水曲柳前4級細根N內循環的研究

黃石竹，張彥東，王政權，孫曉新*

(1.黑龍江生態工程職業學院 生態工程系，哈爾濱 150025；2.東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040)

養分內循環是植物的一種養分保存機制[1-2]，對植物在貧瘠的土壤或養分不充足的季節維持自身的正常生長有重要意義。植物的養分內循環既可以減少養分損失[3-4]，又可以有效提高養分利用率[5]。衰老器官的養分內循環機制對于研究植物如何有效減少養分流失非常重要。樹木細根壽命很短、周轉頻繁，樹木需要消耗自身較多的凈初級生產力才能維持這一過程[6-9]，因此，細根養分內循環對提高樹木養分利用效率的意義更為重要。

為了研究方便和正確計算，大多數學者對細根進行研究時，都將細根按照直徑劃分為不同的等級。但是也有研究指出，在同一個直徑等級范圍內，細根的形態和功能存在很大的差異[10-11]，如果忽視單個根在根系統中的位置，不考慮根系統的結構，那么對細根壽命的估算和對細根周轉的評價都會不準確[10，12]。因此，Pregitzer等[12]將河流水系分級的方法應用到細根等級劃分中，這種分級方法考慮了根系自身生長發育的特點，更能體現單個根在根系統中的位置和發育階段的不同功能。以往對于細根養分內循環的研究多是針對某一直徑范圍內的根進行的，本研究將水曲柳(Fraxinusmandshurica)細根按照根序劃分等級，研究各級根序細根的N內循環狀況，旨在判斷水曲柳不同根序細根N內循環狀況，并量化N內循環率。

1 研究地概況

研究地點選在黑龍江省東部東北林業大學帽兒山實驗林場。地理坐標45°20′-45°25′N，127°30′-127°34′E，平均海拔300 m。屬溫帶大陸季風性氣候區，年平均氣溫為2.8℃，1月氣溫(平均-19.6℃)最低，7月氣溫(平均20.9℃)最高。無霜期120～140 d。年降平均水量達723 mm，多集中于7月和8月。地帶性土壤為暗棕壤。

2 研究方法

2.1 樣地設置

研究樣地位于東坡中部，海拔435 m，坡度6°。選擇1987年營造的水曲柳人工純林，造林株行距為1.5 m×1.5 m，目前保留株數約為4000株/hm2。水曲柳平均胸徑和樹高分別為6.3 cm和7.5 m。林下灌木主要有暴馬丁香(Syringaamurensis)和毛榛(Corylusmandashurica)。林下草本主要有山茄子(Brachbotrysparidiformis)和木賊(Hippochaetehymale)。林下蕨類主要有粗莖鱗毛蕨(Dryoopteriscrassirhioma)、掌葉鐵線蕨(Adiantumpedatum)和猴腿蹄蓋蕨(Athyriummutidentatum)。樣地面積為15 m×12 m，設三次重復。

2.2 根系樣品采集與處理

取樣時間為2005年6月中下旬。在同一樣地內隨機選取三棵樹，在距樹干基部約0.5 m處取樣。先去除地表的枯枝落葉，再用長、寬和高為20 cm×10 cm×10 cm的自制土壤取樣器分3次取出0～30 cm土層土樣，共取9個樣。將樣品放入孔徑為0.42 mm的篩網中，在流水中沖洗掉土壤，挑撿出水曲柳的根，然后迅速放入封口袋中，存入冰箱密封冷藏。在實驗室用去離子水(2～3℃)洗去根表面殘留的土粒和雜質，挑揀出直徑≤2 mm的細根放入盛有去離子(2～3℃)水的玻璃器皿中，根據其光澤、顏色和彈性等特征區分活根和死根[13]。活根呈乳白色或淡黃色，有彈性、鮮亮，根序完整，死根特征為褐色、失去光澤和韌性、易斷，多數死根未脫落。

依照根序分級方法[12]對細根進行分級，將根系末端的根(即最遠軸的根)定義為一級根，一級根著生部位的根定義為二級根，二級根著生部位的根是三級根，以此類推直至區分到四級根。著生在高級根序上但沒有分枝的根也劃分為一級根。

將每個樣地三個樣點的活根和死根按不同等級分別混合并掃描，再經65℃烘干48 h后，在電子天平上(±0.001 g)稱量細根干重，最后研磨至粉末狀用于分析N含量。

2.3 細根長度和N濃度測定

根樣烘干之前用WinRhizo根系掃描分析系統(Pro(s)v.2004b，Regent instruments Inc，Canada)掃描根樣并計算其長度，然后用干重除以根長計算出單位長度細根的干重(g/cm)。采用凱氏定氮法測定細根N濃度。

