亞熱帶天然常綠闊葉林林下9種灌木細根形態和C、N化學計量特征

張進如,閆曉俊,賈林巧,范愛連,王 雪,陳廷廷,陳光水,*

1 福建師范大學地理研究所,福州 350007 2 福建師范大學濕潤亞熱帶生態地理過程教育部重點實驗室,福州 350007

細根是植物根系最活躍的動態和代謝組織,在植物和生態系統功能中起著重要的作用,包括吸收土壤水分和養分、物理固定、資源儲存、營養物質生產等[1]。細根對植物生長和生態系統過程的影響在很大程度上是由一系列細根功能性狀決定,包括根系形態如：根直徑(AD)、比根長(SRL)、根長(RL)和根組織密度(RTD),根化學物質如:根組織碳(RCC)、根氮濃度(RNC)和根磷濃度(RPC),根結構(如分枝強度和分枝比)以及菌根組合[2]。細根功能性狀是植物在進化過程中與環境相互作用所形成的,既響應外界環境的變化,也影響生態系統過程,決定細根養分吸收、生長與存活,反應了進化史、地理環境和生態系統過程之間的權衡[3]。越來越多的研究分析細根功能性狀特征,并進而探究地下根系的生理生態特征[4—8]。木本植物根系在發育過程中形成了不同的分支結構,是由各個根序構成的復雜分枝系統,細根形態和功能在不同序級之間存在明顯的變異。傳統的生態學研究將直徑為1—2mm的根認為是壽命短的吸收根,而很少考慮細根內部功能的異質性[9—11]。根據根的分支順序來表征根的特征已被認為一種識別根系功能差異的有用方法[12—13],越來越多的學者采用序級劃分的方法開展細根功能性狀的研究[14—16]。

目前關于森林植物細根功能性狀的研究國內外已有較多的開展,但幾乎都集中于冠層樹種[17—19],而對于林下弱光環境中的灌木植物細根對環境的適應性的研究尚且不足。灌木是森林生態系統中不可或缺的一個重要層次,其根系在森林生態系統碳循環、養分循環、群落動態,以及土壤的形成和結構穩定性等方面發揮巨大的作用[20]。目前對森林生態系統中灌木在環境中的適應和性狀表現已有研究,但人們對森林灌木地上特征關注較多,如Palmroth等[21]對氮添加對瑞典北部針葉林灌木葉功能性狀影響的研究,Luo等、曹嘉瑜等、路興慧等[22—24]對中國不同森林生態系統中灌木地上部功能性狀及生物量分布的研究。而在已有的基于灌木細根的研究中,大多數是針對灌木細根對氮沉降、光照、二氧化碳等的響應[25—27]、沙生灌木細根生物量分布和細根動態[28]、以及高原、河谷灌木細根特征及分布等方面研究[29—32],缺乏針對于亞熱帶森林生態系統中灌木細根基本特征的研究。

亞熱帶常綠闊葉林物種多樣性豐富,處于不同生態位的植物具有多樣的適應性狀,從而形成了復雜的群落結構。最近關于植物在林下層弱光環境中的適應已開展許多研究,如關于植物耐陰性狀組合的碳獲取和脅迫耐受假說[33],生物量分配[34],以及不同光環境的表型可塑性[35]等方面研究,然而在上層常綠闊葉樹種遮光的環境中灌木細根如何表現尚不清楚。細根直徑是根系性狀的重要指標,不同的細根直徑具有不同的解剖結構和生理功能[36],根長度是衡量養分和水分吸收能力的重要指標,總根長能反映細根的空間養分捕獲能力。比根長是指單位干質量細根總長度,反應細根投入產出關系,比根長越大,細根對水分和養分的吸收效率越高。細根組織密度可表示木質化中柱與薄壁皮層組織之間比例[37],影響細根的營養吸收速率。細根碳含量與細根周轉有密切聯系,細根木質化程度越高,碳含量越高,分解速率越慢。根氮濃度與細根呼吸有密切關系,反應細根的生理代謝能力。這些指標直接影響細根吸收和運輸水分、養分的能力,是反應根系功能的重要特征,能夠指示細根對環境的適應[36]。因此本研究選取這6個指標,以亞熱帶常綠闊葉林林下9種常見灌木為研究對象(表1),重點探究常綠闊葉林下灌木的細根形態和碳(C)、氮(N)含量特征及其相關關系?？蔀榱私獬＞G闊葉林灌木細根形態化學特征提供數據支撐、為理解灌木在維持森林生態系統多樣性的重大作用以及不同植物的地下生態策略提供科學幫助。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地位于福建省北部,武夷山東南側建甌市房道鎮的萬木林自然保護區,地理位置處于北緯27°03′N,東經118°09′E,最高峰海拔556 m,相對高差322 m,面積189 hm2。主山脊南北走向,山坡下陡上緩。氣候為亞熱帶濕潤季風氣候,多年平均氣溫 18.8 ℃,多年平均降雨量1663.8 mm,多年平均蒸發量 1466 mm,降水以4月至6月居多,相對濕度 81%,無霜期有277 d。地貌類型為東南低山丘陵,地帶性土壤為紅壤和黃壤,土壤質地疏松、呈微酸性。植被類型為中亞熱帶常綠闊葉林,樟科(Luraceae)、木蘭科(Magnoliaceae)、殼斗科(Fagaceae)、杜英科(Elaeocarpaceae)、山茶科(Theaceae)、冬青科(Aquifoliaceae)、山礬科(Symplocaceae)和金縷梅科(Hamamelidaceae)等為該地區主要科。

