徐正剛許 航彭修濤梁時(shí)軍劉 榕羅尚華肖 娟*

（1.西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，南充 637000；2.四川省南充生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，南充 637000）

在植物根系—土壤—微生物交互界面信息傳輸與能源轉(zhuǎn)換過程中根系分泌物扮演著重要的角色，其在植物植株被動(dòng)抵御、適應(yīng)外部條件和調(diào)節(jié)土壤生物地球化學(xué)循環(huán)中有著很關(guān)鍵的意義和功能［1-3］。根系分泌物主要是從植株根部排出后進(jìn)入根際環(huán)境中產(chǎn)生的可溶性有機(jī)物質(zhì)，含有多糖、有機(jī)質(zhì)以及次生代謝物等［1，4］。據(jù)估算，根系分泌物雖只占植物光合產(chǎn)物的5%～10%，但其通過增強(qiáng)微生物和胞外酶活性對(duì)溫帶森林土壤C/N 礦化過程的貢獻(xiàn)卻高達(dá)33%［5］。另外，由于根系生理和代謝活性對(duì)環(huán)境變化（增溫、大氣CO2濃度升高等）的響應(yīng)極其敏感，這將不可避免地影響根系分泌物的數(shù)量和質(zhì)量及其介導(dǎo)的一系列土壤關(guān)鍵生態(tài)過程［6-7］。因此，深入理解和探究全球環(huán)境變化對(duì)根系分泌物及其介導(dǎo)的地下土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)換過程的影響已成為地下生態(tài)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一［5，8］。

近年來，大氣氮（N）沉降速率的急劇變化對(duì)陸地森林地下C 分配格局及其土壤生物地球化學(xué)循環(huán)過程帶來一系列深刻的影響［9-11］。隨著大氣N沉降的不斷加劇，土壤N 養(yǎng)分狀態(tài)的變化將直接影響森林根源C 輸入的數(shù)量與質(zhì)量，并深刻調(diào)控其所關(guān)聯(lián)的根際土壤微生物活性和胞外酶特征，驅(qū)動(dòng)根際區(qū)土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)過程的方向和速率發(fā)生改變［5，12］，從而加劇根際土壤養(yǎng)分調(diào)控過程的復(fù)雜性和不可預(yù)知性。近年來，發(fā)表在《Nature》等國(guó)際頂尖刊物的研究均提出，未來地下生態(tài)學(xué)的研究重點(diǎn)應(yīng)著眼于樹木的生理視角，尤其是根系活動(dòng)及其介導(dǎo)的根際養(yǎng)分動(dòng)態(tài)過程的偶聯(lián)效應(yīng)［1，13-14］，從而更深入地認(rèn)識(shí)森林群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能對(duì)全球氣候變化的反饋及養(yǎng)分調(diào)控機(jī)制。然而，受研究方法及森林地下生態(tài)過程模糊性的限制，目前關(guān)于地下根系生理過程介導(dǎo)的根際養(yǎng)分轉(zhuǎn)化機(jī)制的研究仍較為欠缺，且在N 沉降條件下野外原位研究森林地下根系土壤生態(tài)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程也較少［6，15-16］。

紅樺（Betula albosinensis）林在唐家河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)主要分布于海拔1 200～2 400 m的低山和亞高山地區(qū)，其在水土保護(hù)、生態(tài)維持等方面有重要的生態(tài)學(xué)意義［17-19］；是天然林（中山、亞高山）被破壞后次生林恢復(fù)的先鋒樹種，在森林生態(tài)植被更新與山體植物分布結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位［20］。目前關(guān)于紅樺林的研究主要是在紅樺地上生物量變化、林分組成及更新等方面［21］，而對(duì)紅樺林地下根系生態(tài)、土壤養(yǎng)分循環(huán)過程方面的相關(guān)研究還存在空白。本研究試驗(yàn)區(qū)域位于唐家河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，青藏高原東南部邊緣西南亞高山林區(qū)，為橫斷山脈北段向青藏高原的過渡地帶，是我國(guó)成立最早的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)之一，也是“兩屏三帶”中“川滇生態(tài)屏障”的重要組成部分［22］，是我國(guó)西南山地生物多樣性的熱點(diǎn)區(qū)域和舉世聞名的動(dòng)植物“基因庫(kù)”，其森林覆蓋的植被不僅有利于我國(guó)中西部區(qū)域生態(tài)保護(hù)和維持其生物多樣性，也是研究全球森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)過程的熱點(diǎn)區(qū)域［23］。

