人造林窗下香椿幼林細根的養分內循環

周義貴，劉運科，蘇 宇，李德會，李賢偉*

（1.四川省林業調查規劃院，成都 610081；2.四川農業大學林學院，成都 611130；3.成都市農林科學院，成都 611130）

養分內循環指植物體內器官或組織之間的養分轉移與交換。大量研究表明，葉片在衰老過程中會將氮、磷、鉀等養分元素轉移到其他組織[1]。細根（直徑＜2 mm）是植物根系的重要組成部分，是植物從土壤中捕獲養分和水分的主要器官。雖然細根生物量僅占林分總生物量的0.5%～10%[2]，但細根壽命短、周轉快，在頻繁的死亡過程中可將大量養分歸還給土壤，同時也通過養分內循環將養分轉移給其他器官或組織，以減少自身養分損失，降低對環境養分供應的依賴。因此，細根的養分內循環是植物保持營養的重要策略之一[1，3-4]。盡管如此，目前關于細根衰老死亡過程中是否存在養分內循環仍然存在很大爭議[5]。有研究認為，細根存在養分內循環，衰老的細根在脫落前可以轉移23%的氮、30%的磷和39%的鉀[6]。而E.S.Nambiar等[7]卻提出質疑，認為直接比較死根和活根之間的養分差異來確定細根衰老死亡過程中是否存在養分內循環的方法有明顯缺陷。在無法準確獲取細根死亡時間的基礎上，直接從林地中采集的死亡細根不能確定是否發生分解，更不能精確分解量及養分濃度變化率，這使得研究結論缺乏可信度[7]。隨著研究方法的不斷完善，將細根剝離土壤后置于獨立空間，則能夠避免細根的分解對養分內循環的影響。吳勇等[8]利用黑色塑料瓶將剝離土壤的細根套住、密封，模擬細根衰老的方法獲得了柳杉（Cryptomeria fortunei）1～3級細根養分內循環數據，陳珊等[5]也驗證了該方法的可行性。相對于地上部分而言，植物根系的外部環境更為復雜，不斷改善方法，對研究養分元素的遷移規律，探討細根養分內循環將具有重要意義。

香椿（Toona sinensis）是亞熱帶地區珍貴的鄉土闊葉樹種，在退化人工針葉純林的結構調整和生態功能提升中具有先天的優勢，可作為改善林分結構、提升森林質量的重要備選樹種[9]。本試驗選取川中丘陵區柏木低效林近自然經營改造模式，通過“開窗補闊”，以補植的香椿為對象，采用吳勇等[8]的方法，將細根剝離土壤后置于獨立空間，在確保其不分解的前提下，定期獲取不同根序級的衰老細根，并分析其氮、磷、鉀、鈣、鎂等主要養分元素動態，確定細根在衰老死亡過程中養分元素是否發生內循環及其速率大小。從養分利用效率角度，為退化森林生態系統恢復過程中的樹種選擇提供數據支撐。以期為實現林分“混交-異齡-復層”的結構，形成優質、健康、高效、穩定的森林生態系統提供一定的理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

試驗地位于四川省德陽市旌陽區和新鎮（104°25′E，31°04′N），海拔 510～540 m，屬于低山丘陵地貌。該區屬亞熱帶濕潤和半濕潤氣候區，年均氣溫16～17℃，年總降水量880～940 mm，主要集中在5—10月，冬干春旱。年均無霜期 270～290 d[10]，土壤多為紫色土。該區在20世紀80年代營造了大面積的柏木純林，因樹種單一、初植密度過大及經營管理滯后，導致林分郁閉度大、層次結構簡單、物種多樣性低、地力衰退、林分長勢普遍衰弱?，F平均樹高6.5 m，平均胸徑8.0 cm，郁閉度大于0.8，單位蓄積量為44.7 m3/hm2，遠低于83.6 m3/hm2的全國平均水平，是典型的低產低效林[11]。林下灌木以黃荊（Vitex negundo）、馬桑（Coriaria nepalensis）、火棘（Pyracantha fortuneana）、鐵仔（Myrsine africana）為主；草本植物以鳳尾蕨（Pteris cretica）、栗褐苔草（Carex brunnea）、藎草（Arthraxon hispidus）為主。