1.2 細根采樣與形態化學指標測定

2018年7月,在萬木林自然保護區天然常綠闊葉林內的典型地段選擇9種灌木樹種 (見表1),進行細根采樣。該常綠闊葉林群落喬木層優勢顯著,林分郁閉度較高,平均樹高13.4 m,平均胸徑14.6 cm,主要優勢樹種有木荷、羅浮栲、虎皮楠等[38]。采樣時每種灌木選取地徑和株高相近的3棵,根據Guo等[14]的根系取樣方法,在貼近灌木基莖一側挖取一個長、寬、高分別是 20 cm、20 cm 和 20 cm 的土塊,挑選土塊里所有的根段,放入自封袋中,快速回到實驗室冷藏。依據Pregitzer等[12]的根序分級方法進行細根分級與處理,對于一個完整根系,根尖為一級根,分叉成兩個一級根的根被認為是二級根,以此類推到5級根。處理好的根系做好標記并放入冷藏箱中保存,用于后續的形態和化學分析。

表1 萬木林自然保護區內9種灌木的樹種名稱、科和生活型Table 1 Nine shrub tree species,family and life form studied in Wanmulin Nature Reserve

用數字化掃描儀 Espon scanner 對各個序級的細根進行3次重復掃描,掃描后的細根樣品在65℃下烘干后稱重。使用Win RHIZO (Pro 2005b)軟件分析細根形態指標,確定根系直徑、體積、總根長、根數量,比根長、組織密度、平均根長通過以下公式計算得出,細根烘干后研磨成細粉,取8—10 mg包樣并用元素分析儀Eelementar Varietal III測定1—5序級根的碳氮含量。

細根形態指標計算公式如下[39]：

細根比根長(m/g)=根長(m)/細根干重(g)

細根組織密度(g/cm3)=細根干重(g)/細根體積(cm3)

平均根長(cm)=總根長(cm)/細根數量

1.3 數據處理

采用混合線性模型分析樹種、序級、生活型以及樹種和序級、生活型和序級之間的交互作用對細根形態功能性狀的影響,并用 Bonferroni檢驗常綠灌木和落葉灌木對細根功能性狀影響的差異性。利用 Pearson相關分析方法分析不同序級細根形態功能性狀和灌木細根C、N分布格局之間的相關性,在SPSS 軟件中對總序級的各功能性狀做主成分分析。圖中數據為平均值±標準差。數據統計分析使用SPSS 24.0軟件,并在Origin 2018中進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同樹種細根形態和C、N濃度隨序級變化特征

如圖1,本研究中9種灌木細根直徑、單根長均隨序級的增加而增加,比根長則逐漸降低。除刺毛杜鵑、杜莖山外、蝴蝶戲珠和青灰下葉珠二級根組織密度最低外,其他樹種細根組織密度基本上呈現隨著序級增加而增加。細根碳濃度在序級間的變化不一,未表現出明顯的規律。除毛冬青4、5序級氮濃度高于3級根外,其余灌木細根氮濃度隨序級的增加而呈減少。9種灌木細根平均直徑的變化范圍在0.324—2.156 mm,平均根長為0.460—25.351 cm,比根長為0.439—73.494 m/g,根組織密度為0.255—0.768 g/cm3,根碳濃度為406.497—451.918 g/kg,根氮濃度為5.598—13.280 g/kg。混合線性分析結果(表2)表明樹種、序級以及樹種和序級的交互作用對細根6個性狀均具有極顯著的影響(P<0.01)。