本研究從根際碳氮轉(zhuǎn)化過程入手，圍繞根系分泌物為中心，模擬大氣N 沉降背景，聚焦于不同N處理下，紅樺林根系分泌物C輸入通量變化及其介導(dǎo)的根際土壤養(yǎng)分循環(huán)過程的響應(yīng)，并同步分析與這些過程密切相關(guān)的土壤微生物和胞外酶活性，嘗試探究不同N 處理下紅樺林根系分泌物在生態(tài)系統(tǒng)尺度上的C 輸入通量變化，闡明紅樺林根系分泌物輸入與土壤C-N 養(yǎng)分循環(huán)過程的偶聯(lián)效應(yīng)。本試驗(yàn)期望從根系—根際的這種特殊角度，豐富和提升該區(qū)域森林根際生態(tài)過程的調(diào)控機(jī)理及其生態(tài)反饋效應(yīng)的認(rèn)知水平，同時(shí)也為該區(qū)域在全球氣候變化背景下的森林生態(tài)保護(hù)及生物多樣性提供理論指導(dǎo)依據(jù)和科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

本試驗(yàn)區(qū)域位于四川省廣元市青川縣唐家河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)（32°38′N，104°49′E），海拔2 164 m。本區(qū)域?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，全年溫度變化大，不同海拔氣溫差異顯著，夏季涼爽短促，冬季寒冷漫長(zhǎng)，年平均溫度12 ℃，年平均降水量1 021.7 mm，5—10 月降水較多且集中［24］。土壤垂直帶譜發(fā)育完整，低海拔至高海拔土壤類型依次為黃壤、黃棕壤、暗棕壤和亞高山草甸土。植被的種類較為豐富，高等植物約1 988種，低等植物約434種，喬木層優(yōu)勢(shì)樹種為糙皮紅樺林，還有少量五尖槭（Acer maximowiczii）、疏花槭（A.laxiflorum）、華西楓楊（Pterocarya insignis）等；灌木以糙花箭竹（Fargesia scabrida）為優(yōu)勢(shì)種，常見有紅花薔薇（Rosa moyesii）、少花莢蒾（Viburnum oliganthum）、巨魁杜鵑（Rhododendron grande）等灌木；草本層以圓齒碎米薺（Cardamine baishanensis）和糙蘇（Phlomis umbrosa）為優(yōu)勢(shì)種，其他常見物種有西南變豆菜（Sanicula chinensis）、絲葉薹草（Carex capilliformis）、山酢漿草（Oxalis acetosella）等［19，22］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 樣地布置

本研究團(tuán)隊(duì)于2017 年3 月在保護(hù)區(qū)內(nèi)選擇具有代表性的、群落結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)境況相近的紅樺純林，設(shè)置了3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)（見圖1，表1），每個(gè)試驗(yàn)區(qū)3個(gè)試驗(yàn)樣方，共建立9個(gè)15 m×15 m的試驗(yàn)樣方，鄰近樣方間距超過10 m。西南亞高山林區(qū)是典型的N沉降區(qū)，其大氣總N沉降量7.55～12.48 kg·hm-2·a-1，最高可達(dá)26 kg·hm-2·a-1，根據(jù)西南地區(qū)N沉降臨界值50 kg·hm-2·a-1［9，25］，設(shè)定空白對(duì)照0 kg·hm-2·a-1（CK）、25 kg·hm-2·a-1（N25）、50 kg·hm-2·a-1（N50）3 個(gè)氮處理梯度，每個(gè)氮處理梯度設(shè)置3 個(gè)重復(fù)（見圖1）。自2017年3月開始進(jìn)行人工氮添加，在植物生長(zhǎng)季（5—10 月）每月定期施氮1 次，根據(jù)不同的氮沉降設(shè)置量準(zhǔn)確稱取硝酸銨（分析純NH4NO3≥99.0%）溶于12 L 水中均勻噴灑對(duì)應(yīng)樣地中，同時(shí)為保證不同施N 水平處理下林下各試驗(yàn)樣方土壤水分狀況一致，在對(duì)照組（CK）樣地內(nèi)噴灑等量的純凈水。

圖1 試驗(yàn)樣區(qū)設(shè)置Fig.1 Setting diagram of test sample area

表1 紅樺純林土壤理化性質(zhì)與樣地基本信息Table 1 Soil physical and chemical properties and basic plot information（mean±SE，n=6）

1.2.2 根系分泌物收集

試驗(yàn)于2020 年6、8、10 月采用野外原位收集裝置收集紅樺根系分泌物［26］。收集方法主要步驟如下：（1）提前配制好無碳混合營(yíng)養(yǎng)液（主要成分為NH4NO3、KH2PO4、K2SO4、MgSO4和CaCl2）［27］作為根系培養(yǎng)液以收集根系分泌物；（2）在紅樺根部土壤挖尋未受損傷的完整活根（直徑≤2 mm，長(zhǎng)度10～15 cm），并用純水小心清洗根表面附著的土壤，洗凈后將根緩慢移入底部墊有棉花的玻璃針筒中，之后將無菌玻璃砂裝入玻璃針筒使其完全覆蓋根系（棉花、無菌玻璃砂經(jīng)2 mol·L-1鹽酸浸泡24 h），注入20 mL 營(yíng)養(yǎng)液于玻璃裝置中進(jìn)行潤(rùn)洗并抽出，最后再注入20 mL營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)24 h；（3）培養(yǎng)完成后連續(xù)收集3 d 根系分泌物，當(dāng)天完成收集并用0.22 μm 濾膜進(jìn)行抽濾，然后放入-20 ℃冷凍保存待測(cè)。