1.2 樣地設置

2012年3月，選擇在西南坡向、中坡位、坡度20°～30°、生長狀況及經營管理水平相似的地段進行林窗式采伐[10]。人造林窗為以南北向長、東西向短的近橢圓形，面積為200 m2，3次重復，各林窗之間預留5～10 m的過渡帶。將樹枝樹干等殘體移除，但未掘根。處理完成后，于2012年3月下旬在每個林窗中引種香椿，采用“品”字形的方式，按50 cm×50 cm×50 cm的規格窩穴栽種，株行距為1 m×1.5 m，每窩穴施基肥2.5～3.0 kg[9]。初植香椿為2 a生實生苗，平均樹高30 cm，平均地徑0.43 cm。期間，只對香椿周邊進行折灌、除草處理，沒有施肥等其他經營措施。2015年4月對樣地基本情況進行調查，3個樣地的香椿長勢良好，平均樹高6.0 m，胸徑4.53 cm，平均冠面積3.87 m2。

1.3 試驗方法

試驗開始于2015年4月下旬。在3個樣地分別選取5株香椿平均木，在林下距樹基1m處移除枯落物。參照Guo D.L.等[12]的根序分級方法，以根軸末端未分枝的根分為1級細根，1級細根著生于2級細根上，依次分到5級細根，對于生于高級細根（3～5級細根）上的沒有分支的細根也分為1級細根，用木刀輕輕去除表層土壤，露出1級細根，沿1級細根仔細向2級細根搜尋，直至找到5級細根分枝處，將該根束分蘗的所有1～5級細根小心從土壤中剝離出來，用刷子輕輕刷去附著在細根上的泥土，將根束全部放置于內徑6 cm，深25 cm的黑色塑料瓶中，瓶口用防水膠密封，防止土壤水、土壤動物和林地凋落物等雜物進入，然后將塑料瓶垂直于地面埋回原地土壤10～20 cm土層中[8]，既保證細根衰老過程中能正常呼吸，也避免了細根分解對養分內循環的影響。每株樣樹重復5次，共獲得75個根束，每根束細根鮮重約5 g。從實驗當天開始，每間隔7 d分別從每株樣樹上截取1個根束，每次采集15個根束，共采集5次（采集時間分別為：2015-4-23，2015-4-30，2015-5-7，2015-5-14，2015-5-21）。根束采集后放入自制便攜式冰箱立即帶回實驗室。用去離子水清洗干凈，測定各級根序形態參數（表1），在65℃烘箱中烘烤48 h后粉碎保存。分別采用凱氏定氮法測氮，鉬銻抗比色法測磷，原子吸收分光光度法測定鉀、鈣、鎂的濃度[13]。采用陳珊等[5]的方法計算各級細根養分內循環率。

N級細根養分內循環率/%=N級細根期初與期末養分濃度變化量/N級細根期初養分濃度×100%

式中，N=1，2，…，5，期初濃度為 2015-4-23取樣養分濃度；期末濃度為2015-5-21取樣養分濃度。

表1 香椿1～5級細根根長、直徑、比根長Table1 1～5 fine root length，diameter，and specific root length of Toona sinensis

1.4 數據處理與統計分析

所有數據均采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0進行處理與分析。采用單因素方差分析（one-way ANOVA）分析香椿1～5級細根養分濃度和內循環率。

2 結果與分析

2.1 香椿1～5級細根初始養分濃度

從表2可知，香椿1～5級細根中氮的初始濃度最大，其次是鉀、鈣、鎂、磷，分別為 4.85～18.75 g/kg、4.01～5.19 g/kg、2.93～3.25 g/kg、1.46～1.59 g/kg、0.76～1.13 g/kg，其中氮、磷、鉀濃度隨著根序的增加而降低。方差分析顯示，氮濃度在1、2級細根之間差異不顯著（P＞0.05），但均顯著高于 3～5級細根（P＜0.05）；磷濃度在 1級細根中顯著最高（P＜0.05），在 2、3 級細根及4、5級細根差異不顯著（P＞0.05），但二者之間差異顯著（P＜0.05）；鉀濃度在相鄰根序間差異不顯著（P＞0.05），但在低級細根（1、2級）中顯著高于高級細根；鈣、鎂濃度在各根序間差異不顯著（P＞0.05）。

表2 香椿1～5級細根初始養分濃度Table2 1～5 fine root initial nutrient concentration of Toona sinensis g·kg-1