2.4 細根N含量和N內循環率計算

由于基于濃度比較來估計養分內循環狀況可能并不準確[14-15]，所以本研究用單位長度細根干重(g/cm)乘以細根N濃度(μg/g)計算得到單位長度細根的N含量(μg/cm)，比較含量差異來評價水曲柳細根N內循環。細根N內循環率計算公式：

式中：RE為N內循環率(%)；Cl為活根N含量(μg/cm)；Cd為死根N含量(μg/cm)。

2.5 數據處理

用獨立樣本T檢驗分別比較不同根序等級的活根與死根間N含量的差異顯著性，當p<0.05時差異顯著，以此判斷是否存在N內循環。用SPSS 16.0對數據進行統計分析。由于四級根序死根量非常少，將三個樣地的四級死根量混合進行濃度測定，所以四級活根與死根間N含量差異未做顯著性分析。

3 結果與分析

將細根按照根序方法劃分為不同等級，由于這種方法考慮了根系統中不同位置根的結構功能差異，因此對細根壽命的估計更為準確[10]。細根養分內循環發生在細根死亡脫落前，因此與細根的壽命密切相關。有研究顯示：各根序等級根的壽命存在差異，根序等級越高，根壽命越長[12]，因此，衡量細根的養分內循環應該考慮根位置的影響。

水曲柳活根N濃度隨著根序等級的增加而逐漸減少，N含量隨著根序等級的增加而逐漸增加，且死根與活根規律相似(如圖1所示)。水曲柳不同根序等級細根N濃度的變化規律與Pregitzer等對9個樹種細根N濃度的研究結果相似[10]：根序等級越高N濃度越少。水曲柳各級根的干重不同導致了細根N含量與N濃度出現相反規律，單位長度細根干重隨根序等級增高而變大(如圖2所示)，使得根序等級越高，細根的N含量越大。各級根之間的N濃度存在不同程度的差異，含量也是如此，將各級根混合所得的平均濃度或平均含量都不能代表各級根N的絕對含量，因此，細根養分內循環的研究將細根按照根序劃分等級所得的結果可能更為準確。

圖1 水曲柳各級根序細根N濃度和N含量

圖2 水曲柳各級根序細根干重

一級根和二級活根N含量略高于死根，但差異均不顯著(p>0.05)；三級活根N含量顯著(p<0.05)高于死根，四級活根的N含量也明顯高于死根，這說明水曲柳的一級根和二級根可能都沒有發生N內循環，但從三級根開始有N的內循環發生。根據N含量的計算結果，三級根和四級根N的內循環率分別為26.03%和50.93%。相同樹種的研究結果顯示，水曲柳一級根、二級根和三級根的直徑均小于等于0.5 mm[10]，而直徑≤0.5 mm的根存在N內循環，內循環率為10.56%(見表1)，小于本研究中三級根和四級根的內循環率，這可能是將不同根序等級的根混合在一起求平均含量造成的。需要注意的是，如果本研究比較的是活根與死根間的N濃度差異，則根本不存在N的內循環，這與王存國在長白山闊葉紅松林用養分濃度法研究的細根養分內循環的結果一致[16]。可見，選擇研究方法的不同可能是目前細根養分內循環結果具有較大差異的主要因素之一。這也證明了van Heerwaarden等[15]的推測：基于濃度比較來估計養分內循環狀況可能并不準確，可能會造成對養分內循環的誤判或者低估。

表1 水曲柳活根與死根間N含量差異

注：*表示差異顯著(p<0.05)；“直徑≤0.5 mm根”的數據見參考文獻[17]

雖然目前水曲柳各級根序的壽命和死亡順序沒有定論，但就本研究中細根N內循環而言，在各級根死亡脫落時，根序等級較高的根應該存在N的內循環。按照直徑大小劃分細根等級的研究方法所得的N內循環結論不能完全反映各根序等級根的N內循環狀況，根的位置與根序結構不僅對研究細根壽命和周轉有重要意義，對細根N內循環的研究也產生重要影響。

4 結束語

水曲柳三級根和四級細根存在N內循環，而一級根和二級細根應該不存在N內循環。水曲柳直徑≤0.5 mm細根的N內循環研究結論不能完全反映各級根的N內循環狀況，根的位置不同，其N內循環情況不同，因此，細根養分內循環的研究應該將根序作為一個重要的指標來考慮。此外，養分內循環研究方法的選擇也會對結果產生較大影響，是細根養分內循環研究中需要進一步關注的問題。

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