1.2.3 根系分泌物C輸入速率的測(cè)定

根系分泌物收集的最后一天將原位收集裝置與根系一并低溫保存帶回，編號(hào)與裝置標(biāo)簽對(duì)應(yīng)，將根系用超純水小心清洗后放入掃描儀中進(jìn)行掃描，之后用WinRhizo 軟件對(duì)掃描圖像進(jìn)行相關(guān)參數(shù)（根系根長(zhǎng)、根面積等）分析，隨后用烘箱在60 ℃下烘至恒質(zhì)量得出其根系對(duì)應(yīng)生物量。另外，將根系分泌物樣品放入總有機(jī)碳（TOC）/總氮（TN）分析儀進(jìn)行TOC 濃度測(cè)定。根據(jù)測(cè)定得到的根系分泌物TOC 濃度，結(jié)合每個(gè)根系對(duì)應(yīng)的總的生物量、根長(zhǎng)、表面積等參數(shù)定量計(jì)算紅樺林單位根表面積根系C輸入分泌速率（μg·cm-2·h-1）、單位根長(zhǎng)根系C輸入分泌速率（μg·cm-1·h-1）、單位細(xì)根生物量根系C 輸入分泌速率（μg·g-1·h-1）。根系分泌物速率計(jì)算公式如下［28-29］：

1.2.4 根系分泌物C輸入通量估算

采集土壤及土芯樣品時(shí)，隨機(jī)抽取樣方內(nèi)6個(gè)樣點(diǎn)，將采樣點(diǎn)位土壤表面的雜草與其他干擾物去除，然后利用3.5 cm 直徑的土鉆去鉆取0～15 cm深的土芯樣品，用自封袋裝好混勻后帶回并放于0～6 ℃條件下保存。依據(jù)根表皮顏色、形狀等特點(diǎn)挑選紅樺樹活根（直徑≤2 mm）并用純水小心清洗表面雜質(zhì)，隨后放入烘箱在60 ℃下烘至恒質(zhì)量得出其對(duì)應(yīng)的紅樺林生態(tài)系統(tǒng)水平上的細(xì)根生物量（g·m-2）?；诖耍鶕?jù)植物生長(zhǎng)期內(nèi)的單位面積根生物量、單位根生物量根系C 輸入分泌速率和生長(zhǎng)時(shí)間（統(tǒng)計(jì)分析唐家河近3 年平均冬季日均溫并計(jì)算其連續(xù)5 d 滑動(dòng)日均溫大于5 ℃的時(shí)間［30］，以此計(jì)算其生長(zhǎng)期時(shí)間約為202 d），來計(jì)算紅樺樹根系分泌物年C 輸入通量。其計(jì)算公式如下［28］：

1.2.5 土壤樣品的采集與分析

在收集根系分泌物的過程中，隨機(jī)選取樣地中較為分散的幾個(gè)點(diǎn)，尋找直接連接紅樺樹的鮮活根系，小心抖落采集細(xì)根表面附著的土壤（根際土），收集未附著于根表面或未受根系影響的土壤（非根際土）［29］。同時(shí)，用土鉆（直徑6 cm）采0～15 cm土層土樣，每6鉆土樣混合均勻成一個(gè)樣品，過2 mm篩后存入低溫冰箱4 ℃保存，以測(cè)定土壤N 礦化、微生物生物量及相關(guān)酶活性指標(biāo)。本研究選取β-D-葡糖糖苷酶（BG）、β-N-乙酰葡糖胺糖苷酶（NAG）、多酚氧化酶（PPO）和過氧化物酶（POD）這4 種與土壤C-N 循環(huán)過程密切相關(guān)的土壤胞外酶（EEAs）進(jìn)行測(cè)定，并分析在不同N 添加水平下測(cè)定土壤胞外酶的根際效應(yīng)的差異。①土壤N 礦化速率測(cè)定：取15 g新鮮土樣裝入200 mL三角瓶，加蒸餾水混合均勻并用保鮮膜封口，在20 ℃的恒溫生物培養(yǎng)箱內(nèi)恒溫培養(yǎng)20 d，分別測(cè)定培養(yǎng)前和培養(yǎng)后的NH4+-N 和NO3--N 濃度，并計(jì)算凈N 礦化速率，凈N 礦化速率=［（培養(yǎng)后的NH4+＋NO3-）-（培養(yǎng)前的NH4+＋NO3-）］/培養(yǎng)時(shí)間。②采用氯仿熏蒸法測(cè)定微生物生物量C（MBC）的濃度［28，31］：取15 g 新鮮土壤樣品置于50 mL 燒杯并用無醇氯仿對(duì)土壤進(jìn)行熏蒸，同時(shí)稱取等量的新鮮土壤作為對(duì)照，熏蒸完成后，分別加入50 mL K2SO4溶液（0.5 mol·L-1）并震蕩過濾，吸取2.5 mL 并定容至50 mL，用總有機(jī)碳/氮分析儀測(cè)定TOC 含量，通過熏蒸與對(duì)照土壤的差值以及轉(zhuǎn)換系數(shù)（Kec=0.45）計(jì)算土壤中MBC 濃度［28，32］。③土壤胞外酶活性測(cè)定：采用多孔板熒光光度法測(cè)定與根際土壤養(yǎng)分循環(huán)過程密切相關(guān)的4種胞外酶活性變化［33］。