圖1 9種灌木1—5序級細根直徑、根長、比根長、組織密度、碳濃度和氮濃度的均值Fig.1 Average diameter,length,specific root length,tissue density,nitrogen concentration and carbon concentration of the first-five root branch orders for the nine shrub species

表2 樹種、序級、生活型及其交互作用對灌木細根功能性狀的影響Table 2 Effects of tree species,root order,life form and their interaction on functional traits of shrub fine roots

2.2 不同生活型灌木細根形態和C、N濃度的差異

分析圖2可得,常綠灌木細根直徑在1—3序級中顯著小于落葉灌木(P<0.05)；落葉灌木根長大于常綠灌木,且在4、5序級中差異顯著(P<0.05)；細根比根長在常綠灌木和落葉灌木之間無顯著差異(P>0.05)；常綠灌木組織密度高于落葉灌木且在1—4序級上差異顯著(P<0.05)；常綠灌木細根碳濃度在1、2序級顯著高于落葉灌木(P<0.05),其他序級差異不顯著(P>0.05)；常綠灌木氮濃度低于落葉灌木,且在1—4序級中差異顯著(P<0.05)。由表2可得生活型的差異對細根直徑、根長、組織密度、碳濃度和氮濃度具有顯著的影響(P<0.05),對比根長沒有顯著影響(P>0.05)。生活型和序級的交互作用僅對細根根長和碳濃度有顯著的影響(P<0.05)。

圖2 常綠和落葉灌木1—5序級細根直徑、根長、比根長、組織密度、碳濃度和氮濃度Fig.2 Average diameter,root length,specific root length,tissue density,carbon concentration and nitrogen concentration of the first-five root orders for evergreen and deciduous shrubs同一序級不同小寫字母表示不同生活型間差異顯著(P<0.05),相同生活型不同大寫字母表示不同序級間差異顯著(P<0.05)。圖中數據為平均值±標準差

2.3 不同根序細根性狀之間的相關性

灌木細根直徑與比根長在1—5序級中為顯著或極顯著負相關關系；直徑與組織密度在2—5序級中顯著或極顯著負相關；比根長與組織密度僅在2序級中極顯著負相關(表3)。本研究中直徑與根碳濃度在1、4序級中呈現極顯著負相關關系,與根氮濃度的關系在4序級中極顯著正相關(表4)；比根長與氮濃度在2序級中顯著正相關；根組織密度與根氮濃度序級間的相關性顯著而與根碳濃度沒有顯著關系；碳氮比與碳濃度在1、2、4序級中極顯著正相關,與氮濃度在1—5序級中均為極顯著負相關。

表3 9種灌木同一序級細根形態性狀之間的相關性Table 3 Correlation between morphological traits of fine roots in the same order of the nine shrubs

表4 9種灌木同一序級細根形態和化學性狀之間的相關性Table 4 Correlation between morphology and chemical traits of fine roots in the same order of the nine shrubs

2.4 灌木細根所有序級功能性狀的主成分分析

對9種灌木所有序級細根性狀做主成分分析發現,灌木根系沿一個主成分軸發生變異(表5),該主成分能解釋細根性狀變異的63.3%。直徑、比根長、根組織密度、根氮濃度在該軸上的載荷較高,分別為0.837、-0.943、0.855、-0.811。直徑和根組織密度與該主成分呈較強的正相關,而比根長和根氮濃度則與該主成分呈較強負相關。

表5 9種灌木細根功能性狀的主成分載荷及其解釋率Table 5 Principal component loads and their explained rates of root functional traits for the nine shrubs

3 討論

3.1 亞熱帶常綠闊葉林下灌木細根形態和C、N濃度的序級變化特征

本研究中,亞熱帶常綠闊葉林下灌木樹種細根呈現隨著序級的增加,直徑、根長和組織密度增加,比根長降低的一般規律,其他相關的研究也有類似的結果,如許旸[40]與廖樂平[41]對亞熱帶樹種的研究,Pregitizer等[12]對北美4個闊葉樹種和5個針葉樹種前3級根的研究,Valenzuela-Estrada[42]對菊科植物越桔細根形態、解剖結構和壽命的研究。本研究灌木細根氮含量隨序級的升高而降低,而碳濃度在序級間的變化沒有統一規律,與許旸[40]、童芳[43]及于立忠等[44]的結論相一致。氮濃度在序級上的差異與細根的生理代謝有關[36]。熊德成等[45]認為碳濃度在序級上的差異是由于可溶性糖組分和貯存組分隨序級的變化規律可能不一,從而導致C含量隨序級變化的不同規律。Guo等[36]認為細根中化學成分的不同主要與細根生長發育特征有關,低級根主要是皮層細胞占比較高的初生組織,細胞代謝能力強,氮濃度大,隨著根序的增加,木質化的次生組織增多,纖維素和木質素濃度高,使得碳濃度增加,氮濃度減小[36,14]?；旌暇€性模型結果表明樹種及其與序級交互作用對所研究的灌木細根各功能性狀都有極顯著的影響。此外細根性狀的變異還會受菌根菌類型[46]、土壤養分的有效性[47]、土壤結構化學組分[48—50]、系統發育等潛在因素影響[51]。