2.2 香椿細根衰老過程中養分濃度變化

2.2.1 香椿細根衰老過程中氮濃度變化

由圖1可知，不同等級根序中的氮濃度變化規律均不相同。1級細根的氮濃度呈現下降趨勢，累計降低了30.56%。2、3、4級細根的氮濃度均表現為先升后降，說明氮在細根衰老過程中發生遷移，存在內循環。由于還未衰老的2級細根接受了從1級細根中轉移出來的氮，其濃度在處理3周后達到峰值，為20.93 g/kg。處理3周后開始表現出衰老特征，氮元素遷出速率明顯加快，2級細根氮累計遷移率為46.49%。3級細根的氮濃度變化規律與2級細根的氮濃度變化相似，3級細根氮累計遷移率為25.68%。4級細根中氮在處理4周后出現峰值，為8.71 g/kg，表明氮元素的遷移伴隨著不同根序細根的衰老而發生。5級細根的氮濃度變化基本穩定，說明在5周的試驗期間內，5級細根主要起養分運輸作用。

2.2.2 香椿細根衰老過程中磷濃度變化

如圖1所示，細根在衰老過程中磷濃度變化與氮元素相似，也存在內循環。1級細根的磷濃度均處于下降過程，且在處理1周后有一個劇烈的下降過程，但在處理2周后下降趨勢明顯減緩，說明1級細根的磷遷移較為迅速，累計降低了0.46 g/kg。由于2級細根接受了從1級細根遷移出來的磷，其濃度在第2周達到峰值，為1.23 g/kg，說明處理2周后開始表現出衰老特征，磷元素遷出速率明顯加快，2級細根磷累計遷移率為56.86%。3級細根磷濃度變化與2級細根變化相似，同樣在處理2周后即達到峰值。相對于2～3級同根序細根的氮濃度變化，磷的遷移發生則更為迅速。4、5級細根中的磷濃度則沒有明顯的變化趨勢。

2.2.3 香椿細根衰老過程中鉀濃度變化

鉀元素是極易移動的養分元素，同樣在細根衰老過程中存在內循環，且在處理的第1周就迅速做出反應。如圖1所示，1級細根的鉀濃度在處理第1周就迅速下降，之后呈現較平緩的變化，1級細根鉀累計遷移率為21.77%。2級細根的鉀濃度在第2周達到峰值，說明2級細根接受了從1級細根遷移出來的鉀，2周后開始表現出衰老和養分轉移的特性。3、4級細根的鉀濃度先升后降，均在3周后開始表現出養分轉移的特性。5級細根的鉀濃度無明顯變化。

2.2.4 香椿細根衰老過程中鈣和鎂濃度變化

由圖1可知，1～5級細根在衰老過程中鈣濃度變化均不顯著，基本在 2.93～3.25 g/kg之間，1、2、4級細根的鈣隨時間變化呈“W”型的趨勢，3、5級細根變化規律不明顯。鎂濃度在各級根序中的變化均不同，且變化幅度均較小。1、4級細根的鎂濃度在處理前期下降，在1周后上升，但1級細根的鎂濃度變化幅度比4級細根大。2、3級細根的鎂濃度在1周后下降，隨后開始上升，在處理第3周達到峰值。第4周2級細根鎂濃度開始下降，而3級細根的鎂濃度趨于穩定的水平。5級細根的鎂濃度處于波動狀態，無明顯規律變化。表明香椿細根衰老過程中，鈣、鎂可能存在內循環，但遷移率極小。

2.3 香椿細根衰老過程中的養分內循環率

由表3可知，香椿1～5級細根在衰老過程中，氮、磷、鉀養分遷移明顯，存在內循環。氮、磷和鉀的內循環率平均為16.41%、21.95%和17.09%，主要發生在1級和2級細根中，其中磷的內循環率最大，其次是氮、鉀。氮、磷的養分內循環在2級細根中最顯著，其內循環率分別高達29.58%、33.97%，鉀的養分內循環則主要集中在1級細根，其內循環率為22.11%，均遠高于3～5級細根。鈣和鎂元素在細根衰老過程中濃度變化不大，說明這2種元素移動性較差（濃度變化率較小或為負值，暫不分析內循環率）。方差分析顯示，同一元素在1～2級細根以及4～5級細根中的內循環率無顯著差異（P＞0.05），但低級細根（1、2級）養分內循環顯著高于高級細根（3～5級）（P＜0.05），3級細根與 4、5級細根之間的養分內循環差異顯著（P＜0.05）（3級細根作為過渡性根），說明在分析香椿的細根養分內循環時可以將1～2級細根和3～5級細根分別歸為同一結構模塊進行研究。

圖1 香椿細根衰老過程中養分濃度變化Figure1 The change of Nutrient concentration in Toona sinensis fine root with senescence