1.3 根際效應(yīng)計(jì)算

根際效應(yīng)是植株通過脫落的細(xì)胞、根和菌根滲出物從根向土壤釋放活性C 使得根際土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化的結(jié)果。根際效應(yīng)計(jì)算是成對(duì)的根際和非根際土壤樣品之間給定響應(yīng)變量的百分比差異，分析其與零的統(tǒng)計(jì)差異（即正或負(fù)根際效應(yīng)），以及對(duì)照和施肥處理之間的差異，計(jì)算公式如下［6］：

式中：Pre表示根際效應(yīng)；Crs表示根際相關(guān)響應(yīng)指標(biāo)；Cbs表示非根際相關(guān)響應(yīng)指標(biāo)。

正的根際效應(yīng)表明根際土壤中的C/N 礦化與微生物活性等相對(duì)于非根際土壤的大小有促進(jìn)效果（Pre＞0），而無根際效應(yīng)（與零無顯著差異）表明根際和非根際土壤之間的C/N 礦化與微生物活性等沒有差異（Pre=0），負(fù)根際效應(yīng)表明根際土壤中的C/N 礦化與微生物活性等相對(duì)于非根際土壤的大小有抑制效果（Pre＜0）。

1.4 根系對(duì)土壤C/N礦化貢獻(xiàn)率計(jì)算

目前關(guān)于根系對(duì)土壤轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)率研究甚少，這也間接導(dǎo)致了對(duì)根系主要功能特性認(rèn)知上的不足。所以，本試驗(yàn)通過對(duì)根際土壤體積和土壤相關(guān)的C-N 根際效應(yīng)耦合分析，得出了根系對(duì)C-N 轉(zhuǎn)化的相對(duì)作用。采用土鉆收集法在樣方0～15 cm 處采集了細(xì)根及土樣，并通過后續(xù)的試驗(yàn)進(jìn)行細(xì)根的形態(tài)參數(shù)分析，計(jì)算出其體積，最終確定根際土在根表面1 mm 處的面積，由此求出根際土在土壤中的比例，最終以根際土百分?jǐn)?shù)乘以土壤C-N 礦化速度根際效應(yīng)，最后得出根系對(duì)土壤C-N轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)率。

1.5 相關(guān)數(shù)據(jù)處理及分析

使用IBM SPSS Statistics 26 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）比較不同N 添加水平下紅樺林根系分泌物C輸入速率與年C 輸入通量、土壤N 礦化速率、微生物生物量與胞外酶根際效應(yīng)大小差異。采用重復(fù)測(cè)定方差分析（repeated measures ANOVA）對(duì)不同施N 水平、采樣時(shí)間以及二者交互作用對(duì)根系分泌物C 輸入通量的影響效應(yīng)。此外，利用一元線性相關(guān)分析揭示不同N 處理下紅樺林根系分泌C輸入變化與根際土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程相關(guān)指標(biāo)激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度之間的生態(tài)偶聯(lián)關(guān)系。本研究中所有圖形制作利用Origin 2021軟件繪制。

2 研究結(jié)果

2.1 不同N處理下根系分泌物C輸入速率響應(yīng)

試驗(yàn)結(jié)果表明，氮添加對(duì)紅樺樹單位根生物量、根長(zhǎng)、根表面積根系分泌物輸入速率有抑制作用，且隨氮處理濃度的升高其抑制作用越顯著。通過重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，N 添加對(duì)紅樺林的單位根生物量速率、單位根長(zhǎng)速率、單位根表面積速率均具有顯著影響（P＜0.05）（見表2），進(jìn)一步表明紅樺林的根系分泌物輸入過程在N 添加下呈現(xiàn)出消極的響應(yīng)；不同的采樣時(shí)間對(duì)根系分泌物輸入無顯著影響，采樣時(shí)間與氮添加交互作用對(duì)根系分泌物輸入過程無顯著性影響。具體地，低氮和高氮均會(huì)引起紅樺樹單位根生物量、根長(zhǎng)和根表面積分泌速率的降低，其中，與對(duì)照相比，6月份3 種分泌速率（見圖2）分別降低了9.33%、32.54%、45.70%和58.63%、34.44%、21.83%，8 月份分別降低31.79%、32.55%、41.60%和44.89%、54.21%、54.88%，10 月份分別降低3.49%、37.69%、35.03%和15.05%、45.39%、65.10%。

