīng)1% NaClO浸泡消毒30 min、40 ℃溫水浸泡24 h后置于陰涼通風(fēng)處沙藏15 d，露白后于普通營養(yǎng)缽中進(jìn)行播種，容器體積22 cm×22 cm×40 cm(上口徑×底×高)，每盆梅花點(diǎn)6穴，每穴3粒，上覆2 cm基質(zhì)，輕輕壓實(shí)，同時6盆不播種作為對照CK。為模擬野外側(cè)柏人工林種植密度，待苗高約5 cm時進(jìn)行間苗，每盆分別定苗1株、3株、5株，作為低、中、高密度處理，定期澆水和拔草。每個種植密度水平設(shè)置8個重復(fù)，共計24盆。設(shè)置13C脈沖標(biāo)記處理和未標(biāo)記處理，兩組幼苗擺放距離間隔5 m以上，以避免未標(biāo)記處理受到污染。栽培基質(zhì)按草炭：蛭石∶沙子∶壤土=1∶1∶1∶1混合均勻，每盆基質(zhì)約重15 kg(N∶P∶K=6∶18∶14)。

待幼苗生長1 a后，于2020年6月開始進(jìn)行同位素脈沖標(biāo)記，標(biāo)記期間天氣晴朗、光照充足，標(biāo)記方法參照Lu等[29]。標(biāo)記過程在特制的有機(jī)玻璃箱內(nèi)進(jìn)行，每隔10 d通入13CO2氣體一次，共標(biāo)記8次，每次標(biāo)記時間為上午8∶00～12∶00。標(biāo)記結(jié)束后約30 d進(jìn)行破壞性取樣，先將植株莖葉部用修枝剪完整取出，后將盆中土壤全部倒出，輕抖根莖以收集根際土壤；待根際土壤收集完畢后，用蒸餾水將根系沖洗干凈標(biāo)記裝袋后帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3 樣品處理與測定

將帶回實(shí)驗(yàn)室的植株地上部分與地下部分單獨(dú)分開，放入105 ℃烘箱內(nèi)殺青處理20 min后，置于70 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，研磨，過0.15 mm篩備用。將采集的根際土壤過2 mm篩后，分為2份。1份置于4 ℃冰箱保存，用于后續(xù)土壤活性碳氮的測定；另1份置于室內(nèi)風(fēng)干至恒重用于土壤pH、顆粒組成體積分?jǐn)?shù)的測定，后過0.15 mm篩用于13C、全碳(TC)、全氮(TN)等的測定。

采用同位素質(zhì)譜儀(Finnigan MAT253，Thermo Electron)測定土壤和植物樣品的δ13C 值；采用EPSON PERFECTION V700 Photo根系掃描儀對側(cè)柏根系進(jìn)行掃描，并結(jié)合WINRHIZO PRO 2007根系分析系統(tǒng)(專業(yè)版)統(tǒng)計根系數(shù)據(jù)；土壤pH采用10 g風(fēng)干土與25 mL蒸餾水(土∶水=1∶2.5)混合搖勻后用酸度計測定；土壤顆粒組成體積分?jǐn)?shù)(黏粒<0.002 mm；粉粒0.002～0.05 mm；砂粒0.05～2 mm)采用土壤粒徑粒型測量系統(tǒng)(Mastersizer 2000，Malvern，英國)測定；土壤TC、TN含量采用元素分析儀(Euro Vector EA3000，意大利)測定；用1 mol/L KCl溶液浸提新鮮土壤(土∶液=1∶5，w/w)，采用SKALAR流動分析儀(SAN++，荷蘭)分析浸提液土壤溶解性有機(jī)碳(DOC)、溶解性有機(jī)氮(DON)、銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

自然土壤或植物的自然豐度用δ13C值來表示，計算公式如下：

δ13C(‰)=(Rsample/RPDB-1)×1000

式中：Rsample代表13C/12Csample，RPDB代表13C/12CPDB，為0.011 237 2。

標(biāo)記后的土壤或植物一般采用Atom(%)來表示，Atom(%)與δ13C(‰)相互轉(zhuǎn)換的公式如下：

Atom13C(%)= [(δ13C+1000)×RPDB] / [(δ13C+1000)×RPDB+1000]×100%

側(cè)柏幼苗各組織部位固定13C量計算公式如下：

式中：Fl為標(biāo)記組織部位13C豐度，F(xiàn)ul為未標(biāo)記組織部位13C豐度。

數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0(IBM，紐約，美國)軟件對不同處理進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(Duncan)，并對側(cè)柏幼苗13C含量、根系形態(tài)和其他土壤指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，用Excel 2013軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植密度對側(cè)柏幼苗生長的影響

由表1可知，種植密度顯著影響了側(cè)柏幼苗根系、根尖數(shù)、根系表面積和根總長(P<0.05)。隨著種植密度的增加，根系的這些指標(biāo)呈遞增的趨勢，但未呈倍數(shù)增加。隨種植密度的增加，地上部分生物量、地下部分生物量和總生物量均呈遞增的趨勢，變化范圍分別為26.6～39.3、17.3～26.2和43.8～65.5 g/盆。高密度和中密度的側(cè)柏幼苗地上部分及總生物量顯著高于低密度(P<0.05)，但其二者之間無顯著差異。從低密度到中密度，地上部分生物量的增幅最大，增長率為42%，而中密度到高密度增幅僅為29%。高密度種植側(cè)柏幼苗地下部分生物量顯著高于低密度處理(P<0.05)。