表3 1～5級香椿細根元素的內循環率Table3 Nutrient internal cycling rate of different root order of Toona sinensis %

3 討論

自20世紀80年代，一些學者開始關注細根養分內循環研究，但因樹種、研究方法等的差異，細根衰老過程養分內循環的機理至今仍無定論[1，14]。多數研究者認為樹木的細根存在養分內循環[8，15]，也有研究認為這只不過是大多數植物的一個特征，部分樹木的細根基本不存在養分的轉移。有學者通過比較研究發現，同一樹種的細根中有的元素存在內循環，有的元素則不發生遷移。已開展的細根養分內循環的研究大多數為直接比較活根和死根之間的養分差異來確定是否存在養分內循環及內循環率的大小，其結果會受到細根分解的影響，所得結論的可靠性值得商榷[5，8]。由此可見，細根養分內循環研究的關鍵是獲取沒有分解的衰老或死亡細根[8]。如果將待研究植物細根剝離土壤，放置在無法接觸土壤微生物、養分和水分的獨立空間，人為促進細根的衰老死亡進程，避免了細根分解對養分內循環的影響，對于細根衰老過程中養分內循環的正確評估將有積極的意義[8]。本研究將香椿細根置于獨立空間，避免了衰老過程中的分解對養分內循環的影響[5]。結果表明，香椿細根在衰老過程中氮、磷、鉀元素有明顯的遷移現象，存在養分內循環，其速率分別為4.14%～29.58%、10.06%～33.97%、13.23%～22.11%，養分循環利用效率較高。且3種元素的遷移均先發生在壽命短、周轉快的1級細根中，隨后向2級及更高根序級細根移動，但2～3級細根的磷濃度峰值比氮、鉀出現的早，說明在細根開始衰老時，磷更容易轉移，且轉移更迅速；鈣和鎂元素則基本不發生轉移，這與養分元素自身的移動性較差有關，二者在植物體內可能是以穩定化合物的形式存在[5]。香椿1～5級細根中氮、磷和鉀的內循環率平均為16.41%、21.95%和17.09%，且養分內循環主要集中在1～2級細根，其內循環率遠大于3～5級細根，這說明低級細根（1～2級）對養分內循環的貢獻率高于高級細根（3～5級）。主要是因為，一方面低級細根具有較高的氮、磷、鉀濃度（表2），而養分濃度是影響養分內循環率的重要因素[5，17]。另一方面，根據植物葉子壽命與內循環強度成反比可推測細根養分內循環可能與細根壽命有密切關系，低級細根壽命顯著短于高級細根[17-20]，細根根序等級可能是衡量細根養分內循環的重要依據[5]。

根系的研究者一直試圖在根系中找到一些類似于功能上某個模塊的功能單元。如在北美的9個樹種的根系上發現了根痕，進而推測細根像葉子一樣，每年或者不定期的成簇脫落[18]。隨后，Guo D.L.等[12,18]通過解剖特征分析初生和次生結構、菌根浸染等進一步論證了1級和2級細根成為一個統一功能模塊的可能。本研究對香椿1～5級細根養分內循環進行了測定，結果表明同一養分元素在1～2級細根以及3/4～5級細根中的內循環率內無顯著差異，但低級細根養分內循環顯著高于高級細根，3級細根與4、5級細根之間的養分內循環差異顯著，說明在分析香椿的細根養分內循環時可以將1～2級細根、3級細根和4～5級細根分別歸為不同結構模塊進行研究。但不同結構模塊在吸收養分中是否有不同功能，內循環的機理是否一致，仍待進一步研究。

目前多數的研究者認為，養分內循環是植株為適應貧瘠環境而提高養分循環利用率的一種自我保護機制[1，5]。Chen X.D.等[21]研究了混交刺槐后，側柏林長勢明顯變好，認為刺槐進入后，能夠有效地促進養分循環。本研究證明香椿細根存在養分內循環，對于引入樹種適應柏木低效林林地貧瘠的土壤環境，提高低效林改造成功率有重要意義。因此，川中丘陵區柏木低效林“開窗補闊”生態改造模式引進的鄉土闊葉樹種香椿，與柏木林構成針闊混交的塊狀鑲嵌格局，不僅改善了低效柏木林的景觀格局，增加了系統穩定性，而且香椿具有較高的光合效率和生產力[9]，林分固碳能力強[11，22]。因此，在與本研究選取的條件相似的地區，可將香椿作為柏木純林等退化人工林改造中的優良備選樹種推廣使用。