圖2 不同水平N添加處理下根系分泌率差異A.單位根生物量根系分泌速率；B.單位根長(zhǎng)根系分泌速率；C.單位根表面積根系分泌速率；不同小寫字母表示同一采樣時(shí)間不同施N 處理根系分泌物C 輸入速率變化顯著（P＜0.05）；CK.對(duì)照組；N25.低N組；N50.高N組Fig.2 Difference of root exudation rate under different levels of N addition A.Root exudation rate per unit root biomass；B.Root exudation rate per unit root length；C.Root exudation rate per unit root surface area；Different lowercase letters indicated that the C input rate of root exudation changed significantly at the same sampling time under different N treatments（P＜0.05）；CK.Control group；N25.Low N group；N50.High N Group

表2 N 添加和采樣時(shí)間對(duì)紅樺林分泌速率影響的重復(fù)測(cè)量方差分析Table 2 Repeated measurement analysis of variance on the effects of N addition and sampling time on the exudation rate of B.albosinensis Burk forest

2.2 N 處理下細(xì)根生物量和根系分泌物年C 輸入通量響應(yīng)

試驗(yàn)結(jié)果表明，根系分泌物年C 輸入通量對(duì)于N 添加處理表現(xiàn)出消極的響應(yīng)趨勢(shì)。具體而言，紅樺林的細(xì)根生物量在不同氮添加水平下存在顯著差異（P＜0.05）（見表3），紅樺樹CK、N25 氮倍增、N50 氮倍增試驗(yàn)組的細(xì)根生物量均值分別為136.730、90.190、57.720 g·m-2，較對(duì)照組相比，N25氮倍增下降了34.03%（P＜0.05），N50氮倍增下降了57.78%（P＜0.05）；對(duì)照、N25、N50 處理下，紅樺樹根系分泌物年C 輸入通量均值分別為70.448、38.742、18.777 g·m-2·a-1，N25、N50 施N 處理后其根系分泌物年C 輸入通量分別降低了45.01%（P＜0.05）和51.53%（P＜0.05）。

表3 紅樺林根系分泌物C輸入通量對(duì)N添加的響應(yīng)差異Table 3 Differences in response of C input fluxes of root exudates to N addition in B.albosinensis Burk forest

2.3 N處理對(duì)根際N礦化速率根際效應(yīng)的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，紅樺林的N轉(zhuǎn)化過程對(duì)于各N添加處理表現(xiàn)出不同的響應(yīng)趨勢(shì)。在生長(zhǎng)期內(nèi)，N25 氮倍增和N50 氮倍增均顯著抑制了紅樺林的N 礦化速率根際效應(yīng)值，相比空白對(duì)照處理（110.62%），N25 氮倍增的降幅達(dá) 13.88%（P＜0.05），N50 氮倍增的降幅達(dá)到27.04%（P＜0.05）。具體地，N25 氮倍增和N50 氮倍增均引起紅樺林N礦化根際效應(yīng)值的降低（見圖3），其中，與對(duì)照相比，6 月份分別降低了19.79%和34.00%（P＜0.05），8 月份分別降低13.51%和27.40%（P＜0.05），10 月份分別降低8.78%和19.68%（P＜0.05）。

圖3 不同施N處理對(duì)土壤N礦化速率根際效應(yīng)的影響Fig.3 Rhizosphere effects of different N additions on soil N mineralization rate

基于根際土壤體積并耦合土壤N 礦化根際效應(yīng)得到的根系對(duì)于土壤N 轉(zhuǎn)化的相對(duì)貢獻(xiàn)。如表4 所示，對(duì)照處理下，紅樺樹根系對(duì)土壤N 礦化的貢獻(xiàn)率為7.44%，而N25 氮添加處理下，根系對(duì)土壤N 礦化的貢獻(xiàn)率為4.94%，較對(duì)照處理顯著降低了33.59%（P＜0.05）；N50 氮添加處理下，根系對(duì)土壤N 礦化的貢獻(xiàn)率為3.00%，較對(duì)照處理顯著降低了59.67%（P＜0.05）。

表4 不同N 處理下紅樺林N 礦化速率根際效應(yīng)和根系對(duì)土壤N礦化的貢獻(xiàn)評(píng)估Table 4 Rhizosphere effect of N mineralization rate ofB.albosinensis Burk forest under different N treatments and evaluation of contribution of roots to soil N mineralization