表1 不同種植密度下側(cè)柏幼苗根系形態(tài)與生物量

2.2 種植密度對植物-土壤系統(tǒng)碳氮含量及土壤理化性質(zhì)的影響

分析表2可見，相較于未脈沖標(biāo)記處理，13C脈沖標(biāo)記后所有種植密度下側(cè)柏幼苗地上和地下部分13C含量均呈較顯著富集，地上部分分配的13C含量顯著高于地下部分和土壤(P<0.05)。本次標(biāo)記使側(cè)柏幼苗地上和地下部分的δ13C值達(dá)到了+100.0‰ PDB以上，表明通過本次13C脈沖標(biāo)記1 a側(cè)柏幼苗可采用較低的用量，為后期土壤碳組分周轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)提供科學(xué)材料。隨種植密度的提高，側(cè)柏幼苗單位質(zhì)量地上部分、地下部分和土壤中的13C含量略有下降，但并未達(dá)到顯著性差異。植物-土壤系統(tǒng)各組織部位的TC、TN含量均呈地上部分顯著高于地下部分和土壤(P<0.05)，C/N則呈地下部分>地上部分>土壤的趨勢(P<0.05)。種植密度對各組織部位的TC、TN含量和碳氮比(C/N)有一定影響，但并不顯著。

表2 不同種植密度下側(cè)柏-土壤系統(tǒng)各組織部位碳氮含量

植物根系通過根際沉積等形式將根部的有機(jī)、無機(jī)化合物釋放到周圍土壤中進(jìn)而影響土壤的理化性質(zhì)。由表3可知，與原土壤(CK)相比，側(cè)柏的種植顯著增加了土壤中NH4+-N 、DOC、DON含量，降低了土壤NO3--N含量(P<0.05)，對土壤pH和土壤粒徑體積分?jǐn)?shù)無顯著影響。高密度種植顯著提高了土壤DOC、DON含量，降低了土壤黏粒體積分?jǐn)?shù)(P<0.05)。

表3 不同種植密度對土壤理化性質(zhì)的影響

2.3 種植密度對13C含量在側(cè)柏-土壤系統(tǒng)中分配比例的影響

由圖1可知，各種植密度下的側(cè)柏幼苗地上部分、地下部分和土壤中13C含量變化范圍分別為：953.51～980.32、585.61～526.87 和0.02～0.27 mg/盆。隨種植密度的增加，在植物-土壤系統(tǒng)中13C總量呈降低趨勢，低密度處理的13C總量最大，為1 539.14 mg/盆，高密度的13C總量最小，為1 502.18 mg/盆，但不同處理間無顯著差異。種植密度顯著影響了13C含量在植物-土壤系統(tǒng)中的分配比例，其中植物地上部分所占比例最高。隨著種植密度增加，地上部分13C含量的分配比例呈增加的趨勢，變化范圍為61.95%～64.92%；地下部分則呈降低的趨勢，分配比例為38.04%～35.07%；根際土壤中13C含量最低且無顯著變化，僅占0.01%～0.02%。

圖1 不同種植密度下13C含量在植物-土壤系統(tǒng)中的分配比例Figure 1 The distribution ratio of 13C content in plant-soil system under different planting densities

2.4 側(cè)柏幼苗13C含量、根系形態(tài)與土壤因子間的相關(guān)性分析

為進(jìn)一步研究側(cè)柏幼苗光合碳分配的影響因素，對各指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析。由表4可知，側(cè)柏幼苗地上部分13C含量與地下部分13C含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤中13C含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。植株地上與地下部分的13C含量均與土壤粉粒體積分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)、與砂粒體積分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)性關(guān)系(P<0.05)。側(cè)柏植株地上與地下部分及總生物量與側(cè)柏幼苗的根尖數(shù)、根系表面積、根體積、根總長均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

3 討論

植物根際碳沉積是土壤有機(jī)碳的重要來源之一，植物通過光合作用將光合產(chǎn)物碳以根際沉積的方式輸入土壤，進(jìn)而影響土壤碳儲量及其理化性質(zhì)[30]。本研究中，高種植密度顯著增加了側(cè)柏幼苗地上及地下部分生物量(表1)和土壤DOC含量(表3)，表明側(cè)柏幼苗高密度的種植顯著增加根際碳輸入，這與王艷芳等[31]研究結(jié)果一致，暗示地下部分生物量的增加影響根際微生物群落的結(jié)構(gòu)和活性，還增加了植物根系脫落物的碳輸入量，從而有利于土壤的固碳效應(yīng)[32]。胡凱等[33]研究也表明植物根系生物量與根際碳輸入、微生物群落的組成和數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系，再次驗(yàn)證了本研究的推測。氮素是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素之一。本研究中隨著種植密度增加，土壤NO3--N和DON含量均呈顯著增加的趨勢(表3)，這可能是由于地下生物量的增加提高了植物根系分泌物含量，進(jìn)而為根際土壤提供了更多的氮源[34]。其次，中密度和高密度處理下土壤C/N較低(表2)，有利于土壤中有機(jī)質(zhì)礦化作用的進(jìn)行，提高了土壤中活性氮含量[35]。