通過與在相同的常綠闊葉林中喬木樹種細根的研究相比發現[45,52—54](表6),與喬木樹種相比,灌木細根直徑、根長、組織密度和氮濃度較小,比根長較大。王釗穎等[55]對武夷山落葉林的研究結果也發現灌木細根比根長顯著高于喬木。Valverde-Barrantes等[56]對不同生活型的研究發現喬木細根直徑最大,比根長最低,細根氮含量最高。這種差異反應了植物應對環境的策略,灌木由于長期生長在林下低光環境當中,受到光資源的限制,其細根可能相對于喬木更容易受碳供應的限制,傾向于增大比根長,依靠自身的吸收細根來獲取養分,并且通過降低直徑、根長和組織密度來減少構建成本。根組織氮與細根代謝(如呼吸)和壽命等密切相關[51],較低的氮濃度表明灌木細根的代謝能力較弱,資源獲取較慢。有研究表示直徑粗、SRL小、組織密度高的細根能夠通過與菌根共生有效地吸收養分[57],喬木因其碳輸入較高,可負擔起菌根菌的碳消耗,因此喬木相對來說可能更多的通過菌根菌來獲取養分,進而具有較粗的根直徑[58]。由于本研究僅分析了灌木細根形態化學指標,因此喬木和灌木與菌根菌共生關系的差異有待進一步驗證。

3.2 常綠闊葉林林下不同生活型灌木細根性狀差異

之前的研究表明,不同生活型地上部分功能性狀間存在顯著差異,通常來說常綠樹種相對于落葉樹種葉厚度較大,比葉面積較小[59],植物氮分配給光合器官的比例較小,光合利用能力較低[60—61],用于構建防御組織的物質較多[23]。本研究發現落葉灌木細根直徑、根長和氮含量均顯著高于常綠灌木,表明落葉灌木細根較粗,根長較長,有比較大的土壤空間開發能力,生理代謝活性高,更偏向于資源獲取型的養分獲取策略。常綠灌木碳濃度和組織密度相對于落葉灌木較高,表明常綠灌木細根有較強防御儲備能力,能夠應對較長的生長期帶來的碳供應壓力,以保證更長的根壽命,資源保守性更強。其他對不同生活型細根的研究也得出較為一致的結論,如周永姣等[62]也發現常綠樹種細根氮磷含量較低,采取較慢的生長策略；Alvarez-Uria等[63]對阿爾卑斯山高低海拔樹木細根性狀研究發現常綠針葉樹的比根長顯著低于落葉樹種。于水強等[64]對不同生活型細根壽命的研究發現常綠樹種的細根壽命高于落葉樹種。由此可知,不同生活型地上地下資源獲取策略存在協調性。

3.3 亞熱帶常綠闊葉林下灌木不同序級細根形態和C、N濃度之間的關系

本研究結果顯示林下灌木不同序級中比根長與直徑均顯著負相關,這與劉穎等[30]、楊雨等[31]和Kong等[65]研究中結論一致。其他細根形態性狀間的關系因序級而異。本研究中除一級根外灌木細根直徑與組織密度呈負相關關系,與Kong等[66]研究結果一致。Bergmann等[46]認為這是由于皮層與中柱的異速增長關系以及兩者碳含量和干物質不同所導致的。高級根中直徑與組織密度之間的權衡可能與細根在構建成本上的權衡有關。本研究中細根比根長與組織密度僅在2級根中有顯著的負相關關系,這可能是低序級中細根通過增加比根長,降低組織密度來獲取養分獲取的一種策略。目前的研究中比根長與組織密度的關系尚不明確,如Craine等[67]研究表明比根長與組織密度無顯著關系,Holdaway等[68]的研究中具有正相關關系,童芳[43]的研究中則為顯著的負相關關系。Kramer-Walter等[69]認為不同物種的比根長受細根組織密度、直徑和長度等的影響而變化復雜,SRL與RTD間無必然聯系。這種差異一方面可能與不同研究所考慮的根序不同有關,執行不同功能的根系其SRL與RTD的關系也不同,另一方面可能與物種差異以及環境因子的影響有關。