為區(qū)分N 添加和采樣時(shí)間及其交互作用對(duì)紅樺林根際土壤N 轉(zhuǎn)化過程的影響差異，對(duì)其進(jìn)行了重復(fù)測(cè)量方差分析。分析結(jié)果表明，N 添加對(duì)紅樺林根際N 礦化速率具有顯著影響（P＜0.05）（見表5），不同采樣時(shí)間對(duì)土壤N 礦化速率無明顯影響，氮添加和采樣時(shí)間的交互作用對(duì)土壤氮礦化速率亦無明顯影響。

表5 不同紅樺林樣地根際土壤N 礦化與N 添加和采樣時(shí)間重復(fù)測(cè)量方差分析Table 5 Variance analysis of N mineralization，N addition and repeated measurement of sampling time in rhizosphere soil of different B.albosinensissample plots

2.4 土壤微生物量根際效應(yīng)對(duì)不同水平N 添加處理的差異化響應(yīng)

試驗(yàn)結(jié)果表明，與對(duì)照相比，施N 處理下紅樺林的土壤MBC 和MBN 根際效應(yīng)表現(xiàn)出降低的響應(yīng)趨勢(shì)。在生長(zhǎng)期內(nèi)，N25氮倍增和N50氮倍增均顯著降低了紅樺林的MBC 根際效應(yīng)值，且抑制作用隨著N 添加濃度的增大而增強(qiáng)，與對(duì)照處理（93.86%）相比，N25 氮倍增的降幅達(dá)33.14%（P＜0.05），N50氮倍增的降幅達(dá)50.53%（P＜0.05）（見圖4A）。類似地，N25 氮倍增和N50 氮倍增均顯著降低了紅樺林的MBN 根際效應(yīng)值，與對(duì)照處理（97.58%）相比，N25氮倍增的降幅達(dá)30.38%（P＜0.05），N50氮倍增的降幅達(dá)34.80%（P＜0.05）（見圖4B）。

圖4 不同施N處理對(duì)土壤微生物生物量C根際效應(yīng)（A）、土壤微生物生物量N根際效應(yīng)（B）大小的影響Fig.4 Effects of different N application treatments on the magnitude of rhizosphere effect of soil microbial biomass C（A）and rhizosphere effect of soil microbial biomass N（B）

2.5 土壤胞外酶根際效應(yīng)對(duì)不同水平N 添加處理的差異化響應(yīng)

整體而言，紅樺林土壤BG、NAG 酶活性高峰期出現(xiàn)在8 月，PPO 和POD 酶活性高峰期出現(xiàn)在6月。紅樺林根際土壤4 種胞外酶活動(dòng)均高于非根際土，表明根系活動(dòng)誘導(dǎo)了胞外酶的正根際效應(yīng)。且與前面土壤C-N轉(zhuǎn)化微生物過程參數(shù)類似，N處理下均顯著抑制土壤胞外酶的根際效應(yīng)值（P＜0.05），且其降低幅度隨N處理濃度升高而增加（見圖5）。

圖5 不同施N處理對(duì)β-D-葡萄糖苷酶（A）、β-N-乙酰葡糖胺糖苷酶（B）、多酚氧化酶（C）、過氧化物酶（D）根際效應(yīng)大小的影響Fig.5 Effects of different N treatments on the size of rhizosphere effect of β-D-glucosidase（A），β-N-acetylglucosaminidase（B），polyphenol oxidase（C）and peroxidase（D）

具體而言，N25氮倍增和N50氮倍增均顯著降低了紅樺林的BG 酶、NAG 酶、PPO 酶根際效應(yīng)值，與對(duì)照處理相比，N25 氮倍增的降幅分別達(dá)到了23.72%（P＜0.05）、18.66%（P＜0.05）、23.19%（P＜0.05）（見圖5），N50 氮倍增的降幅分別達(dá)到了28.36%（P＜0.05）、38.29%（P＜0.05）、38.36%（P＜0.05）（見圖5）。與對(duì)照相比，低N 使POD 根際效應(yīng)平均值增加了14.87%，高N 處理使POD 根際效應(yīng)平均值降低了9.84%（見圖5D）。整體而言，高N 處理下4 種胞外酶根際效應(yīng)值降幅是低N 處理的1～2 倍，表明高N 添加對(duì)根際土壤胞外酶活性的抑制效果更明顯。

2.6根系分泌物分泌速率—土壤相關(guān)酶活性特征—土壤C/N轉(zhuǎn)化過程的偶聯(lián)效應(yīng)