表4 側(cè)柏幼苗13C含量、根系形態(tài)與土壤因子間的Pearson相關(guān)系數(shù)(n=9)

13C穩(wěn)定性同位素標(biāo)記技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于生育期、作物品種以及施氮量等條件下植物光合產(chǎn)物分配的研究。本研究中，經(jīng)過8次13C脈沖標(biāo)記后，側(cè)柏幼苗地上與地下部分的δ13C值均達(dá)到+100‰以上，分配比例呈地上部分>地下部分>土壤的趨勢(圖1)，這與于曉燕等[36]的研究結(jié)果一致。Lu等[29]對水稻進(jìn)行13C脈沖標(biāo)記后，也發(fā)現(xiàn)其光合碳主要存留于地上部，小部分分布于根系中。隨著種植密度增加，側(cè)柏幼苗地上及地下部分13C含量呈下降的趨勢(表2)，這主要是由于中密度和高密度水平下幼苗的總生物量顯著高于低密度水平(圖1)，而生物量的增加相當(dāng)于對13C含量起到稀釋作用[37]。安婷婷等[37]對玉米進(jìn)行13C標(biāo)記1 d后，測得其莖葉和根中13C含量為1 568‰和598‰，與本試驗(yàn)結(jié)果相差10倍。而尹云鋒等[20]對水稻進(jìn)行5次標(biāo)記后發(fā)現(xiàn)其莖葉和根中13C含量為1 377‰和1 413‰。于曉燕等[36]對樹齡1 a杉木幼苗進(jìn)行4次標(biāo)記后發(fā)現(xiàn)其針葉、枝干和根中含量為116.74‰、116.8‰和124.08‰，與本試驗(yàn)結(jié)果相似。以上研究表明植物對13C富集程度的差異可能與標(biāo)記次數(shù)、標(biāo)記時間和植物種類等因素有關(guān)。與玉米、水稻等禾本科植物相比，樹齡1 a的側(cè)柏幼苗的生育期長、莖葉和根生物量小，因此其光合碳富集程度遠(yuǎn)低于水稻和玉米。

側(cè)柏植株通過葉片光合作用將13CO2吸收固定在植物體內(nèi)，后在植物-土壤系統(tǒng)中進(jìn)行轉(zhuǎn)化和再分配。本研究中側(cè)柏幼苗經(jīng)脈沖標(biāo)記后，其地上部分13C含量與地下部分及土壤中13C含量呈顯著正相關(guān)(表4)，表明光合碳在植物-土壤系統(tǒng)中的分配與流動具有一定的正關(guān)聯(lián)。種植密度的提高顯著增加了光合碳在地上部分的分配比例，降低了地下部分的分配比例，而土壤中的比例無顯著差異(圖1)，這可能是因?yàn)榈兔芏确N植水平下側(cè)柏幼苗所需養(yǎng)分和能量較少，在滿足地上部分生長所需后，側(cè)柏幼苗將其余固定的13C轉(zhuǎn)運(yùn)至根部；而中密度和高密度種植水平下側(cè)柏幼苗地上部分生物量顯著增加，相應(yīng)所需利用的13C含量較多，從而在植物個體間產(chǎn)生了種內(nèi)競爭作用，為了植物個體更好的生長，便增加了地上部分光合碳的分配比例，而降低了向根部的轉(zhuǎn)運(yùn)。Kuzyakov等[10]研究表明玉米光合碳有0.5%～10%被轉(zhuǎn)運(yùn)到土壤中，鄧揚(yáng)悟等[11]研究發(fā)現(xiàn)水稻土壤中光合碳比例僅占3.8%～10%。本試驗(yàn)條件下，側(cè)柏土壤中13C含量較低，僅占0.01%～0.02%，一方面可能是因?yàn)? a側(cè)柏仍處于生長發(fā)育期，被同化的13C大部分用于植物的生長，極小部分通過植物根系分泌至土壤中，另一方面可能是由于本試驗(yàn)未考慮土壤和側(cè)柏根系的呼吸作用所致[37]。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)條件下，高種植密度水平顯著提高了側(cè)柏幼苗的地上部分、地下部分與總生物量，土壤DOC、DON 和NO3--N含量(P<0.05)。側(cè)柏植株地上與地下部分及總生物量與側(cè)柏幼苗的根尖數(shù)、根系表面積、根體積、根總長均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，且側(cè)柏幼苗地上部分13C含量與地下部分13C含量及土壤13C含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。種植密度顯著影響13C含量在各組分的分配比例，隨種植密度的提高，分配在地上部分的比例呈遞增趨勢，分配在地下部分的比例呈遞減趨勢，而分配在土壤中的比例無顯著差異。