本研究中不同序級細根氮濃度與組織密度均呈顯著負相關關系,這種關系在Kong等[66]、Kramer-Walter等[69]和Ma等[70]眾多研究中得到證實。其他形態與化學性狀間的關系也因序級而異或沒有關系,由直徑與氮濃度的關系可知,在低級根中同一序級物種間的氮濃度并不受直徑大小的影響,Kong等[66]和Holdaway等[68]也發現一級根直徑與氮濃度有較弱的正相關關系,這可能是因低級根負責養分吸收,代謝活躍,具有相似的內部解剖結構,相同根序在根系統中所承擔的生理功能相同,根氮濃度相近[40]。一般來講比根長越大的細根需要較高的氮含量來完成呼吸代謝活動,然而Valverde-Barrantes等[51]和王釗穎等[55]發現比根長與氮濃度沒有相關性,而本研究發現比根長與氮濃度僅在2序級中有顯著的正相關性,這可能由于低級根負責養分和水分吸收,因此需要較大的比根長和氮濃度以維持較高的代謝速率。也有研究表明比根長和根氮濃度之間的相關性并沒有比葉面積和葉氮濃度之間的關系強[56],這是由于葉性狀沿環境梯度變化,受系統發育影響較小,而根性狀變異則受生物和非生物因素的復雜影響[71]。本研究中低級根中C/N的變異同時受C、N的影響,高級根主要受N含量的影響,然而這與熊德成等[45]的研究結果相反,可能與所研究的樹木種類不同,細根代謝強度的不同有關。本研究中同一序級細根形態性狀與C、N濃度的關系并不密切,許多研究也發現受進化的影響細根形態和化學性狀之間存在獨立性,如Valverde-Barrantes等[51]發現細根形態和化學性狀之間有較弱的相關性,而部分形態和化學性狀之間的相關性也可以通過耦合進化來解釋。形態化學的分離表明根系可能有更多的性狀組合,通過最大化提高收益,減少建設和維護成本[58],以適應復雜的生物和非生物環境。

3.4 亞熱帶常綠闊葉林林下灌木細根性狀的變異維度

主成分分析結果發現,總序級細根性狀的變異可以用一維的資源經濟策略來表示,該軸表示細根在資源獲取與資源保存之間的權衡。在該軸的一端細根具有較高的比根長和氮濃度,這種性狀能使細根快速獲取養分和水分[72—73],因此位于這一端的物種采取資源獲取型策略,在該軸的另一端細根具有較大的直徑、組織密度,細根獲取資源緩慢,但防御能力較強,采取資源保守策略。在目前對細根的研究中還存在其他變異維度,如Bergmann等[46]研究表明根系性狀變異有兩個維度,一是菌根共生vs根系自主覓食的養分獲取維度,另一個為根氮vs組織密度的資源保存維度,Kong等[66]研究也發現與直徑和分支結構相關的兩個根系變異維度,Zhou等[74]發現與直徑、比根長、氮濃度相關的多維性狀變異。多種不同變異維度是由于根系性狀往往受系統發育以及各種環境因素的制約,如土壤結構和土壤化學成分,資源的可用性等[71]。主成分分析結果的中細根直徑、組織密度、氮濃度和比根長的關系與討論3.3中的結果存在差異,表明研究根系的序級范圍不同會導致不同相關性結果,這是由于細根吸收根和運輸根的功能不同,因此不同物種功能性狀之間的關系會因序級而異,進一步說明對不同物種細根性狀之間的關系分析需考慮序級因素。本研究僅對9種灌木細根性狀變異進行了探究,在今后應增加灌木種類和數量,以便獲取更普遍的規律,為了解亞熱帶常綠闊葉林灌木細根生態策略提供更科學的依據。

4 結論

研究結果表明亞熱帶常綠闊葉林下灌木細根性狀變異與根序有緊密關系,樹種、序級及兩者的交互作用都對灌木細根功能性狀都有顯著影響。一般而言,常綠灌木細根采取相對保守的資源獲取策略,而落葉灌木細根則傾向于獲取型策略。細根性狀之間的關系因序級而異,灌木細根性狀主要沿資源保存-獲取軸發生變異。本研究僅探究了林下灌木細根性狀變化的一般規律,今后應將灌木與同一立地條件下的冠層樹種結合起來,并引入細根生物量等指標,以進一步揭示灌木與冠層樹種的生態策略差異。