對(duì)紅樺林的根系分泌物輸入速率—土壤C/N轉(zhuǎn)化過程—土壤相關(guān)酶活性進(jìn)行線性擬合分析，結(jié)果表明根系分泌物輸入速率與土壤C/N 礦化速率、MBC、MBN、3 種酶（BG 酶、NAG 酶、PPO 酶）存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，但POD 酶根際效應(yīng)與其呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。具體如圖6所示（每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)是樣地中樣樹的數(shù)據(jù)），單位根生物量根系分泌物輸入速率的增加時(shí)，土壤N 礦化速率（R2=0.532 1，P＜0.001）（見圖6A）和C 礦化速率（R2=0.872 2，P＜0.001）（見圖6B）根際效應(yīng)均呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)。單位根生物量根系分泌物輸入速率的增加時(shí)，MBC（R2=0.260 5，P=0.006）（見圖6C）、MBN（R2=0.000 8，P=0.029）（見圖6D）、PPO 酶（R2=0.115 2，P＜0.001）（見圖6E）、NAG 酶（R2=0.848 7，P＜0.001）（見圖6F）、BG 酶（R2=0.532 1，P＜0.001）（見圖6H）根際效應(yīng)均呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，而POD 酶（R2=0.089，P＜0.001）（見圖6G）根際效應(yīng)呈下降的趨勢(shì)。

圖6 根系分泌物輸入—土壤C/N轉(zhuǎn)化—土壤酶活性特征的相關(guān)性A.N礦化；B.C礦化；C.微生物C；D.微生物N；E.多酚氧化酶；F.β-N-乙酰葡糖胺糖苷酶；G.過氧化物酶；H.β-D-葡萄糖苷酶Fig.6 Correlation analysis of root exudates input soil C/N conversion soil enzyme activity characteristics A.N mineralization；B.C Mineralization；C.Microbial C；D.Microbial N；E.Polyphenol oxidase；F.β-N-acetylglucosaminidase；G.Peroxidase；H.β-D-glucosidase

3 分析與討論

3.1 根系分泌物C 輸入速率對(duì)不同施N 水平的差異化響應(yīng)

根系分泌物是植物釋放到土壤中刺激微生物活性加快養(yǎng)分礦化的關(guān)鍵活性物質(zhì)，其數(shù)量和質(zhì)量受到多種生物和非生物因素的綜合調(diào)控［34-38］。外部環(huán)境變化誘發(fā)的根源活性C 輸入的改變將不可避免的影響根際C—養(yǎng)分循環(huán)過程，這也是植物在長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境過程中形成的一種重要的生理適應(yīng)機(jī)制［39-40］。在本研究中，N 添加顯著降低了根系分泌物輸入速率，且在高水平N 添加下對(duì)根系分泌速率的抑制作用更強(qiáng)（見圖2）。根據(jù)已有的文獻(xiàn)，我們推測(cè)N 添加下根源C 輸入降低的原因可能歸因于土壤N 素有效性的增加和植物生理過程的改變［36］。一方面，基于N 限制理論，土壤氮素有效性和植物氮素限制狀的平衡對(duì)根系分泌物C 輸入量的影響較為突出［37］。特別是對(duì)于本研究區(qū)域這種N 受限的生態(tài)系統(tǒng)，外源N 輸入，特別是高N輸入水平，可以極大地緩解植物的N 限制程度，從而導(dǎo)致植物急劇減少根源C 的投入轉(zhuǎn)而投資地上部分的構(gòu)建，相應(yīng)的降低根系分泌速率。以往的類似研究也發(fā)現(xiàn)，植物接收到外源N 輸入后會(huì)相應(yīng)減少根系分泌物輸入，因?yàn)橹参锟梢灾苯訌耐寥阔@取有效N，而不是增加根系C投資成本來提高土壤N 礦化能力［38］。另一方面，植物光合能力，尤其是光合作用相關(guān)酶的活性和濃度，對(duì)N 添加以及添加量有不同的響應(yīng)［39］，可以積極或消極地影響光合產(chǎn)物C 的地下分配（如根系生物量和根系分泌物）［40］。因此，與低N 添加量相比，高N 添加下根系分泌物輸入量顯著減少，可能與高N 輸入后紅樺的生理反應(yīng)較為靈敏和迅速有關(guān)。

3.2 N處理對(duì)紅樺林根系分泌物年C輸入通量影響

在本研究中，N 添加對(duì)紅樺的根系分泌物年C通量具有顯著的負(fù)效應(yīng)，而且這種抑制效應(yīng)在高N 添加水平下表現(xiàn)得更加強(qiáng)烈（見表3）。這與前人在草地和高寒灌叢中的研究結(jié)果［28，41］一致。根據(jù)根系分泌物年C通量的計(jì)算方法，這一結(jié)果與N添加后細(xì)根生物量和根系分泌物C 輸入速率的降低密切相關(guān)。紅樺林土壤N 限制狀態(tài)在外源N 輸入后得到一定程度的緩解，直接改變了植物體內(nèi)光合產(chǎn)物C 的地上—地下分配模式，一方面減少了單位面積內(nèi)的細(xì)根生物量（見表3），取而代之的可能是增加了用于有效N 直接獲取的比根長(zhǎng)和比表面積；另一方面顯著降低了根系分泌物C 輸入量（見圖2），而將更多地光合產(chǎn)物用于植物地上部分的構(gòu)建。此外，需要說明的是，由于本研究?jī)H測(cè)定了一個(gè)樹種在生長(zhǎng)季3 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的根系分泌物輸入速率，而且未考慮植物在不同土壤深度可能選擇的不同的根源C 投入模式［42］，所以，考慮到不同樹種間以及不同土層間根系分泌速率及其對(duì)N添加的響應(yīng)趨勢(shì)存在的不確定性，這可能對(duì)評(píng)估N 沉降背景下森林根系分泌物年C 輸入通量變化的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定影響。此外，在未來的研究工作中應(yīng)加強(qiáng)N 沉降下多個(gè)樹種、不同土壤深度以及多時(shí)間點(diǎn)的根系分泌物輸入特征的系統(tǒng)性采樣和聯(lián)網(wǎng)研究來提高結(jié)果的普適性。

3.3 根系分泌物C 輸入與根際土壤微生物過程的偶聯(lián)效應(yīng)對(duì)N添加的響應(yīng)

根系分泌物作為主要的C 源和關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子促使根際土壤C—養(yǎng)分循環(huán)過程表現(xiàn)出與非根際截然不同的強(qiáng)度，而根際展現(xiàn)出的這種效應(yīng)強(qiáng)度可以用根際效應(yīng)來形象的表示和衡量［43］。長(zhǎng)期以來，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)根系—土壤—微生物互作過程及其核心驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了深入研究，根系分泌物的橋梁和紐帶作用也不斷得到驗(yàn)證［44］。在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)在施氮肥和對(duì)照處理下，紅樺林土壤N 轉(zhuǎn)化微生物過程均表現(xiàn)出積極的根際效應(yīng)，表明根際土壤C-N 轉(zhuǎn)化過程受根系分泌物的調(diào)控作用，根系分泌物輸入對(duì)土壤微生物過程存在一定的增強(qiáng)作用。這一方面證實(shí)了根系—土壤—微生物之間的偶聯(lián)效應(yīng)，也進(jìn)一步驗(yàn)證了根系分泌物在驅(qū)動(dòng)森林根際土壤C-N 轉(zhuǎn)化過程的中心地位?；谙嚓P(guān)性分析結(jié)果表明，紅樺林根系分泌物C 輸入速率與土壤MBC/MBN、胞外酶活性及其誘導(dǎo)的N 礦化速率的根際效應(yīng)均表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。以往的研究表明，根系活動(dòng)對(duì)土壤生態(tài)過程的調(diào)控受到外源N 輸入的強(qiáng)烈影響，而且影響幅度與N 添加水平密切相關(guān)。N 添加后根系分泌物C 輸入的降低直接抑制了土壤微生物與胞外酶活性，從而誘導(dǎo)了較低的根際土壤N 轉(zhuǎn)化過程激發(fā)效應(yīng)強(qiáng)度（見圖3）。植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中建立了一種最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)策略，即植物通過調(diào)節(jié)光合固定C對(duì)根系分泌物的分配（即C成本），以促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和提高土壤有限養(yǎng)分的獲?。答B(yǎng)分效益）［45-46］。N 處理后，土壤有效N 增加使得土壤N 養(yǎng)分限制狀況解除，植株對(duì)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的微生物依賴驅(qū)動(dòng)降低。這種環(huán)境下，紅樺林根系分泌物向地下C 輸入減少，同時(shí)根際土壤及微生物相關(guān)酶等生理活動(dòng)減慢，以使植物自身生長(zhǎng)效益達(dá)到最優(yōu)。以往學(xué)者的研究中有證實(shí)這種理論模型：當(dāng)土壤N 素養(yǎng)分充盈時(shí)，植物改變新鮮有機(jī)物的輸入量，從而改變土壤可用性碳含量，影響微生物活性，進(jìn)一步調(diào)節(jié)根際碳流動(dòng)與土壤中碳周轉(zhuǎn)過程和自身資源分配［47］。

4 結(jié)論

外源N 添加后顯著降低了紅樺林根系分泌物C輸入通量，并抑制了根際土壤微生物胞外酶活性及其關(guān)聯(lián)的土壤N 轉(zhuǎn)化過程，并且這種抑制效應(yīng)隨著N 添加水平的增加而增強(qiáng)。這一現(xiàn)象主要?dú)w因于外源N 添加顯著提高了土壤N 養(yǎng)分有效性，使得該區(qū)域森林生長(zhǎng)的養(yǎng)分限制得到一定程度的緩解。相應(yīng)地，根系分泌物作為一種C 源和能源投入，紅樺樹在養(yǎng)分得到有效緩解時(shí)，通過自身生理機(jī)制調(diào)節(jié)降低地下C 投入成本，即N 沉降條件下紅樺林適時(shí)地更變“低C 投入—低N 收益”的養(yǎng)分獲取策略以保證最優(yōu)的生長(zhǎng)適應(yīng)策略。